采訪人：賈朋群（本刊專(zhuān)職副主編）

受訪專(zhuān)家：馬舒慶（本刊編委，中國(guó)氣象局大氣探測(cè)中心研究員）懷誠(chéng)/王國(guó)榮（湖南宜通華盛科技有限公司董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理/高級(jí)工程師）

采訪方式：線上

采訪時(shí)間：2020 年12 月16 日

DOI：

10.3969/j.issn.2095-1973.2021.01.008

賈朋群：

本刊2020年6期刊載了期刊主編許小峰關(guān)于雷達(dá)探測(cè)的文章，闡述了從美國(guó)最早的雷達(dá)在氣象領(lǐng)域用于風(fēng)雨探測(cè)開(kāi)始，雷達(dá)探測(cè)在推進(jìn)大氣科學(xué)學(xué)科發(fā)展和氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能力提升方面的重要作用，其中對(duì)幾次技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的探測(cè)能力拐點(diǎn)，令人印象深刻。本刊2019年增刊介紹的美國(guó)氣象學(xué)會(huì)百年文集中，多個(gè)章節(jié)也提及雷達(dá)資料不可或缺的作用。請(qǐng)專(zhuān)家先簡(jiǎn)要概述一下我國(guó)研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)在上述領(lǐng)域最新的發(fā)展情況。

馬舒慶：

天氣雷達(dá)在各種天氣過(guò)程，尤其是臺(tái)風(fēng)、暴雨和冰雹等強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣過(guò)程的快速監(jiān)測(cè)中，顯示出了不可替代的作用，成為氣象防災(zāi)減災(zāi)的國(guó)之重器，取得了突出的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。氣象部門(mén)不斷提升天氣雷達(dá)探測(cè)能力：包括增補(bǔ)站點(diǎn)，提高覆蓋；雙偏振改造，增強(qiáng)識(shí)別和定量測(cè)量降水能力；提高資料質(zhì)量控制，豐富探測(cè)產(chǎn)品；發(fā)展短程探測(cè)雷達(dá)，提高精細(xì)化探測(cè)能力。

短程探測(cè)雷達(dá)探測(cè)距離為幾十千米，探測(cè)波段選擇為X波段，技術(shù)體制有兩類(lèi)：一類(lèi)是機(jī)械掃描雷達(dá)；另一類(lèi)是相控陣?yán)走_(dá)。X波段相控陣?yán)走_(dá)同時(shí)多波束探測(cè)能力表現(xiàn)出巨大吸引力和強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭。

寸懷誠(chéng)/王國(guó)榮：

我國(guó)最初的天氣雷達(dá)是由商船和軍用雷達(dá)改造的，后來(lái)研制、生產(chǎn)、裝備了711、713、714等型號(hào)的天氣雷達(dá)，為了趕上國(guó)外天氣雷達(dá)技術(shù)發(fā)展，引進(jìn)了多普勒天氣雷達(dá)（新一代天氣雷達(dá)）。在2010年之前我國(guó)天氣雷達(dá)研制、生產(chǎn)單位有電科集團(tuán)14所、38所、航天科工23所、784廠、長(zhǎng)海廠等，都是國(guó)字號(hào)單位。近十年來(lái)一批新興企業(yè)加入了天氣雷達(dá)研發(fā)生產(chǎn)的行列。其中，長(zhǎng)沙宜通華盛在軍工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，帶著先進(jìn)的相控陣技術(shù)和創(chuàng)新發(fā)展的分布式探測(cè)理念，研制出了新型相控陣天氣雷達(dá)—陣列天氣雷達(dá)（圖1）。在中國(guó)氣象局和省市氣象局的支持下，已經(jīng)在上海、廣東佛山、河北雄安等地進(jìn)入應(yīng)用。陣列天氣雷達(dá)能夠有效探測(cè)降水系統(tǒng)中大氣流場(chǎng)，天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)化探測(cè)真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)探測(cè)與熱力學(xué)探測(cè)相結(jié)合。為研究大氣和天氣預(yù)報(bào)提供更豐富、完整的信息。

圖1 新型相控陣天氣雷達(dá)—陣列天氣雷達(dá)

賈朋群：

剛才馬研究員提及，針對(duì)新的雷達(dá)技術(shù)，如新型相控陣?yán)走_(dá)——陣列天氣雷達(dá)，如果得到預(yù)報(bào)員和模擬系統(tǒng)的認(rèn)可，即大幅度提高預(yù)報(bào)（預(yù)報(bào)員和業(yè)務(wù)模式）技巧，得到大氣運(yùn)動(dòng)更多細(xì)節(jié)，一些具有跨越意義的關(guān)鍵技術(shù)值得期待。請(qǐng)問(wèn)，以陣列天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)和研發(fā)的過(guò)程為代表，這類(lèi)技術(shù)的研發(fā)瞄準(zhǔn)的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題是什么？?jī)烧呓Y(jié)合起來(lái)更大的挑戰(zhàn)在哪里？也請(qǐng)寸總和王工分析一下，這樣的技術(shù)成果，現(xiàn)在和未來(lái)對(duì)于企業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品換代的意義。

馬舒慶：

21世紀(jì)初，美國(guó)氣象專(zhuān)家設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化天氣雷達(dá)協(xié)同自適應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)（CASA），這是以多個(gè)X波段小功率、短程雷達(dá)構(gòu)成的雷達(dá)系統(tǒng)。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)的功用，說(shuō)的最多的是低空補(bǔ)盲，實(shí)際上最重要的意義是多點(diǎn)協(xié)同觀測(cè)，使得同一空間點(diǎn)，相同探測(cè)要素有多個(gè)探測(cè)值（如多個(gè)徑向速度）。這與現(xiàn)有雷達(dá)網(wǎng)（新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)）探測(cè)理念完全不同?，F(xiàn)有雷達(dá)網(wǎng)要求同一空間點(diǎn)，同一個(gè)探測(cè)要素有一個(gè)探測(cè)值即可（如一個(gè)徑向速度）。我國(guó)也開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)技術(shù)研究，中科院大氣所陳洪濱研究員主持開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)化天氣雷達(dá)研究，在研究中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械掃描雷達(dá)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)掃描速度慢，空間覆蓋不夠，特別是同一空間點(diǎn)上不同雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)時(shí)間相差（簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)時(shí)差）大。數(shù)據(jù)時(shí)差大對(duì)于合成風(fēng)場(chǎng)有致命的影響，比如同一空間點(diǎn)上兩個(gè)雷達(dá)獲取徑向速度的時(shí)間差是1 min，當(dāng)風(fēng)速為20 m/s，那么這兩個(gè)數(shù)據(jù)就是大氣這個(gè)系統(tǒng)中相隔1200 m的兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果這個(gè)系統(tǒng)是龍卷，那么這兩個(gè)點(diǎn)的風(fēng)向可能完全相反，用在這兩點(diǎn)上獲取的數(shù)據(jù)合成風(fēng)場(chǎng)就可能完全錯(cuò)誤。因此，我們把目光轉(zhuǎn)向了相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，相控陣?yán)走_(dá)具有多波束同時(shí)掃描的能力。探測(cè)中心與多個(gè)雷達(dá)研發(fā)單位探討過(guò)利用相控陣技術(shù)構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)化天氣雷達(dá)——陣列天氣雷達(dá)，宜通華盛勇敢地扛起了這桿大旗。

寸懷誠(chéng)/王國(guó)榮：

宜通華盛有很好的微波技術(shù)和相控陣?yán)走_(dá)基礎(chǔ)（圖2）。針對(duì)陣列天氣雷達(dá)的功能需求，我們從微波技術(shù)開(kāi)始，研制相控陣?yán)走_(dá)部件，發(fā)展到相控陣?yán)走_(dá)整機(jī)，能解決快速掃描的問(wèn)題。但為了解決近程雷達(dá)多點(diǎn)觀測(cè)資料時(shí)差大導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)準(zhǔn)確性不足的痛點(diǎn)，我們結(jié)合氣象專(zhuān)家們提出的分組同步觀測(cè)的技術(shù)路線，從相控陣?yán)走_(dá)到同步協(xié)同觀測(cè)設(shè)計(jì)了完整的實(shí)現(xiàn)方案。在雷達(dá)硬件上實(shí)現(xiàn)了從模擬到數(shù)字波束的過(guò)渡。2017年采用數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16波束同時(shí)探測(cè)（圖3），體掃時(shí)間快了16倍；在同步控制方面，我們研制了專(zhuān)門(mén)的支持遠(yuǎn)程同步控制和伺服自動(dòng)校驗(yàn)同步的雷達(dá)同步系統(tǒng)，能保證多雷達(dá)的嚴(yán)格同步；在整體方案上，設(shè)立了以控制中心為大腦，指揮控制多個(gè)單相控陣?yán)走_(dá)的工作模式、同步信息，并把多雷達(dá)變成一個(gè)整體，由中心站來(lái)統(tǒng)一進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的處理的模式。這些新技術(shù)為氣象研究和天氣分析提供了垂直時(shí)間一致性，空間分辨率、時(shí)間分辨率、空間覆蓋率十分優(yōu)良的探測(cè)資料，并能獲得比較準(zhǔn)確的云內(nèi)風(fēng)場(chǎng)資料，為進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性提供了可能。應(yīng)該說(shuō)這些技術(shù)成果無(wú)論是現(xiàn)在還是未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，都是代表氣象探測(cè)領(lǐng)域的先進(jìn)方向和理念，作為企業(yè)能有這樣的機(jī)會(huì)把先進(jìn)成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并應(yīng)用到企業(yè)服務(wù)中，是非常榮幸的，也為企業(yè)在氣象領(lǐng)域的自主創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 宜通華盛相控陣?yán)走_(dá)

圖3 單波束探測(cè)和16波束探測(cè)示意

賈朋群：

WMO最新發(fā)表了精細(xì)到每個(gè)國(guó)家的主要?dú)庀鬄?zāi)害（圖4），可以看到，“風(fēng)暴”作為主要災(zāi)害，覆蓋了全球最多的地區(qū)，是氣象災(zāi)害的最主要成因。以風(fēng)暴為代表的強(qiáng)對(duì)流天氣，從大氣探測(cè)學(xué)科和探測(cè)儀器兩個(gè)角度，怎樣才能更好地被認(rèn)知？

馬舒慶：

李澤椿院士等在《自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警科技發(fā)展規(guī)劃研究》中指出：氣象災(zāi)害通過(guò)影響生產(chǎn)生活等方方面面，可以危害到環(huán)境安全、糧食安全、水資源安全、生態(tài)安全、社會(huì)安全、國(guó)防安全等。其中，暴雨、臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全；干旱、暴雨洪澇等氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響嚴(yán)重，危害國(guó)家糧食安全；臺(tái)風(fēng)、暴雨（雪）及其導(dǎo)致的洪澇、電線道路結(jié)冰對(duì)生產(chǎn)生活安全造成威脅；極端天氣氣候事件直接影響軍事行動(dòng)實(shí)施以及作戰(zhàn)平臺(tái)、武器裝備安全使用和效能發(fā)揮，影響重大國(guó)防工程建設(shè)，進(jìn)而影響國(guó)防安全。如何提高對(duì)冰雹、龍卷、雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水這些強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，從而降低其災(zāi)害程度呢？首先這是一個(gè)資料獲取的問(wèn)題，也就是探測(cè)問(wèn)題。短臨預(yù)報(bào)主要依靠天氣雷達(dá)資料，以及短期天氣預(yù)報(bào)、探空資料、地面氣象站資料、衛(wèi)星資料，風(fēng)廓線雷達(dá)資料。輔之以短期天氣預(yù)報(bào)、探空資料、衛(wèi)星資料作為背景，給出強(qiáng)烈天氣出現(xiàn)的可能性和可能類(lèi)型。至于強(qiáng)烈天氣在什么時(shí)間、什么地點(diǎn)出現(xiàn)，出現(xiàn)的強(qiáng)度就要靠天氣雷達(dá)資料分析來(lái)確定。早期短臨預(yù)報(bào)利用雷達(dá)回波的強(qiáng)度（反射率因子）來(lái)分析，現(xiàn)在很多地方加入雙偏振雷達(dá)資料來(lái)提高分析的準(zhǔn)確性。反射率因子主要反映大氣中熱力學(xué)變化，雙偏振參數(shù)也主要體現(xiàn)熱力學(xué)變化狀態(tài)。然而，大氣的變化不僅包含了熱力學(xué)變化，而且包括動(dòng)力學(xué)過(guò)程。20世紀(jì)80年代，多普勒技術(shù)引入天氣雷達(dá)，形成了多普勒天氣雷達(dá)（如我國(guó)新一代天氣雷達(dá)），雷達(dá)的價(jià)格也增加了10倍，這時(shí)可以測(cè)量降水粒子速度沿雷達(dá)波束方向的分量，即徑向速度。多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用是天氣雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展的重要標(biāo)志，標(biāo)志著雷達(dá)探測(cè)從熱力學(xué)探測(cè)走向動(dòng)力學(xué)探測(cè)與熱力學(xué)探測(cè)結(jié)合。但是多普勒天氣雷達(dá)所測(cè)的不是粒子速度，而只是粒子速度的一個(gè)分量，因此，盡管為了獲取這個(gè)徑向速度投入巨大，但是在強(qiáng)天氣的應(yīng)用仍然存在很多困難，徑向速度應(yīng)用的場(chǎng)景受到限制。前面提到美國(guó)氣象專(zhuān)家設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化天氣雷達(dá)（CASA），提出了多點(diǎn)協(xié)同觀測(cè)，在網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)多點(diǎn)協(xié)同探測(cè)方式的啟發(fā)下，我們?cè)谙嗫仃嚴(yán)走_(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、研制了獨(dú)特的陣列天氣雷達(dá)。陣列天氣雷達(dá)利用相控陣多波束同時(shí)探測(cè)技術(shù)和分組方位同步技術(shù)，解決以往多雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)差大問(wèn)題，將數(shù)據(jù)時(shí)差縮短到幾秒鐘，準(zhǔn)確獲取對(duì)流天氣風(fēng)場(chǎng)資料（圖5）。實(shí)現(xiàn)了天氣雷達(dá)動(dòng)力學(xué)探測(cè)和熱力學(xué)探測(cè)結(jié)合。陣列天氣雷達(dá)在空間覆蓋和時(shí)間空間分辨率方面都按照精細(xì)化探測(cè)的需要進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖4 各國(guó)死亡最多和損失最大的天氣、水和氣候?yàn)?zāi)害分布（來(lái)源：WMO《2020氣候服務(wù)狀況》）

圖5 7個(gè)前端陣列天氣雷達(dá)前端布局和掃描示意圖（黑色圓圈為前端掃描范圍；七種顏色線段表示掃描線；相鄰3個(gè)前端構(gòu)成一個(gè)三角形；相鄰3個(gè)前端的掃描線同時(shí)進(jìn)入這三個(gè)前端圍成的三角形；掃描順序：（1、2、7），（2、3、7），（3、4、7），（4、5、7），（5、6、7），（6、1、7））

寸懷誠(chéng)/王國(guó)榮：

陣列天氣雷達(dá)是一個(gè)新的概念，這是我們中國(guó)人在天氣雷達(dá)領(lǐng)域提出的概念。作為企業(yè)我們將面對(duì)兩個(gè)挑戰(zhàn)：一是對(duì)新事物的接受。中國(guó)氣象是一個(gè)有著改革創(chuàng)新文化的領(lǐng)域，幾十年，特別是改革開(kāi)放的40年，不斷創(chuàng)新、蓬勃發(fā)展。因此，對(duì)于陣列天氣雷達(dá)接受度極高，當(dāng)把陣列天氣雷的技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用價(jià)值講清楚后，得到了普遍的認(rèn)同和支持。我們與上海市氣象局聯(lián)合創(chuàng)辦了陣列天氣雷達(dá)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，共同研究，推進(jìn)陣列天氣雷達(dá)的完善和應(yīng)用。還有一個(gè)例子：有一個(gè)市原來(lái)準(zhǔn)備建2個(gè)相控陣?yán)走_(dá)，但聽(tīng)完陣列天氣雷達(dá)和應(yīng)用報(bào)告后，將計(jì)劃修改為7個(gè)雷達(dá)（前端）構(gòu)成的陣列天氣雷達(dá)。二是實(shí)現(xiàn)新概念需要攻克一系列技術(shù)難題，需要一系列技術(shù)的突破。經(jīng)過(guò)幾年的艱苦努力，企業(yè)形成了雷達(dá)前后端十四項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，十一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。

賈朋群：

我國(guó)氣象“十四五”規(guī)劃，瞄準(zhǔn)全球氣象觀測(cè)發(fā)展前沿，持續(xù)優(yōu)化氣象站網(wǎng)布局。針對(duì)雷達(dá)觀測(cè)，從單站到組網(wǎng)，從觀測(cè)效益和設(shè)備配置方面看，有哪些能力提升和新挑戰(zhàn)？

馬舒慶：

通過(guò)“十三五”建設(shè)，我國(guó)國(guó)家業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)網(wǎng)雷達(dá)數(shù)量達(dá)到216部，在災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警服務(wù)方面發(fā)揮了重要作用，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。其中103部已建天氣雷達(dá)完成雙偏振技術(shù)改造，初步研究結(jié)果表明：雙線偏振雷達(dá)在強(qiáng)降水估測(cè)、冰雹識(shí)別等方面有明顯應(yīng)用效果。在京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等地區(qū)開(kāi)展了X波段相控陣天氣雷達(dá)應(yīng)用或試驗(yàn)。

相控陣技術(shù)在國(guó)家雷達(dá)網(wǎng)和局域雷達(dá)兩個(gè)方面都將得到發(fā)展。在十四五期間，針對(duì)國(guó)家雷達(dá)網(wǎng)（新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)）的更新?lián)Q代會(huì)有相應(yīng)的探索性或者說(shuō)前期研究工作。在區(qū)域性天氣雷達(dá)方面，隨著氣象災(zāi)害預(yù)警、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展，尤其是精準(zhǔn)氣象預(yù)報(bào)和精細(xì)氣象服務(wù)迫切需要天氣雷達(dá)提供分鐘級(jí)、百米級(jí)的氣象監(jiān)測(cè)實(shí)況產(chǎn)品；高分辨率數(shù)值模式需要高分辨云內(nèi)風(fēng)場(chǎng)資料；佛山、上海和長(zhǎng)沙陣列天氣雷達(dá)的示范作用。這些需求的剛性和示范的引領(lǐng)將極大推動(dòng)相控陣技術(shù)在區(qū)域性天氣監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。多點(diǎn)協(xié)同探測(cè)是區(qū)域性天氣雷達(dá)未來(lái)發(fā)展的特征。相對(duì)于國(guó)家雷達(dá)網(wǎng)而言，多點(diǎn)協(xié)同探測(cè)注重高時(shí)空分辨，仰角高覆蓋（或全覆蓋）和動(dòng)力學(xué)探測(cè)與熱力學(xué)探測(cè)結(jié)合。因此需要建立新的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。遠(yuǎn)高于國(guó)家雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)密度和數(shù)據(jù)量對(duì)于處理系統(tǒng)的能力帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，必須將新的處理技術(shù)，比如并行運(yùn)算技術(shù)引入，并且建立新的處理方法和流程。同時(shí)，進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，提高強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警的實(shí)效和準(zhǔn)確性。

賈朋群：

陣列天氣雷達(dá)與相控陣天氣雷達(dá)的關(guān)系，以及與相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)觀測(cè)有什么差別？

馬舒慶：

陣列天氣雷達(dá)是一種新型相控陣天氣雷達(dá)，是一種分布式相控陣天氣雷達(dá)。相控陣天氣雷達(dá)可以分成兩部分，控制處理中心（監(jiān)控、處理、產(chǎn)品）和收發(fā)通道（天線、收發(fā)模塊、信號(hào)處理、伺服），按照雷達(dá)領(lǐng)域的習(xí)慣，可以把控制處理中心稱(chēng)之為雷達(dá)的后端，收發(fā)通道稱(chēng)之為雷達(dá)的前端。那么傳統(tǒng)的相控陣天氣雷達(dá)就是一個(gè)前端和一個(gè)后端組成的相控陣天氣雷達(dá)，而陣列天氣雷達(dá)就是多個(gè)前端和一個(gè)后端組成的相控陣天氣雷達(dá)。 陣列天氣雷達(dá)的多個(gè)前端按照三角形方式分別設(shè)置在不同的地方，每3個(gè)相鄰前端一組，在后端的統(tǒng)一控制下進(jìn)行方位同步掃描，每個(gè)前端掃描得到的信息傳送到控制處理中心綜合處理生成觀測(cè)產(chǎn)品。

從外表上看陣列天氣雷達(dá)和相控陣天氣雷達(dá)組網(wǎng)，都是在不同點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，然后將數(shù)據(jù)匯到中心站。實(shí)際上相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)與陣列天氣雷達(dá)有重大的差別：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別：陣列天氣雷達(dá)是將多個(gè)前端分布在不同地方進(jìn)行探測(cè)，而相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)觀測(cè)是將多個(gè)雷達(dá)（前端和后端）分布在不同地方進(jìn)行探測(cè)。陣列天氣雷達(dá)有分組方位角同步系統(tǒng)，傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)沒(méi)有分組方位角同步系統(tǒng)。

（2）描方式不同：相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)，雷達(dá)與雷達(dá)之間的協(xié)同體現(xiàn)在共同完成指定區(qū)域的掃描探測(cè)，但是掃描波束進(jìn)入制定區(qū)域的時(shí)間沒(méi)有要求。陣列天氣雷達(dá)的前端與前端之間不僅共同完成指定區(qū)域的掃描探測(cè)，而且每個(gè)子陣掃描波束進(jìn)入共同探測(cè)區(qū)的時(shí)間嚴(yán)格同步，即分組方位角同步。

（3）探測(cè)效果不同：陣列天氣雷達(dá)的方位角同步使得共同探測(cè)區(qū)同一空間點(diǎn)，數(shù)據(jù)時(shí)差非常小，是相控陣天氣雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)差的六分之一。

因此，陣列天氣雷達(dá)幾乎在所有降水天氣都能夠正確合成風(fēng)場(chǎng)，而相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)探測(cè)在遇到移動(dòng)、變化快的天氣系統(tǒng)時(shí)，合成風(fēng)場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生大的誤差或失效。此外，陣列天氣雷達(dá)同一空間點(diǎn)多個(gè)反射率因子融合后，反射率因子分辨率遠(yuǎn)高于相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)探測(cè)。

賈朋群：

我國(guó)新一代天氣雷達(dá)主要是S波段雷達(dá)和C波段雷達(dá)，X波段雷達(dá)在整個(gè)天氣雷達(dá)體系中會(huì)扮演什么角色？

馬舒慶：

20世紀(jì)80年代中國(guó)氣象局大部分業(yè)務(wù)雷達(dá)都是X波段雷達(dá)（711），后來(lái)全部退出業(yè)務(wù)。其主要原因是降水衰減太大的問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)大范圍降水，雷達(dá)看到的就是一塊半徑幾十千米的一塊“餅”。2003年美國(guó)提出CASA計(jì)劃后，X波段雷達(dá)又熱起來(lái)了。應(yīng)該注意到這一次X波段“復(fù)興”其特征是短程探測(cè)（幾十千米）和協(xié)同探測(cè)，稱(chēng)之為網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)。短程探測(cè)減小了降水衰減的影響，協(xié)同探測(cè)增加了精細(xì)化探測(cè)的能力。

在美國(guó)提出X波段短程雷達(dá)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)時(shí)，就有一種說(shuō)法：用幾萬(wàn)個(gè)短程雷達(dá)覆蓋全美國(guó)，替代WSR-88D雷達(dá)。我認(rèn)為這種方案難以實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程雷達(dá)與短程雷達(dá)結(jié)合是一種更加合理的方案，遠(yuǎn)程雷達(dá)解決大范圍天氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，短程雷達(dá)布設(shè)在更為關(guān)注的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)?，F(xiàn)在有X波段雷達(dá)的單位，都在做與S、C、X波段雷達(dá)的融合，可能主要工作還是將不同的雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一的在一張圖上再現(xiàn)出來(lái)?，F(xiàn)在重要的任務(wù)是真正將遠(yuǎn)程雷達(dá)與短程雷達(dá)融為一個(gè)體系，即構(gòu)建遠(yuǎn)程雷達(dá)與短程雷達(dá)結(jié)合的現(xiàn)代化天氣雷達(dá)體系。關(guān)鍵是短程雷達(dá)采用怎樣的體制？主要技術(shù)指標(biāo)怎么確定？怎樣才能通過(guò)遠(yuǎn)程雷達(dá)與短程雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合更客觀的反演出大氣的氣象要素場(chǎng)。體制不對(duì)滿足不了要求，指標(biāo)不合適準(zhǔn)確性、代表性就不夠。

賈朋群：

X波段雷達(dá)在整個(gè)天氣雷達(dá)體系中作為短程雷達(dá)出現(xiàn)，那么短程雷達(dá)探測(cè)主要特點(diǎn)是什么？在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮哪些問(wèn)題？

馬舒慶：

短程天氣雷達(dá)以精細(xì)化探測(cè)為目標(biāo)。那么首先要能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)探測(cè)。前面談到多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題數(shù)據(jù)時(shí)差問(wèn)題，數(shù)據(jù)時(shí)差過(guò)大將導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)誤差過(guò)大以致失效。從圖6a和6b可以看出，1 min數(shù)據(jù)時(shí)差，在風(fēng)速變化大的地方就會(huì)有100%的誤差。因此，要能夠探測(cè)得到有效風(fēng)場(chǎng)，就必須將數(shù)據(jù)時(shí)差盡可能縮小，達(dá)到秒級(jí)。采用數(shù)字多波束相控陣?yán)走_(dá)可以將數(shù)據(jù)時(shí)差降低一個(gè)量級(jí)以上，比如從拋物面天線雷達(dá)的幾百秒降低到幾十秒。進(jìn)一步降低就需要采用類(lèi)似陣列天氣雷達(dá)的分組同步技術(shù)。

圖6 風(fēng)場(chǎng)（a）和時(shí)差1 min 風(fēng)場(chǎng)誤差分布（b）

其次空間分辨率和時(shí)間分辨率滿足揭示精細(xì)化結(jié)構(gòu)?？臻g分辨率取決于波束寬度、接收通道帶寬、采樣速率以及處理方法，從國(guó)內(nèi)外短程雷達(dá)研究的情況看，空間分辨率一般在百米左右。關(guān)于時(shí)間分辨率，首先反應(yīng)了數(shù)據(jù)的更新速度，以及對(duì)天氣變化的捕捉能力，時(shí)間分辨率體現(xiàn)了資料在時(shí)間上的一致性。如果時(shí)間分辨率過(guò)低，一個(gè)體掃中不同位置的可比性就會(huì)降低，會(huì)給預(yù)報(bào)分析帶來(lái)困難。通過(guò)相控陣?yán)走_(dá)與S波段雷達(dá)比較，發(fā)現(xiàn)S波段雷達(dá)掃描由于低仰角到高仰角需要6 min，在垂直方向的可比性就比較差。相控陣?yán)走_(dá)一般采用先完成垂直—高度掃描的方式，所以垂直方向數(shù)據(jù)可比性非常好。但是相控陣?yán)走_(dá)體掃時(shí)間就是PPI的時(shí)間，那么水平方向的可比性取決于體掃時(shí)間，當(dāng)體掃時(shí)間為30 s時(shí)，水平方向的可比性就與S波段雷達(dá)水平可比性相當(dāng)。因此，不建議將體掃時(shí)間超過(guò)30 s。

再者，空間覆蓋率要滿足完整描述天氣系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)的要求。S波段雷達(dá)遠(yuǎn)程探測(cè)，其仰角覆蓋0～20°，這時(shí)空間覆蓋可以到達(dá)90%以上（不考慮地球曲率影響）。短程雷達(dá)探測(cè)幾十千米距離范圍，如果仰角覆蓋也采用0～20°，那么空間覆蓋就不到50%，當(dāng)天氣系統(tǒng)移向雷達(dá)，就可能缺失大部分資料，導(dǎo)致分析天氣困難。有一種說(shuō)法，當(dāng)天氣系統(tǒng)移近一個(gè)雷達(dá)，就會(huì)遠(yuǎn)離另一個(gè)雷達(dá)，就可以用另一個(gè)雷達(dá)的資料來(lái)彌補(bǔ)。這對(duì)于探測(cè)反射率因子、雙偏振量來(lái)說(shuō)是可以的。但是對(duì)于探測(cè)風(fēng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，就缺了一條腿，無(wú)法行走。因此，建議短程雷達(dá)俯仰覆蓋70°～90°。

賈朋群：

佛山陣列天氣雷達(dá)在龍卷、颮線、風(fēng)暴單體監(jiān)測(cè)的意義是什么？

馬舒慶：

龍卷是最為強(qiáng)烈的災(zāi)害天氣，其系統(tǒng)復(fù)雜、生消時(shí)間短，也是國(guó)內(nèi)外氣象科學(xué)家不斷探索，然而仍然存在諸多未解之謎的天氣系統(tǒng)。佛山市氣象局的陣列天氣雷達(dá)剛剛研制出來(lái)，就將這種技術(shù)用于佛山地區(qū)龍卷監(jiān)測(cè)，建立全球第一個(gè)7前端的陣列天氣雷達(dá)（圖7），足見(jiàn)其勇氣和遠(yuǎn)見(jiàn)。我們知道龍卷的危害在于它的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)氣流。因此要揭示龍卷的秘密、提高龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，獲取龍卷母體云系的流場(chǎng)至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究認(rèn)為龍卷母體云系中的流場(chǎng)，以及流場(chǎng)與強(qiáng)度場(chǎng)的配置決定了龍卷的形成，為了驗(yàn)證這個(gè)理論，美國(guó)氣象學(xué)者還專(zhuān)門(mén)利用機(jī)載雷達(dá)跟隨探測(cè)龍卷，獲取龍卷生成前后云系流場(chǎng)，取得了重要研究成果。佛山市氣象局在龍卷易發(fā)區(qū)布設(shè)陣列天氣雷達(dá)，可以長(zhǎng)期獲取大量流場(chǎng)資料，將在強(qiáng)對(duì)流研究，揭示龍卷機(jī)理方面取得重大成果，在龍卷識(shí)別預(yù)警業(yè)務(wù)方面得到重要發(fā)展。

圖7 佛山陣列天氣雷達(dá)

寸懷誠(chéng)/王國(guó)榮：

佛山陣列天氣雷達(dá)2019年完成4個(gè)子陣布設(shè)，2020年完成全部7個(gè)子陣布設(shè)，獲取了大量強(qiáng)對(duì)流天氣資料。圖8展示了風(fēng)場(chǎng)、圖9展示了垂直氣流。宜通華盛與佛山氣象局建立了深入合作關(guān)系，一方面為陣列雷達(dá)提供運(yùn)維保障，另一方面針對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和探測(cè)產(chǎn)品開(kāi)展聯(lián)合研究（圖10），定期交流，并且派技術(shù)人員駐佛山市氣象局。

圖8 佛山陣列天氣雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)場(chǎng)

圖9 佛山陣列雷達(dá)探測(cè)的垂直氣流

賈朋群：

相控陣?yán)走_(dá)雷達(dá)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在業(yè)務(wù)雷達(dá)，這么密集的資料和產(chǎn)品，如何分析，預(yù)報(bào)員怎么消化？怎么在實(shí)際業(yè)務(wù)中更快地發(fā)揮作用？

馬舒慶：

相控陣?yán)走_(dá)、陣列天氣雷達(dá)時(shí)空分辨率高、空間高覆蓋，因此數(shù)據(jù)量非常大。宜通華盛與阿里云等團(tuán)隊(duì)合作，采用并行處理技術(shù)，建立專(zhuān)用處理方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。研究新型的多源數(shù)據(jù)融合方法，智能識(shí)別與預(yù)警方法，建立三維立體呈現(xiàn)的平臺(tái)。產(chǎn)品分級(jí)使用，將預(yù)報(bào)員最需要的信息和資料及時(shí)推送呈現(xiàn)，方便預(yù)報(bào)員的分析應(yīng)用。這方面，還需要做一些合作研究。

賈朋群：

我國(guó)相控陣陣列天氣雷達(dá)在國(guó)內(nèi)外處于什么水平？

馬舒慶：

前面講到了，陣列天氣雷達(dá)是在相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是通過(guò)多波束同時(shí)掃描技術(shù)和方位同步實(shí)現(xiàn)了大幅度降低數(shù)據(jù)時(shí)差，從而有效獲取強(qiáng)對(duì)流天氣風(fēng)場(chǎng)。2019年10月，上海市氣象局專(zhuān)家在第39屆國(guó)際氣象雷達(dá)會(huì)議上做了大會(huì)報(bào)告，報(bào)告了上海陣列天氣雷達(dá)試驗(yàn)情況，這個(gè)報(bào)告是我國(guó)在39屆國(guó)際雷達(dá)會(huì)議上兩篇大會(huì)報(bào)告之一，也是大會(huì)12篇相控陣口頭報(bào)告之一。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了多篇陣列天氣雷達(dá)論文，并且還在繼續(xù)投稿。

賈朋群：

請(qǐng)談?wù)剣?guó)內(nèi)外最新進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展展望。

馬舒慶：

目前國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展相控陣天氣雷達(dá)研制和應(yīng)用，在波段上有S、C、X，在極化方式上有單偏振、雙偏振。在大的方面可以看出兩個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：

1）在國(guó)家雷達(dá)網(wǎng)發(fā)展上，美國(guó)氣象部門(mén)在技術(shù)層面和業(yè)務(wù)層面開(kāi)展相控陣?yán)走_(dá)用于國(guó)家雷達(dá)網(wǎng)的研究，美國(guó)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)多波束同時(shí)掃描能夠縮短體掃時(shí)間，提高雷達(dá)網(wǎng)捕捉小尺度天氣系統(tǒng)的能力感興趣。試圖用相控陣天氣雷達(dá)作為下一代業(yè)務(wù)使用天氣雷達(dá)。美國(guó)的工作使我們看到了遠(yuǎn)程探測(cè)天氣雷達(dá)下一代為相控陣?yán)走_(dá)的可能性。

2）另一個(gè)趨勢(shì)就是短程相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)烈，這些相控陣天氣雷達(dá)也有不少共同點(diǎn)，大部分徑向探測(cè)范圍為幾十千米；峰值發(fā)射功率不大，在幾百瓦量級(jí)；采用有源天線體制；采用數(shù)字波束形成技術(shù)（DBF）；一維相控陣，俯仰電掃，方位機(jī)械掃描；體掃時(shí)間短。

短程雷達(dá)將以協(xié)同探測(cè)為特征，為短臨預(yù)報(bào)提供精細(xì)化的動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)結(jié)合的較為完整的資料。在十四五期間我國(guó)短程相控陣天氣雷達(dá)也處在一個(gè)快速階段。

寸懷誠(chéng)/王國(guó)榮：

宜通華盛在相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和雷達(dá)資料兩個(gè)方面，通過(guò)與中國(guó)氣象局和相關(guān)院校的合作已經(jīng)做了準(zhǔn)備和積累，將通過(guò)不斷努力，在天氣雷達(dá)發(fā)展的大趨勢(shì)下，一方面把相控陣?yán)走_(dá)與多種探測(cè)設(shè)備的協(xié)同觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)展不同波段相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品，并不斷提升相控陣氣象雷達(dá)的性?xún)r(jià)比；另一方面，我們將和氣象部門(mén)和科研單位一起把相控陣?yán)走_(dá)的資料與多源資料的應(yīng)用繼續(xù)深入下去，為氣象部門(mén)在人工智能、快速循環(huán)同化、中小尺度數(shù)值模式等應(yīng)用方面做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

賈朋群：

謝謝專(zhuān)家們接受我刊的采訪。祝愿在多方共同努力下，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)雷達(dá)氣象探測(cè)先進(jìn)技術(shù)的多樣化和高效化。

圖10 三維顯示平臺(tái)