北海市雷达数据组网的沿革和分析

[摘 要] 气象雷达是灾害性天气监测和预警的重要手段，雷达数据的组网技术分析对研究某些天气系统变化有着其它气象数据无可替代的作用，本文简要介绍北海市气象雷达组网历史总结及网络气象雷达数据组合应用的一点技术成果。

[关键词] 气象雷达 网络

一、引言

众所周知，某些天气系统产生的影响是大范围的，一般跨越多部雷达覆盖区（例如台风、梅雨锋、飑线等）或从一个雷达探测区域移动到另一个雷达探测区域。然而，固定在地面的单部雷达的探测范围有限（探测半径最大460km），不能覆盖更大尺度的天气系统或单部雷达探测范围以外的强对流天气系统。并且由于扫描策（新一代天气雷达只能在0.5～19.5°仰角范围内以一定的间隔进行扫描）以及地球曲率等因素的影响，即使在雷达的有效探测半径内，也有很多区域不能被雷达观测到，例如，静锥区、最低扫描仰角以下的资料空白区、相邻仰角间隔之间的资料空白区、地形对雷达波束阻挡的区域等。这些缺陷阻碍了我们对灾害性天气系统完整细致的跟踪观测，从而降低了我们对这些天气系统的监测和预报能力；也阻碍了我们进一步揭示与这些天气系统相关的大气运动的各种规律以及各种尺度之间的相互作用，使得我们无法对这些系统的发生发展机理做出全面、客观、细致的研究。因此，为了提高对中尺度灾害性天气的研究以及预警报能力，将雷达数据进行统一的组网是非常必要的。

北海市依托全国气象专用网络达成目前气象雷达组网的三种形式：

1.天气雷达的组网拼图

2.一发多收的多接收站天气雷达系统（BINET）

3.分布式协同自适应探测网络天气雷达系统（DCAS）

二、天气雷达的组网拼图

国外的雷达组网拼图业务工作开展较早，如美国的WSR-88D雷达网的（组合）反射率拼图（每15分钟、分辨率约10km）。我国从“七・五”开始常规数字化雷达拼图业务研究，到1998年正式建立了全国数字化雷达拼图业务。随着中国新一代天气雷达网的部署，雷达拼图技术得到迅速发展。2003年开始，中国气象局组织研制开发了全国及区域多普勒雷达实时拼图业务软件，并对已建新一代天气雷达和常规数字化天气雷达进行了两年的全国及区域雷达拼图业务试验运行。武汉、上海、广东等地也相继完成了高频次的区域雷达拼图工作并投入业务应用，拼图产品能给用户提供一个监测区域或全国天气系统的有用工具。新一代天气雷达业务建设软件系统（Radar Operational Software System，简称ROSS）目前还在不断的建设完善中。ROSS设计原则是立足现有雷达软件基础，借鉴国内外先进雷达系统的软件结构设计和产品结构设计，继承现有业务雷达软件系统的优点，扩展开发适合中国天气特点的产品算法；充分利用三维可视化技术，依托网络技术发展，建立新的雷达软件体系结构，使ROSS具有可根据用户需要定制处理单部或多部雷达数据的能力；根据总体技术需求，获取国内外优秀气象产品算法，评估选出最优算法，以产品算法成熟度作为产品算法集成次序的决定条件；设立临近预报、台风、同化等专题，发展新技术、新算法，开发新产品。ROSS采用先进成熟软件技术，按层次化、构件化进行软件系统设计，能够跨平台软件编程，支持双操作系统（Windows/Linux）。

ROSS分为用户系统和支持系统两部分。用户系统有四个模块：雷达状态监视模块、质量控制模块、雷达产品生成模块、雷达产品显示模块。支持系统有三个模块：雷达个例数据管理模块、雷达仿真模块、算法开发与验证模块。

新一代天气雷达组网后得到的雷达产品主要是利用多部雷达的反射率组网数据处理得到的产品，目前已有产品有：等高面反射率、反射率垂直剖面、组合反射率、回波顶高、强回波高度、垂直液态水含量、垂直平均液态水密度、风暴单体识别、风暴结构、冰雹指数、回波分类、回波变化参数、一小时/两小时/三小时/六小时降水估测、强度预报产品、降水预报产品等。

三、多基站多普勒天气雷达系统

传统的天气雷达只能获得云雨目标的径向速度值，这样在反演真实风场时会出现误差。如何获取云雨目标的三维参量一直是气象学家追求的目标。上世纪九十年代出现的多基站天气雷达（Bistatic weather radar networks，简称BINET）是一种能够获取大气三维参量的气象探测设备，在探测降水系统风场的三维结构方面具有独特的优势。1993年美国建立了世界上第一套应用于三维风场测量的多基站气象雷达。它采用一个有发射机的传统多普勒气象雷达，同时在该雷达的周围较远的地方配置一个或多个无源接收站，从而确保对空间的任一分辨单元，可以有多个接收站同时接收其多普勒信号，再通过一定的数学算法，即可在短时间内获取监视空域的三维风矢量。单基地雷达在远区的三维目标分辨力，由于波束宽度的原因不可能很好，多基地雷达的目标分辨能力是脉冲宽度和波束宽度联合限定的复合函数，可用很窄的脉冲宽度来改善其目标分辨力，在分析大气垂直结构方面也比单基地雷达更为优越。

四、分布式协同自适应探测网络天气雷达系统（DCAS）

北海市于2005年开始建设的新一代天气雷达网（美国是采用WSR-88D构建的 Next Generation Doppler Radar (NEXRAD)系统），已大大提高对灾害性天气的监测水平。但是由于雷达的探测距离较远（最远超过400km），因此雷达之间分布距离较远。受地球曲率、机械结构、价格等因素限制，使得新一代天气雷达网在探测时仍然表现有点不足；针对次问题，北海市采用了2003年美国国家科学基金会设立了Massachusetts大学为首的工程研究中心（Engineering Research Center，简称ERC），提出分布式协同自适应探测（Distributed Collaborative Adaptive Sensing，简称DCAS）的网络雷达系统来弥补此缺憾。ERC也称作大气协同自适应探测中心（Center for Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere，简称CASA），所以此网络雷达系统也被称为CASA计划。DCAS提高了整个雷达网络系统性能的稳定性、容错性、可靠性。提高了系统时空覆盖的区域。提高了系统的探测维数和分辨率。增加系统的可信度。

五、结束语

监测、预报和研究中尺度天气系统一直是气象工作者的重要任务，也是大气科学中的一大难题。在探测人类赖以生存的大气的各种实践中，气象雷达以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气，特别是中小尺度灾害性天气监测和短时预报等方面极为有效的工具。由于单部雷达自身存在的局限性，使得我们难以对天气系统的发生发展机理做出更全面、细致、客观的研究。网络气象雷达是最近几年随网络技术发展而出现的新型气象雷达系统。与传统的气象雷达相比，由于采用多雷达联合探测，对于进一步研究大气提供了新的强有力的工具。但是由于网络气象雷达还是一个新生事物，正在迅速发展中，还有很多问题需要研究，很多技术问题需要解决，例如如何将不同波长、不同型号的雷达资料进行同行处理，如何与其它资料（譬如自动气象站资料）进行融合处理，我们还任重道远。

参 考 文 献

何建新. 现代天气雷达. 成都：电子科技大学出版社，2004：347