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  来源:中国气象

  随着对精细化气象观测和灾害性天气预报预警需求的上升凯发体育竞彩app_fun88体育app网址,气象业务对天气雷达要求也越来越高。今天就给大家呈现天气雷达的黑科技相控阵技术。

  从6分钟到12秒

  目前业务上使用的天气雷达采用机械驱动天线进行面扫描方式工作。即雷达天线以一定的仰角发射无线电波,天线旋转一周可获取一个面的天气信息。通过变换雷达仰角,获取多个锥面扫描,从而完成一个空间体扫,体扫周期约6分钟。

  
相控阵天气雷达是采用电扫描技术的天气雷达。雷达天线在垂直方向同时发射多束电磁波,天线旋转一周可完成整个立体空间扫描,不用再变换仰角,因此完成一个体扫时间成倍缩短,能将体扫时间最小缩短到12秒,探测分辨率达到30米,能够更快更完整地监测天气系统的变化和发展过程。

相控阵天气雷达同时发射不同角度的电磁波

  在国际上,相控阵天气雷达技术也是新兴的研究热点。近年来我国通过军民融合、科技攻关,相控阵天气雷达技术已达到国际水平。目前相控阵天气雷达已在一些灾害天气频发的地区投入使用,在国家级大型观测试验中发挥重要作用。从技术发展角度看,目前相控阵是未来的主要方向。

  相控阵阵列天气雷达

  单部相控阵天气雷达在时间、空间分辨率方面的提升能对中小尺度对流天气的观测有很大的改善,但还对短时临近天气预警预报还不足以产生颠覆性的改变,只有加入准确的云体内外流场信息,才能从本质上提升短临预报准确性。

  准确获取流场信息需要在不同地方同时观测同一目标,目标物在三个方向上的分量合成才能求解。因此,将相控阵天气雷达布置在不同地方组网,获取目标物多个径向速度(目标物速度分量),希望得到目标物的运动速度。但是由于多个雷达在同一空间测得径向速度的时间不同,对于运动速度变化快的天气,如龙卷、冰雹,获取径向速度时间不同就会造成合成的速度误差很大,或者无效。

  相控阵阵列天气雷达是一种分布式相控阵天气雷达,它的前端分别架设在不同地方,在雷达后端控制中心(相当于人的大脑)的控制下分组同步探测,不仅获取多个径向速度,而且获取径向速度的时间差很小,从而能正确合成目标物的速度,风速。

  相控阵阵列天气雷达的前端,垂直方向完成0-90°仰角扫描只需要约0.1秒时间。前端完成一个体扫(水平0-360°,垂直0-90°)的时间在12~30秒之间,时间主要取决于水平机械扫描和角度分辨率以及探测距离。相控阵阵列天气雷达能直接获取真实的三维流场,而且能得到分钟级或秒级的天气变化。能够更早、更快地发现下击暴流、雷暴、龙卷风等小尺度天气系统。

  相控阵天气雷达的应用实例

  相控阵天气雷达弥补现有气象雷达对中小尺度强对流天气探测的时空精度不足, 为短临预报客观化、自动化,以及建立基于天气雷达动力学和热力学探测的现代短临预报提供了更加精准的探测信息。

  在上海

  2019年08月18日出现冰雹和雷暴大风,从相控阵阵列天气雷达探测信息中,清晰地看清冰雹等对流系统全貌及其发展演变的细节,获取云体内部足够精准的风场,揭示了冰雹、雷暴大风(下击暴流)发生时风场动力特征。

1分钟间隔观察冰雹风暴的触发和发展全过程,相比而言,S波段雷达能提供风暴底部的无间隔扫描,而相控阵阵列天气雷达提供了完整风暴的无间隔扫描。
利用阵列天气雷达提供的100米分辨率三维强度和三维速度分析的冰雹三维模型,清晰地展示了冰雹风暴及其周围的热力(强度)、动力(速度)配合及其演变情况。这是完全基于探测结果得到的冰雹三维热动力模型。

  在湖南长沙

  黄花机场相控阵阵列天气雷达多次捕捉到微下击暴流天气、分散性对流回波、局地性天气过程、雷雨、强降雨等天气。

相控阵阵列天气雷达(下排)与C波段雷达(上排)在相同时刻的观测对比。相控阵阵列天气雷达提前22分钟明确观测到跑道附近的对流回波,并且逐12s观测。C波段雷达在强回波接地后才能探测到。

  在广东佛山

  相控阵阵列天气雷达系统由四台单偏振相控阵收发子阵、三台双偏振相控阵收发子阵共7个子阵组成。佛山龙卷风探测中心开展了多次强对流分析,并以阵列相控阵天气雷达独有的三维流场信息为基础,开展新型短临预报的研究。

佛山城市精细化短时强天气监测预警系统

  在雄安

  由2台单偏振+1台双偏振相控阵收发子阵共3个子阵组成相控阵阵列天气雷达系统,于2020年12月完成部署和测试,投入业务运行。

未来可期。相控阵阵列天气雷达配合现有气象业务观测网,有望成为高影响天气、中小尺度强对流天气、城市内涝精准监测和预报方面的利器、重器。

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