氣象雷達：洞悉風云的“瞭望者”

2024年9月6日，據(jù)中國氣象局中央氣象臺發(fā)布，超強臺風“摩羯”在海南文昌市沿海登陸，登陸時中心附近最大風力達17級以上。在監(jiān)測“摩羯”臺風過程中，除了我們熟知的氣象衛(wèi)星大顯身手外，氣象雷達也在查看臺風實時路徑、捕捉臺風眼等方面發(fā)揮著重要作用。

如今，作為氣象防災(zāi)減災(zāi)“第一道防線”上的瞭望者，氣象雷達已經(jīng)是一種不可或缺的設(shè)備，在監(jiān)測大風、暴雨、冰雹等復(fù)雜天氣方面擁有難以替代的優(yōu)勢。那么，氣象雷達與其他雷達有哪些不同？又面臨哪些挑戰(zhàn)？未來的發(fā)展前景如何？

觀風測雨的“火眼金睛”

顧名思義，氣象雷達就是專門用于氣象探測的雷達。

氣象雷達的基本原理與一般雷達相同，通過對云、雨等氣象目標發(fā)射電磁波并接收目標的回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、徑向速度、方位等信息。在此基礎(chǔ)上，氣象雷達通過分析回波特征，獲取云、雨、風、溫等物理量數(shù)據(jù)，為傳統(tǒng)天氣預(yù)報、數(shù)值天氣預(yù)報、民航飛行安全等提供必要的支持。

具體而言，當氣象雷達發(fā)射的電磁波在大氣中遇到云滴、雨滴、空氣分子等懸浮粒子時，這些懸浮粒子會對電磁波產(chǎn)生后向散射。經(jīng)過后向散射的電磁波返回后，雷達會根據(jù)接收到的后向散射波的振幅、延遲、相位等信息得到雷達觀測的基本數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列處理制作成圖像產(chǎn)品，顯示云雨分布特征。氣象工作者根據(jù)這些分布特征，便可以針對對流天氣發(fā)生的地點、移動方向做出判斷，預(yù)測降水未來可能在哪些地域發(fā)生。

通俗地講，這些雷達仿佛無數(shù)個“火眼金睛”，它們發(fā)出的電磁波，緊盯著空中的云、雨、水汽等，將其中的粒子信息記錄下來，再將這些關(guān)鍵信息傳遞給雷達。

雷達最早在戰(zhàn)爭中被用于探測空中的飛機。在探測時，科研人員發(fā)現(xiàn)云、雨、雪中的粒子也能夠產(chǎn)生回波，分析這些回波能夠幫助人們認識云雨的結(jié)構(gòu)和變化。

1941年，英國最早使用雷達探測風暴。次年，美國麻省理工學院專門設(shè)計了為氣象目的使用的雷達。

20世紀60年代至70年代，采用多普勒技術(shù)的多普勒氣象雷達問世。這種雷達具有對大氣流場結(jié)構(gòu)的定量探測能力，同時在雷達結(jié)構(gòu)上，廣泛采用集成電路，配備有小型或者微型的電子計算機，能對探測資料進行實時數(shù)字處理和數(shù)字化遠距離傳輸。在這一階段，有的氣象雷達已經(jīng)能夠按照預(yù)先編好的程序，由電子計算機操縱觀測，并逐步向自動化觀測網(wǎng)的方向發(fā)展。

20世紀80年代以后，在多普勒雷達的基礎(chǔ)上，美國科羅拉多州立大學電子工程系教授提出了偏振氣象雷達的概念。這為大氣雷達探測、分析氣象資料等提供了一個更為先進的平臺。

朝暉夕陰，氣象萬千。從古人夜觀天象，到歐洲航海士手繪天氣綜合圖，再到全球進入大氣遙感探測時代，人類一直都在努力揭示氣象的秘密。如今，人們根據(jù)五顏六色的雷達回波圖，就可以判斷天氣情況，安排自己的生產(chǎn)生活。以降雨為例：紅色和黃色區(qū)域代表大到暴雨，綠色區(qū)域代表小到中雨，藍色區(qū)域為降水云系覆蓋的區(qū)域……不同顏色代表了不同的回波強度和降水強度，可以直觀反映“在哪兒下雨”“下多大的雨”“下多久的雨”。

防災(zāi)減災(zāi)的“偵察兵”

從波段范圍來看，氣象雷達涵蓋了從W波段到P波段的多個波段。這些不同的波段提供了不同的探測能力和應(yīng)用場景，使得氣象雷達家族能夠全面地監(jiān)測大氣活動。

目前，氣象雷達的分類可以從多個角度考慮。根據(jù)所測量的特定氣象要素，氣象雷達可以被分為測云雷達、測雨雷達和測風雷達等。

測云雷達。主要用來探測未形成降水的云層高度、厚度及云內(nèi)物理特性。由于云粒子比降水粒子小，測云雷達的工作波長較短，因此只能探測云比較少的高層云和中層云。對于含水量較大的低層云，如積雨云、冰雹等，測云雷達的波束難以穿透。

測雨雷達。利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用，來探測大氣中降水的濃度、分布、移動和演變，進而了解天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征，可以用來探測臺風、局部地區(qū)的強風暴、冰雹、暴雨和強對流云體等，并能監(jiān)視天氣的變化。

測風雷達。主要用來探測高空不同大氣層的水平風向、風速及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。測風雷達的探測方式一般都是利用跟蹤掛在氣球上的反射靶或應(yīng)答器，不斷對氣球進行定位。根據(jù)氣球單位時間內(nèi)的位移，雷達就能測出不同大氣層的水平風向和風速。

氣象雷達家族中各種雷達分工明確，不僅能探測實時雨水量，還能提前分析大氣狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)和捕捉災(zāi)害性天氣。

以最常見的S波段氣象雷達為例，其預(yù)警的最大探測范圍為460千米，定量探測范圍為230千米；在距離雷達6千米處，就可觀測從近地面到2千米高度的大氣狀況；在距離雷達30千米處，就可觀測近地面10千米高度的大氣狀況。正是憑借這種大范圍、高效能、近乎實時的觀測，人們大大提高了對災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力。

氣象雷達作為一種重要的氣象監(jiān)測設(shè)備，在強對流天氣預(yù)警中發(fā)揮著核心作用。今年入汛以來，面對長江中下游地區(qū)的梅雨天氣，以及陜西、四川、河南、海南等地的強降雨，氣象雷達滿足了人們對復(fù)雜天氣監(jiān)測精細化、實時性的需求，及時發(fā)布暴雨預(yù)警，提醒人們采取相關(guān)防范措施，一定程度上減少了自然災(zāi)害帶來的損失。也正因為在突發(fā)性、災(zāi)害性天氣的監(jiān)測、預(yù)警中所發(fā)揮的突出作用，氣象雷達又被人們形象地稱為防災(zāi)減災(zāi)的“偵察兵”。

更為廣闊的天氣防御網(wǎng)

當前，隨著災(zāi)害形成鏈條的日益復(fù)雜，氣象預(yù)警的難度不斷攀升。如何更加有效地監(jiān)測、預(yù)警突發(fā)性和災(zāi)害性天氣，是擺在廣大氣象工作者面前的一項重要課題。

與此同時，信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，也在推動著雷達等大型技術(shù)裝備的能力進階，為氣象雷達的發(fā)展提供了新的機遇。比如，近些年逐漸被廣泛運用的雙偏振氣象雷達，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜性天氣更為精細的監(jiān)測。在工作中，這一雷達可以發(fā)射水平和垂直兩個方向的電磁波，除了獲取常規(guī)雷達的監(jiān)測信息外，還可以獲取差分反射率因子、差分相移率及相關(guān)系數(shù)等偏振參數(shù)。通過對這些參數(shù)的分析，氣象人員可以獲取有關(guān)降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向等更為具體的氣象信息，有助于冰雹識別、地物雜波識別、降水粒子分類、雷暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究等。

不過，為了更準確地捕捉復(fù)雜天氣過程，僅靠單部氣象雷達是遠遠不夠的。固定在地面上的單部雷達探測范圍有限，不能覆蓋更大區(qū)域的天氣系統(tǒng)或單部雷達探測范圍以外的強對流天氣系統(tǒng)。從這一角度出發(fā)，矩陣形式的多雷達系統(tǒng)觀測正在成為氣象雷達發(fā)展的重要方向。

借助不同類型的氣象雷達相互配合、協(xié)同觀測，氣象人員可以挖掘更精細的降水及大氣運動信息，以更好地理解大氣物理規(guī)律，提前研判即將到來的降水狀況，為復(fù)雜天氣的監(jiān)測和預(yù)警加筑一層更為廣闊的天氣防御網(wǎng)。如今，我國已建成世界上最大的氣象雷達觀測網(wǎng)，全國各地共有546部氣象雷達守望著我們的日常生產(chǎn)生活。

同時，隨著氣象雷達技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的升級換代，氣象雷達可與雙極化、相控陣、微片激光器、多傳感器聯(lián)合探測等技術(shù)相疊加，研制融合多種技術(shù)的新型雷達，增強對危險氣象目標的探測、識別、評估與預(yù)警能力。

例如，用于保障航空安全的相控陣雷達，具有波束靈活的特性，能夠提高獲取信息的時間分辨率，大幅縮短掃描時間，節(jié)省雷達資源。將其應(yīng)用于機載氣象雷達領(lǐng)域，可以更加靈活地控制收發(fā)波束形狀、波束掃描速度和目標駐留時間；采用邊掃描邊跟蹤方式，通過資源管理、自適應(yīng)探測、先進信號處理等技術(shù)實現(xiàn)全空域氣象探測與重要氣象立體掃描，為飛行員提供全面精確的氣象態(tài)勢，從而規(guī)避危險氣象，保障飛行安全。

又如，用于氣象環(huán)保的激光氣象雷達，可利用激光與大氣成分的相互作用，監(jiān)測出大氣氣溶膠的種類及濃度、痕量氣體（臭氧、二氧化碳等）濃度、大氣溫度等參數(shù)。這既能精準探測天氣情況、評估自然災(zāi)害風險，也可通過提供污染物成分、來源等數(shù)據(jù)，服務(wù)環(huán)境治理。

山河人間，氣象變幻。瞬息萬變的氣象天候蘊含無限生機，也幻化出形態(tài)各異的信號，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生各種影響。隨著科技的不斷發(fā)展，氣象雷達的應(yīng)用將更全面、更精準，也將為人類生活帶來更多便利與安全。