胡偉萍，陳麗明

寧德市三沙氣象臺(tái)，福建寧德 355100

2012年3月，寧德新一代天氣雷達(dá)項(xiàng)目在霞浦縣三沙鎮(zhèn)開(kāi)始動(dòng)工建設(shè)，建設(shè)完畢后，新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了閩東雷達(dá)探測(cè)盲區(qū)的不足，增強(qiáng)了對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)警能力，提升了對(duì)臺(tái)灣海峽及鄰近區(qū)域的氣象服務(wù)水平，進(jìn)一步滿足了地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海峽兩岸同胞對(duì)氣象服務(wù)的新要求。

寧德新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)是完善海西氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的一部分，以雷達(dá)系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)為契機(jī)，有效推動(dòng)了寧德氣象現(xiàn)代化建設(shè)，提高了天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)率，增強(qiáng)了本地防災(zāi)減災(zāi)能力、應(yīng)對(duì)氣候變化的能力、氣候資源開(kāi)發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)了氣象事業(yè)的跨越式發(fā)展，為寧德社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)做出了突出貢獻(xiàn)。新一代天氣雷達(dá)項(xiàng)目配備了S波段新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/SA)系統(tǒng)設(shè)備和配套基礎(chǔ)設(shè)施等，雷達(dá)信息處理中心建設(shè)在蕉城區(qū)漳灣鎮(zhèn)湯灣村和尚山。

1 新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)概述

1.1 新一代天氣雷達(dá)的組成

相較于傳統(tǒng)設(shè)備，新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度更高，包含無(wú)線電探空儀使用系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，能夠自動(dòng)完成氣象數(shù)據(jù)采集、加工、分配傳輸和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)主要有雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品最終形成、用戶終端三大部分。

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是雷達(dá)硬件的實(shí)體部分。該系統(tǒng)主要由隨動(dòng)系統(tǒng)、定時(shí)器與信號(hào)源、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理器、雷達(dá)監(jiān)控等部分組成。而且新一代天氣雷達(dá)搭載RDASC，主要由計(jì)算機(jī)顯示終端和接口裝置構(gòu)成，該系統(tǒng)可以更加便捷地操控雷達(dá)裝置的運(yùn)行，收集指定氣象數(shù)據(jù)，檢測(cè)監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)是否維持在正常范圍內(nèi)，可自動(dòng)啟動(dòng)糾正誤差和自動(dòng)標(biāo)定等程序。RDA系統(tǒng)能夠在沒(méi)有人工操作的條件下自行完成工作，而且工作質(zhì)量高、錯(cuò)誤率低，便于維護(hù)，在氣象領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)與中央處理器和標(biāo)準(zhǔn)通信子系統(tǒng)之間的接口等可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與選擇，最終形成對(duì)應(yīng)的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品。

1.2 新一代天氣雷達(dá)的工作原理

雷達(dá)是根據(jù)電磁波動(dòng)傳播的特性標(biāo)定被觀測(cè)物相對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的空間位置和分布特征的無(wú)線電設(shè)備。當(dāng)雷暴云、霧等目標(biāo)觀測(cè)物入射方向的散射和晴天大氣衍射的電磁波被天線收集后，再進(jìn)行信號(hào)提取和數(shù)據(jù)整理后，明確輸出強(qiáng)度、徑向速度、速度離散程度等參數(shù)，最終在終端設(shè)備上生成氣象產(chǎn)品，產(chǎn)品經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送給有需要的用戶，以此完成對(duì)天氣狀況的整體判別程序。計(jì)算機(jī)終端設(shè)備可以利用控制分級(jí)和控制天線、伺服系統(tǒng)得到雷達(dá)在某一仰角上掃描一周所得出的數(shù)據(jù)和雷達(dá)沿某方位角垂直掃描得到的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)天線的平面位置顯示、距離高度顯示和體積掃描，通常天氣雷達(dá)能夠在300 s內(nèi)完成掃描，具備高時(shí)空分辨率，能夠有效地為臨近短期預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1.3 基于GIS的雷達(dá)產(chǎn)品顯示

雷達(dá)收集到的原始數(shù)據(jù)不能作為最終成果直接提供給用戶，需要專業(yè)人士利用Super-MapGIS專門處理引擎對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，最終形成地理信息系統(tǒng)能明確識(shí)別的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，而且可將數(shù)據(jù)內(nèi)容存入指定路徑，以便后續(xù)GIS實(shí)現(xiàn)便捷訪問(wèn)[1]。

觀測(cè)人員在WinForm程序中加入地理信息系統(tǒng)中的MAP窗口，裝載本地地圖，編寫特定代碼，以便快速訪問(wèn)加工后的雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，然后在WinForm程序中顯示。合理地設(shè)置雷達(dá)圖層的透明度，這樣就能在本地地圖中清楚顯示各行政區(qū)域。利用TreeView空間沿特定搜索路線，逐個(gè)對(duì)樹狀圖中每一節(jié)點(diǎn)做1次訪問(wèn)，最終形成雷達(dá)產(chǎn)品目錄樹。打開(kāi)菜單頁(yè)面或點(diǎn)擊按鈕即可自動(dòng)翻頁(yè)和播放雷達(dá)資料，這種方法便于氣象服務(wù)工作人員從整體上判斷天氣系統(tǒng)的演變趨勢(shì)、強(qiáng)弱變化和移動(dòng)路徑。

2 新一代天氣雷達(dá)的觀測(cè)模式

臨近天氣預(yù)報(bào)的時(shí)間段一般是0～3 h，當(dāng)災(zāi)害性天氣來(lái)臨時(shí)，預(yù)測(cè)時(shí)間更為緊迫，需要在60 min之內(nèi)。較高精度的臨近天氣預(yù)報(bào)需要借助技術(shù)先進(jìn)的雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)，提供全方位的數(shù)據(jù)資料，其他資料的時(shí)效性和分辨性相較而言質(zhì)量不高，僅可作為輔助參考使用。

目前，寧德市新一代天氣雷達(dá)中的CINRAD/SA速度和譜寬分辨率為250 m，反射率因子的分辨率為1 km。雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)采用的是WSR-88D雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料格式，采用的體掃模式為VCP11/VCP21，能夠快速掃描具體的仰角，仰角范圍為0.5°～19.5°。第一個(gè)仰角可測(cè)定反射率因子，表征降水目標(biāo)物回波強(qiáng)度，最遠(yuǎn)探測(cè)距離為460 km[2]。第二個(gè)仰角是測(cè)定速度的，最遠(yuǎn)探測(cè)距離為140 km，通過(guò)模糊處理可達(dá)到230 km。第一個(gè)和第二個(gè)仰角都可掃2圈。VCP11共 有11個(gè)仰角，轉(zhuǎn)16圈的時(shí)長(zhǎng)約為5 min，VCP21則有9個(gè)仰角，轉(zhuǎn)11圈時(shí)長(zhǎng)約為6 min。VCP21相較于VCP11掃圈數(shù)少，但總用時(shí)長(zhǎng)卻比VCP11長(zhǎng)，這是因?yàn)閂CP21積分次數(shù)比VCP11多，數(shù)據(jù)質(zhì)量也明顯優(yōu)于VCP11。

晴空模式采用VCP31和VCP32，這2個(gè)都有5個(gè)相異仰角。VCP31轉(zhuǎn)7圈，最低2個(gè)仰角共掃4圈，VCP32轉(zhuǎn)8圈，最低3個(gè)仰角共掃6圈，整體用時(shí)約為10 min。天氣雷達(dá)觀測(cè)方法主要針對(duì)整個(gè)天氣系統(tǒng)發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行整體觀測(cè)，以便為臨近天氣預(yù)報(bào)提供天氣系統(tǒng)的移動(dòng)方向、速度和落區(qū)等，盡量做到定時(shí)、定點(diǎn)、定量預(yù)報(bào)。

3 新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用

新一代天氣雷達(dá)所發(fā)出的脈沖形式電磁波遇到雨滴、冰雹等降水物質(zhì)后，部分能量被降水物質(zhì)所截留并且向各個(gè)方向散射，散射的能量會(huì)回到雷達(dá)天線，被雷達(dá)所接收[3]。根據(jù)雷達(dá)的接收系統(tǒng)分析，會(huì)得出降水強(qiáng)弱、有無(wú)冰雹、龍卷和大風(fēng)等。

3.1 短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)服務(wù)

2022年6月中旬寧德市出現(xiàn)1次強(qiáng)降水過(guò)程，48 h累積降水量達(dá)到了80～150 mm，局部超過(guò)了200 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)50 mm。6月12日，受到低壓槽前孟加拉灣暖濕氣流的影響，冷性低渦向東移動(dòng)，副熱帶地區(qū)的高壓系統(tǒng)北進(jìn)且表現(xiàn)為東西帶狀。寧德市氣象臺(tái)于2022年06月13日08:20發(fā)布暴雨警報(bào)和暴雨預(yù)警Ⅱ級(jí)，全市范圍內(nèi)迎來(lái)強(qiáng)降水天氣。6月12日500 hPa歐亞大陸中高緯度地區(qū)為“兩槽一脊”形勢(shì)，在東西伯利亞南部出現(xiàn)了冷性低渦，華南地區(qū)出現(xiàn)低壓槽，副高繼續(xù)北進(jìn)且?guī)钕蛭餮由?，出現(xiàn)了副高偏北、徑向發(fā)展穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)。6月13日8:00 850 hPa上，寧德市上空出現(xiàn)了西南急流帶。地面顯示：自內(nèi)蒙古至云貴兩省之間出現(xiàn)了低壓帶，西南渦尚未建立，海上高壓增強(qiáng)且移動(dòng)速度放緩，此次強(qiáng)降水高低空系統(tǒng)配合持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

雷達(dá)回波顯示：具有中尺度特征的回波是導(dǎo)致較短時(shí)間內(nèi)集中降水和次生災(zāi)害出現(xiàn)的首要因素。要取得準(zhǔn)確的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)，必須跟蹤好中尺度回波。從雷達(dá)回波分析來(lái)看，此次強(qiáng)降水6月12日晚的基本反射率表示寧德市已經(jīng)有部分區(qū)域開(kāi)始降水，次日上午降水仍在持續(xù)且范圍不斷擴(kuò)大，其中，古田縣區(qū)域反射率最強(qiáng)，達(dá)到48 dBz左右。分析相對(duì)徑向速度角可知，最大速度為22～23 m/s，0速度帶呈“S”形，大氣風(fēng)向隨高度升高呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這表明有暖平流。旋轉(zhuǎn)曲率較大表示高空出現(xiàn)了較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，低層充沛的水汽獲得了向上抬升的推動(dòng)力，使得整個(gè)降水過(guò)程得以持續(xù)。

分析雷達(dá)回波頂高可知，寧德市在此次降水過(guò)程中受到回波影響。回波的高度基本在7～9 km之間，頂高最大值為9.2 km，這說(shuō)明降水系統(tǒng)云層深厚且穩(wěn)定。在寧德市氣象局于2022年6月13日10:50發(fā)布黃色暴雨預(yù)警后，氣象部門根據(jù)收集到的雷達(dá)回波演變和數(shù)據(jù)資料，預(yù)測(cè)降雨形勢(shì)，后續(xù)將黃色預(yù)警信號(hào)提升至橙色預(yù)警信號(hào)。氣象部門在發(fā)布預(yù)警信號(hào)的同時(shí)，以各種通信方式將氣象預(yù)報(bào)信息及時(shí)傳遞給下屬氣象局和有關(guān)政府部門，為防止洪澇和泥石流等災(zāi)害出現(xiàn)提供氣象決策依據(jù)。在此次降水預(yù)報(bào)服務(wù)過(guò)程中，氣象部門組織工作人員快速反應(yīng)、準(zhǔn)備充分，除了導(dǎo)致少數(shù)地區(qū)內(nèi)澇，并沒(méi)有出現(xiàn)重大災(zāi)情和人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

3.2 雷雨大風(fēng)預(yù)報(bào)服務(wù)

寧德市氣象局在2023年3月22日14:21發(fā)布雷電黃色預(yù)警信號(hào)，在之后的6 h內(nèi)，蕉城區(qū)西部和南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雷電活動(dòng)，局地伴有短時(shí)強(qiáng)降水，7～9級(jí)短時(shí)大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。3月23日11:21寧德市氣象臺(tái)將預(yù)警信號(hào)變更為橙色預(yù)警信號(hào)，在之后的2 h內(nèi)，短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)，出現(xiàn)了10～11級(jí)雷雨大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。

雷達(dá)回波顯示，寧德市在3月22日上午突發(fā)強(qiáng)對(duì)流回波，至翌日上午回波最大強(qiáng)度始終在46 dBz以上，最大強(qiáng)度達(dá)58 dBz，最高回波頂高14.5 km，回波移動(dòng)方向?yàn)闁|南西北方向，不斷影響寧德市部分區(qū)域。至23日下午才有所減弱，氣象工作人員在觀測(cè)到強(qiáng)回波后，在22日下午及時(shí)制作并發(fā)布了雷電黃色預(yù)警信號(hào)，并且根據(jù)回波發(fā)展形勢(shì)，在23日將預(yù)警等級(jí)提升為橙色預(yù)警。

3.3 低溫預(yù)警服務(wù)

2021年2月9日寧德市氣象臺(tái)連發(fā)霜凍黃色預(yù)警、大風(fēng)黃色預(yù)警、道路結(jié)冰黃色預(yù)警3個(gè)氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)，出現(xiàn)了入冬后影響范圍最廣、強(qiáng)度最大的雨雪過(guò)程。此次雨雪是受到一股來(lái)自北方的強(qiáng)冷空氣影響所致。自2月8日起，寧德市沿海的風(fēng)力已開(kāi)始增強(qiáng)，東北風(fēng)達(dá)7～8級(jí)，陣風(fēng)達(dá)9～10級(jí)，氣溫不斷下降，8日夜間沿海最低溫度已降至1～3 ℃，山區(qū)部分區(qū)縣最低至-3 ℃。2月9—10日，氣溫繼續(xù)下降，2月10日山區(qū)出現(xiàn)-5 ℃左右的極端最低氣溫，沿海極端最低氣溫降至0 ℃。伴隨氣溫下降，降雪影響范圍不斷擴(kuò)大。2月8日部分區(qū)縣出現(xiàn)降雪。2月9—10日寧德市大部分區(qū)縣出現(xiàn)降雪，高海拔山區(qū)有中到大雪，沿海出現(xiàn)小雪或雨夾雪。

2021年2月8日500 hPa高空歐亞大陸中緯度呈現(xiàn)“兩槽一脊”型，新疆北部的橫槽東移至甘肅中部，寧德地區(qū)被橫槽槽前西南氣流所控制。巴爾喀什湖至新疆地區(qū)的高壓脊慢慢東移，短波槽受到強(qiáng)冷空氣的影響快速增強(qiáng)，且影響寧德市，配合低層冷渦和倒槽，寧德市大范圍出現(xiàn)降溫和降雪天氣。

2月8日屏南縣最低氣溫已經(jīng)降至0 ℃以下且出現(xiàn)了結(jié)冰現(xiàn)象，周寧縣西部溫度降至-3 ℃以下，2月9日，寧德多個(gè)氣象站記錄了間歇性小雪的出現(xiàn)。從雷達(dá)回波來(lái)看，此次降雪過(guò)程自2月9日開(kāi)始，9日10:00雷達(dá)回波表明寧德市山區(qū)由江水回波而且在不斷增強(qiáng)12:00左右，組合反射率最高為18 dBz，翌日10:00左右，回波在全市上空維持，強(qiáng)度達(dá)到29 dBz。

寧德市氣象部門發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)后，垂直風(fēng)廓線圖更加明顯，低層風(fēng)速保持在較低值，但隨著高度增加，風(fēng)的強(qiáng)度也在變大，在7.1 km左右的高空，最大風(fēng)速達(dá)到25.9 m/s。在暖濕西南氣流的影響下，大氣中的水汽含量較高，回波繼續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，而且由西南東北向移動(dòng)，9日晚20:00風(fēng)廓線顯示低層風(fēng)向出現(xiàn)變化，變化自西南向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至東北向，高空西南風(fēng)在5.6 km左右的風(fēng)速為22 m/s。回波十分穩(wěn)定，降雪范圍不斷擴(kuò)大，且強(qiáng)度逐漸變大，總體仍持續(xù)，至10日下午降雪范圍逐漸縮小，且強(qiáng)度變小。寧德市新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)所提供的垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品能夠清楚地顯示寧德市上空的氣流性質(zhì)和氣流氣團(tuán)的變化過(guò)程，以及降水期間的切變層變化。

3.4 人工降雨

利用新一代天氣雷達(dá)，根據(jù)寧德市區(qū)域地形地貌分布、所布置的自動(dòng)站雨量分析收集等信息，可建立起高效的人影作業(yè)預(yù)警指揮和效果分析系統(tǒng)，為寧德市選擇合適的人影作業(yè)時(shí)機(jī)和地點(diǎn)，而且所建立的操作平臺(tái)便于操控。寧德市氣象局近年來(lái)通過(guò)飛機(jī)開(kāi)展人工降雨外場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)，持續(xù)性探測(cè)作業(yè)前后新一代天氣雷達(dá)和地理信息系統(tǒng)各種仰角回波的強(qiáng)弱，之后對(duì)比相鄰的非作業(yè)催化區(qū)，分析人影作業(yè)使用催化劑對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生的影響，進(jìn)而探尋新途徑，增強(qiáng)飛機(jī)人影作業(yè)效果。

2022年7月開(kāi)始，寧德市氣象干旱持續(xù)發(fā)展，全市除古田、壽寧部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)為重旱外，其余地區(qū)氣象干旱等級(jí)均為特旱。為緩解旱情，寧德市氣象部門研判天氣形勢(shì)，提前謀劃，及時(shí)啟動(dòng)人工影響天氣應(yīng)急響應(yīng)。氣象雷達(dá)圖顯示，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間少雨天氣后，11月1日前后臺(tái)風(fēng)“尼格”外圍云系和冷空氣共同影響寧德市。氣象部門抓住此次機(jī)遇，在全市范圍內(nèi)不分晝夜，全天候開(kāi)展人工增雨作業(yè)，地面火箭彈與地面煙爐綜合立體作業(yè)。截至3日20:00，共開(kāi)展人工增雨作業(yè)84次，發(fā)射火箭彈76枚，燃燒煙條168根，全市普降大雨，局部暴雨。最大為柘榮乍洋70.3 mm，城區(qū)最大為周寧55.7 mm，全市累計(jì)增加降水量體積為8 574 m3。此次人工增雨作業(yè)成效明顯，對(duì)改善空氣質(zhì)量、降低森林火險(xiǎn)等級(jí)、增加水庫(kù)蓄水起到了積極的作用。根據(jù)MCI氣象干旱綜合指數(shù)監(jiān)測(cè)，全市除福安、壽寧為輕旱，蕉城的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)為重旱外，其余地區(qū)氣象干旱等級(jí)均為中旱，旱情有所緩解。

4 雷達(dá)分析過(guò)程中需要注意的問(wèn)題

目前，新一代雷達(dá)產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品數(shù)據(jù)一般集中為表現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的強(qiáng)度、速度和譜寬圖，即基本產(chǎn)品。若需要其他非基礎(chǔ)數(shù)據(jù)則不能使用現(xiàn)有雷達(dá)產(chǎn)品作為定論依據(jù)，而僅能作為參考用，最終產(chǎn)品結(jié)果需要綜合其他氣象觀測(cè)資料得出。根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，要重點(diǎn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢砗x，避免產(chǎn)生歧義，尤其是不能混淆形態(tài)學(xué)上的特征。當(dāng)有兩位工作人員對(duì)回波類型無(wú)法做出一致判斷時(shí)，最好不要確定該回波特征。例如：當(dāng)出現(xiàn)上升氣流時(shí)，才能斷定有鉤狀回波。一些回波特征和天氣系統(tǒng)的表現(xiàn)并非一對(duì)一的關(guān)系，如帶狀回波可能由鋒面、颮線、切變線等天氣系統(tǒng)引起，必須嚴(yán)格按照定義確定回波類型。

5 結(jié)束語(yǔ)

新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用，氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)能力得到增強(qiáng)，要重點(diǎn)關(guān)注雷暴、大風(fēng)、冰雹等惡劣天氣，開(kāi)展深度研究合作，提高氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，要繼續(xù)優(yōu)化新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)模式，建立強(qiáng)對(duì)流天氣協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步開(kāi)展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化標(biāo)定標(biāo)校技術(shù)，完善數(shù)據(jù)質(zhì)控算法并開(kāi)展分析評(píng)估。