新一代天氣雷達產品在氣象防災減災服務中的應用

張瀛，胡偉萍

摘要 天氣預報預警需要大量詳實有效的氣象數據作支撐。隨著社會經濟的發展，對氣象服務的要求越來越高，新一代天氣雷達在氣象防災減災服務中的作用日益重要，通過分析雷達回波產品來識別災害性天氣并預判其演變趨勢，結合預報員的工作經驗最終得出預報結論，是氣象防災減災工作開展的重要監測指揮手段。

關鍵詞 新一代天氣雷達;氣象服務;防災減災;天氣預報

中圖分類號：P429 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）03–0140–03

新一代多普勒天氣雷達自應用以來，為我國氣象防災減災事業作出了重要貢獻，其在臨近天氣預報、災害預警、人工影響天氣等方面發揮著不可替代的作用。新一代天氣雷達具有靈敏度高、功率大的特點，能對多種災害性天氣進行自動識別、追蹤，從而獲取各種實時天氣發生演變的圖像信息，并使系統的其他設備協同工作，實現對天氣狀況的高效率監測，尤其是為大型社會活動和專題氣象保障服務提供支撐。寧德市新一代多普勒天氣雷達系統建成后，極大地增強了對本地區各類災害性天氣的監測預警能力，提高了短時臨近天氣預報水平，為寧德經濟建設、人工影響天氣和防災減災提供了更加有效、優質的氣象服務[1]。

1 新一代天氣雷達系統概述

1.1 新一代天氣雷達組成

新一代天氣雷達系統是自動化程度高的雷達系統，包含無線電探測和測距技術運用、計算機技術應用、通信技術，集氣象數據采集、加工、分配傳輸、存儲多種功能于一體，由雷達數據采集、產品生成、用戶終端三大部分組成。

RDA系統為雷達數據采集子系統，是雷達硬件的實體部分。系統由隨動系統、定時器與信號源、發射機、接收機、信號處理器及雷達監控等部分組成。新一代天氣雷達系統裝有RDASC，主要由終端設備和接口裝置組成，其功能為操縱雷達的運行、搜集氣象數據、監控設備參數是否保持在正常范圍、進行誤差校對和自動標定等。RDA系統可以在無人工操縱的情況下完成工作，可靠性強，便于維護，應用廣泛。氣象服務產品的生成則需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對未經處理的數據進行整合篩選，最終形成預警預報產品[2]。

1.2 新一代天氣雷達探測原理

雷達是利用以波動形式傳播的電磁場來測定對象物相較于觀測點的空間距離和特征的無線電設備，雷達進行大氣探測的依據是二次輻射波在角域上按一定的規律作擴散分布的現象，天氣雷達可利用測定大氣中散射波來確定對象物的屬性。為雷達提供大功率射頻信號的無線電裝置可將頻率綜合器輸出的小功率高頻信號進行高功率放大，然后經過鐵氧體天線收發開關、可以傳遞功率較高射頻信號的波導饋線，方位和俯仰鉸鏈送到高增益天線的初級輻射器，再由天線將能量輻射到空間。

積雨云、霧等目標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，會經由接收機轉化為中間頻率的數字信號形式，然后經信號提取和數據處理后，輸出強度、徑向速度及速度離散程度的度量等參數，并在終端設備上生成產品，產品可通過網絡通信的方式派發給有需要的用戶，從而完成對天氣狀況的整體判別程序。終端計算機通過控制分機和天線伺服系統，得出雷達在某個仰角上掃描一圈得到的數據和雷達沿著某個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，一般天氣雷達可在5 min左右完成掃描，具備高時空分辨率，能夠為短時臨近預報和災害性天氣預警提供準確數據。

1.3 基于地理信息系統的雷達產品顯示

雷達所得到的初步數據并不能直接顯示給用戶，而是要通過Super-MapGIS的專門處理引擎進行數據加工，最終形成基于地理信息系統的可識別應用的雷達產品數據，并且能將數據內容存入指定路徑，以供后續GIS訪問顯示。

工作人員可在WinForm程序中加入地理信息系統中的MAP窗口裝載本地地圖，編寫專門代碼訪問處理好的雷達數據信息，并顯示在WinForm程序中。設置雷達圖層的透明度，便可顯示本地地圖中的各行政區域。利用樹狀視圖空間沿著特定搜索路線，依次對樹（圖）中每個節點均做1次訪問，形成雷達產品目錄樹。最后通過菜單或按鈕事件完成雷達產品資料的翻頁和自動播放，便于氣象服務工作人員判斷天氣系統的演變趨勢、強弱變化以及移動路徑。

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為0～3 h，災害性天氣預警緊迫性更強，在1 h之內。高精度的臨近型天氣預報需要依據先進的雷達觀測技術提供可靠數據資料，其他資料時效性和分辨率不高，僅為輔助參考之用。

當前，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。我國的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，可在短時間內對具體仰角進行掃描，仰角范圍為0.5°～19.5°。第一個仰角用來測定反射率因子，探測范圍為460 km以內，第二個仰角用來測定速度，探測范圍為140 km左右，可通過模糊處理達到230 km，以上2個仰角都掃2圈。VCP11一共有14個仰角，轉16圈的用時約為5 min，VCP21有9個仰角，轉11圈用時約為6 min。VCP21相對于VCP11而言，掃圈數少，但總用時卻比VCP11短，這是因為前者的積分次數比后者多，前者的數據質量也比后者好。晴空模式采用VCP31和VCP32，此兩者均有5個相異仰角。VCP31轉7圈，最低2個仰角一共掃4圈;VCP32轉8圈，最低3個仰角一共掃6圈，整體用時10 min左右。觀測方法要注重對天氣系統發展全過程的把握，為臨近預報提供天氣系統的移動方向、速度及落區等，盡量做到定時、定點、定量預報[3]。

3 新一代天氣雷達產品的應用

3.1 暴雨、短時強降水預報服務

2021年5月23日，受低壓槽前暖濕西南氣流影響，冷渦東進，副熱帶地區的高壓系統北上呈現東西帶狀，寧德市在隨后的24～48 h內迎來了強降水天氣。5月23日500 hPa歐亞大陸中高緯度地區為兩槽一脊形勢，在貝加爾湖附近出現一冷渦，華南地區出現低壓槽，副高繼續北上，向西伸長，出現了副高偏北，徑向發展穩定的環流形勢。5月24日8：00 850 hPa上，寧德市上空500～600 m處已出現一條西南急流帶。此時地面圖顯示，自錫林郭勒盟地區至云貴高原為低壓帶，西南渦尚未建立，海上高壓增強且移動速度緩慢。此次降水為高低空系統配合，持續有一定時間。

雷達回波中具有中尺度特征的回波是引起短時間集中強降水和次生災害的直接原因。預測暴雨和短時強降水的重點在于發現并跟蹤中尺度回波。從雷達回波分析來看，5月23日20：00基本反射率顯示，寧德市部分地區已出現降水，24日05：00降水范圍擴大并且仍在持續，其中東南地區反射率最強，達到50 dBZ。至5月24日14：00，回波移動至中部和北部，東南地區的降水相繼停止，回波穩定且移動速度慢。分析相對徑向速度角度可知，最大速度為-23～22 m/s，0速度帶呈現S型，大氣風向隨高度順時針旋轉，存在暖平流。旋轉曲率大則代表高空有強的垂直風切變，這為低層水汽提供了較大抬升動力，使得整個降水時段中不斷有水汽補充。

分析25日05：00回波頂高可知，寧德市全部地區受此回波影響，回波高度大多時間內穩定在6～9 km范圍內，回波頂最高時為9.3 km，這表明降水云系統深厚且發展穩定。寧德市氣象局在5月21日09：24時發布暴雨藍色預警信號后，根據雷達回波演變和數據資料的分析，后續將藍色預警信號提升至橙色預警信號。在發布預警信號的同時，以電話、傳真、內網通訊等方式通知下屬縣氣象局和有關政府部門，為政府和防汛部門指揮布置防御暴雨工作提供決策依據。此次降水過程中，預測準確、準備充分，除部分地區出現不同程度的內澇外，無重大災情和人員傷亡報告，最大程度地減少了暴雨造成的損失。

3.2 雷雨大風預報服務

2021年3月30日18：05分發布雷電黃色預警，預警內容為：預計未來6 h內，寧德市中心城區和蕉城區的部分鄉鎮有雷電活動，局部伴有短時強降水、7～9級雷雨大風等強對流天氣。據雷達回波顯示，寧德市3月30日午后突發強對流回波（圖1），至晚上20：00回波最大強度始終保持在45 dBZ以上，最強強度為56 dBZ，最高回波頂高14.1 km，回波移動方向為東南西北向，回波分散，影響寧德市，在21：00后才有減弱趨勢。氣象工作人員觀測到強回波后，便在傍晚18：00左右制作并發布了雷電黃色預警。

3.3 低溫預警服務

2021年1月7日高空500 hPa歐亞大陸中高緯度呈現兩槽一脊型，北疆地區的橫槽移動至甘肅中部，寧德市受槽前西南氣流控制。巴爾喀什湖高壓脊緩慢東移，短波槽受冷空氣影響勢力增強并開始影響寧德市，然后配合低層冷渦及倒槽，寧德市出現大范圍降溫、降雪天氣。1月8日和9日南平最低氣溫將降至0℃以下（有結冰），寧德西部達到-7℃～-3℃，7日10：00，寧德周寧和柘榮縣城（浦城、周寧、柘榮國家站）和寧德霞浦三沙國家站都已記錄到間歇性小雪，標志著當地出現今年首場降雪。

此次降雪過程自7日開始，持續到8日，7日10：00雷達回波顯示柘榮和周寧地區有降水回波并且有增強趨勢，在11：56組合反射率最大值達到17 dBZ，下午14：00強度繼續增強，回波在全市上空維持，16：00強度達到28 dBZ。寧德市氣象臺發布寒潮警報，垂直風廓線圖更加明顯，低層風速較小，但風的強度隨著高度增加而增加，在6.9 km的高度，最大風速可達25.7 m/s。在西南氣流的作用下，大氣中的水汽含量充足，回波為西南東北向移動且強度穩定，20：00風廓線圖顯示低層風向開始變化，變化過程為西南風—西風—西北風—東北風，但高空西南風在5.5 km高度仍可達到21.8 m/s。回波較為穩定，降雪范圍在縮小且強度變弱，總體仍為持續狀態。寧德市新一代天氣雷達系統提供的垂直風廓線產品可清楚顯示寧德市上空西南暖濕氣流被干冷氣團逐漸取代的過程，降水期間切變層變化也能清楚地得知。

3.4 人工增雨

基于新一代天氣雷達，結合寧德市區域的地理信息、自動站雨量以及作業炮點等，建立人影預警指揮和效果分析系統，為寧德市實施人影作業提供實用、易操作的作業指揮平臺。通過開展飛機人工增雨外場作業試驗，對作業前后新一代天氣雷達和GPS的不同仰角回波強度的跟蹤探測，對比相鄰的非作業催化區，分析催化作業對雷達回波產生的影響，探尋飛機人影作業效果評估的新途徑。

氣象雷達圖顯示，2020年8月27日有強回波混積云經過寧德市，這是一次良好的人工增雨作業時機。寧德市8縣（市、區）氣象部門抓住有利時機，共開展人工增雨作業12次，其中，蕉城、霞浦、福鼎、屏南、福安、柘榮、古田為發射人工影響天氣作業彈，周寧為燃放增雨催化煙條，共計發射火箭彈35枚，燃燒煙條11根，增雨效果十分明顯。此次人工增雨對改善土壤墑情、增加水庫蓄水、降低森林火險等級、凈化城市空氣質量起到積極作用，對寧德市的旱情也起到了緩解作用。截至27日20：00，蕉城從重旱轉為輕旱，福鼎也從中旱轉為輕旱。

4 雷達分析過程中應注意的問題

當前，新一代天氣雷達中產品較多，一般數據會集中表現基數據顯出的強度、速度和譜寬圖，即基本產品。對于其他各種產品則只能作為參考，尚不能作為定論依據，最終結果仍需對觀測資料進行綜合分析。根據已有經驗模型進行數據分析時，要著重檢驗這些模型的物理含義，不能出現歧義，尤其是形態學上的特征不能混用，當2個工作人員對回波類型判斷不一致時，最好不要確定該回波特征。比如鉤狀回波的表現是必須有上升氣流，所以判斷時必須存在上升氣流才能判斷那里有鉤狀回波。有些回波和天氣系統是一對多的關系，比如帶狀回波可以由鋒面、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

新一代天氣雷達提供的數據在預報會商中起著重要的作用，可準確提供強降水的開始時刻、降水落區、降水時段和演變過程、降水相變轉化等，使得決策人員能快速確定預警級別，同時增強氣象預報員的預測信心，更能全身心投入工作中。及時判斷出災害性天氣可能造成的影響，能夠最大限度地避免暴雪和道路結冰等所造成的損失。

參考文獻

[1] 張小娟，張誠忠，齊大鵬，等.雷達資料在一次大范圍冰雹天氣過程中的同化試驗分析[J]. 氣象，2022，48（1）：61-72.

[2] 戴勁，鄧潔瓊，何寧，等.新一代天氣雷達產品在雷電業務中的應用[J].河南科技，2021， 40（16）：132-134.

[3] 張東明，盧興來，王志誠，等.基于新一代天氣雷達產品預警系統設計研究與應用[J].浙江氣象，2021，42（4）：29-32.

責任編輯：黃艷飛

Application of New Generation Weather Radar Products in Meteorological Disaster Prevention and Reduction Services

ZHANG Ying et al（Ningde Meteorological Bureau， Ningde， Fujian 352100）

Abstract Weather forecast and early warning need a large number of detailed and effective meteorological data as support. With the increasing demand of social development for meteorological services， the role of the new generation of weather radar in meteorological disaster prevention and reduction services is becoming more and more important. By analyzing radar echo products to identify disastrous weather and predict its evolution trend， combined with the work experience of forecasters， the prediction conclusion is finally drawn， which is an important monitoring and command means for meteorological disaster prevention and reduction.

Key words New generation weather radar; Meteorological services; Disaster prevention and mitigation; Weather forecast