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强对流来扰?不怕!用这些探测神器盘它!

  最近,南方的强降雨天气一直“霸屏”,缕缕“刷存在感”的强对流天气也是层出不穷。5月17日,山东、河南中东部、河北南部出现大范围雷电和8~10级雷暴大风,山东局地达11级,并伴有冰雹,山东半岛局地暴雨。

  5月17日17时,河北省赞皇县出现较强雷雨大风天气并伴随冰雹。视频/文:李海强

  强对流天气影响较大,且“性子急”,常常是来得快走得也快,要“捕捉”到它的踪迹,不是一件容易的事儿。

  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。而监测精密是预报精准和服务精细的基础。

  “几点下、下多大、哪儿下”这三个问题是世界性难题。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。

  优势:可单独探测,亦可协同作业。即便少量单元失效,其他单元仍能正常工作。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。

  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。

  而此前的雷达可以得到热力学信息,却无法得知这个过程的动力学信息,或者说只能得到某一个方面信息,这远远不够。

  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。

  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。

  目前,气象业务雷达只有一个波束,做立体扫描时既要转头也要抬头,完成一次从0到19的立体扫描需要6分钟,而从0到90的立体扫描则需要20多分钟。

  相控阵雷达的多波束可以一次细化扫描,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(4个22.5)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。

  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。2019年8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。

  发展前景: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。

  技术体制:采用世界主流的“双发双收”——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”。

  技术优势:双偏振雷达是单偏振雷达的升级款,不过,两者功能差异较大。如果把雷达比作摄像机的话,那么——

  单偏振:普通摄像机,画面比较模糊,记录的信息有限,很多内容特征不明显,不容易分开;

  双偏振:双摄像头高清摄像机,画面像素高、信息丰富,图像清晰辨识度高,可谓高清防抖滤干扰。

  双偏振:可区分不同形式降水,更准确描述降水粒子的尺寸、形状、降水类型(如水、冰、冰水混合等)及分布;抗干扰能力强,可更好地识别气象回波和非气象回波(异常回波、地物遮挡、海杂波),提高降水和降雪等预报准确率。

  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。

  前景: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。

  探测原理: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。

  家族成员: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:观测高时空分辨率的垂直速度,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: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。

  应用前景: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。

  举个例子: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。

  未来: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。

  举例: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。

  根据自然界所有物体都会辐射电磁波的原理制成。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。

  工作能力:善于探测强对流天气,还可以监测日常天气过程,和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(多面手特质)。

  前景:为了响应“监测精密”的号召,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。

  专长:云自动化观测——专门为探测云粒子(粒径约2微米至100微米)而设计,解决自动化观测中云能天观测“卡脖子”难题。

  成员:Ka波段和W波段云雷达(根据波长分类)。其中,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。

  能力:探测云有多高、多厚以及云的微物理参量,还有一些雾、云和弱降水。不得不说,它是解决云观测自动化的最佳设备之一。

  原理:主动遥感设备。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。

  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。

  举个例子:2019年5月17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米/秒。15分钟后,开始出现冰雹。

  这个过程,云雷达看得清清楚楚,从冰雹发生、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。

  应用: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。

  前景: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。

  我国幅员辽阔、地形复杂,气象灾害多发频发,特别是北上广等超大城市人口和经济发展密集,因短时强降水、冰雹、龙卷风、飑线、雷暴等中小尺度天气系统而造成的气象灾害,成为气象防灾减灾的重中之重。

  建立自动观测的地基遥感监测系统,以大气垂直廓线精细观测为突破点,提高中小尺度灾害性天气系统探测能力,按照灾害监测的要求开展连续、自动观测,实现分钟级描述大气的热力和动力状况,可为模式预报和防灾减灾提供强有力支撑。

  专家: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

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