■ 許小峰

1 走進NEXRAD

天氣雷達技術(shù)是在第二次世界大戰(zhàn)中伴隨軍事雷達技術(shù)發(fā)展起來的。1940年，英國人通過雷達監(jiān)視飛機時發(fā)現(xiàn)信號會被天氣回波干擾，引發(fā)了對云雨信號影響的研究。在“二戰(zhàn)”中這一成果開始得到應(yīng)用，對監(jiān)測飛機航線上發(fā)生的雷暴等危險天氣發(fā)揮了作用。1944年4月，世界上首個“天氣雷達網(wǎng)”誕生，美國在巴拿馬面向大西洋的兩個港口安裝了天氣監(jiān)測雷達。二戰(zhàn)后，天氣雷達技術(shù)伴隨實際氣象服務(wù)需求而得到快速發(fā)展，最初發(fā)展的天氣雷達大多是通過對軍用雷達改造而成的。1946年，美國氣象局（Weather Bureau）從海軍獲得了25部AN/AP2F型S波段軍用雷達，并將這些雷達改裝用于氣象監(jiān)測，包括有WSR-1s、-1As、-3s和-4s等型號，是后期發(fā)展的WSR系列天氣雷達的前身。隨后又發(fā)展了WSR-57、WSR-74C、WSR-74S等，還有其他一些不同功能和型號的雷達，如AN/APQ-13、AN/CPS-9、AN/FPS-103等，一直發(fā)展到目前在業(yè)務(wù)上使用的WSR-88D雷達。

對強天氣系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警是促進天氣雷達技術(shù)進步和業(yè)務(wù)發(fā)展的重要因素。20世紀50年代，美國航空業(yè)進入到快速發(fā)展階段，大型樞紐機場和噴氣機開始運營和投入使用。但由天氣原因引發(fā)的空難事故也隨之增多，引起了各方關(guān)注。如1959年，馬里蘭州上空一架子爵號客機的油箱被閃電擊中，伴隨爆炸和火災(zāi)導(dǎo)致了致命的墜機，31人在事故中喪生。接連發(fā)生的這類與惡劣天氣相關(guān)的災(zāi)難性事件引起氣象和相關(guān)部門的關(guān)注，于1961年啟動了國家強風(fēng)暴計劃（NSSP），開始了有針對性的研究，總部設(shè)在密蘇里州堪薩斯城，并于1962年在俄克拉何馬州的諾曼建立了一個野外觀測站，也稱為天氣雷達實驗室，安裝了一臺用于研究的天氣監(jiān)測雷達（WSR-57）。WSR-57是當時USWB業(yè)務(wù)上用的常規(guī)雷達，于1957年完成設(shè)計，1958年在業(yè)務(wù)中開始應(yīng)用，當時布設(shè)了31部，很長時間內(nèi)一直是氣象局業(yè)務(wù)中當家的旗艦雷達，直到20世紀90年代NEXRAD部署后，最后一部WSR-57才于1996年12月在南卡羅來納州退役。

1963年，整個NSSP轉(zhuǎn)移到了諾曼，在那里重組后組建為國家強風(fēng)暴實驗室（NSSL）。時任USWB局長羅伯特·懷特提出要在NSSL開發(fā)更先進的雷達處理和顯示系統(tǒng)，以滿足強天氣監(jiān)測預(yù)警的業(yè)務(wù)需求，提出的主要目標是發(fā)展可以測風(fēng)的多普勒天氣雷達

另一個與天氣雷達發(fā)展密切相關(guān)的事件是對龍卷的探測。1958年6月，美國氣象局的技術(shù)人員在堪薩斯州的埃爾多拉多市通過雷達發(fā)射的連續(xù)波探測到了龍卷風(fēng)，當時使用的是從美國海軍獲得3 cm波長的多普勒雷達，在康奈爾航空實驗室進行了改造（圖1），這一成功探測顯然激發(fā)了人們對多普勒天氣雷達技術(shù)的強烈興趣，為連續(xù)監(jiān)測強天氣系統(tǒng)的風(fēng)場變化找到了途徑，促進了后來的多普勒天氣雷達發(fā)展。

NSSL成立后，便致力于多普勒天氣雷達的研發(fā)工作，到1964年，通過改造海軍的雷達，制造了第一臺3 cm脈沖多普勒雷達，被用于降水物理學(xué)、風(fēng)暴內(nèi)流場和晴空回波變化等相關(guān)問題的研究，直到1970年退役。

圖1 20世紀50年代末USWB使用的連續(xù)波3 cm多普勒雷達，設(shè)計了并排的發(fā)射和接收天線

NSSL的專家在使用3 cm多普勒雷達進行研究時，已發(fā)現(xiàn)了其固有弱點，如波長短很難穿透強風(fēng)暴、單部多普勒雷達難以獲取風(fēng)暴中完整風(fēng)場。但由于當時美國氣象局很難給與足夠的經(jīng)費支持，改進設(shè)想難以實現(xiàn)，如安裝三部雷達從不同角度觀測天氣系統(tǒng)的方案就一直被擱置。直到20世紀60年代后期，才與康奈爾大學(xué)合作首次開展了雙多普勒雷達探測實驗。同時，為了降低信號衰減，提升多普勒雷達電磁波穿透強風(fēng)暴的能力，發(fā)展10 cm雷達的計劃在經(jīng)歷了一些曲折后終于在1967年得以實施。與引入3 cm雷達的方式類似，在多方協(xié)調(diào)下，從美國空軍遠程預(yù)警雷達網(wǎng)項目中獲得了一部10 cm雷達（FPS-18）。1969年初，俄克拉何馬大學(xué)的校園內(nèi)，聳立起了10 cm多普勒雷達，后期由NSSL的專家負責改造升級（圖2）。

圖2 1969年NSSL的10 cm脈沖多普勒天氣雷達天線和開放式塔架，發(fā)射機位于旁邊的機房（右），左邊為WSR-57天氣雷達

1971年春季，改造后的雷達開始正式投入探測使用，成為當時世界上少有的幾部10 cm波長的多普勒雷達，在隨后的幾年中，多次捕捉到了強風(fēng)暴和龍卷風(fēng)天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。如1973年5月24日發(fā)生在俄克拉何馬州的聯(lián)合城的一次龍卷風(fēng)，追風(fēng)小組實地跟蹤拍攝了龍卷風(fēng)形成后的照片（圖3），與多普勒雷達連續(xù)探測到的信息進行了對比檢驗，給出了龍卷風(fēng)發(fā)生過程中的時空特征和螺旋結(jié)構(gòu)演變的完整過程。渦旋在高空形成25 min后開始下降，龍卷云接地后風(fēng)速達到最強，然后逐漸減弱消失。由于多普勒雷達在對識別強天氣中的渦旋結(jié)構(gòu)特別有效，使得龍卷風(fēng)在母體云系中形成后較容易被捕捉到，從而顯著提高了預(yù)警時效。

實踐結(jié)果完全打消了人們對投入這一先進設(shè)備所能獲取回報的所有疑慮，為天氣雷達的進一步發(fā)展掃除了障礙。1974年，NSSL又獲得了第二部10 cm多普勒天氣雷達，同樣是由FPS-18型雷達改造而成，開始了雙多普勒雷達運行，共同探測追蹤強天氣系統(tǒng)。

為了進一步掌握準確信息及獲得更廣泛支持，在全國大范圍布局建設(shè)10 cm多普勒雷達，全面提升對強天氣的監(jiān)測預(yù)警能力，美國國家天氣局（NWS，原USWB）、美國空軍天氣服務(wù)局（AWS）和聯(lián)邦航空局（FAA）決定共同實施一個聯(lián)合多普勒業(yè)務(wù)試驗計劃（JDOP），并于1977—1978年春季的龍卷風(fēng)多發(fā)期在俄克拉何馬的諾曼運行，使用的是NSSL的10 cm多普勒雷達。結(jié)果表明，對于發(fā)布的強風(fēng)暴和龍卷風(fēng)警報，準確率明顯提高，且誤報減少，警報的提前量從2 min提高到21 min。

基于JDOP的成功，多普勒天氣雷達發(fā)展項目獲得商務(wù)部、國防部、交通部的一致認可，NWS、AWS和FAA在華盛頓建立了聯(lián)合系統(tǒng)項目辦公室，負責監(jiān)管如何采購新一代雷達（NEXRAD），計劃在全國范圍建設(shè)多普勒天氣雷達網(wǎng)（圖4）。

新雷達系統(tǒng)的一個重要的特點是實現(xiàn)了完全自動化運行，不再需要人為操作硬件，雷達自動產(chǎn)生連續(xù)的三維探測數(shù)據(jù)，交由處理軟件生成各類應(yīng)用產(chǎn)品，業(yè)務(wù)人員只需要在主用戶處理器（PUP）的計算機顯示終端上就可以操作顯示各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)潛在的影響天氣系統(tǒng)。顯然，這一包括多種復(fù)雜算法的軟件處理系統(tǒng)充分體現(xiàn)了新一代雷達優(yōu)勢，也成為NEXRAD最終能在業(yè)務(wù)中成功應(yīng)用的關(guān)鍵。PUP的另一個特點是可以脫離雷達硬件單獨運行，即一部雷達可以配備多個PUP終端，從而滿足在一個區(qū)域多個用戶共享雷達產(chǎn)品的需求。美國布設(shè)了161部WSR-88D雷達，但配備的PUP終端超過了400個。

1990年，安裝在諾曼的第一部WSR-88D新一代10 cm多普勒天氣雷達開始運行，1996年完成了全部160余部的全國布網(wǎng)，成為當時全球最大的現(xiàn)代天氣雷達網(wǎng)，也被認為是美國20世紀90年代氣象業(yè)務(wù)建設(shè)效益最好的項目。

在美國發(fā)展NEXRAD網(wǎng)建設(shè)進程中，中國也于1994年制訂了新一代天氣雷達發(fā)展規(guī)劃，借鑒美國發(fā)展經(jīng)驗，提出在全國布設(shè)126部新一代雷達的方案。在實際操作上，確定引進美國最新的WSR-88D技術(shù)，在中國合資生產(chǎn)新一代天氣雷達，并鼓勵國內(nèi)廠商參與合作和按同樣規(guī)格自主生產(chǎn)，設(shè)定了不同型號，統(tǒng)稱為CINRAD。當時盡管有了規(guī)劃，也解決了技術(shù)引進和轉(zhuǎn)化問題，并開始組織生產(chǎn)，但整體進展并不順利，由于缺乏資金而使建設(shè)停滯不前。到1997年，僅有一部從美國原裝進口的WSR-88D型雷達坐落于上海浦東，成為國內(nèi)第一部業(yè)務(wù)運行的新一代雷達。1998年發(fā)生在長江和松花江、嫩江流域的特大洪水，改變了雷達布網(wǎng)建設(shè)的命運，面對現(xiàn)實發(fā)生的應(yīng)對重大氣象災(zāi)害的迫切需求，雷達建設(shè)資金被納入國債項目，消除了建設(shè)新一代天氣雷達網(wǎng)的最后屏障。1999年9月，在我國生產(chǎn)的第一部CINRAD-SA型新一代天氣雷達在安徽省合肥市落成，象征著我國新一代天氣雷達網(wǎng)建設(shè)全面啟動（圖5）。

中國的新一代天氣雷達建設(shè)持續(xù)至今，布網(wǎng)雷達已達210多部，遠超過了最初的規(guī)劃，與美國共同構(gòu)成了全球最大的兩個新一代天氣雷達網(wǎng)。

2 升級NEXRAD

美國NEXRAD業(yè)務(wù)化布網(wǎng)后，已運行了20多年，對雷達的改造和升級一直沒有停止。從探測能力上看，現(xiàn)在的雷達與20年前相比，已有了很大變化，有些可以說是質(zhì)的飛躍。

2.1 雙極化改造

常規(guī)天氣雷達可以測量大氣中云雨粒子的距離和強度，多普勒天氣雷達增加了對粒子徑向速度和譜寬的測量，具備了對天氣系統(tǒng)動力場結(jié)構(gòu)的識別能力，而要獲取粒子特性或降水類型的信息，則需要對雷達進一步升級改造，增加雙極化功能。

雙極化技術(shù)通過天氣雷達同時發(fā)射水平和垂直極化的電磁波，通過接收極化回波，測量雷達的反射率因子、差分反射率、差分相位、共偏相關(guān)系數(shù)和退極化比，估算降水粒子的形狀、大小、滴譜和指向角的分布情況，從而對云雨結(jié)構(gòu)、類型和降水過程特征可以有更為完整的認識和識別。對在天氣雷達上使用雙極化技術(shù)的關(guān)注始于20世紀60年代，70年代做了較廣泛的研究，進入到研究實驗階段。80年代，一些技術(shù)開始在實際探測中取得效果，如美國大氣研究中心（NCAR）1983年在CP-2雷達上應(yīng)用了雙極化技術(shù)，成功地通過差分反射率探測到了冰雹的結(jié)構(gòu)特征，研究結(jié)果發(fā)表在知名雜志《科學(xué)》上。同一時期，NSSL也在開始了雙極化技術(shù)研究。進入到90年代，雙極化技術(shù)逐步進入到科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用階段。

科學(xué)研究與實驗的成功促進了對實際業(yè)務(wù)運行中的雷達進行技術(shù)改造，由于在NEXRAD發(fā)展過程中，雙極化技術(shù)的研究和實驗一直在同時跟進，當161部WSR-88D布設(shè)剛完成后不久，NWS、DOD和FAA就已確定要對全網(wǎng)雷達進行雙極化改造。首部雙極化多普勒天氣雷達的原型機于1997年在NSSL的研究雷達上實現(xiàn)，NSSL的技術(shù)人員按業(yè)務(wù)要求進行了開發(fā)和實驗，提出了技術(shù)標準，交由企業(yè)進行改造設(shè)計。

2005年，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的雷達運行中心（R O C）將雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RDA）升級為開放系統(tǒng)（ORDA），由于此項改造影響到了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括反射率、速度、譜寬等，會進一步會影響到數(shù)據(jù)產(chǎn)品，成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此成立了專門評估小組，要確保任何因信號改變生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不會影響到雷達產(chǎn)品生成（RPG）環(huán)節(jié)的質(zhì)量。ROC從各單位調(diào)集人員，工作進行得非常艱苦，小組成員由最初的十幾個人，發(fā)展到80多人，每周都要開會對各類數(shù)據(jù)進行分析，持續(xù)了近5年時間。數(shù)據(jù)質(zhì)量問題僅是雷達升級改造中的一個重要環(huán)節(jié)，還有許多其他難點需要克服，也經(jīng)歷了艱辛的過程。

2011年9月，全網(wǎng)雷達雙極化改造正式啟動，2013年完成，實現(xiàn)了NEXRAD網(wǎng)建成后一次技術(shù)最為復(fù)雜、規(guī)模也最大的技術(shù)升級改造。

2.2 分辨率提升

N E X R A D 網(wǎng)建成后，基數(shù)據(jù)中反射率為1 km×1°極向網(wǎng)格分辨率，徑向速度和譜寬的分辨率為250 m×1°。對一般天氣系統(tǒng)而言，這樣的分辨率可以捕捉到，但對于尺度在幾十千米以下的強天氣系統(tǒng)，就顯得不夠了。如對于強烈發(fā)展的中尺度氣旋或龍卷的探測，若能將分辨率提升到250 m×0.5°，可以對其結(jié)構(gòu)有較為清晰的識別，通過模擬信息與WSR-88D的常規(guī)資料對比可以印證這一改進的效果。為了滿足提高分辨率的需求，幾乎在進行雙極化試驗的同時，NWS又安排NSSL對預(yù)期的分辨率改進提高進行量化評估，并提出方案。

提升雷達的探測分辨率，需要通過改變雷達發(fā)射方式，在更精細的網(wǎng)格上獲取頻譜信息，這樣做會犧牲一些雷達的探測距離，在實際業(yè)務(wù)化設(shè)計時要進行平衡取舍。沿徑向方向，通過調(diào)整發(fā)射器脈沖寬度，發(fā)射短脈沖（1.57 μs），并結(jié)合接收器濾波器響應(yīng)的調(diào)整可達到將分辨率從1 km提高到250 m的效果。同時，在方位角方向的分辨率高低則取決于本征天線波束分布，需要通過壓縮有效天線波束寬度來提高雷達分辨率，這對數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。經(jīng)過改進，可以將雷達數(shù)據(jù)的方位分辨率從1°提高到0.5°。通過在硬件和軟件技術(shù)對徑向到方位兩個方向上的改進，達到了將分辨率提升到250 m×0.5°的目標。分辨率的提高會涉及到數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品生成等進一步的問題，每一步都要細致分析，相互協(xié)調(diào)，并經(jīng)過嚴格檢驗和評估，最終達到提供業(yè)務(wù)使用的要求。

經(jīng)過技術(shù)實現(xiàn)和業(yè)務(wù)檢驗后，NWS從2006年開始對NEXRAD網(wǎng)進行了高分辨率升級，2008年全部完成，雖然從工作量和復(fù)雜程度上不及雙極化技術(shù)改造，但從對強天氣系統(tǒng)的識別角度確實取得了很好的提升效果，是一次成功的改進。

2.3 掃描模式改進

WSR-88D有多種體掃模式（VCP），每一種模式對應(yīng)著不同的掃描方式，包括一次體掃時間、掃描角度和次數(shù)，如較常用的降雨模式VCP-21，規(guī)定在6 min內(nèi)完成一次對應(yīng)9個仰角的體掃。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在捕捉一些快速變化的強天氣系統(tǒng)時，如快速多變的結(jié)構(gòu)風(fēng)場，當一個體掃完成后，已發(fā)生很大改變，不利于保持信息的連續(xù)性。

2012年，NWS針對強天氣體掃模式VCP-12和VCP-212的掃描方式進行了改進試驗，增加了體掃間低仰角補充掃描方案，即當出現(xiàn)劇烈變化的強天氣時，新的體掃模式會自動在最低仰角（0.5°）增加掃描次數(shù)，從而獲取更多在這一層天氣變化的連續(xù)信息。2016年春季，該模式得以在業(yè)務(wù)上得到應(yīng)用，提高了對強天氣（如龍卷）變化過程信息的捕捉。

根據(jù)雷達技術(shù)的不斷變化和美國對NEXRAD網(wǎng)的改造提升，中國也在持續(xù)跟進。到目前為止，已有50余部多普勒天氣雷達進行了雙極化升級，起步較早的廣東省從2016年開始進行區(qū)域性改造，全省12部多普勒雷達先后都已增加了雙極化功能，可以更清晰地獲取降水系統(tǒng)內(nèi)部的精細化分類信息。高分辨率模式改進雖然起步時間不長，但取得了顯著進展。從杭州天氣雷達的改進試驗結(jié)果看，僅從分辨率提高的角度，已超越了美國當前的模式，徑向分辨率的提升可以實現(xiàn)250、125和62.5 m三個檔次，還發(fā)展了回波識別智能探測模式，自動根據(jù)天氣系統(tǒng)變化進行判識，調(diào)整探測模式，達到平衡兼顧的目的，體掃的時間也可由6 min提高到4 min左右，這一結(jié)果對中小尺度強天氣的監(jiān)測顯然將發(fā)揮重要作用。從圖6的對比可以看出分辨率提高后，精細化觀測效果顯著提升。

3 后NEXRAD時代

3.1 分布式協(xié)同自適應(yīng)探測（DCAS）網(wǎng)絡(luò)雷達系統(tǒng)

已運行了20多年的NEXRAD網(wǎng)，一些固有的弱點仍難以克服。如WSR-88D雷達掃描半徑可以達到230 km以上，但由于受地球曲率影響，在這樣的距離上的探測信息基本覆蓋不到1 km以下的空間，且由于波束寬度的擴展，探測分辨率也會降低，這會影響到對中小尺度強對流天氣的探測質(zhì)量。探測遠距離天氣系統(tǒng)時，還難免會受到地形等障礙物的遮擋，也會妨礙探測效果。作為多普勒雷達網(wǎng)，如何獲取到大氣完整風(fēng)場信息，而不僅限于徑向速度，也是需要考慮解決的重要問題。2003年，在美國國家科學(xué)基金會（NSF）組織下，成立了大氣協(xié)同自適應(yīng)遙感（CASA）工程研究中心（ERC），四所大學(xué)（科羅拉多州立大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)、俄克拉何馬大學(xué)和波多黎各大學(xué)馬亞古茲分校）和工業(yè)界及政府實驗室組成的這個聯(lián)合體，提出了小雷達組網(wǎng)探測技術(shù)，與NEXRAD網(wǎng)互補，可以彌補遠距離探測覆蓋不足問題。首期試驗項目于2006年1月開始，在俄克拉何馬州東南部布設(shè)了4個低功耗、3 cm多普勒雙極化雷達（圖7），可以提供時間分辨率為60 s和空間分辨率為100 m的高分辨率數(shù)據(jù)。從實際試驗結(jié)果看，確實達到了低空加密探測、提高分辨率、時效增強、獲取部分三維風(fēng)場等功能?；诖?，有人提出在全美布設(shè)數(shù)千個小雷達，與NEXRAD網(wǎng)形成互補的方案。

類似的工作在中國也有開展，如2013年，中國科學(xué)院大氣物理研究所與相關(guān)單位合作在南京及周邊地區(qū)籌建了網(wǎng)絡(luò)化雷達。也由四部X波段雷達組成，有效探測距離為60 km，布設(shè)在南京及其周邊地區(qū)，也取得了很好的效果，可以成為CINRAD網(wǎng)的有益補充。

圖6 2020年9月17日杭州雷達探測到的天氣系統(tǒng)1 km（a）和62.5 m（b）分辨率對比

圖7 俄克拉何馬州東南部布設(shè)的四部組網(wǎng)小雷達

從實際進展看，網(wǎng)絡(luò)雷達經(jīng)過了15年以上的試驗和改進，取得了不少科研和應(yīng)用成果，但并沒有在業(yè)務(wù)上全面展開。這或許與其自身存在某些弱項有關(guān)，如在三維風(fēng)場的獲取方面，還只能在一些關(guān)鍵區(qū)發(fā)揮作用，這與傳統(tǒng)雷達掃描方式有關(guān)，較難獲取完整、準確的三維協(xié)同風(fēng)場信息。另一方面，隨著相控陣技術(shù)的逐步開始應(yīng)用，使天氣雷達的探測掃描方式出現(xiàn)了新的變化，由于可以在一個方位角上快速獲取多個仰角方向的信息，顯著提升了探測時效，各類相應(yīng)的探索與試驗相繼展開，給未來的選擇增添了變數(shù)。

3.2 相控陣天氣雷達

相控陣雷達的研發(fā)在美國起步較早，包括未來有可能替代NEXRAD的S波段相控陣雷達，及可以替代網(wǎng)絡(luò)雷達X波段相控陣雷達。NSSL和俄克拉何馬大學(xué)高性能雷達研究中心（OU-ARRC）目前已研發(fā)了一部多功能柱形極化相控陣天氣雷達（CPPAR），于2018年7月安裝在距諾曼KOUN雷達不遠處，在不斷進行測試和改進，試驗的目標定位在檢驗相控陣雷達對于強天氣監(jiān)測的實際效果；對相控陣雷達增加雙極化功能后信號檢驗評估；相控陣雷達是否可以作為未來WSR-88D雷達的替代方案選擇。

目前，美國、日本等國在X波段相控陣雷達技術(shù)發(fā)展上給與了更多關(guān)注，如2015年開始，日本在大阪建立了相控陣雷達示范網(wǎng)絡(luò)，首次采用兩部相控陣天氣雷達（PAWR）組網(wǎng)實時運行，雷達分別安裝在日大阪大學(xué)和日本神戶的國家信息與通信技術(shù)研究所。PAWR體掃周期小于30 s，探測范圍為約60 km，天線沿方位角機械旋轉(zhuǎn)，垂直方向采用0～90°全仰角高密度電子掃描。

從相控陣天氣雷達的研發(fā)與試驗的進展看，中國目前的進度與國際先進水平已較接近，提出了一些先進的設(shè)計理念，有了可供科研和業(yè)務(wù)試驗的不同種類產(chǎn)品，中科院大氣所、中國氣象科學(xué)研究院、中國氣象局大氣探測中心、成都信息工程大學(xué)等單位和相關(guān)企業(yè)都先后開展了產(chǎn)品研發(fā)與試驗，區(qū)域性的業(yè)務(wù)化布局也在展開。發(fā)展比較快的是廣東和長江流域一些省份，如廣東大灣區(qū)已經(jīng)建起了一個由10余部X波段雙極化相控陣雷達組成的探測網(wǎng)絡(luò)，通過高時空分辨率探測、實時RHI掃描等特性獲取小尺度以及部分中尺度天氣系統(tǒng)的精細結(jié)構(gòu)及生消演變過程，從而精確地描述對流系統(tǒng)的短時演變，提高對中小尺度強對流天氣系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警能力。從區(qū)域組網(wǎng)對中小尺度精細化監(jiān)測能力看，已走在了國際前列（圖8）。

圖8 廣東大灣區(qū)X波段雙極化相控陣雷達精細化探測網(wǎng)

廣東佛山也建設(shè)了由7部X波段相控陣雷達組成的陣列網(wǎng)絡(luò)精細化監(jiān)測系統(tǒng)，采用相控陣多波束掃描技術(shù)，通過4個發(fā)射波束和64個接收波束覆蓋0～90°仰角，方位角通過機械掃描覆蓋360°，一個體掃時間約為12 s，其對風(fēng)場的精準快速同步定位對于捕捉中小尺度強對流天氣中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)具有獨特優(yōu)勢。湖南、上海、河北等地也引入了這一技術(shù)開展了組網(wǎng)試驗，取得了很好的效果。

4 結(jié)語

1）天氣雷達是強天氣監(jiān)測預(yù)警的重要手段，在未來的氣象監(jiān)測業(yè)務(wù)中發(fā)展中仍將處于難以取代的地位，需要在發(fā)展布局中優(yōu)先考慮。

2）在發(fā)展過程中要注意數(shù)據(jù)應(yīng)用、技術(shù)改進和提升工作，在充分發(fā)揮雷達建設(shè)直接效益的同時，要針對雷達探測的特點和弱點，通過不斷投入改進，保持其生命力和先進性。

3）要注意業(yè)務(wù)升級前的準備工作，包括對升級效益、數(shù)據(jù)質(zhì)量、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、應(yīng)用培訓(xùn)、性價比等的綜合考慮。

4）相控陣多普勒雙極化天氣雷達或許是未來的發(fā)展方向，要予以關(guān)注，特別是對于已經(jīng)開始試驗和業(yè)務(wù)布局的單位，要注意總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)問題，為后人的跟進創(chuàng)造條件。

5）大小雷達網(wǎng)的結(jié)合互補已經(jīng)歷了10多年的探索，如何使這種互補效益達到最大化是最終能否推動業(yè)務(wù)實現(xiàn)的根本，需要在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)上著力，如三維風(fēng)場獲取問題。

深入閱讀

Bringi V N, Seliga T A, Aydin K. 1984. Hail detection with a differential reflectivity radar. Science, 225(4667): 1145-1147.

Brown R A, Lewis J M. 2005. Path to NEXRAD: Doppler radar development at the National Severe Storms Laboratory. Bulletin of the American Meteorological Society, 86(10): 1459-1470.

Brown R A, Wood V T, Sirmans D. 2002. Improved tornado detection using simulated and actual WSR-88D data with enhanced resolution. J Atmos Oceanic Technol, 19: 1759-1771.

Hiroshi K, Tomoo U, Fumihiko M, et al. 2018. Improving the accuracy of rain rate estimates using X-band phased-array weather radar network. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,56: 6986-6994.

Sachidananda M , Zrnic' D S. 1985. ZDR measurement considerations for a fast scan capability radar. Radio Science, 20(4): 907-922.

Whiton R C, Smith P L, Bigler S G, et al. 1998. History of operational use of weather radar by U.S. weather services. Part I: The pre-NEXRAD era. Weather and Forecasting, 13(2): 219-243.

Whiton R C, Smith P L, Bigler S G, et al. 1998. History of operational use of weather radar by U.S. weather services. Part ii:Development of operational doppler weather radars. Weather &Forecasting, 13(2): 244-252.

程元慧, 傅佩玲, 胡東明, 等, 2020. 廣州相控陣天氣雷達組網(wǎng)方案設(shè)計及其觀測試驗. 氣象, 46(6): 823-836.

李思騰, 陳洪濱, 馬舒慶, 等, 2016. 網(wǎng)絡(luò)化天氣雷達協(xié)同自適應(yīng)觀測技術(shù)的實現(xiàn). 氣象科技, 44(4): 517-527.

馬舒慶, 陳洪濱, 王國榮, 等, 2019. 陣列天氣雷達設(shè)計與初步實現(xiàn).應(yīng)用氣象學(xué)報, 30(1): 1-12.