张深寿

中国气象学会雷达气象学委员会

福建省天气雷达前沿试验与业务应用创新团队

（此文ChatGPT 4o with canvas有贡献）

从中医经络理论中，我们知道“任脉”主阴，贯穿全身，协调内外；“督脉”主阳，掌控全局，推动运化。在天气雷达领域，这样的经络结构同样存在：硬件设备和观测系统，犹如人体的“任脉”，担负数据采集和基础支撑；而天气雷达的应用，就像“督脉”，是科学技术应用的化身，将数据转化为防灾减灾的智慧。本篇文章和大家一起感受这条“任督二脉”的联动之美。图1（手机横屏查看）

图1   天气雷达的任督二脉

一、任脉节点

目标物：一切的起源

天气雷达探测的目标物是空中的天气系统——风、云、雨、雪、雷电、冰雹等,是一切的起源，它们犹如天气剧本中的主角，牵动着气象变化的每一个情节。这些目标物不仅构成了大气现象的主要内容，也是雷达探测的起点与基础。

雷达通过发射电磁波，与这些目标物发生散射，从而获取它们的物理特性（如大小、密度、形状等）。这些特性如同人体经络中的“气血”之源，为后续的天气预报、灾害预警提供了最原始而重要的数据源。一切的探测与应用，正是从这些主角的表演开始的。

电磁波：信息的媒介与使者

在天气雷达的世界里，电磁波是信息的载体，更是联通大气与雷达之间的使者。它穿越风云雨雪，记录自然的每一个细微变化，并将这些信息传递回雷达，成为预报员和科研工作者分析天气系统的关键工具。

电磁波具有独特的“性格”，它的波长特性决定了能够穿透云层、雨滴甚至冰雹，探测不同的目标物。同时，电磁波在传播中会受到折射、衰减和遮挡等“挑战”，这些特性不仅影响了探测的精度，也激发了雷达科学家和气象学家不断优化雷达技术的灵感。

可以说，电磁波是天气雷达的“任脉之气”，它将目标物的细节信息通过散射的方式传递回来，让我们得以窥见大气的真实面貌。

雷达系统：指挥中枢

在天气雷达的体系中，雷达系统如同人体的“大脑”，是整个观测过程的指挥中枢。不仅负责发射和接收电磁波，还要处理从目标物返回的回波信号，将复杂的大气信息转化为清晰的数据和图像，为后续的分析提供可靠依据。

天气雷达是一个高度复杂的系统，它结合了多学科的知识与技术，包括物理学、机械工程、电子工程、气象学、计算机科学和人工智能等多个领域。从硬件设备的设计到信号的传播与接收，再到数据的处理和应用，每一个环节都需要精密的协作与创新。

天气雷达系统的工作原理建立在对电磁波信号的精密的运算和高效的扫描模式之上。在天气雷达的扫描模式设计中，“时间分辨率”“空间分辨率”和“数据精度”构成了一个必须精心平衡的“权衡三角”。这三者是影响雷达观测效果的核心指标，任何一个优先项的提升，都会对其他两个产生权衡和影响。

时间分辨率：观测的“快”与“慢”，更高的时间分辨率意味着雷达能够快速捕捉天气系统的动态变化，这在强对流天气（如雷暴、龙卷风）或快速移动的台风监测中尤为重要。

空间分辨率：细节的描绘能力，更高的空间分辨率能够清晰刻画天气现象的结构，例如降水分布的细微变化或冰雹的核心区域。

数据精度：信息的可靠性，更高的精度意味着雷达可以更好地反映天气系统的真实特性，例如降水强度的绝对值或风速的方向与大小。但更高的数据精度通常需要更长的采样时间和更多的后处理计算资源，可能会影响扫描速度或数据的空间分辨率。

通过高效的扫描模式，它能够实时捕捉天气的动态变化，就像一名指挥家，协调着无数音符，演奏出天气系统的全貌。正是这个“中枢”的高效运作，让天气雷达成为我们认识和预警天气的重要工具。

标定与仿真：中枢的精准调校

在天气雷达的复杂系统中，标定与仿真是不可或缺的环节，犹如精准调校中枢神经系统的“信号路径”，确保雷达硬件与软件的高效协同与准确运行。这一过程既是对系统性能的验证，也是提升探测精度的重要保障。

标定是对雷达系统进行调校和验证的过程，确保各个组件的参数设置正确、运行一致。这包括：①波束特性校准，确保雷达天线的发射和接收特性稳定，波束方向精确，覆盖范围符合设计要求。②信号强度校准，校验天气雷达的测量精度，消除由硬件老化或环境变化引起的偏差。③双偏振一致性校准，双偏振（也叫双极化）雷达校准确保水平和垂直波束之间的一致性，为降水类型判别提供可靠数据。通过标定（还有日常维护），雷达系统能够保持长期稳定的观测性能，为高质量的数据采集奠定基础。

仿真是预见问题与优化设计，是通过构建虚拟环境对雷达系统进行测试和优化的过程，主要用于：①系统设计验证，在真实环境难以覆盖的场景下，通过仿真评估雷达系统的探测能力，例如复杂地形对信号传播的影响。②算法性能测试，在仿真中输入多种天气目标（如龙卷风、台风等），验证数据处理算法的精度和抗干扰性。③异常工况模拟，通过模拟极端天气或设备故障，提前发现潜在问题，为系统优化提供依据。仿真不仅提高了雷达系统的适应性和可靠性，还显著降低了开发和运维成本。

数据传输与存储：应用的基石

在天气雷达的整个应用体系中，数据传输和存储系统是不可或缺的底层支撑，就像建筑的地基一样，虽然不直接显现，但却决定了整个系统的稳定性和可靠性。这一底层系统保障了雷达数据的高效流转与长期保存，为天气监测和灾害预警提供了坚实的基础。

天气雷达的数据传输和存储系统，是整个天气雷达应用体系的“基石”，为数据的高效流转和长期保存提供了坚实的基础。它们不仅决定了雷达产品的时效性和可靠性，更是后续气象分析、灾害预警和科学研究的关键保障。

天气雷达每天产生的原始数据和处理后的产品数据，都是气象领域的宝贵资产。如何存储这些海量数据，同时保证高效的检索和调用，是系统设计中的重要课题。中国气象局发布了行标“QX/T 653—2022      天气雷达基数据和单站产品格式”统一了全国的天气雷达数据格式，福建省气象局研发了“基于反射率因子径向编码的天气雷达数据存储方法”，改进了存储方法，可用于高效的流传输和文件存储，去除“无回波”冗余数据，存储可以缩小到原来4%到39%，显著提升存储效率。

二、督脉节点

雷达产品：目标的显现

雷达产品是预报员观察天气系统、分析天气变化、制定预报和预警的重要依据。它将雷达探测到的海量数据通过科学的算法处理，转化为直观的图像和数值产品，使复杂的大气现象得以清晰展现，也是天气雷达探测价值的直接体现。

雷达产品将天气雷达的探测结果从“看不见”变为“看得见”，是连接雷达系统与气象应用的重要桥梁。从雷达回波分布图、降水估测、强对流分析、相态识别到风场分析，每一张雷达产品图都凝结了复杂的信号探测和算法处理。可以说，雷达产品是天气雷达探测的“具体显示”，是预报员直接面对的平台，也是现代气象服务不可或缺的核心工具。

中国气象局推广的ROSE （Radar Operational Software Engineering） 软件，经过多年不断地改进，已经形成了界面友好、功能丰富，方便预报员快速调用和分析雷达产品的软件系统平台，支持国内绝大部分型号和波段的天气雷达，适应现代气象业务的高效需求。熟练掌握和使用它，就能完成绝大部分的天气雷达数据分析业务应用。

强天气监测：主要猎物

强对流天气通常具有突发性、局地性和短时高强度等特点，这对传统的气象观测手段提出了巨大挑战。而天气雷达具备高时间分辨率、高空间分辨率和实时扫描能力，特别适合捕捉这些中小尺度现象。天气雷达的实时观测可以数分钟更新一次，相控阵天气雷达设置可以每分钟，捕捉强对流系统的快速发展。雷达扫描覆盖范围广，天气雷达的探测范围和探测高度，能够识别雷暴核心、冰雹区等强天气的立体空间位置。而且天气雷达是动态监测，连续扫描可追踪对流系统的演变过程，为预警提供动态支持。

双偏振雷达通过识别粒子形态和水含量，提升了对冰雹、雨滴和强对流风暴的识别能力。通过多角度扫描，还可以构建风暴的三维回波结构，分析物理量、相态变化。通过径向速度的风场特征和反演，为识别风切变和旋转气流提供了重要线索。

降水估测：追踪每一场降水

降水估测是天气雷达最基础且最重要的应用之一，它将大气中的降水情况从“不可见”转化为“可量化”，为气象服务、防灾减灾和科学研究提供了核心支撑。是连接观测与服务的桥梁，从强降雨监测到城市暴雨积涝、洪水预警，从农业支持到城市管理，雷达降水估测为我们更好地认识大气、防灾减灾提供了坚实的技术基础。

天气雷达的降水估测经历了从经验公式到现代物理模型的不断进步，从最初的Z-R关系到雨量计资料融合，再到利用双偏振雷达的ZDR、KDP等新探测参数，正在显著提升降水估测的精度和可靠性。未来随着天气雷达资料质量提升、新资料融合、新方法的加持降水估测将进一步提升。

临近预报与预警：最后一公里

临近预报指对未来0-2小时内的天气变化进行精准预测，具有短时高频和高时效性的特点。预警则是在灾害性天气即将发生时，通过分析雷达数据结合其他气象观测和预报资料，提前发布警报，为公众和应急管理提供决策依据。临近预报与预警是最贴近公众需求、最直接体现价值的环节。通过实时捕捉和分析天气系统的变化，天气雷达为突发性强天气、台风等的短时预报和灾害预警提供了至关重要的支撑，可以说，这正是雷达观测链条上的“最后一公里”。

未来，临近预报与预警依赖天气雷达技术的持续进步与智能算法的融合。①人工智能辅助：通过深度学习和模式识别技术，从雷达数据中自动提取关键特征，自动追踪预警预报，提高预警精准度。②多源数据融合：结合卫星观测、地面站数据和数值天气预报，形成更全面的预警产品。③个性化预警：基于雷达数据，提供区域定制化预警，让预警更加精准贴近公众需求。

三、打通任督二脉

天气雷达：全面联通的意义

在中医理论中，任脉主内，督脉主外，两脉贯通意味着身体的气血运行通畅、经络系统协同。而在天气雷达领域，打通“任脉”（硬件与传输）与“督脉”（数据产品与应用）同样至关重要，它决定了雷达系统能否高效运作，为天气预报预警服务提供最大应用价值。

任脉：雷达硬件与数据传输的高效运转。雷达硬件是整个系统的基础，涵盖雷达天线、发射接收系统以及信号处理模块。高质量的硬件能够保证探测的精度与可靠性。通过高效的传输网络，将原始回波数据快速送达处理中心，确保数据在灾害预警中的时效性。传输效率的瓶颈会导致延迟，削弱雷达的实时性优势。

督脉：数据处理与应用的智慧输出。将雷达回波转化为反射率因子、多普勒速度、谱宽、CC相关系数、ZDR差分反射率因子、差分相移φDP、差分相移率KDP等产品参数，进一步通过气象算法生成易于理解的预警信息和可视化图像。产品广泛应用于强天气监测、降水估测、临近预报等，服务公众和行业。

打通“任督二脉”，不仅仅是技术优化的结果，更是理念的提升。任脉夯实基础，督脉延展智慧，两者贯通，天气雷达才能发挥真正的潜力，成为从大气探测到公众服务的核心工具。这种联动不仅让气象服务更高效、更精准，也让我们更好地应对未来的气候挑战。

雷达分析高手：预报员的内外兼修

对于预报员而言，“任脉”是对雷达产品的基础认知和技术原理的熟悉，“督脉”是将这些产品转化为有效预报和预警信息的能力。

任脉：掌握雷达产品的科学基础，理解电磁波探测的基本原理，熟悉雷达的优势与不足，理解反射率因子、径向速度、谱宽等基础雷达参数的意义和应用场景。熟悉双偏振雷达的核心指标（如CC、ZDR、KDP）的物理意义及其在降水类型识别中的作用。掌握天气雷达扫描模式（如体扫、RHI扫描）的适用范围及其影响。

督脉：提升雷达分析与决策能力。能够快速解读雷达回波图，准确定位雷暴、龙卷风、冰雹等强对流天气。将雷达产品与其他数据（如地面观测、数值预报）融合，形成完整的气象分析图景。运用天气雷达数据生成临近预警预报，为强对流、短时强降水、城市暴雨积涝等天气事件提供及时的决策预报预警建议，为公众防灾减灾提供高质量服务。

维护保障：应用到运行的反馈闭环

雷达维护保障人员的“任脉”是对雷达设备和系统的硬件维护能力，“督脉”则体现在对雷达数据和产品应用的深刻理解，能够从最终应用需求出发，反哺运行保障，提升雷达整体效能。

任脉：掌握雷达硬件与系统知识。熟悉雷达核心组件：了解发射机、接收机、天线、信号处理器等核心设备的工作原理，确保硬件能够稳定运行。确保数据链路畅通：熟悉数据传输系统的架构，解决数据延迟或丢失问题，保障雷达实时探测能力。精通雷达标定技术：定期校准雷达波束方向、信号强度和双偏振一致性，确保观测精度。

督脉：理解雷达数据与产品，反哺运行保障。熟悉雷达数据与产品应用，不仅了解反射率因子、径向速度、KDP等数据的物理意义，还能够理解其在强天气监测、降水估测和临近预报中的具体作用。优化维护策略，通过分析雷达产品质量问题，快速定位设备或传输环节的故障，并制定针对性的维护方案。协同优化扫描参数：根据预报员的需求，调整雷达扫描模式，提升数据的时效性和适用性。动态调整标定精度，根据不同天气任务的精度需求（如冰雹监测或台风监测等），优化标定频率和精度，确保最终产品的可靠性。

打通任督二脉后，实现了从应用到运行的反馈闭环。维护保障人员在熟悉雷达产品的基础上，问题定位更精准，通过分析雷达数据产品中的异常，快速判断硬件或传输链路的潜在问题。维护目标更明确，清楚哪些硬件或参数对具体产品有直接影响。运行效率更高效，基于对应用需求的理解，优先维护对强对流天气监测、短时降水预报等关键产品影响较大的设备，避免资源浪费。

四、天气雷达数据的处理：插上翅膀

当预报员不但打通了“任督”二脉，而且还具备了天气雷达数据的编程处理与分析能力时，就如同为老虎插上了翅膀，让他们的专业水平实现了质的飞跃。不再局限于依赖现成的雷达产品，预报员可以通过编程主动挖掘数据背后的信息，精准掌握天气系统的演变细节。

通过编程对数据的自由驾驭，预报员可以自定义处理反射率因子、径向速度、双偏振量等核心数据，灵活应对不同天气任务。例如，在监测强降水或龙卷风时，他们能够调整算法参数，生成更加符合实际需求的雷达产品。

编程处理能力让预报员有深入的气象洞察能力，能够结合地面观测、数值预报和多源数据，构建更全面的气象图景。分析雷达回波的细节，不仅能定位雷暴核心，还能预判其演变趋势，为临近预报提供不可替代的支持。

面对复杂的强天气过程，预报员可以通过自动化脚本快速处理大量实时数据，生成直观的可视化图像或预警报告，大幅提升反应速度和预警精准度。

掌握编程处理能力，不仅是预报员技能的提升，更是专业思维的革新。这种能力让他们从被动解读产品，转变为主动挖掘信息和生产决策依据的专家，为天气服务开辟新的可能。预报员不再只是“看天”，而是真正能够“驭天”的领航者。