新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用分析

摘 要：當(dāng)前階段，新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中發(fā)揮出越來越重要的作用，尤其是可以有效地監(jiān)測(cè)災(zāi)害性天氣，如大風(fēng)、冰雹、暴洪等。從組成部分、探測(cè)原理、觀測(cè)模式3個(gè)方面介紹了新一代天氣雷達(dá)，分析了新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用，包括災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警、定量估測(cè)大范圍降水、增強(qiáng)人工增雨的效果，并探討了新一代雷達(dá)數(shù)據(jù)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新一代天氣雷達(dá)；氣象服務(wù)；強(qiáng)對(duì)流天氣；人工增雨

中圖分類號(hào)：P49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

雷達(dá)被稱為“無線電定位”，是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。天氣雷達(dá)是探測(cè)降水的主要手段，被認(rèn)定為探測(cè)降水的“千里眼”?，F(xiàn)階段，新一代天氣雷達(dá)獲得良好發(fā)展，并且處于不斷完善的狀態(tài)，可以對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。從探測(cè)分辨率、探測(cè)方式、探測(cè)范圍等角度看，新一代天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的最佳探測(cè)工具，可以有效滿足強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警要求。當(dāng)前，所應(yīng)用的新一代天氣雷達(dá)較為成熟，顯著優(yōu)勢(shì)是有很強(qiáng)的探測(cè)能力，可獲取風(fēng)場(chǎng)信息、定量估測(cè)降水，功率大、靈敏度高，對(duì)我國(guó)的氣象工作具有重要意義[1]。在氣象服務(wù)中，新一代天氣雷達(dá)的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，如可以提高短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)水平，有效應(yīng)用于氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)，防災(zāi)減災(zāi)效果較好。因此，在氣象服務(wù)中應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)是必然趨勢(shì)，而且新一代雷達(dá)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用具有積極意義。

1 新一代天氣雷達(dá)的概述

1.1 組成部分

新一代天氣雷達(dá)主要涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線電探測(cè)和測(cè)距技術(shù)、通信技術(shù)，集氣象數(shù)據(jù)的采集、加工、分配傳輸、存儲(chǔ)等功能于一體，數(shù)字化程度與自動(dòng)化程度較高，是一種先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)。當(dāng)前，新一代天氣雷達(dá)主要由三大部分組成，即雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品生成、用戶終端。新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是RDA系統(tǒng)，其為雷達(dá)硬件的實(shí)體部分，主要由發(fā)射機(jī)、雷達(dá)監(jiān)控、定時(shí)器、接收機(jī)、信號(hào)源、隨動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)處理器組成。所應(yīng)用的新一代天氣雷達(dá)裝有RDASC，接口裝置、終端設(shè)備是主要組成部分，可以準(zhǔn)確操控雷達(dá)的運(yùn)行，同時(shí)可以監(jiān)控設(shè)備參數(shù)與收集氣象數(shù)據(jù)，自動(dòng)標(biāo)定與誤差校對(duì)[2]。在沒有人工操控的條件下，RDA系統(tǒng)可以獨(dú)立完成工作任務(wù)，可靠性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、便于維護(hù)。我國(guó)新一代天氣雷達(dá)CINRAD有7種型號(hào)，包括C波段的CA、CB、CC、CD型天氣雷達(dá)和S波段的SA、SB、SC型天氣雷達(dá)，基本上實(shí)現(xiàn)國(guó)土全覆蓋，在氣象服務(wù)中發(fā)揮著重要作用。

1.2 探測(cè)原理

新一代天氣雷達(dá)重點(diǎn)利用以波動(dòng)形式傳播的電磁場(chǎng)，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行無線電探測(cè)和測(cè)距。在大氣探測(cè)時(shí)，新一代天氣雷達(dá)主要依靠發(fā)射一系列脈沖電磁波，利用云雨等降水粒子對(duì)電磁波的散射和吸收，通過接收返回的回波信號(hào)探測(cè)降水的空間分布和垂直結(jié)構(gòu)。值得注意的是，新一代天氣雷達(dá)是當(dāng)前階段進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警的主要工具，其工作原理不同于利用二次輻射波的擴(kuò)散分布進(jìn)行測(cè)距和測(cè)速的傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)。應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)時(shí)，需要通過無線電裝置提供大功率射頻信號(hào)，在此基礎(chǔ)上對(duì)頻率綜合器輸出的小功率高頻信號(hào)進(jìn)行處理，即進(jìn)行高功率放大，然后經(jīng)過波導(dǎo)饋線與鐵氧體天線收發(fā)開關(guān)，由天線將能量有效地輻射至空間。例如，積雨云、霧等目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)電磁波的散射，以及晴天大氣衍射的電磁波可以被天線接收，然后經(jīng)過接收機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成中間頻率的數(shù)字信號(hào)形式。在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、信號(hào)提取后，可以輸出徑向速度、強(qiáng)度、速度離散程度的度量等參數(shù)信息，在終端設(shè)備上形成所需要的圖像產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式將圖像產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，幫助用戶判斷天氣狀況。

新一代天氣雷達(dá)廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)、數(shù)字技術(shù)，從而提供數(shù)字化的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并形成圖像產(chǎn)品數(shù)據(jù)。以新一代S頻段（10 cm）和C頻段（5 cm）多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)為例，其可以有效地監(jiān)測(cè)和預(yù)警暴雨、熱帶氣旋、強(qiáng)對(duì)流等重要天氣系統(tǒng)，估測(cè)降水量。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與探測(cè)技術(shù)雙重發(fā)展的背景下，新一代天氣雷達(dá)的發(fā)展前景良好，已投入使用的雙偏振探測(cè)功能使得新一代天氣雷達(dá)的性能得到大幅提高。此外，新一代天氣雷達(dá)所獲取的初步數(shù)據(jù)需利用SuperMap GIS的技術(shù)體系處理引擎，并分析新一代天氣雷達(dá)所獲取的初步數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、分析、可視化等方面，從而為氣象等相關(guān)領(lǐng)域提供強(qiáng)大的技術(shù)支持[3]。?

1.3 觀測(cè)模式

在臨近天氣預(yù)報(bào)中，時(shí)間段通常指的是未來0～2 h的天氣預(yù)報(bào)。強(qiáng)對(duì)流天氣、暴雨、大風(fēng)等具有突發(fā)性和快速發(fā)展的特點(diǎn)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)（1 h內(nèi)）做出預(yù)警和應(yīng)對(duì)。在高精度的臨近型天氣預(yù)報(bào)中，要求應(yīng)用科學(xué)先進(jìn)的雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)，提供準(zhǔn)確可靠的氣象數(shù)據(jù)資料。新一代天氣雷達(dá)中多應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)，其探測(cè)能力強(qiáng)，速度及譜寬分辨率能夠達(dá)到250 m，反射率因子的分辨率能夠達(dá)到1 km。

在我國(guó)雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)，主要是采用WAR-88D雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料格式，體掃模式有VCP11和VCP21，具體仰角的掃描作業(yè)能夠在短時(shí)間內(nèi)完成，仰角范圍通常為0.5°～19.5°。測(cè)定反射率因子時(shí)，可以應(yīng)用第一個(gè)仰角，探測(cè)范圍通常在460 km內(nèi)；測(cè)定速度時(shí)可以應(yīng)用第二個(gè)仰角，探測(cè)范圍通常在140 km內(nèi)，要求第一個(gè)仰角與第二個(gè)仰角均掃2圈。在VCP11中，共有14個(gè)仰角，5 min可以轉(zhuǎn)16圈；在VCP21中，共有9個(gè)仰角，轉(zhuǎn)11圈需要用時(shí)6 min。在沿海和多強(qiáng)降水的地區(qū)，我國(guó)布設(shè)了S波段的SA、SB、SC型天氣雷達(dá)；在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生和活動(dòng)較頻繁的中部地區(qū)，布設(shè)了C波段的CA、CB、CC、CD型天氣雷達(dá)。在實(shí)際應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)時(shí)，需要確保S波段與C波段的天氣雷達(dá)發(fā)揮出良好的探測(cè)能力，注重應(yīng)用各種處理軟件對(duì)降水進(jìn)行定量估測(cè)，同時(shí)在雙偏振探測(cè)功能的支持下獲取風(fēng)場(chǎng)信息。

2 新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

2.1 災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警

在氣象服務(wù)中，新一代天氣雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展為重要工具，需高度重視新一代天氣雷達(dá)的推廣應(yīng)用。在對(duì)災(zāi)害性天氣、強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警的過程中，可以從以下3個(gè)方面促進(jìn)新一代天氣雷達(dá)的應(yīng)用。

第一，將計(jì)算機(jī)與新一代天氣雷達(dá)有效連接，形成數(shù)字化新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)，利用其數(shù)字化處理功能獲取災(zāi)害性天氣的數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理及再處理，最后形成的圖像產(chǎn)品數(shù)據(jù)直接服務(wù)于災(zāi)害性天氣的預(yù)警。

第二，強(qiáng)調(diào)通過新一代天氣雷達(dá)有效監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣。以2019年的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”為例，通過新一代天氣雷達(dá)的監(jiān)測(cè)有效獲取臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸前后的雷達(dá)回波圖，可以看到結(jié)構(gòu)緊密、風(fēng)眼清晰、有明顯的外圍螺旋雨帶的特征。如此一來，氣象部門可以對(duì)氣象數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析論證，基于探測(cè)信息進(jìn)行臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的預(yù)報(bào)和防御。

第三，?在雷達(dá)回波中，中尺度特征的回波是導(dǎo)致短時(shí)間集中強(qiáng)降水和次生災(zāi)害的直接原因和重要因素。應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和跟蹤中尺度特征的回波，獲取重要參考信息，有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水。綜合分析雷達(dá)回波演變和數(shù)據(jù)資料后，若確定是強(qiáng)對(duì)流天氣，則可以通過多種方式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行預(yù)警，并確保氣象數(shù)據(jù)信息第一時(shí)間傳輸至政府有關(guān)部門，支持政府有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣，最大限度地降低強(qiáng)對(duì)流天氣的危害性。

2.2 定量估測(cè)大范圍降水

新一代天氣雷達(dá)是探測(cè)降水系統(tǒng)中的主要手段，當(dāng)前已經(jīng)設(shè)計(jì)出新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)系統(tǒng)，在定量估測(cè)大范圍降水與氣象服務(wù)中發(fā)揮著重要作用。新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)系統(tǒng)采用的是基于NET框架結(jié)構(gòu)的Microsoft Visual Studio，基本上可以實(shí)現(xiàn)1 h降水場(chǎng)估測(cè)，同時(shí)確保定量估測(cè)大范圍降水的準(zhǔn)確性。若是滑坡泥石流易發(fā)區(qū)、地震重災(zāi)區(qū)，則可以應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)定量估測(cè)大范圍降水，獲取到準(zhǔn)確、全面的降水預(yù)報(bào)預(yù)警信息，為后續(xù)的氣象工作提供

服務(wù)[4]。

新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)系統(tǒng)包括四大模塊，即遠(yuǎn)程服務(wù)器自動(dòng)連接模塊、雷達(dá)基數(shù)據(jù)更新模塊、雷達(dá)降水估測(cè)模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。在監(jiān)測(cè)與連接遠(yuǎn)程服務(wù)器時(shí)，可以利用遠(yuǎn)程服務(wù)器自動(dòng)連接模塊，及時(shí)下載實(shí)況降水資料、雷達(dá)基數(shù)據(jù)壓縮包，為后續(xù)進(jìn)行定量估測(cè)大范圍降水做好準(zhǔn)備；應(yīng)用雷達(dá)基數(shù)據(jù)更新模塊更新雷達(dá)基數(shù)據(jù)等資料；應(yīng)用雷達(dá)降水估測(cè)模塊，結(jié)合實(shí)況降水資料對(duì)大范圍降水進(jìn)行定量估測(cè)，但在應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)模塊時(shí)，必須獲取全面的雷達(dá)回波信息，對(duì)中尺度回波進(jìn)行跟蹤，綜合分析雷達(dá)回波信息，確定降水范圍是否擴(kuò)大，同時(shí)確定在降水時(shí)段是否有水汽不斷補(bǔ)充，掌握大范圍降水過程中的實(shí)際情況；在應(yīng)用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的過程中，要注重對(duì)新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、集成、歸納等，這一過程中注重應(yīng)用當(dāng)前成熟的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，有效除去新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中的冗余、噪聲、不一致性，從而使新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠、完整，便于后續(xù)進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分析。

降水較多且出現(xiàn)大范圍降水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)系統(tǒng)的大范圍降水定量估測(cè)范圍擴(kuò)大，用時(shí)也更長(zhǎng)。因此，應(yīng)加快新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)系統(tǒng)的解算速度，且注重應(yīng)用無損壓縮解壓技術(shù)，自動(dòng)生成每小時(shí)的大范圍降水定量估測(cè)場(chǎng)數(shù)據(jù)。此外，可結(jié)合實(shí)際需求調(diào)整新一代天氣雷達(dá)降水估測(cè)系統(tǒng)的分辨率，在多山區(qū)、海拔高差較大的地區(qū)，可以調(diào)整為0.25 km×0.25 km。

2.3 增強(qiáng)人工增雨的效果

氣象服務(wù)中應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)，結(jié)合自動(dòng)站雨量、地理信息數(shù)據(jù)、作業(yè)發(fā)射點(diǎn)，建立起所需要的人影預(yù)警指揮和效果分析系統(tǒng)，支持后續(xù)的人影作業(yè)。人工增雨方面，在飛機(jī)人工增雨外場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)中應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)，可以增強(qiáng)人工增雨的效果，有助降低森林火險(xiǎn)等級(jí)、改善土壤墑情、凈化城市空氣、增加水庫蓄水。具體而言，在飛機(jī)人工增雨外場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)的前后，跟蹤探測(cè)新一代天氣雷達(dá)、GPS的不同仰角回波強(qiáng)度，詳細(xì)對(duì)比分析相鄰的非作業(yè)催化區(qū)，確定出催化作業(yè)對(duì)雷達(dá)回波所產(chǎn)生的具體影響，并結(jié)合新一代天氣雷達(dá)調(diào)整或優(yōu)化人工增雨。在新一代天氣雷達(dá)的監(jiān)測(cè)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有強(qiáng)回波混積云經(jīng)過時(shí)，可以考慮進(jìn)行人工增雨，氣象部門應(yīng)抓好有利時(shí)機(jī)，科學(xué)有效地開展人工增雨作業(yè)。

3 新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用前景

新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用越來越廣泛，所發(fā)揮出的重要作用值得肯定。在氣象服務(wù)活動(dòng)中，新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)也將發(fā)揮出重要作用，應(yīng)充分明確新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用前景，發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的作用。

當(dāng)前，新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)通常采用二進(jìn)制格式存儲(chǔ)方式，結(jié)合對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)說明文檔，進(jìn)行解碼和后續(xù)處理，生成雷達(dá)產(chǎn)品[5-7]。在處理新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用較多的是Python庫，如PyCINRAD、wradlib、PyArt。但單純地對(duì)新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析是不夠的，還必須嚴(yán)格控制新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，更好地識(shí)別強(qiáng)對(duì)流天氣、定量估測(cè)大范圍降水，并確保高精度。當(dāng)存在速度模糊、超折射、地物雜波、距離折疊等問題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中混入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或混入無效數(shù)據(jù)?；夭▓D上發(fā)現(xiàn)有多個(gè)形態(tài)的異?；夭?，如噪點(diǎn)、扇形、環(huán)狀、線狀，無法精準(zhǔn)識(shí)別強(qiáng)對(duì)流天氣與定量估測(cè)大范圍降水。因此，在氣象服務(wù)中應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)，必須高度重視新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的使用及其質(zhì)量的控制，注重應(yīng)用精度更高的質(zhì)控算法。

為進(jìn)一步發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的重要作用，應(yīng)注重大數(shù)據(jù)技術(shù)手段的應(yīng)用，考慮進(jìn)行基于大數(shù)據(jù)的產(chǎn)品研發(fā)與評(píng)估，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)手段，提高新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的應(yīng)用成效。在基于大數(shù)據(jù)技術(shù)手段的新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用中，重視大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的推廣應(yīng)用，并積極依托氣象大數(shù)據(jù)平臺(tái)，挖掘出氣象服務(wù)活動(dòng)中有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，以促進(jìn)新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的深加工、增值及應(yīng)用服務(wù)，從而為今后的氣象服務(wù)工作提供更為良好的氣象數(shù)據(jù)支持[8-11]。

在基于大數(shù)據(jù)技術(shù)手段的新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)創(chuàng)新服務(wù)中，著重把握好“實(shí)況觀測(cè)資料”“加工分析產(chǎn)品”“預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)產(chǎn)品”這三大服務(wù)。以“實(shí)況觀測(cè)資料”這一服務(wù)為例，強(qiáng)調(diào)全方位獲取地面氣象資料、農(nóng)業(yè)氣象資料、輻射氣象資料、高空氣象資料、海洋氣象資料、環(huán)境氣象資料、雷達(dá)探測(cè)資料、衛(wèi)星氣象資料，注意沙塵、高溫、冰凍、霧霾、雷暴、暴雨、積雪等氣象災(zāi)害。對(duì)所獲取的新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)手段進(jìn)行加工分析，形成高質(zhì)量的高時(shí)空分辨率網(wǎng)格化分析數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

當(dāng)前階段，新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)已經(jīng)基本建成，具有規(guī)模大、技術(shù)先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，可以有效監(jiān)測(cè)預(yù)警所在地區(qū)的各類災(zāi)害性天氣，尤其是提高短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)水平。新一代天氣雷達(dá)在氣象服務(wù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，大范圍應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)已是必然趨勢(shì)，當(dāng)前取得的成果值得肯定。氣象服務(wù)中新一代天氣雷達(dá)的觀測(cè)時(shí)，要強(qiáng)調(diào)全過程把握天氣系統(tǒng)發(fā)展，同時(shí)關(guān)注臨近天氣預(yù)報(bào)，重點(diǎn)是為臨近天氣預(yù)報(bào)提供天氣系統(tǒng)的3種重要信息，即移動(dòng)落區(qū)、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向，達(dá)到定點(diǎn)、定時(shí)及定量的預(yù)報(bào)。在未來，天氣雷達(dá)要不斷更新和利用新興技術(shù)，進(jìn)一步為氣象服務(wù)提供技術(shù)支撐。

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收稿日期：2024-08-11

作者簡(jiǎn)介：楊建平（1967—），男，廣東揭陽人，工程師，研究方向?yàn)闅庀缶C合觀測(cè)。