我国天气雷达的发展和趋势

汪章维 杨安良 丁华君 陈昊 王晗

(浙江省气象局，浙江 杭州 30018)

0 引 言

随着本世纪即将进入第20个年头，我国已规划建设完成了200余部新一代天气雷达，建成了技术先进、全球规模最大的新一代天气雷达监测网，其中代表性的雷达是WSR-98D天气雷达，该雷达属于S波段，较X、C波段雷达雨衰小，探测范围较大，优势明显，适合建设在我国中东部地区，在短时临近天气监测预报领域、强天气监测和预警、防灾减灾、公共服务等方面中发挥了重要的作用。随着现代科技发展，需要深入地对雷达近几年技术进步和成果应用情况进行总结和研究，了解气象雷达未来的发展趋势和应用需求，将目前业务上存在的一些技术难题和雷达新技术结合起来。挖掘雷达资料在实际预报中应用价值，发挥雷达在短临、强对流天气预报中的优势，目前新体制雷达发展较快，特别是相控阵气象雷达，已经成为热点，在舰船上使用较多，利用军用相控阵雷达，开辟一个气象通道。但离实际应用还有一段距离，从全国已建成的新一代天气雷达现状看，双偏振技术在S波段天气雷达上得到大范围应用，在现有双偏振气象雷达提高应用研究水平和功能拓展是现阶段较理想的选择。

1 气象雷达发展历程

二战以后，雷达技术逐渐应用在气象上，从20世纪50年代开始的非相干体制雷达，到80年代末脉冲多普勒体制，早期电子管器件到90年代末超大集成电路芯片出现，接收机从模拟中频进入数字中频，雷达核心部件也随着科技的发展，更新非常快，发射机技术体制从磁控管、速调管发展到现在采用全固态、相控阵技术，所有这些创新源于新的电子器件的出现，雷达设备越来越小型化，而且稳定性提高，新功能增多。图1是各个时期代表性气象雷达型号发展历程，并在各个时代发挥的效益也不同，每次雷达的更新迭代，雷达创造的功能价值远高于其本身的价格。图1中可以看出，目前正是双偏振雷达应用发展期。

图1 天气雷达发展历程

早期我国主要使用713、714等型号雷达，这个时期的雷达特点是非相干的，采用磁控管发射机，接收机、信号处理器电路复杂，雷达主要功能是探测回波强度，没有丰富的产品。到80年代末，脉冲多普勒半相干体制技术开始逐步应用在气象雷达上，雷达气象产品也逐渐丰富起来。到了90年代中期，我国开始引进美国WSR88D天气雷达技术，1998年在安徽合肥建成我国第一部新一代多普勒天气雷达，命名为CINRAD/98D，其核心算法、工作模式均源自WSR88D雷达，该雷达的主要特点如下。

1.1雷达采用多普勒脉冲全相干体制。全相干较以前半相干是有巨大进步的，这好比以前非全相干雷达发射的信号“节拍”不是固定的，全相干雷达发射的信号节拍是固定的，节拍固定之后就能知道雷达最初发射的信号和回波信号固定的相位关系，相位关系包括了电磁波在空中传输过程中对相位的影响、降水粒子移动对电磁波相位的影响，最后实际接收到回波相位与理论计算的相位差就包涵了降水粒子移动速度的信息，根据这种信息可以得到相应高度的径向风速。通过相位变化关系也可以判断固定目标和非固定目标回波，实现在移动的降水回波中滤除固定地杂波，提高回波质量。

1.2自动实时标校功能。实时标校功能实现了雷达在不停机状态下就能完成自身“体检”，传统标校是用仪表对雷达各个系统分步检测和测试，不能实时掌握雷达性能状态的变化，通过WSR88D雷达的实时标校功能，雷达就可以根据系统硬件性能的变化，实时调整系统补偿参数，保证雷达在性能指标改变的情况下，回波强度测量不出现变化，确保不同雷达的回波一致性、准确性。如果雷达性能变差，可及时提醒用户对雷达进行维护、维修。

1.3雷达具备自动完成立体扫描模式，简称“体扫”。“体扫”过程中雷达天线作螺旋式上升，1个体扫周期既有平扫又有垂扫，能在最短时间内兼顾全方位平扫和垂扫，可实现程序化自动操作。不足的是“体扫”周期必须固定，受雷达电机转速、数据处理速度等因素影响，短时间内无法完成一定数量的“层扫”，目前多数是6 min一个体扫周期。

2 气象雷达发展方向

WSR-98D雷达已投入业务使用20多年，在临近预报中发挥了一定作用。但在定量降水预报、小尺度预报、模式应用等方面还有很多不足，主要体现在降水粒子形态、空间分辨率、扫描速度等方面受到制约。针对这些问题，就产生相应的雷达技术解决方案。

2.1 双偏振雷达

双偏振雷达在近几年开始广泛投入使用。双偏振是利用电磁波的极化特性获取反射回来电磁波在水平、垂直两个方向的电场强度，如图2所示。双偏振雷达最大的优点是能够计算出粒子的相态，雷达方程是以球形降水粒子为条件，实际粒子并不总是球形，如雪花、下降的雨滴、冰雹等，通过双偏振数据能更好地识别降水粒子形状、尺寸、类型等，有助于更准确地估算降水量。

图2 双极化雷达电磁波

2.2 相控阵雷达

相控阵雷达顾名思义采用相位控制阵列天线雷达，天线一般是阵列结构，由一个个小收发单元组成，工作电压较低，每个收发单元相位可电子化控制，实现波束合成，方向可控，实现电扫描，摈弃了传统雷达靠天线机械扫描实现空间监测。相控阵最大优势是扫描快，一次发射可合成多个方向的波束，根据设定好的角度发射电磁波，完成一个空域扫描只需1～2 min。目前相控阵雷达技术已逐渐成熟，但主要用在军工领域，在气象领域应用目前处于试验阶段，除了成本较高外，以下几点技术还需要研究验证。

首先相控阵雷达发射波束较宽，影响空间分辨率，需要对接收的信号进行处理，处理难度较大；其次如何实现相控阵的天线收发通道的自动实时定标，传统雷达利用雷达方程定标反射率，相控阵雷达收发单元是分散的、独立的，如何优化和整合这些单元定量定标是技术难点；最后相控阵雷达具有固态发射机天气雷达所有的缺点，比如近距离补盲、发射频谱较宽等。

2.3 组网协同观测

随着大城市人口密度、建设规模的增加，短时极端天气灾害极易导致城市内涝，对交通出行、生命财产安全构成一定威胁，为了更准确捕捉这种复杂天气过程，仅靠单部天气雷达是不够的，主要受到角度、速度、时空分辨率等因素影响。为了能够全方位、立体、高时效、精细化观测回波，可以利用多部X波段雷达组网对小、低空补盲，实现超大城市组网协同观测，雷达组网协同观测具有以下优点。

更低空的监测；更高的时空分别率；更灵活的扫描策略；更丰富的气象产品。

图3 雷达组网图

以上3种雷达技术方案目前均已在推广实验阶段，正逐步成熟。未来气象雷达不管采用什么新技术体制，核心是要解决数据处理和数据融合，提供气象雷达探测关键解决方案，能根据不同天气自动调整扫描策略和软件算法的“智能”天气雷达。

3 现有雷达技术性能提升

我国现有S波段雷达大部分已升级或正在升级成双偏振，在观测粒子相态和定量降水估算上有了一定的进步，但离精细化预报要求还有差距，除了要具备双偏振功能外，还必须进一步提高雷达探测的空间、距离分辨率，目前新一代天气雷达的时空分辨率可以做到1°×250 m，见图4左图。目前我们需要在现有的雷达技术体制基础上，不增加大的投资和硬件设备改动，不断挖掘雷达“潜力”，待新体制雷达成熟后再更新换代，美国的88D天气雷达正是采用这种策略，通过不断升级，提升雷达使用价值，延长使用寿命。现阶段我国天气雷达可采用一种新的技术手段，实现现有雷达技术性能提升，通过发射宽度更窄、频率更高的脉冲和更加密集波束，可将雷达的时空分辨率提高到0.5°×62.5 m，见图4右图，体扫时间由6 min提高到4 min，最大不模糊速度由27 m/s提高到34 m/s，由于发射的脉冲密集了，最大不模糊距离就短了，这种以“牺牲探测距离提高探测精度”技术，可实现精细化探测，获取更高风场强度信息，提升对小尺度气旋的探测能力。雷达探测模式可以采用智能控制，在特定的天气情况下，实现精细探测和常规探测模式的自动切换，不影响正常天气观测和数据格式。

图4 提高雷达发射波束频次

4 结 语

我国气象雷达发展到今天，雷达网络布局整体已较完善，现阶段主要任务是提升雷达应用水平，拓展现有天气雷达功能，紧跟发达国家天气雷达应用的步伐。随着相控阵天气雷达逐渐成熟，在此基础上会出现新的探测理念，雷达信号处理和控制软件向多元化发展，一部雷达可以同时运行多家公司的软件系统，工作模式可根据需要自动切换，雷达平台将是个开放系统，相当于一部手机安装多个“APP软件”。将来天气雷达一定是个智能化、高速化、信息化的平台，融合其它设备的探测资料，发挥雷达拼图优势，可在小尺度天气预报上发挥优势。