“对付”强对流 咱有探测神器

作者:张格苗 简菊芳 宛霞 来源:中国气象报 时间:2020-05-12分享:

专家顾问:

中国气象局气象探测中心副总工、基地室主任张雪芬 探测中心业务处副处长、正研级高工吴蕾 探测中心研究员马舒庆、高级工程师陶法、茆佳佳、李瑞义、刘达新,工程师王箫鹏

  编者按:强对流尤其是中小尺度灾害性天气系统的监测、预报、预警、服务,是气象防灾减灾工作的重中之重。  为解决灾害性天气中短临预报模式和服务中大气垂直廓线探测资料不足等关键问题,中国气象局于2015年启动超大城市综合气象观测试验。如今,以相控阵雷达、云雷达、微波辐射计、风廓线雷达、双偏振雷达等新型设备为基础的“超级观测站”已经发挥作用,以垂直廓线观测为代表的地基遥感监测在中小尺度灾害性天气系统监测中作用凸显。  

  监测精密是预报精准和服务精细的基础。本文将介绍部分新型观测设备,它们既是强对流监测的“颜值担当”,又是我国未来自动化观测中地基遥感监测体系的重要力量。

  相控阵天气雷达:让局地强对流无处遁行

  “几点下、下多大、哪儿下”这三个问题公众迫切想知道,预报员却很难回答。究其原因,当前的气象探测系统可以很好地描述大气热力学信息(告诉大家有雨),却无法准确探测大气动力学信息。  相控阵天气雷达为破解这一难题提供了基础。如果把传统天气雷达比作身形巨大的“单体”,那相控阵雷达就是多个发射/接收单元(每个单元相当于一部小型雷达)的组合体。 

  这些小雷达协同工作,十分灵活,优势相当明显:可以形成多个独立控制的波束,同时探测多个目标,抗干扰能力强,即便少量单元失效,仍能正常工作,可靠性高。可以说,一部多波束相控阵雷达,相当于多部抛物面天线雷达同时工作。用它来探测那些生命史短又快速变化的冰雹、雷雨、大风、短时强降水再合适不过了。   

  从热力学到动力学的闭环  

  我国200多部雷达组成了世界上最大的雷达网,在防灾减灾和强天气预报预警中发挥了巨大作用。为何还需要相控阵雷达?因为要准确判断分析强对流天气,除了热力学信息,还要解决“对流有多强、周围流场怎么变化”等动力学问题。  

  要了解一个物体的运动,必须知道其三维分量。上世纪90年代前,雷达只提供强度信息,新一代多普勒天气雷达能够探测径向速度,这已然是热力学向动力学探测的进步。但仅一个分量仍无法确定强对流的运动。而我国自主研制的新型相控阵天气雷达——相控阵阵列天气雷达,多个相控阵子阵分布在不同位置,同时探测一个区域,使在一个空间点上获得多个分量成为可能。当潜热释放、产生对流、影响风场,便能获得从热力学到动力学整个闭环流程的全部资料,使得强对流天气分析客观性大大增强。   

  从6分钟到12秒的跨越  

  即便是在一个空间点上获得了多个分量,如果这些分量之间的数据时差太大,也无法合成来确定物体的运动。  

  目前气象业务雷达的抛物面天线只有一个波束,做立体扫描时既要转头也要抬头,完成一次从19°的立体扫描需要6分钟,而从90°的立体扫描则需要20多分钟。  

  相控阵雷达不同。它的最大技术优势在于多波束,垂直方向直接可以一次细化扫描,无需抬头,只要转头一圈,立体空间数据全部“收入囊中”,且层次更多,数据更细。以X波段相控阵阵列雷达为例,它在垂直方向上用多波束(422.5°)一次扫描可以90°空间全覆盖,最快12秒完成。由于速度大幅加快,采样数据时差变得很小,就可以形成客观流场,更好地认识和判断强对流天气。  

  从试验到应用的未来  

  目前,我国主要用于试验的相控阵雷达为C波段和X波段,主要布设在广州、江苏高邮、北京大兴国际机场和上海。2017年,广州市气象局与相关公司合作,开展X波段双偏振相控阵雷达观测试验,部署了4台相控阵雷达,基本覆盖广州中心城区。试验表明,X波段双偏振相控阵雷达对局地强降水、龙卷风、冰雹等发展迅速、空间尺度较小的天气系统具有较大探测优势。  

  在龙卷风高发的江苏省高邮市,国内首部C波段相控阵天气雷达正在进行试验。2018年,中国气象局超大城市综合气象观测试验项目在上海布设了X波段相控阵阵列天气雷达。20198月,台风“利奇马”一路北上影响上海,相控阵阵列天气雷达严密监测,获得了完整的风场资料,且实现每30秒一组、空间分辨率达100米。  

  未来,相控阵雷达将被赋予更大责任,成为可堪重任的下一代天气雷达,“几点下、下多大、哪儿下”将不再是难题。

  微波辐射计:灾害天气探测的多面手

  我的名字叫微波辐射计。每年汛期,我的才华就有了彰显机会,在探测中小尺度灾害性天气方面优势明显。  

  时值华南前汛期,正是我大展身手之际。其实,大展身手也并不意味着总要“主动出击”,我就是一个典型的“被动接收者”。这要从我的工作原理和特点说起。  

  作为一款被动接收微波信号的遥感器,我是根据自然界所有物体都会辐射电磁波的原理制成的。利用接收来自不同高度和角度上的大气微波辐射信号,定量匹配成电压信号,再通过反演获得温度和湿度曲线。更通俗地说,我就是一个高灵敏度、高分辨率的微波接收机。  

  在实际操作中,我主要接收大气分子对外辐射的亮温,还负责接收氧气通道(V通道)和水汽通道(K通道)的亮温信息,根据不同频率“看”到的远近不同,以此探测大气中的温度和湿度廓线。众所周知,判断强对流天气形成的最重要指标就是出现不稳定层结,而我的工作正是通过探测大气中的温度和湿度,从而计算大气不稳定能量和层结高度,为强对流的发生和发展过程提供环境场监测。  

  人们常说术业有专攻,可以说,强对流天气探测是我的专长。但作为一个多面手,我可不仅仅局限于强对流天气探测,我还可以监测日常天气过程,和我的小伙伴风廓线雷达一起组建加密探空站,实现温度、湿度、风的连续廓线监测。  

  当下,为了响应监测精密的号召,仅靠某一个设备是很难完成的,需要多个设备协同观测,优势互补,各取所长。通过与毫米波云雷达、风廓线雷达和气溶胶激光雷达等小伙伴的强强联合,我们实现了“五条廓线一张图”的协同观测,在监测强对流天气、雾霾以及日常天气过程等方面,都发挥了很好的作用。我们共同为预报精准、服务精细提供有力支撑。

  风廓线雷达:VR式监测大气风

  风廓线雷达以晴空大气作为探测对象,利用大气对电磁波的散射测量风场,可实时提供大气的三维风场信息。此外,它与微波辐射计或GNSS/MET水汽监测系统配合,可实现对大气风、温、湿等要素的连续遥感探测。  

  风廓线雷达家族有L波段边界层雷达、P波段对流层雷达以及40兆赫至68兆赫的VHF雷达。其中,VHF雷达中典型的MST雷达(中间层-平流层-对流层雷达)最高可探测到100千米以上的风场信息。L波段边界层风廓线雷达可实现对高时空分辨率的垂直速度观测,为对流初生的预报分析提供关键信息;L波段增强型风廓线雷达为我国自主研制,探测高度达6千米,可捕获低空急流、高空槽、锋面等天气系统的风场信息。  

  目前,风廓线雷达主要集中在京津冀、长江三角洲、珠江三角洲以及其他沿海省份。风廓线雷达业务化试验已形成应用方法和流程,资料模式同化预处理和同化方法研发已经完成,预计2020年可实现风廓线雷达资料在我国GRAPES区域3千米精细化业务数值模式中同化应用。  

  在气象环境监测服务方面,2019年,新中国成立70周年庆祝活动期间,气象和环保部门共同监测,发布了3期雾-霾监测决策服务材料,为庆祝活动提供了保障。  

  由于大气整体呈垂直分层结构特征,风廓线雷达结合其他垂直观测组成的大气垂直廓线立体观测网,将是充分认识大气结构特征及发展演变的重要手段。随着数值模式快速同化与融合技术的发展,高时空分辨率大气垂直廓线观测将极大提高模式预报精度。

  双偏振雷达: 捕捉强对流的 “高清摄像机”

  在强对流天气探测领域,双偏振雷达也算是“扛把子”的装备。我国的双偏振雷达体制采用的是目前世界主流的“双发双收”技术。也就是说,它的水平和垂直两个通道同时向大气中发射电磁波,两个通道又同时接收降水粒子散射的回波,可谓“分得清、看得准、效率高”。  

  从组成结构上来看,双偏振雷达的发射机分系统、天馈分系统、接收机分系统、信号处理分系统、监控分系统、显示终端等与单偏振基本一致。不过,两者功能差异还是挺大的,如果把雷达比作摄像机的话,单偏振雷达就是普通摄像机,拍摄的画面看起来比较模糊,能够记录的信息比较有限,很多内容特征不明显,不容易分开。而双偏振雷达是高清摄像机,不仅像素高,双摄像头获得的信息更为丰富,干扰滤除效果也好,因此拍出的图像比较清晰,自然也就更容易辨别。  

  从单偏振到双偏振探测,一字之差,探测效果差距却不小。单偏振雷达得到的只是和粒子水平尺度相关的强度信息,结果误差大。但是双偏振雷达是根据不同降水粒子对不同偏振电磁波散射特性的差异来区分不同形式降水,它可以更准确地描述降水粒子的尺寸、形状、降水类型及分布,尤其是降水类型,如水、冰、冰水混合等,而且具有非常强的抗干扰能力(可更好地识别气象回波和非气象回波),这样就可以滤除异常回波、地物遮挡、海杂波等非气象回波,从而提高降水和降雪等预报准确率。因此,双偏振雷达能够对强对流天气实现更好的监测和预警。  

  目前,我国双偏振天气雷达正步入建设期。以广东为例,率先完成了全省业务雷达双偏振升级工作。未来几年,我国将完成单偏振雷达网向双偏振雷达网的过渡,且气象部门正在开展从低时空分辨率到高时空分辨率的精细化观测试验。届时,双偏振和相控阵强强联合,扫描速度更快、数据更精细,让暴雨、冰雹、龙卷风等强对流天气无处遁形。

  云雷达: “锁定”那朵雨做的云

  一直以来,云能天观测是自动化观测进程中的一个“卡脖子”难题。云雷达的出现,为解决此问题尤其是云自动化观测提供了重要思路。  

  云雷达专门为探测云粒子(粒径约2微米至100微米)而设计,其家族成员根据波长分为Ka波段和W波段。但无论哪个波段,都能看到云有多高、多厚以及云的微物理参量。即便是一些雾、云和弱降水,云雷达都能捕捉到。不得不说,它是解决云观测自动化的最佳设备之一。  

  云雷达是主动遥感设备,也就是说,通过发射出毫米波波段的电磁波,然后收到从云滴散射回来的回波反过来推理和反演云的相关信息。例如,回波信号的强度、多普勒效应以及偏振情况可识别云高度、厚度、运动速度等,还可以反演液态水含量。  

  由于其信号在发生降水、冰雹时会有衰减,很多人认为,云雷达无法在强对流天气中应用。其实不然,超大城市试验成果显示,云雷达完全可以观测到冰雹形成、发展的整个过程,并提前20分钟至30分钟实现预警。  

  举个例子,2019517日,北京多个地区发生冰雹。当时,云雷达回波可以精细地观测到7千米至10千米处发生强烈的垂直运动,运动速度可以达到10/秒。15分钟后,开始出现冰雹。  

  通过云雷达观测到冰雹发生、成熟和消散整个过程,时间分辨率可以达到分钟级,空间分辨率可达30米。  

  目前,云雷达在全国还没有实现布网,只是通过超大城市试验在北京、上海和广州布设了15部。此外,就设备研制而言,Ka波段完全实现国产化,已经达到国际先进水平,W波段还在研制和工程化阶段。  

  未来,在强对流观测尤其是中小尺度灾害性天气预报方面,云雷达将发挥重要作用。

  (来源:《中国气象报》202058日四版  图片由中国气象局气象探测中心提供