如何解读多普勒天气雷达的风场
如何解读多普勒天气雷达的风场
谢淑媚
2019年1月
香港天文台教育资料里的「香港天气雷达观测」一文简单介绍了利用多普勒原理探测雨点移近(或远离)雷达的速度。由于雨点会被风带动,所以这是一个估算风速值颇好的方法。可是,必须注意的是此速度是沿著雷达波束方向的风的分量,即径向风速(图一)。若风与雷达波束平行,径向风速的值与真实风速相等,若风与雷达波束成垂直方向,径向风速的值会变为零。径向风速为零的线称为零径速线。
由雷达影像的径向风速模样可发现一些有趣的现象,如判断旋涡存在与否及台风的风速风向分布等。图二显示一个气旋式旋涡位于雷达不同方向所产生的径向风速的模样。图中最主要的特征为偶极结构,或叫「风的耦合」。沿径向远离雷达(中心)的方向,在零径速线(灰色) 的右边,风吹离雷达(正数,暖色);在零径速线(灰色) 的左边,风吹向雷达(负数,冷色)。
天文台位于大榄角的机场多普勒天气雷达于2018年8月29日早上成功侦察到一个在马湾附近发展的水龙卷。水龙卷形成后向北移动靠近汀九桥,最后在汀九附近消散(图三)。图四显示大榄角机场多普勒天气雷达于该日上午11时26分和11时31分时,雷达扫描仰角为17.0°的径向风速图。图四a至四b红圈显示偶极风场结构,即东北风(蓝色箭咀显示风吹向雷达)及西南风(红色箭咀显示风吹离雷达)结合成一个「风的耦合」,即表示空气气旋式旋转。
在香港,水龙卷一般在五月至十月的雨季发生,但它们的出现通常很短暂并非常细小。再者,大帽山天气雷达(海拔高度约970米) 及大老山雷达(海拔高度约580米) 位于山顶,难以观测到这类在低空出现的天气现象。如2018年8月29日的事件,根据图三及天文台于香港国际机场在该日早上11时30分的云底高度观测资料来推断,水龙卷发生约在600米以下高度。由于大榄角机场多普勒天气雷达处于较低高度(海拔高度少于100米)及有较高数据解像度,因此大榄角机场多普勒天气雷达能成功观测到当天的水龙卷。

图一 雷达波束方向、真实风速与径向风速的关系。

图二 一个气旋式旋涡在雷达的东、南、西、北方向形成所对应的径向风速模样。蓝 (红)色代表风吹向雷达(吹离雷达)。 (来源: National Severe Storms Laboratory (NSSL) of the U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA))

图三 相片显示在2018年8月29日水龙卷接近汀九桥 (鸣谢Tobias Chan提供相片)。

图四 天文台大榄角机场多普勒天气雷达(紫色圆形)在2018年8月29日早上11时26分和11时31分,雷达扫描仰角为17.0°的平面位置显示器的径向风速图像。红圈显示相反方向的风向 (蓝色及红色箭咀分别显示风吹向及吹离雷达),表示空气在旋转中。
参考资料:
[1] NWS Training Portal – Radar & Applications Course (Velocity Interpretation), NWS/NOAA
[2] R. Brown & V, Wood, "A Guide to Interpreting Doppler Velocity Patterns", NOAA/NSSL
[3] 苏志权, "天气雷达图像上出现的空洞及同心环", 香港天文台网站
[1] NWS Training Portal – Radar & Applications Course (Velocity Interpretation), NWS/NOAA
[2] R. Brown & V, Wood, "A Guide to Interpreting Doppler Velocity Patterns", NOAA/NSSL
[3] 苏志权, "天气雷达图像上出现的空洞及同心环", 香港天文台网站