科技 新浪科技 沒聽過相控陣技術?那你可能掉隊了

沒聽過相控陣技術?那你可能掉隊了

  來源:中國氣象

  隨著對精細化氣象觀測和災害性天氣預報預警需求的上升,氣象業務對天氣雷達要求也越來越高。今天就給大家呈現天氣雷達的黑科技相控陣技術。

   從6分鐘到12秒

  目前業務上使用的天氣雷達採用機械驅動天線進行面掃描方式工作。即雷達天線以一定的仰角發射無線電波,天線旋轉一周可獲取一個面的天氣信息。通過變換雷達仰角,獲取多個錐面掃描,從而完成一個空間體掃,體掃周期約6分鐘。

  
相控陣天氣雷達是採用電掃描技術的天氣雷達。雷達天線在垂直方向同時發射多束電磁波,天線旋轉一周可完成整個立體空間掃描,不用再變換仰角,因此完成一個體掃時間成倍縮短,能將體掃時間最小縮短到12秒,探測解析度達到30米,能夠更快更完整地監測天氣系統的變化和發展過程。

相控陣天氣雷達同時發射不同角度的電磁波相控陣天氣雷達同時發射不同角度的電磁波

  在國際上,相控陣天氣雷達技術也是新興的研究熱點。近年來我國通過軍民融合、科技攻關,相控陣天氣雷達技術已達到國際水平。目前相控陣天氣雷達已在一些災害天氣頻發的地區投入使用,在國家級大型觀測試驗中發揮重要作用。從技術發展角度看,目前相控陣是未來的主要方向。

   相控陣陣列天氣雷達

  單部相控陣天氣雷達在時間、空間解析度方面的提升能對中小尺度對流天氣的觀測有很大的改善,但還對短時臨近天氣預警預報還不足以產生顛覆性的改變,只有加入準確的雲體內外流場信息,才能從本質上提升短臨預報準確性。

  準確獲取流場信息需要在不同地方同時觀測同一目標,目標物在三個方向上的分量合成才能求解。因此,將相控陣天氣雷達布置在不同地方組網,獲取目標物多個徑向速度(目標物速度分量),希望得到目標物的運動速度。但是由於多個雷達在同一空間測得徑向速度的時間不同,對於運動速度變化快的天氣,如龍捲、冰雹,獲取徑向速度時間不同就會造成合成的速度誤差很大,或者無效。

  相控陣陣列天氣雷達是一種分散式相控陣天氣雷達,它的前端分別架設在不同地方,在雷達後端控制中心(相當於人的大腦)的控制下分組同步探測,不僅獲取多個徑向速度,而且獲取徑向速度的時間差很小,從而能正確合成目標物的速度,風速。

  相控陣陣列天氣雷達的前端,垂直方向完成0-90°仰角掃描只需要約0.1秒時間。前端完成一個體掃(水平0-360°,垂直0-90°)的時間在12~30秒之間,時間主要取決於水平機械掃描和角度解析度以及探測距離。相控陣陣列天氣雷達能直接獲取真實的三維流場,而且能得到分鐘級或秒級的天氣變化。能夠更早、更快地發現下擊暴流、雷暴、龍捲風等小尺度天氣系統。

   相控陣天氣雷達的應用實例

  相控陣天氣雷達彌補現有氣象雷達對中小尺度強對流天氣探測的時空精度不足, 為短臨預報客觀化、自動化,以及建立基於天氣雷達動力學和熱力學探測的現代短臨預報提供了更加精準的探測信息。

   在上海

  2019年08月18日出現冰雹和雷暴大風,從相控陣陣列天氣雷達探測信息中,清晰地看清冰雹等對流系統全貌及其發展演變的細節,獲取雲體內部足夠精準的風場,揭示了冰雹、雷暴大風(下擊暴流)發生時風場動力特徵。

1分鐘間隔觀察冰雹風暴的觸發和發展全過程,相比而言,S波段雷達能提供風暴底部的無間隔掃描,而相控陣陣列天氣雷達提供了完整風暴的無間隔掃描。1分鐘間隔觀察冰雹風暴的觸發和發展全過程,相比而言,S波段雷達能提供風暴底部的無間隔掃描,而相控陣陣列天氣雷達提供了完整風暴的無間隔掃描。
利用陣列天氣雷達提供的100米解析度三維強度和三維速度分析的冰雹三維模型,清晰地展示了冰雹風暴及其周圍的熱力(強度)、動力(速度)配合及其演變情況。這是完全基於探測結果得到的冰雹三維熱動力模型。利用陣列天氣雷達提供的100米解析度三維強度和三維速度分析的冰雹三維模型,清晰地展示了冰雹風暴及其周圍的熱力(強度)、動力(速度)配合及其演變情況。這是完全基於探測結果得到的冰雹三維熱動力模型。

   在湖南長沙

  黃花機場相控陣陣列天氣雷達多次捕捉到微下擊暴流天氣、分散性對流回波、局地性天氣過程、雷雨、強降雨等天氣。

相控陣陣列天氣雷達(下排)與C波段雷達(上排)在相同時刻的觀測對比。相控陣陣列天氣雷達提前22分鐘明確觀測到跑道附近的對流回波,並且逐12s觀測。C波段雷達在強回波接地后才能探測到。相控陣陣列天氣雷達(下排)與C波段雷達(上排)在相同時刻的觀測對比。相控陣陣列天氣雷達提前22分鐘明確觀測到跑道附近的對流回波,並且逐12s觀測。C波段雷達在強回波接地后才能探測到。

   在廣東佛山

  相控陣陣列天氣雷達系統由四台單偏振相控陣收發子陣、三台雙偏振相控陣收發子陣共7個子陣組成。佛山龍捲風探測中心開展了多次強對流分析,並以陣列相控陣天氣雷達獨有的三維流場信息為基礎,開展新型短臨預報的研究。

佛山城市精細化短時強天氣監測預警系統佛山城市精細化短時強天氣監測預警系統

   在雄安

  由2台單偏振+1台雙偏振相控陣收發子陣共3個子陣組成相控陣陣列天氣雷達系統,於2020年12月完成部署和測試,投入業務運行。

未來可期。相控陣陣列天氣雷達配合現有氣象業務觀測網,有望成為高影響天氣、中小尺度強對流天氣、城市內澇精準監測和預報方面的利器、重器。