北京南郊觀象臺(tái)雷達(dá)塔。胡伊文 攝

從早期測(cè)雨雷達(dá)，到多普勒技術(shù)增加測(cè)風(fēng)能力，到雙偏振技術(shù)觀測(cè)降水粒子復(fù)雜相態(tài)，再到相控陣技術(shù)提供更高的探測(cè)精度，我國(guó)越織越密的雷達(dá)網(wǎng)攜各種高精尖技術(shù)，輸出為各種“感知”產(chǎn)品，進(jìn)而在暴雨、龍卷風(fēng)等短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警中，展示出越來越強(qiáng)悍的“預(yù)知”能力，今年就曾多次大顯身手。

S波段雷達(dá)主要分布在中東部及沿海

C波段雷達(dá)主要分布在西部山區(qū)

在中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，雷達(dá)應(yīng)用室主任、正高級(jí)工程師吳蕾首先介紹了天氣雷達(dá)的原理。在不同的降水強(qiáng)度下，水滴的大小和稠密度各有差異，這就使得雨水對(duì)于電磁波的散射能力各有差異。天氣雷達(dá)會(huì)主動(dòng)朝著某一方向發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波碰到降水時(shí)，雨滴便會(huì)散射電磁波，雷達(dá)接收到回波信號(hào)。接收到的能量越大，通常代表著天空中的雨越大。氣象中習(xí)慣用反射率因子作為輸出結(jié)果，可以初步判斷降水的強(qiáng)度。

張濤用作示例的雷達(dá)圖。受訪者提供

“如果是氣象站的雨量桶，雨沒有落進(jìn)來是探測(cè)不到降雨的，但雷達(dá)可以‘看’到更大的范圍。”中央氣象臺(tái)首席預(yù)報(bào)員、“濤淘風(fēng)云”科普大V張濤說。

但是，僅僅有反射率因子，只能知道大雨還是小雨，卻無法知道雨滴是如何隨風(fēng)移動(dòng)的。因此，氣象工作者利用多普勒技術(shù)，通過分析降水回波的些許頻移特征，便可獲知降水粒子是在靠近還是在遠(yuǎn)離雷達(dá)，從徑向速度可以反演風(fēng)場(chǎng)信息。

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷進(jìn)步，天氣雷達(dá)還從發(fā)射單一水平方向極化的電磁波，升級(jí)為能同時(shí)發(fā)射水平、垂直極化電磁波的雙偏振天氣雷達(dá)。由此，除了反射率因子和徑向速度，還能監(jiān)測(cè)到降水粒子的形變。

北京市氣象探測(cè)中心雷達(dá)產(chǎn)品大屏

上世紀(jì)90年代以前，我國(guó)氣象業(yè)務(wù)普遍使用711型簡(jiǎn)易天氣雷達(dá)。如今，以多普勒技術(shù)為主導(dǎo)的新一代天氣雷達(dá)在我國(guó)氣象領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其在傳統(tǒng)雷達(dá)的基礎(chǔ)上還能提供徑向速度產(chǎn)品和速度譜寬產(chǎn)品，可推斷降水云體的移動(dòng)速度、風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征等，能夠更有效地監(jiān)測(cè)暴雨、冰雹、龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展。這些天氣雷達(dá)有不同的功能和探測(cè)特點(diǎn)，合理分布，協(xié)同監(jiān)測(cè)。

吳蕾介紹，我國(guó)已建成并業(yè)務(wù)運(yùn)行的新一代天氣雷達(dá)有252部，包括S波段137部、C波段115部，其中雙偏振共108部。她表示，我國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)站點(diǎn)在東部地區(qū)較密。

所謂“新一代”天氣雷達(dá)，主要就是指引入了多普勒技術(shù)的S波段和C波段天氣雷達(dá)。不同波段代表發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)不同，如S波段波長(zhǎng)為10厘米，C波段波長(zhǎng)為5厘米，X波段波長(zhǎng)為3厘米。不同雷達(dá)和產(chǎn)品探測(cè)距離也不一樣，S波段天氣雷達(dá)最大測(cè)雨范圍可達(dá)460公里，最大測(cè)風(fēng)距離可達(dá)230公里。目前，我國(guó)建設(shè)的S波段雷達(dá)主要分布在年降雨量大的中東部及沿海地區(qū)，C波段雷達(dá)主要分布在降水相對(duì)較少的西部山區(qū)。雷達(dá)主要布設(shè)在重要城市，并盡可能使組網(wǎng)雷達(dá)覆蓋區(qū)域互補(bǔ)以達(dá)到盡可能大的探測(cè)范圍。為了避開遮擋，平原地區(qū)雷達(dá)通常架設(shè)在郊區(qū)高塔上，在山區(qū)雷達(dá)一般布設(shè)在山嶺上。

吳蕾提到，因?yàn)閽呙璧淖畹脱鼋且灿?.5度，近幾年來，為彌補(bǔ)S波段和C波段等“大雷達(dá)”的低層探測(cè)盲區(qū)以及時(shí)間、空間分辨率上的不足，國(guó)家和地方都開始投資建設(shè)X波段天氣雷達(dá)。X波段天氣雷達(dá)探測(cè)范圍只有75公里，局地性較強(qiáng)，但精細(xì)化程度更高。

據(jù)悉，北京就有2部S波段雷達(dá)，分別在海坨山和南郊，相隔100公里，同時(shí)有9部X波段天氣雷達(dá)協(xié)同成網(wǎng)。

紅星新聞?dòng)浾邊⒂^北京南郊觀象臺(tái)的S波段雷達(dá)時(shí)，北京市氣象探測(cè)中心工作人員介紹，由于北京地區(qū)西北山區(qū)地形復(fù)雜、城市區(qū)域高建筑物遮擋等因素，S波段雷達(dá)探測(cè)存在低空盲區(qū)，而X波段天氣雷達(dá)雖然存在信號(hào)衰減明顯、探測(cè)距離短等問題，但其體積小、分辨率高、布設(shè)方便。

觀測(cè)7分鐘后獲取數(shù)據(jù)

提前18分鐘識(shí)別到廣州白云龍卷風(fēng)

雷達(dá)收集數(shù)據(jù)有多快呢？吳蕾介紹，雷達(dá)本站資料是實(shí)時(shí)獲取的，全國(guó)雷達(dá)資料組網(wǎng)及各產(chǎn)品生成則是從全國(guó)31個(gè)省（區(qū)、市）收集252部新一代天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)，在信息中心處理，從雷達(dá)開始觀測(cè)到收集數(shù)據(jù)是6分鐘，處理用時(shí)一分鐘，即觀測(cè)開始后7分鐘，國(guó)家級(jí)業(yè)務(wù)單位就可以實(shí)時(shí)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)了。

據(jù)悉，目前，探測(cè)中心已形成四大類雷達(dá)產(chǎn)品體系，包括基礎(chǔ)產(chǎn)品、物理量產(chǎn)品、識(shí)別產(chǎn)品和外推產(chǎn)品。其中，我們常聽到的冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、龍卷風(fēng)就能通過識(shí)別產(chǎn)品預(yù)警。

6月27日凌晨的全國(guó)雷達(dá)反射率圖顯示的降水分布

6月17日起，我國(guó)南方持續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降水過程，造成多地突破歷史極值，湖南長(zhǎng)沙等地出現(xiàn)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇。吳蕾現(xiàn)場(chǎng)展示了全國(guó)雷達(dá)組網(wǎng)拼圖產(chǎn)品，其顯示了6月27日凌晨幾個(gè)小時(shí)的降水動(dòng)態(tài)分布。這是最常看到的雷達(dá)產(chǎn)品，綠色、黃色到紅色代表了不同等級(jí)的降水，越紅表示降水強(qiáng)度越大。通過雷達(dá)反射率可以定性地了解降水位置和大致強(qiáng)度等，而雷達(dá)反演的1小時(shí)定量降水量產(chǎn)品可以定量化了解，格點(diǎn)化展示降水量。

據(jù)悉，今年以來，強(qiáng)對(duì)流天氣也多發(fā)。龍卷風(fēng)預(yù)警難度大，中央氣象臺(tái)有一個(gè)廣為人知的“追風(fēng)小組”。4月27日，廣州白云區(qū)發(fā)生今年以來首場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)龍卷風(fēng)的過程，造成5死33傷。

4月27日廣州白云強(qiáng)龍卷風(fēng)，廣州雷達(dá)圖出現(xiàn)鉤狀回波

吳蕾解說，由于帶動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn)，龍卷風(fēng)會(huì)在雷達(dá)圖上顯示出一個(gè)“鉤形”回波。據(jù)介紹，當(dāng)天14:12，單站雷達(dá)在廣州花都區(qū)識(shí)別到鉤狀回波和龍卷渦旋特征，其一直東移，14:42進(jìn)入鐘落潭鎮(zhèn)；14:48，龍卷風(fēng)碎片特征算法識(shí)別到龍卷風(fēng)卷起的碎片；15時(shí)收集到龍卷風(fēng)實(shí)況，此次過程提前預(yù)警時(shí)間量約18分鐘。

6月13日邯鄲雷暴大風(fēng)天氣，邯鄲雷達(dá)站速度圖（右側(cè)）顯示大風(fēng)區(qū)

進(jìn)入6月，北方的強(qiáng)對(duì)流天氣也開始頻發(fā)。6月13日午后，河北邯鄲出現(xiàn)明顯的雷暴大風(fēng)天氣，造成多處樹木折斷甚至連根拔起、建筑物外墻屋頂?shù)仁軗p，大名縣和廣平縣風(fēng)力最大達(dá)到14級(jí)。據(jù)介紹，17時(shí)，邯鄲雷達(dá)站的速度圖上出現(xiàn)了大風(fēng)區(qū)，其向東南方向移動(dòng)；17:42，雷達(dá)最低角度掃描到的風(fēng)力最大值達(dá)到55m/s，識(shí)別算法給出了大風(fēng)報(bào)警；17:49測(cè)到了地面44.4m/s大風(fēng)（14級(jí)）。

中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心一角。胡伊文攝

展望“未發(fā)生”

預(yù)警“已發(fā)生”

天氣預(yù)報(bào)有不同的時(shí)間尺度，雷達(dá)在其中發(fā)揮的作用截然不同。張濤把天氣預(yù)報(bào)分為對(duì)“未發(fā)生”潛勢(shì)的預(yù)報(bào)、展望，和對(duì)“已發(fā)生”的預(yù)警。已發(fā)生了還要預(yù)報(bào)干什么？張濤解釋，“已發(fā)生”是指一個(gè)地方發(fā)生了，未來還會(huì)移動(dòng)影響另一處。從預(yù)警發(fā)布來說，中央氣象臺(tái)發(fā)布的叫“氣象災(zāi)害預(yù)警”，以24小時(shí)內(nèi)為主，更多屬于“未發(fā)生”；而地方的省、市、縣氣象臺(tái)發(fā)布的叫“氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)”，側(cè)重于短臨時(shí)效（0-2h），更多是“已發(fā)生”，這就主要靠雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)是否即將到來，例如大家經(jīng)常提前兩小時(shí)收到的暴雨、雷陣雨預(yù)警。

在“未發(fā)生”的預(yù)報(bào)中，雷達(dá)可以用于客觀監(jiān)測(cè)、計(jì)算和模擬，獲取降水、風(fēng)場(chǎng)資料信息，進(jìn)入數(shù)值預(yù)報(bào)模式和AI大模型，通過模式、模型輸出模擬雷達(dá)資料。“云還沒有出現(xiàn)的時(shí)候，雷達(dá)沒有直接用處，預(yù)報(bào)靠的是對(duì)一系列物理要素——風(fēng)、壓、溫、濕的模擬運(yùn)算，最后預(yù)報(bào)出來的東西本質(zhì)上是一個(gè)可能性、一個(gè)概率。”張濤說。

而對(duì)于“已發(fā)生”，雷達(dá)可以用于預(yù)報(bào)員主觀監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)估和預(yù)警。如何解讀雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的復(fù)雜信號(hào)，圖像里的特征與天氣過程有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是一門專門的學(xué)問。

為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣，張濤建議普通民眾也學(xué)會(huì)看一點(diǎn)雷達(dá)圖，它在各類天氣App都有。對(duì)于反射率解讀，他編了一首打油詩(shī)：通過顏色看雨情，色調(diào)越冷雨越輕，綠綿黃大紅瓢潑，紅得發(fā)紫是雹冰。此圖有時(shí)會(huì)坑人，動(dòng)態(tài)觀察辨真身，半點(diǎn)外推差不離，融入身邊勢(shì)與形。