沈 瑾, 甘 泉,鄧小麗 , 宋小明
(1.西安市氣象局 陜西 西安 710016;2.東莞市氣象局 廣東 東莞 523086;3.西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065)
我國地處東亞季風(fēng)區(qū),氣候條件復(fù)雜,降水、風(fēng)、氣溫等氣象要素變率大,并常帶突發(fā)性,導(dǎo)致我國氣象災(zāi)害種類多,災(zāi)害性天氣頻發(fā)。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,突發(fā)性天氣災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)和人民生活的影響日益顯著。我國每年受臺風(fēng)、暴雨、干旱、大風(fēng)、雷暴和冰雹等重大災(zāi)害性天氣影響的人口達(dá)6億人次。僅在我國沿海登陸的熱帶風(fēng)暴(臺風(fēng)),一次就可以造成幾十億、甚至上百億元的經(jīng)濟(jì)損失。在當(dāng)前全球變化背景下,國家安全和可持續(xù)發(fā)展需求日益提高,極端氣候事件和突發(fā)性天氣災(zāi)害對農(nóng)業(yè)、水資源、交通、能源、糧食和國防的安全保障帶來了極大威脅[1]。
天氣雷達(dá)是監(jiān)測、預(yù)警突發(fā)災(zāi)害性天氣最有效的手段。近50年來,我國天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)得到了長足的發(fā)展,在災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用,取得了明顯的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。天氣雷達(dá)通過間歇性地向空中發(fā)射電磁波(脈沖),然后接收被氣象目標(biāo)散射回來的電磁波(回波),探測400多千米半徑范圍內(nèi)氣象目標(biāo)的空間位置和特性,在災(zāi)害性天氣,尤其是突發(fā)性的中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮著重要的作用。天氣雷達(dá)主要由天線、饋線、伺服、發(fā)射機、接收機、信號處理、產(chǎn)品生成、顯示終端等組成。天線主要用于發(fā)射和接收電磁波;饋線用于傳導(dǎo)電磁波;伺服部分控制天線等的運轉(zhuǎn);發(fā)射機產(chǎn)生電磁波,接收機接收處理電磁波;信號處理主要負(fù)責(zé)處理回波信息;產(chǎn)品生成部分根據(jù)算法,生成應(yīng)用產(chǎn)品以及控制雷達(dá)的信號;顯示終端顯示產(chǎn)品以及雷達(dá)控制方式等信息。目前,全球設(shè)有1 000多個天氣雷達(dá)站,分布在世界各地[2-3]。
我國天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展大體分3個階段[4]。
第一階段為20世紀(jì)60年代末到80年代的常規(guī)模擬天氣雷達(dá)階段,我國形成了由51部各種型號雷達(dá)組成的天氣觀測網(wǎng),在局地災(zāi)害性天氣警戒,沿海臺風(fēng)聯(lián)防和人工影響天氣作業(yè)等方面發(fā)揮了積極作用。但總體技術(shù)水平和應(yīng)用能力與發(fā)達(dá)國家相差20~30年。
第二階段為20世紀(jì)70年代到80年代的數(shù)字化天氣雷達(dá)階段,數(shù)字天氣雷達(dá)利用計算機技術(shù)對雷達(dá)回波強度信息進(jìn)行數(shù)字化處理,生成各種準(zhǔn)定量的監(jiān)測、分析、預(yù)警產(chǎn)品,提高了信息加工、分析的處理速度,增強了雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警能力。到20世紀(jì)90年代初,我國形成了由58部S波段和C波段數(shù)字化天氣雷達(dá)組成的基本探測站網(wǎng),開展了區(qū)域聯(lián)防和數(shù)字拼圖,在災(zāi)害性天氣預(yù)警,短時預(yù)報水平和雷達(dá)定量估測降水方面取得了長足進(jìn)展。此階段在天氣雷達(dá)研制生產(chǎn)和應(yīng)用等方面與發(fā)達(dá)國家的差距仍有10~20年。
第三階段是從20世紀(jì)90年代開始的多普勒天氣雷達(dá)階段,隨著國際天氣雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的新趨勢和國家需求的增長,我國確定了發(fā)展新一代多普勒天氣雷達(dá)的思路,并相應(yīng)制定了新一代多普勒天氣雷達(dá)功能規(guī)格需求。多普勒天氣雷達(dá)采用全相參技術(shù)體制,在測定云和降水回波強度的同時,應(yīng)用多普勒技術(shù)獲取大氣風(fēng)場和湍流信息。多普勒天氣雷達(dá)是研究云和降水物理學(xué),云動力學(xué),監(jiān)測分析和預(yù)警中尺度災(zāi)害性天氣最有效的工具之一。此階段,我國多普勒天氣雷達(dá)的研制和應(yīng)用水平得到了極大提高,與發(fā)達(dá)國家在技術(shù)和應(yīng)用上的差距已在10年以內(nèi)。
我國的臺灣、香港、澳門也已建有美國、日本和德國生產(chǎn)的多普勒天氣雷達(dá)。其中臺灣氣象部門有4部、民航有1部、空軍有2部C波段多普勒雷達(dá)。
常規(guī)模擬天氣雷達(dá)和數(shù)字化天氣雷達(dá)只能探測氣象目標(biāo)的位置和強度,而由于缺乏氣象目標(biāo)的運動信息,很難滿足天氣預(yù)報的需要。多普勒天氣雷達(dá)則比常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)能獲取更多的信息,不僅能探測氣象目標(biāo)的位置和強度,還能夠探測這些目標(biāo)中降水粒子的徑向運動速度和速度譜寬,從而得到大氣風(fēng)場和湍流等信息,能監(jiān)測下?lián)舯┝?、龍卷、陣風(fēng)鋒、低空風(fēng)切變等災(zāi)害性天氣,是氣象保障必不可少的裝備。
美國通過從1988年到2000年實施的氣象現(xiàn)代化項目,已經(jīng)完成了全國165部多普勒雷達(dá)的布點建設(shè),覆蓋美國大陸以及部分沿海海域和島嶼。此外,聯(lián)邦航空管理局還在全美45個繁忙機場建成了專用于民航的高性能終端多普勒天氣雷達(dá)。
加拿大于1998年到2003年實施了“國家雷達(dá)計劃”,在美加邊境附近重點對災(zāi)害性天氣頻發(fā)和沿海人口密集地區(qū)布設(shè)了31部多普勒天氣雷達(dá),雷達(dá)覆蓋區(qū)域達(dá)到全國人口總數(shù)的95%。
歐盟采取了與各國合作的方式,已布置天氣雷達(dá)100多部,其中新一代雷達(dá)約占一半,以C波段為主。各國非常重視觀測資料的交換和共享,通過合作已有效地提高了天氣預(yù)報水平和防災(zāi)減災(zāi)能力。
澳大利亞天氣雷達(dá)系統(tǒng)由60部數(shù)字化天氣雷達(dá)和2部新一代天氣雷達(dá)構(gòu)成,已實現(xiàn)了全國天氣雷達(dá)強度場拼圖。
日本氣象部門有20部C波段數(shù)字化天氣雷達(dá),另有4部數(shù)字化天氣雷達(dá)和5部新一代天氣雷達(dá)布設(shè)在機場,其觀測范圍覆蓋全國。目前實現(xiàn)了天氣雷達(dá)的組網(wǎng)和雨量站觀測數(shù)據(jù)共同拼圖。
韓國共有天氣雷達(dá)9部。其中S波段雷達(dá)1部,C波段雷達(dá)8部。雷達(dá)24 h連續(xù)觀測,每10 min生產(chǎn)一次雷達(dá)拼圖資料。
盡管我國天氣雷達(dá)技術(shù)取得了長足的發(fā)展和顯著的成績,但與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)和應(yīng)用水平相比仍有較大差距。這些問題在天氣雷達(dá)發(fā)展建設(shè)中必須高度予以重視,并逐步加以解決。目前新一代天氣雷達(dá)技術(shù)發(fā)展中存在的主要問題有:
1)我國的新一代天氣雷達(dá)建設(shè)正處于快速發(fā)展階段,但總體水平還不高,區(qū)域雷達(dá)組網(wǎng)尚不健全,全國天氣雷達(dá)組網(wǎng)還沒有形成。現(xiàn)有的雷達(dá)站網(wǎng)建設(shè)和現(xiàn)代化技術(shù)水平還不能完全實現(xiàn)對突發(fā)性、轉(zhuǎn)折性災(zāi)害性天氣的全程、連續(xù)、有效的監(jiān)測,不能適應(yīng)對災(zāi)害性天氣快捷、高效監(jiān)測以及迅速響應(yīng)的要求。
2)天氣雷達(dá)資源共享不充分。各部門間缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)的共享機制,沒有從整體組網(wǎng)和資源共享的角度進(jìn)行天氣雷達(dá)系統(tǒng)的建設(shè),造成雷達(dá)探測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,探測模式和資料數(shù)據(jù)格式不一致,資料無法統(tǒng)一處理,使有限資源難以充分共享利用,限制了天氣雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展。
3)研發(fā)與應(yīng)用水平較低,自主開發(fā)能力待加強。目前我國新一代天氣雷達(dá)自主研發(fā)能力不強,尚缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù);新一代天氣雷達(dá)綜合應(yīng)用產(chǎn)品制作基本以跟蹤和模仿學(xué)習(xí)國外為主,與發(fā)達(dá)國家的主要差距是沒有形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的雷達(dá)氣象產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)。尤其在雷達(dá)數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量控制、反演與同化技術(shù)及特種需求的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等方面亟待提高。
4)技術(shù)保障體系建設(shè)滯后,與雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)速度不相適應(yīng)。新一代天氣雷達(dá)建設(shè)已經(jīng)在全國展開,但是相應(yīng)的技術(shù)管理和業(yè)務(wù)保障體系尚未形成,雷達(dá)維修、維護(hù)以及雷達(dá)技術(shù)支持能力建設(shè)相對滯后,影響了多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)建設(shè)效益的充分發(fā)揮。
世界天氣雷達(dá)探測技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是:從地基雷達(dá)探測到空基、天基雷達(dá)探測;從單基探測到多基探測;從單一參數(shù)探測到多參數(shù)探測;從低時空分辨率探測到高時空分辨率探測;從單站探測到全網(wǎng)的綜合探測。同時,未來的雷達(dá)網(wǎng)布局趨勢呈現(xiàn)出大小雷達(dá)相結(jié)合的特征,以小型雷達(dá)補充站網(wǎng)雷達(dá),主要表現(xiàn)為以提供區(qū)域覆蓋的大型雷達(dá)(指S波段和C波段雷達(dá))為主,以邊界層探測的短程小型天氣雷達(dá)(指X波段雷達(dá))為輔。未來的天氣雷達(dá)技術(shù)應(yīng)作為地球綜合觀測系統(tǒng)的有機組成部分。
3.1.1 新一代天氣雷達(dá)技術(shù)特點
新一代天氣雷達(dá)具有以下技術(shù)特點:
1)強探測能力和高探測精度
新一代天氣雷達(dá)主要按照美國WSR-88D的規(guī)格生產(chǎn),為S波段全相干制雷達(dá)。隨著雷達(dá)波長的增加,其對降水粒子的衰減作用大大減小。新一代天氣雷達(dá)的天線直徑為9 m波束寬度小于10,波束寬度越小角度的分辨率越高,探測精度也越高。新一代天氣雷達(dá)采用高低兩種脈沖重復(fù)頻率,對臺風(fēng)、暴雨等大范圍的強降水天氣的監(jiān)測距離為460 km,對流云、龍卷禍旋等小尺度強天氣系統(tǒng)的有效監(jiān)測和識別距離為230 km,所有的數(shù)據(jù)、算法和產(chǎn)品的范圍可達(dá)230 km,超過230 km將沒有速度數(shù)據(jù),風(fēng)暴識別、跟蹤和預(yù)報未來位置可到345 km,在345~460 km之間雖沒有算法應(yīng)用,但仍有反射率因子產(chǎn)品。
2)先進(jìn)的實時標(biāo)校系統(tǒng)
新一代雷達(dá)的雷達(dá)參數(shù)在建站時都經(jīng)過仔細(xì)的校準(zhǔn)和標(biāo)定,在日常的運行中,實時的或每經(jīng)過一個體掃之后,對影響雷達(dá)定量的參數(shù)進(jìn)行一次自動校準(zhǔn)和檢測,以確保雷達(dá)對回波強度的準(zhǔn)確測量。
3)強大的地物雜波抑制能力
靜止的非氣象目標(biāo)和異常傳播間的信號被處理進(jìn)入基本數(shù)據(jù)時,就發(fā)生了地物雜波污染。地物雜波污染對基本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大,進(jìn)而影響導(dǎo)出產(chǎn)品,特別是降水估計。新一代雷達(dá)具有抑制地物雜波和異常傳播造成的污染,得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。
4)先進(jìn)的產(chǎn)品算法和智能型的探測分析系統(tǒng)
新一代雷達(dá)系統(tǒng)提供了較高靈敏度和較細(xì)分辨率的反射率因子、平均徑向速度以及譜寬數(shù)據(jù),運用先進(jìn)的客觀的算法,每5~10 min由基本數(shù)據(jù)導(dǎo)出的分析產(chǎn)品有30多種。此外,新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)也是智能型的探測系統(tǒng),它有豐富的軟件支持,對獲取的探測信息進(jìn)行綜合處理,除了實時提供降水回波圖像分析的信息外,還具有準(zhǔn)實時的對多種災(zāi)害性天氣的自動識別、追蹤等產(chǎn)品[5]。
3.1.2 天氣雷達(dá)應(yīng)用的國際前沿
美國、日本、德國、印度尼西亞等國家參加的國際赤道觀測站計劃,旨在對影響氣候變化的赤道上空大氣進(jìn)行探測。該計劃除在印度尼西亞斯馬特拉島設(shè)站外還計劃在非洲、南美設(shè)站。
歐盟為了促進(jìn)雷達(dá)觀測資料在各國之間交換,擴大受益面,加強了各國之間的合作。重點研究雷達(dá)探測降水和雷達(dá)資料國際網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)了天氣雷達(dá)的發(fā)展。未來幾年歐洲天氣雷達(dá)仍然以發(fā)展C波段多普勒雷達(dá)為主,雙PRF技術(shù)可能用脈沖壓縮技術(shù)來代替。
美國聯(lián)邦航空局在紐約已成功地研制成一部風(fēng)切變告警雷達(dá)。該雷達(dá)是一部多普勒C波段雷達(dá),可以全自動探測和告警顯示機場周圍的惡劣天氣,防止風(fēng)切變造成的危害和微爆現(xiàn)象。日本開發(fā)了一種直徑僅1 m的小型雷達(dá),其性能與機場等使用的大型氣象雷達(dá)相當(dāng)。這種小型雷達(dá)使用了適合在低空進(jìn)行觀測的3 000 MHz的電磁波。觀測幾乎是實時的,時間僅需約1 min。由于體積小,能安裝在汽車和小型船舶上,可預(yù)測1 km2小范圍內(nèi)的天氣現(xiàn)象。
美國宇航局的蘭利研究中心在宇宙飛船“發(fā)現(xiàn)號”上安裝激光雷達(dá),進(jìn)行激光雷達(dá)系統(tǒng)從太空觀測大氣。這一研究將使空間遙感技術(shù)進(jìn)入一個新的時代,有可能找到至今仍使氣候模式研究人員感到困惑的許多問題的答案。觀測的數(shù)據(jù)包括云、對流層和平流層的氣溶膠、行星邊界層的特征、地面以上625英里平流層的空氣密度和溫度以及一系列的地面特征。
天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展將集中在以下幾個方面:
1)當(dāng)今大氣科學(xué)的發(fā)展重點是更長時間尺度的氣象研究和更短空間尺度的中小尺度氣象學(xué)研究和應(yīng)用,多普勒天氣雷達(dá)是天氣雷達(dá)發(fā)展的方向和趨勢。今后將進(jìn)一步發(fā)展多普勒天氣雷達(dá)技術(shù),擴展探測功能。雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)能根據(jù)不同偏振獲取的后向散射信息,可分析、識別降水的類型,提供識別風(fēng)暴中水汽凝聚的過程,提高降水估測精度[6];從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看,雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)將是天氣雷達(dá)發(fā)展的一種趨勢。目前,多普勒天氣雷達(dá)主要用于對與降水伴隨的災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和短時預(yù)報,而對于晴空探測和臺風(fēng)探測,特別是獲取晴空風(fēng)場信息,將是多普勒天氣雷達(dá)功能擴展的下一個目標(biāo)。據(jù)估算,采用相干累加技術(shù)有可能使雷達(dá)獲取晴空風(fēng)場的能力提高15-21 dB。
2)多普勒天氣雷達(dá)對下?lián)舯┝?、微下?lián)舯┝饔泻芎玫谋O(jiān)測能力,但由于這類惡劣天氣現(xiàn)象生命史極短,僅1~2 min,最多不超過10 min,改變現(xiàn)行多普勒天氣雷達(dá)掃描取樣的體制,可行的最簡單的是在天線垂直波束上采用相控技術(shù),形成多波束,這樣雷達(dá)僅做方位角一周的掃描便可以獲取低層大氣中三維立體的風(fēng)場數(shù)據(jù)信息,可以迅速而準(zhǔn)確地監(jiān)測和預(yù)警下?lián)舯┝骰蛭⑾聯(lián)舯┝?。相控陣多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)采用跳躍式電掃描波束和天線方向圖形狀的自適應(yīng)控制,使掃描和資料收集時間由6 min降至1 min以內(nèi),提高獲取資料的時間分辨率??梢栽谧銐蚨痰挠^測時間內(nèi)處理迅速演變的天氣事件,探測能力顯著提高。相控陣天氣雷達(dá)將是天氣雷達(dá)的又一發(fā)展方向。但相控陣?yán)走_(dá)非常昂貴,短時間內(nèi)難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行和組網(wǎng)。
3)在我國,C波段、X波段雙線偏振雷達(dá)目前還處于應(yīng)用研究階段,中國氣象局也有將來布設(shè)X波段雷達(dá),作為對現(xiàn)有新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的有效補充的設(shè)想。我國主要的災(zāi)害性天氣為暴雨、短時強降水、冰雹等,因而,加強對C波段、X波段雙線偏振雷達(dá)偏振參量的誤差分析,以及研究這些誤差對降水估測精度的影響等,顯得十分緊迫和必要。雷達(dá)信號的衰減問題一直是影響X波段廣泛應(yīng)用的重要因素,降水估測時,受衰減影響,會引起較大的誤差。由于X波段雙線偏振雷達(dá)所具有的特點,近年來,美國、英國、日本等國家加強了其在臨近預(yù)報、強風(fēng)暴等災(zāi)害性天氣的預(yù)測預(yù)警工作,對X波段雙線偏振雷達(dá)信號衰減訂正及降水估測研究也取得了一定的進(jìn)展。希臘在2004年雅典奧運會期間,運用X波段雙線偏振雷達(dá)進(jìn)行奧運氣象保障,取得了成功的經(jīng)驗。因此,我國急需開展對X波段雙線偏振雷達(dá)衰減訂正、降水估測、冰雹識別等方面的研究工作[7]。
4)未來雷達(dá)系統(tǒng)中為了提高精度、擴展探測功能,在以下一些新技術(shù)領(lǐng)域?qū)酗@著突破:強大的雷達(dá)信號處理和計算能力,有效地減輕距離和速度模糊技術(shù),過采樣技術(shù),脈沖壓縮技術(shù),優(yōu)化的寬帶通訊網(wǎng)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)等。
5)加強對多普勒風(fēng)場反演技術(shù)的研究。目前對多普勒風(fēng)場資料的應(yīng)用仍處于定性階段,尚未對多普勒天氣雷達(dá)獲取的風(fēng)場信息進(jìn)行充分應(yīng)用。要充分應(yīng)用,風(fēng)場信息要由定性轉(zhuǎn)為定量,單多普勒天氣雷達(dá)的反演技術(shù)是風(fēng)場信息定量應(yīng)用的關(guān)鍵。美國、西歐、日本、俄羅斯等國家也對天氣雷達(dá)的發(fā)展極為重視,西歐確定了下一代天氣雷達(dá)的業(yè)務(wù)技術(shù)體制;俄羅斯將發(fā)展脈間相干的C段、S波段的多普勒天氣雷達(dá);日本也已開展多普勒天氣雷達(dá)的研制工作。韓國、臺灣、香港、新加坡、泰國、土耳其等國家或地區(qū)都在計劃或引進(jìn)氣象雷達(dá)發(fā)展第三階段有代表性的美國WSR-88D。
從國際發(fā)展來看,世界天氣監(jiān)視網(wǎng)在建立最優(yōu)化的全球混合觀測系統(tǒng)方面將取得重大進(jìn)步,國家及地區(qū)天氣監(jiān)測網(wǎng)也將顯著發(fā)展。雷達(dá)和雷達(dá)探測技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。在雷達(dá)探測方面將實現(xiàn)多普勒雷達(dá)布網(wǎng),來自雷達(dá)、衛(wèi)星和地基遙感系統(tǒng)的資料將直接輸入天氣分析和預(yù)報系統(tǒng)。雙線偏振雷達(dá)技術(shù)逐漸成熟,將大大改善雷達(dá)探測降水和識別降水粒子相態(tài)和尺度的能力??焖賿呙瓒嗥绽绽走_(dá)、多極化雷達(dá)、毫米波(多普勒雷達(dá))、調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)會有迅速發(fā)展。
我國幅員遼闊,如何進(jìn)一步改進(jìn)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警,提供及時準(zhǔn)確的天氣變化信息,成為人工影響天氣作業(yè)指揮的重要依據(jù),也是一項急需解決的課題。國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、社會的進(jìn)步及人民生活水平的提高對氣象服務(wù)提出了新需求,國家安全保障對氣象事業(yè)發(fā)展提出了新需求,全球氣候變暖帶來的突發(fā)性天氣氣候災(zāi)害對氣象服務(wù)提出了新需求。建設(shè)新一代天氣雷達(dá),提高對重大災(zāi)害性天氣預(yù)警能力,是十分必要和緊迫的。新一代天氣雷達(dá)在突發(fā)災(zāi)害性天氣、極端氣候事件、生態(tài)環(huán)境、交通安全保障以及云水資源利用等方面都可以發(fā)揮重要作用。因此,迫切需要發(fā)展和建設(shè)新一代天氣雷達(dá)。
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