雷达气象学（6）——径向速度图分析
首先说一下后面更新的大致安排：先介绍速度图的分析方法，再介绍反射率因子图（即回波强度图）的分析方法。最后可能会安排一篇介绍双偏振雷达和相控阵雷达原理的文章。
6.1 速度场分析基础
多普勒天气雷达的径向速度图一般是这样规定的：
- 远离雷达的径向速度为正，色阶为暖色。离开雷达的速度称为出流速度。
- 朝向雷达的径向速度为负，色阶为冷色。流向雷达的速度称为入流速度。
6.1.1 速度图分析的基本方法
在速度图上想要得知某一高度处的真实的风向和风速，就要先找到该高度的圆环，然后按以下步骤进行：
（1）确定指定高度的风向
- 确定速度图上与径向平行的零速度线。如 A 图上存在一条由东北到西南的零速度线。
- 在该高度作以雷达测站为中心的同心圆，该圆环与零速度线有两个交点（如图 B）。显然，在该圆上任何一点的高度都相等。
- 由雷达站中心沿径向作直线与零速度点相连（如图 C）。
- 在端点处作该直线的垂线，则该垂线从负速度区指向正速度区的方向为该点所在高度层的实际风向（如图 D）。由图 D 得知，该高度的风向为西北风。
（2）确定指定高度的平均风速
- 在该圆环上找到正负速度的最大值。图 D 中的最大速度值为 ±5m/s。
- 对最大值取绝对值，然后将它们加起来再求平均值，即为该高度上的平均风速。因此图 D 中该高度上的平均风速为 \(\frac{|+5| + |-5|}{2} = 5\mathrm{m/s}\)。
对于确定风向的方法，以后可以更简洁地求解。如下图所示，先找到指定高度所在圆环与零速度线的交点，将圆心（雷达测站）与该交点连接得到一条径向直线，作该直线的垂线，垂线的方向指向暖色区。该垂线就是所求的风向了。
用以上方法即可估计风向随高度的变化情况。例如上图中风随高度作顺时针转向，即为暖平流。
在使用上述方法判断实际风向和风速的时，需要注意两点：
- 该方法一般只适用于风向均匀或风速连续变化的情况，而对于诸如锋面等风向不连续时就不一定适合。
- 根据零速度线反推实际风向时，实际风向必须与从速度图中心到零速度线上某一点的连线垂直，而不是与零速度线垂直，不要搞错了。
6.1.2 练习：整层为均匀西风
现在来实战以下速度图：
假设雷达探测的高度都是均匀西风，那么速度图会是什么情况呢？对于雷达测站来说，它的西边都是流向雷达的径向速度，东边都是离开雷达的径向速度，而南北方向的径向速度为零。如图所示：
- 从西到北方向：正西方时负速度最大，越往东，负速度（即绿色箭头）越小，到达正北方时负速度达到零。因此在速度图上，从正西到正北方向，冷色阶越来越深。
- 正北方向：在速度图上表现为南北走向的零速度线。
- 从北到东方向：正北方的正速度为零，越往东，正速度（即红色箭头）越大，到达正东方时正速度达到最大。因此在速度图上，从正北到正东方向，暖色阶越来越浅。
从中可见，均匀西风时，零速度线为南北向的直线，负速度位于图像左侧，正速度位于图像右侧。
6.1.3 练习：风向随高度顺转
接下来我们再来分析这张图：
首先是上左子图，根据 6.1 节中介绍的方法，容易得到如下左子图的结论：雷达测站所在地面吹南风，中层吹西南风，高层吹西风。又由速度图可知，零速度线呈“S”状，负速度区位于其左侧，正速度区位于其右侧，因此风向随高度是顺转的。
6.2 水平均匀风场的典型图像
水平均匀风场指的是：在同一高度上风向和风速是一致的，但不同高度之间的风向和风速不一定相同。下面是一些典型图像，速度图中的虚线表示负速度等值线，实线表示正速度等值线，粗实线表示等零速度线。
首先看行头的四幅图，表示的是风速随高度的变化（即风速的垂直廓线）：
- 第一幅图：从地面到高空风速均为 5 m/s。
- 第二幅图：地面从 0 m/s起，随高度逐步增大到 5 m/s。
- 第三幅图：地面为 0 m/s，随高度逐步增大到中层的 5 米/秒，然后随高度增加又减小到 0 米/秒，说明中层存在极大风速带。
- 第四幅图：在低层和高层分别存在着极大风速带的状况。
再来看列头的三幅图，表示的是风向随高度的变化（即风向的垂直廓线）：
- 第一幅图：整层都是西风（270°）。
- 第二幅图：风向由地面的南风（180°）随高度增加逐步转为西风（270°），说明测站上空整层存在暖平流。
- 第三幅图：风向由地面的南风（180°）随高度增加逐步转到偏西风（225°），再随高度增加时逐步转回南风（180°），说明测站中低层存在暖平流，高层存在冷平流。
将行头的四幅图和列头的三幅图组合起来，就得到了 12 种不同的速度图。下面来详细讲讲这几种组合的速度图特征：
（1）风向不变，风速不变（即第一行第一列）
- 所有色阶必然收敛于速度图中心。
- 所有等值速度线都是直的，且都穿过图像中心。
（2）风向不变，风速随高度变化（即第一行所有图）
- 总有一条直的零速度线横穿速度图中心，图像的两侧表示风速的垂直廓线。
- 地面风速小于最大（但不为零）：上图中没有对应的图像，这里只说个大概趋势。速度图中，小于或等于地面风速值的颜色则会聚在图象的中心，而较大速度的颜色向图像中心会聚（但并不到达中心）。
- 地面风速为零（第一行第二、三、四列）：只有零速度线穿过中心。
- 某一高度内存在一个风速极大值（第一行第三、四列）：图像上就会出现一对近似椭圆的牛眼（即风速中心），牛眼中心位于雷达的上风向（负值）和下风向（正值）处，对应着风速极大值所在高度的斜距上。
（3）风速不变，风向随高度变化（即第一列所有图）
- 所有色阶必然收敛于速度图中心。
- 多普勒速度零值带的曲率表明了风向随高度的变化：
- 风向随高度逆转（冷平流）：产生一个反 S 型的零值带。
- 风向随高度顺转（暖平流）（第二行第一列）：产生一个 S 型的零值带。
- 风向随高度先顺转（暖平流）后逆转（冷平流）（第三行第一列）：S 型带随雷达距离的增加（即高度增加）而转变为反 S 带。
（4）风向和风速都随高度变化（其他剩余图像）
当风向和风速都随高度变化时，可以得到许多不同的多普勒速度图，由于情况比较复杂，需要具体情况具体分析。
6.3 典型天气系统的判别
6.3.1 锋面（切变线）系统
以上两节内容都是基于较大尺度连续风场的情况，但实际上许多情况都属于不连续风场，即同高度上风场不均匀（即局部均匀风场），那么上述找零速度线的方法就不适用了。为什么呢？不妨来看下面的例子。
如图，假如我们使用 6.1 节中的方法，那么可以得到黄圈和零速度线上的风向分别为西风和西南风。但是该方法只适用于风向均匀或风速连续变化的情况，所以在这里就发生了矛盾。因此，通过零速度线去确定风场的方法就不再适用了。
我们可以简单认为，上图中位于第二象限的风场是均匀连续的，而第一、三、四象限的风场是均匀连续的，但从整张图来看并不是均匀连续的，因此我们称之为局部均匀风场。
下面我们首先来讨论冷锋的情况。
6.3.1.1 冷锋（冷式切变线）
（1）锋面未过境（还未到达雷达测站）
如左图所示，西北风和西南风所形成的冷锋正在往东南方向移动，但仍未到达雷达站。此时速度图（右图）有如下特征：
- 零速度线从 NE-SW（东北-西南）走向，然后折向 NW-SE（西北-东南）走向。零线有明显的折角，呈 L 型，且位于测站以北。
- 有三个风速极大值中心：两个入流中心，一个出流中心，其中位于东北和西南的中心组成了一对牛眼（速度对）。位于西北的入流中心是孤立中心。
- 冷锋位于等值线密集处，且靠近出流中心一侧，并向零线折角方向延伸。
（2）锋面过境（在雷达测站上空）
如右图所示，西北风和西南风所形成的冷锋到达雷达站上空。此时速度图（左图）有如下特征：
- 零速度线从 NE-SW（东北-西南）走向，然后折向 NW-SE（西北-东南）走向。零线有明显的折角，呈 L 型，且位于测站中心。
- 有三个风速极大值中心：两个入流中心，一个出流中心，其中位于东北和西南的中心组成了一对牛眼（速度对）。位于西北的入流中心是孤立中心。
（3）锋面已过境
如右图所示，西北风和西南风所形成的冷锋已过境。此时速度图（中图）有如下特征：
- 西北方向是入流速度，东南方向是出流速度。
- 锋前风向随高度顺转，因此零速度线是 S 型；锋后风向随高度逆转，因此零速度线是反 S 型，风速随高度增加。
6.3.1.2 暖锋（暖式切变线）
这是两张速度图：上图（a）为暖锋在测站以南（未过境），图（b）为暖锋在测站以北（已过境）。暖锋在速度图上的特征有：
- 速度分布具有对称性，东北和北方为流出区，西南方为流入区。
- 有三个风速极大值中心：一个入流中心，两个出流中心，其中位于东北和西南的中心组成了一对牛眼（或一对速度对）。位于西北的出流中心是孤立中心。
- 零速度线从 SW-NE（西南-东北）走向，然后折向 NW-SE（西北-东南）走向。零线有明显的折角，呈 L 型。
- 折角位于测站以东时，暖切变位于本站以南；折角位于测站以西时，暖切变位于测站以北。
- 暖锋位于等值线密集处，且靠近入流中心一侧，并向零线折角方向延伸。
6.3.2 逆风区
在速度图中，大面积同向速度区中出现一块相反方向的速度区，即正（负）速度区中包含小块负（正）速度区，这块被包围的速度区称之为逆风区。
上面是逆风区的示意图（左图）和雷达测站实测的逆风区速度图（右图）。在左图中，雷达测站位于图像左下角，黑色箭头表示径向速度方向，正号“+”表示径向速度为正值，负号“-”表示径向速度为负值。
于是，圆圈内为正速度区，圈外内为负速度区。所以可以得出：圆圈西北侧为中气旋，东南侧为中反气旋，西南侧为中辐散，东北侧为中辐合。因此，逆风区是中尺度的辐合、辐散、气旋和反气旋的结合体。
识别逆风区时，需注意两点：
- 观察到的速度区必须在测站原点的同一侧，即风区不能穿越测站原点；
- 正负速度区之间须有零速度线分隔，这样可以与速度模糊区别。
6.3.3 中 \(\gamma\) 尺度系统
先来简单说明一下大气系统的尺度分类。大气中包含有大、中、小尺度的大气运动系统，其对应的时空尺度分别为 \(10^5、10^4、10^3 \mathrm{s}\) 和 \(10^6、10^5、10^4 \mathrm{m}\)。中尺度系统一般是指时间和水平空间尺度比常规探空网的时空密度小，但比积云单体的生命期及空间尺度大得多的一种系统。
大、中、小尺度这三类系统又可细分为大 (\(\alpha、\beta\))，中 (\(\alpha、\beta、\gamma\)) 和小 (\(\alpha、\beta、\gamma\)) 等 8 类。其中，中 \(\alpha\)、中 \(\beta\)、中 \(\gamma\) 尺度系统的水平尺度分别为 \(200～2000、20～200、2～20 \mathrm{km}\)。
中 \(\gamma\) 尺度系统就是中尺度系统的一类。在速度图上，中 \(\gamma\) 尺度系统往往只在图中的一小片区域。因此，在识别中 \(\gamma\) 尺度系统的速度图像特征时，首先应确定所选择的小区域在探测范围内的方位，并近似认为该小区域在同一高度层上。如下图所示，为方便说明，这里我们假设小区域均位于雷达探测区的正北方。
现在对该小区域进行放大显示，于是就得到了一对速度对，或者更具体一些，是一对最大入流中心和出流中心。根据速度对在雷达径向的方位和距雷达的距离，可以分为如下几种情况：
6.3.3.1 气旋式旋转和反气旋式旋转
在小区域内，当一对速度对距雷达是等距离时：
- 若最大入流速度中心位于雷达径向的左侧，则为气旋性旋转（如上图）；
- 若最大入流速度中心位于雷达径向的右侧，则为反气旋性旋转（图略）。
实际情况该如何判断呢？我们看到在上图中的右图，速度对在雷达径向的两侧，且从两个速度中心可以画出两个箭头，在绿色中心画入流方向（在这里是垂直向下），在红色中心画出流方向（在这里是垂直向上），再按箭头方向把它们连起来，这就是一个气旋式旋转。
6.3.3.2 径向辐合和径向辐散
在小区域内，当一对速度对距雷达不是等距离，且均沿同一雷达径向方向时：
- 若最大入流中心位于远离雷达一侧，则为径向辐合区（图略）；
- 若最大入流中心位于靠近雷达一侧，则为径向辐散区（如上图）。
实际情况中又如何方便去判断呢？我们看到在上图中的右图，速度对都在雷达径向上（像串一个糖葫芦），且从两个速度中心可以画出两个箭头，在绿色中心画入流方向（在这里是垂直向下），在红色中心画出流方向（在这里是垂直向上），很明显这就是一个径向辐散。
6.3.3.3 气旋式辐合和气旋式辐散
在小区域内，当一对速度对距雷达不是等距离时：
- 若最大出流中心更靠近雷达，并且位于雷达径向的左侧时，则为气旋式辐合（如上第一张图）；
- 若最大入流中心更靠近雷达，并且位于雷达径向的左侧时，则为气旋式辐散（如上第二张图）。在低仰角的雷达上，下击暴流的流场也是呈辐散状的，所以也符合这个特征。
实际情况中又如何方便去判断呢？如上第一张图：
- 先判断旋转方向：在绿色中心画入流方向（在这里是垂直向下），在红色中心画出流方向（在这里是垂直向上），再按箭头方向把它们连起来，这就是一个气旋式旋转；
- 再判断辐合还是辐散：类似刚刚说的“串糖葫芦”的方法，把绿色区域和红色区域都平移到同一个雷达径向（图中黄色实线）上，很容易知道这是气旋式辐合。
那么第二张图也是类似的方法，这里就不再赘述了。
6.3.3.4 总结
将判断的步骤总结如下：
- 确定旋转方向：若速度对位于雷达的一条径向方向的两侧，则为气旋式旋转或反气旋式旋转其中一种，需画出入流和出流方向进行判断；若速度对都在雷达径向上（像串一个糖葫芦），则为径向辐合或径向辐散。
- 确定辐合辐散：类似于“串糖葫芦”的方法，把绿色区域和红色区域都平移到同一个雷达径向上，可判断辐合还是辐散。
如下图中右上角的“3”，我们想象一下：将绿色区域和红色区域都平移到同一个雷达径向上（虽然平移后两者重合的区域比较多，但不影响结论），可得到绿色区域是靠近雷达那一侧的，而红色区域是远离雷达那一侧的，于是可知这是辐散。
以上我们假定中 \(\gamma\) 尺度流场特征位于雷达的北部。实际上，只要上述小区域流场特征是轴对称的，则上述的特征无论位于雷达的哪一侧，其径向速度特征都是相同的。
如上图给出了一个总结，8 种中 \(\gamma\) 尺度流场的特征全部归纳到这张速度图中。大家根据上面所说的方法来自己练习一下。
- 第 1 种：气旋式辐合
- 第 2 种：气旋式旋转
- 第 3 种：气旋式辐散
- 第 4 种：径向辐合
- 第 5 种：径向辐散
- 第 6 种：气旋式辐合
- 第 7 种：反气旋式旋转
- 第 8 种：反气旋式辐散
最后再来补充一个相关知识点。速度模糊问题有可能掩盖了速度对的存在，即出现“正正速度对”或“负负速度对”。比如，一个负速度中心的内侧有一个速度比它小的负速度中心，这时也有可能是一个中气旋。但由于颜色相近的两个速度大值中心不易于被发现。因此，我们可以通过风暴相对径向速度产品（SRM）来快速识别中气旋。
它的生成原理是：由平均径向速度减去由风暴单体识别与跟踪算法（SCIT）识别的所有风暴的平均运动速度，或减去由用户输入的风暴运动速度。如此一来，原本不明显的一个中气旋，在经过相对风暴径向速度算法的处理之后，清晰地呈现出了正负速度对。
