新一代天氣雷達在天氣預報預警中的作用及運用分析

張能 殷文濤

摘要 相較于原有的常規數字化雷達，新一代天氣雷達具備一定的優勢，其主要利用反射率因子、平均徑向速度和光譜寬度、垂直累積液態含水量（VIL）等產品預報、預警強對流天氣，為臨近天氣預報和災害性天氣預警提供了許多高質量的數據資料。基于此，主要探究了新一代天氣雷達運行原理，并探討了新一代天氣雷達產品在天氣預報預警中的作用與應用，以期不斷提升氣象雷達產品在天氣觀測預報業務中的有效利用率，從而為氣象預報預警提供相應的指導依據。

關鍵詞 新一代天氣雷達；雙偏振雷達；預警

中圖分類號：P415.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）04–0096-03

隨著科學技術的快速發展，同時由于全球氣候變化，氣象災害頻發，我國不斷加大對氣象事業的投入力度，氣象觀測技術設備不斷更新，我國氣象事業不斷發展進步，氣象服務能力不斷提高，氣象防災減災的能力也在不斷提升。新一代天氣雷達系統的建設是我國一項跨世紀的氣象現代化工程，其具有靈敏度高和全相參性能特點，可以為臨近天氣預報和災害性天氣預警提供許多高質量的數據資料，在短期天氣預報工作中發揮著重要作用，對氣象防災減災具有重要意義。

1 新一代天氣雷達發展與原理介紹

1.1 國內外研究進展與歷史

天氣雷達作為天氣探測和預報的重要設備，是監測和預警強對流天氣的重要工具之一。新一代天氣雷達系統所采用的是多普勒天氣雷達，相比以往常規數字化的天氣雷達，在很大程度上提高了天氣觀測預測上的及時性與準確性，在天氣預報預警工作中具有重大意義，是氣象服務中不可或缺的裝備。新一代天氣雷達系統分為新一代S頻段和C頻段兩種多普勒天氣雷達系統。其中，根據建設布局原則，云南省西雙版納州勐臘縣勐臘鎮龍林村壩卡梁子所布設的為C波段雙偏振多普勒天氣雷達[1～2]。

20世紀70年代，2位美國科學家初次設想用水平垂直兩個方向進行偏振波雷達信號接收和發射，為此還研究并總結了許多數據，之后在英國某實驗室開啟正式的研發，最初的設想概念經過長久的研究后，雙偏振雷達技術成功有了眉目，并在此基礎上，其他國家也開始完善功能和提升性能的研究。20世紀80年代，我國引進雙偏振雷達技術，相比于其他一些發達國家，開始研究的時間略晚。自此，我國不斷致力于雙偏振雷達技術的研究，并取得了重大成效。2004年，安徽四創電子股份有限公司成功改造出C波段雙偏振雷達。目前，我國依舊不斷積極探索，以期進一步提高雙偏振雷達技術水平[3]。

1.2 原理

大氣中的多種粒子元素會對雷達電磁波產生震蕩的影響，所以大氣中的粒子元素在與電磁波接觸后會進行不同程度的散射。天氣雷達在提早設定好的多個時間段進行電磁波的發射，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]。

對于只能發射1種偏振波的普通天氣雷達而言，雙偏振多普勒天氣雷達更先進，能夠發射水平和垂直方向的2種偏振波。通過2種偏振波，不僅能獲得常規天氣信息，還可以通過比較2個方向的同波差異來獲得氣象粒子的偏振量信息，從多個方向更詳細地分析天氣現象。

多普勒氣象雷達有2種不同的工作方式，包括交替發射方式和同時發射方式，各有優點和缺點。雷達由1個發射器接收器或發射器和2個接收器組成。水平和垂直極化波的傳輸由相同固定時間間隔的發射機輪流發送，雷達信號由接收機接收。這種單發雙收的雙偏振多普勒雷達優勢是結構簡單，從普通的天氣雷達改造而來的過程更為容易，且只有1個發射器，造價也比較低。但存在的缺點是，2種不同的偏振波從同一發生器交替發射，需要很高的脈沖發射頻率，同時由于2種偏振波不是同時發射，所以其相關性較差，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量也較低[5]。而雙發雙收是指雷達有2個發射器和2個接收器，在工作過程中，由2個發射器同時發射水平和垂直2個不同方向的偏振波，并由2個接收器同時接收2種后向散射數據。這種雙發雙收的雙偏振多普勒雷達的優勢在于由于2種偏振波是同時發射的，所以接收器所獲得的數據信息的相關性較強，工作人員利用數據信息所獲得的天氣信息的質量較高，但這種天氣雷達的結構較為復雜，2個發射機的造價也較高。

2 新一代氣象雷達技術產品

2.1 反射率因子產品

降水回波的變化狀況、降水回波的強度、降雨的變化趨勢等都可以通過反射率因子產品直接獲知，通過應用反射率因子產品，還可以清楚地了解到觀測區域上方的云朵形態、云朵種類、云朵的詳細厚度。所以反射率因子才會在天氣觀測的技術中得以頻繁的使用且廣泛的研究，將來也會繼續為強對流天氣等復雜性的天氣變化因素的研究提供更有價值的參考。

2.2 平均徑向速度產品

平均徑向速度產品的應用功能主要是輔助雷達探測出大氣的結構和風暴結構，平均徑向速度產品可以在一定的方位中進行無死角的360°掃描，調整和分析天氣高空圖。平均徑向速度產品在地面觀測的應用中也占據重要地位，而不具備此產品的雷達具有明顯的劣勢，平均徑向速度產品的應用為大型災害氣象天氣的預警預測做出了很大的貢獻。

2.3 譜寬數據

譜寬數據的功能是為觀測風切變的速度樣本提供風的變化速度數值，所以譜寬數據也可以被稱為速度譜寬數據，且由于譜寬數據主要測量的是風速，因此可以為強對流天氣中的強風業務預測做出指導。

2.4 垂直累積液態含水量（VIL）

降水云體的數值可以直接使用垂直累積液態含水量來體現，其是一款圖像產品，使用后會在系統缺點的區域內測量出數值并在顯示器上體現總量分布，可以用垂直累積液態含水量技術防止冰雹的災害，效果十分明顯。自從應用垂直累積液態含水量的技術后，在冰雹觀測業務中，冰雹形成期間可以使用垂直的液態含水量來判別。參考雷達回波，并且根據雙因子點句圖來識別，能夠有效地根據回波特征判斷冰雹的產生狀況。近年來，我國的氣象觀測業務加入垂直累積液態含水量技術后，具有良好的防冰雹參考效果，也為今后的預警業務提供了十分有價值的數據。

3 新一代天氣雷達在天氣預報預警中的作用

3.1 測量降水量

新一代天氣雷達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（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行降水量的反演計算過程中，極易受到滴譜變化的影響，導致計算所得降水量發生一定程度的變化，即便得到的雷達數值較為準確，計算所得的降水量數值仍會出現較大偏差，即在使用該方法進行計算時經常會出現小雨的計算值相較實際更小，而大雨的反演所得數值相較實際數值更大的情況。

鑒于這種現象，科學家們又根據不同的滴譜分布進一步推導出了利用Kdp和Zdr進行降水量反演的計算方式，但在降水量較低（＜20 mm/h）時，利用Zdr反演降水量的方式容易受到雷達測量誤差的影響，不比利用水平反射率因子反演降水量的方式有優勢，而利用差示傳播相位常數（Kdp）反演降水量的方式受粒子軸比變化的影響較大，當降水量＞50 mm/h時，誤差較小。所以一般情況下，當降水量≤20 mm/h時，一般利用水平反射率因子反演降水率；當20 mm/h＜降水量＜70 mm/h時，一般用差分反射率因子反演降水量率；當降水量≥70 mm/h時，應用差示傳播相位常數反演降水率，以最限度地減少降水量計算的誤差[7]。

3.2 降水粒子類型識別

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

3.3 臨近天氣預報技術

短期天氣預報技術主要包括雷暴識別技術、跟蹤和預測外推技術、數值預報技術。其中，識別、跟蹤和外推技術主要基于新一代氣象雷達探測數據，而交叉相關外推和回聲測深外推技術較為成熟。這應該用于許多鄰近的商業預測系統。隨著精確數字和計算機技術的發展，多普勒雷達天氣數據和其他中小型觀測數據的降雨預報和對流天氣預報已成為短期和短期預報的熱點，預報技術的發展速度更快，但還沒有成熟。

4 新一代天氣雷達在天氣預報預警中的應用

4.1 在天氣預報中的作用

新一代天氣雷達使用最先進的科學技術手段達到國際先進標準，能夠科學有效地監測天氣情況，使得天氣氣象預測、監控能力有了很大程度的提高。相較于傳統的天氣雷達，新一代多普勒天氣雷達具有良好的多普勒測速能力，能夠獲取水云體內的風場信息，對天氣的探測更加靈敏，并且能夠自動識別與跟蹤災害性天氣，能夠全天候不間斷地監測一定范圍內的強對流天氣從發生到消亡的整個過程，也可以探測到很大范圍內的降水情況，測風的精度可以達到每秒鐘3 m。通過利用新一代天氣雷達，可以有效地提高天氣監測的水平和能力，提高氣象服務的質量，為大眾提供更準確的氣象數據信息[8-9]。

4.2 在航空氣象預報中的作用

天氣因素對航空運輸的影響比較大，極大地影響了飛行任務的完成和飛行安全。近年來，隨著航天運輸業的高速發展，航空飛行的安全逐漸成為大眾關注的熱點問題。與此同時，經過長時間的研究，雷達技術的現代化水平不斷提高。在航空運輸中，現代化多普勒天氣雷達在惡劣天氣的探測方面發揮著重要作用，與地面導航通訊設施遙相呼應，通過分析風、強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，對航空運輸業的發展具有重要的意義。

4.3 在災害性天氣預警中的作用

新一代天氣雷達主要應用于災害性天氣，尤其是與降水、風場相關的災害性天氣的監測和預警。多普勒天氣雷達通過利用降水回波的頻率和發射頻率之間的變化信息可以計算得到降水粒子的徑向運動速度，繼而推算得到大氣湍流、風速分布、垂直氣流速度、降水中的風場結構特征，以實現對強對流天氣的監測，在強對流天氣的監測與預警、三維風場反演、雷達回波三維可視化、強對流潛勢預報等方面都有著出色的表現，能夠有效預測災害性天氣，其相關觀測可以有效指導人工影響天氣作業，防止災害的發生[10-11]。

4.4 在天氣數據處理中的作用

新一代天氣雷達探測能力強，脈沖功率高，天氣探測靈敏度高，可探測暴雨、暴雪、冰雹等災害性天氣。在氣象數據處理方面，新一代雷達具有強大的數據分析功能。具體來說，新一代天氣雷達可以同時綜合考慮多個方面，更好地識別和判斷天氣的基本系統。例如，在暴雨中，遇到強對流回波時，基速圖上就會出現很大的逆風區，與強回波配合。同時，強回波中心附近區域會發出氣旋警報，這表示即將出現一場雷雨大風，雨量較大。更重要的是，新一代天氣雷達可以根據回波特征，準確判斷當前觀測站在天氣系統中的位置，是鋒前、鋒中還是鋒后。這一系列分析成功后，將詳細分析天氣系統。例如，區域性暴雨往往呈現有組織的強回波帶。新一代天氣雷達可以根據逆風區的大小和強度判斷降水的區域和演變趨勢。通過詳細分析天氣系統數據，可以準確判斷一個已有的天氣系統，從而提供實時信息，不斷提高天氣預報的準確性和有效性，提升災害性天氣的預警能力。由此可見，新一代天氣雷達在天氣系統數據分析中發揮著重要作用，能夠準確、及時、系統、完整地處理探測到的天氣數據。

5 結束語

新一代天氣雷達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會發生各個方向上的散射，相較常規數字化雷達具有較為明顯的優勢，同時雙偏振多普勒天氣雷達由于能夠發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方向更詳細地分析天氣現象，通過各數值信息能夠反演推算出降水率、降水粒子的相態、排列取向和尺度譜、風場等信息，可以更為準確地觀測短期天氣降水等情況，進而大大提高氣象預測結果的準確度。除此之外，還能實現對龍卷風、冰雹、暴雨等災害性天氣從開始到終止的全過程持續關注，為人工影響天氣作業提供指導，有效地開展氣象防災減災工作，降低災害的發生頻率。

參考文獻

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責任編輯：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。