见证天气雷达的“前世今生”——记中国气象局气象雷达探测工程总设计师高玉春

胡 敬

高玉春调试首台雷达

天气雷达是综合气象观测系统的重要组成部分，我国已经完成了216新一代天气雷达业务布网，投入了日常的业务运行。现为中国气象局气象雷达探测工程总设计师的高玉春，是一名新一代天气雷达的参与者，也为此奋斗了30多年。

作为一名气象雷达领域的科研者，他已经在该领域钻研了40多个年头。在这40多年里，我国的气象雷达事业蓬勃发展，高玉春作为参与者，与同伴一起奋斗共同推动了我国气象雷达发展的进程，在我国气象雷达发展史上留下了不可或缺的身影。

雷达生涯的开始

高玉春是迎面撞入我国气象雷达发展的时代的。

20世纪70年代，正逢科学界学科交叉现象不断加剧，国家鼓励发展边缘学科。在这种形势下，南京气象学院（现南京信息工程大学）开办了大气探测专业，主攻天气雷达及气象卫星等大气主动、被动遥感技术方法及探测资料的分析应用。彼时，国家恢复高考制度，一大批学子得以通过高考进入大学，进入更高层次的知识殿堂。时代的大门朝着一大批高中学生敞开，高玉春便在其列。就是在这样的时代环境下，1979年，高玉春进入南京气象学院大气物理系大气探测专业学习，一脚踏进了气象雷达研究领域。

高玉春说，他真正对气象雷达产生兴趣是从图书馆开始的。那时他刚刚进入本科，闲暇时喜欢在图书馆翻看书籍，正好翻到一本美国出版的关于气象雷达的杂志，书中详细介绍了气象雷达的用处。那一刻，变幻莫测的云雾、惊险刺激的雷电等大气现象在他的脑中浮现。这些影响着百姓生活方方面面的自然现象，原来是可以被探测到的，高玉春心想。多年后，当高玉春回忆起图书馆那一幕的时候，他说，后来多年从事气象雷达探测的研究生涯，应当是从那时起的。

自那以后，高玉春开始对气象雷达感兴趣，琢磨与气象雷达相关的理论和实践，努力钻到该领域的更深处。本科毕业时，他被分配到中国气象科学院雷达组工作。那时正是20世纪80年代初，我国使用的虽依然是常规气象雷达，但雷达网已经初具规模，国家亟须培养在雷达研究方面具有较强实践能力的人才，因此高玉春来到气象科学院后，能力得到了充分的锻炼。从天气雷达机务、雷达标定再到逐步掌握计算机数据处理及雷达数据处理系统。总之，这期间的他就如海绵般，默默无闻地从工作和学习中吸收着尽可能多的经验，不断地积蓄自己的力量。他参与开发的714CD、714SD多普勒天气雷达获得成功，他还将从国外引进的多普勒雷达中由小型机组成的数据采集与处理系统，成功地采用微型机替代，确保了雷达正常工作。

研发过程中的艰辛

与葛润生导师（右2）、林学范老师（右1）及外国专家合影

与大气探测专业创建者张培昌老师（右1）合影

1994年是我国天气雷达发展历程中的重要时间节点。在那之前，我国的气象雷达一直为20世纪60年代至80年代自行研制生产的常规雷达，其探测能力、性能指标和可靠性已经无法满足防灾减灾和经济发展的实际需求。将雷达技术体制由数字化转向多普勒技术，从而解决径向风场测量问题，提高探测精度，成为雷达发展的下一步趋势，而这一领域一直都是以美国NEXRAD计划，采用WRS-88D雷达的全相参多普勒技术为引领的。

当时，国内雷达专家有两种选择：一是从美国购进多普勒雷达；二是和美国合作引进全相参技术，解决雷达技术问题。要知道，在当时，一台整机进口雷达约耗资400万美元，而我国尽管已经经过了十余年改革开放，但由于经济底子薄，经济总量还不足以支撑美国主流雷达在国内布网。加上我国国土辽阔，气象灾害种类多且频发，对雷达的需求量非常大，因此后者是一种各种因素衡量下的必然选择。

于是，一场和美国雷达公司的谈判势在必行。1994年，在时任中国气象局局长邹竞蒙的主导下，高玉春作为谈判小组一员与美国洛克希德·马丁公司开展了一场历时2年的合资谈判。

据高玉春回忆，那是一场艰难的谈判。起初，美方认为我国天气雷达技术落后，提出了非常强硬的技术转让方案。面对美方的强硬态度，我方紧握中国巨大的市场潜力及美国军工企业在冷战结束后迫切需要开拓国际市场等筹码，在谈判中张弛有度，步步为营，终于扭转了局面，使美方最终同意了中方提出的合作技术投入和分成方案。

至此，我国成功引进了当时美国最先进的全相干多普勒雷达技术，并成立了中美合资雷达企业敏视达公司。从此，我国开始了新一代天气雷达布网的初始阶段，而高玉春也开启了他在敏视达公司为我国开发新一代天气雷达系统的研究生涯。

提起首次开发新一代天气雷达系统的情景，高玉春还是会发出这样的感叹：“那时候太紧张了，几乎没有睡过一个安稳觉。”那时，作为现场负责人的高玉春带领众人一起在合肥雷达塔楼进行系统调试，当时所有人心里都有些忐忑，毕竟都是第一次接触这种新技术。调试系统是一项熬人的工作，干到半夜是常有的事，往往到了后半夜的时候，大家才会精疲力竭地坐在椅子上缓缓睡去。但睡却是睡不好的，雷达在发射高压状态进行立体扫描的时候会不断地发出“嗞嗞”的声音，这种声音伴随着技术人员沉重的睡眠呼吸声回响在黑暗里。然而等雷达的高压发射完毕，“嗞嗞”声停止，高玉春等人总是会从睡梦中猛地惊醒，担心雷达是否出问题了。直到雷达再次发出“嗞嗞”声，才又重新坐回到椅子上睡去。在这种高度紧张的状态下，高玉春等人最终成功开发出了我国新一代S波段的CINRAD/SA多普勒天气雷达系统。

与外国专家交流

在作为软件负责人开发雷达软件系统过程中，高玉春着力解决雷达软件运行不稳定问题，经过仔细分析，查出软件问题，对关键部分重新设计，解决了雷达软件从运行十几分钟死机到可以稳定运行几十个小时的关键问题。在小批量生产过程中，在全面掌握天气雷达系统的情况下，对系统中出现的软硬件问题，逐个进行解决，确保雷达达到可交付使用的状态。他尽最大努力做好技术工作，组织编写各种技术资料，最终顺利完成了从小批量到批量生产气象雷达的交接工作。

在此之后高玉春进一步主持开发了C波段的CINRAD/CA、CB雷达系统。在该系统的主持开发中，他充分利用在S波段雷达成熟的技术，开展技术复用，并大胆使用当时技术上刚刚出现的数字中频技术，填补了当时敏视达在雷达系统中的技术空白。CA雷达首先在韩国气象系统使用，架设在眠峰山上，曾经获得了韩国气象局年度评比第一。同时为了发挥雷达软件的作用，高玉春制订了详细的总体实施方案，将敏视达的软件系统进行适应性移植，使之适应国内多个型号的软件，并且使之作为一个通用的气象雷达应用软件包，可以接在我国新一代天气雷达网中的其他雷达上，生成各种气象产品，从而达到中国新一代天气雷达设备级应用软件的统一要求。值得一提的是，目前CINRAD/CA雷达系统已经用于中国气象局布网，CINRAD/CB已经在国内布网完毕，这些成果为我国新一代天气雷达在全国布网奠定了基础。

曾有人在回顾我国新一代天气雷达的发展过程时总结道，如果说1994年的那场谈判是我国天气雷达事业进入新阶段的开始，那么1998年的洪水则为这个过程按下了加速键。1998年，我国长江中游和东北嫩江—松花江流域发生了历史上罕见的特大洪水灾害。那年7月31日，时任中国气象局局长温克刚向国务院呈送《关于加强防汛抗洪支持新一代天气雷达网立项建议》的报告。8月1日，时任国务院总理朱镕基批示：气象工作在这次防洪抢险中成绩突出，应对气象局所提雷达更新项目给予重视。

从S波段雷达系统到C波段雷达系统的开发，高玉春等新一代天气雷达的初创者奠定了我国气象雷达技术在此后近20年的水平基础。由他主持和作为骨干参加开发的新一代雷达系统，在国内布网100多部，在天气监测中发挥着重要作用，并且出口罗马尼亚、韩国和印度，得到了国际气象界的认可。从那以后，我国气象雷达事业的发展开始以奔跑的速度不断向前发展。

守望祖国的“千里眼”

2004年，高玉春到中国气象局气象探测中心工作，在这里，他开始进一步展开和落实我国的雷达建设工作和雷达网的保障工作。2004年年底，他通过试验，找出雷达相关软件在运行、全国通信线路状态等方面的问题，实现了对雷达的监控试验，此后对雷达的状态监控成为探测中心的实时业务。除此之外，随着保障工作的开展，他还根据雷达保障工作的各个方面考虑，制订了新一代天气雷达保障方案，于2006年起逐步建立雷达三级保障体系。考虑到雷达保障体系的运行是一个非常重要但烦琐的过程，每个环节都不能出错，随着时代的发展，面对新情况，他在建立保障体系的基础上又提出了建立雷达质量监督业务，针对全闭环系统，从需求、设计、开发、样机、试验、考核、定型、布网、运行等方面，全面开展质量监督工作，特别是对供应商提供的设备进行监督考核，促进供应商改进设备质量。在他的努力下，我国雷达的保障体系不断完善，全国200多部雷达组成的雷达网稳定运行能力也逐步提高，成为守望祖国大地的“千里眼”及重要时刻的风云“记录者”。

在新一代雷达软件系统的研发过程中，高玉春负责了新的雷达软件的总体设计和集成工作，编写总体需求书、实施方案等工作，组织软件开发工作。在他的规划中，作为雷达台站使用的软件，将在未来几年内得到广泛的使用。

2017年8月23日，台风“天鸽”叠加天文大潮向华南地区奔袭而来。当天，一张“天鸽”的“CT扫描图”刷爆朋友圈：从海平面至高空12公里对“天鸽”台风进行三维实时观测。这是分布在珠三角的新一代气象雷达三维回波图，图上不仅可以清晰地“看到”台风眼区的结构，甚至连其外围螺旋雨带都清清楚楚。在这次过程中，雷达对台风的准确探测、对其内部结构的精确剖析，为相关部门预报台风路径、强度及其风雨影响提供了极大的便捷，也为国家有关部门和相关区域部署防御工作以及广大群众自救互救提供了强有力的支撑，极大减少了台风带来的人员伤亡和经济损失。

气象雷达对台风等自然现象的及时预测，自然离不开不断增强的雷达网体系，但高玉春并没有止步于此。2019年，他担任中国气象局气象雷达探测工程总设计师，全力开展与雷达建设相关的工程项目，同时对天气雷达站的选址、系统测试等工作把关。在这期间，为了进行雷达新应用软件的接入实验准备工作，他曾深入西藏那曲等地，一边克服高原反应，一边完成相关任务。另外，2020年疫情期间，针对新冠病毒造成的困难，他创造性地提出了采用远程视频与现场结合开展测试雷达工作方法，确保了全年雷达质量测试进度。他还提出了山地雷达的基本概念并在西部山区布设的建议，力图不断完善我国气象雷达网的布局。

事业的传承

如今，在高玉春等一批雷达研究者的奔波和努力下，我国新一代天气雷达已经发挥了20年作用。但高玉春并不满足于此，他说，我国是气象雷达应用大国，未来需要向气象雷达技术强国迈进，所以，我国雷达研究事业也将会进入新的提升阶段。因此，他带领后辈们，开展了针对新型雷达技术的研究，用以满足不同领域的业务需求，以此推动我国气象雷达事业走向未来。

在关于风廓线雷达研究中，他带领年轻一代的研究者们通过研究影响风廓线雷达测风精度的因素，形成了风廓线雷达可信度标识算法，并给出了数据质量等级，为定量化业务应用建立了基础。同时，他还分析了不同天气条件下风廓线雷达基本探测产品，研发了高低空急流、高低空风切变、温度平流等能够反映天气特征的探测产品，为强对流、降雪、雾霾等天气预报提供了强有力的支撑。另外，在雷达可信度方面，他对全国6个厂家的风廓线雷达进行测试，分析参数找出问题，指导厂家进行改进，同时针对风廓线的关键部分信号处理，提出增加原始I/Q数据的记录，便于事后改进风廓线的信号处理方法，改进对相关估值的算法，提高风廓线雷达数据的可信度。

不只是风廓线雷达，高玉春还对云雷达进行了研究，通过实验发现云雷达在代替人工观测云量、云状等方面，具有很大的优势。多年的研究赋予了他对雷达研究领域相当全面且深入的了解，随着激光技术越来越成熟，他敏锐地抓住了这个时机，利用火炬项目，主持了测风激光雷达和气溶胶激光雷达的开发工作，目前样机已经开发完成，通过实验比对，激光雷达测得的风与铁塔测风一致性很好。

高玉春

谈起雷达的技术升级，相控阵雷达技术已然是一个避不开的发展方向。目前传统的业务天气雷达技术采用的是抛物面天线，单一波束收发，通过在水平面上不断地旋转天线，在垂直方向抬升仰角方式，获得降水的三维结构，实时监测降水发生情况。然而随着技术的进步和成本的不断降低，采用相控阵技术的雷达已经在悄无声息中成为了下一代雷达发展的趋势。相比现有雷达的机械扫描方式，相控阵采用电子扫描，可以快速获得降水的三维结构，使目前采用获得降水结构的扫描速度从6分钟提高到1分钟。高玉春说，目前虽然欧洲还没有开展关于相控阵天气雷达的研究，但美国已经开发了很多用于试验的相控阵天气雷达，极大地促进了相控阵天气雷达的发展。当他带领团队经过进一步研究后，发现采用平面相控阵由于其随扫描角度变化的波束特性，在进行精确极化测量方面具有固有的局限性，而曲面相控阵天气雷达具有一定的优势，可克服波束特性恶化的问题，并可以完成全空域的探测，消除雷达盲区。就此，他提出了开展曲面相控阵技术研究的建议，这是提高相控阵天气雷达技术水平、应用水平的一个快捷之路。高玉春总结道，这是我国天气雷达事业发展的新的节点，也是他研究生涯中新的挑战。

高玉春很清楚，气象雷达事业的发展是一个长远的目标，单靠一代人的努力是远远不够的，因此，他将会全身心带领年轻一辈的研究者们踏上我国雷达事业新的征程，进一步推动我国雷达技术的升级。“伟大的事业需要一代一代人的努力，前辈带领我们走过一个又一个里程碑，现在需要我们带领后辈继续走向未来。”高玉春笑着说道。