如何给天气做“体检”?

2016-08-15刘鑫华中国气象科普　　随着越来越多的气象观测数据向公众开放，人们接触各类气象数据的机...

预报员是这样看天气雷达的

预报员要预知天气，最重要的一步就是要对当前的天气状况和大气状态有一个全面系统的把握。这就要靠大气探测部门通过各种探测手段收集来的各类观测数据。天气预报所需观测基本可以分为常规观测资料和非常规观测资料。常规观测资料来自探空站的高空观测、地面观测站的地面观测以及海面上的浮标站的浮标观测；非常规观测资料来自气象卫星、多普勒天气雷达、商用飞机搭载的大气温度和风的观测、闪电定位仪观测、风廓线雷达观测、GPS监测以及天气志愿目击者提供的观测等。

对于降水和雷暴系统最有效的监测手段是天气雷达。



雷达数据获取的信号处理器从回波信号中提取反射率因子（回波强度）、取样体积内大量降水粒子沿着雷达径向的平均速度和径向速度的谱宽这三种基数据。雷达的产品生成器部分对基数据进行一系列的算法处理，形成一系列产品，如各个仰角的基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽、风暴路径信息、冰雹指数、中气旋、垂直累计液态水、组合反射率因子、速度方位显示风廓线、累计雨量等。

新一代天气雷达是多普勒天气雷达，除了测量雷达的回波强度外，还可以测量降水目标物沿着雷达波段径向的运动速度（称为径向速度）和速度谱宽。目前使用较多的是多普勒天气雷达产品。新一代天气雷达系统主要应用于对灾害性天气的监测和预警。它还可以进行较大范围降水的定量估测，获取降水和降水云体的风场结构。

回波强度一直是判断强对流天气的重要回波参数。径向速度分布图也是判断强天气的一种有效工具，在识别风害时特别有效。

强对流天气的出现和发展往往和气流的辐合、辐散以及气流的旋转有关。径向速度分布图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个极值中心的连线和雷达的射线相一致。

气流中的小尺度气旋（或反气旋）在径向风场图上也表现为一个最大和最小的径向速度对，但中心连线走向则与雷达射线相垂直。具有辐合（或辐散）的气旋（或反气旋）则表现出最大、最小值的连线与雷达射线走向呈一定的夹角。根据中心连线的长度、径向速度最大值、最小值及连线与射线的夹角，可以半定量地估算气旋（或反气旋）的散度和涡度。这使得多普勒天气雷达在监测龙卷、气旋和下击暴流等以风害为主的强对流天气中有独到之处。

对于线性风中出现的强风切变的风害天气，其径向风场图像也有很好的标志，雷达可以估算最大风速和切变量。还可以通过反射率因子和降水强度之间的关系对大范围的降水进行估测。通过一次完整的体扫测得的径向速度分布进行一定的反演处理，可以得到以雷达为中心几十公里范围的平均垂直风廓线。

另外，通过对新一代天气雷达的反射率因子和径向速度数据进行同化，可以大大提升高分辨率数值天气预报模式初始场的精度，进而改善数值天气预报。

预报员是这样用天气雷达的

那么，在实际工作中，预报员是怎样使用雷达产品的呢？以强对流短时预报操作为例，我们一般使用天气雷达的大致步骤是这样的：



首先，预报员可以分析组合反射率产品，并叠加冰雹指数产品和中气旋产品，确定在雷达监视区域内有哪些位置可能有强对流风暴。之后，找到每个潜在强对流风暴位置，将其置于画面中心，在同一幅画面上，对显示代表低层和中层的强度和速度各两幅图进行分析。在环境垂直风切变较大时，若强度图垂直结构出现向入流一侧倾斜，则可判断是强对流，有产生地面大风、龙卷和冰雹的潜势。若低层和中层速度图中显示出强烈的中气旋，则肯定是超级单体风暴，可以考虑发布龙卷警报。若中层有明显辐合或强度图上呈弓状时，可以考虑地面大风警报。若中层强中心值超过50dBz，考虑大冰雹警报。若有必要，还可在强度图上叠加冰雹产品和风暴路径，在速度图上叠加中气旋产品和龙卷涡旋特征产品后进一步分析。第三，做适当的垂直剖面。用强度剖面判断垂直结构，看0℃和-20℃等温线的高度以上是否有超过50dBz的结构存在，从而判断大冰雹出现的可能性。用速度剖面判断中层辐合区是否存在，从而判断地面大风的可能性。

当然，针对具体的天气过程上述步骤会有所不同，预报员针对实际情况会选择不同的雷达产品进行分析，上述步骤也并非是完全的和绝对的。

目前，雷达探测也不是完美无缺的，还存在改进空间，比如当前对大气探测覆盖能力不足；扫描周期太长；雷达型号多，难以统一及标准化；雷达探测距离及速度模糊；还不能完全有效地去除非气象回波；探测的空间分辨率有待提高；设备稳定性有待进一步增强；还不能够在同一时间对同一空间进行完整的物理图像探测。如果在上述这些方面改进，将会进一步满足预报员的需求。当然，从短期来看，较好的雷达产品的质量控制、方便快捷的多维可视化技术是对目前产品图形图像处理的需求。

雷达技术还在不断发展，比如针对雨水、云水、水汽、晴空测风等方面的不同需求，会发展不同波长的雷达进行有针对性的观测；为了了解降水粒子的相态、几何形状、非气象目标的识别等，会发展多极化的雷达；针对多目标、快速电扫描、高可靠稳定性的特点，会发展相控阵雷达。预报员可以利用回波强度获得天气系统热力结构；利用多普勒测风技术，获得天气系统动力场结构；利用相控阵雷达技术实现快速扫描，获取高时间和空间分辨率信息；利用不同极化方式探测降水系统的内部降水粒子相态特征、谱分布特征；利用变波长技术获取大气中不同目标物的探测信息（微波-降水离子，毫米波-云，激光-气溶胶和晴空风场）。这些技术的发展将会从不同角度满足预报员的不同需求。

来源：中国气象局

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