短程X波段相控阵天气雷达是天气雷达发展新的里程碑

短程X波段相控阵天气雷达是天气雷达发展新的里程碑

1、引言

短时强降雨、雷暴、冰雹等中小尺度气象灾害，因突发性强、影响集中、破坏力大，是气象监测预警的重点难点。这类天气水平尺度仅几至几十公里，数十分钟内完成生消演变，对监测设备的时空分辨率和响应速度要求极高。天气雷达作为降水监测核心装备，通过电磁波发射与后向散射信号接收，精准捕捉降水强度、分布及演变，是短时临近预报与防汛减灾的关键支撑。

天气雷达已实现从机械扫描到相控阵扫描的迭代，形成多波段互补格局。X波段雷达（波长2.5-3.75cm）凭借体积小、成本适中、安装便捷的优势，在几十公里短程降水监测中表现突出，可填补大范围雷达观测盲区。但早期X波段机械扫描雷达受单波束限制，采样慢、时空分辨率低，难以满足中小尺度强对流天气监测需求，定量测雨与短时预报精度不足。

短程X波段相控阵天气雷达融合X波段精细化探测优势与相控阵电扫描技术，实现探测性能跨越式提升。我国现有540余部天气雷达，受地形与建筑遮挡，1公里以下边界层存在大量观测盲区，而该区域正是中小尺度天气生消关键区。此类雷达可灵活组网，构建立体监测格局，破解盲区难题。

本文系统介绍其结构组成，论述探测优势与测雨特点，分析其在短时强降雨预报中的不可替代性，并与机械扫描雷达对比，为其推广应用提供理论参考，印证其作为天气雷达发展新里程碑的核心地位。

2、雷达结构

短程X波段相控阵天气雷达以“小型化、高可靠、精细化”为核心设计理念，继承传统X波段雷达核心模块，融入相控阵技术，摒弃复杂机械传动结构，由天线阵面、发射系统、接收系统、信号处理系统、数据处理系统及供电保障系统组成，整体小巧轻便，适配城市、山区、流域等多场景部署，组网观测可精准获取对流降水风场，支撑天气动力学与热力学探测。

2.1 天线阵面 天线阵面是核心部件，也是与机械扫描雷达的主要差异点，直接决定探测精度、扫描速度与波束灵活性。其采用平面阵列结构，由数百至数千个辐射单元按规律排列，配备多个独立移相器与衰减器，可通过电子控制调节波束相位与幅度，无需机械旋转。

针对几十公里短程探测需求，天线阵面尺寸不大于2米，辐射单元间距匹配X波段波长，避免栅瓣产生。通过相位叠加实现波束快速切换，扫描速度较机械扫描雷达提升1个数量级；同时可优化波束形状，兼顾重点区域窄波束高精度探测与大范围宽波束覆盖；而传统机械扫描雷达波束控制僵化，无法实现此类灵活调节。

多数产品采用双极化设计，可同时发射接收水平与垂直极化信号，精准识别降水粒子形状、尺寸与相态，为定量测雨与降水类型判断提供数据支撑。

2.2 发射系统 发射系统负责产生高稳定、高功率X波段电磁波，采用分布式架构，与机械扫描雷达的集中式架构差异显著。其将功率分配至各辐射单元，发射系统多采用GaN等固态发射模块，通过多模块协同叠加功率，兼顾探测需求与设备稳定性。雷达发射功率是根据探测性能要求而配置的。机械扫描雷达是单波束雷达，雷达发射功率就是波束功率。相控阵雷达是多波束雷达，假如雷达最多10个波束探测，探测性能要求每个波束上需要100瓦功率，就会把总功率设计为1000瓦。不会存在需要1000瓦，而配置小于1000瓦的功率，从而导致探测性能下降。单波束的功率设计时考虑探测距离、距离分辨率、接收机灵敏度、处理方法、降雨衰减多项特性，综合计算得到单波束功率。目前发射器件完全能满足雷达功率配置的要求。

相较于集中式发射系统，分布式架构优势明显：一是适配小型化设计，固态模块体积小、重量轻，便于运输安装，适配复杂场景；二是可靠性更高，单个模块故障不影响整体运行，适配无人值守部署，而集中式发射机故障会导致雷达完全停运；三是带宽更宽，支持脉冲压缩技术，提升距离分辨率并抑制杂波。

2.3 接收系统 接收系统负责接收降水粒子后向散射信号，将微弱射频信号转换为可处理的中频信号，完成放大、滤波与模数转换，为后续处理提供原始数据。其采用分布式多通道架构，配备多个独立接收通道，可精准捕捉各通道信号幅度与相位信息。 与机械扫描雷达的单通道或少数通道设计相比，其优势突出：一是可支撑同时形成多个接收波束，提高雷达探测得时空分辨率；二是抗干扰能力强，尤其是采用数字波束形成体制的雷达可以通过高精度的幅相控制获得更好的副瓣抑制能力，且可以通过自适应波形抑制干扰目标，提高抗干扰能力；三是可靠性高，单个通道故障不影响整体运行。

系统配备数百MHz采样频率、12-16位量化位数的高精度模数转换器，可精准转换中频信号，最大限度保留原始信息，保障后续数据处理质量。

2.4 信号处理系统 信号处理系统是雷达“大脑”，负责实时处理接收信号，完成波束成形、脉冲压缩、杂波抑制、多普勒参数估计等功能，将原始信号转换为反射率因子、径向速度等可用雷达参数。通常采用FPGA、DSP、CPU等处理器，运算速度达每秒数十亿次，满足快速扫描与实时数据输出需求。

相较于机械扫描雷达，其核心优势包括：一是波束成形灵活，可通过软件实现全空域、重点区域、跟踪扫描等多种模式，按需调整覆盖范围；二是多普勒参数估计精准，可捕捉降水气流运动状态，支撑短时强降雨演变判断；三是极化信号处理能力强，可精准识别降水类型，规避非降雨粒子对测雨精度的影响；四是杂波抑制效果好，自适应算法可适配不同探测环境，提升数据准确性。

2.5 数据处理系统 数据处理系统负责对雷达参数进行深度处理、分析与反演，生成测雨数据与可视化产品，完成数据存储、传输与显示，为用户提供决策支撑，采用模块化设计，功能贴合精细化监测需求。

其核心功能包括：一是定量测雨反演，结合Z-I关系、极化与多普勒参数优化算法，根据降水类型动态调整参数，降低误差；二是数据融合，整合雷达、地面雨量站与卫星数据，修正系统误差与随机误差；三是快速生成产品，更新周期达秒级至分钟级，远快于机械扫描雷达，可输出降水强度分布、移动路径等多种产品；四是多方式数据传输与海量存储，支持有线、4G/5G等传输模式，同步留存历史数据，支撑气象研究与算法优化。

3、探测优势

短程X波段相控阵天气雷达依托相控阵技术与X波段特性的深度融合，在扫描速度、时空分辨率、波束灵活性等方面全面超越传统X波段机械扫描雷达，完美适配短程精细化降水监测与中小尺度强对流天气捕捉需求。

3.1 扫描速度极快，可捕捉快速演变的中小尺度天气 扫描速度是捕捉快速演变天气的关键，传统机械扫描雷达完成全空域扫描需3-6分钟，而中小尺度天气数分钟内即可完成强度与位置的剧烈变化，易导致监测滞后，影响预警时效。

此类雷达采用电扫描技术，全空域扫描时间缩短至10秒至1分钟，重点区域扫描可低至1-5秒，速度提升数倍。外场试验表明，其1分钟内即可完成高分辨率体扫，能完整捕捉对流单体生消全过程，提供机械扫描雷达无法获取的微观演变信息。

3.2 空间覆盖率高，垂直结构清晰 空间代表性由分辨率与覆盖率决定，两者距离分辨率（10-50米）与角度分辨率（1-2度）相当，但相控阵雷达俯仰方向波束连续覆盖，而机械扫描雷达波束间隔大，60-70度以上高仰角存在明显观测空白。机械雷达单波束扫描，最底层探测时间与最高层探测时间相差3-6分钟，回波垂直结构变形显著，相控阵雷达同时多波束探测，最底层探测时间与最高层探测时间相差0.2-0.3秒，真实再现回波垂直结构，探测完整性与代表性显著优于机械扫描雷达，为精细化分析提供更全面的数据支撑。

3.3 波束控制灵活，适配多样化探测需求 传统机械扫描雷达波束指向、形状与扫描路径固定，只能按预设模式探测，无法聚焦重点区域或跟踪快速移动云团，灵活性极差。相控阵雷达通过电子控制可实时调整波束参数，实现“按需探测”，支持多种扫描模式。其主流扫描模式包括：全空域扫描快速掌握全域降水分布；区域扫描聚焦城市核心区、水库等重点区域，提升监测频率；跟踪扫描实时锁定移动降水云团，捕捉完整演变过程；垂直扫描获取降水云团垂直结构，支撑强度判断。其多波束同步探测能力，可进一步提升监测效率，为适配多场景多样化监测任务提供可能性，这是机械扫描雷达无法实现的。

3.4 抗干扰能力强，适应复杂探测环境 城市电磁干扰、山区地形杂波等易影响雷达探测精度，此类雷达凭借三大优势提升抗干扰能力：一是分布式多通道架构可用过高精度幅相控制提高杂波抑制能力；二是波束成形算法可优化波束形状，减少杂波接收；三是自适应杂波抑制算法可动态调整参数，适配不同干扰场景。实践表明，其在城市环境中可将降水强度估算误差控制在10%以内，远优于机械扫描雷达的20%-30%；在山区可采用负仰角扫描模式，贴合地形精准监测降水。

3.5 小型化、轻量化，部署灵活便捷 此类雷达摒弃机械传动结构，采用小型化设计，天线阵面不大于2米、整机重量数百公斤，可安装于楼顶、移动通信塔顶、移动监测车等场景。其功耗低、供电需求简单，部署周期仅1-3天，远短于机械扫描雷达的1-3个月，可快速组网填补观测盲区。目前我国已建成210多部平板相控阵天气雷达（多为X波段），在强对流、台风监测中发挥重要作用。

4、精准刻画强对流天气动力结构，建立新型短时强对流预报

短时强对流天气（冰雹、龙卷、大风、短时强降水）是突发性灾害型天气，威胁人民生命财产安全，其预报核心是“短时、精准”。短程X波段相控阵天气雷达凭借独特优势，在短时强对流预报中有不可替代的作用。

4.1 精准探测降水区域三维风场，刻画降水动力结构 气象问题就是热力学和动力学问题，无论是研究天气过程还是预报预警强天气，只有掌握大气的热力学和动力学信息。在短临预报方面，最初，只有常规天气雷达，探测的回波反映的大气热力学状态，为了得到大气的动力学信息，投巨资研制多普勒天气雷达。多普勒天气雷达能够探测得到反映大气运动的径向速度。多普勒天气雷的应用形成了多种雷达测风技术，主要有单雷达测风和多雷达测风技术。

单雷达风场反演（如VAD: velocity-azimuth display），它是在风场水平均匀的假设条件下得到的，只能在满足大气风场均匀条件下才能有效，例如在层状均匀降水层中。在对流天气降水区域，风场是不均匀的，因此，单雷达风场反演应用受到了限制，或者说不适合对流天气区域的应用。

国内外有大量多雷达联合探测风场研究和应用，包括双(多)多普勒雷达风场合成、风场反演方法。多雷达联合测风的的基本条件就是在空间同一个点上有两个以上径向速度。对于不均匀风场，还需要一个条件，那就是同一时刻获得同一空间点上两个以上径向速度。这主要是因为在多普勒天气雷达进行体积扫描时，降水系统内部发生演变且快速移动。在同一空间点上，不同时刻探测得到的径向速度，实际是天气系统的不同部位的速度信息。用这种径向速度做风场合成、风场反演的结果就会出现较大误差，甚至失效。

图1显示2021年5月14日苏州龙卷过程中，用上海及周边地区新一代天气雷达的组网数据，反演的500m高度风场。从图1可见新一代天气雷达反演的风场可以正确揭示天气尺度的风场，但对于龙卷主体区域（蓝圈区域）的风场却不能正确反映，龙卷外围风场最大值达20米/秒，而龙卷主体区域风速在2-4米/秒。为什么龙卷区域的风速误差很大？这种巨大误差就是雷达数据时差巨大造成的。所谓雷达数据时差是指不同雷达波束扫描空间同一点的时间差。新一代天气雷达体扫时间6分钟，也就是多个雷达波束扫过空间同一点的最大时间差可达6分钟。假如第一个雷达波束扫过空间某一点两分钟后，第二个雷达再扫过这一点，那么两个雷达获取这一点的径向速度的时间差就是两分钟，也就是径向速度数据时差为2分钟。当探测的目标是龙卷，龙卷移动速度是10米/秒，那么2分钟龙卷移动了1200米，尽管是同一空间点上的资料，但是由于数据时差的原因，这一点两个雷达的径向速度资料实际是龙卷不同部位的资料，有可能第一个雷达探测到龙卷的前部，第二个雷达探测的就是龙卷的后部，用这组双雷达资料反演风场，其结果必然是错误的。通过这个例子，我们可以看到，对龙卷、冰雹、雷暴大风等强对流变化天气，可以利用现有新一代天气雷达得到层状云降水区域风场，而不能得到强对流天气主体或核心区的正确风场。

图1 2021年5月14日苏州龙卷过程中新一代雷达探测风场（风矢）和强度场（色标）

图1 2021年5月14日苏州龙卷过程中新一代雷达探测风场（风矢）和强度场（色标）

从图1我们可以看到图中大部分区域风场是正确的，只有少部分区域（龙卷主体区）风场是错误的。从数量上来看是不是可以忽略这个“少部分”？回答是不能！因为这个少部分区域正是我们最为关心的，因为这个区域是致灾最严重的区域，龙卷、冰雹、短时强降水就发生在这个区域。如果要提高和突破现有短时预报的水平，提高气象防灾减灾的保障能力，就需要正确探测到这个“少部分”区域的风场。

定量测量降水只需要测量降水回波强度和双偏振量。但是精准的定量降水预报不仅需要回波强度和双偏振量，同样需要正确的风场资料。如果要提升降水预报的准确性，完成降水预报从传统的简单外推到基于动力学和热力学的新型预报的跨越，降水区域正确的风场是必不可少的。

机械扫描雷达体扫时间3分钟左右，这就会造成在同一空间点上两个雷达获取径向速度的时间差大约3分钟左右。对于强对流降水就可能造成巨大的风场误差，从而导致降水预报的巨大误差。我们再看用的较为普遍的16波束X波段短程相控阵雷达采用方位同步技术组网探测，同一空间点上两个雷达获取径向速度的时间差是机械扫描雷达的96分之一，也就是约2秒，2秒的时差造的风场误差就完全可以忽略。

4.2 可建立新型短时预报方法，提升预报精度 短时强降雨的预报不仅需要快速，更需要精准，精准预测降水强度和影响范围，是实现有效预警和应急处置的关键。短程X波段相控阵天气雷达凭借高时空分辨率、高精度探测动力学结构和热力学结构，可建立新型降水短临预报精准预测方法和系统。

1）基于垂直气流探测的新冰雹监测预警 冰雹短临预报，通常是冰雹在空中形成，雷达探测到强度很强的回波，或者出现很强的衰减，如“V”形缺口，双极化观测量也有相应的反映，这个时候发出冰雹预报预警。这种预报预警的时效，或者说提前量就是冰雹落到地面的时间以及冰雹云体移动到下游地区的时间。当有了风场和垂直气流，冰雹的预报预警方法就要发生新的改变。首先是看风场的垂直结构和垂直气流，风场的垂直结构和垂直气流满足或者趋于满足冰雹形成的条件，即使回波强度还没有那么强，双极化量还没有达到冰雹阈值，也可以预报冰雹，反之就可以不报冰雹。例如，当垂直气流和回波强度不断加强，就可以根据这个加速度预报未来几分钟、几十分钟有可能产生冰雹。显然这种思路在判定冰雹和预报冰雹的发生时间上都会优于传统的方法。上海市气象局相控阵阵列天气雷达实验室利用相控阵阵列天气雷达进行了新冰雹指数的验证试验，获得了初步的结果，新的冰雹指数加入风场因子，冰雹预报时间可以提前约二十分钟。

2）基于水平涡度的龙卷预报预警 龙卷是最强烈的气象灾害天气，国内外都在不间断的研究探索龙卷的快速识别与预报预警方法。美国目前对龙卷的预警能力还是十五分钟左右。为什么龙卷的预警能力很难提高，关键是现在的预警方法是基于龙卷涡旋信号（即TVS: tornado vortex signal），实际是基于径向速度判别龙卷涡旋是否出现。在龙卷涡旋出现之前，通过径向速度难以在涡旋出现前判别是否会发展成涡旋，因此很难突破现在的预警时间。有了风场就不同了，可以在涡旋出现之前通过涡度的变化来预判有没有可能发展成涡旋，从而就有可能将预警时间从涡旋形成之后拓展到涡旋形成之前，延伸预警时间，为防灾减灾提供支撑。2021年7月21日，雄安新区相控阵阵列天气雷达捕获到一个涡旋形成过程，如果用径向速度，在涡旋出现前，就不能进行预报，用风场就能在涡旋出现之前看到涡度不断加强，预测出涡旋的出现。

3）基于风场建立短时强降水预报方法 短时强降水也是强对流天气中的一种。通过天气雷达反射率因子或双极化量就可以计算出雨强，累积多时刻雨强，就可以得到降水量。那么对于未来时刻降水，通常采用线性外推。当有了风场和垂直气流后，就可以通过动力与热力结构的配置和变化分析降水的演变。佛山气象局利用相控阵阵列雷达探测的2021年9月4日资料进行分析，发现降水对流单体在初生、发展和消亡过程中与风场有很好的对应关系，其相关性高于反射率因子。不同高度的涡度、散度也有明显的特征。从这些特征看到了建立新的预报方法的希望。

4）基于风场建立新的大风预警指数 强对流天气中直线型雷暴大风在相控阵阵列天气雷达的探测中，可以直观的给出风场三维结构。通过下沉气流的分布和增强趋势，可以预测对流风暴中的下沉气流达到地面时辐散产生的大风。与现有通过回波重心下移，位能转换动能的方式结合，将进一步提升预报的时效和准确性。

5.结语

从机械扫描天气雷达发展到相控阵天气雷达雷达，首先看到的是多波束相控阵天气雷达让人们感受到扫描速度快，体扫时间成倍数缩短。在这里讨论了X波段短程相控阵雷达分布式结构形成的多波束探测能力，这种多波束探测能力首先提高了扫描速度，减少了体扫时间。更重要是改善了探测的覆盖率、真实性，比如对垂直结构的真实再现，为强对流天气分析提供了更好的支撑。当利用多个X波段短程相控阵雷达同步扫描探测，同一空间点上数据时差小到几秒，比机械扫描雷达组网观测时差小2个数量级，从而解决了强对流，特别是龙卷、冰雹这类移动快、变化快、尺度小的强对流天气正确的风场和垂直气流获取问题，为新型强对流天气短临预报奠定了数据基础。由于X波段短程相控阵雷达研制应用的时间相对远程探测天气雷达，如我国新一代天气雷达应用时间短得多，可以说刚刚起步。因此X波段短程相控阵雷达的探测能力还没有完全转换成预报预警能力，还需要研究单位、业务单位和企业共同努力，完成探测到应用的最后一公里。这时X波段短程相控阵雷达在天气雷达发展历程中的里程碑作用就会展现在人们眼前。

本文作者：中科院大气物理所陈洪滨