气象小课堂之多普勒天气雷达

 

多普勒天气雷达是目前气象领域中使用较多的一种手段,能够很好地推测天气的变化,今天我们就来讲一讲多普勒天气雷达...



今天我们气象小课堂的主题是多普勒天气雷达。相信大家可能看到过在某些地方有着一个大球一样的东西,那个就是多普勒天气雷达。

多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效应为基础,可以测定散射体相对于雷达的速度,在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。具体表现为:当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时,可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异,从而得出所需的信息。

多普勒效应(Doppler effect)是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。多普勒认为,物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移 (blue shift))。在运动的波源后面,产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低(红移 (red shift))。波源的速度越高,所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速,否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象都存在多普勒效应。

天气雷达间歇性地向空中发射电磁波(称为脉冲式电磁波),它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播,在传播的路径上,若遇到了气象目标物,脉冲电磁波被气象目标物散射,其中散射返回雷达的电磁波(称为回波信号,也称为后向散射),在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。

新一代多普勒天气雷达的产品包括基本产品和导出产品。基本产品有三个:反射率因子、平均径向速度、谱宽。反射率因子描绘了一个完整的360º方位扫描的回波强度数据,数据等级用dBZ表示。雷达操作者可依靠反射率因子产品确定回波的强度,确定风暴的强弱和结构以及强降雨(雪)带,还可根据反射率因子随时间的变化确定降水回波的移动以及未来的趋势等。平均径向速度表示整个360º方位扫描径向速度数据,径向速度即物体运动速度平行与雷达径向的分量。径向速度有许多直接的应用,可以导出大气结构,风暴结构,可以帮助产生、调整和更新高空分析图等。平均径向速度产品有两点局限性:一是垂直于雷达波束的风的径向速度被表示为0;二是距离折叠和不正确的速度退模糊。谱宽数据实际上指的是速度谱宽数据,它是一个对速度离散量的度量。它可提供由于风切变、湍流和速度样本质量引起的平均径向速度变化的观测,也可用来确定边界(密度不连续面)位置、估计湍流大小及检查径向速度是否可靠。导出产品是雷达产品生成系统(RPG)根据基本数据资料通过气象算法处理后得到的产品,比较重要的有相对于风暴的平均径向速度图、相对于风暴的平均径向速度区、强天气分析、组合反射率因子、回波顶、剖面产品等。到目前为止,最常用的还是基本产品,导出产品只能起到提示和参考作用。

相较于传统天气雷达,多普勒雷达能够监测到位于垂直地面8-12公里的高空中的对流云层的生成和变化,判断云的移动速度,其产品信息达72种,天气预报的精确度比以前将会有较大提高。1991至1997年,美国在全国及海外布网的165台NEXRDA被称为天气雷达系统的典范,是目前世界上最先进的和最精确的天气雷达系统。它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性天气警报的能力无与伦比。NEXRAD可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品,极大地提高了对超级单体、湖泊效应雪、成层雪、雷暴、降水、风切变、下击暴流、龙卷、锋面、湍流、冰雹等重大灾害性天气的监测和预报能力。对强雷暴的侦察率是96%,对龙卷的发现率是83%,对龙卷警告的平均预警时间是18分钟,而在未建NEXRDA网络之前,美国国家上述参数的平均值分别是60%,40%和2分钟。从中可以预料CINRDA将从根本上增强探测强雷暴的能力,能较早地探测到晴空下威胁航行的大气湍流和发生灾害性洪水的可能,并为水资源的管理决策提供极有价值的信息。新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的一项气象现代化工程,计划在全国建成S频段和C频段雷达156部,该系统建成后,我国的气象现代化水平会上一个新的台阶。



图为灿鸿的雷达回波动图



图为2014年3月31日广东飑线过程

这次的气象小课堂就是这样。


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