福建省氣象學會天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展研究項目組

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福建省天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展研究報告

福建省氣象學會天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展研究項目組

0 引言

福建位于我國東南沿海，與臺灣隔海相望，是我國重要的海洋省份之一，屬亞熱帶海洋性季風氣候，受西風帶和東風帶雙重天氣系統(tǒng)的頻繁影響，還受臺灣海峽獨特地形產(chǎn)生的狹管效應影響，是海洋氣象災害的高發(fā)省份。福建境內(nèi)氣象災害種類多、強度大，一年四季都可能有冰雹、龍卷、颮線等強對流天氣發(fā)生。冬季有寒潮、大風、大浪，春季有暴雨、大霧，夏、秋季有熱帶氣旋（臺風）、風暴潮、大浪等。每年登陸或影響福建的臺風平均5個，海上8級以上大風日數(shù)年平均166天。特殊的地理位置和氣候環(huán)境，使福建在我國臺風等氣象災害監(jiān)測預警方面具有舉足輕重的地位。

1959年8月23日，5903號臺風在廈門登陸，由于沒有有效的防御手段，造成了極大的人員傷亡。時任福建省委書記葉飛將軍根據(jù)當時的技術條件和專家建議，決定在福建沿海布設全國第一部天氣雷達。1960年，省政府傾全年外匯購買了兩臺英國制造的“德卡—41雷達”，從1961年開始在福建沿海機動探測臺風，在防御臺風工作中發(fā)揮了重要作用。

此前，早在1958年，福建氣象工作者就參與了利用福清、惠安和漳州空軍警戒雷達探測到的氣象雜波開展警戒臺風、監(jiān)測降水的實驗工作，為我國將843軍用雷達改裝成天氣雷達作出了貢獻。

從使用“德卡-41雷達”至今，我國已發(fā)展了三代業(yè)務天氣雷達(模擬天氣雷達、數(shù)字天氣雷達和多普勒天氣雷達 )，而福建省一直是率先布點、率先應用新型天氣雷達的省份。

在全球氣候變暖的背景條件下，極端天氣氣候事件和氣象災害的發(fā)生頻次呈現(xiàn)增高的趨勢。同時，隨著海峽西岸經(jīng)濟區(qū)加快建設，防災減災為經(jīng)濟發(fā)展保駕護航的責任越來越重大。氣象部門一方面要加快現(xiàn)代化建設，一方面要注重現(xiàn)代化建設效益的充分發(fā)揮。開展天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展研究很有必要，通過回顧歷史和展望未來，明確責任，迎接挑戰(zhàn)，保證福建省天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展繼續(xù)走在全國前列，為提升氣象災害監(jiān)測預警水平，保障福建省跨越式發(fā)展作貢獻。

1 福建省天氣雷達建設及應用歷史回顧

1.1 建設回顧

到目前為止，福建省先后開展了三代天氣雷達系統(tǒng)建設。

1.1.1第一代天氣雷達

以模擬視頻（包括配備有模擬視頻積分處理機AVIP）方式輸出回波信息的天氣雷達，統(tǒng)稱為第一代天氣雷達。

福建先后裝備了德卡—41、843、711、713等四種型號的第一代天氣雷達：

“德卡—41型”X波段雷達于1961年布點在福清龍?zhí)铮ü潭ǎ┖蜄|山（移動），主要用于臺風監(jiān)測。

843雷達由蘇制843測高雷達改進而成，S波段水平扇型波束，由成都國營784廠生產(chǎn)。1964年起布設在福建福清龍?zhí)铩㈤L樂、晉江等三地，使用至1986年，主要用于臺風監(jiān)測。

711型雷達是國產(chǎn)的、真正意義上的“純天氣雷達”，由四機部負責研制，無錫無線電二廠生產(chǎn)，為X波段、1.5°針狀波束脈沖雷達。起初布點于建陽（1972年～1981年）和廈門（1975年～1980年），后轉布設于三明、龍巖和建甌石塔山等地（1982年～1992年），主要用于強對流、暴雨監(jiān)測和人工影響天氣指揮及效果評估。

713型配備有模擬視頻積分處理器（AVIP），可以對降水回波強度進行較準確的測量，具有定量測量降水的能力。該型雷達由桂林國營長海機器廠生產(chǎn)，為C波段、1.5°針狀波束脈沖雷達。1980起布點于福州、廈門、建陽三地，主要用于臺風、強對流和暴雨監(jiān)測，使用至1999年。

1.1.2第二代天氣雷達

第二代天氣雷達配備有全數(shù)字化的視頻積分處理器（DVIP），能精確處理降水回波信號，并可與多種型號天氣雷達相連接，對降水資料進行快速處理。福建先后布設了714、714SD兩種型號的第二代天氣雷達，這兩種型號雷達均由成都國營784廠生產(chǎn)。

714型雷達為S波段、2.0°針狀波束，僅布點在長樂（1987年～1994年），主要用于臺風、強對流和暴雨監(jiān)測。

714SD為中頻相干多普勒天氣雷達，S波段、1.4°針狀波束，1994年布點于廈門。同年，長樂714雷達也進行了增加多普勒探測性能的改裝，成為714SD型雷達。廈門和長樂714SD雷達主要用于臺風、強對流和暴雨監(jiān)測，使用至2004年。

1.1.3第三代天氣雷達

第三代天氣雷達又稱為新一代天氣雷達，是以采用全相干體制為標志的多普勒天氣雷達。福建先后布設了CINRAD/SA 、CINRAD/CCJ兩種型號的第三代天氣雷達。

CINRAD/SA為北京敏視達公司生產(chǎn)的S波段、1.0°針狀波束多普勒天氣雷達，福建先后布設4部，1999年布點建陽、2000年布點龍巖、2004年布設在廈門和長樂，主要用于臺風、強對流和暴雨監(jiān)測。

CINRAD/CCJ為38所（合肥）四創(chuàng)電子有限公司生產(chǎn)的C波段移動式多普勒天氣雷達（1.0°針狀波束），主陣地布設在寧德，可進行應急移動觀測，主要用于臺風暴雨監(jiān)測及應急氣象保障服務。

1.2 應用回顧

我國雷達氣象學科發(fā)展始于上世紀60年代初期，當時主要是做一些理論探討，如對天氣雷達使用的最佳波長的討論、對雷達奇異回波的機理研究等。60年代中期，開始了天氣雷達探測試驗和應用研究。70年代后，天氣雷達站點大量增加，在強風暴探測、云霧物理研究及人工影響天氣試驗中得到廣泛應用，促進了雷達氣象科研工作的發(fā)展。

福建省氣象工作者積極參與國家級的理論探討試驗和應用研究，為我國雷達氣象學科的發(fā)展做出了貢獻。先后完成了國家、省、市三級相關學科近百項科研任務，并多次獲得省部級二等獎以上獎勵。其中，“古田水庫地區(qū)人工降水試驗效果統(tǒng)計分析”分別獲全國科學大會獎和中國氣象局科技進步二等獎，“利用螺旋雨帶判斷臺風災害程度”獲福建省科學大會獎，“S波段多普勒天氣雷達系統(tǒng)研制及714天氣雷達多普勒技術改造”獲中國氣象局科技進步二等獎，“雷達資料用于強對流天氣短時預報的研究和閩南地區(qū)強對流天氣短時預報研究”獲福建省科技進步三等獎。此外，“天氣雷達數(shù)據(jù)壓縮技術”、“雷達臺風定位與路徑突變研究”、“數(shù)字雷達強對流天氣識別研究”、“高山雷達確立災害性天氣預測報體系研究”、“雷達定量估測降水研究”等項目獲得不同等次的省部或廳級獎勵。

2 福建省天氣雷達建設及應用現(xiàn)狀分析

2.1 雷達網(wǎng)布局

1999年～2004年，福建省完成了建陽、龍巖、廈門、長樂四部S波段新一代天氣雷達建設并實現(xiàn)組網(wǎng)應用（見圖1）， 2007年完成寧德C波段移動雷達建設，目前已形成了基本覆蓋福建陸地全境的雷達探測網(wǎng)。不僅在臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的監(jiān)測、預報和預警中發(fā)揮重要作用，最大限度減輕氣象災害造成的損失。在科學試驗和人工影響天氣作業(yè)指揮與效果評估方面也發(fā)揮了重要作用。目前，我省正在建設三明（泰寧）和泉州新一代天氣雷達（CINRAD/SA），全省雷達網(wǎng)將得到進一步完善中（圖2），現(xiàn)代化建設效益將得到更加充分的發(fā)揮。

福建省氣象部門注重加強雷達運行保障工作，制定了一系列的規(guī)章制度和保障措施。2001年，李麟、鄧志等提出用不間斷電源UPS驅動CINRAD/SA雷達運行的思路，并加以實現(xiàn)，這一做法被中國氣象局采納，此后建設的雷達系統(tǒng)均配備UPS電源。鄧志等負責編制的氣象行業(yè)標準《新一代天氣雷達選址規(guī)定（QX/T 100-2009）》已頒布實施。2008年在全國率先成立了福州區(qū)域性雷達保障中心。2011年在全國率先開展首席機務員評聘工作，激發(fā)了保障業(yè)務人員學習知識、提高技能的積極性。

（左上：建陽，右上：廈門，左下：龍巖，右下：長樂）

圖2 福建省已建、在建和規(guī)劃建設雷達布局圖

2.2 雷達網(wǎng)性能

福建省目前運行的新一代天氣雷達（CINRAD/SA和CINRAD/CCJ）采用全相干脈沖多普勒體制，脈沖信號頻率穩(wěn)定度高，對雷達發(fā)射機功率、接收機靈敏度、動態(tài)范圍、天線增益和波束寬度等主要性能指標有較大改進，因此雷達系統(tǒng)整體性能較第二代天氣雷達有較大提升。

新一代天氣雷達對臺風、暴雨等大范圍強降水天氣的監(jiān)測距離大于400km，對風場信息獲取的距離大于200km，對強天氣的監(jiān)測和識別距離大于150km，能對200km范圍內(nèi)的降水進行較為準確的估測；支持24小時全自動不間斷連續(xù)運轉，具備對重要性能參數(shù)進行實時監(jiān)測和自動標校能力，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性明顯提高；采用短脈沖和長脈沖兩種發(fā)射脈寬，支持降水、晴空兩種探測模式，特別是晴空模式有利于提早偵測到降水征兆；具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的軟件產(chǎn)品，除提供基本產(chǎn)品和導出產(chǎn)品，還生成對災害性天氣的自動識別和跟蹤產(chǎn)品等，輔助預報員進行分析預報。

福建省新一代天氣雷達網(wǎng)布局充分考慮了全省主要災害性天氣監(jiān)測和預報服務需求，重點加強對造成重大氣象災害的高影響天氣系統(tǒng)，即海上臺風天氣系統(tǒng)和內(nèi)陸季風天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和預警。目前福建省新一代天氣雷達3km等射束高度拼圖已覆蓋本省大部分地區(qū)和臺灣海峽局部海域（見圖3）。這也意味著，對海拔高度3km以上的降水天氣系統(tǒng)，全省新一代天氣雷達大多能及時發(fā)現(xiàn)、跟蹤和預警。

但由于福建省山地丘陵較多，對部分雷達的探測形成一定遮擋，現(xiàn)有新一代天氣雷達網(wǎng)在內(nèi)陸和臺灣海峽還有一定探測盲區(qū)，同時對3km以下高度的降水天氣系統(tǒng)覆蓋能力不足，因此還需進一步完善全省新一代天氣雷達網(wǎng)，加密建設站點，優(yōu)化站點布局。

圖3 現(xiàn)有（2011年）新一代天氣雷達3km等高射束拼圖

2.3 應用成果

自2004年福建省新一代天氣雷達組網(wǎng)應用以來，福建天氣雷達應用水平有較大提高，在對臺風、暴雨以及強對流等災害天氣的監(jiān)測和預警中發(fā)揮了不可替代的作用。

2.3.1強對流天氣監(jiān)測預警中的應用

馮晉勤等（2004，2010）開展基于新一代天氣雷達的閩西南冰雹預報方法研究，統(tǒng)計分析了閩西南強雷暴、雷雨大風和冰雹天氣對應風暴回波特征及冰雹發(fā)生的環(huán)境條件；通過冰雹發(fā)展的特點進行冰雹天氣判別指標的選取；應用判別分析的統(tǒng)計方法建立雷暴、雷雨大風和冰雹天氣的判別方程。在此基礎上開發(fā)冰雹臨近預報預警系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)對冰雹天氣自動預報預警，并預報對應風暴的移速移向。

對2009年3～6月福建省7770個時次風暴（風暴強中心大于50dBz、VIL大于20 kg/m2、回波頂高大于8km）進行檢驗，結果表明該方法對持續(xù)兩個體掃以上判斷為冰雹的風暴的準確率較高，達85.7%，僅出現(xiàn)一個體掃的風暴判斷的正確性有待進一步檢驗。

2.3.2臺風監(jiān)測預警中的應用

蘇衛(wèi)東等（1996）開發(fā)了多普勒速度模擬軟件，實現(xiàn)臺風等天氣系統(tǒng)的多普勒速度模擬，該軟件已被集成在中國氣象局災害天氣短時臨近預報預警業(yè)務系統(tǒng)（SWAN）中。

魏應植等（2007，2010）分析發(fā)現(xiàn)200418號臺風“艾莉”風場存在不對稱結構是環(huán)境風疊加在臺風渦旋上造成的，對“艾莉”多普勒速度模擬的結果驗證了上述觀點，并由此提出利用二維Rankine渦旋疊加水平均勻環(huán)境風模擬臺風多普勒速度圖像，利用相似法從實測臺風多普勒速度圖像中提取環(huán)境風信息的方法（圖4），再依據(jù)引導風理論預測近海臺風路徑。

圖4 “艾利”臺風雷達速度場及模擬速度場

吳陳鋒等（2009、2011）在上述研究基礎上，提出利用三維Rankine渦旋疊加水平均勻、垂直線性變化的環(huán)境風模擬實測臺風多普勒速度，對200418號臺風“艾莉”個例研究表明，考慮熱帶氣旋和環(huán)境風場的三維結構能夠更加精確地提取實測環(huán)境風信息，這對改善近海臺風路徑短臨預報的準確性有一定意義。

2.3.3暴雨監(jiān)測預警中的應用

陳秋萍、馮晉勤等（2001、2005）總結認為，產(chǎn)生暴雨的雷達回波具有如下特征：系統(tǒng)移動較慢，移速小于10km/h；或沿著雷達回波移動方向的強回波尺度較大；或相繼有中等強度的強回波單體相繼經(jīng)過同一區(qū)域，即存在所謂的“列車效應”。同時指出，在多普勒速度資料中能夠分析出逆風區(qū)、低空急流、切變線、冷暖平流、中氣旋等中尺度速度特征，對預報強降水的產(chǎn)生和維持及結束十分重要。

2.3.4雷電監(jiān)測預警中的應用

曾金全等（2011）采用交叉相關算法TREC(Tracking Radar Echoes by Correlation)外推雷達回波的運動變化，研發(fā)了“福建省雷電災害臨近預警系統(tǒng)”，對全省雷電活動落區(qū)、強度等開展監(jiān)測、預警。

2.3.5人工影響天氣作業(yè)中的應用

林長城等（2005）以福建省新一代天氣雷達網(wǎng)的探測資料為基礎，研發(fā)了“福建省地市級人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)”（見圖5）。該系統(tǒng)已在全省各市推廣應用，對提升人工增雨中的作業(yè)預警、作業(yè)指揮和作業(yè)效果評估發(fā)揮了重要作用。

圖5 福建省地市級人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)界面

2.3.6雷達資料同化與風場反演技術研究

羅昌榮等（2011）研究提出了一種新的VAP擴展應用方法(EVAPTC)，并利用寧德CINRAD/CCJ雷達資料對2007年超強臺風“韋帕”近中心環(huán)流進行反演。反演結果（見圖6）符合臺風近中心風場的概念模型，與實際風場分析吻合，能夠基本反映出臺風近中心的環(huán)流特征，包括螺旋云帶上的風場特征。羅昌榮等（2011）還對目前普遍采用的笛卡爾坐標系下的雙雷達風場反演技術進行改進，分析了超強臺風“圣帕”外圍帶狀回波發(fā)展的三維動力結構。

圖6 “韋帕”臺風寧德CCJ雷達回波強度場(仰角1.5°)及EVAPTC反演風場

蘇萬康（2011）利用ARPS-ADAS同化系統(tǒng)，將CINRAD/SA雷達的基數(shù)據(jù)直接同化進ARPS模式中，明顯改善了初始場，其中雷達反射率資料比徑向風資料對初始場垂直速度的增強有更明顯的作用。模擬結果（見圖7）表明，同化明顯提高了模式對颮線的預報能力，使用雷達資料循環(huán)同化，可以降低ARPS模擬強颮線在時間和空間上的誤差，能基本反映出強颮線的移動和消亡的過程。

圖7 颮線過程試驗與控制試驗模擬結果圖

2.3.7負仰角觀測試驗

2010年，福建在全國率先開展CINRAD/SA雷達負仰角觀測試驗。在中國氣象局氣象探測中心和敏視達雷達有限公司的支持下，對長樂雷達開展-0.3°仰角觀測試驗（見圖8），龍巖雷達開展0°仰角觀測試驗，取得了成功。降低仰角觀測，回波范圍明顯增大，強度明顯增強，提高了高山雷達站中遠距離回波的探測能力，有利于監(jiān)測臺灣海峽的臺風天氣過程。

2.3.8其它應用研究

鄧志等(2004)研究了相鄰雷達探測的同頻干擾。他們依據(jù)雙基地雷達和Mie散射理論，建立了鄰近雷達間的頻差與間距、雷達靈敏度等之間的數(shù)學關系。通過計算分析，WSR-98D（CINRAD/SA）型號雷達之間相距100km需要有36MHz的頻差、相距200km需要有26MHz的頻差、相距300km需要有22MHz的頻差，可避免相互干擾。成果對雷達站網(wǎng)建設時排除“同頻干擾”、優(yōu)化布局具有指導意義。

3 天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展趨勢

3.1 國外發(fā)展趨勢

世界天氣雷達探測技術的總體發(fā)展趨勢是：從地基雷達探測到空基、天基雷達探測；從單基探測到多基探測；從單一參數(shù)探測到多參數(shù)探測；從低時空分辨率探測到高時空分辨率探測；從單站探測到全網(wǎng)的綜合探測。同時，未來的雷達網(wǎng)布局趨勢呈現(xiàn)出大小雷達相結合的特征，以小型雷達補充站網(wǎng)雷達，主要表現(xiàn)為以提供區(qū)域覆蓋的大型雷達(指S波段和C波段雷達)為主，以邊界層探測的短程小型天氣雷達（指X波段雷達）為輔。未來的天氣雷達技術應作為地球綜合觀測系統(tǒng)的有機組成部分，將向多波長、多極化、多基地、相控陣方向發(fā)展。

雙線偏振多普勒天氣雷達技術：能根據(jù)不同偏振獲取的后向散射信息分析、識別降水的類型，能識別風暴中水汽凝聚的過程，提高降水估測精度。從技術和經(jīng)濟角度看，雙線偏振多普勒天氣雷達將是天氣雷達發(fā)展的一種趨勢。

相控陣多普勒天氣雷達技術：采用跳躍式電掃描波束和天線方向圖形狀的自適應控制，使掃描和資料收集時間由6分鐘降至1分鐘以內(nèi)，提高獲取資料的時間分辨率?？梢栽谧銐蚨痰挠^測時間內(nèi)處理迅速演變的天氣事件，探測能力顯著提高。相控陣天氣雷達將是天氣雷達的發(fā)展方向。但相控陣雷達造價昂貴，近十年內(nèi)難以實現(xiàn)業(yè)務化運行和組網(wǎng)。

多基地天氣雷達技術：雙（多）基地多普勒天氣雷達網(wǎng)能夠提供直接觀測到的三維風場信息。美國在1993 年進行了雙基地雷達應用于風場測量的實驗，獲得了成功并應用推廣。國內(nèi)在這一領域的研究剛剛起步。

多波長雷達技術：雙波長雷達技術通過兩組天線發(fā)射、接收和處理系統(tǒng)同時獲取相同空間的氣象回波，通過大氣和云雨對不同發(fā)射波長的散射和衰減，獲取不同的衰減系數(shù)和后向散射信息，進而提高雷達的測雨精度。但由于天線同指向技術問題和造價高等原因，目前此技術尚未能在業(yè)務應用。

毫米波天氣雷達技術：云中降水質點的譜分布隨云體發(fā)展的階段有很大差別，非降水云很難被厘米波長的天氣雷達探測到，毫米波天氣雷達是較好的探測手段。

星載雷達技術：將測雨雷達置于衛(wèi)星上，可以進行自上而下更大范圍的探測，能夠很好地改進對全球降水和其在水文圈中作用的認識。目前美國NASA和日本JAXA正在共同發(fā)展全球降水測量衛(wèi)星（GPM），計劃于2013年升空，將首次實現(xiàn)星載雙頻降水雷達（DPR）。DPR包括一個與現(xiàn)有熱帶測雨衛(wèi)星（TRMM）星載13.6GHz降水雷達（PR）相似的Ku波段雷達，以及頻率為35.5GHz、靈敏度和精度更高的Ka波段雷達，能區(qū)分雨雪。除了測量全球降水，星載雷達在探測全球三維風場、云微物理和熱力動力結構、大氣氣溶膠等方面也將大有作為。美國與加拿大合作的試驗云衛(wèi)星CloudSat攜帶的云廓線雷達（CPR）是毫米波雷達，能探測云結構。歐洲空間局與日本正聯(lián)合開發(fā)EarthCARE衛(wèi)星，將于2013年發(fā)射，屆時其星載的多普勒CPR除了能更靈敏地測云之外，還能探測垂直多普勒速度。載于歐洲METOP-A極軌衛(wèi)星上的先進散射儀ASCAT是一部微波雷達，能探測全球的海面風場。我國也計劃在2018年發(fā)射的FY-3F業(yè)務星上搭載海面風場測量雷達SWMR。此外，美國的空間NEXRAD（NIS）計劃將用靜止衛(wèi)星上搭載的Ka波段雷達探測颶風的重要特征，以提高對颶風強度和結構的認識及預報能力。星載雷達技術將是未來的重要發(fā)展方向。

機載雷達技術：機載雷達具有較高的機動靈活性，是天基雷達和地基雷達的有益補充。目前已有多種機載雷達可用于云、降水等觀測。

天氣雷達小型化和移動化：為了獲取無縫隙、均勻覆蓋的雷達資料，提高降水估算、強風暴識別、輻合線監(jiān)測和邊界層風場估算的能力，美國計劃在站網(wǎng)中增加小型天氣雷達，進行小型天氣雷達加密組網(wǎng)。對特定的天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象，移動雷達可較快地布局到預定區(qū)域，可以對特定目標進行精細探測，很好地解決固定雷達站網(wǎng)機動性差的問題，并可方便地組成雙多普勒雷達的探測。

另外，未來雷達系統(tǒng)中為了提高精度、擴展探測功能，在以下一些新技術領域將會有顯著突破：強大的雷達信號處理和計算能力，有效的減輕距離和速度模糊技術，過采樣技術，快速掃描技術，脈沖壓縮技術，優(yōu)化的寬帶通訊網(wǎng)、數(shù)據(jù)壓縮技術等。

3.2 國內(nèi)發(fā)展規(guī)劃

為彌補新一代天氣雷達探測盲區(qū)，滿足極端天氣氣候事件重大氣象保障服務需求，全國新增建設58部新一代天氣雷達，其中S波段雷達36部，C波段雷達22部，以擴大全國新一代天氣雷達組網(wǎng)覆蓋范圍。

圍繞國家中小河流治理和中小水庫除險加固、山洪地質災害防治、易災地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理的總體目標，在山洪災害易發(fā)、人口密集、重要保護對象的河流、河段及中小水庫周邊重點防治區(qū)加密布設移動全相干雙偏振天氣雷達，個別地區(qū)加密建設常規(guī)天氣雷達，作為地形盲區(qū)和低空降水觀測的應急補充和加密觀測。

統(tǒng)一相同型號雷達技術狀態(tài)，對部分早期建設的雷達進行技術改造。加強雷達標定，完善處理算法、質量控制，整體提升雷達網(wǎng)觀測能力。

建設高速寬帶雷達數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)共享平臺，提供各級政府部門和重要行業(yè)的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)雷達遠程視頻監(jiān)控和故障診斷。建設國家級雷達探測試驗基地。

加強雷達資料的綜合應用，深入發(fā)展雷達反演技術、雷達回波自動識別技術研究、多種探測資料的綜合處理和同化技術，提高雷達資料在數(shù)值預報模式中的應用水平，建立面向行業(yè)需求和重點工程的預警預報產(chǎn)品。

加強雷達技術研發(fā)，跟蹤世界雷達氣象發(fā)展研究前沿，開展雙線偏振雷達、相控陣雷達、多波長雷達研究、開發(fā)、應用和創(chuàng)新工作。

4 福建天氣雷達與雷達氣象學科發(fā)展任務

我國新一代天氣雷達建設工程始于1998年，計劃在“十二五”期間完成，新一代天氣雷達設計壽命為20年，可以預計到2020年～2030年我國將規(guī)劃建設更新一代雷達系統(tǒng)。由于雷達需要占用重要的電磁波譜段，而且雷達資料并不能提供即使是陸地范圍的均勻覆蓋。為了保護珍貴的無線電電磁波帶寬資源，可以預計更新一代雷達系統(tǒng)將向多功能、服務各種用戶的方向發(fā)展，即氣象探測只是未來地基雷達網(wǎng)的多種性能的一個方面。目前，美國多用途雷達系統(tǒng)研究已現(xiàn)端倪，預計在2020年～2025年將實施多用途雷達計劃。隨著我國經(jīng)濟實力和系統(tǒng)管理水平的進一步提升，發(fā)展多用途雷達技術的成熟，在美國實施多用途雷達計劃不久，我國也將實施類似計劃。

根據(jù)我國天氣雷達與雷達氣象學的發(fā)展戰(zhàn)略以及福建省天氣雷達面臨的挑戰(zhàn)和應用需求，雷達與雷達氣象學科發(fā)展可以分為近期（未來5～10年）發(fā)展任務和長期（未來10～20年）戰(zhàn)略目標。

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

4.1.1提高雷達探測空間精細度

CINRAD/SA雷達系統(tǒng)采用固定掃描策略進行觀測，常用VCP21掃描模式進行觀測，共掃描9層（0.5、1.45、2.4、3.35、4.3、6.0、9.9、14.6、19.5度），最低掃描仰角0.5度，受地球曲率影響，又無RHI掃描，造成雷達對垂直空間的探測分辨率低，對低層覆蓋有限（福建雷達多建于高山之巔，這一問題更加突出），給降水估測、強風暴探測、對流線探測和邊界層風估計等應用帶來很多不便。這些問題除了掃描體制問題外，主要與雷達站點的距離較遠有關。

4.1.2消除或降低距離折疊、速度模糊的影響

由于脈沖多普勒天氣雷達存在固有的“多普勒兩難（Doppler Dilemma）”問題，雖然CINRAD/SA雷達系統(tǒng)采取各掃描層用不同PRF的警戒模式（CS）和多普勒模式（CD）組合觀測，但是仍然沒有解決速度信號的距離折疊和速度模糊問題，后者給雷達資料的直接分析應用和再處理應用都帶來很大局限。

4.1.3消除非真實氣象回波干擾

非真實氣象回波包括地物雜波污染、異常傳播污染、間歇性點狀雜波污染和相近頻率雷達后向散射污染等，這些污染給雷達資料進一步處理和質量控制帶來極大挑戰(zhàn)。

4.1.4滿足探測大氣狀態(tài)變化的新需求

新一代天氣雷達（CINRAD/SA）雖然具有一定的晴空探測能力（VCP31、VCP32），但主要是針對降水天氣的探測。預報員除需要關注降水回波的演變，還希望能夠獲得在非降水時段的大氣狀態(tài)變化信息，如晴空大氣流場、氣溶膠粒子等，以捕捉天氣變化信息，提高天氣預報預警能力。

4.1.5雷達數(shù)據(jù)應用技術

如何通過三維變分法（3DVAR）、四維變分法（4DVAR）或集合卡爾曼濾波（EnKF）等同化方法，以快速更新循環(huán)（RUC）或快速刷新（RR）等方式，將多普勒雷達反射率、徑向速度等雷達探測資料和雷達估測降水、VAD風廓線等雷達反演產(chǎn)品同化到數(shù)值預報模式中，以改進模式初始場、提高模式業(yè)務預報特別是短時臨近預報水平，是當前重要而又熱門的課題。

研究雷達資料與衛(wèi)星、地面自動站等多源資料的融合方法和快速分析系統(tǒng)，開發(fā)天氣雷達對各類天氣（暴雨、臺風、強對流等）系列短臨預報工具是天氣雷達深入應用的一個發(fā)展方向。

新一代天氣雷達資料在人工防雹作業(yè)、云物理和降水結構方面的應用研究，有助于為建立人工防雹作業(yè)條件識別、作業(yè)預警和作業(yè)指揮系統(tǒng)提供技術支撐，也是當前人工影響天氣研究發(fā)展的重要方向。

除新一代天氣雷達的應用外，如何應用風廓線雷達等新型雷達的探測數(shù)據(jù)也值得進行（預）研究。

綜上所述，福建天氣雷達與雷達氣象學科面臨的挑戰(zhàn)可概括為需要“細、快、廣”?！凹殹奔淳毣綔y，消除雜波，提高資料可用性，精細化拼圖，精細化資料應用；“快”即快速形成各類產(chǎn)品，并快速推送至業(yè)務平臺和用戶平臺上；“廣”即進一步增加三維空間的探測覆蓋面，尤其是提高對流層低層的覆蓋率。

4.2 近期（未來5～10年）發(fā)展任務

4.2.1科學完善雷達建設布局，填補盲區(qū)

完成三明、泉州、寧德和漳州4部新一代天氣雷達（CINRAD/SA）建設（見圖9）；開展建陽、龍巖2部雷達技術升級改造，改善建陽、廈門雷達探測環(huán)境；在主要谷地、流域或人口稠密地區(qū)（如莆田、古田、福安、浦城、永安、長汀等地）增設5～6臺近程雷達（如X波段雙線偏振多普勒天氣雷達、C波段雷達等），通過小型天氣雷達加密觀測，提高對特定天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象的精細化探測，彌補新一代天氣雷達網(wǎng)存在的盲區(qū)，進一步提高天氣雷達網(wǎng)監(jiān)測能力，特別是提高1～2km高度雷達探測覆蓋率（見圖10）。

在著力完善天氣雷達網(wǎng)的同時，支持臺風外場觀測基地建設。組織移動天氣雷達、移動L波段探空雷達和移動風廓線雷達等裝備，開展臺風外場觀測試驗。

4.2.2引進數(shù)據(jù)質量控制技術，提升品質

引進天氣雷達數(shù)據(jù)質量控制技術或成果，改進RDA信號處理器性能和RPG軟件系統(tǒng)消除距離模糊、速度模糊、地物和同頻干擾能力，基本消除非氣象干擾回波，提高雷達基數(shù)據(jù)及其產(chǎn)品品質。

圖9 福建省9部CINRAD/SA雷達建設后3km等高射束拼圖

圖10 未來5～10年福建天氣雷達布網(wǎng)圖

4.2.3支持雷達資料同化研究，緊跟前沿

動過項目帶動支持專項研究或技術引進，緊跟學科前沿。開展多普勒雷達資料同化方法研究，將多普勒雷達探測到的發(fā)射率因子、風速信息等，同化進入業(yè)務化區(qū)域數(shù)值預報模式，建立快速更新循環(huán)（RUC）或快速刷新（RR）系統(tǒng)，以改進模式初始場、提高模式業(yè)務預報特別是短時臨近預報水平。開展多雷達探測臺風試驗，開展雙（多）雷達風場反演技術研究，重點加強利用多普勒速度資料預測近海臺風路徑和強度的方法研究。

4.2.4加速數(shù)據(jù)產(chǎn)品快速傳輸，實時應用

將雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品快速傳輸業(yè)務作為全省氣象信息網(wǎng)絡建設的重要內(nèi)容，借助主動推送等技術手段，進一步提高雷達探測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸效率，使雷達基數(shù)據(jù)共享時限達到2～5分鐘以內(nèi)；開展雷達資料四維實時組網(wǎng)拼圖，實現(xiàn)多波段、多等高層、多剖面的精細化拼圖；進一步開發(fā)研究天氣雷達集成業(yè)務應用系統(tǒng)，組織面向預報員、面向用戶、面向基層的雷達業(yè)務產(chǎn)品研發(fā)，進一步提供針對性和個性化更強的業(yè)務應用產(chǎn)品，重點加強省、市、縣一體化業(yè)務產(chǎn)品研發(fā)。

4.2.5細化雷達產(chǎn)品短臨應用，發(fā)揮效益

深入研究與當?shù)靥鞖鈿夂蛱攸c和地形特點相關聯(lián)的雷達回波降水機制，重點開展強降水預警預報服務應用，建立科學、高效、流暢的業(yè)務流程，積極發(fā)揮雷達在短時臨近預報應用中的優(yōu)勢作用；加強雷達資料與數(shù)值預報產(chǎn)品的聯(lián)合分析與應用，深入研究雷達探測信息與臺風、暴雨和強對流天氣的關聯(lián)，提升災害性天氣短時臨近預報、預警能力；開展雷達估測降水（QPE）或雷達、衛(wèi)星、地面雨量站等多源聯(lián)合估測降水（MPE）評估，開發(fā)流域面雨量等產(chǎn)品，實現(xiàn)其在水文氣象中的應用；加強天氣雷達資料在人工影響天氣作業(yè)指揮和作業(yè)效果評估等方面的研究與應用。

4.2.6創(chuàng)新雷達運行保障機制，持續(xù)發(fā)展

建立健全雷達運行保障“二級管理、三級保障”機制，強化責任制和問責制，創(chuàng)新雷達技術裝備保障新途徑，探索重要、貴重部件跨省互為備份機制，多途徑儲備易損易耗備件和器件，暢通備件應急供應渠道，探索利用社會力量、社會資源的雷達維護運行保障機制，確保雷達技術裝備穩(wěn)定、可持續(xù)運行；建立雷達業(yè)務運行監(jiān)控平臺，建立故障報警、報告制度和應急處置制度；加強市級信息網(wǎng)絡與技術裝備保障中心建設，完善業(yè)務流程，提高業(yè)務保障能力；完善首席機務員、領班機務員崗位管理和考核；依法加強雷達探測環(huán)境保護。由各設區(qū)市出臺雷達探測環(huán)境保護規(guī)劃或辦法，完善探測環(huán)境破壞監(jiān)控與報告制度，及時制止破壞環(huán)境行為。

4.2.7組建雷達科技創(chuàng)新團隊，人才保障

加強雷達學科人才引進和培養(yǎng)，培養(yǎng)1～2名領軍式學科帶頭人，組建一支國內(nèi)先進水平的學科創(chuàng)新團隊；重視與科研院校聯(lián)合共建，引進或聘請高層次學科專家來閩講學、指導科研和業(yè)務，聯(lián)合申報科研項目；重視省際、省內(nèi)學科學術互動與交流，加強兩岸雷達學科交流與合作，促進雷達學科發(fā)展；重視項目帶動，注重項目培育或預研，通過項目建設促進學科人才成長；加強設區(qū)市雷達學科人才培養(yǎng)，每個設區(qū)市的雷達學科高級職稱人才或首席機務員應不少于2名，每個雷達業(yè)務一線崗位應至少有1名雷達學科本科畢業(yè)的專業(yè)人才；加強雷達學科業(yè)務培訓，使雷達探測信息充分應用于實時業(yè)務。

表1 福建省雷達網(wǎng)建設及雷達氣象學科近期主要發(fā)展任務

4.3 長期（未來10～20年）戰(zhàn)略目標

4.3.1發(fā)展多用途雷達

多用途雷達就是集空域警戒、航空導航與管制、氣象探測等需求于一身的雷達，從根本上說，這種轉變需要多方統(tǒng)一協(xié)調各自雷達的更新，由“集中管理”向“集中操作”轉變。

4.3.2雷達資料大量同化于數(shù)值預報模式

目前，部分雷達資料已同化到一些業(yè)務數(shù)值預報模式中，比如歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的全球業(yè)務模式和美國的快速更新循環(huán)同化預報系統(tǒng)（RUC）。未來隨著雷達資料同化技術的逐步成熟和星載雷達等可用雷達探測信息的大幅增多，雷達資料同化進入業(yè)務模式的比重將明顯增加。

5 建議

1）天氣雷達是探測各類災害性天氣最為有效的技術裝備之一，全省應高度重視天氣雷達建設，積極爭取國家在我省的雷達布點建設。各地、各級應積極爭取和支持當?shù)氐睦走_建設及其配套設施的資金投入。福建是我國應用天氣雷達最早和最好的省份，通過不懈努力，福建應繼續(xù)保持應用天氣雷達新技術最好、發(fā)揮效益最好的省份。

2）雖然福建省現(xiàn)在已初步建立了新一代天氣雷達網(wǎng)，但存在覆蓋度、精度不足和資料“污染”等問題，同時在應用方面面臨新的挑戰(zhàn)。未來10年間，福建天氣雷達與雷達氣象發(fā)展重點是應用雙極化、相位編碼和相控陣掃描等成熟工程技術，改進新一代天氣雷達系統(tǒng)。增設雙偏振雷達或C波段雷達等近程雷達，彌補新一代天氣雷達網(wǎng)存在的不足。新增天氣雷達建設時，應注意各雷達間技術體制與性能的互補性，充分考量區(qū)域探測重點與雷達架設位置（機動區(qū)域）關系，雷達工作頻率、帶寬和功率的分配，使福建天氣雷達監(jiān)測網(wǎng)更加細密、精準、可靠。

3）資料可靠性是天氣雷達應用的基礎，因此雷達資料控制研究是天氣雷達應用的前提；雷達數(shù)據(jù)同化是雷達資料應用的關鍵技術；天氣雷達監(jiān)測預警與高分辨率數(shù)值預報相結合是業(yè)務預報特別是短時臨近預報發(fā)展的方向。在天氣雷達學科發(fā)展過程中，要特別注重上述領域的科研、技術引進和業(yè)務應用，同時注重高性能計算能力建設。

4）發(fā)展多用途雷達是未來天氣雷達發(fā)展的長遠目標。鑒于福建省臺風、暴雨、冰雹、雨雪、凍雨等各類天氣俱全，同時，國土警戒雷達和航空管理雷達密集，開展天氣雷達綜合觀測和多用途雷達試驗具有優(yōu)勢條件，建議建立國家級雷達綜合觀測試驗區(qū)，為國家和福建天氣雷達試驗發(fā)揮優(yōu)勢，先行先試，做出貢獻。

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課題組成員：

魏應植、鄧志、羅昌榮、蘇衛(wèi)東、李麟、吳陳鋒、馮晉勤、林炳干、林仲平、吳太旺、林長城、李棟、潘寧、蘇萬康、陳秋萍。