沈 瑾， 甘 泉，邓小丽 ， 宋小明

（1.西安市气象局 陕西 西安 710016；2.东莞市气象局 广东 东莞 523086；3.西安应用光学研究所 陕西 西安 710065）

我国地处东亚季风区，气候条件复杂，降水、风、气温等气象要素变率大，并常带突发性，导致我国气象灾害种类多，灾害性天气频发。随着经济社会的快速发展，突发性天气灾害对社会经济和人民生活的影响日益显著。我国每年受台风、暴雨、干旱、大风、雷暴和冰雹等重大灾害性天气影响的人口达6亿人次。仅在我国沿海登陆的热带风暴（台风），一次就可以造成几十亿、甚至上百亿元的经济损失。在当前全球变化背景下，国家安全和可持续发展需求日益提高，极端气候事件和突发性天气灾害对农业、水资源、交通、能源、粮食和国防的安全保障带来了极大威胁[1]。

天气雷达是监测、预警突发灾害性天气最有效的手段。近50年来，我国天气雷达监测网的建设得到了长足的发展，在灾害性天气监测和预警方面已经发挥了重要作用，取得了明显的社会、经济和生态效益。天气雷达通过间歇性地向空中发射电磁波（脉冲），然后接收被气象目标散射回来的电磁波（回波），探测400多千米半径范围内气象目标的空间位置和特性，在灾害性天气，尤其是突发性的中小尺度灾害性天气的监测预警中发挥着重要的作用。天气雷达主要由天线、馈线、伺服、发射机、接收机、信号处理、产品生成、显示终端等组成。天线主要用于发射和接收电磁波；馈线用于传导电磁波；伺服部分控制天线等的运转；发射机产生电磁波，接收机接收处理电磁波；信号处理主要负责处理回波信息；产品生成部分根据算法，生成应用产品以及控制雷达的信号；显示终端显示产品以及雷达控制方式等信息。目前，全球设有1 000多个天气雷达站，分布在世界各地[2－3]。

1 天气雷达的现状

1.1 我国天气雷达发展历程

我国天气雷达技术的发展大体分3个阶段[4]。

第一阶段为20世纪60年代末到80年代的常规模拟天气雷达阶段，我国形成了由51部各种型号雷达组成的天气观测网，在局地灾害性天气警戒，沿海台风联防和人工影响天气作业等方面发挥了积极作用。但总体技术水平和应用能力与发达国家相差20～30年。

第二阶段为20世纪70年代到80年代的数字化天气雷达阶段，数字天气雷达利用计算机技术对雷达回波强度信息进行数字化处理，生成各种准定量的监测、分析、预警产品，提高了信息加工、分析的处理速度，增强了雷达监测预警能力。到20世纪90年代初，我国形成了由58部S波段和C波段数字化天气雷达组成的基本探测站网，开展了区域联防和数字拼图，在灾害性天气预警，短时预报水平和雷达定量估测降水方面取得了长足进展。此阶段在天气雷达研制生产和应用等方面与发达国家的差距仍有10～20年。

第三阶段是从20世纪90年代开始的多普勒天气雷达阶段，随着国际天气雷达技术发展的新趋势和国家需求的增长，我国确定了发展新一代多普勒天气雷达的思路，并相应制定了新一代多普勒天气雷达功能规格需求。多普勒天气雷达采用全相参技术体制，在测定云和降水回波强度的同时，应用多普勒技术获取大气风场和湍流信息。多普勒天气雷达是研究云和降水物理学，云动力学，监测分析和预警中尺度灾害性天气最有效的工具之一。此阶段，我国多普勒天气雷达的研制和应用水平得到了极大提高，与发达国家在技术和应用上的差距已在10年以内。

我国的台湾、香港、澳门也已建有美国、日本和德国生产的多普勒天气雷达。其中台湾气象部门有4部、民航有1部、空军有2部C波段多普勒雷达。

常规模拟天气雷达和数字化天气雷达只能探测气象目标的位置和强度，而由于缺乏气象目标的运动信息，很难满足天气预报的需要。多普勒天气雷达则比常规数字化天气雷达能获取更多的信息，不仅能探测气象目标的位置和强度，还能够探测这些目标中降水粒子的径向运动速度和速度谱宽，从而得到大气风场和湍流等信息，能监测下击暴流、龙卷、阵风锋、低空风切变等灾害性天气，是气象保障必不可少的装备。

1.2 国外天气雷达现状

美国通过从1988年到2000年实施的气象现代化项目，已经完成了全国165部多普勒雷达的布点建设，覆盖美国大陆以及部分沿海海域和岛屿。此外，联邦航空管理局还在全美45个繁忙机场建成了专用于民航的高性能终端多普勒天气雷达。

加拿大于1998年到2003年实施了“国家雷达计划”，在美加边境附近重点对灾害性天气频发和沿海人口密集地区布设了31部多普勒天气雷达，雷达覆盖区域达到全国人口总数的95%。

欧盟采取了与各国合作的方式，已布置天气雷达100多部，其中新一代雷达约占一半，以C波段为主。各国非常重视观测资料的交换和共享，通过合作已有效地提高了天气预报水平和防灾减灾能力。

澳大利亚天气雷达系统由60部数字化天气雷达和2部新一代天气雷达构成，已实现了全国天气雷达强度场拼图。

日本气象部门有20部C波段数字化天气雷达，另有4部数字化天气雷达和5部新一代天气雷达布设在机场，其观测范围覆盖全国。目前实现了天气雷达的组网和雨量站观测数据共同拼图。

韩国共有天气雷达9部。其中S波段雷达1部，C波段雷达8部。雷达24 h连续观测，每10 min生产一次雷达拼图资料。

2 制约天气雷达技术发展的问题

尽管我国天气雷达技术取得了长足的发展和显著的成绩，但与发达国家的技术和应用水平相比仍有较大差距。这些问题在天气雷达发展建设中必须高度予以重视，并逐步加以解决。目前新一代天气雷达技术发展中存在的主要问题有：

1）我国的新一代天气雷达建设正处于快速发展阶段，但总体水平还不高，区域雷达组网尚不健全，全国天气雷达组网还没有形成。现有的雷达站网建设和现代化技术水平还不能完全实现对突发性、转折性灾害性天气的全程、连续、有效的监测，不能适应对灾害性天气快捷、高效监测以及迅速响应的要求。

2）天气雷达资源共享不充分。各部门间缺乏统一协调的共享机制，没有从整体组网和资源共享的角度进行天气雷达系统的建设，造成雷达探测规范标准不统一，探测模式和资料数据格式不一致，资料无法统一处理，使有限资源难以充分共享利用，限制了天气雷达技术的快速发展。

3）研发与应用水平较低，自主开发能力待加强。目前我国新一代天气雷达自主研发能力不强，尚缺乏具有自主知识产权的核心技术；新一代天气雷达综合应用产品制作基本以跟踪和模仿学习国外为主，与发达国家的主要差距是没有形成具有自主知识产权的雷达气象产品应用系统。尤其在雷达数据资料的质量控制、反演与同化技术及特种需求的应用系统开发等方面亟待提高。

4）技术保障体系建设滞后，与雷达系统建设速度不相适应。新一代天气雷达建设已经在全国展开，但是相应的技术管理和业务保障体系尚未形成，雷达维修、维护以及雷达技术支持能力建设相对滞后，影响了多普勒天气雷达网建设效益的充分发挥。

3 天气雷达发展趋势

世界天气雷达探测技术的总体发展趋势是：从地基雷达探测到空基、天基雷达探测；从单基探测到多基探测；从单一参数探测到多参数探测；从低时空分辨率探测到高时空分辨率探测；从单站探测到全网的综合探测。同时，未来的雷达网布局趋势呈现出大小雷达相结合的特征，以小型雷达补充站网雷达，主要表现为以提供区域覆盖的大型雷达（指S波段和C波段雷达）为主，以边界层探测的短程小型天气雷达（指X波段雷达）为辅。未来的天气雷达技术应作为地球综合观测系统的有机组成部分。

3.1 天气雷达领域的前沿

3.1.1 新一代天气雷达技术特点

新一代天气雷达具有以下技术特点：

1）强探测能力和高探测精度

新一代天气雷达主要按照美国WSR－88D的规格生产，为S波段全相干制雷达。随着雷达波长的增加，其对降水粒子的衰减作用大大减小。新一代天气雷达的天线直径为9 m波束宽度小于10，波束宽度越小角度的分辨率越高，探测精度也越高。新一代天气雷达采用高低两种脉冲重复频率，对台风、暴雨等大范围的强降水天气的监测距离为460 km，对流云、龙卷祸旋等小尺度强天气系统的有效监测和识别距离为230 km，所有的数据、算法和产品的范围可达230 km，超过230 km将没有速度数据，风暴识别、跟踪和预报未来位置可到345 km，在345～460 km之间虽没有算法应用，但仍有反射率因子产品。

2）先进的实时标校系统

新一代雷达的雷达参数在建站时都经过仔细的校准和标定，在日常的运行中，实时的或每经过一个体扫之后，对影响雷达定量的参数进行一次自动校准和检测，以确保雷达对回波强度的准确测量。

3）强大的地物杂波抑制能力

静止的非气象目标和异常传播间的信号被处理进入基本数据时，就发生了地物杂波污染。地物杂波污染对基本数据的准确性影响很大，进而影响导出产品，特别是降水估计。新一代雷达具有抑制地物杂波和异常传播造成的污染，得到高质量的产品。

4）先进的产品算法和智能型的探测分析系统

新一代雷达系统提供了较高灵敏度和较细分辨率的反射率因子、平均径向速度以及谱宽数据，运用先进的客观的算法，每5～10 min由基本数据导出的分析产品有30多种。此外，新一代天气雷达系统也是智能型的探测系统，它有丰富的软件支持，对获取的探测信息进行综合处理，除了实时提供降水回波图像分析的信息外，还具有准实时的对多种灾害性天气的自动识别、追踪等产品[5]。

3.1.2 天气雷达应用的国际前沿

美国、日本、德国、印度尼西亚等国家参加的国际赤道观测站计划，旨在对影响气候变化的赤道上空大气进行探测。该计划除在印度尼西亚斯马特拉岛设站外还计划在非洲、南美设站。

欧盟为了促进雷达观测资料在各国之间交换，扩大受益面，加强了各国之间的合作。重点研究雷达探测降水和雷达资料国际网络，促进了天气雷达的发展。未来几年欧洲天气雷达仍然以发展C波段多普勒雷达为主，双PRF技术可能用脉冲压缩技术来代替。

美国联邦航空局在纽约已成功地研制成一部风切变告警雷达。该雷达是一部多普勒C波段雷达，可以全自动探测和告警显示机场周围的恶劣天气，防止风切变造成的危害和微爆现象。日本开发了一种直径仅1 m的小型雷达，其性能与机场等使用的大型气象雷达相当。这种小型雷达使用了适合在低空进行观测的3 000 MHz的电磁波。观测几乎是实时的，时间仅需约1 min。由于体积小，能安装在汽车和小型船舶上，可预测1 km2小范围内的天气现象。

美国宇航局的兰利研究中心在宇宙飞船“发现号”上安装激光雷达，进行激光雷达系统从太空观测大气。这一研究将使空间遥感技术进入一个新的时代，有可能找到至今仍使气候模式研究人员感到困惑的许多问题的答案。观测的数据包括云、对流层和平流层的气溶胶、行星边界层的特征、地面以上625英里平流层的空气密度和温度以及一系列的地面特征。

3.2 天气雷达发展趋势

天气雷达技术的发展将集中在以下几个方面：

1）当今大气科学的发展重点是更长时间尺度的气象研究和更短空间尺度的中小尺度气象学研究和应用，多普勒天气雷达是天气雷达发展的方向和趋势。今后将进一步发展多普勒天气雷达技术，扩展探测功能。双线偏振多普勒天气雷达技术能根据不同偏振获取的后向散射信息，可分析、识别降水的类型，提供识别风暴中水汽凝聚的过程，提高降水估测精度[6]；从技术和经济角度看，双线偏振多普勒天气雷达将是天气雷达发展的一种趋势。目前，多普勒天气雷达主要用于对与降水伴随的灾害性天气的监测和短时预报，而对于晴空探测和台风探测，特别是获取晴空风场信息，将是多普勒天气雷达功能扩展的下一个目标。据估算，采用相干累加技术有可能使雷达获取晴空风场的能力提高15－21 dB。

2）多普勒天气雷达对下击暴流、微下击暴流有很好的监测能力，但由于这类恶劣天气现象生命史极短，仅1～2 min，最多不超过10 min，改变现行多普勒天气雷达扫描取样的体制，可行的最简单的是在天线垂直波束上采用相控技术，形成多波束，这样雷达仅做方位角一周的扫描便可以获取低层大气中三维立体的风场数据信息，可以迅速而准确地监测和预警下击暴流或微下击暴流。相控阵多普勒天气雷达技术采用跳跃式电扫描波束和天线方向图形状的自适应控制，使扫描和资料收集时间由6 min降至1 min以内，提高获取资料的时间分辨率。可以在足够短的观测时间内处理迅速演变的天气事件，探测能力显著提高。相控阵天气雷达将是天气雷达的又一发展方向。但相控阵雷达非常昂贵，短时间内难以实现业务化运行和组网。

3）在我国，C波段、X波段双线偏振雷达目前还处于应用研究阶段，中国气象局也有将来布设X波段雷达，作为对现有新一代天气雷达网的有效补充的设想。我国主要的灾害性天气为暴雨、短时强降水、冰雹等，因而，加强对C波段、X波段双线偏振雷达偏振参量的误差分析，以及研究这些误差对降水估测精度的影响等，显得十分紧迫和必要。雷达信号的衰减问题一直是影响X波段广泛应用的重要因素，降水估测时，受衰减影响，会引起较大的误差。由于X波段双线偏振雷达所具有的特点，近年来，美国、英国、日本等国家加强了其在临近预报、强风暴等灾害性天气的预测预警工作，对X波段双线偏振雷达信号衰减订正及降水估测研究也取得了一定的进展。希腊在2004年雅典奥运会期间，运用X波段双线偏振雷达进行奥运气象保障，取得了成功的经验。因此，我国急需开展对X波段双线偏振雷达衰减订正、降水估测、冰雹识别等方面的研究工作[7]。

4）未来雷达系统中为了提高精度、扩展探测功能，在以下一些新技术领域将会有显著突破：强大的雷达信号处理和计算能力，有效地减轻距离和速度模糊技术，过采样技术，脉冲压缩技术，优化的宽带通讯网、数据压缩技术等。

5）加强对多普勒风场反演技术的研究。目前对多普勒风场资料的应用仍处于定性阶段，尚未对多普勒天气雷达获取的风场信息进行充分应用。要充分应用，风场信息要由定性转为定量，单多普勒天气雷达的反演技术是风场信息定量应用的关键。美国、西欧、日本、俄罗斯等国家也对天气雷达的发展极为重视，西欧确定了下一代天气雷达的业务技术体制；俄罗斯将发展脉间相干的C段、S波段的多普勒天气雷达；日本也已开展多普勒天气雷达的研制工作。韩国、台湾、香港、新加坡、泰国、土耳其等国家或地区都在计划或引进气象雷达发展第三阶段有代表性的美国WSR－88D。

4 总 结

从国际发展来看，世界天气监视网在建立最优化的全球混合观测系统方面将取得重大进步，国家及地区天气监测网也将显著发展。雷达和雷达探测技术将发挥越来越重要的作用。在雷达探测方面将实现多普勒雷达布网，来自雷达、卫星和地基遥感系统的资料将直接输入天气分析和预报系统。双线偏振雷达技术逐渐成熟，将大大改善雷达探测降水和识别降水粒子相态和尺度的能力。快速扫描多普勒雷达、多极化雷达、毫米波（多普勒雷达）、调频连续波雷达会有迅速发展。

我国幅员辽阔，如何进一步改进灾害性天气的监测预警，提供及时准确的天气变化信息，成为人工影响天气作业指挥的重要依据，也是一项急需解决的课题。国民经济的快速发展、社会的进步及人民生活水平的提高对气象服务提出了新需求，国家安全保障对气象事业发展提出了新需求，全球气候变暖带来的突发性天气气候灾害对气象服务提出了新需求。建设新一代天气雷达，提高对重大灾害性天气预警能力，是十分必要和紧迫的。新一代天气雷达在突发灾害性天气、极端气候事件、生态环境、交通安全保障以及云水资源利用等方面都可以发挥重要作用。因此，迫切需要发展和建设新一代天气雷达。

[1]陆正华，许以平.气象学基础知识[M].北京：中国青年出版社，1985.

[2]Collier C G.Application of weather radar systems——A guide to user of radar in meteorology and hydrology[M].London：Eillis Horwood Ltd， 1989：1－294.

[3]张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2001.

[4]刘黎平，葛润生.中国气象科学研究院雷达气象研究50年[J].应用气象学报，2006，17（6）：682－289.

LIU Li-ping，GE Run-sheng.An overview on radar meteorology research in Chinese Academy of Meteorological Sciences for a half century[J].Journal of Applied Meteorological Science，2006， 17（6）:682－289.

[5]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.新一代天气雷达讲义 （试用）[M].北京:中国气象局培训中心， 2004：266－270.

[6]王致君.偏振气象雷达发展现状及其应用潜力[J].高原气象，2002，21（5）：495－500.

WANG Zhi-jun.The currentdeveloping situation of polarization radar and its application potential[J].Plateau Meteorology， 2002， 21（5）:495－500.

[7]王致君，楚荣忠.偏振天气雷达在气象中的应用简介[J].干旱气象，2004，22（2）：62－68.

WANG Zhi-jun，CHU Rong-zhong.A brief introduction about the application of polarization radar in Meteorology[J].Arid Meteorology， 2004， 22（2）:62－68.