新一代天气雷达产品在气象防灾减灾服务中的应用

张瀛，胡伟萍

摘要 天气预报预警需要大量详实有效的气象数据作支撑。随着社会经济的发展，对气象服务的要求越来越高，新一代天气雷达在气象防灾减灾服务中的作用日益重要，通过分析雷达回波产品来识别灾害性天气并预判其演变趋势，结合预报员的工作经验最终得出预报结论，是气象防灾减灾工作开展的重要监测指挥手段。

关键词 新一代天气雷达;气象服务;防灾减灾;天气预报

中图分类号：P429 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）03–0140–03

新一代多普勒天气雷达自应用以来，为我国气象防灾减灾事业作出了重要贡献，其在临近天气预报、灾害预警、人工影响天气等方面发挥着不可替代的作用。新一代天气雷达具有灵敏度高、功率大的特点，能对多种灾害性天气进行自动识别、追踪，从而获取各种实时天气发生演变的图像信息，并使系统的其他设备协同工作，实现对天气状况的高效率监测，尤其是为大型社会活动和专题气象保障服务提供支撑。宁德市新一代多普勒天气雷达系统建成后，极大地增强了对本地区各类灾害性天气的监测预警能力，提高了短时临近天气预报水平，为宁德经济建设、人工影响天气和防灾减灾提供了更加有效、优质的气象服务[1]。

1 新一代天气雷达系统概述

1.1 新一代天气雷达组成

新一代天气雷达系统是自动化程度高的雷达系统，包含无线电探测和测距技术运用、计算机技术应用、通信技术，集气象数据采集、加工、分配传输、存储多种功能于一体，由雷达数据采集、产品生成、用户终端三大部分组成。

RDA系统为雷达数据采集子系统，是雷达硬件的实体部分。系统由随动系统、定时器与信号源、发射机、接收机、信号处理器及雷达监控等部分组成。新一代天气雷达系统装有RDASC，主要由终端设备和接口装置组成，其功能为操纵雷达的运行、搜集气象数据、监控设备参数是否保持在正常范围、进行误差校对和自动标定等。RDA系统可以在无人工操纵的情况下完成工作，可靠性强，便于维护，应用广泛。气象服务产品的生成则需计算机处理系统与中央处理器和标准通信子系统之间的接口等对未经处理的数据进行整合筛选，最终形成预警预报产品[2]。

1.2 新一代天气雷达探测原理

雷达是利用以波动形式传播的电磁场来测定对象物相较于观测点的空间距离和特征的无线电设备，雷达进行大气探测的依据是二次辐射波在角域上按一定的规律作扩散分布的现象，天气雷达可利用测定大气中散射波来确定对象物的属性。为雷达提供大功率射频信号的无线电装置可将频率综合器输出的小功率高频信号进行高功率放大，然后经过铁氧体天线收发开关、可以传递功率较高射频信号的波导馈线，方位和俯仰铰链送到高增益天线的初级辐射器，再由天线将能量辐射到空间。

积雨云、雾等目标物入射方向的散射和晴天大气衍射的电磁波被天线收集后，会经由接收机转化为中间频率的數字信号形式，然后经信号提取和数据处理后，输出强度、径向速度及速度离散程度的度量等参数，并在终端设备上生成产品，产品可通过网络通信的方式派发给有需要的用户，从而完成对天气状况的整体判别程序。终端计算机通过控制分机和天线伺服系统，得出雷达在某个仰角上扫描一圈得到的数据和雷达沿着某个方位角垂直扫描得到的数据。实现天线的平面位置显示、距离高度显示和体积扫描，一般天气雷达可在5 min左右完成扫描，具备高时空分辨率，能够为短时临近预报和灾害性天气预警提供准确数据。

1.3 基于地理信息系统的雷达产品显示

雷达所得到的初步数据并不能直接显示给用户，而是要通过Super-MapGIS的专门处理引擎进行数据加工，最终形成基于地理信息系统的可识别应用的雷达产品数据，并且能将数据内容存入指定路径，以供后续GIS访问显示。

工作人员可在WinForm程序中加入地理信息系统中的MAP窗口装载本地地图，编写专门代码访问处理好的雷达数据信息，并显示在WinForm程序中。设置雷达图层的透明度，便可显示本地地图中的各行政区域。利用树状视图空间沿着特定搜索路线，依次对树（图）中每个节点均做1次访问，形成雷达产品目录树。最后通过菜单或按钮事件完成雷达产品资料的翻页和自动播放，便于气象服务工作人员判断天气系统的演变趋势、强弱变化以及移动路径。

2 新一代天气雷达的观测模式

临近天气预报的时间段一般为0～3 h，灾害性天气预警紧迫性更强，在1 h之内。高精度的临近型天气预报需要依据先进的雷达观测技术提供可靠数据资料，其他资料时效性和分辨率不高，仅为辅助参考之用。

当前，新一代天气雷达中的CINRAD/SA速度和谱宽分辨率为250 m，反射率因子的分辨率为1 km。我国的雷达业务观测采用的是WSR-88D雷达基数据资料格式，采用的体扫模式为VCP11/VCP21，可在短时间内对具体仰角进行扫描，仰角范围为0.5°～19.5°。第一个仰角用来测定反射率因子，探测范围为460 km以内，第二个仰角用来测定速度，探测范围为140 km左右，可通过模糊处理达到230 km，以上2个仰角都扫2圈。VCP11一共有14个仰角，转16圈的用时约为5 min，VCP21有9个仰角，转11圈用时约为6 min。VCP21相对于VCP11而言，扫圈数少，但总用时却比VCP11短，这是因为前者的积分次数比后者多，前者的数据质量也比后者好。晴空模式采用VCP31和VCP32，此两者均有5个相异仰角。VCP31转7圈，最低2个仰角一共扫4圈;VCP32转8圈，最低3个仰角一共扫6圈，整体用时10 min左右。观测方法要注重对天气系统发展全过程的把握，为临近预报提供天气系统的移动方向、速度及落区等，尽量做到定时、定点、定量预报[3]。

3 新一代天气雷达产品的应用

3.1 暴雨、短时强降水预报服务

2021年5月23日，受低压槽前暖湿西南气流影响，冷涡东进，副热带地区的高压系统北上呈现东西带状，宁德市在随后的24～48 h内迎来了强降水天气。5月23日500 hPa欧亚大陆中高纬度地区为两槽一脊形势，在贝加尔湖附近出现一冷涡，华南地区出现低压槽，副高继续北上，向西伸长，出现了副高偏北，径向发展稳定的环流形势。5月24日8：00 850 hPa上，宁德市上空500～600 m处已出现一条西南急流带。此时地面图显示，自锡林郭勒盟地区至云贵高原为低压带，西南涡尚未建立，海上高压增强且移动速度缓慢。此次降水为高低空系统配合，持续有一定时间。

雷达回波中具有中尺度特征的回波是引起短时间集中强降水和次生灾害的直接原因。预测暴雨和短时强降水的重点在于发现并跟踪中尺度回波。从雷达回波分析来看，5月23日20：00基本反射率显示，宁德市部分地区已出现降水，24日05：00降水范围扩大并且仍在持续，其中东南地区反射率最强，达到50 dBZ。至5月24日14：00，回波移动至中部和北部，东南地区的降水相继停止，回波稳定且移动速度慢。分析相对径向速度角度可知，最大速度为-23～22 m/s，0速度带呈现S型，大气风向随高度顺时针旋转，存在暖平流。旋转曲率大则代表高空有强的垂直风切变，这为低层水汽提供了较大抬升动力，使得整个降水时段中不断有水汽补充。

分析25日05：00回波顶高可知，宁德市全部地区受此回波影响，回波高度大多时间内稳定在6～9 km范围内，回波顶最高时为9.3 km，这表明降水云系统深厚且发展稳定。宁德市气象局在5月21日09：24时发布暴雨藍色预警信号后，根据雷达回波演变和数据资料的分析，后续将蓝色预警信号提升至橙色预警信号。在发布预警信号的同时，以电话、传真、内网通讯等方式通知下属县气象局和有关政府部门，为政府和防汛部门指挥布置防御暴雨工作提供决策依据。此次降水过程中，预测准确、准备充分，除部分地区出现不同程度的内涝外，无重大灾情和人员伤亡报告，最大程度地减少了暴雨造成的损失。

3.2 雷雨大风预报服务

2021年3月30日18：05分发布雷电黄色预警，预警内容为：预计未来6 h内，宁德市中心城区和蕉城区的部分乡镇有雷电活动，局部伴有短时强降水、7～9级雷雨大风等强对流天气。据雷达回波显示，宁德市3月30日午后突发强对流回波（图1），至晚上20：00回波最大强度始终保持在45 dBZ以上，最强强度为56 dBZ，最高回波顶高14.1 km，回波移动方向为东南西北向，回波分散，影响宁德市，在21：00后才有减弱趋势。气象工作人员观测到强回波后，便在傍晚18：00左右制作并发布了雷电黄色预警。

3.3 低温预警服务

2021年1月7日高空500 hPa欧亚大陆中高纬度呈现两槽一脊型，北疆地区的横槽移动至甘肃中部，宁德市受槽前西南气流控制。巴尔喀什湖高压脊缓慢东移，短波槽受冷空气影响势力增强并开始影响宁德市，然后配合低层冷涡及倒槽，宁德市出现大范围降温、降雪天气。1月8日和9日南平最低气温将降至0℃以下（有结冰），宁德西部达到-7℃～-3℃，7日10：00，宁德周宁和柘荣县城（浦城、周宁、柘荣国家站）和宁德霞浦三沙国家站都已记录到间歇性小雪，标志着当地出现今年首场降雪。

此次降雪过程自7日开始，持续到8日，7日10：00雷达回波显示柘荣和周宁地区有降水回波并且有增强趋势，在11：56组合反射率最大值达到17 dBZ，下午14：00强度继续增强，回波在全市上空维持，16：00强度达到28 dBZ。宁德市气象台发布寒潮警报，垂直风廓线图更加明显，低层风速较小，但风的强度随着高度增加而增加，在6.9 km的高度，最大风速可达25.7 m/s。在西南气流的作用下，大气中的水汽含量充足，回波为西南东北向移动且强度稳定，20：00风廓线图显示低层风向开始变化，变化过程为西南风—西风—西北风—东北风，但高空西南风在5.5 km高度仍可达到21.8 m/s。回波较为稳定，降雪范围在缩小且强度变弱，总体仍为持续状态。宁德市新一代天气雷达系统提供的垂直风廓线产品可清楚显示宁德市上空西南暖湿气流被干冷气团逐渐取代的过程，降水期间切变层变化也能清楚地得知。

3.4 人工增雨

基于新一代天气雷达，结合宁德市区域的地理信息、自动站雨量以及作业炮点等，建立人影预警指挥和效果分析系统，为宁德市实施人影作业提供实用、易操作的作业指挥平台。通过开展飞机人工增雨外场作业试验，对作业前后新一代天气雷达和GPS的不同仰角回波强度的跟踪探测，对比相邻的非作业催化区，分析催化作业对雷达回波产生的影响，探寻飞机人影作业效果评估的新途径。

气象雷达图显示，2020年8月27日有强回波混积云经过宁德市，这是一次良好的人工增雨作业时机。宁德市8县（市、区）气象部门抓住有利时机，共开展人工增雨作业12次，其中，蕉城、霞浦、福鼎、屏南、福安、柘荣、古田为发射人工影响天气作业弹，周宁为燃放增雨催化烟条，共计发射火箭弹35枚，燃烧烟条11根，增雨效果十分明显。此次人工增雨对改善土壤墒情、增加水库蓄水、降低森林火险等级、净化城市空气质量起到积极作用，对宁德市的旱情也起到了缓解作用。截至27日20：00，蕉城从重旱转为轻旱，福鼎也从中旱转为轻旱。

4 雷达分析过程中应注意的问题

当前，新一代天气雷达中产品较多，一般数据会集中表现基数据显出的强度、速度和谱宽图，即基本产品。对于其他各种产品则只能作为参考，尚不能作为定论依据，最终结果仍需对观测资料进行综合分析。根据已有经验模型进行数据分析时，要着重检验这些模型的物理含义，不能出现歧义，尤其是形态学上的特征不能混用，当2个工作人员对回波类型判断不一致时，最好不要确定该回波特征。比如钩状回波的表现是必须有上升气流，所以判断时必须存在上升气流才能判断那里有钩状回波。有些回波和天气系统是一对多的关系，比如带状回波可以由锋面、飑线、切变线等天气系统引起，必须严格按照定义确定回波类型。

5 结束语

新一代天气雷达提供的数据在预报会商中起着重要的作用，可准确提供强降水的开始时刻、降水落区、降水时段和演变过程、降水相变转化等，使得决策人员能快速确定预警级别，同时增强气象预报员的预测信心，更能全身心投入工作中。及时判断出灾害性天气可能造成的影响，能够最大限度地避免暴雪和道路结冰等所造成的损失。

参考文献

[1] 张小娟，张诚忠，齐大鹏，等.雷达资料在一次大范围冰雹天气过程中的同化试验分析[J]. 气象，2022，48（1）：61-72.

[2] 戴勁，邓洁琼，何宁，等.新一代天气雷达产品在雷电业务中的应用[J].河南科技，2021， 40（16）：132-134.

[3] 张东明，卢兴来，王志诚，等.基于新一代天气雷达产品预警系统设计研究与应用[J].浙江气象，2021，42（4）：29-32.

责任编辑：黄艳飞

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