我国天气雷达与发达国家同类雷达定量对比分析报告

我国天气雷达与发达国家同类雷达定量对比分析报告

经过十多年的发展，我国已建成并投入业务运行的新一代多普勒天气雷达总数达171部，天气雷达在强天气监测和预警、防灾减灾、公共服务等方面中发挥了重要的作用。

随着我国基础工业和研发能力的不断提高，天气雷达的运行稳定性、探测能力都有了长足的进步。但是随着雷达技术的不断发展，我国与国际先进水平仍然存在一定的差距，因此客观分析我国与国际先进水平的差距对天气雷达的后续发展具有十分重要的参考价值和意义。

一、天气雷达国内外对比分析

（一）业务布局

美国和德国的雷达业务布网已经完成，型号单一，美国近地面1km高度边界层的覆盖范围比我国高2倍以上，低空覆盖范围较小造成国内天气雷达在降水（雨和雪）估算、强风暴探测、辐合带探测及边界层风场估算等方面能力较差，因此，需要优化布局，并加强对天气雷达探测净空环境的保护。

（二）观测模式

美国雷达业务观测中使用了晴空、降水、风暴3种观测模式，德国使用了降水和闲置2种观测模式，而我国天气雷达业务观测只采用降水模式，使得雷达对低空、弱回波、晴空回波、灾害性天气的探测能力明显不足。因此，应逐步建立台风、强对流、降水、晴空和高山五种观测模式，提高我国现有雷达网的探测能力。

（三）探测能力

国内业务雷达探测能力主要指标与国外的最大差距表现在组网雷达定量测量的均一性方面，这不仅反映了我国业务雷达在定标技术方面存在差距，同时也反映出我国业务雷达的一些重要硬件质量存在的差距。此外，我国业务雷达未全面开展双偏振雷达升级，无偏振量观测产品。导致我国业务雷达在定量测量（降水定量估测与径向速度测量）差距进一步加大。因此，今后需提高组网均一性的能力。

（四）关键技术

1.双偏振技术

美国经过近15年的双线偏振技术雷达与WSR-88D雷达比对的试验，系统地完成了雷达同时发射与同时接收技术体制定型、偏振量ZDR的定标、利用偏振量定量估测降水和质控算法等重要工作，并已经完成了全部雷达的双偏振技术升级工作。德国也已经基本上完成了双偏振升级工作。上述表明：我国在双线偏振雷达技术应用等相关工作开展方面与美国还存在较大的差距，我们应当尽快建立开展双线偏振雷达技术应用的试验工作，推动我国双线偏振雷达技术应用稳步向前。

2.固态技术

在固态技术方面，国内虽然已经研制出了全固态的X波段和毫米波雷达，但在发射功率和脉冲压缩主副比等参数方面与国外先进水平相差较大。因此，加快固态雷达关键技术的研究。

3.相控阵技术

在相控阵天气雷达研究方面，国内和美国存在的差距主要表现在：我国没有形成一支专业团队长期进行系统性的试验和比对，开展对相控阵关键技术评估工作。在相控阵雷达方程、定标和数据分析和质量控制等方面缺少系统性地深入研究工作。

（五）数据质量控制技术

国内目前在业务中使用的数据质控方法较少，非气象回波不能得到有效控制，与美国相比存在一定差距。但国内针对雷达数据质控问题开展了一系列研究工作并取得进展，因此需将现有成熟质控算法经测试评估后应用于业务系统中。力争在6年内完成地物杂波、超折射回波、海浪回波、电磁干扰回波、噪声回波等杂波消除算法在业务系统中的应用，非气象回波基本得到控制。部分天气雷达已采用相位编码技术和双PRF技术，此项技术水平与美国相当。到2020年，基本可实现相位编码技术和自动PRT技术在我国天气雷达业务中广泛应用，并结合软件算法基本解决距离模糊和速度模糊问题。使质控后的雷达数据质量满足模式同化的要求。

（五）定量估测降水精度

美国天气雷达在双偏振升级前定量估测降水精度与我国水平相当，但其雷达在双偏振升级后优于我国天气雷达。到2020年，我国天气雷达完成双偏振升级后，实现定量估测降水精度提高5%的目标，达到与美国同期的水平。

二、天气雷达资料可同化存在的问题与解决措施

天气雷达资料应用是衡量天气雷达观测业务能否发挥效益的重要指标之一，尤其是天气雷达资料能否在天气尺度数值模式与中尺度数值模式中得到应用是天气雷达业务效益发挥的更高要求。因此，对于天气雷达业务而言，天气雷达资料可同化是衡量天气雷达业务的一个十分重要的指标。目前我国已经有171部天气雷达投入业务应用，究其可同化方面的问题主要有如下几方面：

（一）天气雷达数据质量方面问题

天气雷达数据质量问题归纳起来是由三方面产生的，一是由天气雷达硬件质量问题或维护不当造成的；其次是由雷达技术体制本身所带来的；再则就是由于天气雷达的观测环境所造成；

1.雷达硬件质量问题

目前对天气雷达数据质量产生重要影响，在硬件方面主要存在如下问题，一是多普勒天气雷达的一些硬件的关键指标，如多普勒天气雷达相干性、频率源的稳定性、观测精度、地物抑制能力等，再加上业务体系中对天气雷达业务运行过程中缺失的硬件定标环节，使得我国天气雷达在硬件方面存在的问题更加突出。

2.天气雷达技术体制问题

我国业务天气雷达采用的是单偏振（水平偏振）、多普勒脉冲体制，由于在体制上存在发射的重复频率PRF造成雷达的测速范围（不模糊速度范围）与探测的不模糊距离范围的矛盾，导致天气雷达在实际探测中的距离模糊与速度模糊现象比较严重，尤其是速度模糊问题严重影响了天气雷达在实际探测中的定量速度测量。其次，体制引出的雷达观测模式本身造成的边界层探测能力不足，严重影响了天气雷达对边界层的中尺度天气系统的探测能力。最后是单偏振体制，对降水粒子的相态识别、粒子大小探测等能力明显不足，也严重影响了天气雷达数据的质量。

3.天气雷达观测环境带来的问题

天气雷达实际探测时，受其观测环境的影响，给观测数据带来了许多干扰，造成数据质量的降低，主要包括：净空环境造成的遮挡，使得观测数据不连续、不完整；电磁干扰造成观测数据的杂乱散；还有超折射、海杂波、昆虫与晴空回波造成对降水定量测量的偏差等。

（二）天气雷达资料信息流程问题

目前天气雷达观测业务围绕数据质量控制这一核心环节，在业务流程上也没有得到有效解决，这方面主要表现在：一是天气雷达资料信息流程没有按照数据获得、数据质控和数据应用这样一个基本流程进行，而是将观测到的天气雷达数据在没有质量控制的情况下，直接送到了用户端，整个信息流程中缺少了一个系统地、完整地实时质控业务的建立；二是在数据信息流程上，没有从硬件段、数据段到应用段建立起三级质控，把质量问题控制在应该控制的阶段。

（三）拟解决的措施

1.加强天气雷达数据业务质量控制

针对天气雷达观测业务各个环节对其观测数据质量产生的问题，重点解决：一是雷达硬件定标的业务化问题，建立一个系统的、完整的雷达主要指标的硬件定标业务，确保天气雷达在业务运行中获取数据的正确；二是重点针对观测业务中数据质量本身存在的问题，近期重点改进现存的观测模式，以及由于地物、电磁干扰、海杂波、晴空回波等给定量降水测量带来的偏差，建立起上述问题的实时质控业务；远期重点解决雷达技术体制问题，一是雷达硬件如何稳定可靠运行，如采用全固态发射技术；二是采用相位编码、脉冲压缩技术；三是采用双极化技术等改进和提高天气雷达各项性能指标。其次，加大雷达净空环境保护确保观测资料的连续性和完整性。

2.科学合理建立天气雷达数据信息业务流程

根据天气雷达信息实时、高效的特点，建立一个从硬件业务定标到天气雷达数据信息质量控制的业务流程；并在此基础上建立起与预报和数值模式等用户的信息质量反馈互动的运行体制，形成天气雷达数据观测-数据质量控制-数据应用的三位一体的信息流程。确保天气雷达资料的数据可同化、可应用。

三、针对天气雷达业务存在问题拟采取的措施和建议

针对天气雷达与国外发达国家对比分析存在的主要问题，我国今后应当在如下几方面开展工作：

1、加强业务天气雷达从预研阶段，研制阶段，生产阶段，建设阶段，到应用阶段的五位一体的系统的、完整的体系建设，使天气雷达存在的问题解决在各自存在的阶段，使业务天气雷达的发展形成一个良性循环的发展机制。作为国家级的探测中心应当把其重点放在研制阶段与建设和应用阶段，尤其是研制阶段中，重点解决天气雷达业务规范、技术标准、观测模式和质量控制方案的形成；在建设阶段重点解决观测环境、设备准入等关键环节；在应用阶段则重点解决业务实时质控、应用综合评估，与用户形成互动的机制。

2、尽快建立起天气雷达业务的雷达站-省级-国家级的三级业务质量控体系，在雷达站级重点把好设备硬件的质量关，做好设备运行环境保障以及设备定标与维护；在省级做好天气雷达数据的质量控制，确保观测数据有效地在业务中应用；在国家级做好各种质控算法和新型产品的研制与开发，设计好业务天气雷达的技术体制、做好天气雷达全网的业务质量评估。

3、建立天气雷达业务巡检和日常业务的定标流程，形成有效的对天气雷达实时运行过程中的运行监督和保障机制，形成一支从雷达站、省级探测中心到国家级探测中心的高效集约化的专业队伍，并不断加大天气雷达日常业务运行维护过程中社会参与力度，使其保障逐步社会化。

4、建立天气雷达观测业务与预报和数值模式需求的互动机制，形成及时有效地评估从用户端反馈来的天气雷达业务存在的问题，前端的雷达观测业务则根据评估进行整改，使得天气雷达业务紧紧地围绕着用户的需求开展。这方面重点要形成针对天气雷达应用的季或年度评估技术报告，前后端建立起良好的循环与反馈机制。