暴雨龙卷风早发现！大湾区雷达网上线

Paper

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中国大湾区（GBA）拥有超过8500万人口，由于快速城市化、海洋暴露以及复杂地形，越来越容易遭受强对流天气的影响。短暂龙卷风、局部下击暴流和闪电洪水频繁威胁着这一人口密集的地区，而传统的S波段天气雷达由于其空间分辨率粗糙和体积扫描速度慢，往往无法充分捕捉这些快速发展的危害。

在《中国粤港澳大湾区城市环境自然灾害监测与预警相控阵天气雷达业务组网》 一文中，赵 坤博士、黄浩博士及其同事描述了一种新的业务基础设施的建立，以克服这些限制：一个由 50 多个 X 波段双极化相控阵雷达（PAR）组成的密集网络，形成了世界上最先进、覆盖范围最广的此类系统。该雷达网络具备快速体扫描更新（频率高达每60秒一次）、灵活波束控制及城市尺度部署的特点，能够对大气过程进行实时、高分辨率观测，填补了灾害探测、预报与预警之间的空白。

赵博士表达了希望此项研究能凸显专用、可运行的相控阵雷达（PAR）网络在提升城市环境自然灾害监测能力方面的价值。该研究证实，一套城市尺度的 X 波段双极化相控阵雷达网络，其设计初衷即为实时灾害探测与短期预报，能够以高时空分辨率追踪对流系统（尤其是龙卷风风暴）的动态。研究团队的目标不仅是展现该网络的技术创新点，更要凸显其潜力 —— 可为其他地区提供原型，助力这些地区构建响应更迅速、定位更精准的强对流天气预警体系。

不同于机械旋转雷达，需要5-6分钟完成一个体积扫描，该网络中的每个相控阵雷达（PAR）单元采用 “方位向机械旋转 + 仰角向电子波束扫描” 的模式，能够实现灵活的自适应扫描策略，可动态将探测方向对准灾害最严重的区域。尽管X波段系统相较于其S波段对手有较小的范围，但其紧凑的覆盖范围非常适合于密集城市群，能提供S波段雷达无法提供的高分辨率、低层次观测。在近期的强对流天气事件（包括珠江三角洲地区的龙卷风风暴）中，该雷达网络捕捉到了多个小尺度特征，例如龙卷风涡旋特征（TVS） ，并在该区域首次探测到了高度超过 3 千米的龙卷风碎屑特征（TDS） 。这些特征的探测与追踪时间，比国家雷达系统提前了数分钟，为研究龙卷风碎屑云的快速垂直发展过程提供了前所未有的细节数据。这种 “分钟级” 的动态演变数据，为理解风暴动力学机制、延长应急预警提前量开辟了新路径。

图注：大湾区相控阵雷达监测强对流天气的概念示意图。

除了灾害检测之外，将网络数据融合进对流级数值天气预测（NWP）模型显著提升了对 “风暴结构、雨带演变及高影响天气事件发生时间” 的模拟准确性。通过对多个相控阵雷达（PAR）单元的数据进行实时融合，能够实现对整个大湾区（GBA）对流系统的完整三维重建。早期测试表明，利用 “经相控阵雷达增强的观测数据” 初始化的预报模型，可生成更精准的临近预报， 这一能力对超大城市的应急管理至关重要，在这类城市中，哪怕多几分钟的预警提前量，都可能挽救生命。此外，系统架构支持AI驱动的特征追踪和灾害分类，代表了从传统集中式雷达操作向分布式、智能感知网络的概念转变，这种网络不仅观测大气，还能对大气数据进行解读分析。

运行这样一个 “高密度、高数据量” 的网络面临诸多重大挑战，尤其是在数据管理与系统协同方面。雷达的快速体扫描会产生海量双极化数据，因此需要创新的数据简化、压缩及优先级排序策略，以支撑数据的及时处理与分析。在50多个雷达之间保持校准一致性和同步性也需要可靠的工程解决方案和严格的操作规程。尽管存在这些复杂性，该雷达网络为全球其他面临老化雷达基础设施和高影响天气日益脆弱的城市地区提供了一个可扩展的模型。

未来方向包括自适应扫描策略、先进雷达-雷达合成以及与卫星、激光雷达和地基传感器的深度整合，这些举措将为构建 “下一代城市大气观测系统” 铺平道路，该系统将与智能预报平台及决策支持平台实现无缝衔接。

论文信息

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作者

🔹 赵坤,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹黄浩,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹卢英辉,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹陈浩南, 美国科罗拉多州立大学电气与计算机工程系，美国科罗拉多州柯林斯堡

🔹吴翀, 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹赵果, 中国科学院西北生态环境资源研究院，平凉陆面过程与灾害天气观测研究站，中国兰州

🔹朱亦清,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹谈哲敏, 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京

🔹张宇, 广州市气象局，中国广州

🔹傅培玲, 广州市气象局，中国广州

🔹黄璇璇, 浙江省气象局，中国杭州

🔹潘翔,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹刘启青,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹杨忠林,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹周昂,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹范学琪,

• 南京大学大气科学学院，教育部中尺度灾害性天气重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心，中国南京
• 中国气象局重大天气国家重点实验室和雷达气象学重点实验室，中国北京

🔹胡东明, 佛山市气象局，中国佛山

🔹陈炳宏, 广州市气象局，中国广州

🔹胡盛, 中国气象局广州热带海洋气象研究所，中国广州

🔹李文超, 美国国家大气研究中心，地球观测实验室，美国科罗拉多州博尔德市

🔹李林, 广东纳瑞雷达科技有限公司，中国广州

通讯作者：

🔹赵坤, zhaokun@nju.edu.cn;

🔹黄浩, huanghao@nju.edu.cn

如果想了解文章的完整部分，

https://doi.org/10.1175/BAMS-D-23-0298.1

期刊介绍

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Bulletin of the American Meteorological Society

本刊是针对大众读者的AMS旗舰期刊，覆盖天气、水和气候领域的同行评审文章、简述、评论和趣事短文。

美国气象学会公报 /

BAMS

ISSN: 0003-0007

eISSN: 1520-0477

https://www.ametsoc.org/index.cfm/ams/publications/bulletin-of-the-american-meteorological-society-bams/

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