我國(guó)天氣雷達(dá)的發(fā)展和趨勢(shì)

汪章維 楊安良 丁華君 陳昊 王晗

(浙江省氣象局，浙江 杭州 30018)

0 引 言

隨著本世紀(jì)即將進(jìn)入第20個(gè)年頭，我國(guó)已規(guī)劃建設(shè)完成了200余部新一代天氣雷達(dá)，建成了技術(shù)先進(jìn)、全球規(guī)模最大的新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其中代表性的雷達(dá)是WSR-98D天氣雷達(dá)，該雷達(dá)屬于S波段，較X、C波段雷達(dá)雨衰小，探測(cè)范圍較大，優(yōu)勢(shì)明顯，適合建設(shè)在我國(guó)中東部地區(qū)，在短時(shí)臨近天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域、強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、公共服務(wù)等方面中發(fā)揮了重要的作用。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，需要深入地對(duì)雷達(dá)近幾年技術(shù)進(jìn)步和成果應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)和研究，了解氣象雷達(dá)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用需求，將目前業(yè)務(wù)上存在的一些技術(shù)難題和雷達(dá)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)。挖掘雷達(dá)資料在實(shí)際預(yù)報(bào)中應(yīng)用價(jià)值，發(fā)揮雷達(dá)在短臨、強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢(shì)，目前新體制雷達(dá)發(fā)展較快，特別是相控陣氣象雷達(dá)，已經(jīng)成為熱點(diǎn)，在艦船上使用較多，利用軍用相控陣?yán)走_(dá)，開辟一個(gè)氣象通道。但離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，從全國(guó)已建成的新一代天氣雷達(dá)現(xiàn)狀看，雙偏振技術(shù)在S波段天氣雷達(dá)上得到大范圍應(yīng)用，在現(xiàn)有雙偏振氣象雷達(dá)提高應(yīng)用研究水平和功能拓展是現(xiàn)階段較理想的選擇。

1 氣象雷達(dá)發(fā)展歷程

二戰(zhàn)以后，雷達(dá)技術(shù)逐漸應(yīng)用在氣象上，從20世紀(jì)50年代開始的非相干體制雷達(dá)，到80年代末脈沖多普勒體制，早期電子管器件到90年代末超大集成電路芯片出現(xiàn)，接收機(jī)從模擬中頻進(jìn)入數(shù)字中頻，雷達(dá)核心部件也隨著科技的發(fā)展，更新非常快，發(fā)射機(jī)技術(shù)體制從磁控管、速調(diào)管發(fā)展到現(xiàn)在采用全固態(tài)、相控陣技術(shù)，所有這些創(chuàng)新源于新的電子器件的出現(xiàn)，雷達(dá)設(shè)備越來(lái)越小型化，而且穩(wěn)定性提高，新功能增多。圖1是各個(gè)時(shí)期代表性氣象雷達(dá)型號(hào)發(fā)展歷程，并在各個(gè)時(shí)代發(fā)揮的效益也不同，每次雷達(dá)的更新迭代，雷達(dá)創(chuàng)造的功能價(jià)值遠(yuǎn)高于其本身的價(jià)格。圖1中可以看出，目前正是雙偏振雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展期。

圖1 天氣雷達(dá)發(fā)展歷程

早期我國(guó)主要使用713、714等型號(hào)雷達(dá)，這個(gè)時(shí)期的雷達(dá)特點(diǎn)是非相干的，采用磁控管發(fā)射機(jī)，接收機(jī)、信號(hào)處理器電路復(fù)雜，雷達(dá)主要功能是探測(cè)回波強(qiáng)度，沒(méi)有豐富的產(chǎn)品。到80年代末，脈沖多普勒半相干體制技術(shù)開始逐步應(yīng)用在氣象雷達(dá)上，雷達(dá)氣象產(chǎn)品也逐漸豐富起來(lái)。到了90年代中期，我國(guó)開始引進(jìn)美國(guó)WSR88D天氣雷達(dá)技術(shù)，1998年在安徽合肥建成我國(guó)第一部新一代多普勒天氣雷達(dá)，命名為CINRAD/98D，其核心算法、工作模式均源自WSR88D雷達(dá)，該雷達(dá)的主要特點(diǎn)如下。

1.1雷達(dá)采用多普勒脈沖全相干體制。全相干較以前半相干是有巨大進(jìn)步的，這好比以前非全相干雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)“節(jié)拍”不是固定的，全相干雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)節(jié)拍是固定的，節(jié)拍固定之后就能知道雷達(dá)最初發(fā)射的信號(hào)和回波信號(hào)固定的相位關(guān)系，相位關(guān)系包括了電磁波在空中傳輸過(guò)程中對(duì)相位的影響、降水粒子移動(dòng)對(duì)電磁波相位的影響，最后實(shí)際接收到回波相位與理論計(jì)算的相位差就包涵了降水粒子移動(dòng)速度的信息，根據(jù)這種信息可以得到相應(yīng)高度的徑向風(fēng)速。通過(guò)相位變化關(guān)系也可以判斷固定目標(biāo)和非固定目標(biāo)回波，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)的降水回波中濾除固定地雜波，提高回波質(zhì)量。

1.2自動(dòng)實(shí)時(shí)標(biāo)校功能。實(shí)時(shí)標(biāo)校功能實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)在不停機(jī)狀態(tài)下就能完成自身“體檢”，傳統(tǒng)標(biāo)校是用儀表對(duì)雷達(dá)各個(gè)系統(tǒng)分步檢測(cè)和測(cè)試，不能實(shí)時(shí)掌握雷達(dá)性能狀態(tài)的變化，通過(guò)WSR88D雷達(dá)的實(shí)時(shí)標(biāo)校功能，雷達(dá)就可以根據(jù)系統(tǒng)硬件性能的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)補(bǔ)償參數(shù)，保證雷達(dá)在性能指標(biāo)改變的情況下，回波強(qiáng)度測(cè)量不出現(xiàn)變化，確保不同雷達(dá)的回波一致性、準(zhǔn)確性。如果雷達(dá)性能變差，可及時(shí)提醒用戶對(duì)雷達(dá)進(jìn)行維護(hù)、維修。

1.3雷達(dá)具備自動(dòng)完成立體掃描模式，簡(jiǎn)稱“體掃”?！绑w掃”過(guò)程中雷達(dá)天線作螺旋式上升，1個(gè)體掃周期既有平掃又有垂掃，能在最短時(shí)間內(nèi)兼顧全方位平掃和垂掃，可實(shí)現(xiàn)程序化自動(dòng)操作。不足的是“體掃”周期必須固定，受雷達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)速、數(shù)據(jù)處理速度等因素影響，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成一定數(shù)量的“層掃”，目前多數(shù)是6 min一個(gè)體掃周期。

2 氣象雷達(dá)發(fā)展方向

WSR-98D雷達(dá)已投入業(yè)務(wù)使用20多年，在臨近預(yù)報(bào)中發(fā)揮了一定作用。但在定量降水預(yù)報(bào)、小尺度預(yù)報(bào)、模式應(yīng)用等方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在降水粒子形態(tài)、空間分辨率、掃描速度等方面受到制約。針對(duì)這些問(wèn)題，就產(chǎn)生相應(yīng)的雷達(dá)技術(shù)解決方案。

2.1 雙偏振雷達(dá)

雙偏振雷達(dá)在近幾年開始廣泛投入使用。雙偏振是利用電磁波的極化特性獲取反射回來(lái)電磁波在水平、垂直兩個(gè)方向的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖2所示。雙偏振雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠計(jì)算出粒子的相態(tài)，雷達(dá)方程是以球形降水粒子為條件，實(shí)際粒子并不總是球形，如雪花、下降的雨滴、冰雹等，通過(guò)雙偏振數(shù)據(jù)能更好地識(shí)別降水粒子形狀、尺寸、類型等，有助于更準(zhǔn)確地估算降水量。

圖2 雙極化雷達(dá)電磁波

2.2 相控陣?yán)走_(dá)

相控陣?yán)走_(dá)顧名思義采用相位控制陣列天線雷達(dá)，天線一般是陣列結(jié)構(gòu)，由一個(gè)個(gè)小收發(fā)單元組成，工作電壓較低，每個(gè)收發(fā)單元相位可電子化控制，實(shí)現(xiàn)波束合成，方向可控，實(shí)現(xiàn)電掃描，擯棄了傳統(tǒng)雷達(dá)靠天線機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)空間監(jiān)測(cè)。相控陣最大優(yōu)勢(shì)是掃描快，一次發(fā)射可合成多個(gè)方向的波束，根據(jù)設(shè)定好的角度發(fā)射電磁波，完成一個(gè)空域掃描只需1～2 min。目前相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已逐漸成熟，但主要用在軍工領(lǐng)域，在氣象領(lǐng)域應(yīng)用目前處于試驗(yàn)階段，除了成本較高外，以下幾點(diǎn)技術(shù)還需要研究驗(yàn)證。

首先相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射波束較寬，影響空間分辨率，需要對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理，處理難度較大；其次如何實(shí)現(xiàn)相控陣的天線收發(fā)通道的自動(dòng)實(shí)時(shí)定標(biāo)，傳統(tǒng)雷達(dá)利用雷達(dá)方程定標(biāo)反射率，相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)單元是分散的、獨(dú)立的，如何優(yōu)化和整合這些單元定量定標(biāo)是技術(shù)難點(diǎn)；最后相控陣?yán)走_(dá)具有固態(tài)發(fā)射機(jī)天氣雷達(dá)所有的缺點(diǎn)，比如近距離補(bǔ)盲、發(fā)射頻譜較寬等。

2.3 組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)

隨著大城市人口密度、建設(shè)規(guī)模的增加，短時(shí)極端天氣災(zāi)害極易導(dǎo)致城市內(nèi)澇，對(duì)交通出行、生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成一定威脅，為了更準(zhǔn)確捕捉這種復(fù)雜天氣過(guò)程，僅靠單部天氣雷達(dá)是不夠的，主要受到角度、速度、時(shí)空分辨率等因素影響。為了能夠全方位、立體、高時(shí)效、精細(xì)化觀測(cè)回波，可以利用多部X波段雷達(dá)組網(wǎng)對(duì)小、低空補(bǔ)盲，實(shí)現(xiàn)超大城市組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)，雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

更低空的監(jiān)測(cè)；更高的時(shí)空分別率；更靈活的掃描策略；更豐富的氣象產(chǎn)品。

圖3 雷達(dá)組網(wǎng)圖

以上3種雷達(dá)技術(shù)方案目前均已在推廣實(shí)驗(yàn)階段，正逐步成熟。未來(lái)氣象雷達(dá)不管采用什么新技術(shù)體制，核心是要解決數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合，提供氣象雷達(dá)探測(cè)關(guān)鍵解決方案，能根據(jù)不同天氣自動(dòng)調(diào)整掃描策略和軟件算法的“智能”天氣雷達(dá)。

3 現(xiàn)有雷達(dá)技術(shù)性能提升

我國(guó)現(xiàn)有S波段雷達(dá)大部分已升級(jí)或正在升級(jí)成雙偏振，在觀測(cè)粒子相態(tài)和定量降水估算上有了一定的進(jìn)步，但離精細(xì)化預(yù)報(bào)要求還有差距，除了要具備雙偏振功能外，還必須進(jìn)一步提高雷達(dá)探測(cè)的空間、距離分辨率，目前新一代天氣雷達(dá)的時(shí)空分辨率可以做到1°×250 m，見(jiàn)圖4左圖。目前我們需要在現(xiàn)有的雷達(dá)技術(shù)體制基礎(chǔ)上，不增加大的投資和硬件設(shè)備改動(dòng)，不斷挖掘雷達(dá)“潛力”，待新體制雷達(dá)成熟后再更新?lián)Q代，美國(guó)的88D天氣雷達(dá)正是采用這種策略，通過(guò)不斷升級(jí)，提升雷達(dá)使用價(jià)值，延長(zhǎng)使用壽命?，F(xiàn)階段我國(guó)天氣雷達(dá)可采用一種新的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有雷達(dá)技術(shù)性能提升，通過(guò)發(fā)射寬度更窄、頻率更高的脈沖和更加密集波束，可將雷達(dá)的時(shí)空分辨率提高到0.5°×62.5 m，見(jiàn)圖4右圖，體掃時(shí)間由6 min提高到4 min，最大不模糊速度由27 m/s提高到34 m/s，由于發(fā)射的脈沖密集了，最大不模糊距離就短了，這種以“犧牲探測(cè)距離提高探測(cè)精度”技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化探測(cè)，獲取更高風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度信息，提升對(duì)小尺度氣旋的探測(cè)能力。雷達(dá)探測(cè)模式可以采用智能控制，在特定的天氣情況下，實(shí)現(xiàn)精細(xì)探測(cè)和常規(guī)探測(cè)模式的自動(dòng)切換，不影響正常天氣觀測(cè)和數(shù)據(jù)格式。

圖4 提高雷達(dá)發(fā)射波束頻次

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)氣象雷達(dá)發(fā)展到今天，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)布局整體已較完善，現(xiàn)階段主要任務(wù)是提升雷達(dá)應(yīng)用水平，拓展現(xiàn)有天氣雷達(dá)功能，緊跟發(fā)達(dá)國(guó)家天氣雷達(dá)應(yīng)用的步伐。隨著相控陣天氣雷達(dá)逐漸成熟，在此基礎(chǔ)上會(huì)出現(xiàn)新的探測(cè)理念，雷達(dá)信號(hào)處理和控制軟件向多元化發(fā)展，一部雷達(dá)可以同時(shí)運(yùn)行多家公司的軟件系統(tǒng)，工作模式可根據(jù)需要自動(dòng)切換，雷達(dá)平臺(tái)將是個(gè)開放系統(tǒng)，相當(dāng)于一部手機(jī)安裝多個(gè)“APP軟件”。將來(lái)天氣雷達(dá)一定是個(gè)智能化、高速化、信息化的平臺(tái)，融合其它設(shè)備的探測(cè)資料，發(fā)揮雷達(dá)拼圖優(yōu)勢(shì)，可在小尺度天氣預(yù)報(bào)上發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。