省大氣探測(cè)技術(shù)中心在全國(guó)首次制定氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)提升我省氣象應(yīng)急能力

文/蒹葭

省大氣探測(cè)技術(shù)中心在全國(guó)首次制定氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)提升我省氣象應(yīng)急能力

文/蒹葭

廣州氣象雷達(dá)站

去年正式實(shí)施的《廣東省氣象災(zāi)害防御條例》明確指出，氣象部門(mén)發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號(hào)為停課信號(hào)，孩子即可放心地呆在家中，無(wú)須確認(rèn)教育部門(mén)或?qū)W校有沒(méi)有發(fā)通知。但你可知道，每一個(gè)預(yù)警信號(hào)的發(fā)布背后，凝聚著科研人員的眾多心血。正是有了廣東省大氣探測(cè)技術(shù)中心、廣東省氣象臺(tái)、北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司等單位共同完成的“廣東省新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用”的技術(shù)成果，我省才能在全國(guó)首次制定并發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警信號(hào)。項(xiàng)目的實(shí)施減少了突發(fā)性氣象災(zāi)害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)省市及韓國(guó)、印度等國(guó)推廣應(yīng)用。

獲得“魯班獎(jiǎng)”的廣州雷達(dá)樓

雷達(dá)網(wǎng)覆蓋全省區(qū)域

1994年，珠江流域特大暴雨致洪，廣東全省2/3面積受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失146億元；1996年，15號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莎莉”重創(chuàng)廣東，全省直接經(jīng)濟(jì)損失129.03億元，受災(zāi)人930萬(wàn)，死亡208人，傷6145人……廣東地處臺(tái)風(fēng)、暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)的區(qū)域，自然災(zāi)害及其產(chǎn)生的次生、衍生災(zāi)害連年不斷，平均每年因受氣象災(zāi)害造成的損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的3%—5%。

“天氣雷達(dá)是探測(cè)災(zāi)害性天氣的重要手段，但早期我省非數(shù)字化雷達(dá)不能滿足臺(tái)風(fēng)和暴雨的精確預(yù)警預(yù)報(bào)。廣東迫切需要建設(shè)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)災(zāi)害性天氣?！?廣東省大氣探測(cè)技術(shù)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大氣探測(cè)中心）主任敖振浪告訴記者，1996年8月，他們提出立項(xiàng)申請(qǐng)，在廣州建設(shè)我省第一部天氣雷達(dá)。

1999年，廣州雷達(dá)站開(kāi)始建設(shè)。在對(duì)廣州周邊的白云山、牛頭山等16個(gè)山頭進(jìn)行多次實(shí)地勘察后，經(jīng)反復(fù)論證，他們確定了番禺大鎮(zhèn)崗作為廣州新一代多普勒天氣雷達(dá)站的站址。2000年年底，廣州雷達(dá)站建成，并于次年順利通過(guò)驗(yàn)收。時(shí)任副省長(zhǎng)李容根做出重要指示，說(shuō)“這是我省氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的一件大事，標(biāo)志著我省中尺度災(zāi)害性天氣預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工作取得了新的成就”。

“十五年”組一網(wǎng)，到2015年，大氣探測(cè)中心總共完成12部雷達(dá)的建設(shè)，基本完成廣東雷達(dá)組網(wǎng)，它們分布在湛江、深圳、汕頭等地區(qū)，完全覆蓋廣東省區(qū)域。各雷達(dá)站建筑風(fēng)格各異，其中廣州雷達(dá)樓還獲得“魯班獎(jiǎng)”。

同時(shí)，為了解決雷達(dá)建設(shè)、組網(wǎng)、應(yīng)用和應(yīng)急服務(wù)技術(shù)難題，提高新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)、協(xié)同監(jiān)測(cè)能力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一邊建設(shè)，一邊研究創(chuàng)新，成功開(kāi)發(fā)單站雷達(dá)基數(shù)據(jù)合成技術(shù)、全省雷達(dá)同步觀測(cè)技術(shù)和雷達(dá)探測(cè)一致性標(biāo)校技術(shù)等三大技術(shù)；建成短時(shí)臨近預(yù)警預(yù)報(bào)應(yīng)用平臺(tái)SWANWEB、人工影響天氣作業(yè)指揮平臺(tái)和雷達(dá)數(shù)據(jù)通用接口共享平臺(tái)等三大平臺(tái)。

12部雷達(dá)實(shí)現(xiàn)同步探測(cè)

雷達(dá)建成了，但更主要的是要組網(wǎng)才能發(fā)揮出雷達(dá)應(yīng)有的威力。雷達(dá)為什么需要組網(wǎng)？敖振浪介紹說(shuō)，每部雷達(dá)本身是獨(dú)立建設(shè)、單獨(dú)探測(cè)運(yùn)行的，不管單部雷達(dá)的性能多高，單打獨(dú)斗獨(dú)部雷達(dá)的性能多高，單打獨(dú)斗獨(dú)立探測(cè)運(yùn)行也只能在230公里范圍內(nèi)的較小區(qū)域發(fā)揮作用。然而，天氣尺度往往是幾十公里至幾千公里以上，如果各個(gè)雷達(dá)不能協(xié)同探測(cè)，就無(wú)法有效地捕抓和跟蹤天氣過(guò)程。

項(xiàng)目組遇到了第一個(gè)難題，全省12部雷達(dá)如何實(shí)現(xiàn)同步探測(cè)以及技術(shù)探測(cè)一致性呢？如果不同步探測(cè)，會(huì)產(chǎn)生6分鐘內(nèi)的觀測(cè)誤差，就可能出現(xiàn)較大回波差異。項(xiàng)目組自主成功開(kāi)發(fā)了一套遠(yuǎn)程控制軟件系統(tǒng)和策略，通過(guò)下發(fā)天線掃描策略使每個(gè)雷達(dá)立體掃描完全一致，在全世界率先實(shí)現(xiàn)全省組網(wǎng)雷達(dá)同步探測(cè)。

“全省雷達(dá)一致性標(biāo)校極其重要，不同雷達(dá)在同一時(shí)間觀測(cè)同一云體的回波強(qiáng)度可能差別較大，如果數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，預(yù)警也不可靠?！卑秸窭苏f(shuō)，為此，他們創(chuàng)新性提出太陽(yáng)法標(biāo)校技術(shù)方法，將太陽(yáng)輻射能量作為空間信號(hào)源，對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)的回波強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)一定標(biāo)，對(duì)天線增益、波導(dǎo)損耗等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；改進(jìn)了微信號(hào)處理電路，具有接收太陽(yáng)輻射微小信號(hào)的處理能力；并自主開(kāi)發(fā)出天線自動(dòng)指向控制處理軟件，定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，接收并處理太陽(yáng)輻射能量，統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了一致性。

依賴于雷達(dá)組網(wǎng)同步探測(cè)和一致性標(biāo)校技術(shù)的支撐，項(xiàng)目組在全國(guó)率先開(kāi)發(fā)成功的、基于組網(wǎng)雷達(dá)應(yīng)用的短臨預(yù)報(bào)系統(tǒng)SWAN獲取到高質(zhì)量雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

2010年9月，臺(tái)風(fēng)“凡亞比”襲擊茂名，馬貴鎮(zhèn)通信中斷48小時(shí)，其時(shí)水庫(kù)告急，是否需要放水泄洪呢？就在大家束手無(wú)策之時(shí)，項(xiàng)目組利用雷達(dá)定量估測(cè)降水幫助政府科學(xué)泄洪，搶險(xiǎn)成功。

根據(jù)雷達(dá)液態(tài)含水量、回波頂高、回波強(qiáng)度，以及回波懸垂特征歸納出廣東冰雹“三大一懸垂”預(yù)警指標(biāo)，我省于2012年首次成功發(fā)布冰雹預(yù)警。

三大防雷策略解決雷擊難題

廣東省是全世界雷電災(zāi)害最嚴(yán)重地區(qū)之一，是全國(guó)閃電次數(shù)最多省份，儀器設(shè)備防雷非常嚴(yán)峻。原來(lái)采用了美國(guó)雷達(dá)防雷方法，但還是無(wú)法有效防止雷擊。敖振浪說(shuō)，他們提出一種綜合防雷理論，發(fā)明了“藕斷絲連策略”、“入土為安策略”和“市電隔離策略”三大防雷策略。

“藕斷絲連”。接閃避雷針引下線與設(shè)備屏蔽地線分離，不接入大樓主鋼筋。閃避雷針引下線從大樓外墻引到地下，而機(jī)房?jī)?nèi)部雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備機(jī)殼屏蔽地直接引到地下，兩引線各自經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)距離埋地后，在地下迂回到公共地網(wǎng)，形成“藕斷絲連”。這樣能夠讓電流在地下大面積泄放。

“入土為安”。項(xiàng)目組首次提出利用低通濾波器原理解決輸電線路引入的雷擊難題。具體就是，高壓電架空而來(lái)，變壓器前端或者變壓器后端的供電線纜用金屬管套住引到地下（埋地）。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離埋地鋪設(shè)，再進(jìn)入配電房，埋地長(zhǎng)度越長(zhǎng)防雷效果越好，一般不少于30米。

“市電隔離”。項(xiàng)目組利用交流電子穩(wěn)壓器和純?cè)诰€UPS實(shí)現(xiàn)防雷效果。兩者都具有消弱和吸收雷電脈沖的能力，因?yàn)榻涣麟娮臃€(wěn)壓器的電感性變壓器物理隔離和穩(wěn)壓電路負(fù)反饋特性，對(duì)瞬變的雷電脈沖起到限幅作用；純?cè)诰€UPS工作時(shí)電池是直接接入供電線路上的，電池的儲(chǔ)能能力足以吸收窄脈沖，保持輸出穩(wěn)定，從而消弱雷電脈沖沖擊?！叭胪翞榘病焙汀笆须姼綦x”串聯(lián)使用，效果更好。

三大策略既解決低頻共地等電位問(wèn)題，防止串?dāng)_，又解決瞬態(tài)泄流難題。變壓器前端埋地可以保護(hù)變壓器，后端埋地可以保護(hù)設(shè)備，有效地保護(hù)了雷達(dá)設(shè)備。近十多年，廣東雷達(dá)沒(méi)有遭受雷擊。該方法被行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《新一代天氣雷達(dá)防雷技術(shù)規(guī)范QX2-2000》修訂版采納。韓國(guó)、羅馬尼亞、印度、香港等雷達(dá)建設(shè)項(xiàng)目中引入此防雷技術(shù)方法。

全國(guó)首次制定并發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警信號(hào)

“正是有了雷達(dá)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的支撐，我省在全國(guó)首次制定敖振浪介紹，2000年11月，我省啟用“臺(tái)風(fēng)、暴雨、寒冷” 三類(lèi)預(yù)警信號(hào)，主要分三級(jí)。2006年6月，我省執(zhí)行新預(yù)警信號(hào)，共十類(lèi)，主要分四級(jí)。2012年4月，廣東首次成功實(shí)現(xiàn)冰雹預(yù)警發(fā)布。2013-2014年，逐時(shí)同化的3公里分辨率精細(xì)模式業(yè)務(wù)運(yùn)行。2014-2015年，新版預(yù)警信號(hào)修訂，基于預(yù)警信號(hào)的自動(dòng)停課機(jī)制建立。

項(xiàng)目研究人員在實(shí)時(shí)監(jiān)控天氣變化情況

項(xiàng)目組提出的“雷雨大風(fēng)預(yù)警”信號(hào)在全國(guó)推廣，組網(wǎng)雷達(dá)資料在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)中得到了廣泛的應(yīng)用，提高了中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警能力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量三維雷達(dá)拼圖。在重大活動(dòng)中，如2010年廣州亞運(yùn)會(huì)和2011年深圳大運(yùn)會(huì)，雷達(dá)探測(cè)作用舉足輕重，為賽事保障提供了優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

項(xiàng)目建設(shè)總投資4.22億元，雷達(dá)組網(wǎng)所起作用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2013年我省產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益500億元（即累計(jì)減少500億元經(jīng)濟(jì)損失），加上24億元直接經(jīng)濟(jì)效益，投資回報(bào)率達(dá)到105倍。 而行業(yè)氣象服務(wù)效益的評(píng)估（德?tīng)柗圃u(píng)估法）結(jié)果顯示我省氣象服務(wù)效益為投入的97.91倍。

項(xiàng)目組所取得的關(guān)鍵技術(shù)成果，不僅在廣東省內(nèi)得到有效應(yīng)用，還廣泛推廣到國(guó)內(nèi)外的其他地區(qū)。2008年以后，雷達(dá)雷電防護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)所有的新建雷達(dá)項(xiàng)目中應(yīng)用。同步探測(cè)技術(shù)和太陽(yáng)法一致性標(biāo)校技術(shù)已經(jīng)被上海、天津、湖北等9省市自治區(qū)推廣應(yīng)用。短臨預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)（SWAN）也成功應(yīng)用到吉林、湖南、廣西、浙江、海南等5省市自治區(qū)氣象部門(mén)，還提供三防、水利、農(nóng)林、民航、部隊(duì)等部門(mén)使用，在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)工作發(fā)揮重要作用。