天气雷达的监测原理和方法是什么？其独特之处在哪里？

神话故事中的“千里眼”可以眼观六路、洞悉千里之外风吹草动，在气象监测领域，天气雷达也因具备这种“超能力”，成为气象部门监测天气实况和预报未来天气的有力工具。

在近期落幕的第九届全国科普讲解大赛中，气象系统有两名选手获得一等奖，其作品主题均与雷达相关。天气雷达的监测原理和方法是什么？目前拥有的最新科技水平雷达，其独特之处在哪里？下面就由天华中威科技小编带您一同探询。

“大”“小”雷达强强联手“白球家族”组网成长记

相信很多人都对屹立在城市之巅的“大白球”既熟悉又陌生，每天都可以远眺到它不畏风雨、矗立守护的身影，但又对发生在“大白球”——天气雷达家族的故事不甚了解。

故事先翻到起始页——1999年。这一年，由我国生产的第一部新一代天气雷达，在安徽合肥落成，随之而来的，是我国新一代天气雷达网建设的全面启动。大江南北，一颗颗“大白球”于全国各城市间依次“安家”。

到了今天，全国各地已有百余颗“大白球”在忠诚守卫着我们的日常生活和起居。当然，随着我国科技和经济的飞速发展，如今的“大白球”早已今非昔比，从当初的白手起家、单打独斗，到现在密织成网、交融互通，其间的天气雷达观测技术，早已经历了翻天覆地的发展变化。

如果将“大白球”家族成员按波长分类，从长至短可分为S波段（波长约10厘米）、C波段（波长约5厘米）、X波段（波长约3厘米）。

在过去，投入业务运行的天气雷达以S波段与C波段为主。而近5年，我国雷达发展迅猛，却是在很大程度上得益于“小兄弟”X波段雷达的加快发展和加密布局。

X波段到底有何“过人之处”？它和S波段、C波段雷达的差别在哪里？
简单来说，这三种波段之间的主要差别就是波长不同——波长越长，抗衰减能力越强，但分辨率就会偏低，观测的精细度会有所欠缺；
波长越短，其分辨率会更高，观测更为精细，但也容易衰减，因此仅用于非常短距离的精细天气观测。

我国东部多雨地区多以波长更长、抗衰减能力更强的S波段天气雷达为主，西部内陆少雨地区对抗衰减的需求较小，则多为C波段天气雷达。因这两种雷达天线尺寸大，我们一般称之为“大雷达”；
X波段雷达产生的波长较短，使用小型天线，一般称之为“小雷达”。

“大雷达”探测距离远，能智能识别强对流天气，但其分辨率低，而且其探测区域尤其是在1千米以下的低空，存在盲区。使用“大雷达”进行扫描就像患者去医院做CT拍片检查一样可以发现体内异常，一旦有降水天气发生，气象工作人员立马就可从雷达图中知悉，提高警觉性。但是对于一些“疑难杂症”，比如尺度较小的强对流天气（冰雹、龙卷等），或是出现在1千米以下盲区的降水天气，“大雷达”就显得有些力不从心了。

对具体的“疑难杂症”诊断，气象工作者往往需斟酌再三。这个时候，作为新一代天气雷达组网的重要补充，更为精细的“病理诊断机”——X波段雷达就派上用场了，它与“大雷达”互为补充、取长补短，就可以准确判断出具体“病因”所在。作为“后起之秀”，“小雷达”凭借其细致的高分辨率识别能力和低空扫描能力，在盲区探测以及局地强天气监测业务中，有十分亮眼的表现，时空分辨率大大提高，看得更准、更细。

目前，广东省和长江流域的一些省份在大小雷达融合互补上已在全国领先一步。比如广东已率先与香港、澳门气象部门共建39部X波段相控阵天气雷达，配以9部S波段“大雷达”，领衔大湾区组网示范应用。在近年多次强对流天气中，精准捕捉灾害天气动态，及时发布精准预警，让天气雷达为大湾区高质量发展提供坚实保障。

我国新一代天气雷达的部署已趋于成熟。随着“白球家族”的不断发展壮大，“大小雷达”强强联合，也必将为我国强对流等灾害性天气短临监测预警能力提升提供强力后援，为2035年我国建成布局科学、标准统一、功能完备的国家天气雷达观测网助力。

“00后”相控阵天气雷达的自白

大家好！我是天气雷达家族中最年轻的一员——相控阵天气雷达。下面由我带大家认识一下我们雷达兄弟。

首先给大家介绍一下我大哥“常规天气雷达”。他资历最丰富，出世之后，变幻莫测的天气、纷飞起舞的雨雪，这些影响着百姓生活的自然现象，都可以被精准探测到，人们能够知道哪里在下雨、雨下得有多大。

后来，在科学家的不懈努力下，二哥“多普勒天气雷达”和三哥“双偏振天气雷达”相继问世，将看不见、抓不着的风纳入了人类的掌控之中。天空中那团广阔的雷雨云团，被放大成为一颗颗雨滴或冰晶，转变成计算机里更为精确的数据——天气雷达看得更细了，天气预报的精度也得以提高。

说说我本人吧，我可是天气雷达家族的新生代，是名副其实的“00后”。咱们年轻人嘛，做事追求的就是高效快捷，想知道我和哥哥们有什么不同，首先要了解一下我们是怎么探测天气的。人眼依靠接收可见光这种电磁波从而看见东西，而我们雷达可是比人眼要厉害多了，能够发射和接收电磁波。被我们发射出去的电磁波，在碰到雨滴和冰晶之后，经过了一系列的散射、吸收、折射，一部分被反射了回来，这下我们就能够清楚地看到数百公里外的一阵雨。

哥哥们擅长“单波束机械扫描”，想看左边，就把头扭到左边；想看上面，就把头抬起来。所以他们往往是先看一圈，把头抬起来再看一圈，可是这样扫描周期长，9层仰角看完整个天空需要6分钟的时间，没有办法及时获取降雨云团的位置和变化。

而我就不一样了，我的眼睛更像是蜻蜓的复眼，由许多个“小眼睛”排列组成，每个“小眼睛”发出电磁波的相位不一样，合成指向不同方向的波束，可以同时对一整个平面进行电子扫描。

好处是，我看得快、看得细、看得全，比起三位哥哥，我能够提早4至6分钟识别出新生对流单体，提供更加精细准确的天气画像，实现时间精度由分钟级到秒级、空间分辨率由250米到30米、垂直仰角由9层到68层的跨越式提升，具有扫描速度快、观测精度高、探测覆盖盲区少等优势。

就拿广东省珠海市2022年的一次降雨过程来说吧，在8点的时候，通过双偏振天气雷达的图像虽然能够知道哪里在下雨，但是没有办法确切地知道雨下在了哪个街道，会不会影响到某个学校、某个工地。而相控阵天气雷达的图像就能够放大好几倍，像是显微镜一样准确地看到降雨云团的位置，而且图像的分辨率也有所提升，这下预报员就能够知道目前城轨明珠站正在下雨，而唐家湾站还未受到影响。

另外，双偏振天气雷达的图像时间间隔是6分钟，而相控阵雷达的图像时间间隔是1分钟，更有利于预报员快速掌握降雨云团的位置和变化。所以，无论是局部地区突然的一场倾盆大雨，还是来去迅猛的龙卷风，我都能更快、更准确地探测到，更有利于探测短时临近、快速生消的灾害性天气过程。

风云变幻70余载。如今，粤港澳大湾区城市群拥有40余部相控阵天气雷达，我国也实现了从零起步到建成236部基本覆盖全国的新一代天气雷达，实现从跟跑、并跑到部分领跑的转变，建成了世界最大的雷达监测网络。遍布大江南北的天气雷达，正守望着神州大地的每个角落，让千里之外的风、云、雨、雪无处遁形。

雷达如何捕捉“低空风怪”

2000年6月，湖北省武汉王家墩机场，一架正在降落的飞机突然偏离航道，高速冲向泵站，机上43人全部遇难。

2015年6月，客轮“东方之星”在湖北水域航行时骤然失控，一分钟内迅速倾覆，船上454人仅12人生还。

飞机着陆，险象环生；沉船真相，扑朔迷离。一时间人们众说纷纭。经现场勘查，这看似毫不相干的两起神秘事故的背后，竟有同一个“凶手”，它就是“低空风怪”。

“低空风怪”是什么？

气象学上，我们称它为“下击暴流”，它是一股从雷暴云中快速下冲的强烈气流，如瀑布一泻千里直击山石，呼啸而下时，速度最高可达100米每秒，比高铁更快，触及地面后向四周迸发出强大的冲击力。

不止于此，当它击中地面时，还会在低空造成猛然四散的强风，水平风力最高可达17级，足以掀翻火车轮船！

“东方之星”沉船事件的数据模拟显示，当客轮遭遇9级以上横风，或船舷角大于21.1度的11级以上的大风时，船舶将倾覆。事发当天，客轮驶入下击暴流区域时，瞬间遭遇了12级以上的水平强风，船舶猛然失控，导致此次沉船事件。

此外，“低空风怪”造成的大风会在几百米内风向突变，对飞机起降危害极大。

当飞机遇到下击暴流时，会先进入逆风区，并在抬升力作用下偏离航迹上升。为了使飞机回到航迹上，飞行员通常会进行减速和低头。而当飞机飞入中心区域后，受到强劲的下冲气流拍击，飞机继续下行。随后飞机进入顺风区，十几级的顺风就像火箭的助推器，会使飞机加速俯冲，最终高速撞击地面。由于风速和风向改变突然，遭遇下击暴流的飞机，往往难逃魔掌。

多普勒天气雷达捕捉“低空风怪”的主要手段

目前多普勒天气雷达是捕捉下击暴流的主要手段。绝大多数下击暴流都是通过多普勒天气雷达最低仰角上观测到的低层辐散特征来识别的，雷达图上常伴随钩状回波和弓状回波两种类型。然后再将多普勒天气雷达观测到的反射率因子核的连续下降和云底以上径向速度的显著辐合情况，作为提前预警的主要线索。据研究，当它距离雷达20千米至45千米时，只能提前5.5分钟发出预警；而当距离小于20千米或大于45千米时，雷达也难以捕捉到它的身影。因下击暴流发展速度快、个头小，因此雷达对它的追踪也如大网捕小鱼，依旧是世界性难题。

为解决这个问题，越来越多的飞机和轮船安装了风切变预警系统，它能监测到飞机或轮船5千米内的风速风向剧变，并发出警报，提醒驾驶员及时调整航线。

下击暴流虽然可怕，但相信，随着监测越来越精密、预报越来越精准，终有一天，它将无所遁形。让我们依靠科技的进步，为更多生命保驾护航！

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