相控阵阵列天气雷达是天气雷达的最新武器
最近，和不少朋友分享了关于阵列天气雷达的一些工作成果，朋友们惊讶于阵列天气雷达探测效果的同时，对阵列天气雷达的核心原理和关键问题，却不甚了解。因此，小编想在此用简洁的方式为大家介绍一款黑科技雷达—相控阵阵列天气雷达。
有些视频动画传不上来，各位看官感兴趣可以连接原文：阵列天气雷达
1、天气雷达发展
我们从天气雷达应用角度进行分类，早前的天气雷达以探测反射率强度为主，可以归为热力学探测范畴，无论是单偏振还是双偏振都属于这一范畴；但是天气系统是热力动力结合的复杂系统，仅探测热力学变量是不够的，因此后来又花大力气将雷达升级为多普勒天气雷达，我们目前广泛使用的新一代多普勒天气雷达就属于此类雷达，该雷达的最大特点就是在提供反射率强度的基础上增加了一个径向速度，因此可以归为热力学+（部分）动力学探测范畴。之所以称其为部分动力学探测，是因为径向速度不是完整的大气运动速度，无法知道回波准确的运动方向和速度大小。2003年以后，美国人在已有较为稠密的多普勒天气雷达探测网的基础上，提出了采用多个短程扫描雷达进行协同探测的理念，为人熟知的是著名的CASA计划。这使得之前遭到弃用的X波段短程探测雷达以新的姿态重新焕发青春（感慨：和深度学习的重新崛起多么的相似。）这种多雷达的协同探测方式称为网络化雷达探测，其主要作用体现在：（1）对于相同探测目标，同时获取多个径向速度，从而得到该目标的准确移动速度和移动方向；（2）通过短程精细扫描，对原有探测进行补盲。因此，网络化雷达探测属于更完整的热力学+动力学探测范畴。
为了在同一个目标上同时（或足够短的时间差内）获得多个雷达的探测，要求雷达的扫描足够快。相控阵天气雷达再合适不过了。关于相控阵天气雷达的技术请各位看官脑补，总结关键词：快，快，快！
2、阵列天气雷达
下面进入正题。
阵列天气雷达是是一款新型的分布式相控阵天气雷达，是网络化雷达探测技术和相控阵天气雷达的结合和升级。
划重点：
结合：多个相控阵雷达呈网络化分布进行探测
升级：不同于CASA的网络化探测中每个雷达仍然是单独工作，阵列天气雷达中每个相控阵雷达被称为子阵，每个子阵不是独立工作，而是在阵列天气雷达的大脑（叫做协同控制处理中心）完全控制下工作。因此，阵列雷达不同于简单的协同扫描，而是在同一大脑控制下的更为严格的同步扫描。
一个阵列天气雷达是由若干个分布式相控阵子阵和一个协同控制处理中心构成。其工作流程如下图所示。
在阵列大脑的同一控制下，多个子阵进行同步扫描，效果如下图所示。
划重点：
（1）采用相控阵天气雷达作为子阵，垂直方向完成0-90°仰角扫描只需要约0.1秒时间。这就是相控阵的神奇之处。
（2）所以子阵完成一个体扫（水平0-360°，垂直0-90°）的时间只要十几秒-几十秒，时间主要来自方位向机械扫描，角度分辨率越高，所用时间越长；探测距离越远，所用时间越长。一个体扫就像切西瓜一下，把大气这个西瓜分成了若干个断面。
（3）每三个子阵在大脑的控制下，同时进入到共同探测区域，在此区域内的任意一个位置上三个子阵探测的数据时间差非常小，一般可控制在2-5秒左右。因此，该区域能计算出足够精准的大气速度。
3、相控阵阵列天气雷达的优势
相控阵阵列天气雷达解决的关键问题是雷达的热力学+动力学联合探测。这其中最核心的问题是解决多个子阵探测的数据时差问题，和传统的雷达组网、CASA的网络化雷达协同探测方式不同，阵列天气雷达有两个突出的优势：
（1）相控阵体制，确保在极端时间内完成0-360°，0-90°全空域体扫。能精准的探测对流风暴的完整三维结构。
（2）协同控制处理中心统一控制下的同步探测技术，确保探测同一目标的时差最小，确保获取不同尺度天气系统的足够精准的强度和速度信息。
下图显示了阵列天气雷达提供的垂直方向64层无间隔仰角覆盖0-90°和传统新一代多普勒天气雷达9层仰角对风暴垂直结构的不同探测结果。充分显示了阵列天气雷达俯仰扫描的优势。
下图显示了利用阵列天气雷达提供的100米分辨率三维强度和三维速度分析的冰雹三维模型。清晰地展示了冰雹风暴及其周围的热力（强度）、动力（速度）配合及其演变情况。（划重点：这是完全基于探测结果得到的冰雹三维热动力模型
）
以上，仅仅对阵列天气雷达做了简单的介绍。可以看到阵列天气雷达是目前最为完整的热力+动力结合的雷达探测系统。基于阵列天气雷达探测，可以完善现有强天气临近预报，形成新型的强对流临近预报思路和体系。更多关于利用阵列天气雷达进行天气分析、临近预报以及阵列风场数值模式同化等方面的工作成果，将在后续逐步更新，敬请期待。
说明：本文中阵列天气雷达案例图片均取自上海气象局超大城市试验中实时运行的阵列天气雷达系统，特此说明。
致谢：由衷地感谢上海市气象局在阵列天气雷达试验和应用中给予的大力支持、关心和帮助。
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