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网密技优 让“小鱼”无所遁形
——北京推动超大城市突发性强天气三维监测应用示范

发布时间:2020年12月18日 来源:中国气象报社

  大网捞小鱼,但渔网的网眼儿太大,很难捕到小鱼——曾经,这是北京天气雷达网探测突发性强天气的真实写照。

  如今,北京通过X波段双偏振多普勒天气雷达(以下简称“X波段雷达”)组网建设、强化技术攻关,将这张“渔网”越织越密,努力实现监测精密、预报精准、服务精细,使捕获突发性强天气这些“小鱼”的成功率大大提高。

  目标:织密大网捞“小鱼”

  在北京市观象台,S波段多普勒天气雷达以230公里的探测半径,守护着整个北京乃至京津冀地区。降水云团一旦靠近北京周边,就会立即被它锁定踪迹。即便如此,S波段多普勒天气雷达仍存在探测盲区。

  “受地球曲率影响,天气雷达在与水平面成一定仰角观测时,在离雷达60公里以外区域,会存在1公里以下的边界层探测空隙。”北京市气象探测中心质量控制科科长李林解释,此外,在地形复杂地区,雷达回波容易被山体、高层建筑遮挡,进一步限制了对边界层大气的有效探测。

  然而,大多数强对流天气,特别是局地突发的强雷暴,恰恰最先在1公里以下的边界层大气中形成。因此,X波段雷达建设迫在眉睫。

  在建设过程中,如何科学布局、最大限度发挥效益成为重中之重:除了要考量地球曲率影响外,还要通过组网解决电磁波衰减问题。通常两部雷达布设间距以40公里左右为宜,这样既可增大雷达组网覆盖范围,又可有效弥补周边雷达。X波段雷达有效观测距离约为60公里,在极端降雨情况下可缩减至20公里。

  目前,北京已建7部X波段雷达,还有两部在建,初步形成S波段雷达大范围警戒监测、X波段雷达精细探测的多频段立体监测格局。另外,北京市气象局还在北京上游的河北怀来县和涞源县建设两部X波段雷达,实现京津冀地区联合组网探测。

  探索:摸着石头过河

  在建设之初,国内外均无X波段雷达组网业务应用的成功经验。第一代雷达组网应用系统在气象部门顶住压力的探索中诞生,但仍存在系统响应慢、产品算法不完善、用户交互性差等问题。2019年,北京城市气象研究院(以下简称“城市院”)组建雷达应用研发小组,研发了第二代雷达组网应用系统——北京X波段网络化雷达应用系统(简称“BJ-Xnet”)。

  “这是气象雷达与计算机学科结合的科研成果。气象雷达为计算机提供数据,计算机处理雷达数据并生成气象雷达产品,提供短时临近预报决策依据。”城市院临近预报团队副主任、研究小组组长马建立介绍。

  雷达观测数据的质量直接影响后续应用,因此数据质量评估至关重要。北京气象部门根据雷达硬件参数,计算出雷达观测数据的理论值波动范围,并对雷达数据进行质量控制,保证观测数据的可靠性。

  雷达组网产品越多,预报预警工作可参考的数据就越多。目前,BJ-Xnet系统提供降水粒子相态识别、三维风场、降水估测等12个雷达组网产品。“这也导致算法多且复杂。算法适不适合、是不是最优,都需要不断通过业务应用去验证、改进。”马建立说,这是一个十分复杂的过程。

  从叠加雷达产品与地理信息、有效增强交互操作,提升组网产品显示清晰度,到解决雷达探测弱回波能力偏低、非气象回波干扰、雷达发射的电磁波衰减导致无法准确识别冰雹等问题,研究小组付诸不懈努力并逐一解决。今年6月11日,BJ-Xnet通过科技成果认证。

  应用:经受住汛期硬仗考验

  今年汛期,具备“20秒完成数据读取、质控以及产品生成”“1秒内完成三维产品效果渲染”“高达95%的冰雹监测应用识别准确率”等能力的BJ-Xnet投入业务应用。

  “‘6·18’强对流、‘7·2’入汛首场最强降雨、‘8·12’全市暴雨,BJ-Xnet在这几场‘硬仗’中表现都不错!”北京市气象台首席预报员雷蕾说,该系统的数据显示不仅有平面图,还有3D剖面图和3D立体展示形式,方便预报员查看整个天气过程的微观信息,对做好短时临近预报预警有很大帮助。

  BJ-Xnet还被推广至广东省佛山市气象局。佛山市气象局高级工程师李兆明表示,系统提供的三维风场产品,在多次雷雨大风和短时强降水天气过程临近预报中发挥了重要作用。浙江省杭州市气象局到北京调研“取经”,初步完成4部雷达组网建设。河北省气象局邀请北京雷达气象专家指导X波段雷达组网论证工作。

  “我们加强与预报员等用户的沟通,帮助他们更好地运用雷达产品,听取其意见建议,不断改进完善核心技术和算法。”马建立说。

  深入人心的应用成效,除了有赖研究小组的潜心研究外,还得益于多方指导支持、机制创新、国际合作凝聚的合力。

  该项目由中国气象局指导、北京市政府出资建设,充分发挥关键核心技术攻关的央地协同体制优势。同时,气象部门积极与科技型企业合作,建立“边研究-边评估-边改进-边提升”的双向反馈机制,推动国家自主气象探测设备向高精尖技术发展;依托北京城市气象国际合作基地,加强与国际顶尖雷达气象专家、国内高校的合作,在引进技术支持的同时,派送中青年业务科研骨干到国外访问交流。

  “产学研用一体化”在北京X波段雷达组网建设中有着生动体现。2019年,北京市气象局与北京敏视达雷达有限公司联合申报“新一代天气雷达升级关键技术创新与产业化应用”科技项目,获北京市科学技术进步一等奖。北京市气象局也由此建立了一支涵盖建设、观测、研发、应用的创新团队,其中1人评被为中国气象局科技领军人才。

  “BJ-Xnet目前已经具备首都灾害天气精密监测能力,后续研发将聚焦灾害性天气0~2小时精准预报预警,为首都城市安全运行、防灾减灾和重大活动气象服务保障提供更有力的支撑。”马建立说。

  (作者:叶芳璐 责任编辑:张林)

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