从本篇文章开始介绍反射率因子图(即雷达回波强度图)的分析与识别方法。
目录7.0 雷达回波的分类
雷达回波可分为气象回波和非气象回波:
\[雷达回波 \begin{cases} 气象回波 \begin{cases} 层状云降水回波 \\ 积状云降水回波(对流性降水回波) \\ 层积混合降水回波 \\ 零度层亮带 \\ 晴空回波 \\ \end{cases} \\ 非气象回波 \begin{cases} 地物回波 \\ 海浪回波 \\ 干扰回波 \\ 生物回波 \\ 超折射回波 \\ 旁瓣回波 \\ \end{cases} \end{cases} \]这篇文章先介绍气象回波,下一篇再介绍非气象回波。
7.1 层状云降水回波
层状云降水回波是一般由高层云或雨层云形成的回波,一般由低压、锋面、高空低涡、切变线所形成。
层状云降水回波的特征有:
- 回波比较均匀,呈弥散状分布,有时呈大的片状结构和丝条状结构;
- 回波区的范围较大,边缘模糊或破碎;
- 回波区内无明显的块状结构,反射率因子的变化梯度较小,回波强度一般不超过 30dBz;
- 回波变化比较缓慢,过程维持时间相对较长;
- 当雷达天线仰角抬高时,有时可观测到以测站为中心的零度层环状亮圈(左图 PPI 就存在零度层亮带,详见 7.4 节);
- RHI 上,中高纬的回波高度一般要低于 6km。
除此之外,降雪回波一般也属于层状云回波,水平范围大,回波强度弱,10~15dBZ。降雪回波的顶高比层状云的高度要低,且平整,但一般无零度层亮带。
7.2 积状云降水回波(对流性降水回波)
积状云降水通常被称为对流性降水,具体来说是当对流发展到一定程度时,云中的降水粒子已不能被上升气流所托持而降落形成的。这种对流性降水的特点是范围小、强度大、分布不均匀、持续时间短、随时间变化迅速。一般在锋面上、冷锋前暖区、副高西北边缘、台风外围等地方可能会存在对流性降水回波。
强对流天气就是发生在这种对流云系或单体对流云块中,在气象上属于中小尺度天气系统,常伴有雷雨大风、冰雹、龙卷风、局部强降雨等强烈对流性灾害天气。
积状云降水回波的特征有:
- 由许多分散的回波单体组成,随着不同的天气过程排列成条带状、离散状或其它形状;
- 回波单体的结构比较密实,边界清晰,棱角分明,呈块状结构;
- 回波强度较强,最强的回波可大于 50dBz;
- 单体水平尺度不大,一般只有几公里到一百公里;
- 呈柱状结构,垂直伸展大于水平伸展,在 RHI 上可以看到柱状回波;
- 很少有零度层亮带特征;
- 若是强烈的单体,其回波顶部呈砧状,可能观测到云顶上冲、穹窿(又称为有界弱回波区,BWER)、回波墙、悬挂回波、旁瓣回波、三体散射回波(TBSS)等特征(后面文章会专门介绍这些强雷暴的回波特征),回波顶较高,厚度 6~ 7km,最高 18 ~ 20km。
7.3 层积混合降水回波
纯粹的层状云降水回波并不多见,通常是层状云和积云的混合降水回波,也称为层积混合降水回波。这种回波常见于高空低槽、低涡、切变线和地面静止锋。下图所展示的梅雨锋就是一种静止锋。
层积混合降水回波的特征有:
- 呈絮状回波,结构不均匀,强度可达 40dBz 以上,但强度一般没有对流性降水的大;
- 持续时间长,常产生暴雨、连续性暴雨和大暴雨;
- 分布范围大,边缘破碎,没有明显的边界;
- 有时层状云回波和积状云回波的特征是共存的:有不连续均匀的亮带,且在 RHI 上柱状回波高低起伏。
- 回波中镶嵌着一个个密实的团体,有时强回波团块排列成一条短带。
7.4 零度层亮带
上面提到了很多次“零度层亮带”这个词,现在我们就来正式介绍一下吧。
在层状云降水或层状云积云混合降水的反射率回波中,我们通常可以看到一种特殊的降水回波,即以雷达为中心的高反射率圆环,并且其出现的高度所在高度在 0℃ 附近,它被称之为“零度层亮带”。通常在高于 2.4° 仰角上比较明显。
【问题一】为什么在 0℃ 层附近容易出现反射率因子大的情况,而其他高度却不会呢?
不妨考虑降水粒子下降到不同层的情况:
- 降水粒子在 0˚C 层以上:较大的降水粒子大多为冰晶和雪花,过冷水滴因为尺度较小对反射率因子的贡献不大。
- 降水粒子在 0℃ 层附近(即 0℃ 层以下几十米到几百米的高度上):此时降水粒子刚发生融化,其表面出现一层水膜,使得粒子的后向散射能力增强,但尺寸没怎么变化。回顾我们介绍电磁波散射的那篇文章,由反射率公式可知,散射能力增强,反射率因子也会增加。同时,冰晶和雪花在下降过程中,有强烈的碰并聚合作用,导致粒子尺度增加,反射率因子也会随之增加。
- 降水粒子在 0˚C 层往下:当冰晶和雪花继续下降至完全融化为水滴时,其尺度会减小;同时大水滴的下落速度增大,使单位体积内水滴个数减少,使得反射率因子降低。
【问题二】随着雷达仰角的增加,亮带就越显著,而且宽度越来越小,与雷达的距离越来越近。为什么会这样呢?
上图展示的是电磁波的波束宽度随雷达仰角的变化情况,从该图可得知:
- 第一,零度层的高度是大致不变的。于是,对于低仰角的雷达,需要在距雷达更远的距离才能观测到零度层亮带,而高仰角则可以在更近的距离观测到。
- 第二,当雷达仰角更低时,观测的距离就会更远,电磁波的波束宽度就会增加,回波的空间分辨率降低,使得亮带的回波特征被平滑,强度减弱。
【问题三】亮带层对降水观测有什么作用吗?有几点:
- 是层状云降水的典型特征;
- 表明亮带上面是雪花和冰晶,且不存在强烈对流和湍流;
- 容易确定 0°C 高度,且说明存在明显的冰水分界线。
【问题四】为什么在积状云降水(对流性降水)回波中很难看到亮带层?
零度层亮带是冰水分界线,上面是雪,下面是水,对流发生时上升运动较强,使得冰和水的分界线就不再明显,所以很难观测到零度层亮带。
最后需要补充的一点是,有时非降水的云也会产生零度层亮带,但回波强度很小,不足 10dBZ,其形成与降水回波中零度层亮带的形成原因是类似的。
7.5 晴空回波
在卫星云图上是晴空区,但在雷达回波图却存在着 0~10dBZ 的弱回波,距离雷达很近,且高度一般在 2~3km 以下,那么这种晴空回波是如何产生的呢?这里有两种说法:
- 一种解释是晴空湍流造成大气折射指数的变化,使得电磁波发生散射作用;
- 另一种解释是由于低层大气中的昆虫、灰尘、谷壳和其他微粒的散射所导致的,这也是主流解释。在雷达探测的每一个像素点内,只要有少量的几个昆虫即可出现一定值的反射率因子。