关于气象雷达回波介绍

[拼音]：qixiang leida huibo

[外文]：meteorological radar echoes

由雷达发射、经大气及其悬浮物散射而返回被雷达天线所接收的电磁波。它可以在荧光屏上显示出来。大气中使电磁波散射的成分，有雨滴、云滴、冰晶、雪花、冰雹、尘埃和折射率分布很不均匀的空气等。

回波的测定

雷达发射的是间断的电磁波束(脉冲)，它在空间占有体积V，当这一波束进入云雨中时，只有V/2（有效散射体积）的粒子的后向散射，能够同时到达雷达天线处而构成气象雷达回波。利用气象雷达方程给出的回波功率同雷达特性参数和有效散射体积内粒子散射之间的关系，就可以根据气象雷达回波对云和降水等进行定性和定量研究。

回波的分类

不同的降水系统，雷达回波有不同的特征。

通常由紧密排列成带的许多回波单体组成（图1），

当冷锋由远处移至距雷达站约 300公里时，在平面位置显示器 (PPI)上，一般先能看到排成一行的离散回波块。这是由于地表曲率和大气折射（见无线电波在对流层中的折射）的原因，即使以接近0°的仰角发射的波束，在300公里处，也只能探测到云体的较高部分。当冷锋移近时，雷达波束能够扫视到云的下部比较宽大的部分，这时，回波带中的单体变大，形成一条比较连贯的回波带。在冷锋经过雷达站而向远处移去时，回波的变化则与上述过程相反。通常，一个完整的冷锋降水系统的长度，可以达到600公里以上，因此一个天气雷达站仅能探测到整个冷锋系统的一部分。有时雷达观测到的冷锋系统不止包含一条雨带。冷锋的回波带一般自西北向东南方向移动，但锋前或冷锋上空的暖区常吹西南风，因而回波带中的单体常向东北或偏东方向移动，与回波带的整体移动方向之间有一夹角。

冷锋回波单体的垂直结构，和移动性孤立雷暴相似。在中国，这种回波单体顶部通常在七、八公里以上。在快速移动的冷锋中，单体的前上部存在较大的云砧。单体总是处在不断的新生、发展和消散之中，生命周期约为数十分钟，而整个冷锋回波带的生命期则长得多。

在气团内部出现的飑线雷暴带，其回波结构和冷锋回波带很相似，但移动速度较快。有时在雷达屏幕上可以同时出现两条以上的飑线回波带。

由范围较大的连续性降水构成。暖锋降水区域几乎总是超过一个雷达站的有效视野范围，因此在平面位置显示器上只能看到降水区域的一部分。在稳定性暖锋降水区中，屏幕上的回波连接成片，边缘呈丝缕状或棉絮状，强度分布相当均匀;在不稳定性暖锋降水区，则在大片均匀的降水回波中，夹杂有较强的对流单体。这些回波单体的移动方向，与整个降水系统的移动方向可能略有差别。仔细观测这些较强单体的位置，可以看出，它们通常也是排列成带的（图2）。

在距离高度显示器 (RHI)上的回波图象中，可以看到对应于大气温度为0℃的高度附近的强回波带，称为零度层亮带(图3)。它的形成是由于缓慢降落的冰晶和雪花在零度层附近发生表面融化而使反射率增大的结果。在亮带下面，粒子融化成雨滴，下落速度较大，使粒子浓度减小，反射率降低。雷达屏幕上观测到的零度层亮带，可估计0℃层的高度，也可在一定程度上验证大气的稳定性。在不稳定性暖锋降水的距离高度显示器回波图象中，可以看到水平的零度层亮带和垂直柱状的对流单体回波结构同时存在。此外，在雷暴减弱之后的残余降水中，也可看到零度层亮带。暖锋系统降水强度的变化较缓慢，雷达回波的时空变化也较小，这有利于验证降水强度和回波功率之间的定量关系。

与大尺度低气压（见气旋）降水系统相联系的回波，范围很广。在雷达的探测能力所及的范围内，回波大致连成片，但强度结构很不均匀，如棉絮状。这类回波的延续时间较长。

这种雷暴产生在气团内部，其对流单体的回波在平面位置显示器上常呈零散无规则的分布图（图4）。这种对流回波块常出现在平原中的山丘或湖面上的岛屿上空，对流单体的尺度，通常在几公里至十几公里间，生命周期约数十分钟。

台风是强对流天气系统，在雷达平面位置显示器上，可以比较清晰地看到台风回波的特征结构(图5)。在台风中心前面约400～600公里处，常有一些强对流回波带，称为台风前飑线回波带。其走向大致和台风中心的移动方向相垂直，但其移动方向则与台风中心的移动方向一致。在飑线回波带后面的台风眼周围两三百公里以内，有大片的连续性降水回波和螺旋状分布的对流性降水回波。这一区域是台风的主要降水区。螺旋雨带以台风眼为中心，呈多条对数螺线状排列。仔细地观测螺旋雨带中各单体的运动路径，可以发现，单体的运动轨迹与瞬时的螺旋线走向不一致，而是近似地围绕台风眼作圆周运动，并缓慢地趋近中心。在螺旋雨带的中心，有一个圆形的围绕无回波空洞的强回波圈，称为台风眼壁回波。在此眼壁位置上，对流发展最为旺盛，回波顶部高达十余公里。在眼壁回波以内的无回波区，与台风眼中的晴空相对应。在很多情况下，眼壁回波不是完整的，呈带缺口的圆环状。台风登陆后，逐渐减弱，台风眼逐渐被降水回波所填塞，台风雨带的螺旋状特征也逐渐消失，转变为大片的低压降水回波。

通过对气象雷达回波的观测，可以较早地发现台风和确定台风中心的位置，探测台风雨带中各部分的降水强度和风速，并可研究这种强对流风暴的详细结构。

不论是孤立的或夹杂在对流降水系统中的强雷暴单体，常有下列显著的特征:回波强核（回波最高的区域）的反射率很大;单体的水平尺度也较大，一般为10～30公里，在距离高度显示器上，回波主体呈直立粗柱状，顶部达对流层顶，有时可达平流层下部；云体上部有向前方伸展的云砧，还有自砧部下垂的前悬回波;自前方低层流入的空气构成上升气柱，在云中造成弱回波穹窿；单体中持续的强降水主要出现在入流上升区域的后面，构成回波强度很大而形态陡直的“回波墙”(图6);有时还可看到因过强的回波信号进入天线旁瓣而造成的尖顶状回波，出现在主体强回波核的正上方。这一类强雷暴，不仅产生闪电、雷雨、阵性大风，还可能产生冰雹和龙卷。通过对雷达回波的分析，可以判断由一般对流云过渡到强雷暴的阶段，但单纯根据回波形态结构，难以可靠地判断一个强雷暴云是否会产生龙卷或地面降雹。普遍认为，回波顶的高度和强回波核的反射率能较好地用作识别冰雹云的判据。例如，中国的华北地区，夏季雹云的回波顶常出现在10～12公里的高度，灾害性雹云中强回波核对3厘米雷达的反射因子(见气象雷达方程)，常超过104毫米6/米3。

用雷达观测非降水云时，由于云滴尺度较小，常须采用毫米波才能有效地接收回波信号。在具体的应用中，常将天线垂直指向天顶，以测量雷达站上空的云的下界和上界。此外，毫米波雷达还有利于观测降水粒子的初生及这种粒子区域的扩展，对于降水机制的研究是很有价值的。

在灵敏度较高的气象雷达显示器上，偶尔能观测到某些并非由水汽凝结体产生的回波。由于以前未能解释此类回波的起因，它们曾被称为“仙波”。这种回波有的是飞鸟或昆虫引起的，有的是由折射率分布强烈不均匀的晴空大气所产生的（图7）。在厘米波段的气象雷达上，观测到的晴空回波主要出现在消散期雷暴前方的锋面上或低空的逆温层附近。晴空回波主要用甚高频和超高频多普勒雷达和调频连续波雷达进行探测和研究。

回波的利用

雷达所接收到的回波系雷达波所照射的空间有效散射体积中所有散射元(如云和降水粒子)的回波的总和，由于散射元之间的相对位移，到达雷达天线处的回波具有不同相位，这些波叠加的结果，造成了回波的随机起伏。分析起伏参数，可以得到关于粒子的运动信息和被测空间的湍流强度。