新一代天氣雷達在氣象服務中的應用分析

胡偉萍，陳麗明

寧德市三沙氣象臺，福建寧德 355100

2012年3月，寧德新一代天氣雷達項目在霞浦縣三沙鎮開始動工建設，建設完畢后，新一代天氣雷達系統有效彌補了閩東雷達探測盲區的不足，增強了對臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的監測與預警能力，提升了對臺灣海峽及鄰近區域的氣象服務水平，進一步滿足了地方社會經濟的發展和海峽兩岸同胞對氣象服務的新要求。

寧德新一代天氣雷達系統是完善海西氣象監測預警系統的一部分，以雷達系統項目建設為契機，有效推動了寧德氣象現代化建設，提高了天氣預報精準率，增強了本地防災減災能力、應對氣候變化的能力、氣候資源開發能力，實現了氣象事業的跨越式發展，為寧德社會經濟的發展和防災減災做出了突出貢獻。新一代天氣雷達項目配備了S波段新一代天氣雷達(CINRAD/SA)系統設備和配套基礎設施等，雷達信息處理中心建設在蕉城區漳灣鎮湯灣村和尚山。

1 新一代天氣雷達系統概述

1.1 新一代天氣雷達的組成

相較于傳統設備，新一代天氣雷達系統的自動化程度更高，包含無線電探空儀使用系統、測距系統、計算機技術系統、網絡通信系統，能夠自動完成氣象數據采集、加工、分配傳輸和存儲等多項功能。新一代天氣雷達系統主要有雷達數據采集、產品最終形成、用戶終端三大部分。

雷達數據采集子系統是雷達硬件的實體部分。該系統主要由隨動系統、定時器與信號源、發射機、接收機、信號處理器、雷達監控等部分組成。而且新一代天氣雷達搭載RDASC，主要由計算機顯示終端和接口裝置構成，該系統可以更加便捷地操控雷達裝置的運行，收集指定氣象數據，檢測監控設備的參數是否維持在正常范圍內，可自動啟動糾正誤差和自動標定等程序。RDA系統能夠在沒有人工操作的條件下自行完成工作，而且工作質量高、錯誤率低，便于維護，在氣象領域應用廣泛。計算機處理系統與中央處理器和標準通信子系統之間的接口等可以對原始數據進行整理與選擇，最終形成對應的氣象預報預警產品。

1.2 新一代天氣雷達的工作原理

雷達是根據電磁波動傳播的特性標定被觀測物相對觀測點的空間位置和分布特征的無線電設備。當雷暴云、霧等目標觀測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，再進行信號提取和數據整理后，明確輸出強度、徑向速度、速度離散程度等參數，最終在終端設備上生成氣象產品，產品經由網絡傳輸發送給有需要的用戶，以此完成對天氣狀況的整體判別程序。計算機終端設備可以利用控制分級和控制天線、伺服系統得到雷達在某一仰角上掃描一周所得出的數據和雷達沿某方位角垂直掃描得到的數據。實現天線的平面位置顯示、距離高度顯示和體積掃描，通常天氣雷達能夠在300 s內完成掃描，具備高時空分辨率，能夠有效地為臨近短期預報和災害性天氣預警預報提供高質量數據。

1.3 基于GIS的雷達產品顯示

雷達收集到的原始數據不能作為最終成果直接提供給用戶，需要專業人士利用Super-MapGIS專門處理引擎對原始數據進行再加工，最終形成地理信息系統能明確識別的雷達產品數據，而且可將數據內容存入指定路徑，以便后續GIS實現便捷訪問[1]。

觀測人員在WinForm程序中加入地理信息系統中的MAP窗口，裝載本地地圖，編寫特定代碼，以便快速訪問加工后的雷達數據信息，然后在WinForm程序中顯示。合理地設置雷達圖層的透明度，這樣就能在本地地圖中清楚顯示各行政區域。利用TreeView空間沿特定搜索路線，逐個對樹狀圖中每一節點做1次訪問，最終形成雷達產品目錄樹。打開菜單頁面或點擊按鈕即可自動翻頁和播放雷達資料，這種方法便于氣象服務工作人員從整體上判斷天氣系統的演變趨勢、強弱變化和移動路徑。

2 新一代天氣雷達的觀測模式

臨近天氣預報的時間段一般是0～3 h，當災害性天氣來臨時，預測時間更為緊迫，需要在60 min之內。較高精度的臨近天氣預報需要借助技術先進的雷達觀測系統，提供全方位的數據資料，其他資料的時效性和分辨性相較而言質量不高，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。雷達業務觀測采用的是WSR-88D雷達基數據資料格式，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°。第一個仰角可測定反射率因子，表征降水目標物回波強度，最遠探測距離為460 km[2]。第二個仰角是測定速度的，最遠探測距離為140 km，通過模糊處理可達到230 km。第一個和第二個仰角都可掃2圈。VCP11共 有11個仰角，轉16圈的時長約為5 min，VCP21則有9個仰角，轉11圈時長約為6 min。VCP21相較于VCP11掃圈數少，但總用時長卻比VCP11長，這是因為VCP21積分次數比VCP11多，數據質量也明顯優于VCP11。

晴空模式采用VCP31和VCP32，這2個都有5個相異仰角。VCP31轉7圈，最低2個仰角共掃4圈，VCP32轉8圈，最低3個仰角共掃6圈，整體用時約為10 min。天氣雷達觀測方法主要針對整個天氣系統發展的全過程進行整體觀測，以便為臨近天氣預報提供天氣系統的移動方向、速度和落區等，盡量做到定時、定點、定量預報。

3 新一代天氣雷達產品的應用

新一代天氣雷達所發出的脈沖形式電磁波遇到雨滴、冰雹等降水物質后，部分能量被降水物質所截留并且向各個方向散射，散射的能量會回到雷達天線，被雷達所接收[3]。根據雷達的接收系統分析，會得出降水強弱、有無冰雹、龍卷和大風等。

3.1 短時強降水預報服務

2022年6月中旬寧德市出現1次強降水過程，48 h累積降水量達到了80～150 mm，局部超過了200 mm，最大小時雨強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，副熱帶地區的高壓系統北進且表現為東西帶狀。寧德市氣象臺于2022年06月13日08:20發布暴雨警報和暴雨預警Ⅱ級，全市范圍內迎來強降水天氣。6月12日500 hPa歐亞大陸中高緯度地區為“兩槽一脊”形勢，在東西伯利亞南部出現了冷性低渦，華南地區出現低壓槽，副高繼續北進且帶狀向西延伸，出現了副高偏北、徑向發展穩定的環流形勢。6月13日8:00 850 hPa上，寧德市上空出現了西南急流帶。地面顯示：自內蒙古至云貴兩省之間出現了低壓帶，西南渦尚未建立，海上高壓增強且移動速度放緩，此次強降水高低空系統配合持續時間較長。

雷達回波顯示：具有中尺度特征的回波是導致較短時間內集中降水和次生災害出現的首要因素。要取得準確的強降水預報，必須跟蹤好中尺度回波。從雷達回波分析來看，此次強降水6月12日晚的基本反射率表示寧德市已經有部分區域開始降水，次日上午降水仍在持續且范圍不斷擴大，其中，古田縣區域反射率最強，達到48 dBz左右。分析相對徑向速度角可知，最大速度為22～23 m/s，0速度帶呈“S”形，大氣風向隨高度升高呈順時針旋轉，這表明有暖平流。旋轉曲率較大表示高空出現了較強的垂直風切變，低層充沛的水汽獲得了向上抬升的推動力，使得整個降水過程得以持續。

分析雷達回波頂高可知，寧德市在此次降水過程中受到回波影響。回波的高度基本在7～9 km之間，頂高最大值為9.2 km，這說明降水系統云層深厚且穩定。在寧德市氣象局于2022年6月13日10:50發布黃色暴雨預警后，氣象部門根據收集到的雷達回波演變和數據資料，預測降雨形勢，后續將黃色預警信號提升至橙色預警信號。氣象部門在發布預警信號的同時，以各種通信方式將氣象預報信息及時傳遞給下屬氣象局和有關政府部門，為防止洪澇和泥石流等災害出現提供氣象決策依據。在此次降水預報服務過程中，氣象部門組織工作人員快速反應、準備充分，除了導致少數地區內澇，并沒有出現重大災情和人員傷亡及財產損失。

3.2 雷雨大風預報服務

寧德市氣象局在2023年3月22日14:21發布雷電黃色預警信號，在之后的6 h內，蕉城區西部和南部鄉鎮出現雷電活動，局地伴有短時強降水，7～9級短時大風等強對流天氣。3月23日11:21寧德市氣象臺將預警信號變更為橙色預警信號，在之后的2 h內，短時強降水持續，出現了10～11級雷雨大風和冰雹等強對流天氣。

雷達回波顯示，寧德市在3月22日上午突發強對流回波，至翌日上午回波最大強度始終在46 dBz以上，最大強度達58 dBz，最高回波頂高14.5 km，回波移動方向為東南西北方向，不斷影響寧德市部分區域。至23日下午才有所減弱，氣象工作人員在觀測到強回波后，在22日下午及時制作并發布了雷電黃色預警信號，并且根據回波發展形勢，在23日將預警等級提升為橙色預警。

3.3 低溫預警服務

2021年2月9日寧德市氣象臺連發霜凍黃色預警、大風黃色預警、道路結冰黃色預警3個氣象災害預警信號，出現了入冬后影響范圍最廣、強度最大的雨雪過程。此次雨雪是受到一股來自北方的強冷空氣影響所致。自2月8日起，寧德市沿海的風力已開始增強，東北風達7～8級，陣風達9～10級，氣溫不斷下降，8日夜間沿海最低溫度已降至1～3 ℃，山區部分區縣最低至-3 ℃。2月9—10日，氣溫繼續下降，2月10日山區出現-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大。2月8日部分區縣出現降雪。2月9—10日寧德市大部分區縣出現降雪，高海拔山區有中到大雪，沿海出現小雪或雨夾雪。

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

2月8日屏南縣最低氣溫已經降至0 ℃以下且出現了結冰現象，周寧縣西部溫度降至-3 ℃以下，2月9日，寧德多個氣象站記錄了間歇性小雪的出現。從雷達回波來看，此次降雪過程自2月9日開始，9日10:00雷達回波表明寧德市山區由江水回波而且在不斷增強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，強度達到29 dBz。

寧德市氣象部門發布預警預報后，垂直風廓線圖更加明顯，低層風速保持在較低值，但隨著高度增加，風的強度也在變大，在7.1 km左右的高空，最大風速達到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，回波繼續穩定發展，而且由西南東北向移動，9日晚20:00風廓線顯示低層風向出現變化，變化自西南向順時針旋轉至東北向，高空西南風在5.6 km左右的風速為22 m/s。回波十分穩定，降雪范圍不斷擴大，且強度逐漸變大，總體仍持續，至10日下午降雪范圍逐漸縮小，且強度變小。寧德市新一代天氣雷達系統所提供的垂直風廓線產品能夠清楚地顯示寧德市上空的氣流性質和氣流氣團的變化過程，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，根據寧德市區域地形地貌分布、所布置的自動站雨量分析收集等信息，可建立起高效的人影作業預警指揮和效果分析系統，為寧德市選擇合適的人影作業時機和地點，而且所建立的操作平臺便于操控。寧德市氣象局近年來通過飛機開展人工降雨外場作業試驗，持續性探測作業前后新一代天氣雷達和地理信息系統各種仰角回波的強弱，之后對比相鄰的非作業催化區，分析人影作業使用催化劑對雷達回波產生的影響，進而探尋新途徑，增強飛機人影作業效果。

2022年7月開始，寧德市氣象干旱持續發展，全市除古田、壽寧部分鄉鎮為重旱外，其余地區氣象干旱等級均為特旱。為緩解旱情，寧德市氣象部門研判天氣形勢，提前謀劃，及時啟動人工影響天氣應急響應。氣象雷達圖顯示，在經過一段時間少雨天氣后，11月1日前后臺風“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遇，在全市范圍內不分晝夜，全天候開展人工增雨作業，地面火箭彈與地面煙爐綜合立體作業。截至3日20:00，共開展人工增雨作業84次，發射火箭彈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，城區最大為周寧55.7 mm，全市累計增加降水量體積為8 574 m3。此次人工增雨作業成效明顯，對改善空氣質量、降低森林火險等級、增加水庫蓄水起到了積極的作用。根據MCI氣象干旱綜合指數監測，全市除福安、壽寧為輕旱，蕉城的部分鄉鎮為重旱外，其余地區氣象干旱等級均為中旱，旱情有所緩解。

4 雷達分析過程中需要注意的問題

目前，新一代雷達產品種類繁多，產品數據一般集中為表現基礎數據的強度、速度和譜寬圖，即基本產品。若需要其他非基礎數據則不能使用現有雷達產品作為定論依據，而僅能作為參考用，最終產品結果需要綜合其他氣象觀測資料得出。根據已有的經驗模型進行數據分析時，要重點檢驗模型的物理含義，避免產生歧義，尤其是不能混淆形態學上的特征。當有兩位工作人員對回波類型無法做出一致判斷時，最好不要確定該回波特征。例如：當出現上升氣流時，才能斷定有鉤狀回波。一些回波特征和天氣系統的表現并非一對一的關系，如帶狀回波可能由鋒面、颮線、切變線等天氣系統引起，必須嚴格按照定義確定回波類型。

5 結束語

新一代天氣雷達在氣象服務中得到了廣泛應用，氣象預測預報服務能力得到增強，要重點關注雷暴、大風、冰雹等惡劣天氣，開展深度研究合作，提高氣象數據質量。在未來一段時間內，要繼續優化新一代天氣雷達觀測模式，建立強對流天氣協同觀測系統，進一步開展觀測實驗，不斷優化標定標校技術，完善數據質控算法并開展分析評估。