摘 要：根据近30a观测资料统计分析，兰州市气象局对强对流天气的气候分布特征。分析多普勒天气雷达和闪电定位资料在兰州强对流天气中的应用。天气雷达始于第2次世界大战期间，在经过与电子学技术、气象学以及20世纪50年代后迅速发展起来的计算机技术的不断融合，逐步形成了一门新兴的边缘学科——雷达气象学。

关键词：天气雷达；对流天气；临近预报

中图分类号：P412.25 文献标识码：A

1 天气雷达及其应用

1.1 天气的工作原理

雷达是利用电磁波探测目标物距离和特性的无线电设备，散射是雷达探测大气的基础，天气雷达通过检测大气中散射波测定目标物的性质。散射是电磁波照射到折射指数（折射率）不均匀的物质发生波传播方向改变的现象，其实质是电磁波激发物质内部振动发射次波不能完全干涉抵消掉。大气中的空气分子、水滴、气溶胶粒子、冰晶等颗粒物会造成散射，大气中折射指数不均匀的湍流块同样也会造成散射。当雷达发射的电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，其中一部分向后的散射波要返回雷达方向，被雷达天线接收。水滴、冰晶等大气中粒子散射一定波长电磁波的能力和粒子的大小、形状以及介电特性等有关。雷达根据接收的后向散射电磁波的延迟、振幅、相位、频率、偏振状态等信息，推断相应天气系统，尤其是降水天气系统的内部结构和风场特征。

1.2 天气雷达测距测速原理

雷达在同步脉冲的控制下完成发射和接收之间的切换，通常，雷达发射电磁波的持续时间很短，约1μs，这1μs的发射波束在空中覆盖约300m，雷达发射的300m长电磁波束以近似光速在大气中传播，碰到气象目标物时，一部分能量穿过目标物，继续向前；一部分被目标物散射，以散射波的形式向四面八方散射；一部分被目标物吸收；雷达接收散射信号的时间很长（接收时序），约等于PRT（脉冲重复时间），在毫秒量级，由于在接收时段不断可以收到来自大气中气象目标物对发射波束的散射波，通过精确测量散射波的功率、相位等因素可以知道目标物的很多性质。

1.3 雷达气象方程

当雷达发出的电磁波遇到云雨粒子上时，它们就散射出特殊电磁波，其中向后的散射波会被雷达天线所接收，这就是所说的雷达回波。雷达回波的强度会有所不同，除了取决于雷达的参数，还取决于云雨粒子的物理特性，以及雷达回波离开雷达的距离。雷达气象方程用来表示回波强度与哪些因子有关，以及呈什么样的特殊关系。利用雷达气象特殊方程，还可以根据回波的反射回来的强度判断云雨的物理状况，并正确地选择雷达的参数以及雷达气象方程。

2 强对流天气的雷达回波特征及其临近预报

2.1 对流风暴的分类及其雷达回波特征

传统上，将不太强的湿对流系统称为雷暴，来源于英文的thunderstorm。而将比较强的湿对流系统称为对流风暴，来源于英文的convective storm。英文的字面上并没有出现“风”字，但一般说来，较强的convective storm 都会产生地面大风，所以译为“对流风暴”或“风暴”还是有道理的。所以，“雷暴”和“对流风暴”（或“风暴”）之间并没有本质的差别，只是强度上的差别。本书中常常将这2个词混用，它们代表同样的意思。有科学家建议将它们统称为“深厚湿对流”，其英文缩写为DMC。

2.2 龙卷的天气雷达探测和预警

冰雹是我国分布最广的一种对流性灾害天气，总的来说，高山和高原地区的冰雹较多，平原特别是东南沿海地区冰雹发生较少，但极端的强冰雹事件通常发生在平原地区。冰雹成灾的程度与冰雹大小有密切关系，冰雹越大，成灾的可能性越大。通常将落到地面上直径超过2cm的冰雹称为大冰雹或强冰雹。

2.3 雷暴大风的天气雷达回波特征和预警

所谓灾害性雷雨大风，指的是对流风暴产生的龙卷以外的地面直线型风害。雷暴大风的产生主要有3种方式：对流风暴中的下沉气流达到地面时产生辐散，直接造成地面大风，造成地面大风的原因除了较强的下沉气流外，移动着的雷暴的高空水平动量下传也是重要原因。对流风暴下沉气流由于降水蒸发冷却在到达地面时形成一个冷空气堆向四面扩散，冷空气堆与周围暖湿气流的界面称为阵风锋，阵风锋的推进和过境也可以导致大风。有时是孤立的雷暴自身产生阵风锋，有时由大量雷暴过程的雷暴群的下沉气流到地面后的冷堆连为一体，形成一个共同的冷堆向前推进，其前沿的阵风锋可达数百公里长。

2.4 对流暴雨的临近预报

除了大冰雹、雷暴大风和龙卷之外，对流暴雨导致的暴洪是第四类强对流灾害天气，它是指强降水在短时间内（不超过6h）造成的局地洪水。它取决于2方面的条件，短时间内较大的降水量；相应流域的水文条件，包括地形、盆地大小、地表类型、过去的降水情况等。这里主要讨论暴洪的气象方面，即对流系统在短时间内（6h以内）造成的较大雨量，即对流暴雨或短时强降水。

3 天气雷达及应用的发展趋势

3.1 发展趋势

分布式协同自适应探测的网络雷达系统技术，以扩大雷达的探测范围。采用大量小型低功率全固态雷达组成雷达网络系统，主要用以克服地球曲率的影响，以及远距离探测时照射体积分辨率增大的特殊问题。根据探测是指各雷达根据大气水文分析软件的要求来控制多个雷达波束扫描方式及工作模式，用来完成对指定区域的探测和数据传输。自适应探测是指所有雷达根据探测的要求及操作的指令，能够自行组合成不同的小型网络，继以提高了整个太空雷达网络系统性能的稳定性和系统时空覆盖的各个区域以及系统的探测维数和分辨率，提高了对气象目标识别、灾害性天气的预报和评估的准确性，最终达到最优探测效果。

3.2 相控阵天气雷达

多普勒天气雷达是中、小尺度天气探测和预警的重要工具，对复杂天气过程有良好的监测能力，但由于某些恶劣天气现象生命史极短。一般雷暴的时间特征是：发展期约为15min，成熟期为15～30min，消亡期约为30min；而目前流行的天气雷达其体扫周期一般都在6min以上。据称对龙卷风、强暴风雨等危险气象事件的预警时间约为10min，远不能满足要求。而相控阵（PAR，Phased Array Radar）雷达采用电扫描方式，可形成多个波束，并且探测时可灵活调整波束指向，这样雷达便可以在较短的时间周期内获得大量气象数据信息。与使用机械扫描模式的常规天气雷达相比，相控阵天气雷达在扫描速度和数据率上有很大的优势。

3.3 毫米波测云雷达

工作频率在30～300GHz（波长1～10mm）之间的雷达称为毫米波雷达。毫米波在大气中的衰减较大，但在部分频点上损耗相对较小，例如毫米波雷达工作频率常位于35GHz（波长8mm）、94GHz（波长3mm）、140GHz及220GHz附近。毫米波（相对微波）对微小质点具有较强的散射特性，毫米波雷达更适合于对云雾等细微粒子的探测。毫米波测云雷达的应用有利于研究和认识云和降水形成与发展的微物理过程。可以用较小尺寸的天线获得较高的增益和较窄的波束，因而可提高探测能力，并具有较高的角分辨力；系统体积小，重量轻，具有较低的使用和维护成本。

4 结语

我国是一个气象灾害多发的国家，随着国民经济和社会的快速发展，突发性、灾害性天气对社会经济和人民生活的影响日益加剧，极端天气气候事件增多对农业、水资源、交通、能源、粮食和国防等安全保障带来了极大威胁。因此，如何更有效地监测、预警突发性、灾害性天气是广大气象工作者一项重大任务，而新一代天气雷达是对灾害性天气监测的一种有效探测设备。

参考文献

[1] 曾庆良，单爱琴，万丽荣.强对流天气的预警[J].生命安全，1994（05）.

[2] 范忠民.对天气实施自动检测改造[J].雷达技术，2001（05）.

作者简介：周晓军（1974-），男，汉，甘肃兰州人，本科学历，工程师，从事天气预报、气象网络和GIS在气象上的应用研究工作。