淺談多普勒雷達在短時臨近天氣預報中的應用

馬宇琪

摘 要 多普勒天氣雷達具有較高的時空分辨率，夏季強對流天氣的預警主要依靠多普勒天氣雷達的實時監測，在短時臨近天氣預報中作用巨大。洛陽機場不僅負責洛陽地區航班運輸任務，還有大量的飛行訓練，訓練飛機機型較小，對天氣較為敏感，利用多普勒雷達進行短時臨近預報在保障飛行安全工作中具有重要意義，尤其在夏季雷雨多發季節。所以本文簡單探討多普勒天氣雷達在短時臨近預報中的應用。

關鍵詞 多普勒雷達;短時臨近預報;飛行訓練

引言

隨著我國航空事業的發展，航班架次逐年增加，為人們的出行帶來極大方便。在重視航空業發展的同時，航班延誤這一問題越來越被人們所重視，在眾多航班延誤原因中，氣象原因對航班的影響較大，同時，洛陽機場飛行訓練任務較多，飛行訓練飛機較小，對天氣較為敏感，所以利用多普勒雷達進行短期臨近預報，對降低航班延誤率，保障飛行安全具有重要意義。

多普勒雷達具有很高的時空分辨率，不僅能夠測量降水的強度分布，還能推算出雨帶的運動速度。夏季強對流天氣多發，多普勒雷達能夠及時檢測到中小尺度天氣系統的發生、發展和演變，同時，多普勒雷達的高掃功能，能夠探測出目標云體的高度及強度中心，對判斷強天氣種類及人工影響天氣作業具有重要意義。

1多普勒雷達技術概述

多普勒雷達的工作原理可表述如下：當雷達發射一固定頻率的脈沖波對空掃描時，如遇到活動目標，回波的頻率與發射波的頻率出現頻率差，稱為多普勒頻率[1]。根據多普勒頻率的大小，可測出目標對雷達的徑向相對運動速度和強度;根據發射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。從而確定物體所在位置、移動方向、強度等信息。隨著雷達技術的不斷發展，多普勒雷達在短時臨近預報中的作用越來越大。

2多普勒雷達在短時臨近預報中的應用

2.1 根據回波特征分析

多普勒雷達根據接收到的回波特征分析：層狀云水平范圍廣，降水具有均勻連續的特點，可持續數日，降水量大，在雷達上呈現片狀或塊狀，回波頂高度較低，多伴隨穩定型天氣。積狀云云頂高度較高，發展旺盛的積雨云頂可達萬米高空，云中上升下降氣流交換強烈，在雷達上呈現團狀，此類云對飛行安全威脅較大，飛機誤入積雨云中，可引起飛機強烈的顛簸，影響飛機操作性，損壞飛機儀器設備。所以在夏季強對流高發時期，我們根據多普勒雷達回波的形狀來判斷云的種類，確定其危險性。夏季強對流天氣多發，積雨云來去迅猛，危害較大，在周邊發生對流天氣時，我們對對流云體進行高度掃描，可以看到回波的強度中心、回波高度等信息，利用經驗判斷，當回波高度在八千米之上時，發生雷暴天氣的概率較大，提醒飛機注意雷擊，提前避讓。當回波高度在一萬兩千米之上時，發生冰雹概率較大，冰雹可損壞飛機，使飛機風擋、機頭雷達罩等設備損壞，直接影響飛行安全。此外，我們可以根據回波移動方向、強度變化等，運用外推法，判斷回波中心到達機場的時間和強度等，提醒航班注意避讓，合理安排，提高飛行效率，保障飛行安全。

2.2 利用外沿氣流判斷地面陣風鋒

夏季發生強對流天氣時，大量的降水引起的拖拽氣流沖擊地面后四散開，形成陣風鋒，短時間內使風速超過20米每秒，洛陽機場訓練飛機較小，抗風能力差，強烈的陣風鋒引起巨大的風速變化，影響起飛或者降落中飛機的飛行姿態，造成飛機滑出跑道或者提前接地等嚴重后果，所以提前預防陣風鋒在飛行訓練中意義重大。強烈的陣風鋒在雷達平掃回波上，呈現出均勻離開回波中心的波紋狀，好像一塊石頭投進水中引起的波紋。

如圖1，2019年7月14日18時18分雷達回波圖，仰角高度1.5度，洛陽機場東北部發生對流天氣，對流天氣產生的拖拽氣流引起一次典型的陣風鋒現象，短時間內兩次陣風鋒過境，機場地面風速由西北風忽然轉為東北風，風速最大達到18米每秒，預報員根據多普勒雷達回波特征，運用外推法，判斷陣風鋒移動速度，準確確定陣風鋒到達本場時間，完美保障訓練和航班運輸避過陣風鋒的影響，給飛機飛行保駕護航。

2.3 根據速度圖特征分析

多普勒雷達探空得到基本速度圖，根據速度圖上的零速度線彎曲方向，可以判斷高空冷暖平流高度，判斷鋒面位置，確定鋒面是否過境等信息。如圖2，以雷達站為中心，零速度線先隨高度順轉，之后再隨高度逆轉，可以分析出以速度轉折點為分界，下方有暖平流，上方有冷平流。有時冷暖平流交界很低，下方存在的較低的暖平流形成保護蓋，而冷平流強度較弱不足以打破冷暖交界，所以阻止了上下氣流的交換，使空氣污染物持續存在于下方，影響能見度，所以我們可以根據多普勒速度圖中零速度線彎曲方向大致判斷冷暖平流交界高度，根據彎曲曲率減小的速度來判斷冷暖平流交界的消失時間，暖蓋消散后，底層污染物開始沖破暖蓋高度，向空中擴散，地面能見度開始轉好。同理，如果底層冷平流或者存在逆溫層，高層暖平流，穩定的冷暖交界一樣能阻止上下氣流的交換，影響能見度的擴散和高空風的動量下傳。

如圖3，根據鋒面前后高空風場的特征，結合多普勒雷達速度圖像分析，零速度線后方為西北風，前方以多普勒零速度線為分界，分別為入流和出流的兩種特征，此時根據零速度線的位置判斷鋒面正在過境，結合數值預報分析，從而可以用來判斷地面天氣和地面風等相關要素。

2.4 多普勒雷達的不足之處

多普勒雷達是根據多普勒原理而工作的：波源和物體相互接近時，接收到的頻率升高;兩者相互離開時，則降低。多普勒雷達就是利用這種多普勒效應制造而成的一種脈沖雷達[2]。故多普勒雷達只能測量物體相對雷達的法向速度而無法測量物體的切向速度，雷達分析出的速度圖像不能完全反應物體的真實移動方向，存在無法改變的缺陷。

此外，雷達進行掃描時，頂部區域無法掃描到，所以造成頂部資料缺失。實際應用中，當層狀云降水緩慢移動至雷達上空時，回波減弱甚至消失，此刻預報員會誤以為降水消失，但實際情況可能是由于云體移動到雷達正上空無法掃描到而引起的預報員誤報現象。所以根據此原理，當云體移經雷達站上空時，應注意云體的強度變化，不可因為頂部資料缺失而錯誤判斷降水強度，造成嚴重后果。

冬季降雪時，因為云團中冰晶粒子較多，小水滴對電磁波的反射較為均勻，而冰晶對電磁波的反射方向雜亂，雷達接收到的回波就無法真實反映云體的強度和含水量等信息，往往會出現看似回波強度很弱，但是卻造成強烈的降雪天氣，引起航班延誤、機場關閉等后果，造成巨大損失。故冬季針對降雪回波，應考慮此種現象，合理預報降雪強度。

3結束語

短期臨近預報是天氣預報中的一個重點難點，來去迅猛的一些天氣現象極大影響了飛行安全，所以提升短期臨近預報的質量一直是工作中的要點。多普勒雷達產品眾多，使用方法多變，這還需要廣大預報員在以后的工作中多加總結，將多普勒雷達運用到短期臨近預報中，把預報員的經驗和雷達產品相結合，從而準確判斷天氣種類、強度及影響時間等，對提升預報質量、保障飛行安全具有重要意義。

參考文獻

[1] 何洪寧，仝大偉.35G高性能窄波平板雷達產品總體設計[J].中國新通信，2017，（2）：162-163.

[2] 譚毅.多普勒效應的仿真研究[J].實驗室科學，2012，（4）：93-95.