多普勒雷达回波在高空气象探测中的应用

李 茂，谢近年，马佩强，张运林

(广东省河源市气象局，广东 河源 517000)

1 引言

新一代多普勒天气雷达具有大发射功率、大动态范围、高灵敏度等特点和优点，是专门用于大气探测的大气遥感设备，是用于警戒和预报中、小尺度天气系统的主要探测工具之一。多普勒天气雷达回波不仅可以探测目标物的位置形状尺度移动和发展变化等宏观特性，还可以确定出目标物的各种物理特性［1］。在常规高空气象探测中，通过对实时多普勒天气雷达回波的分析识别，判断出强对流天气或大范围降水天气系统未来几小时内的强度、发展变化和移动路径，进而估算出最有利的放球时间和探空气球净举力的大小。本文通过东源探空站建站以来，在日常高空气象探测过程中应用多普勒天气雷达回波的实例，进行分析和总结，期望提高高空气象探测业务质量和恶劣天气下的探测成功率。

2 利用多普勒雷达速度图和强度图，估算最有利的放球时间

定时常规高空气象观测应在正点进行，不得早测、迟测。早测是指在规定正点时间前开始进行观测;迟测是指超过规定正点时间5 min 以上开始进行观测。迟测分为人为迟测和非人为迟测，凡因人为原因未能做好放球前的准备工作而造成迟测，视为人为迟测。凡因台风、大风(14 m/s 及以上)、暴雨、暴风雪、雷达故障等原因等而造成迟测，视为非人为迟测。迟测6～30 min、31～60 min、61～75 min，均根据相应的时间段统计不同的错情［2－4］。为了将错情率降至最低并获得及时有效的第一手高空资料，在恶劣天气下，选择最有利的放球时间至关重要。所谓最有利的放球时间是指:在高空探测规范允许的范围内，运用多普勒雷达回波判断出在正点后的某个时间点施放气球，能保证一次性施放成功，不突失、不重放球。过去几十年来，应对恶劣天气下放球，探空员除了目测观天、依靠经验判断，就只能多准备1～2个探空仪和气球备用，随时准备重放球，既浪费物力、财力，又影响取准取全实时的高空资料，还影响整个高空业务质量。新一代多普勒天气雷达的产品丰富，每6 min 提供一次资料，我们只需观看正点前1 h 的回波移动速度，将第一时刻取得的雷达回波图像，向任一方向移过一定的距离，然后计算此图像与第二时刻图像之间的交叉相关系数，直到找到极大值，利用该极大值所对应的位移来预测下一时刻降水的位置。如图1:按气球350 m/s 的上升速度，在雨天要顺利通过500 hPa 或5 500 m 的高度，至少需要16 min 左右，施放前仔细观察多普勒雷达回波在A 区的移动速度，估算出下一时刻降水云层的位置，选择出最有利的放球时间点。放球后保证气球随高空风飘升到B 区内是安全区，这样施放后气球一直处于强回波云层的前方，在16 min 可以顺利取全500 hPa 的资料。

图1 估算有利的放球时间点示意图

例:2012年11月10日19 时探测，多普勒雷达回波图显示测站上空正受强对流云控制，但仔细观察在一片强回波之后又出现了一条小的空白带，此时图像时间为19 时12 分，按6 min 一张图计算，此时的准确时间是19 时06 分，此时探测工作已经全部准备就绪，在连续观看了10 张回波图之后，估计气球施放后，受高空风影响气球会处于2 块回波云层的中间空白带，决定选择正点正常放球。果然，施放后3 min 之前笼罩测站上空的云层已经移出测站上空，后面空白地带越发明显，雨势逐渐减弱，雷达显示各类数据正常，升速处于7 m/s。15 min 后测站上空完全空白，气球已经安全穿越500 hPa。此次探测的成功，在于施放前反复观察雷达回波的移动，估算出正点放球后，有一个满足B 区条件的安全区，果断施放。

3 利用多普勒雷达速度图和强度图，估算气球的净举力大小

高空气象探测气球有多种型号，如300 g、750 g、1 600 g 等，不管在探测中选中哪种型号的气球，为了获得准确的高空资料，对其升速有着严格的规定。在我国750 g 时气象气球使用最为广泛，要求升速控制在400 m/min，过快或过慢都将严重影响到高空资料的质量，而升速取决于气球净举力的大小，常规探空观测是用平衡器重量(俗称充气嘴)+法码重量－探空仪重量－挂绳重量［3］求得。在晴好天气750 g 气球净举力一般在1 000 g 左右为宜，如遇雷雨天气净举力就要大大增加，但具体增加多少，以前只能通过目测云层，依靠经验来充灌，由于估计不足，经常在气球施放后，出现气球下沉、超升速，甚至重放球等现象。随着多普勒雷达回波在常规高空探测中的运用，在雷雨天气或大范围降水天气来临时，完全可以根据雷达回波的强弱来判断雨势的大小，进而选择充灌气球净举力的大小，保证合理的气球升速。

多普勒雷达是透过量度从雨点反射回来的信号强弱来探测大气中的降雨。信号的强弱取决于多种因素，一般来说，雨点越大越多，反射信号便越强。雷达回波分反射率图和速度场图，对于系统性降水来说，反射率在10～15 dBz 就会有弱降水发生，20～35 dBz 会有小雨，35～45 dBz 会有中雨，＞45 dBz 有大雨，50～55 dBz 有雷雨大风和冰雹［5］。

例2011年8月2日19 时探测，充灌气球时天空晴朗(图2)只有少量Cu 云，探空员按晴天的净举力标准充灌气球，各项施放前工作准备就绪，此时天空有6 份Cu 云，但探空员目测天空西南面大面积蓝天可见，估计暂时没有天气过程，正点时准时放球。但施放后6 min 开始下大雨，12 min 气球升速开始减小，气压开始回升，雷达报警，明显出现气球下沉。此时打开天气雷达回波查看，发现在施放初期，测站上空就已经形成了一块强回波云团(图3)，并不断加强，移动缓慢，直到36 分(图4)才逐渐减弱，48 分完全消亡。从图5、图6 的探空记录，可以看出明显的气球充灌不足，净举力太小，气球施放后受高空风的影响，进入强对流云团，在大雨的阻力下，气球下沉，由于回波云团较小，移动缓慢，气球只是和云团擦边而过，在下沉2 min 后又上升，否则此次探测肯定是重放球。这次事故再次提醒了探空员，在放球前期对多普勒雷达回波的关注给放球带来的重要意义。

图2 2011年8月2日19时雷达回波图

图3 2011年8月2日19时18分雷达回波图

图4 2011年8月2日19时36分雷达回波图

图5 气球升速曲线

图6 探空曲线

4 小结

雷雨天气给高空气象探测带来了不小的冲击，尤其在南方，漫长的汛期，恶劣天气常会与高空气象探测时段不期而遇，雷击、信号突失、气球下沉、重放球等探测事故困扰着每个探空员，而多普勒雷达资料在高空气象探测中的应用，为恶劣天气下气球的充灌和选择放球的时间提供了直观、可靠的依据，彻底解决了探空员在恶劣天气下盲目探测的问题。

［1］吕娜，方晓红，侯文秀，等. 一次强降雹天气的雷达产品分析［J］. 科技资讯，2011，32:120.

［2］中国气象局监测网络司. L 波段(1 型)高空气象探测系统业务操作手册［M］. 北京:气象出版社，2005.

［3］中国气象局. 常规高空气象观测业务规范［M］. 北京:气象出版社，2010.

［4］中国气象局. 高空气象观测业务质量考核办法［M］. 北京:气象出版社，2010.

［5］吴华斌. 雷达强度图在气象测报工作中的简单作用［J］.广东气象，2008，30.05.