气象雷达回波

气象学术语

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。

定义

雷达发射之电磁波经由大气中的降水粒子（雨、雪、冰雹等）反射回来的讯号，称为雷达回波（reflectivity），根据雷达接收到降水粒子所反射回来的讯号强度，再利用不同颜色显示，即可制成雷达回波图。回波的强度与降水粒子的大小、形状、状态以及单位体积内粒子的数量有关，一般而言，反射回来的讯号越强，降水的强度就越强，因此可藉由雷达回波图研判天气系统的降水强度及分布状况。

原理

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。

气象雷达通过空腔磁控管或调速管连接导波管，再连接一个抛物面天线而定向地向空间发射微波脉冲。气象雷达所发射微波波长在1-10cm范围，大致是雨滴或冰晶直径的10倍左右，在该频率下，瑞利散射效应最为强烈。这样可以确保雷达波的一部分能量能够从微粒表面反射回雷达站所在方向。

若雷达发射更短波长的脉冲，则可以用来检测更加微小的云滴，不过信号的衰减也更为强烈。因此10cm波段的气象雷达被广泛使用，但其成本也远高于5cm波段的雷达系统；3cm波段雷达仅使用于超短距离范围内的监控；而1cm波段的雷达仅用于毛毛雨或雾等微粒天气现象的研究。

特点

应用天气雷达、分析雷达回波图可及时了解台风、雷暴、暴雨、飑线、冰雹、龙卷等灾害性天气强度、位置及其移动变化情况，及时发现及时预警。在防灾抗灾、经济建设和国防建设中有很好的应用效果。

应用

识别雨区范围

雷达回波图上，绿色回波包围内的区域一般都对应有降雨出现。一般而言，浅绿色有可能出现降雨，深绿色一定有降雨。

雷达回波从蓝色到紫色，降雨强度逐渐增强。绿色雷达回波表示有降雨出现，但雨势并不强；黄色雷达回波表示有中等强度降雨出现；红色和紫色回波表示有大到暴雨出现。

蓝色回波对应的区域表示当地被降水云系笼罩，但尚未出现降雨；

　　绿色——绿色回波覆盖的区域代表当地正“沉浸”在绵绵细雨之中；

　　黄色、红色——黄色到红色回波覆盖的区域有中到大雨现身。一般黄色区域对应降雨强度为10毫米/小时左右；橙色雷达回波一般对应降雨强度为20毫米/小时左右，并且有可能出现短时雷雨大风、冰雹等强对流天气。

　　朱红色小时雨强在28-48毫米/小时，大红色雨强在58-99毫米/小时，深红色雨强在120-205毫米/小时。

　　紫色——“披上紫色回波”的区域降水强度最大，该地区正“沦陷”于暴雨、甚至大暴雨之中，并有可能伴随雷电大风甚至冰雹等剧烈天气。

识别未来降雨趋势

借助雷达回波动态图，也可以识别降雨未来趋势。如果某地回波从蓝色到紫色渐变，代表回波强度由小到大，降雨强度也逐渐提升；从雨带的移动趋势，也可以大致判断那儿何时下雨、何时雨停。

回波的分类

不同的降水系统，雷达回波有不同的特征。

层状云降水回波

层状云降水回波:分布面较均匀，梯度小（纯粹的层状云降水回波较少见）,较高仰角上有零度层亮带，连续性降水或降雪。层状云降水回波水平范围大、连绵成片、均匀幕状，RHI上，中高纬回波高度一般要低于6KM，降雪回波小于4KM,降雪回波强中心的强度小于20dBz，结构更为松散。边缘模糊、发毛的原因是衰减及脉冲宽度影响。

积状云降水回波

不规则块状、梯度大、孤立分散或呈带状、涡旋状或其它的形状，结构紧密、边界清晰，棱角分明、强度大。

特点：发展迅速，生命史一般为几十分钟至1-3小时。又分为单体、超级单体，多单体（后两者常形成雷雨大风、冰雹、局地暴雨等灾害性天气）。

其形成的暴雨具有很强的局地性，具有突发性强、时间短、降水强度大的特点，很容易形成城市积涝、山体滑坡等灾害。

钩状回波

钩状回波顾名思义，这个回波还逐渐弯曲，变成了一个“小钩子”。在气象上，这个钩子可不得了，它的学名叫“钩状回波”，这种回波一般是龙卷风的典型特征之一，当然，不一定就100%发生龙卷风，但一定会有非常恶劣的天气。

冷锋回波

通常由紧密排列成带的许多回波单体组成（图1[ 平面位置显示器上冷锋的云系和降水回波]），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。

暖锋回波

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[平面位置显示器上暖锋的云系和降水回波]）。

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[稳定性暖锋降水在距离高度显示器上的典型回波图象]) 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。

低气压系统回波

与大尺度低气压（见）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。

气团内部热对流雷暴回波，这种雷暴产生在内部，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[平面位置显示器上气团内部热对流雷暴回波]）。这种对流回波块常发生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。

台风回波，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[平面位置显示器上台风的云系和降水回波])。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。

强雷暴回波

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[距离高度显示器上移动性强雷暴的典型垂直结构]);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、雷雨、阵性大风，还可能产生和。

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),常超过10 毫米 /米。

其他回波

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[晴空回波]）。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。晴空回波主要用和进行探测和研究。

地物回波是指由山地及其上的各种建筑物等对电磁波的散射所产生的回波。产生地物回波的目标体有三类：一是地表，包括山脉、丘陵、岛屿、海岸线等; 二是地表上的人工建筑物；三是超折射回波（虚假回波）。地物回波特点：边缘清晰，位置固定，强度少变。呈小柱状，高度低。

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。

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