随着夏季越来越近，强对流天气开始频发。强对流天气强度大、破坏性强，但由于水平尺度小、生命史短，预报预警难度较大。而天气雷达是捕捉强对流天气的“好手”。
正所谓“知己知彼，百战不殆”，让我们一起来分析强对流天气（雷雨大风、冰雹、龙卷风、局地短时强降雨、飑线等）特征，并盘点捕捉各类强对流天气的天气雷达的优势及特点吧！
我国上世纪90年代末开始布设多普勒天气雷达，原计划布设158部，后来根据需要增加至216部。图为我国新一代天气雷达分布图，其中蓝色表示S波段雷达，绿色表示C波段雷达，红色表示增补的58部雷达。
雷达是监测预警强对流天气的“杀手锏”
天气雷达属于主动式微波大气遥感设备，是探测降水系统最有效的手段，是对强对流天气进行监测预警的主要工具之一。
天气雷达多为电磁脉冲雷达，它以一定的频率发射持续时间很短（0.25至4微秒）的电磁波，然后接收被降水粒子散射回来的回波。降水对雷达发射电磁波的散射和吸收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关。因此，分析和判定降水回波，可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。
相比气象自动站和卫星等，天气雷达是监测强对流天气最有效的手段。“越强的对流天气发展速度越快，空间尺度越小，对监测设备的时空分辨率要求越高。”刘黎平介绍。我国气象自动站已经很密，但仍不足以观测强对流天气过程。而且，自动站观测到的是一个点，而对流天气系统是三维的。
此外，卫星监测范围虽然比雷达更广，但其观测数据空间分辨率较低（约5千米），而雷达可达1千米。即便是比极轨卫星位置更高的静止卫星，获取数据的频次显著加快（30分钟至1小时一次），但仍达不到雷达数据获取频次（约6分钟一次）。卫星对于对流云上部的监测较为有效，但对流系统是三维结构，雷达不仅可以观测系统底部、中部、上部，还可以观测系统内的风场及强度等。
“目前，我国在网天气雷达数据每6分钟更新一次，大大增强了对强对流天气系统的探测和预警能力，为开展短时灾害性天气系统及洪涝灾害的监测、预警和精细化短临预报奠定了坚实基础。”邵楠说。
图为1997年全国第一部进口WSR88D新一代多普勒天气雷达，位于上海。
每一部雷达都是“身怀绝技”的高手
按照波段，气象雷达可以分为K波段雷达（波长0.75至2.4厘米）、X波段雷达（波长 2.4至3.75厘米）、C波段雷达（波长3.75至7.5厘米）、S波段雷达（波长7.5至15厘米）和L波段雷达（波长15至30厘米）。此外，超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10至100厘米和100至1000厘米。
各种波段雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切相关。云雨粒子对无线电波的散射和吸收需要综合考虑，不同波段的雷达便有一定的适用范围。
刘黎平介绍，气象部门常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达探测对流层－平流层-中层的晴空流场。
其中，应用较为广泛的X、C和S波段雷达被称作天气雷达，下面让我们看一下各种天气雷达的“绝技”。
与常规天气雷达相比，C波段多普勒天气雷达增加了一项新技能——捕捉风场信息。它能有效地监测和预报阵风锋、下击暴流、热带气旋、风切变等灾害性天气，对台风、暴雨等大范围强降水天气进行有效监测，并能获取150千米半径范围内的降水区降水及风场信息，对降雨进行较准确估测。
S波段多普勒天气雷达“功夫”更高，可以监视半径为400公里范围的地区内台风、暴雨、飑线、冰雹、龙卷等大范围强降水天气，对雹云、龙卷气旋等中小尺度强天气现象的有效监测和识别距离可达230公里，可在距离雷达150公里处识别雹云中尺度为2至3公里的核区，或判别尺度为10公里左右的龙卷气旋。其先进的技术手段可以显著增强对暴雨、冰雹等灾害性天气的监测和预警能力，进一步提高降水预报的时间、空间分辨率，实现降水预报的定点、定量、定时化。
“与S波段和C波段雷达相比，X波段天气雷达算是‘老前辈’了。”刘黎平介绍。它的技术优势并不明显，对局地强降水和飑线监测能力较差，但在我国天气雷达发展早期，对于提前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。“虽然S波段雷达观测距离很远，但地球是圆的，远处位置较低的天气系统不易被观测到。比如，雷暴大风通常发生于高度较低处，北京市气象局就布设多部X波段天气雷达用于补充观测，并辅助人工影响天气工作的开展。”刘黎平介绍。
随着雷达技术发展，多普勒天气雷达也不断“修炼武功”，正逐步应用全固态、双偏振、相控阵、网络化协同观测等技术。
由于新一代天气雷达数据时空分辨率有限，对与大风有关的对流系统内部结构和演变的观测能力有限，中国气象科学研究院与安徽四创电子股份有限公司合作研发了专门用于快速观测对流过程、具有多波束观测能力的X波段相控阵天气雷达。
刘黎平介绍，X波段相控阵天气雷达最大的特点在于使用了8个高度集成的16路数字阵列模块，共128个有源T/R收发组件。“该雷达实现了从军用到气象应用的技术突破，使强对流系统观测时间分辨率提高4至5倍，垂直方向分辨率提高3倍，能识别对流系统的精细结构和演变特征。”
相控阵技术对进一步认识对流单体内部中小尺度系统的发展和演变有非常大的帮助，将大大提高我国对下击暴流、龙卷等高影响对流系统的监测预警能力。
图为我国首部双偏振天气雷达，位于广东省连州市。
协同监测才能发挥天气雷达最大效用
俗话说，“孤雁难飞,孤掌难鸣”。每一部天气雷达有不同的功能，每一部天气雷达也不是孤立的，加强协同监测才能最大限度地提升强对流天气的监测预警能力。
“降水对不同波段的衰减作用是不相同的，一般而言，波长越短，衰减越厉害，不同雷达一般都能够观测到不同的天气系统，同一部雷达在不同观测模式下观测的天气系统有时也不尽相同。”邵楠说，“因此，各种天气雷达与天气系统并非一一对应关系。要捕捉完整的强对流天气过程，需要多个雷达，甚至地面自动站、卫星等系统的协同观测。”
目前，我国天气雷达监测网主要由S波段和C波段天气雷达组成。截至2017年5月，全国业务运行天气雷达共189部，其中S波段106部，C波段83部。我国近地面1千米的覆盖范围约220万平方公里，中东部单点雷达站间距一般在200千米左右，西部地区雷达站间距为300千米左右。
每一部雷达探测范围有限，为了能够实时监测全国各地降水系统的“神出鬼没”，碎片化的区域雷达监测图被拼接成一张完整的全国雷达图。
就强对流天气临近预报中的雷达图识别环节而言，刘黎平举例，天气预报员可以利用雷达回波强度获得天气系统热力结构；利用多普勒测风技术，获得天气系统动力场结构；利用相控阵雷达技术实现快速扫描，获取高时间和空间分辨率信息；利用不同极化方式探测降水系统的内部降水粒子相态特征、谱分布特征；利用变波长技术获取大气中不同目标物的探测信息（微波-降水离子，毫米波-云，激光-气溶胶和晴空风场），最终结合多种雷达观测资料对天气系统发生发展做出判断。
各种监测手段在灾害天气监测预警中的作用是不同的，雷达图识别是强对流天气临近预报中的一个环节，真正的业务临近预报需要借助基于雷达、卫星、地面加密观测、数值模式产品等多种资料综合判断。
图为我国自主研发的首部X波段相控阵天气雷达。
相关知识：何为新一代天气雷达？
一般的天气雷达根据电磁波的散射回波强度来测定对流天气系统空间位置、强弱分布、垂直结构等。随着科技的发展，多普勒天气雷达“横空出世”，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、垂直气流速度等，能够更有效地监测暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气的发生、发展。
我国新一代天气雷达主要是指S波段和C波段多普勒天气雷达。邵楠介绍，相对于传统天气雷达，我国新一代多普勒天气雷达总体设计比较完善，可以针对不同的天气状况，选择不同的体积扫描和工作模式，达到空域覆盖最佳化；针对不同的探测空域，提供不同的重复频率信号形式、最有利的回波信号地物抑制、电磁干扰抑制、多普勒测距与测速矛盾的解决方案；有完善的雷达机内测试功能，可实现在线自动校准及参量自我调整和修正；设置了多种指标，能根据气象目标的强度和散布情况进行保精度测量，对目标、环境等有一定的自适应能力；能实时生成、分发和显示多种气象产品，实时提供等高度的保精度气象产品，为雷达组网拼图提供基本条件。
在我国中东部大部分地区，强降水和台风发生频率相对较高，主要布设的是S波段雷达。S波段雷达探测范围较大，能发现雷达周围460千米范围内的降水系统。西部地区降水强度相比中东部较弱，主要布设的是C波段雷达，因为C波段雷达更有利于探测强度较弱的降水。
如今，新一代天气雷达已广泛应用于天气预报以及农业、水文、林业、交通、能源、航天等领域的专业气象服务，成为人们防范气象风险、保障飞行安全的重要保障。
天气雷达不断更新升级才能适应人们不断增长的防灾减灾需求。目前，美国的新一代多普勒天气雷达已全部升级为能够监测降水粒子相态的双偏振多普勒天气雷达，我国广东佛山、北京、上海、厦门等地也正在进行双偏振多普勒天气雷达的业务升级试点。“另外，我国自主研发的相控阵天气雷达也已投入使用，对与大风有关的对流系统（如龙卷和下击暴流等）的监测预警效果显著提升。有望成为下一代天气雷达。”刘黎平说。
本文专家顾问：中国气象局气象探测中心气象装备保障室主任 邵楠
中国气象科学研究院研究员 刘黎平
中国气象报记者 崔国辉
