神話故事中的“千里眼”可以眼觀六路、洞悉千里之外風(fēng)吹草動，在氣象監(jiān)測領(lǐng)域，天氣雷達也因具備這種“超能力”，成為氣象部門監(jiān)測天氣實況和預(yù)報未來天氣的有力工具。

在近期落幕的第九屆全國科普講解大賽中，氣象系統(tǒng)有兩名選手獲得一等獎，其作品主題均與雷達相關(guān)。天氣雷達的監(jiān)測原理和方法是什么？目前擁有的最新科技水平雷達，其獨特之處在哪里？下面就由天華中威科技小編帶您一同探詢。

“大”“小”雷達強強聯(lián)手“白球家族”組網(wǎng)成長記

相信很多人都對屹立在城市之巔的“大白球”既熟悉又陌生，每天都可以遠眺到它不畏風(fēng)雨、矗立守護的身影，但又對發(fā)生在“大白球”——天氣雷達家族的故事不甚了解。

故事先翻到起始頁——1999年。這一年，由我國生產(chǎn)的第一部新一代天氣雷達，在安徽合肥落成，隨之而來的，是我國新一代天氣雷達網(wǎng)建設(shè)的全面啟動。大江南北，一顆顆“大白球”于全國各城市間依次“安家”。

到了今天，全國各地已有百余顆“大白球”在忠誠守衛(wèi)著我們的日常生活和起居。當然，隨著我國科技和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，如今的“大白球”早已今非昔比，從當初的白手起家、單打獨斗，到現(xiàn)在密織成網(wǎng)、交融互通，其間的天氣雷達觀測技術(shù)，早已經(jīng)歷了翻天覆地的發(fā)展變化。

如果將“大白球”家族成員按波長分類，從長至短可分為S波段（波長約10厘米）、C波段（波長約5厘米）、X波段（波長約3厘米）。

在過去，投入業(yè)務(wù)運行的天氣雷達以S波段與C波段為主。而近5年，我國雷達發(fā)展迅猛，卻是在很大程度上得益于“小兄弟”X波段雷達的加快發(fā)展和加密布局。

X波段到底有何“過人之處”？它和S波段、C波段雷達的差別在哪里？
簡單來說，這三種波段之間的主要差別就是波長不同——波長越長，抗衰減能力越強，但分辨率就會偏低，觀測的精細度會有所欠缺；
波長越短，其分辨率會更高，觀測更為精細，但也容易衰減，因此僅用于非常短距離的精細天氣觀測。

我國東部多雨地區(qū)多以波長更長、抗衰減能力更強的S波段天氣雷達為主，西部內(nèi)陸少雨地區(qū)對抗衰減的需求較小，則多為C波段天氣雷達。因這兩種雷達天線尺寸大，我們一般稱之為“大雷達”；
X波段雷達產(chǎn)生的波長較短，使用小型天線，一般稱之為“小雷達”。

“大雷達”探測距離遠，能智能識別強對流天氣，但其分辨率低，而且其探測區(qū)域尤其是在1千米以下的低空，存在盲區(qū)。使用“大雷達”進行掃描就像患者去醫(yī)院做CT拍片檢查一樣可以發(fā)現(xiàn)體內(nèi)異常，一旦有降水天氣發(fā)生，氣象工作人員立馬就可從雷達圖中知悉，提高警覺性。但是對于一些“疑難雜癥”，比如尺度較小的強對流天氣（冰雹、龍卷等），或是出現(xiàn)在1千米以下盲區(qū)的降水天氣，“大雷達”就顯得有些力不從心了。

對具體的“疑難雜癥”診斷，氣象工作者往往需斟酌再三。這個時候，作為新一代天氣雷達組網(wǎng)的重要補充，更為精細的“病理診斷機”——X波段雷達就派上用場了，它與“大雷達”互為補充、取長補短，就可以準確判斷出具體“病因”所在。作為“后起之秀”，“小雷達”憑借其細致的高分辨率識別能力和低空掃描能力，在盲區(qū)探測以及局地強天氣監(jiān)測業(yè)務(wù)中，有十分亮眼的表現(xiàn)，時空分辨率大大提高，看得更準、更細。

目前，廣東省和長江流域的一些省份在大小雷達融合互補上已在全國領(lǐng)先一步。比如廣東已率先與香港、澳門氣象部門共建39部X波段相控陣天氣雷達，配以9部S波段“大雷達”，領(lǐng)銜大灣區(qū)組網(wǎng)示范應(yīng)用。在近年多次強對流天氣中，精準捕捉災(zāi)害天氣動態(tài)，及時發(fā)布精準預(yù)警，讓天氣雷達為大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供堅實保障。

我國新一代天氣雷達的部署已趨于成熟。隨著“白球家族”的不斷發(fā)展壯大，“大小雷達”強強聯(lián)合，也必將為我國強對流等災(zāi)害性天氣短臨監(jiān)測預(yù)警能力提升提供強力后援，為2035年我國建成布局科學(xué)、標準統(tǒng)一、功能完備的國家天氣雷達觀測網(wǎng)助力。

“00后”相控陣天氣雷達的自白

大家好！我是天氣雷達家族中最年輕的一員——相控陣天氣雷達。下面由我?guī)Т蠹艺J識一下我們雷達兄弟。

首先給大家介紹一下我大哥“常規(guī)天氣雷達”。他資歷最豐富，出世之后，變幻莫測的天氣、紛飛起舞的雨雪，這些影響著百姓生活的自然現(xiàn)象，都可以被精準探測到，人們能夠知道哪里在下雨、雨下得有多大。

后來，在科學(xué)家的不懈努力下，二哥“多普勒天氣雷達”和三哥“雙偏振天氣雷達”相繼問世，將看不見、抓不著的風(fēng)納入了人類的掌控之中。天空中那團廣闊的雷雨云團，被放大成為一顆顆雨滴或冰晶，轉(zhuǎn)變成計算機里更為精確的數(shù)據(jù)——天氣雷達看得更細了，天氣預(yù)報的精度也得以提高。

說說我本人吧，我可是天氣雷達家族的新生代，是名副其實的“00后”。咱們年輕人嘛，做事追求的就是高效快捷，想知道我和哥哥們有什么不同，首先要了解一下我們是怎么探測天氣的。人眼依靠接收可見光這種電磁波從而看見東西，而我們雷達可是比人眼要厲害多了，能夠發(fā)射和接收電磁波。被我們發(fā)射出去的電磁波，在碰到雨滴和冰晶之后，經(jīng)過了一系列的散射、吸收、折射，一部分被反射了回來，這下我們就能夠清楚地看到數(shù)百公里外的一陣雨。

哥哥們擅長“單波束機械掃描”，想看左邊，就把頭扭到左邊；想看上面，就把頭抬起來。所以他們往往是先看一圈，把頭抬起來再看一圈，可是這樣掃描周期長，9層仰角看完整個天空需要6分鐘的時間，沒有辦法及時獲取降雨云團的位置和變化。

而我就不一樣了，我的眼睛更像是蜻蜓的復(fù)眼，由許多個“小眼睛”排列組成，每個“小眼睛”發(fā)出電磁波的相位不一樣，合成指向不同方向的波束，可以同時對一整個平面進行電子掃描。

好處是，我看得快、看得細、看得全，比起三位哥哥，我能夠提早4至6分鐘識別出新生對流單體，提供更加精細準確的天氣畫像，實現(xiàn)時間精度由分鐘級到秒級、空間分辨率由250米到30米、垂直仰角由9層到68層的跨越式提升，具有掃描速度快、觀測精度高、探測覆蓋盲區(qū)少等優(yōu)勢。

就拿廣東省珠海市2022年的一次降雨過程來說吧，在8點的時候，通過雙偏振天氣雷達的圖像雖然能夠知道哪里在下雨，但是沒有辦法確切地知道雨下在了哪個街道，會不會影響到某個學(xué)校、某個工地。而相控陣天氣雷達的圖像就能夠放大好幾倍，像是顯微鏡一樣準確地看到降雨云團的位置，而且圖像的分辨率也有所提升，這下預(yù)報員就能夠知道目前城軌明珠站正在下雨，而唐家灣站還未受到影響。

另外，雙偏振天氣雷達的圖像時間間隔是6分鐘，而相控陣雷達的圖像時間間隔是1分鐘，更有利于預(yù)報員快速掌握降雨云團的位置和變化。所以，無論是局部地區(qū)突然的一場傾盆大雨，還是來去迅猛的龍卷風(fēng)，我都能更快、更準確地探測到，更有利于探測短時臨近、快速生消的災(zāi)害性天氣過程。

風(fēng)云變幻70余載。如今，粵港澳大灣區(qū)城市群擁有40余部相控陣天氣雷達，我國也實現(xiàn)了從零起步到建成236部基本覆蓋全國的新一代天氣雷達，實現(xiàn)從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變，建成了世界最大的雷達監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。遍布大江南北的天氣雷達，正守望著神州大地的每個角落，讓千里之外的風(fēng)、云、雨、雪無處遁形。

雷達如何捕捉“低空風(fēng)怪”

2000年6月，湖北省武漢王家墩機場，一架正在降落的飛機突然偏離航道，高速沖向泵站，機上43人全部遇難。

2015年6月，客輪“東方之星”在湖北水域航行時驟然失控，一分鐘內(nèi)迅速傾覆，船上454人僅12人生還。

飛機著陸，險象環(huán)生；沉船真相，撲朔迷離。一時間人們眾說紛紜。經(jīng)現(xiàn)場勘查，這看似毫不相干的兩起神秘事故的背后，竟有同一個“兇手”，它就是“低空風(fēng)怪”。

“低空風(fēng)怪”是什么？

氣象學(xué)上，我們稱它為“下?lián)舯┝鳌?，它是一股從雷暴云中快速下沖的強烈氣流，如瀑布一瀉千里直擊山石，呼嘯而下時，速度最高可達100米每秒，比高鐵更快，觸及地面后向四周迸發(fā)出強大的沖擊力。

不止于此，當它擊中地面時，還會在低空造成猛然四散的強風(fēng)，水平風(fēng)力最高可達17級，足以掀翻火車輪船！

“東方之星”沉船事件的數(shù)據(jù)模擬顯示，當客輪遭遇9級以上橫風(fēng)，或船舷角大于21.1度的11級以上的大風(fēng)時，船舶將傾覆。事發(fā)當天，客輪駛?cè)胂聯(lián)舯┝鲄^(qū)域時，瞬間遭遇了12級以上的水平強風(fēng)，船舶猛然失控，導(dǎo)致此次沉船事件。

此外，“低空風(fēng)怪”造成的大風(fēng)會在幾百米內(nèi)風(fēng)向突變，對飛機起降危害極大。

當飛機遇到下?lián)舯┝鲿r，會先進入逆風(fēng)區(qū)，并在抬升力作用下偏離航跡上升。為了使飛機回到航跡上，飛行員通常會進行減速和低頭。而當飛機飛入中心區(qū)域后，受到強勁的下沖氣流拍擊，飛機繼續(xù)下行。隨后飛機進入順風(fēng)區(qū)，十幾級的順風(fēng)就像火箭的助推器，會使飛機加速俯沖，最終高速撞擊地面。由于風(fēng)速和風(fēng)向改變突然，遭遇下?lián)舯┝鞯娘w機，往往難逃魔掌。

多普勒天氣雷達捕捉“低空風(fēng)怪”的主要手段

目前多普勒天氣雷達是捕捉下?lián)舯┝鞯闹饕侄?。絕大多數(shù)下?lián)舯┝鞫际峭ㄟ^多普勒天氣雷達最低仰角上觀測到的低層輻散特征來識別的，雷達圖上常伴隨鉤狀回波和弓狀回波兩種類型。然后再將多普勒天氣雷達觀測到的反射率因子核的連續(xù)下降和云底以上徑向速度的顯著輻合情況，作為提前預(yù)警的主要線索。據(jù)研究，當它距離雷達20千米至45千米時，只能提前5.5分鐘發(fā)出預(yù)警；而當距離小于20千米或大于45千米時，雷達也難以捕捉到它的身影。因下?lián)舯┝靼l(fā)展速度快、個頭小，因此雷達對它的追蹤也如大網(wǎng)捕小魚，依舊是世界性難題。

為解決這個問題，越來越多的飛機和輪船安裝了風(fēng)切變預(yù)警系統(tǒng)，它能監(jiān)測到飛機或輪船5千米內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向劇變，并發(fā)出警報，提醒駕駛員及時調(diào)整航線。

下?lián)舯┝麟m然可怕，但相信，隨著監(jiān)測越來越精密、預(yù)報越來越精準，終有一天，它將無所遁形。讓我們依靠科技的進步，為更多生命保駕護航！

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