新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品在氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)中的應(yīng)用

張瀛，胡偉萍

摘要 天氣預(yù)報(bào)預(yù)警需要大量詳實(shí)有效的氣象數(shù)據(jù)作支撐。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)氣象服務(wù)的要求越來(lái)越高，新一代天氣雷達(dá)在氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)中的作用日益重要，通過(guò)分析雷達(dá)回波產(chǎn)品來(lái)識(shí)別災(zāi)害性天氣并預(yù)判其演變趨勢(shì)，結(jié)合預(yù)報(bào)員的工作經(jīng)驗(yàn)最終得出預(yù)報(bào)結(jié)論，是氣象防災(zāi)減災(zāi)工作開展的重要監(jiān)測(cè)指揮手段。

關(guān)鍵詞 新一代天氣雷達(dá);氣象服務(wù);防災(zāi)減災(zāi);天氣預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）03–0140–03

新一代多普勒天氣雷達(dá)自應(yīng)用以來(lái)，為我國(guó)氣象防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)，其在臨近天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、人工影響天氣等方面發(fā)揮著不可替代的作用。新一代天氣雷達(dá)具有靈敏度高、功率大的特點(diǎn)，能對(duì)多種災(zāi)害性天氣進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、追蹤，從而獲取各種實(shí)時(shí)天氣發(fā)生演變的圖像信息，并使系統(tǒng)的其他設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣狀況的高效率監(jiān)測(cè)，尤其是為大型社會(huì)活動(dòng)和專題氣象保障服務(wù)提供支撐。寧德市新一代多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)建成后，極大地增強(qiáng)了對(duì)本地區(qū)各類災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，提高了短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)水平，為寧德經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人工影響天氣和防災(zāi)減災(zāi)提供了更加有效、優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)[1]。

1 新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)概述

1.1 新一代天氣雷達(dá)組成

新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)是自動(dòng)化程度高的雷達(dá)系統(tǒng)，包含無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距技術(shù)運(yùn)用、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、通信技術(shù)，集氣象數(shù)據(jù)采集、加工、分配傳輸、存儲(chǔ)多種功能于一體，由雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品生成、用戶終端三大部分組成。

RDA系統(tǒng)為雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，是雷達(dá)硬件的實(shí)體部分。系統(tǒng)由隨動(dòng)系統(tǒng)、定時(shí)器與信號(hào)源、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理器及雷達(dá)監(jiān)控等部分組成。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)裝有RDASC，主要由終端設(shè)備和接口裝置組成，其功能為操縱雷達(dá)的運(yùn)行、搜集氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備參數(shù)是否保持在正常范圍、進(jìn)行誤差校對(duì)和自動(dòng)標(biāo)定等。RDA系統(tǒng)可以在無(wú)人工操縱的情況下完成工作，可靠性強(qiáng)，便于維護(hù)，應(yīng)用廣泛。氣象服務(wù)產(chǎn)品的生成則需計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)與中央處理器和標(biāo)準(zhǔn)通信子系統(tǒng)之間的接口等對(duì)未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合篩選，最終形成預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品[2]。

1.2 新一代天氣雷達(dá)探測(cè)原理

雷達(dá)是利用以波動(dòng)形式傳播的電磁場(chǎng)來(lái)測(cè)定對(duì)象物相較于觀測(cè)點(diǎn)的空間距離和特征的無(wú)線電設(shè)備，雷達(dá)進(jìn)行大氣探測(cè)的依據(jù)是二次輻射波在角域上按一定的規(guī)律作擴(kuò)散分布的現(xiàn)象，天氣雷達(dá)可利用測(cè)定大氣中散射波來(lái)確定對(duì)象物的屬性。為雷達(dá)提供大功率射頻信號(hào)的無(wú)線電裝置可將頻率綜合器輸出的小功率高頻信號(hào)進(jìn)行高功率放大，然后經(jīng)過(guò)鐵氧體天線收發(fā)開關(guān)、可以傳遞功率較高射頻信號(hào)的波導(dǎo)饋線，方位和俯仰鉸鏈送到高增益天線的初級(jí)輻射器，再由天線將能量輻射到空間。

積雨云、霧等目標(biāo)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(huì)經(jīng)由接收機(jī)轉(zhuǎn)化為中間頻率的數(shù)字信號(hào)形式，然后經(jīng)信號(hào)提取和數(shù)據(jù)處理后，輸出強(qiáng)度、徑向速度及速度離散程度的度量等參數(shù)，并在終端設(shè)備上生成產(chǎn)品，產(chǎn)品可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的方式派發(fā)給有需要的用戶，從而完成對(duì)天氣狀況的整體判別程序。終端計(jì)算機(jī)通過(guò)控制分機(jī)和天線伺服系統(tǒng)，得出雷達(dá)在某個(gè)仰角上掃描一圈得到的數(shù)據(jù)和雷達(dá)沿著某個(gè)方位角垂直掃描得到的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)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(dá)可在5 min左右完成掃描，具備高時(shí)空分辨率，能夠?yàn)槎虝r(shí)臨近預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)警提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1.3 基于地理信息系統(tǒng)的雷達(dá)產(chǎn)品顯示

雷達(dá)所得到的初步數(shù)據(jù)并不能直接顯示給用戶，而是要通過(guò)Super-MapGIS的專門處理引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，最終形成基于地理信息系統(tǒng)的可識(shí)別應(yīng)用的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并且能將數(shù)據(jù)內(nèi)容存入指定路徑，以供后續(xù)GIS訪問(wèn)顯示。

工作人員可在WinForm程序中加入地理信息系統(tǒng)中的MAP窗口裝載本地地圖，編寫專門代碼訪問(wèn)處理好的雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，并顯示在WinForm程序中。設(shè)置雷達(dá)圖層的透明度，便可顯示本地地圖中的各行政區(qū)域。利用樹狀視圖空間沿著特定搜索路線，依次對(duì)樹（圖）中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均做1次訪問(wèn)，形成雷達(dá)產(chǎn)品目錄樹。最后通過(guò)菜單或按鈕事件完成雷達(dá)產(chǎn)品資料的翻頁(yè)和自動(dòng)播放，便于氣象服務(wù)工作人員判斷天氣系統(tǒng)的演變趨勢(shì)、強(qiáng)弱變化以及移動(dòng)路徑。

2 新一代天氣雷達(dá)的觀測(cè)模式

臨近天氣預(yù)報(bào)的時(shí)間段一般為0～3 h，災(zāi)害性天氣預(yù)警緊迫性更強(qiáng)，在1 h之內(nèi)。高精度的臨近型天氣預(yù)報(bào)需要依據(jù)先進(jìn)的雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)提供可靠數(shù)據(jù)資料，其他資料時(shí)效性和分辨率不高，僅為輔助參考之用。

當(dāng)前，新一代天氣雷達(dá)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(guó)的雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)采用的是WSR-88D雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料格式，采用的體掃模式為VCP11/VCP21，可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)具體仰角進(jìn)行掃描，仰角范圍為0.5°～19.5°。第一個(gè)仰角用來(lái)測(cè)定反射率因子，探測(cè)范圍為460 km以內(nèi)，第二個(gè)仰角用來(lái)測(cè)定速度，探測(cè)范圍為140 km左右，可通過(guò)模糊處理達(dá)到230 km，以上2個(gè)仰角都掃2圈。VCP11一共有14個(gè)仰角，轉(zhuǎn)16圈的用時(shí)約為5 min，VCP21有9個(gè)仰角，轉(zhuǎn)11圈用時(shí)約為6 min。VCP21相對(duì)于VCP11而言，掃圈數(shù)少，但總用時(shí)卻比VCP11短，這是因?yàn)榍罢叩姆e分次數(shù)比后者多，前者的數(shù)據(jù)質(zhì)量也比后者好。晴空模式采用VCP31和VCP32，此兩者均有5個(gè)相異仰角。VCP31轉(zhuǎn)7圈，最低2個(gè)仰角一共掃4圈;VCP32轉(zhuǎn)8圈，最低3個(gè)仰角一共掃6圈，整體用時(shí)10 min左右。觀測(cè)方法要注重對(duì)天氣系統(tǒng)發(fā)展全過(guò)程的把握，為臨近預(yù)報(bào)提供天氣系統(tǒng)的移動(dòng)方向、速度及落區(qū)等，盡量做到定時(shí)、定點(diǎn)、定量預(yù)報(bào)[3]。

3 新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用

3.1 暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)服務(wù)

2021年5月23日，受低壓槽前暖濕西南氣流影響，冷渦東進(jìn)，副熱帶地區(qū)的高壓系統(tǒng)北上呈現(xiàn)東西帶狀，寧德市在隨后的24～48 h內(nèi)迎來(lái)了強(qiáng)降水天氣。5月23日500 hPa歐亞大陸中高緯度地區(qū)為兩槽一脊形勢(shì)，在貝加爾湖附近出現(xiàn)一冷渦，華南地區(qū)出現(xiàn)低壓槽，副高繼續(xù)北上，向西伸長(zhǎng)，出現(xiàn)了副高偏北，徑向發(fā)展穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)。5月24日8：00 850 hPa上，寧德市上空500～600 m處已出現(xiàn)一條西南急流帶。此時(shí)地面圖顯示，自錫林郭勒盟地區(qū)至云貴高原為低壓帶，西南渦尚未建立，海上高壓增強(qiáng)且移動(dòng)速度緩慢。此次降水為高低空系統(tǒng)配合，持續(xù)有一定時(shí)間。

雷達(dá)回波中具有中尺度特征的回波是引起短時(shí)間集中強(qiáng)降水和次生災(zāi)害的直接原因。預(yù)測(cè)暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水的重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)并跟蹤中尺度回波。從雷達(dá)回波分析來(lái)看，5月23日20：00基本反射率顯示，寧德市部分地區(qū)已出現(xiàn)降水，24日05：00降水范圍擴(kuò)大并且仍在持續(xù)，其中東南地區(qū)反射率最強(qiáng)，達(dá)到50 dBZ。至5月24日14：00，回波移動(dòng)至中部和北部，東南地區(qū)的降水相繼停止，回波穩(wěn)定且移動(dòng)速度慢。分析相對(duì)徑向速度角度可知，最大速度為-23～22 m/s，0速度帶呈現(xiàn)S型，大氣風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，存在暖平流。旋轉(zhuǎn)曲率大則代表高空有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，這為低層水汽提供了較大抬升動(dòng)力，使得整個(gè)降水時(shí)段中不斷有水汽補(bǔ)充。

分析25日05：00回波頂高可知，寧德市全部地區(qū)受此回波影響，回波高度大多時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在6～9 km范圍內(nèi)，回波頂最高時(shí)為9.3 km，這表明降水云系統(tǒng)深厚且發(fā)展穩(wěn)定。寧德市氣象局在5月21日09：24時(shí)發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)后，根據(jù)雷達(dá)回波演變和數(shù)據(jù)資料的分析，后續(xù)將藍(lán)色預(yù)警信號(hào)提升至橙色預(yù)警信號(hào)。在發(fā)布預(yù)警信號(hào)的同時(shí)，以電話、傳真、內(nèi)網(wǎng)通訊等方式通知下屬縣氣象局和有關(guān)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(jù)。此次降水過(guò)程中，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確、準(zhǔn)備充分，除部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的內(nèi)澇外，無(wú)重大災(zāi)情和人員傷亡報(bào)告，最大程度地減少了暴雨造成的損失。

3.2 雷雨大風(fēng)預(yù)報(bào)服務(wù)

2021年3月30日18：05分發(fā)布雷電黃色預(yù)警，預(yù)警內(nèi)容為：預(yù)計(jì)未來(lái)6 h內(nèi)，寧德市中心城區(qū)和蕉城區(qū)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)有雷電活動(dòng)，局部伴有短時(shí)強(qiáng)降水、7～9級(jí)雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。據(jù)雷達(dá)回波顯示，寧德市3月30日午后突發(fā)強(qiáng)對(duì)流回波（圖1），至晚上20：00回波最大強(qiáng)度始終保持在45 dBZ以上，最強(qiáng)強(qiáng)度為56 dBZ，最高回波頂高14.1 km，回波移動(dòng)方向?yàn)闁|南西北向，回波分散，影響寧德市，在21：00后才有減弱趨勢(shì)。氣象工作人員觀測(cè)到強(qiáng)回波后，便在傍晚18：00左右制作并發(fā)布了雷電黃色預(yù)警。

3.3 低溫預(yù)警服務(wù)

2021年1月7日高空500 hPa歐亞大陸中高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊型，北疆地區(qū)的橫槽移動(dòng)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(shì)力增強(qiáng)并開始影響寧德市，然后配合低層冷渦及倒槽，寧德市出現(xiàn)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(jié)冰），寧德西部達(dá)到-7℃～-3℃，7日10：00，寧德周寧和柘榮縣城（浦城、周寧、柘榮國(guó)家站）和寧德霞浦三沙國(guó)家站都已記錄到間歇性小雪，標(biāo)志著當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)今年首場(chǎng)降雪。

此次降雪過(guò)程自7日開始，持續(xù)到8日，7日10：00雷達(dá)回波顯示柘榮和周寧地區(qū)有降水回波并且有增強(qiáng)趨勢(shì)，在11：56組合反射率最大值達(dá)到17 dBZ，下午14：00強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，回波在全市上空維持，16：00強(qiáng)度達(dá)到28 dBZ。寧德市氣象臺(tái)發(fā)布寒潮警報(bào)，垂直風(fēng)廓線圖更加明顯，低層風(fēng)速較小，但風(fēng)的強(qiáng)度隨著高度增加而增加，在6.9 km的高度，最大風(fēng)速可達(dá)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(dòng)且強(qiáng)度穩(wěn)定，20：00風(fēng)廓線圖顯示低層風(fēng)向開始變化，變化過(guò)程為西南風(fēng)—西風(fēng)—西北風(fēng)—東北風(fēng)，但高空西南風(fēng)在5.5 km高度仍可達(dá)到21.8 m/s?；夭ㄝ^為穩(wěn)定，降雪范圍在縮小且強(qiáng)度變?nèi)酰傮w仍為持續(xù)狀態(tài)。寧德市新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)提供的垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品可清楚顯示寧德市上空西南暖濕氣流被干冷氣團(tuán)逐漸取代的過(guò)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(dá)，結(jié)合寧德市區(qū)域的地理信息、自動(dòng)站雨量以及作業(yè)炮點(diǎn)等，建立人影預(yù)警指揮和效果分析系統(tǒng)，為寧德市實(shí)施人影作業(yè)提供實(shí)用、易操作的作業(yè)指揮平臺(tái)。通過(guò)開展飛機(jī)人工增雨外場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)，對(duì)作業(yè)前后新一代天氣雷達(dá)和GPS的不同仰角回波強(qiáng)度的跟蹤探測(cè)，對(duì)比相鄰的非作業(yè)催化區(qū)，分析催化作業(yè)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生的影響，探尋飛機(jī)人影作業(yè)效果評(píng)估的新途徑。

氣象雷達(dá)圖顯示，2020年8月27日有強(qiáng)回波混積云經(jīng)過(guò)寧德市，這是一次良好的人工增雨作業(yè)時(shí)機(jī)。寧德市8縣（市、區(qū)）氣象部門抓住有利時(shí)機(jī)，共開展人工增雨作業(yè)12次，其中，蕉城、霞浦、福鼎、屏南、福安、柘榮、古田為發(fā)射人工影響天氣作業(yè)彈，周寧為燃放增雨催化煙條，共計(jì)發(fā)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(duì)改善土壤墑情、增加水庫(kù)蓄水、降低森林火險(xiǎn)等級(jí)、凈化城市空氣質(zhì)量起到積極作用，對(duì)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(zhuǎn)為輕旱，福鼎也從中旱轉(zhuǎn)為輕旱。

4 雷達(dá)分析過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

當(dāng)前，新一代天氣雷達(dá)中產(chǎn)品較多，一般數(shù)據(jù)會(huì)集中表現(xiàn)基數(shù)據(jù)顯出的強(qiáng)度、速度和譜寬圖，即基本產(chǎn)品。對(duì)于其他各種產(chǎn)品則只能作為參考，尚不能作為定論依據(jù)，最終結(jié)果仍需對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，要著重檢驗(yàn)這些模型的物理含義，不能出現(xiàn)歧義，尤其是形態(tài)學(xué)上的特征不能混用，當(dāng)2個(gè)工作人員對(duì)回波類型判斷不一致時(shí)，最好不要確定該回波特征。比如鉤狀回波的表現(xiàn)是必須有上升氣流，所以判斷時(shí)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(tǒng)是一對(duì)多的關(guān)系，比如帶狀回波可以由鋒面、颮線、切變線等天氣系統(tǒng)引起，必須嚴(yán)格按照定義確定回波類型。

5 結(jié)束語(yǔ)

新一代天氣雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)在預(yù)報(bào)會(huì)商中起著重要的作用，可準(zhǔn)確提供強(qiáng)降水的開始時(shí)刻、降水落區(qū)、降水時(shí)段和演變過(guò)程、降水相變轉(zhuǎn)化等，使得決策人員能快速確定預(yù)警級(jí)別，同時(shí)增強(qiáng)氣象預(yù)報(bào)員的預(yù)測(cè)信心，更能全身心投入工作中。及時(shí)判斷出災(zāi)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(jié)冰等所造成的損失。

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責(zé)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