天气雷达就像一座观测云雨的天文台，通过雷达天线这个“望远镜”，利用无线电波来观测远在千里之外的雨雪状况。 近日，南方地区连日大雨，全国多地频发强对流天气。大家在手机上提前几小时收到的预警信号背后，天气雷达就发挥了至关重要的作用。日前，红星新闻参加了中国气象局举办的“筑牢防线看气象雷达”探秘活动。
▲北京南郊观象台雷达塔。胡伊文 摄
从早期测雨雷达，到多普勒技术增加测风能力，到双偏振技术观测降水粒子复杂相态，再到相控阵技术提供更高的探测精度，我国越织越密的雷达网携各种高精尖技术，输出为各种“感知”产品，进而在暴雨、龙卷风等短时临近预报预警中，展示出越来越强悍的“预知”能力，今年就曾多次大显身手。
S波段雷达主要分布在中东部及沿海
C波段雷达主要分布在西部山区
在中国气象局气象探测中心，雷达应用室主任、正高级工程师吴蕾首先介绍了天气雷达的原理。在不同的降水强度下，水滴的大小和稠密度各有差异，这就使得雨水对于电磁波的散射能力各有差异。天气雷达会主动朝着某一方向发射电磁波，当电磁波碰到降水时，雨滴便会散射电磁波，雷达接收到回波信号。接收到的能量越大，通常代表着天空中的雨越大。气象中习惯用反射率因子作为输出结果，可以初步判断降水的强度。
▲张涛用作示例的雷达图。受访者提供
“如果是气象站的雨量桶，雨没有落进来是探测不到降雨的，但雷达可以‘看’到更大的范围。”中央气象台首席预报员、“涛淘风云”科普大V张涛说。
但是，仅仅有反射率因子，只能知道大雨还是小雨，却无法知道雨滴是如何随风移动的。因此，气象工作者利用多普勒技术，通过分析降水回波的些许频移特征，便可获知降水粒子是在靠近还是在远离雷达，从径向速度可以反演风场信息。
随着雷达技术的不断进步，天气雷达还从发射单一水平方向极化的电磁波，升级为能同时发射水平、垂直极化电磁波的双偏振天气雷达。由此，除了反射率因子和径向速度，还能监测到降水粒子的形变。
▲北京市气象探测中心雷达产品大屏
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，其在传统雷达的基础上还能提供径向速度产品和速度谱宽产品，可推断降水云体的移动速度、风场结构特征等，能够更有效地监测暴雨、冰雹、龙卷风等灾害性天气的发生、发展。这些天气雷达有不同的功能和探测特点，合理分布，协同监测。
吴蕾介绍，我国已建成并业务运行的新一代天气雷达有252部，包括S波段137部、C波段115部，其中双偏振共108部。她表示，我国新一代天气雷达网站点在东部地区较密。
所谓“新一代”天气雷达，主要就是指引入了多普勒技术的S波段和C波段天气雷达。不同波段代表发射的电磁波波长不同，如S波段波长为10厘米，C波段波长为5厘米，X波段波长为3厘米。不同雷达和产品探测距离也不一样，S波段天气雷达最大测雨范围可达460公里，最大测风距离可达230公里。目前，我国建设的S波段雷达主要分布在年降雨量大的中东部及沿海地区，C波段雷达主要分布在降水相对较少的西部山区。雷达主要布设在重要城市，并尽可能使组网雷达覆盖区域互补以达到尽可能大的探测范围。为了避开遮挡，平原地区雷达通常架设在郊区高塔上，在山区雷达一般布设在山岭上。
吴蕾提到，因为扫描的最低仰角也有0.5度，近几年来，为弥补S波段和C波段等“大雷达”的低层探测盲区以及时间、空间分辨率上的不足，国家和地方都开始投资建设X波段天气雷达。X波段天气雷达探测范围只有75公里，局地性较强，但精细化程度更高。
据悉，北京就有2部S波段雷达，分别在海坨山和南郊，相隔100公里，同时有9部X波段天气雷达协同成网。
红星新闻记者参观北京南郊观象台的S波段雷达时，北京市气象探测中心工作人员介绍，由于北京地区西北山区地形复杂、城市区域高建筑物遮挡等因素，S波段雷达探测存在低空盲区，而X波段天气雷达虽然存在信号衰减明显、探测距离短等问题，但其体积小、分辨率高、布设方便。
观测7分钟后获取数据
提前18分钟识别到广州白云龙卷风
雷达收集数据有多快呢？吴蕾介绍，雷达本站资料是实时获取的，全国雷达资料组网及各产品生成则是从全国31个省（区、市）收集252部新一代天气雷达的数据，在信息中心处理，从雷达开始观测到收集数据是6分钟，处理用时一分钟，即观测开始后7分钟，国家级业务单位就可以实时获取观测数据了。
据悉，目前，探测中心已形成四大类雷达产品体系，包括基础产品、物理量产品、识别产品和外推产品。其中，我们常听到的冰雹、雷暴大风、短时强降水、龙卷风就能通过识别产品预警。
▲6月27日凌晨的全国雷达反射率图显示的降水分布
6月17日起，我国南方持续出现强降水过程，造成多地突破历史极值，湖南长沙等地出现严重的城市内涝。吴蕾现场展示了全国雷达组网拼图产品，其显示了6月27日凌晨几个小时的降水动态分布。这是最常看到的雷达产品，绿色、黄色到红色代表了不同等级的降水，越红表示降水强度越大。通过雷达反射率可以定性地了解降水位置和大致强度等，而雷达反演的1小时定量降水量产品可以定量化了解，格点化展示降水量。
据悉，今年以来，强对流天气也多发。龙卷风预警难度大，中央气象台有一个广为人知的“追风小组”。4月27日，广州白云区发生今年以来首场强度达到强龙卷风的过程，造成5死33伤。
▲4月27日广州白云强龙卷风，广州雷达图出现钩状回波
吴蕾解说，由于带动空气旋转，龙卷风会在雷达图上显示出一个“钩形”回波。据介绍，当天14:12，单站雷达在广州花都区识别到钩状回波和龙卷涡旋特征，其一直东移，14:42进入钟落潭镇；14:48，龙卷风碎片特征算法识别到龙卷风卷起的碎片；15时收集到龙卷风实况，此次过程提前预警时间量约18分钟。
▲6月13日邯郸雷暴大风天气，邯郸雷达站速度图（右侧）显示大风区
进入6月，北方的强对流天气也开始频发。6月13日午后，河北邯郸出现明显的雷暴大风天气，造成多处树木折断甚至连根拔起、建筑物外墙屋顶等受损，大名县和广平县风力最大达到14级。据介绍，17时，邯郸雷达站的速度图上出现了大风区，其向东南方向移动；17:42，雷达最低角度扫描到的风力最大值达到55m/s，识别算法给出了大风报警；17:49测到了地面44.4m/s大风（14级）。
▲中国气象局气象探测中心一角。胡伊文摄
展望“未发生”
预警“已发生”
天气预报有不同的时间尺度，雷达在其中发挥的作用截然不同。张涛把天气预报分为对“未发生”潜势的预报、展望，和对“已发生”的预警。已发生了还要预报干什么？张涛解释，“已发生”是指一个地方发生了，未来还会移动影响另一处。从预警发布来说，中央气象台发布的叫“气象灾害预警”，以24小时内为主，更多属于“未发生”；而地方的省、市、县气象台发布的叫“气象灾害预警信号”，侧重于短临时效（0-2h），更多是“已发生”，这就主要靠雷达探测数据预测是否即将到来，例如大家经常提前两小时收到的暴雨、雷阵雨预警。
在“未发生”的预报中，雷达可以用于客观监测、计算和模拟，获取降水、风场资料信息，进入数值预报模式和AI大模型，通过模式、模型输出模拟雷达资料。“云还没有出现的时候，雷达没有直接用处，预报靠的是对一系列物理要素——风、压、温、湿的模拟运算，最后预报出来的东西本质上是一个可能性、一个概率。”张涛说。
而对于“已发生”，雷达可以用于预报员主观监测、分析、评估和预警。如何解读雷达监测到的复杂信号，图像里的特征与天气过程有什么对应关系，这是一门专门的学问。
为了应对强对流天气，张涛建议普通民众也学会看一点雷达图，它在各类天气App都有。对于反射率解读，他编了一首打油诗：通过颜色看雨情，色调越冷雨越轻，绿绵黄大红瓢泼，红得发紫是雹冰。此图有时会坑人，动态观察辨真身，半点外推差不离，融入身边势与形。
红星新闻记者胡伊文北京报道
编辑潘莉 责编 官莉
热门跟贴