新一代天气雷达在气象服务中的应用分析

摘 要：当前阶段，新一代天气雷达在气象服务中发挥出越来越重要的作用，尤其是可以有效地监测灾害性天气，如大风、冰雹、暴洪等。从组成部分、探测原理、观测模式3个方面介绍了新一代天气雷达，分析了新一代天气雷达在气象服务中的应用，包括灾害性天气的监测和预警、定量估测大范围降水、增强人工增雨的效果，并探讨了新一代雷达数据在气象服务中的应用前景。

关键词：新一代天气雷达；气象服务；强对流天气；人工增雨

中图分类号：P49 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

雷达被称为“无线电定位”，是利用电磁波探测目标的电子设备。天气雷达是探测降水的主要手段，被认定为探测降水的“千里眼”。现阶段，新一代天气雷达获得良好发展，并且处于不断完善的状态，可以对强对流天气进行有效的监测和预警。从探测分辨率、探测方式、探测范围等角度看，新一代天气雷达是监测强对流天气的最佳探测工具，可以有效满足强对流天气监测和预警要求。当前，所应用的新一代天气雷达较为成熟，显著优势是有很强的探测能力，可获取风场信息、定量估测降水，功率大、灵敏度高，对我国的气象工作具有重要意义[1]。在气象服务中，新一代天气雷达的应用已经较为广泛，如可以提高短时临近天气预报水平，有效应用于气象防灾减灾服务，防灾减灾效果较好。因此，在气象服务中应用新一代天气雷达是必然趋势，而且新一代雷达在气象服务中的应用具有积极意义。

1 新一代天气雷达的概述

1.1 组成部分

新一代天气雷达主要涉及计算机技术、无线电探测和测距技术、通信技术，集气象数据的采集、加工、分配传输、存储等功能于一体，数字化程度与自动化程度较高，是一种先进的雷达系统。当前，新一代天气雷达主要由三大部分组成，即雷达数据采集、产品生成、用户终端。新一代天气雷达数据采集子系统是RDA系统，其为雷达硬件的实体部分，主要由发射机、雷达监控、定时器、接收机、信号源、随动系统、信号处理器组成。所应用的新一代天气雷达装有RDASC，接口装置、终端设备是主要组成部分，可以准确操控雷达的运行，同时可以监控设备参数与收集气象数据，自动标定与误差校对[2]。在没有人工操控的条件下，RDA系统可以独立完成工作任务，可靠性强、应用广泛、便于维护。我国新一代天气雷达CINRAD有7种型号，包括C波段的CA、CB、CC、CD型天气雷达和S波段的SA、SB、SC型天气雷达，基本上实现国土全覆盖，在气象服务中发挥着重要作用。

1.2 探测原理

新一代天气雷达重点利用以波动形式传播的电磁场，对目标物进行无线电探测和测距。在大气探测时，新一代天气雷达主要依靠发射一系列脉冲电磁波，利用云雨等降水粒子对电磁波的散射和吸收，通过接收返回的回波信号探测降水的空间分布和垂直结构。值得注意的是，新一代天气雷达是当前阶段进行强对流天气监测和预警的主要工具，其工作原理不同于利用二次辐射波的扩散分布进行测距和测速的传统雷达技术。应用新一代天气雷达时，需要通过无线电装置提供大功率射频信号，在此基础上对频率综合器输出的小功率高频信号进行处理，即进行高功率放大，然后经过波导馈线与铁氧体天线收发开关，由天线将能量有效地辐射至空间。例如，积雨云、雾等目标物对雷达电磁波的散射，以及晴天大气衍射的电磁波可以被天线接收，然后经过接收机进行转化，形成中间频率的数字信号形式。在经过数据处理、信号提取后，可以输出径向速度、强度、速度离散程度的度量等参数信息，在终端设备上形成所需要的图像产品数据，并通过网络通信的方式将图像产品数据发送给用户，帮助用户判断天气状况。

新一代天气雷达广泛应用计算机、数字技术，从而提供数字化的观测数据，并形成图像产品数据。以新一代S频段（10 cm）和C频段（5 cm）多普勒天气雷达系统为例，其可以有效地监测和预警暴雨、热带气旋、强对流等重要天气系统，估测降水量。在网络技术与探测技术双重发展的背景下，新一代天气雷达的发展前景良好，已投入使用的双偏振探测功能使得新一代天气雷达的性能得到大幅提高。此外，新一代天气雷达所获取的初步数据需利用SuperMap GIS的技术体系处理引擎，并分析新一代天气雷达所获取的初步数据，包括数据的存储、管理、分析、可视化等方面，从而为气象等相关领域提供强大的技术支持[3]。‌

1.3 观测模式

在临近天气预报中，时间段通常指的是未来0～2 h的天气预报。强对流天气、暴雨、大风等具有突发性和快速发展的特点，需要在极短的时间内（1 h内）做出预警和应对。在高精度的临近型天气预报中，要求应用科学先进的雷达观测技术，提供准确可靠的气象数据资料。新一代天气雷达中多应用多普勒天气雷达，其探测能力强，速度及谱宽分辨率能够达到250 m，反射率因子的分辨率能够达到1 km。

在我国雷达业务观测，主要是采用WAR-88D雷达基数据资料格式，体扫模式有VCP11和VCP21，具体仰角的扫描作业能够在短时间内完成，仰角范围通常为0.5°～19.5°。测定反射率因子时，可以应用第一个仰角，探测范围通常在460 km内；测定速度时可以应用第二个仰角，探测范围通常在140 km内，要求第一个仰角与第二个仰角均扫2圈。在VCP11中，共有14个仰角，5 min可以转16圈；在VCP21中，共有9个仰角，转11圈需要用时6 min。在沿海和多强降水的地区，我国布设了S波段的SA、SB、SC型天气雷达；在强对流天气发生和活动较频繁的中部地区，布设了C波段的CA、CB、CC、CD型天气雷达。在实际应用新一代天气雷达时，需要确保S波段与C波段的天气雷达发挥出良好的探测能力，注重应用各种处理软件对降水进行定量估测，同时在双偏振探测功能的支持下获取风场信息。

2 新一代天气雷达在气象服务中的应用

2.1 灾害性天气的监测和预警

在气象服务中，新一代天气雷达已经发展为重要工具，需高度重视新一代天气雷达的推广应用。在对灾害性天气、强对流天气进行监测和预警的过程中，可以从以下3个方面促进新一代天气雷达的应用。

第一，将计算机与新一代天气雷达有效连接，形成数字化新一代天气雷达系统，利用其数字化处理功能获取灾害性天气的数字化观测数据。在此基础上，利用计算机对数字化观测数据进行分析、整理及再处理，最后形成的图像产品数据直接服务于灾害性天气的预警。

第二，强调通过新一代天气雷达有效监测强对流天气。以2019年的台风“利奇马”为例，通过新一代天气雷达的监测有效获取台风“利奇马”登陆前后的雷达回波图，可以看到结构紧密、风眼清晰、有明显的外围螺旋雨带的特征。如此一来，气象部门可以对气象数据信息进行分析论证，基于探测信息进行台风“利奇马”的预报和防御。

第三，‌在雷达回波中，中尺度特征的回波是导致短时间集中强降水和次生灾害的直接原因和重要因素。应及时发现和跟踪中尺度特征的回波，获取重要参考信息，有效监测和预警暴雨和短时强降水。综合分析雷达回波演变和数据资料后，若确定是强对流天气，则可以通过多种方式对强对流天气进行预警，并确保气象数据信息第一时间传输至政府有关部门，支持政府有效应对强对流天气，最大限度地降低强对流天气的危害性。

2.2 定量估测大范围降水

新一代天气雷达是探测降水系统中的主要手段，当前已经设计出新一代天气雷达降水估测系统，在定量估测大范围降水与气象服务中发挥着重要作用。新一代天气雷达降水估测系统采用的是基于NET框架结构的Microsoft Visual Studio，基本上可以实现1 h降水场估测，同时确保定量估测大范围降水的准确性。若是滑坡泥石流易发区、地震重灾区，则可以应用新一代天气雷达定量估测大范围降水，获取到准确、全面的降水预报预警信息，为后续的气象工作提供

服务[4]。

新一代天气雷达降水估测系统包括四大模块，即远程服务器自动连接模块、雷达基数据更新模块、雷达降水估测模块、数据预处理模块。在监测与连接远程服务器时，可以利用远程服务器自动连接模块，及时下载实况降水资料、雷达基数据压缩包，为后续进行定量估测大范围降水做好准备；应用雷达基数据更新模块更新雷达基数据等资料；应用雷达降水估测模块，结合实况降水资料对大范围降水进行定量估测，但在应用新一代天气雷达降水估测模块时，必须获取全面的雷达回波信息，对中尺度回波进行跟踪，综合分析雷达回波信息，确定降水范围是否扩大，同时确定在降水时段是否有水汽不断补充，掌握大范围降水过程中的实际情况；在应用数据预处理模块的过程中，要注重对新一代天气雷达数据进行清洗、转换、集成、归纳等，这一过程中注重应用当前成熟的大数据处理技术，有效除去新一代天气雷达数据中的冗余、噪声、不一致性，从而使新一代天气雷达数据更加准确、可靠、完整，便于后续进行高质量的数据分析。

降水较多且出现大范围降水时，会导致新一代天气雷达降水估测系统的大范围降水定量估测范围扩大，用时也更长。因此，应加快新一代天气雷达降水估测系统的解算速度，且注重应用无损压缩解压技术，自动生成每小时的大范围降水定量估测场数据。此外，可结合实际需求调整新一代天气雷达降水估测系统的分辨率，在多山区、海拔高差较大的地区，可以调整为0.25 km×0.25 km。

2.3 增强人工增雨的效果

气象服务中应用新一代天气雷达，结合自动站雨量、地理信息数据、作业发射点，建立起所需要的人影预警指挥和效果分析系统，支持后续的人影作业。人工增雨方面，在飞机人工增雨外场作业试验中应用新一代天气雷达，可以增强人工增雨的效果，有助降低森林火险等级、改善土壤墒情、净化城市空气、增加水库蓄水。具体而言，在飞机人工增雨外场作业试验的前后，跟踪探测新一代天气雷达、GPS的不同仰角回波强度，详细对比分析相邻的非作业催化区，确定出催化作业对雷达回波所产生的具体影响，并结合新一代天气雷达调整或优化人工增雨。在新一代天气雷达的监测中，当发现有强回波混积云经过时，可以考虑进行人工增雨，气象部门应抓好有利时机，科学有效地开展人工增雨作业。

3 新一代天气雷达数据在气象服务中的应用前景

新一代天气雷达在气象服务中的应用越来越广泛，所发挥出的重要作用值得肯定。在气象服务活动中，新一代天气雷达数据也将发挥出重要作用，应充分明确新一代天气雷达数据在气象服务中的应用前景，发挥新一代天气雷达数据的作用。

当前，新一代天气雷达数据通常采用二进制格式存储方式，结合对应的数据说明文档，进行解码和后续处理，生成雷达产品[5-7]。在处理新一代天气雷达数据时，应用较多的是Python库，如PyCINRAD、wradlib、PyArt。但单纯地对新一代天气雷达数据进行解析是不够的，还必须严格控制新一代天气雷达数据的质量，更好地识别强对流天气、定量估测大范围降水，并确保高精度。当存在速度模糊、超折射、地物杂波、距离折叠等问题时，会导致新一代天气雷达数据中混入错误数据或混入无效数据。回波图上发现有多个形态的异常回波，如噪点、扇形、环状、线状，无法精准识别强对流天气与定量估测大范围降水。因此，在气象服务中应用新一代天气雷达，必须高度重视新一代天气雷达数据的使用及其质量的控制，注重应用精度更高的质控算法。

为进一步发挥新一代天气雷达数据的重要作用，应注重大数据技术手段的应用，考虑进行基于大数据的产品研发与评估，利用大数据技术手段，提高新一代天气雷达数据的应用成效。在基于大数据技术手段的新一代天气雷达数据创新应用中，重视大数据挖掘技术的推广应用，并积极依托气象大数据平台，挖掘出气象服务活动中有价值的数据信息，以促进新一代天气雷达数据的深加工、增值及应用服务，从而为今后的气象服务工作提供更为良好的气象数据支持[8-11]。

在基于大数据技术手段的新一代天气雷达数据创新服务中，着重把握好“实况观测资料”“加工分析产品”“预报预测产品”这三大服务。以“实况观测资料”这一服务为例，强调全方位获取地面气象资料、农业气象资料、辐射气象资料、高空气象资料、海洋气象资料、环境气象资料、雷达探测资料、卫星气象资料，注意沙尘、高温、冰冻、雾霾、雷暴、暴雨、积雪等气象灾害。对所获取的新一代天气雷达数据，通过大数据技术手段进行加工分析，形成高质量的高时空分辨率网格化分析数据和多源数据融合产品。

4 结束语

当前阶段，新一代天气雷达监测网已经基本建成，具有规模大、技术先进的优势，可以有效监测预警所在地区的各类灾害性天气，尤其是提高短时临近天气预报水平。新一代天气雷达在气象服务中发挥着越来越重要的作用，大范围应用新一代天气雷达已是必然趋势，当前取得的成果值得肯定。气象服务中新一代天气雷达的观测时，要强调全过程把握天气系统发展，同时关注临近天气预报，重点是为临近天气预报提供天气系统的3种重要信息，即移动落区、移动速度、移动方向，达到定点、定时及定量的预报。在未来，天气雷达要不断更新和利用新兴技术，进一步为气象服务提供技术支撑。

参考文献

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收稿日期：2024-08-11

作者简介：杨建平（1967—），男，广东揭阳人，工程师，研究方向为气象综合观测。