新一代天气雷达在天气预报预警中的作用及运用分析

张能 殷文涛

摘要 相较于原有的常规数字化雷达，新一代天气雷达具备一定的优势，其主要利用反射率因子、平均径向速度和光谱宽度、垂直累积液态含水量（VIL）等产品预报、预警强对流天气，为临近天气预报和灾害性天气预警提供了许多高质量的数据资料。基于此，主要探究了新一代天气雷达运行原理，并探讨了新一代天气雷达产品在天气预报预警中的作用与应用，以期不断提升气象雷达产品在天气观测预报业务中的有效利用率，从而为气象预报预警提供相应的指导依据。

关键词 新一代天气雷达；双偏振雷达；预警

中图分类号：P415.2 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0096-03

随着科学技术的快速发展，同时由于全球气候变化，气象灾害频发，我国不断加大对气象事业的投入力度，气象观测技术设备不断更新，我国气象事业不断发展进步，气象服务能力不断提高，气象防灾减灾的能力也在不断提升。新一代天气雷达系统的建设是我国一项跨世纪的气象现代化工程，其具有灵敏度高和全相参性能特点，可以为临近天气预报和灾害性天气预警提供许多高质量的数据资料，在短期天气预报工作中发挥着重要作用，对气象防灾减灾具有重要意义。

1 新一代天气雷达发展与原理介绍

1.1 国内外研究进展与历史

天气雷达作为天气探测和预报的重要设备，是监测和预警强对流天气的重要工具之一。新一代天气雷达系统所采用的是多普勒天气雷达，相比以往常规数字化的天气雷达，在很大程度上提高了天气观测预测上的及时性与准确性，在天气预报预警工作中具有重大意义，是气象服務中不可或缺的装备。新一代天气雷达系统分为新一代S频段和C频段两种多普勒天气雷达系统。其中，根据建设布局原则，云南省西双版纳州勐腊县勐腊镇龙林村坝卡梁子所布设的为C波段双偏振多普勒天气雷达[1～2]。

20世纪70年代，2位美国科学家初次设想用水平垂直两个方向进行偏振波雷达信号接收和发射，为此还研究并总结了许多数据，之后在英国某实验室开启正式的研发，最初的设想概念经过长久的研究后，双偏振雷达技术成功有了眉目，并在此基础上，其他国家也开始完善功能和提升性能的研究。20世纪80年代，我国引进双偏振雷达技术，相比于其他一些发达国家，开始研究的时间略晚。自此，我国不断致力于双偏振雷达技术的研究，并取得了重大成效。2004年，安徽四创电子股份有限公司成功改造出C波段双偏振雷达。目前，我国依旧不断积极探索，以期进一步提高双偏振雷达技术水平[3]。

1.2 原理

大气中的多种粒子元素会对雷达电磁波产生震荡的影响，所以大气中的粒子元素在与电磁波接触后会进行不同程度的散射。天气雷达在提早设定好的多个时间段进行电磁波的发射，而后再次接收与粒子元素接触后二次散射的信号，从而获得有效的天气信息[4]。

对于只能发射1种偏振波的普通天气雷达而言，双偏振多普勒天气雷达更先进，能够发射水平和垂直方向的2种偏振波。通过2种偏振波，不仅能获得常规天气信息，还可以通过比较2个方向的同波差异来获得气象粒子的偏振量信息，从多个方向更详细地分析天气现象。

多普勒气象雷达有2种不同的工作方式，包括交替发射方式和同时发射方式，各有优点和缺点。雷达由1个发射器接收器或发射器和2个接收器组成。水平和垂直极化波的传输由相同固定时间间隔的发射机轮流发送，雷达信号由接收机接收。这种单发双收的双偏振多普勒雷达优势是结构简单，从普通的天气雷达改造而来的过程更为容易，且只有1个发射器，造价也比较低。但存在的缺点是，2种不同的偏振波从同一发生器交替发射，需要很高的脉冲发射频率，同时由于2种偏振波不是同时发射，所以其相关性较差，工作人员通过分析2种不同偏振波的偏差所获取的天气信息质量也较低[5]。而双发双收是指雷达有2个发射器和2个接收器，在工作过程中，由2个发射器同时发射水平和垂直2个不同方向的偏振波，并由2个接收器同时接收2种后向散射数据。这种双发双收的双偏振多普勒雷达的优势在于由于2种偏振波是同时发射的，所以接收器所获得的数据信息的相关性较强，工作人员利用数据信息所获得的天气信息的质量较高，但这种天气雷达的结构较为复杂，2个发射机的造价也较高。

2 新一代气象雷达技术产品

2.1 反射率因子产品

降水回波的变化状况、降水回波的强度、降雨的变化趋势等都可以通过反射率因子产品直接获知，通过应用反射率因子产品，还可以清楚地了解到观测区域上方的云朵形态、云朵种类、云朵的详细厚度。所以反射率因子才会在天气观测的技术中得以频繁的使用且广泛的研究，将来也会继续为强对流天气等复杂性的天气变化因素的研究提供更有价值的参考。

2.2 平均径向速度产品

平均径向速度产品的应用功能主要是辅助雷达探测出大气的结构和风暴结构，平均径向速度产品可以在一定的方位中进行无死角的360°扫描，调整和分析天气高空图。平均径向速度产品在地面观测的应用中也占据重要地位，而不具备此产品的雷达具有明显的劣势，平均径向速度产品的应用为大型灾害气象天气的预警预测做出了很大的贡献。

2.3 谱宽数据

谱宽数据的功能是为观测风切变的速度样本提供风的变化速度数值，所以谱宽数据也可以被称为速度谱宽数据，且由于谱宽数据主要测量的是风速，因此可以为强对流天气中的强风业务预测做出指导。

2.4 垂直累积液态含水量（VIL）

降水云体的数值可以直接使用垂直累积液态含水量来体现，其是一款图像产品，使用后会在系统缺点的区域内测量出数值并在显示器上体现总量分布，可以用垂直累积液态含水量技术防止冰雹的灾害，效果十分明显。自从应用垂直累积液态含水量的技术后，在冰雹观测业务中，冰雹形成期间可以使用垂直的液态含水量来判别。参考雷达回波，并且根据双因子点句图来识别，能够有效地根据回波特征判断冰雹的产生状况。近年来，我国的气象观测业务加入垂直累积液态含水量技术后，具有良好的防冰雹参考效果，也为今后的预警业务提供了十分有价值的数据。

3 新一代天气雷达在天气预报预警中的作用

3.1 测量降水量

新一代天气雷达可用于降水量的测量，可以利用水平反射率因子（Zh）反演降水量或是用差示传播相位常数（Kdp）和差分反射率因子（Zdr）反演降水量的方式测量降水量[6]。在利用水平反射率因子进行降水量的反演计算过程中，极易受到滴谱变化的影响，导致计算所得降水量发生一定程度的变化，即便得到的雷达数值较为准确，计算所得的降水量数值仍会出现较大偏差，即在使用该方法进行计算时经常会出现小雨的计算值相较实际更小，而大雨的反演所得数值相较实际数值更大的情况。

鉴于这种现象，科学家们又根据不同的滴谱分布进一步推导出了利用Kdp和Zdr进行降水量反演的计算方式，但在降水量较低（＜20 mm/h）时，利用Zdr反演降水量的方式容易受到雷达测量误差的影响，不比利用水平反射率因子反演降水量的方式有优势，而利用差示传播相位常数（Kdp）反演降水量的方式受粒子轴比变化的影响较大，当降水量＞50 mm/h时，误差较小。所以一般情况下，当降水量≤20 mm/h时，一般利用水平反射率因子反演降水率；当20 mm/h＜降水量＜70 mm/h时，一般用差分反射率因子反演降水量率；当降水量≥70 mm/h时，应用差示传播相位常数反演降水率，以最限度地减少降水量计算的误差[7]。

3.2 降水粒子类型识别

通过对2种不同的偏振波的数据信息和彼此存在的差异进行综合利用，可以区分降水粒子的类型。目前对降水粒子类型识别的算法主要包括3种，每种算法都有其不足之处。其中在使用统计算法进行降水粒子的类型识别过程中需要构建模型，但该过程需要大量的数据信息，所以在該方法的实施过程中存在一定的难度。基于规定的算法的关键点在于确定双偏振参量的阈值和依靠布尔逻辑，其中基于规定的阈值算法是目前应用较为广泛的一种算法，其优势在于便于实现，但在对水凝物进行识别的过程中容易出现误判情况。而模糊逻辑算法目前仍在研究中，在使用过程中，概率函数的建立十分关键，理论上而言这种算法具有其他算法无法比拟的优势，但是其有效性还有待验证。

3.3 临近天气预报技术

短期天气预报技术主要包括雷暴识别技术、跟踪和预测外推技术、数值预报技术。其中，识别、跟踪和外推技术主要基于新一代气象雷达探测数据，而交叉相关外推和回声测深外推技术较为成熟。这应该用于许多邻近的商业预测系统。随着精确数字和计算机技术的发展，多普勒雷达天气数据和其他中小型观测数据的降雨预报和对流天气预报已成为短期和短期预报的热点，预报技术的发展速度更快，但还没有成熟。

4 新一代天气雷达在天气预报预警中的应用

4.1 在天气预报中的作用

新一代天气雷达使用最先进的科学技术手段达到国际先进标准，能够科学有效地监测天气情况，使得天气气象预测、监控能力有了很大程度的提高。相较于传统的天气雷达，新一代多普勒天气雷达具有良好的多普勒测速能力，能够获取水云体内的风场信息，对天气的探测更加灵敏，并且能够自动识别与跟踪灾害性天气，能够全天候不间断地监测一定范围内的强对流天气从发生到消亡的整个过程，也可以探测到很大范围内的降水情况，测风的精度可以达到每秒钟3 m。通过利用新一代天气雷达，可以有效地提高天气监测的水平和能力，提高气象服务的质量，为大众提供更准确的气象数据信息[8-9]。

4.2 在航空气象预报中的作用

天气因素对航空运输的影响比较大，极大地影响了飞行任务的完成和飞行安全。近年来，随着航天运输业的高速发展，航空飞行的安全逐渐成为大众关注的热点问题。与此同时，经过长时间的研究，雷达技术的现代化水平不断提高。在航空运输中，现代化多普勒天气雷达在恶劣天气的探测方面发挥着重要作用，与地面导航通讯设施遥相呼应，通过分析风、强对流天气等天气因素对飞行的影响，最大限度地保障航空飞行的安全，对航空运输业的发展具有重要的意义。

4.3 在灾害性天气预警中的作用

新一代天气雷达主要应用于灾害性天气，尤其是与降水、风场相关的灾害性天气的监测和预警。多普勒天气雷达通过利用降水回波的频率和发射频率之间的变化信息可以计算得到降水粒子的径向运动速度，继而推算得到大气湍流、风速分布、垂直气流速度、降水中的风场结构特征，以实现对强对流天气的监测，在强对流天气的监测与预警、三维风场反演、雷达回波三维可视化、强对流潜势预报等方面都有着出色的表现，能够有效预测灾害性天气，其相关观测可以有效指导人工影响天气作业，防止灾害的发生[10-11]。

4.4 在天气数据处理中的作用

新一代天气雷达探测能力强，脉冲功率高，天气探测灵敏度高，可探测暴雨、暴雪、冰雹等灾害性天气。在气象数据处理方面，新一代雷达具有强大的数据分析功能。具体来说，新一代天气雷达可以同时综合考虑多个方面，更好地识别和判断天气的基本系统。例如，在暴雨中，遇到强对流回波时，基速图上就会出现很大的逆风区，与强回波配合。同时，强回波中心附近区域会发出气旋警报，这表示即将出现一场雷雨大风，雨量较大。更重要的是，新一代天气雷达可以根据回波特征，准确判断当前观测站在天气系统中的位置，是锋前、锋中还是锋后。这一系列分析成功后，将详细分析天气系统。例如，区域性暴雨往往呈现有组织的强回波带。新一代天气雷达可以根据逆风区的大小和强度判断降水的区域和演变趋势。通过详细分析天气系统数据，可以准确判断一个已有的天气系统，从而提供实时信息，不断提高天气预报的准确性和有效性，提升灾害性天气的预警能力。由此可见，新一代天气雷达在天气系统数据分析中发挥着重要作用，能够准确、及时、系统、完整地处理探测到的天气数据。

5 结束语

新一代天气雷达的原理是利用电磁波在空气传播过程中遇到悬浮在大气中的粒子时会发生各个方向上的散射，相较常规数字化雷达具有较为明显的优势，同时双偏振多普勒天气雷达由于能够发射水平和垂直方向的2种偏振波，通过比较2种偏振波的差异能够从多个方向更详细地分析天气现象，通过各数值信息能够反演推算出降水率、降水粒子的相态、排列取向和尺度谱、风场等信息，可以更为准确地观测短期天气降水等情况，进而大大提高气象预测结果的准确度。除此之外，还能实现对龙卷风、冰雹、暴雨等灾害性天气从开始到终止的全过程持续关注，为人工影响天气作业提供指导，有效地开展气象防灾减灾工作，降低灾害的发生频率。

参考文献

[1] 郭桐，柳东慧.C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析[J].河南科技，2021，40（19）：140-142.

[2] 董振贤，李妙英.双偏振多普勒天气雷达的偏振参量及其应用[J].解放军理工大学学报（自然科學版），2004（3）：98-102.

[3] 贺宏兵，胡明宝，李超，等.双偏振多普勒天气雷达监测雷电的分析[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2014，15 （2）：184-190.

[4] 常嘉宇.浅述新一代多普勒天气雷达在气象预报中的应用[J].新农村（黑龙江），2014（22）：222.

[5] 吴宏伟.浅谈新一代天气雷达的日常维护与故障分析及排除[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2020（6）：88-89.

[6] 汪章维，陈昊，袁圣，等.新一代双偏振天气雷达（CINRAD/SAD）精细化探测技术[J].气象科技，2020，48（3）：331-336.

[7] 金凯，王海涛，傅永超.相控阵天气雷达与双线偏振雷达技术的发展和应用研究[J].科技风，2020（21）：10.

[8] 米日古丽·米吉提，玛依热·米吉提，帕提曼·阿布都艾尼.新一代天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用分析[J].科研，2017（4）：162.

[9] 刘霄云.新一代天气雷达资料在气象灾害预报预警中的应用[J].赤子（下旬）， 2016（6）：277.

[10] 李柏，古庆同，李瑞义，等.新一代天气雷达灾害性天气监测能力分析及未来发展[J].气象，2013，39（3）：265-280.

[11] 李莉.新一代天气雷达在临近天气预报中的应用[J].河南科技，2013（22）：194.

责任编辑：黄艳飞

AbstractCompared with the original conventional digital radar， the new generation weather radar has certain advantages. It mainly uses reflectivity factor， average radial velocity and spectral width， vertical accumulated liquid water content （VIL） and other products to forecast and early warning strong convective weather， providing many high-quality data for near weather forecast and disaster weather early warning. Based on this， this paper mainly explored the operation principle of the new generation weather radar， and discussed the role and application of the new generation weather radar products in weather forecast and early warning， with a view to continuously improving the effective utilization rate of the weather radar products in weather observation and forecast business， so as to provide corresponding guidance for the weather forecast and early warning.

Key words New generation weather radar; Dual polarization radar; Early warning

作者简介 张能（1996—），男，云南寻甸人，助理工程师，主要从事大气探测研究。