一、雷达回波
1. 回波的六种信息
- 地理位置：依据雷达相对位置
利用雷达观测的仰角方位角和距离，可以直接得到目标的水平空间的位置。
- 垂直高度:雷达测高公式
利用雷达测高公式获得目标距离地面的高度
- 回波强度:不同色阶显示
单位体积所有粒子的直径六次方之和，在雷达回波图中，采用不同的色阶，来表示不同的雷达反射率因子强度。
通常用冷色表示小值，用暖色表示大值。
- 回波形态:均匀片状、孤立块状、涡旋状等
比如大范围均匀性降水，其回波呈片状结构，孤立对流回波星孤立的块状，还有涡旋状画波。通常伴随着中尺度的涡旋系统。
- 回波移动:连续时刻回波移动方向和速度
- 演变趋势:连续时刻位置、范围、强度
基于连续时次的回波图像，能得到探测目标物的移动信息和演变规律，进而推测下一个时刻，雷达回波所在的位置和演变趋势，这就是雷达回波外推的基本原理。
2. 气象回波和非气象回波
二、降水回波分类
- 层状云降水
- 对流性降水
- 混合性降水
- 降雪与冰雹
降水形成的过程示意图：
降水在形成过程中会经历复杂的云物理过程，按照其形成机制可分为两类。
- 暖雨过程
气块上升，达到饱和，形成云凝结核，云凝结核碰并增长形成雨滴下落，整个过程没有冰相过程的参与。
- 冰相过程
气块的上升运动足够强时，可以达到零度层以上，形成冰核，冰核再进一步通过水汽凝华、碰并聚合、淞附过程等进一步增长；之后冰相态粒子下落融化，降落到地面形成降水。
我们也常用零温度线对降水过程进行分类，零度线以上为冰相过程，零度线以下为暖雨过程。
1. 层状云降水
零度层亮带
- 大范围的抬升所产生
- 天气背景：低压、锋面、高空低涡、切变线
雷达的PPI图像显示，在距离雷达30-35公里的距离环上，有一条高值的回波带，最大回波强度达到40dBZ以上。
通过测高公式计算，该高值回波带在零度层以下几十到几百米的位置。将其称为零度层亮带。
同时刻的雷达RH超描图显示，在5公里左右有一个明显的画波增强带，其强度大于40dBZ，而亮带以上的回波强度在20-25 dBz之间，亮带以下的回波强度通常小于30dBZ。
飞机观测的零度层亮带中的粒子形状特征
雷达观测的回波清晰揭示了，零度层亮带的特征，同时刻的飞机观测显示，零度层亮带上部的粒子形状非常不规则，主要是因为该区域粒子由雪花组成。从-0.4到0.7度，再到20摄氏度高度的过程中，粒子形状逐渐变得规则，边缘变得更平整，更接近于球形，说明雪花开始融化。在零度层亮带的下部，粒子形状已经非常接近球形，表示此时粒子已经完全融化成了雨滴。
零度层亮带形成原因
因为层状云降水的特点是垂直运动比较弱，因此其具有明显的分层结构。
- 层云降水的分层结构，雪降落到零度层附近开始融化(外表水膜)，介电常数增加，从0.19(冰) → 0.93 (水) ，增大约5倍(约7dBZ)。
水的介电常数比冰大，在瑞利散射条件下，同等体积水的后向散射能力，是冰的后向散射的5倍。因此雪的融化使得回波增长。
- 融化以后的碰并过程明显增强,粒子直径D增加，Z增加。
- 亮带以下，雪完全融化成雨，尺寸减小，同时雨滴的下落速度大，导致单位体积的降水粒子数减少，Z减小。
在零度层以下雪未完全融化之前，融化效应和碰并效应占主导，雷达反射率因子增强。
当雪完全融化以后，末速度效应占了主导，反射率因子快速减弱，从而形成几十到几百米的回波增强区域，即亮带回波的特征。
- 零度层亮带的特征随着仰角的增加越显著，其宽度变窄且距离雷达越近。
可以看出，在24度仰角上的零度层亮带宽度更宽，强度比较弱。而在7.5度仰角上的亮带国波宽度更窄，距离雷达更近，特征更显著强度也更强。
- 电磁波波束高度随着距离的增加而增加
零度层亮带发生的位置是在零度层以下几十米到几百米固定的高度上。对于低仰角的雷达观测，需要在更远的距离才能看到零度层亮带所在的高度，而高仰角则可以在更近的距离看到。
当观测的距离更远时，波束宽度增加，回波空间分辨率降低，使得亮带的回波特征被平滑，强度减弱。
零度层亮带物理意义
亮带意义：
- 层状云降水的典型特征，常在对流减弱阶段探测到
- 表明亮带上面是雪花和冰晶，且不存在强烈对流和湍流
- 反映降水微物理机制，表明粒子从凝华转为碰并增长
- 确定0°C高度，说明存在明显的冰水转换区域“过渡层”
- 定量降水估计需要考虑亮带的影响
2. 对流性降水
天气背景：锋面上，冷锋前暖区，气团边界，副高西北边缘，台风外围
浅对流降水
2014年6月21日南京大学C波段雷达在安徽长丰观测一次浅对流
雷达PPI图显示，在雷达的西北和东北方向有多个对流单体，它们的平均水平尺寸小于20公里、结构密实，最大回波强度约50 dBZ。西北方向对流单体的RH观测图，水平宽度约15公里，回波顶高约5.5公里，低于大气所在的零温度线。
这说明：
- 该对流发生在零度层以下，主要由暖云降水导致。
深对流降水
2014年7月11日南京大学C波段雷达在安徽长丰观测一次深对流
雷达PPI图显示，在东南方向有多个对流单体，其水平尺寸约20公里，最大回波强度55 dBZ。由其中-一个对流单体的RHI剖面，揭示明显的桂状结构，其水平宽度约20公里，垂直高度伸展至20公里，到达平流层。
这说明：
- 零度层以上，回波强度随高度减少，无零度层亮带特征。
这主要是因为从水到冰的介电常数在减小
- 零度层以上回波强度超过55 dBZ，表明存在更大的霰粒子或者雹粒子。
为什么对流降水中很少观测到零度层亮带特征？
我们知道零度层亮带是冰水分界线，其上面主要是雪，下面是水，对流发生时上升运动较强，将过冷水输送到零度层以上，与冰相粒子混合，因此在对流性降水中冰和水的分界线，就不再明显很难观测到零度层亮带。
3. 混合性降水
天气背景：高空低槽，低涡，切变线和地面静止锋
识别意义：连阴雨特征，过程雨量大
2014年7月11日南京大学C波段雷达在安徽观测的梅雨锋降水
雷达PPI图显示，大范围层云降水嵌入多个对流单体，这些单体尺寸在20公里左右，回波最大强度约45 dBZ。由通过梅雨锋降水区的RH剖面显示，在大范围的层云区具有明显的零度层亮带特征；而嵌入的对流单体呈柱状结构。在混合性降水里，这种对流单体的发展高度并不高，约12公里，属于中等高度的对流。
我国南方夏季季风性降水，多数属于这种混合性降水的雷达回波特征，它的最大特点是发展高度并不高，但降水强度较强。
4. 降雪回波
天气背景：有东北冷涡，低涡，槽，气旋
2018年1月24日南京大学C波段雷达观测(镇江句容)
该过程雪的回波强度是15 dBZ
- 雪的介电常数小，且密度低，雪的回波强度较弱，分布均匀，丝缕状结构明显。
2018年1月24日南京信息工程大学C波段雷达观测(南京浦口)
该过程最强回波约25dBZ，同时刻RHI扫描显示，雪发展高度不高，约6-8公里，回波顶比较平整。
5. 冰雹回波
- 三体散射特(TBSS)
雷达电磁波在强反射率因子区，向前散射形成的异常回波。
图上常呈现细长的钉子状、从强回波区沿径向伸展，能产生三体散射的回波常大于63 dBZ。
- 三体散射成因
大的冰雹粒子和电磁波作用产生的是米散射，而不是瑞利散射。
这是冰雹三体散射形成的示意图
红色的区域表示水雹存在的区域，距离雷达为 r
雷达发射的电磁波遇到强冰雹后因冰雹的侧向散射能力较强，会在地面形成强散射区域。电磁波经过地面反射后，又有部分能量被冰雹再次散射回雷达天线。
根据雷达定位原理，冰雹侧向散射到地面，再回到冰雹散射回雷达天线经过的时间，要比直接从冰雹后向散射回到雷达的时间更长，所以在这个区域经过形成的虚假回波将出现在强冰雹区径向外测。
我国新一代天气雷达观测的冰雹TBSS特征
这些冰雹过程的雷达回波强度均超过65 dBZ,并在强回波中心的径向外侧都形成了三体散射的特征。
因此我们可以基于业务雷达观测的三体散射特征，对冰雹进行识别和预警。值得注意的是，并非所有的冰雹都会出现三体散射特征，因为要产生三体散射，必须要有很强的侧向散射。
当冰雹的粒子尺寸比较小，产生的侧向散射比较弱，不会产生三体散射特征。另外，对于短波长的雷达，由于冰雹的强衰减作用，通常很难观测到三体散射特征。
