張能 殷文濤

摘要 相較于原有的常規(guī)數(shù)字化雷達(dá)，新一代天氣雷達(dá)具備一定的優(yōu)勢，其主要利用反射率因子、平均徑向速度和光譜寬度、垂直累積液態(tài)含水量（VIL）等產(chǎn)品預(yù)報(bào)、預(yù)警強(qiáng)對流天氣，為臨近天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)警提供了許多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料?；诖?，主要探究了新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行原理，并探討了新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的作用與應(yīng)用，以期不斷提升氣象雷達(dá)產(chǎn)品在天氣觀測預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的有效利用率，從而為氣象預(yù)報(bào)預(yù)警提供相應(yīng)的指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 新一代天氣雷達(dá)；雙偏振雷達(dá)；預(yù)警

中圖分類號：P415.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號：2095–3305（2023）04–0096-03

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)由于全球氣候變化，氣象災(zāi)害頻發(fā)，我國不斷加大對氣象事業(yè)的投入力度，氣象觀測技術(shù)設(shè)備不斷更新，我國氣象事業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步，氣象服務(wù)能力不斷提高，氣象防災(zāi)減災(zāi)的能力也在不斷提升。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的建設(shè)是我國一項(xiàng)跨世紀(jì)的氣象現(xiàn)代化工程，其具有靈敏度高和全相參性能特點(diǎn)，可以為臨近天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)警提供許多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料，在短期天氣預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮著重要作用，對氣象防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

1 新一代天氣雷達(dá)發(fā)展與原理介紹

1.1 國內(nèi)外研究進(jìn)展與歷史

天氣雷達(dá)作為天氣探測和預(yù)報(bào)的重要設(shè)備，是監(jiān)測和預(yù)警強(qiáng)對流天氣的重要工具之一。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)所采用的是多普勒天氣雷達(dá)，相比以往常規(guī)數(shù)字化的天氣雷達(dá)，在很大程度上提高了天氣觀測預(yù)測上的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警工作中具有重大意義，是氣象服務(wù)中不可或缺的裝備。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)分為新一代S頻段和C頻段兩種多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)。其中，根據(jù)建設(shè)布局原則，云南省西雙版納州勐臘縣勐臘鎮(zhèn)龍林村壩卡梁子所布設(shè)的為C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)[1～2]。

20世紀(jì)70年代，2位美國科學(xué)家初次設(shè)想用水平垂直兩個(gè)方向進(jìn)行偏振波雷達(dá)信號接收和發(fā)射，為此還研究并總結(jié)了許多數(shù)據(jù)，之后在英國某實(shí)驗(yàn)室開啟正式的研發(fā)，最初的設(shè)想概念經(jīng)過長久的研究后，雙偏振雷達(dá)技術(shù)成功有了眉目，并在此基礎(chǔ)上，其他國家也開始完善功能和提升性能的研究。20世紀(jì)80年代，我國引進(jìn)雙偏振雷達(dá)技術(shù)，相比于其他一些發(fā)達(dá)國家，開始研究的時(shí)間略晚。自此，我國不斷致力于雙偏振雷達(dá)技術(shù)的研究，并取得了重大成效。2004年，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司成功改造出C波段雙偏振雷達(dá)。目前，我國依舊不斷積極探索，以期進(jìn)一步提高雙偏振雷達(dá)技術(shù)水平[3]。

1.2 原理

大氣中的多種粒子元素會(huì)對雷達(dá)電磁波產(chǎn)生震蕩的影響，所以大氣中的粒子元素在與電磁波接觸后會(huì)進(jìn)行不同程度的散射。天氣雷達(dá)在提早設(shè)定好的多個(gè)時(shí)間段進(jìn)行電磁波的發(fā)射，而后再次接收與粒子元素接觸后二次散射的信號，從而獲得有效的天氣信息[4]。

對于只能發(fā)射1種偏振波的普通天氣雷達(dá)而言，雙偏振多普勒天氣雷達(dá)更先進(jìn)，能夠發(fā)射水平和垂直方向的2種偏振波。通過2種偏振波，不僅能獲得常規(guī)天氣信息，還可以通過比較2個(gè)方向的同波差異來獲得氣象粒子的偏振量信息，從多個(gè)方向更詳細(xì)地分析天氣現(xiàn)象。

多普勒氣象雷達(dá)有2種不同的工作方式，包括交替發(fā)射方式和同時(shí)發(fā)射方式，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。雷達(dá)由1個(gè)發(fā)射器接收器或發(fā)射器和2個(gè)接收器組成。水平和垂直極化波的傳輸由相同固定時(shí)間間隔的發(fā)射機(jī)輪流發(fā)送，雷達(dá)信號由接收機(jī)接收。這種單發(fā)雙收的雙偏振多普勒雷達(dá)優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，從普通的天氣雷達(dá)改造而來的過程更為容易，且只有1個(gè)發(fā)射器，造價(jià)也比較低。但存在的缺點(diǎn)是，2種不同的偏振波從同一發(fā)生器交替發(fā)射，需要很高的脈沖發(fā)射頻率，同時(shí)由于2種偏振波不是同時(shí)發(fā)射，所以其相關(guān)性較差，工作人員通過分析2種不同偏振波的偏差所獲取的天氣信息質(zhì)量也較低[5]。而雙發(fā)雙收是指雷達(dá)有2個(gè)發(fā)射器和2個(gè)接收器，在工作過程中，由2個(gè)發(fā)射器同時(shí)發(fā)射水平和垂直2個(gè)不同方向的偏振波，并由2個(gè)接收器同時(shí)接收2種后向散射數(shù)據(jù)。這種雙發(fā)雙收的雙偏振多普勒雷達(dá)的優(yōu)勢在于由于2種偏振波是同時(shí)發(fā)射的，所以接收器所獲得的數(shù)據(jù)信息的相關(guān)性較強(qiáng)，工作人員利用數(shù)據(jù)信息所獲得的天氣信息的質(zhì)量較高，但這種天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，2個(gè)發(fā)射機(jī)的造價(jià)也較高。

2 新一代氣象雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)品

2.1 反射率因子產(chǎn)品

降水回波的變化狀況、降水回波的強(qiáng)度、降雨的變化趨勢等都可以通過反射率因子產(chǎn)品直接獲知，通過應(yīng)用反射率因子產(chǎn)品，還可以清楚地了解到觀測區(qū)域上方的云朵形態(tài)、云朵種類、云朵的詳細(xì)厚度。所以反射率因子才會(huì)在天氣觀測的技術(shù)中得以頻繁的使用且廣泛的研究，將來也會(huì)繼續(xù)為強(qiáng)對流天氣等復(fù)雜性的天氣變化因素的研究提供更有價(jià)值的參考。

2.2 平均徑向速度產(chǎn)品

平均徑向速度產(chǎn)品的應(yīng)用功能主要是輔助雷達(dá)探測出大氣的結(jié)構(gòu)和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，平均徑向速度產(chǎn)品可以在一定的方位中進(jìn)行無死角的360°掃描，調(diào)整和分析天氣高空圖。平均徑向速度產(chǎn)品在地面觀測的應(yīng)用中也占據(jù)重要地位，而不具備此產(chǎn)品的雷達(dá)具有明顯的劣勢，平均徑向速度產(chǎn)品的應(yīng)用為大型災(zāi)害氣象天氣的預(yù)警預(yù)測做出了很大的貢獻(xiàn)。

2.3 譜寬數(shù)據(jù)

譜寬數(shù)據(jù)的功能是為觀測風(fēng)切變的速度樣本提供風(fēng)的變化速度數(shù)值，所以譜寬數(shù)據(jù)也可以被稱為速度譜寬數(shù)據(jù)，且由于譜寬數(shù)據(jù)主要測量的是風(fēng)速，因此可以為強(qiáng)對流天氣中的強(qiáng)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)測做出指導(dǎo)。

2.4 垂直累積液態(tài)含水量（VIL）

降水云體的數(shù)值可以直接使用垂直累積液態(tài)含水量來體現(xiàn)，其是一款圖像產(chǎn)品，使用后會(huì)在系統(tǒng)缺點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)測量出數(shù)值并在顯示器上體現(xiàn)總量分布，可以用垂直累積液態(tài)含水量技術(shù)防止冰雹的災(zāi)害，效果十分明顯。自從應(yīng)用垂直累積液態(tài)含水量的技術(shù)后，在冰雹觀測業(yè)務(wù)中，冰雹形成期間可以使用垂直的液態(tài)含水量來判別。參考雷達(dá)回波，并且根據(jù)雙因子點(diǎn)句圖來識(shí)別，能夠有效地根據(jù)回波特征判斷冰雹的產(chǎn)生狀況。近年來，我國的氣象觀測業(yè)務(wù)加入垂直累積液態(tài)含水量技術(shù)后，具有良好的防冰雹參考效果，也為今后的預(yù)警業(yè)務(wù)提供了十分有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

3 新一代天氣雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的作用

3.1 測量降水量

新一代天氣雷達(dá)可用于降水量的測量，可以利用水平反射率因子（Zh）反演降水量或是用差示傳播相位常數(shù)（Kdp）和差分反射率因子（Zdr）反演降水量的方式測量降水量[6]。在利用水平反射率因子進(jìn)行降水量的反演計(jì)算過程中，極易受到滴譜變化的影響，導(dǎo)致計(jì)算所得降水量發(fā)生一定程度的變化，即便得到的雷達(dá)數(shù)值較為準(zhǔn)確，計(jì)算所得的降水量數(shù)值仍會(huì)出現(xiàn)較大偏差，即在使用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)小雨的計(jì)算值相較實(shí)際更小，而大雨的反演所得數(shù)值相較實(shí)際數(shù)值更大的情況。

鑒于這種現(xiàn)象，科學(xué)家們又根據(jù)不同的滴譜分布進(jìn)一步推導(dǎo)出了利用Kdp和Zdr進(jìn)行降水量反演的計(jì)算方式，但在降水量較低（＜20 mm/h）時(shí)，利用Zdr反演降水量的方式容易受到雷達(dá)測量誤差的影響，不比利用水平反射率因子反演降水量的方式有優(yōu)勢，而利用差示傳播相位常數(shù)（Kdp）反演降水量的方式受粒子軸比變化的影響較大，當(dāng)降水量＞50 mm/h時(shí)，誤差較小。所以一般情況下，當(dāng)降水量≤20 mm/h時(shí)，一般利用水平反射率因子反演降水率；當(dāng)20 mm/h＜降水量＜70 mm/h時(shí)，一般用差分反射率因子反演降水量率；當(dāng)降水量≥70 mm/h時(shí)，應(yīng)用差示傳播相位常數(shù)反演降水率，以最限度地減少降水量計(jì)算的誤差[7]。

3.2 降水粒子類型識(shí)別

通過對2種不同的偏振波的數(shù)據(jù)信息和彼此存在的差異進(jìn)行綜合利用，可以區(qū)分降水粒子的類型。目前對降水粒子類型識(shí)別的算法主要包括3種，每種算法都有其不足之處。其中在使用統(tǒng)計(jì)算法進(jìn)行降水粒子的類型識(shí)別過程中需要構(gòu)建模型，但該過程需要大量的數(shù)據(jù)信息，所以在該方法的實(shí)施過程中存在一定的難度。基于規(guī)定的算法的關(guān)鍵點(diǎn)在于確定雙偏振參量的閾值和依靠布爾邏輯，其中基于規(guī)定的閾值算法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種算法，其優(yōu)勢在于便于實(shí)現(xiàn)，但在對水凝物進(jìn)行識(shí)別的過程中容易出現(xiàn)誤判情況。而模糊邏輯算法目前仍在研究中，在使用過程中，概率函數(shù)的建立十分關(guān)鍵，理論上而言這種算法具有其他算法無法比擬的優(yōu)勢，但是其有效性還有待驗(yàn)證。

3.3 臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)

短期天氣預(yù)報(bào)技術(shù)主要包括雷暴識(shí)別技術(shù)、跟蹤和預(yù)測外推技術(shù)、數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)。其中，識(shí)別、跟蹤和外推技術(shù)主要基于新一代氣象雷達(dá)探測數(shù)據(jù)，而交叉相關(guān)外推和回聲測深外推技術(shù)較為成熟。這應(yīng)該用于許多鄰近的商業(yè)預(yù)測系統(tǒng)。隨著精確數(shù)字和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多普勒雷達(dá)天氣數(shù)據(jù)和其他中小型觀測數(shù)據(jù)的降雨預(yù)報(bào)和對流天氣預(yù)報(bào)已成為短期和短期預(yù)報(bào)的熱點(diǎn)，預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展速度更快，但還沒有成熟。

4 新一代天氣雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用

4.1 在天氣預(yù)報(bào)中的作用

新一代天氣雷達(dá)使用最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段達(dá)到國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，能夠科學(xué)有效地監(jiān)測天氣情況，使得天氣氣象預(yù)測、監(jiān)控能力有了很大程度的提高。相較于傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)，新一代多普勒天氣雷達(dá)具有良好的多普勒測速能力，能夠獲取水云體內(nèi)的風(fēng)場信息，對天氣的探測更加靈敏，并且能夠自動(dòng)識(shí)別與跟蹤災(zāi)害性天氣，能夠全天候不間斷地監(jiān)測一定范圍內(nèi)的強(qiáng)對流天氣從發(fā)生到消亡的整個(gè)過程，也可以探測到很大范圍內(nèi)的降水情況，測風(fēng)的精度可以達(dá)到每秒鐘3 m。通過利用新一代天氣雷達(dá)，可以有效地提高天氣監(jiān)測的水平和能力，提高氣象服務(wù)的質(zhì)量，為大眾提供更準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)信息[8-9]。

4.2 在航空氣象預(yù)報(bào)中的作用

天氣因素對航空運(yùn)輸?shù)挠绊懕容^大，極大地影響了飛行任務(wù)的完成和飛行安全。近年來，隨著航天運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，航空飛行的安全逐漸成為大眾關(guān)注的熱點(diǎn)問題。與此同時(shí)，經(jīng)過長時(shí)間的研究，雷達(dá)技術(shù)的現(xiàn)代化水平不斷提高。在航空運(yùn)輸中，現(xiàn)代化多普勒天氣雷達(dá)在惡劣天氣的探測方面發(fā)揮著重要作用，與地面導(dǎo)航通訊設(shè)施遙相呼應(yīng)，通過分析風(fēng)、強(qiáng)對流天氣等天氣因素對飛行的影響，最大限度地保障航空飛行的安全，對航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

4.3 在災(zāi)害性天氣預(yù)警中的作用

新一代天氣雷達(dá)主要應(yīng)用于災(zāi)害性天氣，尤其是與降水、風(fēng)場相關(guān)的災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警。多普勒天氣雷達(dá)通過利用降水回波的頻率和發(fā)射頻率之間的變化信息可以計(jì)算得到降水粒子的徑向運(yùn)動(dòng)速度，繼而推算得到大氣湍流、風(fēng)速分布、垂直氣流速度、降水中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征，以實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測，在強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測與預(yù)警、三維風(fēng)場反演、雷達(dá)回波三維可視化、強(qiáng)對流潛勢預(yù)報(bào)等方面都有著出色的表現(xiàn)，能夠有效預(yù)測災(zāi)害性天氣，其相關(guān)觀測可以有效指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)，防止災(zāi)害的發(fā)生[10-11]。

4.4 在天氣數(shù)據(jù)處理中的作用

新一代天氣雷達(dá)探測能力強(qiáng)，脈沖功率高，天氣探測靈敏度高，可探測暴雨、暴雪、冰雹等災(zāi)害性天氣。在氣象數(shù)據(jù)處理方面，新一代雷達(dá)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能。具體來說，新一代天氣雷達(dá)可以同時(shí)綜合考慮多個(gè)方面，更好地識(shí)別和判斷天氣的基本系統(tǒng)。例如，在暴雨中，遇到強(qiáng)對流回波時(shí)，基速圖上就會(huì)出現(xiàn)很大的逆風(fēng)區(qū)，與強(qiáng)回波配合。同時(shí)，強(qiáng)回波中心附近區(qū)域會(huì)發(fā)出氣旋警報(bào)，這表示即將出現(xiàn)一場雷雨大風(fēng)，雨量較大。更重要的是，新一代天氣雷達(dá)可以根據(jù)回波特征，準(zhǔn)確判斷當(dāng)前觀測站在天氣系統(tǒng)中的位置，是鋒前、鋒中還是鋒后。這一系列分析成功后，將詳細(xì)分析天氣系統(tǒng)。例如，區(qū)域性暴雨往往呈現(xiàn)有組織的強(qiáng)回波帶。新一代天氣雷達(dá)可以根據(jù)逆風(fēng)區(qū)的大小和強(qiáng)度判斷降水的區(qū)域和演變趨勢。通過詳細(xì)分析天氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確判斷一個(gè)已有的天氣系統(tǒng)，從而提供實(shí)時(shí)信息，不斷提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和有效性，提升災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力。由此可見，新一代天氣雷達(dá)在天氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮著重要作用，能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、系統(tǒng)、完整地處理探測到的天氣數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

新一代天氣雷達(dá)的原理是利用電磁波在空氣傳播過程中遇到懸浮在大氣中的粒子時(shí)會(huì)發(fā)生各個(gè)方向上的散射，相較常規(guī)數(shù)字化雷達(dá)具有較為明顯的優(yōu)勢，同時(shí)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)由于能夠發(fā)射水平和垂直方向的2種偏振波，通過比較2種偏振波的差異能夠從多個(gè)方向更詳細(xì)地分析天氣現(xiàn)象，通過各數(shù)值信息能夠反演推算出降水率、降水粒子的相態(tài)、排列取向和尺度譜、風(fēng)場等信息，可以更為準(zhǔn)確地觀測短期天氣降水等情況，進(jìn)而大大提高氣象預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度。除此之外，還能實(shí)現(xiàn)對龍卷風(fēng)、冰雹、暴雨等災(zāi)害性天氣從開始到終止的全過程持續(xù)關(guān)注，為人工影響天氣作業(yè)提供指導(dǎo)，有效地開展氣象防災(zāi)減災(zāi)工作，降低災(zāi)害的發(fā)生頻率。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

AbstractCompared with the original conventional digital radar， the new generation weather radar has certain advantages. It mainly uses reflectivity factor， average radial velocity and spectral width， vertical accumulated liquid water content （VIL） and other products to forecast and early warning strong convective weather， providing many high-quality data for near weather forecast and disaster weather early warning. Based on this， this paper mainly explored the operation principle of the new generation weather radar， and discussed the role and application of the new generation weather radar products in weather forecast and early warning， with a view to continuously improving the effective utilization rate of the weather radar products in weather observation and forecast business， so as to provide corresponding guidance for the weather forecast and early warning.

Key words New generation weather radar; Dual polarization radar; Early warning

作者簡介 張能（1996—），男，云南尋甸人，助理工程師，主要從事大氣探測研究。