省大气探测技术中心在全国首次制定气象灾害预警信号新一代天气雷达组网技术提升我省气象应急能力

文/蒹葭

省大气探测技术中心在全国首次制定气象灾害预警信号新一代天气雷达组网技术提升我省气象应急能力

文/蒹葭

广州气象雷达站

去年正式实施的《广东省气象灾害防御条例》明确指出，气象部门发布暴雨红色预警信号为停课信号，孩子即可放心地呆在家中，无须确认教育部门或学校有没有发通知。但你可知道，每一个预警信号的发布背后，凝聚着科研人员的众多心血。正是有了广东省大气探测技术中心、广东省气象台、北京敏视达雷达有限公司等单位共同完成的“广东省新一代天气雷达组网关键技术创新及应用”的技术成果，我省才能在全国首次制定并发布气象灾害预警信号。项目的实施减少了突发性气象灾害带来的经济损失，该技术已在国内多个省市及韩国、印度等国推广应用。

获得“鲁班奖”的广州雷达楼

雷达网覆盖全省区域

1994年，珠江流域特大暴雨致洪，广东全省2/3面积受灾，直接经济损失146亿元；1996年，15号强台风“莎莉”重创广东，全省直接经济损失129.03亿元，受灾人930万，死亡208人，伤6145人……广东地处台风、暴雨和强对流天气频发的区域，自然灾害及其产生的次生、衍生灾害连年不断，平均每年因受气象灾害造成的损失约占国民生产总值的3%—5%。

“天气雷达是探测灾害性天气的重要手段，但早期我省非数字化雷达不能满足台风和暴雨的精确预警预报。广东迫切需要建设新一代天气雷达系统来监测灾害性天气。” 广东省大气探测技术中心（以下简称大气探测中心）主任敖振浪告诉记者，1996年8月，他们提出立项申请，在广州建设我省第一部天气雷达。

1999年，广州雷达站开始建设。在对广州周边的白云山、牛头山等16个山头进行多次实地勘察后，经反复论证，他们确定了番禺大镇岗作为广州新一代多普勒天气雷达站的站址。2000年年底，广州雷达站建成，并于次年顺利通过验收。时任副省长李容根做出重要指示，说“这是我省气象业务现代化建设的一件大事，标志着我省中尺度灾害性天气预警系统建设和防灾减灾工作取得了新的成就”。

“十五年”组一网，到2015年，大气探测中心总共完成12部雷达的建设，基本完成广东雷达组网，它们分布在湛江、深圳、汕头等地区，完全覆盖广东省区域。各雷达站建筑风格各异，其中广州雷达楼还获得“鲁班奖”。

同时，为了解决雷达建设、组网、应用和应急服务技术难题，提高新一代天气雷达组网、协同监测能力，项目团队一边建设，一边研究创新，成功开发单站雷达基数据合成技术、全省雷达同步观测技术和雷达探测一致性标校技术等三大技术；建成短时临近预警预报应用平台SWANWEB、人工影响天气作业指挥平台和雷达数据通用接口共享平台等三大平台。

12部雷达实现同步探测

雷达建成了，但更主要的是要组网才能发挥出雷达应有的威力。雷达为什么需要组网？敖振浪介绍说，每部雷达本身是独立建设、单独探测运行的，不管单部雷达的性能多高，单打独斗独部雷达的性能多高，单打独斗独立探测运行也只能在230公里范围内的较小区域发挥作用。然而，天气尺度往往是几十公里至几千公里以上，如果各个雷达不能协同探测，就无法有效地捕抓和跟踪天气过程。

项目组遇到了第一个难题，全省12部雷达如何实现同步探测以及技术探测一致性呢？如果不同步探测，会产生6分钟内的观测误差，就可能出现较大回波差异。项目组自主成功开发了一套远程控制软件系统和策略，通过下发天线扫描策略使每个雷达立体扫描完全一致，在全世界率先实现全省组网雷达同步探测。

“全省雷达一致性标校极其重要，不同雷达在同一时间观测同一云体的回波强度可能差别较大，如果数据不准确，预警也不可靠。”敖振浪说，为此，他们创新性提出太阳法标校技术方法，将太阳辐射能量作为空间信号源，对组网雷达的回波强度进行统一定标，对天线增益、波导损耗等参数进行验证；改进了微信号处理电路，具有接收太阳辐射微小信号的处理能力；并自主开发出天线自动指向控制处理软件，定时定点自动对准太阳，接收并处理太阳辐射能量，统一了标准，实现了一致性。

依赖于雷达组网同步探测和一致性标校技术的支撑，项目组在全国率先开发成功的、基于组网雷达应用的短临预报系统SWAN获取到高质量雷达回波数据。

2010年9月，台风“凡亚比”袭击茂名，马贵镇通信中断48小时，其时水库告急，是否需要放水泄洪呢？就在大家束手无策之时，项目组利用雷达定量估测降水帮助政府科学泄洪，抢险成功。

根据雷达液态含水量、回波顶高、回波强度，以及回波悬垂特征归纳出广东冰雹“三大一悬垂”预警指标，我省于2012年首次成功发布冰雹预警。

三大防雷策略解决雷击难题

广东省是全世界雷电灾害最严重地区之一，是全国闪电次数最多省份，仪器设备防雷非常严峻。原来采用了美国雷达防雷方法，但还是无法有效防止雷击。敖振浪说，他们提出一种综合防雷理论，发明了“藕断丝连策略”、“入土为安策略”和“市电隔离策略”三大防雷策略。

“藕断丝连”。接闪避雷针引下线与设备屏蔽地线分离，不接入大楼主钢筋。闪避雷针引下线从大楼外墙引到地下，而机房内部雷达系统设备机壳屏蔽地直接引到地下，两引线各自经过一段较长距离埋地后，在地下迂回到公共地网，形成“藕断丝连”。这样能够让电流在地下大面积泄放。

“入土为安”。项目组首次提出利用低通滤波器原理解决输电线路引入的雷击难题。具体就是，高压电架空而来，变压器前端或者变压器后端的供电线缆用金属管套住引到地下（埋地）。经过较长距离埋地铺设，再进入配电房，埋地长度越长防雷效果越好，一般不少于30米。

“市电隔离”。项目组利用交流电子稳压器和纯在线UPS实现防雷效果。两者都具有消弱和吸收雷电脉冲的能力，因为交流电子稳压器的电感性变压器物理隔离和稳压电路负反馈特性，对瞬变的雷电脉冲起到限幅作用；纯在线UPS工作时电池是直接接入供电线路上的，电池的储能能力足以吸收窄脉冲，保持输出稳定，从而消弱雷电脉冲冲击。“入土为安”和“市电隔离”串联使用，效果更好。

三大策略既解决低频共地等电位问题，防止串扰，又解决瞬态泄流难题。变压器前端埋地可以保护变压器，后端埋地可以保护设备，有效地保护了雷达设备。近十多年，广东雷达没有遭受雷击。该方法被行业标准《新一代天气雷达防雷技术规范QX2-2000》修订版采纳。韩国、罗马尼亚、印度、香港等雷达建设项目中引入此防雷技术方法。

全国首次制定并发布气象灾害预警信号

“正是有了雷达组网关键技术的支撑，我省在全国首次制定敖振浪介绍，2000年11月，我省启用“台风、暴雨、寒冷” 三类预警信号，主要分三级。2006年6月，我省执行新预警信号，共十类，主要分四级。2012年4月，广东首次成功实现冰雹预警发布。2013-2014年，逐时同化的3公里分辨率精细模式业务运行。2014-2015年，新版预警信号修订，基于预警信号的自动停课机制建立。

项目研究人员在实时监控天气变化情况

项目组提出的“雷雨大风预警”信号在全国推广，组网雷达资料在天气预报预警业务中得到了广泛的应用，提高了中小尺度强对流天气的监测和预报预警能力，实现高质量三维雷达拼图。在重大活动中，如2010年广州亚运会和2011年深圳大运会，雷达探测作用举足轻重，为赛事保障提供了优质服务。

项目建设总投资4.22亿元，雷达组网所起作用，据不完全统计，截止到2013年我省产生间接经济效益500亿元（即累计减少500亿元经济损失），加上24亿元直接经济效益，投资回报率达到105倍。 而行业气象服务效益的评估（德尔菲评估法）结果显示我省气象服务效益为投入的97.91倍。

项目组所取得的关键技术成果，不仅在广东省内得到有效应用，还广泛推广到国内外的其他地区。2008年以后，雷达雷电防护技术在国内所有的新建雷达项目中应用。同步探测技术和太阳法一致性标校技术已经被上海、天津、湖北等9省市自治区推广应用。短临预警预报系统（SWAN）也成功应用到吉林、湖南、广西、浙江、海南等5省市自治区气象部门，还提供三防、水利、农林、民航、部队等部门使用，在短时临近预报工作发挥重要作用。