新一代天氣雷達在氣象服務中的應用分析

摘 要：當前階段，新一代天氣雷達在氣象服務中發揮出越來越重要的作用，尤其是可以有效地監測災害性天氣，如大風、冰雹、暴洪等。從組成部分、探測原理、觀測模式3個方面介紹了新一代天氣雷達，分析了新一代天氣雷達在氣象服務中的應用，包括災害性天氣的監測和預警、定量估測大范圍降水、增強人工增雨的效果，并探討了新一代雷達數據在氣象服務中的應用前景。

關鍵詞：新一代天氣雷達；氣象服務；強對流天氣；人工增雨

中圖分類號：P49 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

雷達被稱為“無線電定位”，是利用電磁波探測目標的電子設備。天氣雷達是探測降水的主要手段，被認定為探測降水的“千里眼”?，F階段，新一代天氣雷達獲得良好發展，并且處于不斷完善的狀態，可以對強對流天氣進行有效的監測和預警。從探測分辨率、探測方式、探測范圍等角度看，新一代天氣雷達是監測強對流天氣的最佳探測工具，可以有效滿足強對流天氣監測和預警要求。當前，所應用的新一代天氣雷達較為成熟，顯著優勢是有很強的探測能力，可獲取風場信息、定量估測降水，功率大、靈敏度高，對我國的氣象工作具有重要意義[1]。在氣象服務中，新一代天氣雷達的應用已經較為廣泛，如可以提高短時臨近天氣預報水平，有效應用于氣象防災減災服務，防災減災效果較好。因此，在氣象服務中應用新一代天氣雷達是必然趨勢，而且新一代雷達在氣象服務中的應用具有積極意義。

1 新一代天氣雷達的概述

1.1 組成部分

新一代天氣雷達主要涉及計算機技術、無線電探測和測距技術、通信技術，集氣象數據的采集、加工、分配傳輸、存儲等功能于一體，數字化程度與自動化程度較高，是一種先進的雷達系統。當前，新一代天氣雷達主要由三大部分組成，即雷達數據采集、產品生成、用戶終端。新一代天氣雷達數據采集子系統是RDA系統，其為雷達硬件的實體部分，主要由發射機、雷達監控、定時器、接收機、信號源、隨動系統、信號處理器組成。所應用的新一代天氣雷達裝有RDASC，接口裝置、終端設備是主要組成部分，可以準確操控雷達的運行，同時可以監控設備參數與收集氣象數據，自動標定與誤差校對[2]。在沒有人工操控的條件下，RDA系統可以獨立完成工作任務，可靠性強、應用廣泛、便于維護。我國新一代天氣雷達CINRAD有7種型號，包括C波段的CA、CB、CC、CD型天氣雷達和S波段的SA、SB、SC型天氣雷達，基本上實現國土全覆蓋，在氣象服務中發揮著重要作用。

1.2 探測原理

新一代天氣雷達重點利用以波動形式傳播的電磁場，對目標物進行無線電探測和測距。在大氣探測時，新一代天氣雷達主要依靠發射一系列脈沖電磁波，利用云雨等降水粒子對電磁波的散射和吸收，通過接收返回的回波信號探測降水的空間分布和垂直結構。值得注意的是，新一代天氣雷達是當前階段進行強對流天氣監測和預警的主要工具，其工作原理不同于利用二次輻射波的擴散分布進行測距和測速的傳統雷達技術。應用新一代天氣雷達時，需要通過無線電裝置提供大功率射頻信號，在此基礎上對頻率綜合器輸出的小功率高頻信號進行處理，即進行高功率放大，然后經過波導饋線與鐵氧體天線收發開關，由天線將能量有效地輻射至空間。例如，積雨云、霧等目標物對雷達電磁波的散射，以及晴天大氣衍射的電磁波可以被天線接收，然后經過接收機進行轉化，形成中間頻率的數字信號形式。在經過數據處理、信號提取后，可以輸出徑向速度、強度、速度離散程度的度量等參數信息，在終端設備上形成所需要的圖像產品數據，并通過網絡通信的方式將圖像產品數據發送給用戶，幫助用戶判斷天氣狀況。

新一代天氣雷達廣泛應用計算機、數字技術，從而提供數字化的觀測數據，并形成圖像產品數據。以新一代S頻段（10 cm）和C頻段（5 cm）多普勒天氣雷達系統為例，其可以有效地監測和預警暴雨、熱帶氣旋、強對流等重要天氣系統，估測降水量。在網絡技術與探測技術雙重發展的背景下，新一代天氣雷達的發展前景良好，已投入使用的雙偏振探測功能使得新一代天氣雷達的性能得到大幅提高。此外，新一代天氣雷達所獲取的初步數據需利用SuperMap GIS的技術體系處理引擎，并分析新一代天氣雷達所獲取的初步數據，包括數據的存儲、管理、分析、可視化等方面，從而為氣象等相關領域提供強大的技術支持[3]。?

1.3 觀測模式

在臨近天氣預報中，時間段通常指的是未來0～2 h的天氣預報。強對流天氣、暴雨、大風等具有突發性和快速發展的特點，需要在極短的時間內（1 h內）做出預警和應對。在高精度的臨近型天氣預報中，要求應用科學先進的雷達觀測技術，提供準確可靠的氣象數據資料。新一代天氣雷達中多應用多普勒天氣雷達，其探測能力強，速度及譜寬分辨率能夠達到250 m，反射率因子的分辨率能夠達到1 km。

在我國雷達業務觀測，主要是采用WAR-88D雷達基數據資料格式，體掃模式有VCP11和VCP21，具體仰角的掃描作業能夠在短時間內完成，仰角范圍通常為0.5°～19.5°。測定反射率因子時，可以應用第一個仰角，探測范圍通常在460 km內；測定速度時可以應用第二個仰角，探測范圍通常在140 km內，要求第一個仰角與第二個仰角均掃2圈。在VCP11中，共有14個仰角，5 min可以轉16圈；在VCP21中，共有9個仰角，轉11圈需要用時6 min。在沿海和多強降水的地區，我國布設了S波段的SA、SB、SC型天氣雷達；在強對流天氣發生和活動較頻繁的中部地區，布設了C波段的CA、CB、CC、CD型天氣雷達。在實際應用新一代天氣雷達時，需要確保S波段與C波段的天氣雷達發揮出良好的探測能力，注重應用各種處理軟件對降水進行定量估測，同時在雙偏振探測功能的支持下獲取風場信息。

2 新一代天氣雷達在氣象服務中的應用

2.1 災害性天氣的監測和預警

在氣象服務中，新一代天氣雷達已經發展為重要工具，需高度重視新一代天氣雷達的推廣應用。在對災害性天氣、強對流天氣進行監測和預警的過程中，可以從以下3個方面促進新一代天氣雷達的應用。

第一，將計算機與新一代天氣雷達有效連接，形成數字化新一代天氣雷達系統，利用其數字化處理功能獲取災害性天氣的數字化觀測數據。在此基礎上，利用計算機對數字化觀測數據進行分析、整理及再處理，最后形成的圖像產品數據直接服務于災害性天氣的預警。

第二，強調通過新一代天氣雷達有效監測強對流天氣。以2019年的臺風“利奇馬”為例，通過新一代天氣雷達的監測有效獲取臺風“利奇馬”登陸前后的雷達回波圖，可以看到結構緊密、風眼清晰、有明顯的外圍螺旋雨帶的特征。如此一來，氣象部門可以對氣象數據信息進行分析論證，基于探測信息進行臺風“利奇馬”的預報和防御。

第三，?在雷達回波中，中尺度特征的回波是導致短時間集中強降水和次生災害的直接原因和重要因素。應及時發現和跟蹤中尺度特征的回波，獲取重要參考信息，有效監測和預警暴雨和短時強降水。綜合分析雷達回波演變和數據資料后，若確定是強對流天氣，則可以通過多種方式對強對流天氣進行預警，并確保氣象數據信息第一時間傳輸至政府有關部門，支持政府有效應對強對流天氣，最大限度地降低強對流天氣的危害性。

2.2 定量估測大范圍降水

新一代天氣雷達是探測降水系統中的主要手段，當前已經設計出新一代天氣雷達降水估測系統，在定量估測大范圍降水與氣象服務中發揮著重要作用。新一代天氣雷達降水估測系統采用的是基于NET框架結構的Microsoft Visual Studio，基本上可以實現1 h降水場估測，同時確保定量估測大范圍降水的準確性。若是滑坡泥石流易發區、地震重災區，則可以應用新一代天氣雷達定量估測大范圍降水，獲取到準確、全面的降水預報預警信息，為后續的氣象工作提供

服務[4]。

新一代天氣雷達降水估測系統包括四大模塊，即遠程服務器自動連接模塊、雷達基數據更新模塊、雷達降水估測模塊、數據預處理模塊。在監測與連接遠程服務器時，可以利用遠程服務器自動連接模塊，及時下載實況降水資料、雷達基數據壓縮包，為后續進行定量估測大范圍降水做好準備；應用雷達基數據更新模塊更新雷達基數據等資料；應用雷達降水估測模塊，結合實況降水資料對大范圍降水進行定量估測，但在應用新一代天氣雷達降水估測模塊時，必須獲取全面的雷達回波信息，對中尺度回波進行跟蹤，綜合分析雷達回波信息，確定降水范圍是否擴大，同時確定在降水時段是否有水汽不斷補充，掌握大范圍降水過程中的實際情況；在應用數據預處理模塊的過程中，要注重對新一代天氣雷達數據進行清洗、轉換、集成、歸納等，這一過程中注重應用當前成熟的大數據處理技術，有效除去新一代天氣雷達數據中的冗余、噪聲、不一致性，從而使新一代天氣雷達數據更加準確、可靠、完整，便于后續進行高質量的數據分析。

降水較多且出現大范圍降水時，會導致新一代天氣雷達降水估測系統的大范圍降水定量估測范圍擴大，用時也更長。因此，應加快新一代天氣雷達降水估測系統的解算速度，且注重應用無損壓縮解壓技術，自動生成每小時的大范圍降水定量估測場數據。此外，可結合實際需求調整新一代天氣雷達降水估測系統的分辨率，在多山區、海拔高差較大的地區，可以調整為0.25 km×0.25 km。

2.3 增強人工增雨的效果

氣象服務中應用新一代天氣雷達，結合自動站雨量、地理信息數據、作業發射點，建立起所需要的人影預警指揮和效果分析系統，支持后續的人影作業。人工增雨方面，在飛機人工增雨外場作業試驗中應用新一代天氣雷達，可以增強人工增雨的效果，有助降低森林火險等級、改善土壤墑情、凈化城市空氣、增加水庫蓄水。具體而言，在飛機人工增雨外場作業試驗的前后，跟蹤探測新一代天氣雷達、GPS的不同仰角回波強度，詳細對比分析相鄰的非作業催化區，確定出催化作業對雷達回波所產生的具體影響，并結合新一代天氣雷達調整或優化人工增雨。在新一代天氣雷達的監測中，當發現有強回波混積云經過時，可以考慮進行人工增雨，氣象部門應抓好有利時機，科學有效地開展人工增雨作業。

3 新一代天氣雷達數據在氣象服務中的應用前景

新一代天氣雷達在氣象服務中的應用越來越廣泛，所發揮出的重要作用值得肯定。在氣象服務活動中，新一代天氣雷達數據也將發揮出重要作用，應充分明確新一代天氣雷達數據在氣象服務中的應用前景，發揮新一代天氣雷達數據的作用。

當前，新一代天氣雷達數據通常采用二進制格式存儲方式，結合對應的數據說明文檔，進行解碼和后續處理，生成雷達產品[5-7]。在處理新一代天氣雷達數據時，應用較多的是Python庫，如PyCINRAD、wradlib、PyArt。但單純地對新一代天氣雷達數據進行解析是不夠的，還必須嚴格控制新一代天氣雷達數據的質量，更好地識別強對流天氣、定量估測大范圍降水，并確保高精度。當存在速度模糊、超折射、地物雜波、距離折疊等問題時，會導致新一代天氣雷達數據中混入錯誤數據或混入無效數據?；夭▓D上發現有多個形態的異常回波，如噪點、扇形、環狀、線狀，無法精準識別強對流天氣與定量估測大范圍降水。因此，在氣象服務中應用新一代天氣雷達，必須高度重視新一代天氣雷達數據的使用及其質量的控制，注重應用精度更高的質控算法。

為進一步發揮新一代天氣雷達數據的重要作用，應注重大數據技術手段的應用，考慮進行基于大數據的產品研發與評估，利用大數據技術手段，提高新一代天氣雷達數據的應用成效。在基于大數據技術手段的新一代天氣雷達數據創新應用中，重視大數據挖掘技術的推廣應用，并積極依托氣象大數據平臺，挖掘出氣象服務活動中有價值的數據信息，以促進新一代天氣雷達數據的深加工、增值及應用服務，從而為今后的氣象服務工作提供更為良好的氣象數據支持[8-11]。

在基于大數據技術手段的新一代天氣雷達數據創新服務中，著重把握好“實況觀測資料”“加工分析產品”“預報預測產品”這三大服務。以“實況觀測資料”這一服務為例，強調全方位獲取地面氣象資料、農業氣象資料、輻射氣象資料、高空氣象資料、海洋氣象資料、環境氣象資料、雷達探測資料、衛星氣象資料，注意沙塵、高溫、冰凍、霧霾、雷暴、暴雨、積雪等氣象災害。對所獲取的新一代天氣雷達數據，通過大數據技術手段進行加工分析，形成高質量的高時空分辨率網格化分析數據和多源數據融合產品。

4 結束語

當前階段，新一代天氣雷達監測網已經基本建成，具有規模大、技術先進的優勢，可以有效監測預警所在地區的各類災害性天氣，尤其是提高短時臨近天氣預報水平。新一代天氣雷達在氣象服務中發揮著越來越重要的作用，大范圍應用新一代天氣雷達已是必然趨勢，當前取得的成果值得肯定。氣象服務中新一代天氣雷達的觀測時，要強調全過程把握天氣系統發展，同時關注臨近天氣預報，重點是為臨近天氣預報提供天氣系統的3種重要信息，即移動落區、移動速度、移動方向，達到定點、定時及定量的預報。在未來，天氣雷達要不斷更新和利用新興技術，進一步為氣象服務提供技術支撐。

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收稿日期：2024-08-11

作者簡介：楊建平（1967—），男，廣東揭陽人，工程師，研究方向為氣象綜合觀測。