雷达回波识别：非降水气象回波和非气象回波_云 雷达回波

一、非降水气象回波

1. 云回波

• 云由悬浮在空中的小水滴和冰晶所组成
• 云粒子后向散射产生回波

• 云粒子较小，回波强度弱，一般使用波长更短的云雷达(毫米波段)对云进行观测。

因为雷达接收的回波功率与波长平方成反比，因此探测云时，通常使用波长更短的毫米波雷达。

2014年7月12日和18日气科院8mm云雷达在西藏那曲观测的云过程

左图是上午观测的一次高层云和层云，高层云的底部约6公里，顶高超过10公里，最大回波强度为-15 dBZ，高层云下方2公里有一个很薄的层云，强度为-35 dBZ。

右图是在清晨观测的一次高积云，积云和对流云，其中对流云的回波强度超过15 dBZ，伸展高度超过10公里，由于衰减作用，实际对流云的发展高度可能此观测的更高。

高积云所在的云底为6公里，云顶超过10公里，回波强度最大为-15 dBZ

在下方有一层正在发展的积云，强度为-25 dBZ。

由于那曲所在的海拔高度超过4500米，因此观测到的云主要以冰云为主。同毫米波雷达相比，天气雷达波长更长，因此接收到云粒子的散射能量更小。

• 天气雷达(厘米波段)接收的云粒子散射能量小，需要很高的灵敏度(最小可测功率< -160 dBm， 现有天气雷达为-115 dBm)才能观测到云

2014年8月21日气科院C波段调频连续波雷达在西藏那曲观测一次云和降水过程

该雷达的最小可测功率达到了-160 dBm

图中显示该过程开始阶段以对流性降水为主，其高度超过了16公里，随着降水减弱，逐渐转化成层状云降水，呈现明显的亮带。

凌晨一两点时降水已经减弱，具有明显的层云特征，回波强度约为5 dBZ。

该雷达是目前国内唯一能同时观测到云和雨的设备。

2. 湍流回波

产生原因：折射指数梯度产生的回波。

折射指数与气压，温度，水汽有关。

因大气中的湍流活动造成折射指数的空间涨落，强折射指数梯度区对电磁波产生的Bragg散射。

湍流散射理论

布拉格散射定律(Bragg, 1913)

当粒子的直径远远小于入射波的波长时，就会发生散射，而当两者相当时就会发生衍射。

蓝色点表示晶体结构中的原子，他们之间的距离等于d

两束具有同一波长和相位的入射波，入射到晶体结构，并被两个原子散射。简单计算可以看出，两束波的传播路径差为，当其为入射波波长的整数倍时，将会干涉相长，在衍射谱上表现为布拉格尖峰。这就是布拉格定律。

不同尺度的湍流块相当于不同间距的空间衍射光栅，不同间距衍射光栅对于不同散射角上的散射能量有明显的贡献。

通常雷达波长选择湍流尺度的2倍。

湍流回波特征

• 由于大气中最小湍流尺度随高度增加，在15-20 km的大气对流层顶，湍流尺度可达分米量级。
• 根据布拉格散射定理，需要雷达的波长是湍流尺度的两倍，因此探测对流层的湍流通常会采用分米波段的风廓线雷达。

湍流产生的回波主要集中在边界层，在夜间它的高度比较低，而到了白天它的高度比较高。

• 由于辐射导致的日变化

因此也有学者利用风廓线雷达，所观测到的布拉格散射回波的日变化特征，来确定边界层所在的高度。

二、非气象回波

1. 地物回波

产生原因：高大建筑、山脉、水塔等对雷达电磁波的反射，被雷达接收到产生的回波。

判断方法：比较法

1. 比较不同时次观测，降水回波变化大；地物基本因定，边缘清晰
2. 比较不同仰角，地物高度较低，抬高仰角则消失

2014年7月11日-12日南京大学C波段雷达在外场试验中观测

可以看出雷达站附近，有多个地物回波的存在，强度超过50 dBZ。

• 地物回波的地理位置基本不变，其随着时间变化很小

影响地物回波强度的因子

1. 雷达波长
2. 发射功率
3. 极化类型
4. 地面粗糙度

0.5度的仰角图上显示大范围的降水回波，在雷达站的南侧和西侧都存在明显的地物回波，强度超过50 dBZ。

2.4度仰角的回波图显示，降水仍然连续，但是地物回波已经消失。原因是地物回波的高度比较低，随着仰角的抬高，地物回波逐渐消失。

2014年7月11日12:09 LST南京大学C波段雷达在外场试验中观测

在雷达近距离处存在多个强的地物回波

其特点：

• 呈矮小的柱状
• 比气象回波的高度低

所以在RHI上可以利用回波的垂直高度来识别地物。

2. 超折射回波

超折射是因为电磁波射线的绝对曲率大于地球表面的绝对曲率。

在这种情况下，在电磁波发生超折射传播的方向上会弓|起地物回波的增加，呈现辐轴状排列的短线。当超折射发生在一个区域的时候还会连成片。

2009年6月26日05:42 LST某地S波段业务雷达观测的超折射现象

可以看出在雷达站的东边，存在着大片的这种辐轴状的短线回波，强度超过60 dBZ。

判断超折射的一个简单方式，就是对比不同的仰角。

因为超折射回波本质也是一类地物回波，当抬高仰角迈过超折射层以后，地物回波就不再存在。

1.5度仰角显示，超折射回波已经消失，但雷达站西南侧的降水回波仍然存在。

3. 生物回波

产生原因：昆虫和鸟类后向散射，假设为球形或椭球，介电常数用水代替。

在不同的季节，还会发生昆虫和鸟类的迁徙现象，特别是鸟类，所以在特定的季节，也观测到鸟类迁徒的回波。

2008年4月17-18日夜间全美雷达拼图

在美国中部有一条南北走向的锋面雨带，在它的东侧为偏暖湿气流，该区域多个雷达站出现了圆盘状的弱回波，这就是鸟类发生迁徙的特性。

因为在这个季节，鸟类一般都会沿着盛行风飞，这时候在锋面系统南侧，基本上是吹西南风，所以鸟类会往东北方向移动。

• 鸟类的后向散射截面比昆虫要大。
• 生物回波通常聚集的高度比较低，因此随着雷达仰角的抬高，其范围会减小。

2014年7月11日南京大学C波段雷达观测

1.5度仰角：大范围的昆虫和鸟类的回波

3.4度仰角：回波范围明显减少

说明生物回波基本上存在于大气低层。

生物回波与降水回波

• 同大范围降水回波相比，聚集的鸟类回波强度弱，且起伏较大，回波边缘不整齐。因此可以利用其回波的纹理结构进行识别。

生物回波与对流触发

当存在这种边界层的辐合线时昆虫和鸟类就会因为风场辐合的影响，聚集在辐合线附近并顺风滑行，从而形成线状或波状回波。

另一种解释认为：在这种边界层辐合线的两侧存在着气象要素的突变，进而导致折射指数的突变和水平强梯度，并产生晴空回波。

然而，理论计算表明，由折射指数的梯度产生的回波强度通常会小于5 dBZ。而实际观测的边界层辐合线回波常超过10 dBZ,更符合昆虫和鸟类的回波强度。

所以目前大家比较认同这类边界层的线状回波主要由昆虫和鸟类的聚集导致。

特点：

• 高度通常较低

昆虫和鸟类会聚集在低层，躲避上层的冷空气。

• 利用生物回波识别雷暴出流导致的边界层辐合线，并进行对流触发的预警。

他们认为雷暴形成的强降水会在地面形成冷池和辐合带，当冷空气外扩和暖空气交汇的时候，会形成边界层的辐合线，这就是由于雷暴出流导致的边界层辐合线。

这种辐合线的回波产生，主要是因为鸟类和昆虫的聚集。

这个模块也可以看出，由于冷暖空气的交汇，在边界层辐合线附近有明显的气象要素的变化引起的折射指数的梯度，所以也有观点认为边界层辐合线可能是由于强折射指数梯度散射引起的。