【天气雷达：强对流天气探测利器】

炎煌深沉

转载来源：中国气象报

作者：本版专家顾问：中国气象局气象探测中心正研级高工陈玉宝、吴蕾、柴秀梅、高玉春，高级工程师姚聃、杨金红；福建省气象台正研级高工黄美金；广东省广州市气象台高级工程师张羽



图为位于福建闽侯的我国首部S波段相控阵双偏振雷达图/张深寿

编者按：

相较于地面气象站和卫星，天气雷达在强对流天气监测方面具有独特的优势，也被视作现代气象业务的重要“杀手锏”之一。雷达在强对流天气中有何应用？不同雷达有什么专长？我国目前雷达布局如何？下一代技术体制是什么？本版带您走进气象雷达大家族。

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2022-11-19 10:50 上传

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气象雷达主要分为天气雷达、风廓线雷达、探空雷达、激光雷达和云雷达等。根据波段范围又可划分为W波段雷达、Ka波段雷达、X波段雷达、C波段雷达、S波段雷达、L波段雷达等，不同波段天气雷达有各自的优势，互相协同补充。

W波段雷达和Ka波段雷达主要是用来探测云粒子气象目标。W波段雷达波长7.5~11.11毫米，Ka波段雷达波长2.73~4.00毫米，由于云滴粒径大小的分布为微米量级，因此这两个波段的雷达更适宜观测云滴粒子，也被称为云雷达。

应用较为广泛的X、C和S波段雷达则被用来探测降水，因此也叫天气雷达。

S波段多普勒天气雷达波长7.5~15厘米，可以监测半径460千米范围内台风、暴雨、飑线、冰雹、龙卷等大范围强降水天气；对雹云、龙卷等中小尺度强天气现象的有效监测和识别距离可达230千米，可在距离雷达150千米处识别雹云中尺度为2～3千米的核区，或判别尺度为10千米左右的龙卷。据悉，S波段雷达是我国业务雷达的主力，布设在我国的大部分地区。

C波段雷达波长3.75~7.5厘米，能有效地监测和预报阵风锋、下击暴流、热带气旋、风切变等系统，对台风、暴雨等大范围强降水天气的监测距离大于400千米，可对150千米半径范围内的降雨进行较准确估测。由于降水的衰减作用，C波段雷达对探测强对流中的暴雨、冰雹等能力比S波段要差一些，但是它的设备成本更低，因此C波段雷达主要布设于降水较少的中西部地区。

X波段天气雷达波长2.4~3.75厘米，种类最多，但它波长更短，受降水衰减作用大，对局地强降水等监测能力较差，探测距离也相对局限，一般在100千米以内。不过，X波段雷达算是天气雷达的“老前辈”了，因为它体积小、成本低，在我国天气雷达发展早期，对于提高云雨监测时效发挥了重要作用。

此外，由于X波段天气雷达造价低，气象部门常利用它进行强对流天气系统的补充观测。

S、C波段的雷达探测距离虽然远，但受地球曲率的影响，一些远距离的天气系统低层探测不到。然而，强对流天气，如雷暴大风、龙卷通常发生于位置较低处，很多时候需要X波段天气雷达用于补充观测，并辅助用于人工影响天气的作业指挥及效果评估。

风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象。在观测晴空风场时，依据探测高度与湍流尺度大小的要求，可选择的波段有甚高频（波长10毫米至1米）、超高频(波长100厘米至10厘米)和L波段(波长7.5毫米至5.0毫米)雷达。L波段雷达主要以晴空大气作为探测对象，在观测晴空风场时，依据探测高度与湍流尺度大小的要求，选择适宜的波长。

激光雷达以激光器为发射源，通过接收激光与大气介质相互作用产生的散射信号，探测气象要素、大气成分及其特性变化时空分布的主动式遥感设备。

探空雷达能够在探空气球、探空仪或反射靶的配合下完成大气不同高度上温度、湿度、气压、风向、风速等要素信息的探测。探空雷达不直接测量气象要素，它通过连续跟踪探空气球及探空仪空间位置的变化，计算出不同高度的风向和风速，将探空仪获取的温度、湿度、气压等数据传输到国家级和省级数据中心。

不同气象雷达有不同的功能，但它们并非孤立的，加强协同监测才能发挥气象雷达最大效益，最大限度地提升强对流天气的监测预警能力。（罗澜 张深寿）

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6月13日，雷达“眼中”的山东、江苏雷暴大风杨金红供图

6月12日至13日，北京、河北、河南、山东、江苏、安徽多地出现冰雹、雷暴大风、短时强降水等强对流天气。通过天气雷达组网拼图可见长度约800千米左右飑线内有多个超级单体发展，且回波强度强、回波顶高度高。13日15时左右，雷达组网冰雹识别产品显示山东、河北、河南多地有冰雹出现。

龙卷、雷暴大风、冰雹、短时强降水等强对流天气突发性强且时空尺度小，利用地面气象自动站、卫星等“跟踪”难度大。此时，雷达是监测预警强对流天气最有效的手段。

通过气象雷达，可以观测到强对流天气系统底部、中部、上部的多种参数，精准“捕捉”强对流天气过程。在与强对流“较量”的过程中，预报员也总结了典型强对流天气的雷达回波特征。

以冰雹为例，冰雹表现为坚硬的球状、锥状或形状不规则的固态降水。在雷达回波图上，冰雹云个体紧密、强度特别强，一般在55dBZ以上。雷达回波上出现钩状、指状、弓状、三体散射、“V”型缺口等回波形态特征，常预示着冰雹等强对流天气可能发生。“当然，强对流雷达回波表现形式多样，仍需要技术人员配合其它多方面的产品等辅助识别。”广东省广州市气象台高级工程师张羽介绍。

在雷达回波图上，脉冲风暴、多单体强风暴、飑线和超级单体等都有可能是指示对流性大风的“危险信号”，它呈现弓形，回波强度在50dBZ以上且强度梯度较大，回波移速大于60千米每小时；从垂直方向来看，回波顶较高，3千米至7千米中层径向辐合较大，后侧入流急流明显，低层速度图上有大风核。

龙卷是一种强烈而小范围的空气涡旋，地面上龙卷直径从几米到几百米之间不等，最大可达1千米左右，是名副其实的小尺度天气系统。尽管“小而快”，但不意味着雷达拿它没办法。今年7月20日8时至12时左右，江苏省连云港市海州区和灌云县出现多次龙卷，位于连云港、宿迁、淮安和盐城的4部组网雷达，成功捕捉到这一系列龙卷过程。

当然，气象雷达也不是“万能型”选手，无法探测到地球上每一个龙卷过程和内部结构，只有稍大尺度的龙卷、靠近雷达探测范围的才能探测到其涡旋特征。而台风中伴生的龙卷，是近些年天气雷达探测的重要方向之一。研究显示，在台风东北象限，龙卷生成概率更高、更集中。台风中心右侧区域的垂直风切变较大，可为龙卷母体风暴发生提供更加有利的大气环境条件。平坦的下垫面、台风雨带中的超级单体和产生龙卷的涡旋结构，为台风龙卷的发展壮大推波助澜，助长其组织发展的能量。气象探测中心高级工程师杨金红介绍，X波段相控阵雷达因其时间和空间分辨率高，对发现捕捉尺度小、发展演变迅速的龙卷具有很大优势。

另外，对于短时强降水（又称短历时强降水） 的探测，天气雷达也是一把好手。短时强降水因其发生时间短、降水效率高的“短平快”特征，影响较大、危害性较强。在天气雷达的眼中，短时强降水回波特征表现为在某地停滞少动，往往造成大暴雨或特大暴雨；或是强回波不断经过一个地点，像火车一列列碾过，俗称“列车效应”。在垂直剖面上表现为质心低，速度图上有时会有“逆风区”出现。

福建省气象台正研级高工黄美金说，使用雷达的“火眼金睛”开展精密监测，天气预报中的“高危分子”强对流很难遁形。（张艺博）

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台风“暹芭”内的龙卷陶局供图

“雷达”一词源于英文中“无线电探测与测距”的缩写，它最早用于军事目的。而在1941年，英国人使用雷达来监测风暴，这也是气象雷达发展的开端。

上世纪90年代以前，我国气象业务普遍使用711型简易天气雷达。如今，以多普勒技术为主导的新一代天气雷达在我国气象领域得到广泛应用。“每一部天气雷达有不同的功能，协同监测才能发挥天气雷达最大效用。”杨金红说，从1994年开始，中国气象局先后制定了《天气雷达近期发展规划（2005—2010年）》《新一代天气雷达建设增补站点布局方案》《气象雷达发展专项规划（2017—2020年）》，以及“十四五”规划、补短板工程等，不断完善谋划我国天气雷达观测布局。

为统筹考虑各种灾害性天气的识别和预警能力以及地形地貌高程的影响，我国在布局雷达监测网中，按照海拔高度1千米、3千米、6千米三个层次，优化评估S、C、X波段天气雷达国土空间覆盖能力，拓展低空立体观测能力，完善雷达布局标准规范体系。

截至2022年11月，我国已建成由237部S波段和C波段新一代天气雷达构成的世界最大的天气雷达监测网。2021年至2022年，依托补短板工程，我国在以西南为主的西部地形复杂、人口聚集的监测空白区，长江流域和黄河流域新一代天气雷达监测空白缝隙地区以及气象灾害影响较严重的东北农垦和林业保护区，投资建设了146部X波段双偏振天气雷达。

在整个雷达监测网的布局过程中，主要遵循三个原则，需求导向，科学发展；统筹布局，灵活配置；集约建设，提质增效。立足我国天气气候区特征，为弥补现有天气雷达网低空覆盖不足，优先布局S波段和C波段天气雷达，灵活配置X波段雷达，全方位、多渠道、分层次推进天气雷达布局建设。依靠科技创新，在现有天气雷达网基础上，聚焦C波段天气雷达短板与不足，集约化改造软硬件设施，发展多观测模式，按照“技术创新、功能复用”的理念推进天气雷达提质增效。

“十四五”期间，气象部门还将再投资建设22部新一代天气雷达，届时，全国将建成由282部S/C波段新一代天气雷达和400多部X波段雷达组成的雷达观测网。（王美丽 李璐）

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从电子管到相控阵
气象雷达发展历程

电子管技术

我国最早的气象雷达为20世纪60年代中期通过军用843测高雷达改制而成的703型测台风气象雷达，最早在福建应用；70年代末，采用电子管制式的C波段713型气象雷达开始布网。

半导体技术

20世纪80年代初，国家气象局（现中国气象局）成功研制第一部S波段714型气象雷达样机，其定型雷达的研制成功填补了我国S波段气象雷达空白；80年代末，改造后的714型气象雷达多在沿海、重要流域以及台风、暴雨等强对流多发地区布设。此时，气象雷达已基本实现半导体化。

多普勒技术

20世纪90年代初期，在美国多普勒气象雷达技术基础上，我国完成了C波段半相干714CD多普勒气象雷达研制；1995年，我国开始谈判引进美国（WSR88D）多普勒雷达，并于1998年在上海正式投入业务使用，这是我国第一部在气象部门投入业务运行的全相参体制多普勒气象雷达。至此，我国开始了多普勒技术化的新一代气象雷达网建设。

双（多）频及双偏振等新技术

近年来，我国研制了双频试验雷达，采用S/X双频段、双线偏振全相参多普勒体制，可连续监测460千米以内强对流天气的发生、发展变化，具有探测精度高、数据质量好、工作稳定可靠、探测和信号处理模式多样化等特点，可作为我国气象雷达比对探测、验证和科学研究的“标准雷达”。

此外，双偏振技术也是近年的研发重点，通过发射水平和垂直极化电磁波，接收与发射共极化的回波，可提高雷达定量估测降水能力并估算降水粒子的形状、尺寸、分布等情况，实现降水的分类和识别，甚至可计算出气象目标中极为重要的微物理场信息。

下一步，我国将逐步发展天线波速扫描更快速、强对流天气探测功能更强大的相控阵技术。

近年来，我国开展了相控阵技术在气象领域的应用研究，有S波段相控阵多普勒气象雷达、车载X波段相控阵气象雷达、X 波段双偏振有源相控阵多普勒气象雷达。

其中，有源相控阵雷达是主流发展方向，数字阵列相控阵气象雷达技术近十年得到较快发展，也是下一代雷达发展的重要方向之一。（简菊芳）

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在描述雷达回波图时，总避免不了用到一个单位——dBZ。

“dBZ”是表示雷达回波强度的物理量，可用来估算降雨和降雪强度及预测诸如冰雹、大风等灾害性天气出现的可能性。一般来说，它的值越大，降雨、降雪的可能性越大，强度也越强。当回波强度大于或等于40dBZ时，出现雷雨天气的可能性则较大；当它的值在45dBZ或以上时，出现暴雨、冰雹、大风等强对流天气的可能性较大。

当然，判断具体出现什么天气时，除了回波强度（dBZ）外，还要综合考虑回波高度、回波面积、回波移动速度和方向以及演变情况等因素。“Z”是雷达反射因子，与雨滴谱直径的六次方成正比，单位是mm6/m3；“dB”是分贝（decibel的缩写），也可以理解为一个运算符号，dBZ和Z的换算关系是：dBZ =10log(Z)。