NEXRAD：走進“新一代”
——天氣雷達探測技術的起步與發展

■ 許小峰

1 走進NEXRAD

天氣雷達技術是在第二次世界大戰中伴隨軍事雷達技術發展起來的。1940年，英國人通過雷達監視飛機時發現信號會被天氣回波干擾，引發了對云雨信號影響的研究。在“二戰”中這一成果開始得到應用，對監測飛機航線上發生的雷暴等危險天氣發揮了作用。1944年4月，世界上首個“天氣雷達網”誕生，美國在巴拿馬面向大西洋的兩個港口安裝了天氣監測雷達。二戰后，天氣雷達技術伴隨實際氣象服務需求而得到快速發展，最初發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測，包括有WSR-1s、-1As、-3s和-4s等型號，是后期發展的WSR系列天氣雷達的前身。隨后又發展了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，一直發展到目前在業務上使用的WSR-88D雷達。

對強天氣系統的監測預警是促進天氣雷達技術進步和業務發展的重要因素。20世紀50年代，美國航空業進入到快速發展階段，大型樞紐機場和噴氣機開始運營和投入使用。但由天氣原因引發的空難事故也隨之增多，引起了各方關注。如1959年，馬里蘭州上空一架子爵號客機的油箱被閃電擊中，伴隨爆炸和火災導致了致命的墜機，31人在事故中喪生。接連發生的這類與惡劣天氣相關的災難性事件引起氣象和相關部門的關注，于1961年啟動了國家強風暴計劃（NSSP），開始了有針對性的研究，總部設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測雷達（WSR-57）。WSR-57是當時USWB業務上用的常規雷達，于1957年完成設計，1958年在業務中開始應用，當時布設了31部，很長時間內一直是氣象局業務中當家的旗艦雷達，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轉移到了諾曼，在那里重組后組建為國家強風暴實驗室（NSSL）。時任USWB局長羅伯特·懷特提出要在NSSL開發更先進的雷達處理和顯示系統，以滿足強天氣監測預警的業務需求，提出的主要目標是發展可以測風的多普勒天氣雷達

另一個與天氣雷達發展密切相關的事件是對龍卷的探測。1958年6月，美國氣象局的技術人員在堪薩斯州的埃爾多拉多市通過雷達發射的連續波探測到了龍卷風，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了人們對多普勒天氣雷達技術的強烈興趣，為連續監測強天氣系統的風場變化找到了途徑，促進了后來的多普勒天氣雷達發展。

NSSL成立后，便致力于多普勒天氣雷達的研發工作，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、風暴內流場和晴空回波變化等相關問題的研究，直到1970年退役。

圖1 20世紀50年代末USWB使用的連續波3 cm多普勒雷達，設計了并排的發射和接收天線

NSSL的專家在使用3 cm多普勒雷達進行研究時，已發現了其固有弱點，如波長短很難穿透強風暴、單部多普勒雷達難以獲取風暴中完整風場。但由于當時美國氣象局很難給與足夠的經費支持，改進設想難以實現，如安裝三部雷達從不同角度觀測天氣系統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暴的能力，發展10 cm雷達的計劃在經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，在多方協調下，從美國空軍遠程預警雷達網項目中獲得了一部10 cm雷達（FPS-18）。1969年初，俄克拉何馬大學的校園內，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，多次捕捉到了強風暴和龍卷風天氣系統的發生發展。如1973年5月24日發生在俄克拉何馬州的聯合城的一次龍卷風，追風小組實地跟蹤拍攝了龍卷風形成后的照片（圖3），與多普勒雷達連續探測到的信息進行了對比檢驗，給出了龍卷風發生過程中的時空特征和螺旋結構演變的完整過程。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構特別有效，使得龍卷風在母體云系中形成后較容易被捕捉到，從而顯著提高了預警時效。

實踐結果完全打消了人們對投入這一先進設備所能獲取回報的所有疑慮，為天氣雷達的進一步發展掃除了障礙。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。

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10 cm多普勒雷達，全面提升對強天氣的監測預警能力，美國國家天氣局（NWS，原USWB）、美國空軍天氣服務局（AWS）和聯邦航空局（FAA）決定共同實施一個聯合多普勒業務試驗計劃（JDOP），并于1977—1978年春季的龍卷風多發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。結果表明，對于發布的強風暴和龍卷風警報，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，多普勒天氣雷達發展項目獲得商務部、國防部、交通部的一致認可，NWS、AWS和FAA在華盛頓建立了聯合系統項目辦公室，負責監管如何采購新一代雷達（NEXRAD），計劃在全國范圍建設多普勒天氣雷達網（圖4）。

新雷達系統的一個重要的特點是實現了完全自動化運行，不再需要人為操作硬件，雷達自動產生連續的三維探測數據，交由處理軟件生成各類應用產品，業務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據產品，發現潛在的影響天氣系統。顯然，這一包括多種復雜算法的軟件處理系統充分體現了新一代雷達優勢，也成為NEXRAD最終能在業務中成功應用的關鍵。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，從而滿足在一個區域多個用戶共享雷達產品的需求。美國布設了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，成為當時全球最大的現代天氣雷達網，也被認為是美國20世紀90年代氣象業務建設效益最好的項目。

在美國發展NEXRAD網建設進程中，中國也于1994年制訂了新一代天氣雷達發展規劃，借鑒美國發展經驗，提出在全國布設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，在中國合資生產新一代天氣雷達，并鼓勵國內廠商參與合作和按同樣規格自主生產，設定了不同型號，統稱為CINRAD。當時盡管有了規劃，也解決了技術引進和轉化問題，并開始組織生產，但整體進展并不順利，由于缺乏資金而使建設停滯不前。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，成為國內第一部業務運行的新一代雷達。1998年發生在長江和松花江、嫩江流域的特大洪水，改變了雷達布網建設的命運，面對現實發生的應對重大氣象災害的迫切需求，雷達建設資金被納入國債項目，消除了建設新一代天氣雷達網的最后屏障。1999年9月，在我國生產的第一部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建設全面啟動（圖5）。

中國的新一代天氣雷達建設持續至今，布網雷達已達210多部，遠超過了最初的規劃，與美國共同構成了全球最大的兩個新一代天氣雷達網。

2 升級NEXRAD

美國NEXRAD業務化布網后，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，現在的雷達與20年前相比，已有了很大變化，有些可以說是質的飛躍。

2.1 雙極化改造

常規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，具備了對天氣系統動力場結構的識別能力，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。

雙極化技術通過天氣雷達同時發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、共偏相關系數和退極化比，估算降水粒子的形狀、大小、滴譜和指向角的分布情況，從而對云雨結構、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的關注始于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雷達上應用了雙極化技術，成功地通過差分反射率探測到了冰雹的結構特征，研究結果發表在知名雜志《科學》上。同一時期，NSSL也在開始了雙極化技術研究。進入到90年代，雙極化技術逐步進入到科研和業務應用階段。

科學研究與實驗的成功促進了對實際業務運行中的雷達進行技術改造，由于在NEXRAD發展過程中，雙極化技術的研究和實驗一直在同時跟進，當161部WSR-88D布設剛完成后不久，NWS、DOD和FAA就已確定要對全網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，NSSL的技術人員按業務要求進行了開發和實驗，提出了技術標準，交由企業進行改造設計。

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）將雷達數據采集系統（RDA）升級為開放系統（ORDA），由于此項改造影響到了基礎數據，包括反射率、速度、譜寬等，會進一步會影響到數據產品，成為關鍵環節。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數據不會影響到雷達產品生成（RPG）環節的質量。ROC從各單位調集人員，工作進行得非常艱苦，小組成員由最初的十幾個人，發展到80多人，每周都要開會對各類數據進行分析，持續了近5年時間。數據質量問題僅是雷達升級改造中的一個重要環節，還有許多其他難點需要克服，也經歷了艱辛的過程。

2011年9月，全網雷達雙極化改造正式啟動，2013年完成，實現了NEXRAD網建成后一次技術最為復雜、規模也最大的技術升級改造。

2.2 分辨率提升

N E X R A D 網建成后，基數據中反射率為1 km×1°極向網格分辨率，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，就顯得不夠了。如對于強烈發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°，可以對其結構有較為清晰的識別，通過模擬信息與WSR-88D的常規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射方式，在更精細的網格上獲取頻譜信息，這樣做會犧牲一些雷達的探測距離，在實際業務化設計時要進行平衡取舍。沿徑向方向，通過調整發射器脈沖寬度，發射短脈沖（1.57 μs），并結合接收器濾波器響應的調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，這對數據處理提出了更高的要求。經過改進，可以將雷達數據的方位分辨率從1°提高到0.5°。通過在硬件和軟件技術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據處理和產品生成等進一步的問題，每一步都要細致分析，相互協調，并經過嚴格檢驗和評估，最終達到提供業務使用的要求。

經過技術實現和業務檢驗后，NWS從2006年開始對NEXRAD網進行了高分辨率升級，2008年全部完成，雖然從工作量和復雜程度上不及雙極化技術改造，但從對強天氣系統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），每一種模式對應著不同的掃描方式，包括一次體掃時間、掃描角度和次數，如較常用的降雨模式VCP-21，規定在6 min內完成一次對應9個仰角的體掃。在實際應用中發現，在捕捉一些快速變化的強天氣系統時，如快速多變的結構風場，當一個體掃完成后，已發生很大改變，不利于保持信息的連續性。

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，從而獲取更多在這一層天氣變化的連續信息。2016年春季，該模式得以在業務上得到應用，提高了對強天氣（如龍卷）變化過程信息的捕捉。

根據雷達技術的不斷變化和美國對NEXRAD網的改造提升，中國也在持續跟進。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內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250、125和62.5 m三個檔次，還發展了回波識別智能探測模式，自動根據天氣系統變化進行判識，調整探測模式，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，這一結果對中小尺度強天氣的監測顯然將發揮重要作用。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 分布式協同自適應探測（DCAS）網絡雷達系統

已運行了20多年的NEXRAD網，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量。探測遠距離天氣系統時，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，如何獲取到大氣完整風場信息，而不僅限于徑向速度，也是需要考慮解決的重要問題。2003年，在美國國家科學基金會（NSF）組織下，成立了大氣協同自適應遙感（CASA）工程研究中心（ERC），四所大學（科羅拉多州立大學、馬薩諸塞大學、俄克拉何馬大學和波多黎各大學馬亞古茲分校）和工業界及政府實驗室組成的這個聯合體，提出了小雷達組網探測技術，與NEXRAD網互補，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的高分辨率數據。從實際試驗結果看，確實達到了低空加密探測、提高分辨率、時效增強、獲取部分三維風場等功能。基于此，有人提出在全美布設數千個小雷達，與NEXRAD網形成互補的方案。

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

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的四部組網小雷達

從實際進展看，網絡雷達經過了15年以上的試驗和改進，取得了不少科研和應用成果，但并沒有在業務上全面展開。這或許與其自身存在某些弱項有關，如在三維風場的獲取方面，還只能在一些關鍵區發揮作用，這與傳統雷達掃描方式有關，較難獲取完整、準確的三維協同風場信息。另一方面，隨著相控陣技術的逐步開始應用，使天氣雷達的探測掃描方式出現了新的變化，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，各類相應的探索與試驗相繼展開，給未來的選擇增添了變數。

3.2 相控陣天氣雷達

相控陣雷達的研發在美國起步較早，包括未來有可能替代NEXRAD的S波段相控陣雷達，及可以替代網絡雷達X波段相控陣雷達。NSSL和俄克拉何馬大學高性能雷達研究中心（OU-ARRC）目前已研發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發展上給與了更多關注，如2015年開始，日本在大阪建立了相控陣雷達示范網絡，首次采用兩部相控陣天氣雷達（PAWR）組網實時運行，雷達分別安裝在日大阪大學和日本神戶的國家信息與通信技術研究所。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，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計理念，有了可供科研和業務試驗的不同種類產品，中科院大氣所、中國氣象科學研究院、中國氣象局大氣探測中心、成都信息工程大學等單位和相關企業都先后開展了產品研發與試驗，區域性的業務化布局也在展開。發展比較快的是廣東和長江流域一些省份，如廣東大灣區已經建起了一個由10余部X波段雙極化相控陣雷達組成的探測網絡，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的精細結構及生消演變過程，從而精確地描述對流系統的短時演變，提高對中小尺度強對流天氣系統的監測預警能力。從區域組網對中小尺度精細化監測能力看，已走在了國際前列（圖8）。

圖8 廣東大灣區X波段雙極化相控陣雷達精細化探測網

廣東佛山也建設了由7部X波段相控陣雷達組成的陣列網絡精細化監測系統，采用相控陣多波束掃描技術，通過4個發射波束和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場結構具有獨特優勢。湖南、上海、河北等地也引入了這一技術開展了組網試驗，取得了很好的效果。

4 結語

1）天氣雷達是強天氣監測預警的重要手段，在未來的氣象監測業務中發展中仍將處于難以取代的地位，需要在發展布局中優先考慮。

2）在發展過程中要注意數據應用、技術改進和提升工作，在充分發揮雷達建設直接效益的同時，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）要注意業務升級前的準備工作，包括對升級效益、數據質量、系統協調、應用培訓、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展方向，要予以關注，特別是對于已經開始試驗和業務布局的單位，要注意總結經驗，發現問題，為后人的跟進創造條件。

5）大小雷達網的結合互補已經歷了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務實現的根本，需要在一些關鍵環節上著力，如三維風場獲取問題。

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