汪章維 楊安良 丁華君 陳昊 王晗

(浙江省氣象局，浙江 杭州 30018)

0 引 言

隨著本世紀即將進入第20個年頭，我國已規(guī)劃建設完成了200余部新一代天氣雷達，建成了技術先進、全球規(guī)模最大的新一代天氣雷達監(jiān)測網(wǎng)，其中代表性的雷達是WSR-98D天氣雷達，該雷達屬于S波段，較X、C波段雷達雨衰小，探測范圍較大，優(yōu)勢明顯，適合建設在我國中東部地區(qū)，在短時臨近天氣監(jiān)測預報領域、強天氣監(jiān)測和預警、防災減災、公共服務等方面中發(fā)揮了重要的作用。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，需要深入地對雷達近幾年技術進步和成果應用情況進行總結和研究，了解氣象雷達未來的發(fā)展趨勢和應用需求，將目前業(yè)務上存在的一些技術難題和雷達新技術結合起來。挖掘雷達資料在實際預報中應用價值，發(fā)揮雷達在短臨、強對流天氣預報中的優(yōu)勢，目前新體制雷達發(fā)展較快，特別是相控陣氣象雷達，已經(jīng)成為熱點，在艦船上使用較多，利用軍用相控陣雷達，開辟一個氣象通道。但離實際應用還有一段距離，從全國已建成的新一代天氣雷達現(xiàn)狀看，雙偏振技術在S波段天氣雷達上得到大范圍應用，在現(xiàn)有雙偏振氣象雷達提高應用研究水平和功能拓展是現(xiàn)階段較理想的選擇。

1 氣象雷達發(fā)展歷程

二戰(zhàn)以后，雷達技術逐漸應用在氣象上，從20世紀50年代開始的非相干體制雷達，到80年代末脈沖多普勒體制，早期電子管器件到90年代末超大集成電路芯片出現(xiàn)，接收機從模擬中頻進入數(shù)字中頻，雷達核心部件也隨著科技的發(fā)展，更新非?？欤l(fā)射機技術體制從磁控管、速調管發(fā)展到現(xiàn)在采用全固態(tài)、相控陣技術，所有這些創(chuàng)新源于新的電子器件的出現(xiàn)，雷達設備越來越小型化，而且穩(wěn)定性提高，新功能增多。圖1是各個時期代表性氣象雷達型號發(fā)展歷程，并在各個時代發(fā)揮的效益也不同，每次雷達的更新迭代，雷達創(chuàng)造的功能價值遠高于其本身的價格。圖1中可以看出，目前正是雙偏振雷達應用發(fā)展期。

圖1 天氣雷達發(fā)展歷程

早期我國主要使用713、714等型號雷達，這個時期的雷達特點是非相干的，采用磁控管發(fā)射機，接收機、信號處理器電路復雜，雷達主要功能是探測回波強度，沒有豐富的產品。到80年代末，脈沖多普勒半相干體制技術開始逐步應用在氣象雷達上，雷達氣象產品也逐漸豐富起來。到了90年代中期，我國開始引進美國WSR88D天氣雷達技術，1998年在安徽合肥建成我國第一部新一代多普勒天氣雷達，命名為CINRAD/98D，其核心算法、工作模式均源自WSR88D雷達，該雷達的主要特點如下。

1.1雷達采用多普勒脈沖全相干體制。全相干較以前半相干是有巨大進步的，這好比以前非全相干雷達發(fā)射的信號“節(jié)拍”不是固定的，全相干雷達發(fā)射的信號節(jié)拍是固定的，節(jié)拍固定之后就能知道雷達最初發(fā)射的信號和回波信號固定的相位關系，相位關系包括了電磁波在空中傳輸過程中對相位的影響、降水粒子移動對電磁波相位的影響，最后實際接收到回波相位與理論計算的相位差就包涵了降水粒子移動速度的信息，根據(jù)這種信息可以得到相應高度的徑向風速。通過相位變化關系也可以判斷固定目標和非固定目標回波，實現(xiàn)在移動的降水回波中濾除固定地雜波，提高回波質量。

1.2自動實時標校功能。實時標校功能實現(xiàn)了雷達在不停機狀態(tài)下就能完成自身“體檢”，傳統(tǒng)標校是用儀表對雷達各個系統(tǒng)分步檢測和測試，不能實時掌握雷達性能狀態(tài)的變化，通過WSR88D雷達的實時標校功能，雷達就可以根據(jù)系統(tǒng)硬件性能的變化，實時調整系統(tǒng)補償參數(shù)，保證雷達在性能指標改變的情況下，回波強度測量不出現(xiàn)變化，確保不同雷達的回波一致性、準確性。如果雷達性能變差，可及時提醒用戶對雷達進行維護、維修。

1.3雷達具備自動完成立體掃描模式，簡稱“體掃”?！绑w掃”過程中雷達天線作螺旋式上升，1個體掃周期既有平掃又有垂掃，能在最短時間內兼顧全方位平掃和垂掃，可實現(xiàn)程序化自動操作。不足的是“體掃”周期必須固定，受雷達電機轉速、數(shù)據(jù)處理速度等因素影響，短時間內無法完成一定數(shù)量的“層掃”，目前多數(shù)是6 min一個體掃周期。

2 氣象雷達發(fā)展方向

WSR-98D雷達已投入業(yè)務使用20多年，在臨近預報中發(fā)揮了一定作用。但在定量降水預報、小尺度預報、模式應用等方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在降水粒子形態(tài)、空間分辨率、掃描速度等方面受到制約。針對這些問題，就產生相應的雷達技術解決方案。

2.1 雙偏振雷達

雙偏振雷達在近幾年開始廣泛投入使用。雙偏振是利用電磁波的極化特性獲取反射回來電磁波在水平、垂直兩個方向的電場強度，如圖2所示。雙偏振雷達最大的優(yōu)點是能夠計算出粒子的相態(tài)，雷達方程是以球形降水粒子為條件，實際粒子并不總是球形，如雪花、下降的雨滴、冰雹等，通過雙偏振數(shù)據(jù)能更好地識別降水粒子形狀、尺寸、類型等，有助于更準確地估算降水量。

圖2 雙極化雷達電磁波

2.2 相控陣雷達

相控陣雷達顧名思義采用相位控制陣列天線雷達，天線一般是陣列結構，由一個個小收發(fā)單元組成，工作電壓較低，每個收發(fā)單元相位可電子化控制，實現(xiàn)波束合成，方向可控，實現(xiàn)電掃描，擯棄了傳統(tǒng)雷達靠天線機械掃描實現(xiàn)空間監(jiān)測。相控陣最大優(yōu)勢是掃描快，一次發(fā)射可合成多個方向的波束，根據(jù)設定好的角度發(fā)射電磁波，完成一個空域掃描只需1～2 min。目前相控陣雷達技術已逐漸成熟，但主要用在軍工領域，在氣象領域應用目前處于試驗階段，除了成本較高外，以下幾點技術還需要研究驗證。

首先相控陣雷達發(fā)射波束較寬，影響空間分辨率，需要對接收的信號進行處理，處理難度較大；其次如何實現(xiàn)相控陣的天線收發(fā)通道的自動實時定標，傳統(tǒng)雷達利用雷達方程定標反射率，相控陣雷達收發(fā)單元是分散的、獨立的，如何優(yōu)化和整合這些單元定量定標是技術難點；最后相控陣雷達具有固態(tài)發(fā)射機天氣雷達所有的缺點，比如近距離補盲、發(fā)射頻譜較寬等。

2.3 組網(wǎng)協(xié)同觀測

隨著大城市人口密度、建設規(guī)模的增加，短時極端天氣災害極易導致城市內澇，對交通出行、生命財產安全構成一定威脅，為了更準確捕捉這種復雜天氣過程，僅靠單部天氣雷達是不夠的，主要受到角度、速度、時空分辨率等因素影響。為了能夠全方位、立體、高時效、精細化觀測回波，可以利用多部X波段雷達組網(wǎng)對小、低空補盲，實現(xiàn)超大城市組網(wǎng)協(xié)同觀測，雷達組網(wǎng)協(xié)同觀測具有以下優(yōu)點。

更低空的監(jiān)測；更高的時空分別率；更靈活的掃描策略；更豐富的氣象產品。

圖3 雷達組網(wǎng)圖

以上3種雷達技術方案目前均已在推廣實驗階段，正逐步成熟。未來氣象雷達不管采用什么新技術體制，核心是要解決數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合，提供氣象雷達探測關鍵解決方案，能根據(jù)不同天氣自動調整掃描策略和軟件算法的“智能”天氣雷達。

3 現(xiàn)有雷達技術性能提升

我國現(xiàn)有S波段雷達大部分已升級或正在升級成雙偏振，在觀測粒子相態(tài)和定量降水估算上有了一定的進步，但離精細化預報要求還有差距，除了要具備雙偏振功能外，還必須進一步提高雷達探測的空間、距離分辨率，目前新一代天氣雷達的時空分辨率可以做到1°×250 m，見圖4左圖。目前我們需要在現(xiàn)有的雷達技術體制基礎上，不增加大的投資和硬件設備改動，不斷挖掘雷達“潛力”，待新體制雷達成熟后再更新?lián)Q代，美國的88D天氣雷達正是采用這種策略，通過不斷升級，提升雷達使用價值，延長使用壽命?，F(xiàn)階段我國天氣雷達可采用一種新的技術手段，實現(xiàn)現(xiàn)有雷達技術性能提升，通過發(fā)射寬度更窄、頻率更高的脈沖和更加密集波束，可將雷達的時空分辨率提高到0.5°×62.5 m，見圖4右圖，體掃時間由6 min提高到4 min，最大不模糊速度由27 m/s提高到34 m/s，由于發(fā)射的脈沖密集了，最大不模糊距離就短了，這種以“犧牲探測距離提高探測精度”技術，可實現(xiàn)精細化探測，獲取更高風場強度信息，提升對小尺度氣旋的探測能力。雷達探測模式可以采用智能控制，在特定的天氣情況下，實現(xiàn)精細探測和常規(guī)探測模式的自動切換，不影響正常天氣觀測和數(shù)據(jù)格式。

圖4 提高雷達發(fā)射波束頻次

4 結 語

我國氣象雷達發(fā)展到今天，雷達網(wǎng)絡布局整體已較完善，現(xiàn)階段主要任務是提升雷達應用水平，拓展現(xiàn)有天氣雷達功能，緊跟發(fā)達國家天氣雷達應用的步伐。隨著相控陣天氣雷達逐漸成熟，在此基礎上會出現(xiàn)新的探測理念，雷達信號處理和控制軟件向多元化發(fā)展，一部雷達可以同時運行多家公司的軟件系統(tǒng)，工作模式可根據(jù)需要自動切換，雷達平臺將是個開放系統(tǒng)，相當于一部手機安裝多個“APP軟件”。將來天氣雷達一定是個智能化、高速化、信息化的平臺，融合其它設備的探測資料，發(fā)揮雷達拼圖優(yōu)勢，可在小尺度天氣預報上發(fā)揮優(yōu)勢。