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(guī)數(shù)字化雷達，新一代天氣雷達具備一定的優(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(zhì)量的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)品在天氣觀測預報業(yè)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(jù)。

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(fā)展，同時由于全球氣候變化，氣象災害頻發(fā)，我國不斷加大對氣象事業(yè)的投入力度，氣象觀測技術設備不斷更新，我國氣象事業(yè)不斷發(fā)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(tǒng)的建設是我國一項跨世紀的氣象現(xiàn)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(zhì)量的數(shù)據(jù)資料，在短期天氣預報工作中發(fā)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(fā)展與原理介紹

1.1 國內(nèi)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(jiān)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(tǒng)所采用的是多普勒天氣雷達，相比以往常規(guī)數(shù)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(tǒng)分為新一代S頻段和C頻段兩種多普勒天氣雷達系統(tǒng)。其中，根據(jù)建設布局原則，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(fā)射，為此還研究并總結了許多數(shù)據(jù)，之后在英國某實驗室開啟正式的研發(fā)，最初的設想概念經(jīng)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(fā)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(chuàng)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(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(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而言，雙偏振多普勒天氣雷達更先進，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(xiàn)象。

多普勒氣象雷達有2種不同的工作方式，包括交替發(fā)射方式和同時發(fā)射方式，各有優(yōu)點和缺點。雷達由1個發(fā)射器接收器或發(fā)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(fā)射機輪流發(fā)送，雷達信號由接收機接收。這種單發(fā)雙收的雙偏振多普勒雷達優(yōu)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(fā)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(fā)生器交替發(fā)射，需要很高的脈沖發(fā)射頻率，同時由于2種偏振波不是同時發(fā)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(zhì)量也較低[5]。而雙發(fā)雙收是指雷達有2個發(fā)射器和2個接收器，在工作過程中，由2個發(fā)射器同時發(fā)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(shù)據(jù)。這種雙發(fā)雙收的雙偏振多普勒雷達的優(yōu)勢在于由于2種偏振波是同時發(fā)射的，所以接收器所獲得的數(shù)據(jù)信息的相關性較強，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，但這種天氣雷達的結構較為復雜，2個發(fā)射機的造價也較高。

2 新一代氣象雷達技術產(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(xù)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(chǎn)品

平均徑向速度產(chǎn)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(chǎn)品可以在一定的方位中進行無死角的360°掃描，調(diào)整和分析天氣高空圖。平均徑向速度產(chǎn)品在地面觀測的應用中也占據(jù)重要地位，而不具備此產(chǎn)品的雷達具有明顯的劣勢，平均徑向速度產(chǎn)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(shù)據(jù)

譜寬數(shù)據(jù)的功能是為觀測風切變的速度樣本提供風的變化速度數(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)主要測量的是風速，因此可以為強對流天氣中的強風業(yè)務預測做出指導。

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，使用后會在系統(tǒng)缺點的區(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)含水量技術防止冰雹的災害，效果十分明顯。自從應用垂直累積液態(tài)含水量的技術后，在冰雹觀測業(yè)務中，冰雹形成期間可以使用垂直的液態(tài)含水量來判別。參考雷達回波，并且根據(jù)雙因子點句圖來識別，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)務加入垂直累積液態(tài)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(yè)務提供了十分有價值的數(shù)據(jù)。

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(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(fā)生一定程度的變化，即便得到的雷達數(shù)值較為準確，計算所得的降水量數(shù)值仍會出現(xiàn)較大偏差，即在使用該方法進行計算時經(jīng)常會出現(xiàn)小雨的計算值相較實際更小，而大雨的反演所得數(shù)值相較實際數(shù)值更大的情況。

鑒于這種現(xiàn)象，科學家們又根據(jù)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(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(shù)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(shù)據(jù)信息和彼此存在的差異進行綜合利用，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(shù)據(jù)信息，所以在該方法的實施過程中存在一定的難度。基于規(guī)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(guī)定的閾值算法是目前應用較為廣泛的一種算法，其優(yōu)勢在于便于實現(xiàn)，但在對水凝物進行識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(shù)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(shù)據(jù)，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(yè)預測系統(tǒng)。隨著精確數(shù)字和計算機技術的發(fā)展，多普勒雷達天氣數(shù)據(jù)和其他中小型觀測數(shù)據(jù)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(fā)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(jiān)測天氣情況，使得天氣氣象預測、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，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(nèi)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(jiān)測一定范圍內(nèi)的強對流天氣從發(fā)生到消亡的整個過程，也可以探測到很大范圍內(nèi)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(jiān)測的水平和能力，提高氣象服務的質(zhì)量，為大眾提供更準確的氣象數(shù)據(jù)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?shù)挠绊懕容^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(yè)的高速發(fā)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(jīng)過長時間的研究，雷達技術的現(xiàn)代化水平不斷提高。在航空運輸中，現(xiàn)代化多普勒天氣雷達在惡劣天氣的探測方面發(fā)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(yè)的發(fā)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(jiān)測和預警。多普勒天氣雷達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(xiàn)對強對流天氣的監(jiān)測，在強對流天氣的監(jiān)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(xiàn)，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(yè)，防止災害的發(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(shù)據(jù)處理方面，新一代雷達具有強大的數(shù)據(jù)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(tǒng)。例如，在暴雨中，遇到強對流回波時，基速圖上就會出現(xiàn)很大的逆風區(qū)，與強回波配合。同時，強回波中心附近區(qū)域會發(fā)出氣旋警報，這表示即將出現(xiàn)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(jù)回波特征，準確判斷當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)有組織的強回波帶。新一代天氣雷達可以根據(jù)逆風區(qū)的大小和強度判斷降水的區(qū)域和演變趨勢。通過詳細分析天氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以準確判斷一個已有的天氣系統(tǒng)，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(tǒng)數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮著重要作用，能夠準確、及時、系統(tǒng)、完整地處理探測到的天氣數(shù)據(jù)。

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(fā)生各個方向上的散射，相較常規(guī)數(shù)字化雷達具有較為明顯的優(yōu)勢，同時雙偏振多普勒天氣雷達由于能夠發(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方向更詳細地分析天氣現(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(xiàn)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(xù)關注，為人工影響天氣作業(yè)提供指導，有效地開展氣象防災減災工作，降低災害的發(fā)生頻率。

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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。