氣象雷達(dá)：記錄風(fēng)云變幻的“CT掃描儀”

文／本刊記者 胡利娟

1月1日，作為北京冬奧會(huì)氣象保障工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一的河北省張家口新一代天氣雷達(dá)正式運(yùn)行，它將為冬奧會(huì)氣象服務(wù)保障提供重要的信息支撐。

氣象雷達(dá)作為實(shí)現(xiàn)“監(jiān)測精密、預(yù)報(bào)精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)”的重要“利器”，在提高強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測能力、筑牢氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線中具有特殊地位。那么，我國為什么要廣泛布設(shè)氣象雷達(dá)？氣象雷達(dá)能做什么？雷達(dá)資料是怎么用？

針對(duì)上述問題，中國氣象局相關(guān)專家對(duì)此一一進(jìn)行了解讀。

重大賽事“標(biāo)配”，氣象服務(wù)保障舉足輕重

“氣象雷達(dá)在重大賽事、重大活動(dòng)保障以及氣象防災(zāi)減災(zāi)等氣象服務(wù)保障中發(fā)揮著舉足輕重的作用。”氣象專家說，張家口新一代天氣雷達(dá)觀測范圍可覆蓋內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津等地，最大探測半徑達(dá)460千米，能夠有效識(shí)別降水粒子相態(tài)和大小，每6分鐘更新一次數(shù)據(jù)，生成多種氣象應(yīng)用產(chǎn)品，是分析、預(yù)報(bào)京津冀乃至華北地區(qū)災(zāi)害性天氣的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

據(jù)氣象專家介紹，當(dāng)有極端惡劣天氣可能會(huì)影響比賽進(jìn)程時(shí)，預(yù)報(bào)員可通過該雷達(dá)回波圖判斷極端天氣的發(fā)生發(fā)展和影響，持續(xù)為北京冬奧組委科學(xué)安排賽事提供重要?dú)庀蠓?wù)和信息支撐。此外，該雷達(dá)還可增強(qiáng)對(duì)京津冀地區(qū)上游降水天氣發(fā)生、發(fā)展、演變的精細(xì)化監(jiān)測及預(yù)報(bào)預(yù)警，為辦好一屆“簡約、安全、精彩”的冬奧盛會(huì)貢獻(xiàn)氣象力量。

不僅是北京冬奧會(huì)，也在我國舉辦的其他重大活動(dòng)中，天氣雷達(dá)成為盛會(huì)順利舉辦的重要支撐。2021年9月15日，第十四屆全國運(yùn)動(dòng)會(huì)在陜西省西安市盛大開幕。在陜西省首部X波段雙偏振相控陣天氣雷達(dá)、兩部激光測風(fēng)雷達(dá)等新建觀測設(shè)備的支持下，根據(jù)十四運(yùn)會(huì)氣象臺(tái)預(yù)報(bào)，開幕式主辦方巧打降水“時(shí)差”，將一場盛大的開幕式順利呈現(xiàn)給觀眾。

“記錄”風(fēng)云變幻，預(yù)警預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣

我國幅員遼闊，氣象災(zāi)害種類多且多發(fā)頻發(fā)，極端天氣氣候事件對(duì)農(nóng)業(yè)、水資源、交通、能源、糧食和國防等安全帶來了極大的威脅。如何有效地監(jiān)測預(yù)警突發(fā)性和災(zāi)害性天氣，是廣大氣象工作者的一項(xiàng)重大任務(wù)，而新一代天氣雷達(dá)是對(duì)災(zāi)害性天氣監(jiān)測的一種有效探測設(shè)備。

雷達(dá)可對(duì)其探測范圍內(nèi)的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行“跟蹤”和“掃描”，即進(jìn)入雷達(dá)探測范圍后，雷達(dá)的電磁波在空中接收到臺(tái)風(fēng)“信號(hào)”后，將信號(hào)通過內(nèi)部語言返回到后方。這些信號(hào)匯總而成的信息，可以幫助技術(shù)人員“描繪”臺(tái)風(fēng)的“結(jié)構(gòu)”。

“臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域雷達(dá)可組網(wǎng)觀測。”氣象專家說，這就像多個(gè)“CT掃描儀”，每6分鐘對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行一次全身掃描，每10分鐘合成一張雷達(dá)臺(tái)風(fēng)拼圖。這些掃描圖和CT圖，不僅可看臺(tái)風(fēng)“體型”，還可以“窺探”臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)雨結(jié)構(gòu)。

2021年7月20日，河南省鄭州市一小時(shí)降水量達(dá)201.9毫米。河南省氣象臺(tái)利用雷達(dá)定量降水估測產(chǎn)品，改進(jìn)了短時(shí)臨近定量降水估測和預(yù)報(bào)技術(shù)，在“7·20”特大暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

在冰雹、龍卷風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣探測方面，雷達(dá)也是一把好手。2017年9月8日，吉林省琿春市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇冰雹災(zāi)害，延吉雷達(dá)及時(shí)捕捉到了琿春北部對(duì)流；2012年4月30日16時(shí)30分左右，湖南省邵陽雷達(dá)也捕捉到了降雹單體，為人工防雹增雨提供了重要“線索”。

在一個(gè)個(gè)重要的時(shí)刻，雷達(dá)像是一個(gè)個(gè)忠實(shí)的“記錄者”，成為事件調(diào)查以及災(zāi)后救助的重要幫手。但實(shí)際上，雷達(dá)功能尚未完全展示出來，其開發(fā)潛力巨大，應(yīng)用場景也更加廣泛。

“火眼金睛”時(shí)刻捕捉云雨水汽變化

雷達(dá)通過發(fā)射電磁波在大氣中傳播，遇到云滴、雨滴、空氣分子等懸浮粒子時(shí)，入射電磁波會(huì)從這些粒子上向四面八方傳播開來，其中一部分向后的散射波返回雷達(dá)，被雷達(dá)天線接收。雷達(dá)根據(jù)接收到的后向散射波的振幅、延遲、相位等信息得到雷達(dá)觀測的基本數(shù)據(jù)，再經(jīng)過產(chǎn)品算法處理生成各種二次產(chǎn)品，從而呈現(xiàn)在雷達(dá)屏幕上。

通俗地說，就是雷達(dá)發(fā)射出電磁波，這些電磁波就像無數(shù)“火眼金睛”緊盯著空中的云、雨、水汽等粒子，然后將這些粒子的信息牢記于心，并通過不同的內(nèi)部“語言”反饋到后方。而在雷達(dá)后方，技術(shù)人員已經(jīng)通過各種技術(shù)和方法，將不同的雷達(dá)“語言”制作成公式，翻譯成給預(yù)報(bào)員或者公眾能看懂的雷達(dá)回波圖。

以天氣預(yù)報(bào)為例，預(yù)報(bào)員需要根據(jù)衛(wèi)星、雷達(dá)、地面站等各類探測資料，利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，并結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)天氣過程進(jìn)行描述。雷達(dá)資料可以為預(yù)報(bào)員提供直觀的降水信息，為判斷降水強(qiáng)度、影響區(qū)域等提供支撐。

“對(duì)公眾而言，經(jīng)過‘翻譯’的雷達(dá)產(chǎn)品——雷達(dá)回波圖可以直觀告訴大家在哪兒下雨，下多大的雨，下多久。”氣象專家介紹說，打開中國氣象局氣象探測中心“天衡·天衍”APP，中國天氣APP等，我們可以看到，最新的雷達(dá)回波圖用不同顏色代表回波強(qiáng)度和降水強(qiáng)度，其中，紅色黃色區(qū)域代表大到暴雨，綠色區(qū)域代表有小到中雨，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榻邓葡蹈采w的區(qū)域。看似花花綠綠，但都分別代表著不同強(qiáng)度降雨，大家根據(jù)此回波圖來安排自己的生產(chǎn)生活。

可以說，自從有了雷達(dá)和氣象衛(wèi)星的探測，沒有一個(gè)臺(tái)風(fēng)能逃過氣象工作者的眼睛。

多年來，雷達(dá)用不一般的業(yè)績證明了它的“國之重器”地位和“支柱”作用。從新中國建立初期的氣象雷達(dá)空白，到2021年由224部新一代天氣雷達(dá)構(gòu)成的世界最大的業(yè)務(wù)化運(yùn)行氣象雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)，我國氣象雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了從“零”到“世界先進(jìn)”的華麗蛻變。

據(jù)了解，“十四五”期間，按照我國400毫米降水線東側(cè)地區(qū)基本覆蓋、西側(cè)地市級(jí)以上城市全覆蓋的原則，將重點(diǎn)在西部復(fù)雜地形區(qū)人口聚集地、七大流域雷達(dá)觀測空白區(qū)、東北農(nóng)墾和林業(yè)保護(hù)區(qū)、西北農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)主產(chǎn)區(qū)、高山附近峽谷地帶布設(shè)雷達(dá)，不斷填補(bǔ)雷達(dá)探測盲區(qū)和空白。