新一代天气雷达在气象服务中的应用分析

胡伟萍，陈丽明

宁德市三沙气象台，福建宁德 355100

2012年3月，宁德新一代天气雷达项目在霞浦县三沙镇开始动工建设，建设完毕后，新一代天气雷达系统有效弥补了闽东雷达探测盲区的不足，增强了对台风、暴雨、强对流等灾害性天气的监测与预警能力，提升了对台湾海峡及邻近区域的气象服务水平，进一步满足了地方社会经济的发展和海峡两岸同胞对气象服务的新要求。

宁德新一代天气雷达系统是完善海西气象监测预警系统的一部分，以雷达系统项目建设为契机，有效推动了宁德气象现代化建设，提高了天气预报精准率，增强了本地防灾减灾能力、应对气候变化的能力、气候资源开发能力，实现了气象事业的跨越式发展，为宁德社会经济的发展和防灾减灾做出了突出贡献。新一代天气雷达项目配备了S波段新一代天气雷达(CINRAD/SA)系统设备和配套基础设施等，雷达信息处理中心建设在蕉城区漳湾镇汤湾村和尚山。

1 新一代天气雷达系统概述

1.1 新一代天气雷达的组成

相较于传统设备，新一代天气雷达系统的自动化程度更高，包含无线电探空仪使用系统、测距系统、计算机技术系统、网络通信系统，能够自动完成气象数据采集、加工、分配传输和存储等多项功能。新一代天气雷达系统主要有雷达数据采集、产品最终形成、用户终端三大部分。

雷达数据采集子系统是雷达硬件的实体部分。该系统主要由随动系统、定时器与信号源、发射机、接收机、信号处理器、雷达监控等部分组成。而且新一代天气雷达搭载RDASC，主要由计算机显示终端和接口装置构成，该系统可以更加便捷地操控雷达装置的运行，收集指定气象数据，检测监控设备的参数是否维持在正常范围内，可自动启动纠正误差和自动标定等程序。RDA系统能够在没有人工操作的条件下自行完成工作，而且工作质量高、错误率低，便于维护，在气象领域应用广泛。计算机处理系统与中央处理器和标准通信子系统之间的接口等可以对原始数据进行整理与选择，最终形成对应的气象预报预警产品。

1.2 新一代天气雷达的工作原理

雷达是根据电磁波动传播的特性标定被观测物相对观测点的空间位置和分布特征的无线电设备。当雷暴云、雾等目标观测物入射方向的散射和晴天大气衍射的电磁波被天线收集后，再进行信号提取和数据整理后，明确输出强度、径向速度、速度离散程度等参数，最终在终端设备上生成气象产品，产品经由网络传输发送给有需要的用户，以此完成对天气状况的整体判别程序。计算机终端设备可以利用控制分级和控制天线、伺服系统得到雷达在某一仰角上扫描一周所得出的数据和雷达沿某方位角垂直扫描得到的数据。实现天线的平面位置显示、距离高度显示和体积扫描，通常天气雷达能够在300 s内完成扫描，具备高时空分辨率，能够有效地为临近短期预报和灾害性天气预警预报提供高质量数据。

1.3 基于GIS的雷达产品显示

雷达收集到的原始数据不能作为最终成果直接提供给用户，需要专业人士利用Super-MapGIS专门处理引擎对原始数据进行再加工，最终形成地理信息系统能明确识别的雷达产品数据，而且可将数据内容存入指定路径，以便后续GIS实现便捷访问[1]。

观测人员在WinForm程序中加入地理信息系统中的MAP窗口，装载本地地图，编写特定代码，以便快速访问加工后的雷达数据信息，然后在WinForm程序中显示。合理地设置雷达图层的透明度，这样就能在本地地图中清楚显示各行政区域。利用TreeView空间沿特定搜索路线，逐个对树状图中每一节点做1次访问，最终形成雷达产品目录树。打开菜单页面或点击按钮即可自动翻页和播放雷达资料，这种方法便于气象服务工作人员从整体上判断天气系统的演变趋势、强弱变化和移动路径。

2 新一代天气雷达的观测模式

临近天气预报的时间段一般是0～3 h，当灾害性天气来临时，预测时间更为紧迫，需要在60 min之内。较高精度的临近天气预报需要借助技术先进的雷达观测系统，提供全方位的数据资料，其他资料的时效性和分辨性相较而言质量不高，仅可作为辅助参考使用。

目前，宁德市新一代天气雷达中的CINRAD/SA速度和谱宽分辨率为250 m，反射率因子的分辨率为1 km。雷达业务观测采用的是WSR-88D雷达基数据资料格式，采用的体扫模式为VCP11/VCP21，能够快速扫描具体的仰角，仰角范围为0.5°～19.5°。第一个仰角可测定反射率因子，表征降水目标物回波强度，最远探测距离为460 km[2]。第二个仰角是测定速度的，最远探测距离为140 km，通过模糊处理可达到230 km。第一个和第二个仰角都可扫2圈。VCP11共 有11个仰角，转16圈的时长约为5 min，VCP21则有9个仰角，转11圈时长约为6 min。VCP21相较于VCP11扫圈数少，但总用时长却比VCP11长，这是因为VCP21积分次数比VCP11多，数据质量也明显优于VCP11。

晴空模式采用VCP31和VCP32，这2个都有5个相异仰角。VCP31转7圈，最低2个仰角共扫4圈，VCP32转8圈，最低3个仰角共扫6圈，整体用时约为10 min。天气雷达观测方法主要针对整个天气系统发展的全过程进行整体观测，以便为临近天气预报提供天气系统的移动方向、速度和落区等，尽量做到定时、定点、定量预报。

3 新一代天气雷达产品的应用

新一代天气雷达所发出的脉冲形式电磁波遇到雨滴、冰雹等降水物质后，部分能量被降水物质所截留并且向各个方向散射，散射的能量会回到雷达天线，被雷达所接收[3]。根据雷达的接收系统分析，会得出降水强弱、有无冰雹、龙卷和大风等。

3.1 短时强降水预报服务

2022年6月中旬宁德市出现1次强降水过程，48 h累积降水量达到了80～150 mm，局部超过了200 mm，最大小时雨强50 mm。6月12日，受到低压槽前孟加拉湾暖湿气流的影响，冷性低涡向东移动，副热带地区的高压系统北进且表现为东西带状。宁德市气象台于2022年06月13日08:20发布暴雨警报和暴雨预警Ⅱ级，全市范围内迎来强降水天气。6月12日500 hPa欧亚大陆中高纬度地区为“两槽一脊”形势，在东西伯利亚南部出现了冷性低涡，华南地区出现低压槽，副高继续北进且带状向西延伸，出现了副高偏北、径向发展稳定的环流形势。6月13日8:00 850 hPa上，宁德市上空出现了西南急流带。地面显示：自内蒙古至云贵两省之间出现了低压带，西南涡尚未建立，海上高压增强且移动速度放缓，此次强降水高低空系统配合持续时间较长。

雷达回波显示：具有中尺度特征的回波是导致较短时间内集中降水和次生灾害出现的首要因素。要取得准确的强降水预报，必须跟踪好中尺度回波。从雷达回波分析来看，此次强降水6月12日晚的基本反射率表示宁德市已经有部分区域开始降水，次日上午降水仍在持续且范围不断扩大，其中，古田县区域反射率最强，达到48 dBz左右。分析相对径向速度角可知，最大速度为22～23 m/s，0速度带呈“S”形，大气风向随高度升高呈顺时针旋转，这表明有暖平流。旋转曲率较大表示高空出现了较强的垂直风切变，低层充沛的水汽获得了向上抬升的推动力，使得整个降水过程得以持续。

分析雷达回波顶高可知，宁德市在此次降水过程中受到回波影响。回波的高度基本在7～9 km之间，顶高最大值为9.2 km，这说明降水系统云层深厚且稳定。在宁德市气象局于2022年6月13日10:50发布黄色暴雨预警后，气象部门根据收集到的雷达回波演变和数据资料，预测降雨形势，后续将黄色预警信号提升至橙色预警信号。气象部门在发布预警信号的同时，以各种通信方式将气象预报信息及时传递给下属气象局和有关政府部门，为防止洪涝和泥石流等灾害出现提供气象决策依据。在此次降水预报服务过程中，气象部门组织工作人员快速反应、准备充分，除了导致少数地区内涝，并没有出现重大灾情和人员伤亡及财产损失。

3.2 雷雨大风预报服务

宁德市气象局在2023年3月22日14:21发布雷电黄色预警信号，在之后的6 h内，蕉城区西部和南部乡镇出现雷电活动，局地伴有短时强降水，7～9级短时大风等强对流天气。3月23日11:21宁德市气象台将预警信号变更为橙色预警信号，在之后的2 h内，短时强降水持续，出现了10～11级雷雨大风和冰雹等强对流天气。

雷达回波显示，宁德市在3月22日上午突发强对流回波，至翌日上午回波最大强度始终在46 dBz以上，最大强度达58 dBz，最高回波顶高14.5 km，回波移动方向为东南西北方向，不断影响宁德市部分区域。至23日下午才有所减弱，气象工作人员在观测到强回波后，在22日下午及时制作并发布了雷电黄色预警信号，并且根据回波发展形势，在23日将预警等级提升为橙色预警。

3.3 低温预警服务

2021年2月9日宁德市气象台连发霜冻黄色预警、大风黄色预警、道路结冰黄色预警3个气象灾害预警信号，出现了入冬后影响范围最广、强度最大的雨雪过程。此次雨雪是受到一股来自北方的强冷空气影响所致。自2月8日起，宁德市沿海的风力已开始增强，东北风达7～8级，阵风达9～10级，气温不断下降，8日夜间沿海最低温度已降至1～3 ℃，山区部分区县最低至-3 ℃。2月9—10日，气温继续下降，2月10日山区出现-5 ℃左右的极端最低气温，沿海极端最低气温降至0 ℃。伴随气温下降，降雪影响范围不断扩大。2月8日部分区县出现降雪。2月9—10日宁德市大部分区县出现降雪，高海拔山区有中到大雪，沿海出现小雪或雨夹雪。

2021年2月8日500 hPa高空欧亚大陆中纬度呈现“两槽一脊”型，新疆北部的横槽东移至甘肃中部，宁德地区被横槽槽前西南气流所控制。巴尔喀什湖至新疆地区的高压脊慢慢东移，短波槽受到强冷空气的影响快速增强，且影响宁德市，配合低层冷涡和倒槽，宁德市大范围出现降温和降雪天气。

2月8日屏南县最低气温已经降至0 ℃以下且出现了结冰现象，周宁县西部温度降至-3 ℃以下，2月9日，宁德多个气象站记录了间歇性小雪的出现。从雷达回波来看，此次降雪过程自2月9日开始，9日10:00雷达回波表明宁德市山区由江水回波而且在不断增强12:00左右，组合反射率最高为18 dBz，翌日10:00左右，回波在全市上空维持，强度达到29 dBz。

宁德市气象部门发布预警预报后，垂直风廓线图更加明显，低层风速保持在较低值，但随着高度增加，风的强度也在变大，在7.1 km左右的高空，最大风速达到25.9 m/s。在暖湿西南气流的影响下，大气中的水汽含量较高，回波继续稳定发展，而且由西南东北向移动，9日晚20:00风廓线显示低层风向出现变化，变化自西南向顺时针旋转至东北向，高空西南风在5.6 km左右的风速为22 m/s。回波十分稳定，降雪范围不断扩大，且强度逐渐变大，总体仍持续，至10日下午降雪范围逐渐缩小，且强度变小。宁德市新一代天气雷达系统所提供的垂直风廓线产品能够清楚地显示宁德市上空的气流性质和气流气团的变化过程，以及降水期间的切变层变化。

3.4 人工降雨

利用新一代天气雷达，根据宁德市区域地形地貌分布、所布置的自动站雨量分析收集等信息，可建立起高效的人影作业预警指挥和效果分析系统，为宁德市选择合适的人影作业时机和地点，而且所建立的操作平台便于操控。宁德市气象局近年来通过飞机开展人工降雨外场作业试验，持续性探测作业前后新一代天气雷达和地理信息系统各种仰角回波的强弱，之后对比相邻的非作业催化区，分析人影作业使用催化剂对雷达回波产生的影响，进而探寻新途径，增强飞机人影作业效果。

2022年7月开始，宁德市气象干旱持续发展，全市除古田、寿宁部分乡镇为重旱外，其余地区气象干旱等级均为特旱。为缓解旱情，宁德市气象部门研判天气形势，提前谋划，及时启动人工影响天气应急响应。气象雷达图显示，在经过一段时间少雨天气后，11月1日前后台风“尼格”外围云系和冷空气共同影响宁德市。气象部门抓住此次机遇，在全市范围内不分昼夜，全天候开展人工增雨作业，地面火箭弹与地面烟炉综合立体作业。截至3日20:00，共开展人工增雨作业84次，发射火箭弹76枚，燃烧烟条168根，全市普降大雨，局部暴雨。最大为柘荣乍洋70.3 mm，城区最大为周宁55.7 mm，全市累计增加降水量体积为8 574 m3。此次人工增雨作业成效明显，对改善空气质量、降低森林火险等级、增加水库蓄水起到了积极的作用。根据MCI气象干旱综合指数监测，全市除福安、寿宁为轻旱，蕉城的部分乡镇为重旱外，其余地区气象干旱等级均为中旱，旱情有所缓解。

4 雷达分析过程中需要注意的问题

目前，新一代雷达产品种类繁多，产品数据一般集中为表现基础数据的强度、速度和谱宽图，即基本产品。若需要其他非基础数据则不能使用现有雷达产品作为定论依据，而仅能作为参考用，最终产品结果需要综合其他气象观测资料得出。根据已有的经验模型进行数据分析时，要重点检验模型的物理含义，避免产生歧义，尤其是不能混淆形态学上的特征。当有两位工作人员对回波类型无法做出一致判断时，最好不要确定该回波特征。例如：当出现上升气流时，才能断定有钩状回波。一些回波特征和天气系统的表现并非一对一的关系，如带状回波可能由锋面、飑线、切变线等天气系统引起，必须严格按照定义确定回波类型。

5 结束语

新一代天气雷达在气象服务中得到了广泛应用，气象预测预报服务能力得到增强，要重点关注雷暴、大风、冰雹等恶劣天气，开展深度研究合作，提高气象数据质量。在未来一段时间内，要继续优化新一代天气雷达观测模式，建立强对流天气协同观测系统，进一步开展观测实验，不断优化标定标校技术，完善数据质控算法并开展分析评估。