多普勒天氣雷達資料的雷電特性分析

1、學學 位位 論論 文文多普勒天氣雷達資料的雷電特性分析多普勒天氣雷達資料的雷電特性分析論文作者姓名：論文作者姓名：申請學位專業(yè)：申請學位專業(yè)：申請學位類別：申請學位類別：工學學士工學學士指指導導教教師師姓姓名名（職職稱稱）：論文提交日期：論文提交日期：年年 月月 日日多普勒天氣雷達資料的雷電特性分析多普勒天氣雷達資料的雷電特性分析摘摘 要要雷電是發(fā)生在大氣中的瞬間放電過程，雷電災害是聯(lián)合國公布的“最嚴重的十種自然災害之一” ，與其它災害性天氣相比,雷電有發(fā)生時間短、頻率高和影響范圍廣等特點。湖南省是雷電災害較嚴重的省份，每年都會造成嚴重人員傷亡和財產損失。歷史經驗表明，對雷電進行監(jiān)測預警能夠有

2、效地減少雷電災害。本文應用 2007 年-2008 年湖南長沙的多普勒天氣雷達回波資料和閃電定位系統(tǒng)的地閃監(jiān)測資料，對湖南地區(qū)閃電活動的雷達特征進行了分析。根據閃電定位儀資料，對照閃電發(fā)生時刻及閃電發(fā)生前后的產品特征進行個例的分析與驗證，并通過進一步的分析，初步得出了雷電預警的方法。關鍵詞關鍵詞：多普勒天氣雷達；雷達回波；雷電預警； Doppler Weather Radar Data Analysis of Lightning characteristicsAbstractLightning is the process of instantaneous discharge, which t

3、akes place in the atmosphere. Lightning is published “one of the top ten disasters by the United Nations. Compared with other severe weather, lightning occurs in a short time with high frequency and impact of a wide range. Hunan is one of the most provinces with severe lightning disaster, that causi

4、ng serious casualties and property losses. Historical experience shows that monitoring and early warning of lightning can reduce the lightning disasters effectively.This text makes use of the data of the radar echo and lightning detection ADTD positioning system, to analyze the characteristics of th

5、understorms and lightning from 2007 to 2008 in Hunan province. Based on the data of lightning tracking, we analyze and verify the product features of lightning and lightning occurred before and after. Through the further analysis and research, we have obtained the method of lightning warning. Key wo

6、rds：Doppler Weather Radar; radar echo; Lightning warning目目 錄錄1 引言 11.1課題背景和意義.12 國內外研究歷史及現(xiàn)狀.22.1國內外關于多普勒天氣雷達資料的應用研究.22.1.1國內外關于雷電的研究.32.2研究的目的和意義.42.3本文的主要任務及結構.53 多普勒天氣雷達及其產品.53.1多普勒天氣雷達.53.2天氣雷達的產品和應用.64 雷達資料的選取.75 雷達回波特征分析.135.1基本反射率（R）特征.135.2回波高度（H）特征 .145.3回波頂高（ET）特征 .155.4垂直積分 CAPPI 特征.165.5垂

7、直積分液態(tài)含水量（VIL）特征.175.6組合反射率（CR）特征.186 雷達與閃電數據的綜合應用研究.196.1研究應用方法.196.2判別方法應用于預報.196.3雷達資料應用于雷電預警.207 總結.227.1結論.227.2前景展望.23參考文獻.23致謝.231 1 引言引言1.11.1課題背景和意義課題背景和意義雷電是發(fā)生于大氣中的一種瞬時高電壓、大電流、強電磁輻射災害性天氣現(xiàn)象。自然界中，雷(閃)電常伴隨龍卷等災害性天氣同時發(fā)生，對自然資源和人類創(chuàng)造的物質文明構成巨大的威脅。雷電災害已經被聯(lián)合國列為“最嚴重的十種自然災害之一” 。據估計，全世界每年約有10億次雷暴發(fā)生，平均每小時

8、發(fā)生2000次雷暴，每分鐘平均發(fā)生13次云對地閃電。就整個地球表面而言，每秒鐘的地閃就有30100次，每次閃電在微妙量級的瞬時釋放出約1.9810 的8次方焦耳的能量。為雷電所造成的雷擊具有極大的破壞性，每個閃電的強度可以高達10億伏。一個中等尺度的雷暴的功率有10萬kw，相當于一個小型核電站的輸出功率，同時雷電表現(xiàn)為強大的沖擊波、劇變的電磁場、強烈的電磁輻射、熾熱的高溫。雷電以其熱效應、機械效應、反擊電壓、雷電感應等方式產生破壞作用，從而造成人員傷亡、火災、爆炸、建筑物和各種設施損毀、電力及通訊中斷等等，從衛(wèi)星、通信、導航、計算機網絡系統(tǒng)乃至每個家庭的家用電器，都有可能在一道閃電中，毀于一旦

9、。據不完全統(tǒng)計，我國每年因雷電災害造成的人員傷亡為30005000人，財產損失為50100億元。目前，多普勒雷達在世界上許多國家都已經建成觀測網絡并投入了業(yè)務應用。而雙向偏振雷達盡管能夠提供更加細致的信息，但主要還只是用于研究領域中，因此利用多普勒雷達進行雷電的預警預報是目前相關領域研究的重點。雷電災害的預警和防御問題已經涉及到各行各業(yè)，開展對閃電形成機制、活動規(guī)律的研究，盡可能減小雷電災害帶來的損失有著十分重要的意義，它不僅與經濟建設緊密相關，更是關系到確保工農業(yè)生產和人民生命財產安全、維護社會穩(wěn)定的大事。從“九五”起，我國大規(guī)模地進行了新一代多普勒天氣雷達監(jiān)測網的布點建設，并已在二十多個省

10、區(qū)建立了獨立的雷電監(jiān)測。到2020年，將建立能覆蓋全國的云地閃監(jiān)測網和覆蓋重點區(qū)域的云間閃監(jiān)測網。隨著我國新一代多普勒天氣雷達布網工作的進行，越來越多的一線預報員將接觸到多普勒天氣雷達產品，如何利用豐富的雷達產品，較為全面地探討該產品對天氣系統(tǒng)和大氣狀態(tài)的指示意義，更好地服務于天氣預報工作就顯得十分必要。目前，我國把雷電預報納入八大業(yè)務軌道之一，閃電監(jiān)測網的建設，將使閃電探測和預警成為氣象服務產品的一個新品種。因此，積極探索、開展雷電預報，對于防災減災，拓寬服務領域都是非常有意義的。在我國由于多普勒天氣雷達的應用和雷電研究還處于起步階段，目前國內應用于業(yè)務的雷電預報方案研究仍然比較少見,雷電的

11、主客觀預報準確率均不高,雷電預報仍然是天氣預報領域中的一大難點。為了進一步做好防雷減災工作，加強對雷電預報能力，提高雷電監(jiān)測和預警水平，就必須用多種監(jiān)測手段相結合使雷電預報更加準確有效。2 2 國內外研究歷史及現(xiàn)狀國內外研究歷史及現(xiàn)狀2.12.1 國內外關于多普勒天氣雷達資料的應用研究國內外關于多普勒天氣雷達資料的應用研究多普勒天氣雷達在風暴識別方面，自上個世紀80年代以來，風暴系列算法在全美NEXRAD業(yè)務系統(tǒng)中投入了使用，并且取得較好的效果，但是它對間隔較小的風暴群效果并不是多么理想。Johnson(1998)等開發(fā)了風暴單體的識別和跟蹤算法(SCIT)，并在WSR一88D的BuiId90

12、軟件中使用，從而使對反射率因子為40dBZ以上的風暴單體的探測概率提高到68，反射率因子為50dBZ以上的風暴單體的探測概率提高到96，而此前僅為24和411。Richard等分析了美國閃電活動中地閃的密度，結果發(fā)現(xiàn)中西部地區(qū)地閃密度達到峰值的時期恰好與觀測到的強降水相一致；Scott等研究美國中南部地區(qū)夏季云地閃與降水的關系，結果表明地閃與地面降水的相關性較高：Rocdcr等提出了閃電臨近預報的雷達回波強度、垂直厚度、回波項高的參考指標等。在國內，張鵬(2002)在綜合利用多普勒天氣雷達速度場、譜寬場、強度場場資料及縮短探測時間方面進行了嘗試，提出了利用單PPI或雙PPI資料進行強風暴識別的

13、方法，應用實際資料進行的效果檢驗表明：與現(xiàn)有強風暴識別方法相比，雙PPI的綜合資料識別方法，既有一定的識別準確率，又具有節(jié)省探測時間、快速發(fā)布警報的優(yōu)點2。王飛等利用多普勒雷達資料,結合探空、閃電資料對2005 年夏季北京地區(qū)的22 個單體過程進行綜合分析發(fā)現(xiàn)雷暴單體中從25 dBz 回波出現(xiàn)到單體的35 dBz 回波厚度變化率達到極值的時間差,與雷暴中最早的云閃與最早的地閃之間的時間差,兩者存在一定的線性關系3。 在雷達資料反演方面，隨著反演理論和反演技術的不斷提高，將多普勒天氣雷達信息反演成風場、液態(tài)含水量分布、相對濕度、位溫以及氣壓擾動場等，并與常規(guī)氣象資料同化，大大彌補了中小尺度天氣數

14、值預報中格點資料的不足，提高了模式的預報效果4。在雷達定量估測大范圍降水方面，許多國家建立的雷達一雨量計站聯(lián)合測定區(qū)域降水系統(tǒng)，在水庫蓄放和防汛抗洪中發(fā)揮著重要作用。在災害性天氣的監(jiān)測、預警和預報方面，國內外的氣象工作者已經開發(fā)出一系列的雷達產品，并常利用雷達反射率產品的回波強度、回波形態(tài)等判斷強天氣類型。如：美國常用回波強度41dBZ作為強風暴的判斷指標，而國內常定45dBZl利用鉤狀回波、長釘狀回波等具有特殊形態(tài)的回波預報冰雹等對流天氣。常用徑向速度產品的某些特征分析、監(jiān)測龍卷氣旋和下?lián)舯┝鞯纫燥L害為主的強天氣。同時，利用雷達回波特征分析、總結對流性風暴的結構、演變等；在一般的業(yè)務和科研中

15、，雷達產品更多地用于天氣個例的分析和總結，例如：80年代末以來，美國、德國等國家的科研人員用雷達回波研究了大量的Derecho現(xiàn)象；在國內，廣大業(yè)務人員通過雷達回波分析，研究了大量颮線天氣過程，為做好預報服務總結、積累了豐富的經驗。2.1.12.1.1國內外關于雷電的研究國內外關于雷電的研究在雷電研究方面，80年代以來國際雷電研究趨勢呈現(xiàn)出三大特點：1、對微秒、亞微秒的雷電過程進行研究；2、雷電與其它學科的交叉研究，其中在災害性天氣監(jiān)測預警方面，發(fā)現(xiàn)了雷電可先于雷達提前指示出強對流的發(fā)展，雷電頻數可用于對流性降水量的估測等；3、重視研究成果與實際應用的結合，如美國等國家的科學家每年在佛羅里達國

16、際雷電研究基地進行人工引雷實驗，除了進行理論研究外，還對不同類型的防雷設備進行檢驗、對高壓線以及模擬的航天發(fā)射器燃料盒等特種設備進行雷擊實驗，以增加其運行的安全性5。和發(fā)達國家相比，我國從事雷電基礎研究的力量明顯不足，與我國日益增長的雷電防護需求相比是十分不相適應的。從雷電研究自身來講，與其他學科相結合的交叉研究也十分欠缺。我國雷電研究雖然起步較晚，但在近20多年來也有了很大進展，中國科學院寒區(qū)早區(qū)環(huán)境與工程研究所在雷暴云電結構、雷電物理、雷電電磁輻射、人工引發(fā)雷電技術及其應用等方面進行了深入研究，取得了一系列重要成果，并在國際上具有一定的地位。中國氣象科學研究院、中國科學技術大學、中國科學院

17、空間科學與應用研究中心信息產業(yè)部第22研究所等單位在雷電探測技術和資料應用方面也進行了一定研究。在雷電預報(包括短期雷暴潛勢預報、短時雷電監(jiān)測和跟蹤以及發(fā)布雷電警報)研究方面6比較突出的有：用決策樹方法制作的，為機場提供自動雷暴探測和嚴格導航系統(tǒng)的美國AWIPS雷暴產品；澳大利亞氣象局結合數值預報產品制作的雷暴預報決策樹方法；印度德里地區(qū)的點聚圖方法、多元線性回歸方程法制作的雷暴客觀預報等等。在閃電的臨近預報方面，Itoeder等提出了閃電臨近預報的雷達回波強度、垂直厚度、回波頂高的參考指標等；美國空軍第45天氣中隊(45WS)開發(fā)的閃電經驗預報方法(在當地稱為“Pinder經驗規(guī)則”)，為預

18、報員根據天氣系統(tǒng)預報閃電提供了輔助手段。利用參數化方法制作閃電客觀預報的研究也很多。近年來，我國在雷電預報方面也取得了一些成果，但從總的來講，與發(fā)達國家相比，我國在經費的投入、綜合探測手段的應用、資料的積累及研究隊伍的建設等方面都遠落后于發(fā)達國家，特別是在高時間分辨率雷電探測、雷暴探空(電場和常規(guī)氣象要素)、衛(wèi)星雷電探測、多參數雷達的同步觀測，以及綜合資料的獲取和應用方面差距很大。從雷電研究來講，與其他學科相結合的交叉研究也十分欠缺，國內至今尚未組織一次與相關學科聯(lián)合的大型觀測試驗。2.22.2研究的目的和意義研究的目的和意義對全湖南省年平均雷暴日數統(tǒng)計顯示，湖南屬于多雷區(qū)，年平均發(fā)生雷暴 4

19、8.5次之多。作為雷電這種自然現(xiàn)象的發(fā)生具有隨機性、瞬對性和危險性，不能采用常規(guī)方法進行研究，因此對雷電的認識和理解進展就比較緩慢。近年來，我國不少部門在小范圍內配是閃電定位系統(tǒng)，結合雷達探測資料，科研和業(yè)務工作者對于雷電活動、雷暴天氣的監(jiān)測和診斷作了研究，取得了部分研究成果，但利用多普勒雷達觀測資料和閃電定位資料相結合對雷電進行綜合分析的研究并不是很多。雷達同時具有觀測精度高、觀測時間間隔短的優(yōu)勢，這使得它成為了目前最適合于開展雷電預警工作的觀測設備。多普勒天氣雷達對暴雨、冰雹、龍卷等災害性天氣有很強的監(jiān)測和預警能力，它包括了災害性天氣的絕大部分的監(jiān)測和預警內容，作為一個對大氣探測重要手段，

20、利用多普勒雷達對雷電作臨近預報 ,減少災害損失 ,已成為多普勒雷達資料應用的一項重要工作。雷達資料應用在國外雷暴預警中已經取得了很大進展，但我國在這方面還比較薄弱。目前湖南省雷電氣候研究方面的文獻不多，由于閃電定位投入應用時間不久，相關研究也比較少。本課題利用湖南省地面觀測得到的雷達回波資料及 ADTD 雷電檢測定位系統(tǒng)采集的閃電數據對全省雷暴及閃電特征進行分析，主要選取回波高度、基本反射率、回波頂高、組合反射率因子、垂直積分液態(tài)水含量、CAPPI 資料。根據閃電定位儀資料對湖南地區(qū)閃電活動的基本特征進行分析，以加深對該地區(qū)雷電的認識。2.32.3本文的主要任務及結構本文的主要任務及結構本文是

21、對多普勒天氣雷達資料的雷電特征進行分析，并利用2007年8月至2008年8月一年來湖南省氣象局閃電定位系統(tǒng)的地閃監(jiān)測資料，對湖南地區(qū)閃電活動的雷達特征進行分析驗證。并根據其發(fā)生閃電時的特征，綜合雷達資料以及其他探測資料，對湖南閃電趨勢進行預報。本文在總體結構上共分為7章。第1章引言，本章介紹了課題背景，研究的目的和意義以及國內外研究歷史現(xiàn)狀。第2章多普勒雷達及其產品，介紹了多普勒天氣雷達的優(yōu)勢以及其產品和在天氣分析、預報中的應用。第3章為雷達資料的選取，本章介紹了如何選取所需的雷暴單體以及對照地閃監(jiān)測資料選取雷達探測資料數據。第4章數據的記錄，記錄所找到發(fā)生閃電以及未發(fā)生閃電時的雷達回波特征參

22、數。第 5 章雷達回波特征的分析，本章主要通過記錄數據所做圖表，對雷達回波、各種二次產品進行分析研究。第 6 章雷達與閃電數據的綜合應用研究，運用決策樹方法得出對閃電預報的判別方法，并得出對湖南閃電趨勢進行預報方法。第7章結論，并對全文進行總結。3 3 多普勒天氣雷達及其產品多普勒天氣雷達及其產品3.13.1多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達多普勒雷達是目前世界上最先進的雷達系統(tǒng)，有“超級千里眼”之稱。相較于傳統(tǒng)天氣雷達，多普勒雷達能夠監(jiān)測到位于垂直地面8-12公里的高空中的對流云層的生成和變化，判斷云的移動速度，其產品信息達72種，天氣預報的精確度比以前將會有較大提高。新一代天氣雷達具有很強的實時

23、性，最多在 10 分鐘就能得到一幅掃描結果，這種實時性是傳統(tǒng)探測方法所不具有的，同時它還具有較高的的靈敏度，我國現(xiàn)在雷達大多數測量范圍都在半徑 300km 以上，能比較準確的測得半徑內的各種天氣系統(tǒng)，除了能得到常規(guī)的天氣系統(tǒng)的回波強度分布信息以外，在達對中小尺度天氣系統(tǒng)觀測具有以下優(yōu)勢：(1)顯著增強對熱帶氣旋、風暴、雹云、風切邊、龍卷氣旋、下?lián)舯┝鞯葰庀鬄暮Φ陌l(fā)生、發(fā)展和消亡過程的檢測預報能力。(2)新一代多普勒天氣雷達探測資料能提供反應熱帶氣旋強度以及環(huán)流結構特征，并利用速度場信息確定臺風中心，明顯改善熱帶氣旋（臺風）登陸位置和強度預報的精確度。(3)對風和降水具有高分辨力的思維探測能力，

24、可獲得探測范圍內垂直速度和散度的局部分布，明顯提高對雷暴發(fā)生時間、地點檢測預警的準確性，改進風暴災害預報的可靠性。(4)能提供較詳細的中小尺度天氣的雷達探測資料，特別是通過獲得的晴空和大范圍降水區(qū)內的風場資料等信息，對降水的短時預報、檢測預報與鋒面的天氣變化、預報雷暴的發(fā)展和移動等有重要作用，可明顯提高短期和短時的預報能力。3.23.2天氣雷達的產品和應用天氣雷達的產品和應用主用戶處理子系統(tǒng)（PUP）用來接收RPG生成的氣象產品數據和狀態(tài)信息，并以圖形的方式提供給預報人員做天氣分析和預報使用。此軟件有如下功能：1、對來自RPG的氣象產品進行顯示。包括產品顯示選擇、疊加、根據用戶地理位置定中心、

25、放大和改變分辨率、動畫等。2、有選擇的檢測強天氣地域能力，并作出警報。3、在背景地圖上顯示天氣狀況。4、從RPG接收并顯示其信息。如列出由RPG產生的當前產品表，向操作人員報告雷達當前天氣狀態(tài)及強天氣情況，對CAPPI產品顯示等。新一代多普勒天氣雷達的產品包括基本產品和導出產品?；井a品有三個：反射率因子（Z）、平均徑向速度（V）、譜寬（W），除回波強度外，后兩種信息，常規(guī)數字化天氣雷達不能獲取。二次產品包括：基本反射率（R） 、組合反射率因子（CR） 、垂直積分液態(tài)水含量（VIL） 、回波頂高(ET)、CAPPI資料、風暴結構產品、譜寬剖面產品（SCS）以及分層組合湍流平均值產品（LTA）

26、。多普勒雷達產品在天氣分析和預報中得到了廣泛的應用，多普勒雷達觀測的實時回波強度、徑向速度、速度譜寬的圖像中，提供了豐富的有關強對流天氣的信息，綜合使用ZVW圖像可以較準確和及時檢測災害性天氣?；夭◤姸纫恢笔桥袛鄰妼α魈鞖獾闹匾獏担嗥绽绽走_徑向速度分布圖也是判斷強對流的一種有效工具，因為，強對流天氣的出現(xiàn)和發(fā)展往往與氣流的輻合、輻散以及旋轉有關，在識別風災害時特別有效。雷電的發(fā)生與中小尺度對流系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。天氣雷達對中小尺度的對流系統(tǒng)能夠很好地進行探測。大量的觀察資料表明，雷電的發(fā)生與對流云發(fā)展的強度、高度、發(fā)展階段、內部粒子相態(tài)、溫度等有緊密的聯(lián)系。由于雷暴單體產生的強雷暴具有突發(fā)

27、性、短時性、強風切變等特點。利用多普勒天氣雷達，除了可獲得能表征降水強度和云中液態(tài)含水量之外，還能得到降水質點相對雷達的平均徑向速度和速度譜寬，這些資料有利于預報人員對雷暴環(huán)境流場的識別和對其生消發(fā)展的判斷，從而分析由雷暴單體發(fā)展為強雷暴的多普勒雷達風場的特征，并使預報人員得以提前發(fā)布強雷暴和風切變預警信息。4 4 雷達資料的選取雷達資料的選取由于多普勒雷達和雷電定位系統(tǒng)目前已經在我國的大部分地區(qū)廣泛架設，因此本文主要利用這兩類設備所獲得的資料來所建立的雷電預警方法是最接近實際業(yè)務用的。雖然這種預報方法也會有自身的局限性，例如雷達本身觀測區(qū)域的限制，雷電定位系統(tǒng)的定位誤差和探測效率的影響，以及

28、各地環(huán)境差異造成的一些預警參數的差異需要調整。在研究過程中，由于雷電定位系統(tǒng)的定位誤差可能會對單體是否為雷暴單體，以及雷電的起始發(fā)生時間的確定都會造成影響，因此本文中所選取的研究對象為孤立生成和發(fā)展的單體，目的就在于降低由于雷電定位系統(tǒng)定位誤差對單體是否雷暴、以及單體中雷電的起始發(fā)生時間的判斷方面所造成的影響。由于閃電定位系統(tǒng)的定位存在一定的誤差，為了避免由于定位誤差而導致對單體是否雷暴，以及閃電發(fā)生時間和空間的錯誤判斷，在研究過程中所選取的個例主要為單獨發(fā)生和發(fā)展的單體，并最終選選取 2007 年 8 月-2008 年 8 月間長沙雷達站探測范圍之內的單體作為研究對象，其中由于雷暴的發(fā)生與發(fā)

29、展是經過一段時間的演化，所以在選取的閃電發(fā)生時間和雷達回波圖時間時以不超過10 分鐘為標準。例如：圖 3-2 及圖 3-3（為 PUP 界面所顯示的基本反射率產品）所示那樣單獨發(fā)生和發(fā)展的單體的雷暴單體，并且在閃電定位儀數據記錄資料上可查得在雷達探測地點以及對應時刻是否發(fā)生了閃電。圖 3-1 2007 年 8 月 3 日 17:41:58 雷達回波圖圖 3-2 2008 年 5 月 28 日 06:59:52 雷達回波圖圖 3-3：2008 年 5 月 28 日 07:29:42 雷達回波圖圖 3-4 2008 年 5 月 28 日 07:04:48 時閃電定位儀數據數據記錄在研究中找出雷暴在

30、發(fā)生雷電的初生階段雷達回波特征，通過進一步分析，主要目的就是找出雷電預警的條件，也就是找到在何種雷達回波特征條件下，能去預測到雷電的發(fā)生，以及可能發(fā)生雷電的強弱。在此，首先要做的工作是要找到發(fā)生閃電的時刻的雷達回波特征。國內外許多個例分析表明，雷達回波位置與閃電發(fā)生區(qū)域有較好的一致性，對20072008年的雷達強度場資料和閃電定位資料作了系統(tǒng)的對比，也較好地印證了這一結論。本文研究并記錄新一代多普勒天氣雷達監(jiān)測到PUP產品的主要指標有：回波高度（Echo Height） 、基本反射率（Base Reflectivity） 、回波頂高(Echo Tops)、垂直積分液態(tài)水含量（Verticall

31、y Integrated Liquid） 、CAPPI資料、組合反射率因子（Composite Reflectivity） 。以下記錄的雷達回波的特性參數選用的都是0.5仰角掃描：表1 發(fā)生閃電的雷達回波特征參數 (Rd-雷達 L-閃電)HRETVILCAPPICR序號時間經度緯度(km)(dBz)(km)kg/m2(dBz)(dBz)Rd20070801 13:50:30114.87429.228540(43)8(8)10(13)-45(48)1L20070801 13:51:18114.82229.0077-Rd20070802 11:39:28113.96329.6913.840(43)

32、6(7)10(13)-45（48)2L20070802 11:44:39113.96629.6372-Rd20070803 15:39:19111.76727.5123.740(43)6(7)5(8)20(23)40(43)3L20070803 15:43:00111.70827.6548-Rd20070803 22:58:33113.26326.8534.345(48)8(8)10(13)50(53)45(48)4L20070803 22:57:42113.27826.8125-Rd20070805 12:13:45115.0729.2615.740(43)5(5)5(8)-40(43)5L

33、20070805 12:20:13115.00529.2733-Rd20070810 07:10:00111.09728.4694.540(43)8(8)5(8)25(28)40(43)6L20070810 07:13:16111.07628.4908-Rd20070810 12:50:34112.67129.552.640(43)9(10)20(23)20(23)-7L20070810 12:52:18112.67129.5091-Rd20070813 16:01:06113.54229.1952.140(43)8(8)40(43)50(53)45(48)8L20070813 16:01:3

34、2113.52829.2358-Rd20070821 02:43:20114.62429.043440(43)6(7)1(3)25(28)40(43)9L20070821 02:44:00114.61728.9954-Rd20070821 15:52:42112.73230.237540(43)8(8)5(8)-40(43)10L20070821 15:59:20112.76130.0236-Rd20070822 14:44:29111.63529.9165.345(48)5(5)5(8)-40(43)11L20070822 14:43:53111.56229.9369-Rd20070823

35、02:57:34111.28228.736420(43)6(7)5(8)40(43)25(28)12L20070823 111.28428.7886-02:49:03Rd20070823 16:49:40113.57727.1033.740(43)6(7)1(3)15(18)40(43)13L20070823 16:53:21113.55727.1485-Rd20070824 07:09:10114.48328.4883.240(43)11(11)10(13)40(43)-14L20070824 07:08:28114.43828.5671-Rd20080321 05:38:21111.464

36、28.5453.540(43)3(4)1(3)15(18)25(28)15L20080321 05:37:01111.48128.5455-Rd20080321 11:49:57112.35127.2383.435(38)6(7)1(3)-25(28)16L20080321 11:50:34112.42427.1139-Rd20080328 06:37:23113.60727.1213.745(48)3(4)5(8)25(28)45(48)17L20080328 06:37:58113.60027.1391-Rd20080328 07:48:54113.62227.093.840(43)3(4

37、)5(8)20(23)20(23)18L20080328 07:48:54113.54127.0909-Rd20080330 09:57:58111.76727.5033.840(43)3(4)1(3)25(28)40(43)19L20080330 09:59:54111.65627.2417-Rd20080403 23:33:19111.48328.6223.440(43)3(4)5(8)-45(48)20L20080403 23:34:50111.48328.7457-Rd20080404 04:11:14111.75227.5433.750(53)3(4)10(13)40(43)45(4

38、8)21L20080404 04:11:33111.68827.6776-Rd20080408 20:35:31113.62827.2923.245(48)3(4)5(8)20(23)20(23)22L20080408 20:35:37113.73627.2982-Rd20080412 07:15:52111.17929.3685.235(38)8(8)1(3)-35(38)23L20080412 07:16:33111.11729.2991-Rd20080412 11:47:16111.86426.9924.950(53)11(11)25(28)-50(53)24L20080412 11:5

39、1:05111.86026.9931-Rd20080420 00:05:32113.08530.214.835(38)8(8)1(3)-35(38)25L20080420 113.10030.2466-00:06:08Rd20080502 20:09:22111.67129.5224.240(43)6(7)5(8)35(38)40(43)26L20080502 20:10:27111.6729.5115-Rd20080503 07:05:24112.42430.385.740(43)5(5)1(3)-40(43)27L20080503 07:17:48112.42430.3207-Rd2008

40、0526 01:09:16111.00129.2445.530(33)5(5)1(3)-30(33)28L20080526 01:08:08111.16629.249-Rd20080526 07:10:47110.81728.9325.740(43)9(10)5(8)-40(43)29L20080526 07:12:02110.43028.9337-Rd20080526 13:06:10114.85828.8964.540(43)8(8)5(8)-40(43)30L20080526 13:15:54114.42728.894-Rd20080526 16:21:06111.66328.9613.

41、240(43)8(8)5(8)-40(43)31L20080526 16:22:03111.66028.9038-Rd20080527 12:00:19111.43928.8413.740(43)9(10)5(8)20(23)40(43)32L20080527 12:03:27111.72128.8409-Rd20080528 06:59:52113.62427.4222.940(43)5(5)1(3)25(28)40(43)33L20080528 07:04:48113.55927.418-Rd20080528 08:29:24113.49526.9694.130(33)3(4)1(3)30

42、(33)30(33)34L20080528 08:31:53113.41126.9355-Rd20080606 18:44:58113.31330.3185.340(43)5(5)10(13)-35(38)35L20080606 18:28:59113.36130.2851-Rd20080612 19:47:55114.10729.6544406(7)5(8)50(53)25(28)36L20080612 19:46:24114.14629.6799-Rd20080613 02:12:17113.15729.5732.740(43)6(7)20(23)50(53)40(43)37L200806

43、13 02:11:18113.0329.5141-Rd20080613 04:48:47112.78330.4085.545(48)5(5)10(13)-45(48)38L20080613 112.73830.3273-04:50:04Rd20080622 15:53:38114.23229.774.640810-4039L20080622 15:51:06114.21829.8138-Rd20080706 20:36:55113.16326.625.240(43)5(5)5(8)-40(43)40L20080706 20:38:47113.19426.6628-Rd20080709 14:5

44、5:54111.75727.533.740(43)6(7)1(3)-40(43)41L20080709 14:59:24111.84527.4848-Rd20080710 11:56:28114.04328.4472.230(33)5(5)1(3)25(28)25(28)42L20080710 11:56:32114.05628.4678-Rd20080712 20:26:15114.36729.836540815-5043L20080712 20:28:38114.31229.84719-Rd20080717 14:29:25113.83929.7373.8401210204044L2008

45、0717 14:28:24113.81129.7189-Rd20080730 18:59:48114.82928.1564.34085404045L20080730 19:01:05114.81828.1505-Rd20080804 05:59:16112.56530.2635.240(43)12(13)10(13)-20(23)46L20080804 06:00:29112.47330.2311-Rd20080805 14:17:05111.24927.654.840(43)8(8)10(13)-25(28)47L20080805 14:20:00111.28827.7595-Rd20080

46、806 05:38:09111.2628.8354.245(48)6(7)5(8)25(28)45(48)48L20080806 05:38:00111.13028.769-Rd20080807 03:13:28110.87229.2425.940(43)5(5)5(8)-40(43)49L20080807 03:13:10110.80729.0944-表 2 未發(fā)生閃電的雷達回波特征序號時間經度緯度HRETVILCAPPI(dBZ)CR(dBZ)1雷達20080403 21:29:30112.30926.7085.245(48)8(8)10(13)-40(43)2雷達20080408 09:

47、53:43114.23527.3954.045(48)9(10)20(23)45(48)45(48)3雷達20080411 15:07:04112.84126.5575.445(48)9(10)5(8)-45(48)4雷達20080420 12:10:16114.79127.9734.440(43)8(8)5(8)20(23)40(43)5雷達20080430 09:26:07112.47228.1761.440(43)8(8)15(18)45(48)40(43)6雷達20080503 07:11:23111.69528.8803.045(48)8(8)10(13)30(33)45(48)7雷

48、達20080526 04:15:54110.93127.8345.540(43)5(5)10(13)-40(43)8雷達20080526 12:12:11114.87528.7264.440(43)8(8)10(13)35(38)40(43)9雷達20080602 17:40:34114.64728.5533.740653040(43)10雷達20080706 23:17:30113.04227.0603.640(43)3(4)1(3)-40(43)11雷達20080707 02:53:36111.75727.5213.740(43)3(4)5(8)-40(43)12雷達20080804 18

49、:33:13111.74727.5303.740(43)3(4)10(13)20(23)45(48)13雷達20080806 04:12:09111.32128.2343.940(43)3(4)5(8)10(13)40(43)14雷達20080629 21:35:36113.58029.59035 雷達回波特征分析雷達回波特征分析在雷達探測中，雷達顯示終端上出現(xiàn)的回波是多種多樣的，大致可分為氣象回波和非氣象回波兩大類，在雷達探測中，主要關心的是氣象回波的識別、分析和研究。雷達氣象回波是由雷達發(fā)射、經大氣及其懸浮物散射而返回被雷達天線所接收的電磁波。我們通常所說的雷達回

50、波強度指的就是雷達氣象回波的強度。雷達回波強度通常用雷達反射率因子Z 值來度量，而從回波形態(tài)特征也可以知道其回波強度。由于雷暴云內起電與其中的微物理過程有著密切的關系，溫度、云內粒子的大小與相態(tài)，以及相應的變化特征等都成為雷電預警的必要信息。雷達能夠較好的觀測云中粒子的一些宏觀特征從而具備了分辨雷暴云的能力，同時雷達還具有探測循環(huán)時間短的優(yōu)點。通常的多普勒雷達兩次體掃之間的時間間隔只有 56分鐘。并且，雷達也是目前唯一的一種可以積極的對閃電通道進行探測的技術，而不象其它的一些方法那樣只能被動的接收信息。多普勒天氣雷達同時具有觀測精度高、觀測時間間隔短的優(yōu)勢，雷達所反映的單體在強度方面的信息，結

51、合閃電活動方面的信息，對于雷電的預警預報有很大的幫助，并且這也是目前最接近實際業(yè)務應用的一種雷電預警預報手段。5.15.1基本反射率（基本反射率（R）特征）特征基本反射率產品，表示單位體積中降水粒子直徑 6 次方的總合（單位6mm/m3） ，它的值的大小反映了氣象目標內部降水粒子的尺度和密度分布，用來表示氣象目標的強度。Maribel7等提出：40dBz 回波強度是最適合閃電預警的雷達回波強度。由于 40dBz 回波強度是絕大多數發(fā)展較旺盛的單體都能夠達到的強度，并且這個強度的回波無論從出現(xiàn)時間、持續(xù)時間還是達到的高度都和非雷暴單體有著較明顯的差異，因而是區(qū)分雷暴和非雷暴單體的一個較好雷達特征

52、參量。王飛利用多普勒雷達資料，結合探空、 閃電資料對 2005 年夏季北京地區(qū)的 20 個單體過程進行綜合分析發(fā)現(xiàn)： 40dBz 是比較適合該地區(qū)雷電預警的一個雷達回波特征參量；在此基礎之上,將 0層結高度作為基礎特征高度，并結合- 10層結高度和強回波所占比例對孤立單體的雷電發(fā)生進行綜合預警是一種較為接近實際應用的方法。發(fā)生閃電的雷達回波產生閃電時的基本反射率如圖 5-1 所示：圖 5-1 發(fā)生閃電時雷達回波基本反射率特征從圖 4-1 可以看出發(fā)生了閃電的回波基本反射率基本都達到了 40dBz 這一值，其中以 40dBz 以上居多，但對照表 2 卻發(fā)現(xiàn)這并不能作為是否發(fā)生閃電的唯一依據，還得

53、綜合其他特征一起進行分析，40dBz 左右的回波強度是發(fā)生閃電電的必要不充分條件。所以閃電主要出現(xiàn)在強回波區(qū)（40dBZ）以及周圍，在對于其它幾個回波特征參數分析應用時也不能孤立分析一個特征參數就下定結論。5.25.2回波高度（回波高度（H）特征）特征雷達回波高度直接體現(xiàn)出對流云發(fā)展的狀況,云體中的重要部位達到冰晶化活躍溫度區(qū)域的所在高度,是形成龐大的雷暴云體和強電場并促使發(fā)生雷電現(xiàn)象必不可少的條件,因此對雷達回波最大高度進行對比分析非常有利于識別雷暴。由于雷暴云中的對流發(fā)展比較旺盛，雷暴云的雷達回波強度有時可達到雷達觀測回波強度的極限值65.0dBz，但是雷暴云的形成，要求在云內存在較大厚度

54、的高含水量的過冷卻水滴區(qū)，使得雷暴云在對流發(fā)展過程中迅速抬高發(fā)展，最終導致雷暴的發(fā)生，所以分析雷達強回波（大于或等于40.0dBz）高度能否達到一定得高度，可以作為判定云內上升氣流強度的一種指示，也可作為識別雷暴的一個預報指標8。發(fā)生閃電的雷達回波產生閃電時的不同高度如圖5-2所示：圖 5-2 發(fā)生閃電時雷達回波高度特征通過上圖可以看出：閃電的發(fā)生與回波的高度是否達到一定的高度層有著密切的關系，圖中的回波高度大都（93%）超過了 3km。5.35.3回波頂高（回波頂高（ET）特征）特征通常所說的回波頂高度，是指雷暴云上部30dbz 回波強度所在的高度。雷達回波發(fā)展的高度是產生閃電的一個很重要的

55、先決條件，沒有發(fā)展很高的云頂就沒有產生大量冰相粒子的條件和凈電荷分離的起電機制。雷暴的起電主要發(fā)生在起電區(qū)域的頂部附近，在超過了這個區(qū)域之后不同相態(tài)的水成物粒子將無法在上升氣流的支持下繼續(xù)共同存在；在電荷分離時，每次碰撞轉移的電荷量隨著冰晶尺度的增大而增加。雷暴云中要發(fā)生強起電過程，使電荷發(fā)生分離必須存在足夠數量和大小的冰相粒子以及足以使這些粒子上升到一定高度的上升氣流。這在實際的雷達觀測中必然反映為較強的回波上升到一定高度之上9。一般而言，對流的強弱在一定程度上和回波伸展的高度有關，所以 ET 產品可以用來分析估計雷達探測范圍內不同地區(qū)的對流發(fā)展以及對流相對強弱的情況10。但是由于受到與天線

56、掃描方式有關的體積模式的限制，經常發(fā)生弧狀的“階梯式”形狀回波11。發(fā)生閃電的雷達回波頂高特征如圖 5-3 所示：ET02468101214135791113151719212325272931333537394143454749個個例例數數回回波波頂頂高高（K KM M）ET圖 5-3 發(fā)生閃電時雷達回波頂高特征統(tǒng)計結果：從圖中可以看出：在選取的 49 個發(fā)生閃電的個例中有 33 個單體的回波頂高超過了 6km，有 16 個在 6km 以下，8 個在 5km 以下。因此，對預警來說，將要發(fā)生閃電的預警參數選取 6km 的回波頂高是切實可行的。回波達到相應的高度層與閃電的發(fā)生有一定的關系，但這

57、并非意味著回波頂高達到了 6km 就會發(fā)生閃電，如表 2 所示，其中有的單體回波頂高達到了 9km 的高度，但它并沒有閃電的發(fā)生，所以要綜合多個參數一起考慮才能達到更好的預警效果。5.45.4垂直積分垂直積分 CAPPI 特征特征 雷達以不同仰角分別作全方位掃描探測（簡稱體積掃描）時，所獲取的是球坐標形式的三維數據，它實際上由不同仰角相應的 PPI 數據組合而成。按照用戶設置的高度，應用測高公式，選取臨近該高度平面上的上下兩個仰角相應雷達測距上的數據，然后用內插方法得到該高度上的數據。為提高數據精度，常采用雙線性插值及加權平均插值方法。當然，若實測數據剛好位于設置的高度平面上，則不需用上述內插

58、方法。由于不同仰角的徑向速度之間沒有明確的關系，所在徑向速度的 CAPPI 分布的意義不夠清晰。如中國氣象局規(guī)定 CAPPI 產品中只有回波強度和速度譜寬這兩種沒有方向性的產品12。發(fā)生閃電時雷達回波 CAPPI 強度特征如圖 5-4 所示：CAPPI0102030405060135791113151719212325272931333537394143454749個例數強強度度（D DB BZ Z）CAPPI圖 5-4 發(fā)生閃電時雷達 CAPPI 強度特征由圖 5-4 可以看出在發(fā)生閃電的雷達 CAPPI 強度中，由于探測原因沒有得到部分強度顯示數據。圖中已有的數據都在 20 dBz 左右，

59、其中以 20dBz 以上的數據個數居多，同時 30dBz 以上的數據個數占了 40%。5.55.5垂直積分液態(tài)含水量（垂直積分液態(tài)含水量（VIL）特征）特征“VIL”是“Vertically Integrated Liquid Water”的縮寫形式。其意義是“垂直方向液態(tài)水的積分數值”,確切含義是“垂直方向上液態(tài)水的累計總含量” 。VIL 物理量產品是提供包含大量水凝物的云體中在垂直方向上液態(tài)含水總量的水平二維分布的數值圖像產品。目前,國內各種類型的新一代天氣雷達系統(tǒng)配備的產品加工軟件都能生成這種產品。該產品在風暴定位和對強對流天氣的預報和跟蹤、估測降水強以及冰雹判別等方面有著廣泛的應用。然

60、而,當前在國內投入布網使用的各種新一代天氣雷達系統(tǒng)所提供的 VIL 產品均系由單一固定的數學模型(即基于雨滴譜的“M - P 分布”所推導出來的 Z - M 關系) 生成。因而,該物理量產品對于實際天氣條件下雨滴譜多元化的適應性很差,其數據信息一般僅具有相對意義13。垂直積分液態(tài)水與基本反射率的強度有關，而持續(xù)高的垂直積分液態(tài)水又對應于超級單體回波，利用它的這一特性可以幫助識別更強的回波，從而進一步確定雷暴出現(xiàn)的可能性和肯定性。如果和其它產品進行疊加，就可以確定雷暴所在位置，以便更好地為預報服務。另外，垂直積分液態(tài)水含量這個產品還有一個特性，即“快速減少的垂直積分液態(tài)水可以引起風災” 。利用這