雷达气象学（7）——反射率因子图分析（气象回波篇）

从本篇文章开始介绍反射率因子图（即雷达回波强度图）的分析与识别方法。

7.0 雷达回波的分类

雷达回波可分为气象回波和非气象回波：

$$雷达回波\{\begin{array}{l}气象回波\{\begin{array}{l}层状云降水回波\\ 积状云降水回波（对流性降水回波）\\ 层积混合降水回波\\ 零度层亮带\\ 晴空回波\end{array}\\ 非气象回波\{\begin{array}{l}地物回波\\ 海浪回波\\ 干扰回波\\ 生物回波\\ 超折射回波\\ 旁瓣回波\end{array}\end{array}$$

这篇文章先介绍气象回波，下一篇再介绍非气象回波。

7.1 层状云降水回波

层状云降水回波是一般由高层云或雨层云形成的回波，一般由低压、锋面、高空低涡、切变线所形成。

层状云降水回波的特征有：

• 回波比较均匀，呈弥散状分布，有时呈大的片状结构和丝条状结构；
• 回波区的范围较大，边缘模糊或破碎；
• 回波区内无明显的块状结构，反射率因子的变化梯度较小，回波强度一般不超过 30dBz；
• 回波变化比较缓慢，过程维持时间相对较长；
• 当雷达天线仰角抬高时，有时可观测到以测站为中心的零度层环状亮圈（左图 PPI 就存在零度层亮带，详见 7.4 节）；
• RHI 上，中高纬的回波高度一般要低于 6km。

除此之外，降雪回波一般也属于层状云回波，水平范围大，回波强度弱，10~15dBZ。降雪回波的顶高比层状云的高度要低，且平整，但一般无零度层亮带。

7.2 积状云降水回波（对流性降水回波）

积状云降水通常被称为对流性降水，具体来说是当对流发展到一定程度时，云中的降水粒子已不能被上升气流所托持而降落形成的。这种对流性降水的特点是范围小、强度大、分布不均匀、持续时间短、随时间变化迅速。一般在锋面上、冷锋前暖区、副高西北边缘、台风外围等地方可能会存在对流性降水回波。

强对流天气就是发生在这种对流云系或单体对流云块中，在气象上属于中小尺度天气系统，常伴有雷雨大风、冰雹、龙卷风、局部强降雨等强烈对流性灾害天气。

积状云降水回波的特征有：

• 由许多分散的回波单体组成，随着不同的天气过程排列成条带状、离散状或其它形状；
• 回波单体的结构比较密实，边界清晰，棱角分明，呈块状结构；
• 回波强度较强，最强的回波可大于 50dBz；
• 单体水平尺度不大，一般只有几公里到一百公里；
• 呈柱状结构，垂直伸展大于水平伸展，在 RHI 上可以看到柱状回波；
• 很少有零度层亮带特征；
• 若是强烈的单体，其回波顶部呈砧状，可能观测到云顶上冲、穹窿（又称为有界弱回波区，BWER）、回波墙、悬挂回波、旁瓣回波、三体散射回波（TBSS）等特征（后面文章会专门介绍这些强雷暴的回波特征），回波顶较高，厚度 6~ 7km，最高 18 ~ 20km。

7.3 层积混合降水回波

纯粹的层状云降水回波并不多见，通常是层状云和积云的混合降水回波，也称为层积混合降水回波。这种回波常见于高空低槽、低涡、切变线和地面静止锋。下图所展示的梅雨锋就是一种静止锋。

层积混合降水回波的特征有：

• 呈絮状回波，结构不均匀，强度可达 40dBz 以上，但强度一般没有对流性降水的大；
• 持续时间长，常产生暴雨、连续性暴雨和大暴雨；
• 分布范围大，边缘破碎，没有明显的边界；
• 有时层状云回波和积状云回波的特征是共存的：有不连续均匀的亮带，且在 RHI 上柱状回波高低起伏。
• 回波中镶嵌着一个个密实的团体，有时强回波团块排列成一条短带。

7.4 零度层亮带

上面提到了很多次“零度层亮带”这个词，现在我们就来正式介绍一下吧。

在层状云降水或层状云积云混合降水的反射率回波中，我们通常可以看到一种特殊的降水回波，即以雷达为中心的高反射率圆环，并且其出现的高度所在高度在 0℃ 附近，它被称之为“零度层亮带”。通常在高于 2.4° 仰角上比较明显。

【问题一】为什么在 0℃ 层附近容易出现反射率因子大的情况，而其他高度却不会呢？

不妨考虑降水粒子下降到不同层的情况：

• 降水粒子在 0˚C 层以上：较大的降水粒子大多为冰晶和雪花，过冷水滴因为尺度较小对反射率因子的贡献不大。

• 降水粒子在 0℃ 层附近（即 0℃ 层以下几十米到几百米的高度上）：此时降水粒子刚发生融化，其表面出现一层水膜，使得粒子的后向散射能力增强，但尺寸没怎么变化。回顾我们介绍电磁波散射的那篇文章，由反射率公式可知，散射能力增强，反射率因子也会增加。同时，冰晶和雪花在下降过程中，有强烈的碰并聚合作用，导致粒子尺度增加，反射率因子也会随之增加。

• 降水粒子在 0˚C 层往下：当冰晶和雪花继续下降至完全融化为水滴时，其尺度会减小；同时大水滴的下落速度增大，使单位体积内水滴个数减少，使得反射率因子降低。

【问题二】随着雷达仰角的增加，亮带就越显著，而且宽度越来越小，与雷达的距离越来越近。为什么会这样呢？

上图展示的是电磁波的波束宽度随雷达仰角的变化情况，从该图可得知：

• 第一，零度层的高度是大致不变的。于是，对于低仰角的雷达，需要在距雷达更远的距离才能观测到零度层亮带，而高仰角则可以在更近的距离观测到。
• 第二，当雷达仰角更低时，观测的距离就会更远，电磁波的波束宽度就会增加，回波的空间分辨率降低，使得亮带的回波特征被平滑，强度减弱。

【问题三】亮带层对降水观测有什么作用吗？有几点：

• 是层状云降水的典型特征；
• 表明亮带上面是雪花和冰晶，且不存在强烈对流和湍流；
• 容易确定 0°C 高度，且说明存在明显的冰水分界线。

【问题四】为什么在积状云降水（对流性降水）回波中很难看到亮带层？

零度层亮带是冰水分界线，上面是雪，下面是水，对流发生时上升运动较强，使得冰和水的分界线就不再明显，所以很难观测到零度层亮带。

最后需要补充的一点是，有时非降水的云也会产生零度层亮带，但回波强度很小，不足 10dBZ，其形成与降水回波中零度层亮带的形成原因是类似的。

7.5 晴空回波

在卫星云图上是晴空区，但在雷达回波图却存在着 0~10dBZ 的弱回波，距离雷达很近，且高度一般在 2~3km 以下，那么这种晴空回波是如何产生的呢？这里有两种说法：

• 一种解释是晴空湍流造成大气折射指数的变化，使得电磁波发生散射作用；
• 另一种解释是由于低层大气中的昆虫、灰尘、谷壳和其他微粒的散射所导致的，这也是主流解释。在雷达探测的每一个像素点内，只要有少量的几个昆虫即可出现一定值的反射率因子。