給雨云做CT-談?wù)勌鞖饫走_及其簡單的應(yīng)用

我們大都有去醫(yī)院接受CT檢查的經(jīng)歷，CT即電子計算機斷層掃描，通過CT機沿著人體掃描多個斷層圖片。醫(yī)生通過對患病部位的掃描，能夠獲得病變部位圖像信息，診斷具體病因。CT能夠突破身體表面探測到身體內(nèi)部的信息，那么對于整個天空正在發(fā)生的天氣現(xiàn)象，我們能否也能窺探內(nèi)部的情況呢，其實在氣象觀測的領(lǐng)域內(nèi)，我們也有類似CT機一樣的設(shè)備：那就是天氣雷達。

對于雷達，大家熟悉的是軍事中用于探測跟蹤軍事目標的探測設(shè)備，而天氣雷達，也確實是從軍事雷達發(fā)展而來，與軍事雷達跟蹤飛機戰(zhàn)艦等軍事目標不同，天氣雷達探測的是大氣中的水滴粒子，通常是帶有豐富降水的云體，圖1即展示了雷達的基本探測原理。

圖1 雷達探測原理示意圖

目前新一代天氣雷達通過掃描可以獲得很多信息，最基本的是反射率強度，也是最傳統(tǒng)的雷達數(shù)據(jù)。也可以通過多普勒效應(yīng)獲取目標相對于雷達的徑向運動速度。雷達的電磁波探測的是一定直徑的粒子，能造成的回波不一定是水滴粒子，具有雙偏振功能的雷達還能獲得粒子更多的回波特性，區(qū)分是降水粒子還是其他物體的反射，大大提高了降水回波的識別能力。在我們的天氣觀測業(yè)務(wù)中，全國布局了200多部不同波段的天氣雷達（主要是C波段和S波段雷達），實現(xiàn)降水的24小時監(jiān)控。

通常天氣雷達的掃描是以雷達站為原點，使用固定的天線仰角，進行360°的旋轉(zhuǎn)，每隔一定方位角度發(fā)射電磁波，并接受反射回來的回波，根據(jù)其反射回來的時間計算距離并記錄其反射回波強度，最終獲得該角度上多個距離范圍的數(shù)據(jù)。這樣一個角度稱作徑向掃描，一個圓周下來的360度徑向掃描稱作平面掃描，獲得數(shù)據(jù)在計算機上顯像稱作平面位置顯示（PPI）。因為我們的降水云體是一個三維的分布，為了探測不同高度的情況，一個完整的掃描會使用多個不同的天線仰角，做多次平面掃描，這樣一組掃描稱作體積掃描（Volume Scan），體積掃描的數(shù)據(jù)稱作基數(shù)據(jù)。體積掃描的空間分布情況如下圖（圖2）所示：

圖2 雷達體積掃描空間分布

我們可以把一個體積掃描看作是以雷達為圓心的多個錐形面，就像CT掃描中的多個斷層圖片，能夠讓預報員了解整個雨云的空間結(jié)構(gòu)。下圖（圖3）是不同角度的徑向在高度上的射線路徑，由于地球曲率的原因，所以低仰角在垂直面上會有看起來上翹的曲線效果。

圖3 不同角度的徑向在高度上的射線路徑

下面的圖像（圖4）是我們通過《雷達基數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件》所展示的一個體積掃描的多個不同平面位置顯示的圖像，分別是0.5度、1.5度、2.4度、3.3度仰角的錐體。通過體積掃描空間分布圖，我們可以想象三維空間中云體的分布情況。

圖4 體積掃描多個不同平面位置顯示

有了雷達圖像的幫助，我們就可以像“醫(yī)生借助CT圖片了解身體”一樣了解“天氣系統(tǒng)中的雨水分布”。下面的圖像（圖5）是典型的雷達數(shù)據(jù)加工后的產(chǎn)品圖片，稱作組合反射率，它是把該區(qū)域內(nèi)雷達反射率強度最大的數(shù)據(jù)拼到一起的圖像，從而獲得整體的降水分布信息。

圖5 雷達的組合反射率

圖像的左側(cè)有一條色帶和數(shù)值，從下往上對應(yīng)的數(shù)值遞增，在圖像上各種顏色的區(qū)域?qū)嶋H上對應(yīng)著相應(yīng)范圍的回波強度數(shù)據(jù)，因此通過這樣一張圖，我們可以簡單地了解到反射率強度的分布。一般來說，粒子的顆粒越大，反射率強度值越大，從小雨，中雨，大雨，甚至冰雹，水凝物顆粒的直徑是增加的，因此數(shù)值越大的區(qū)間，表示雨滴直徑越大，如果這些雨滴落到地面，大的雨滴就是暴雨，小的雨滴就是毛毛雨。所以從圖像上我們可以知道，那些沒有顏色的區(qū)域，表示晴空，而藍色的區(qū)域，可能是小雨，黃色的區(qū)域可能是中雨，紅色的區(qū)域可能是大雨，而達到紫色的區(qū)域，有較大的幾率會出現(xiàn)冰雹天氣。上面的圖片做了一定的強化處理，去除了弱回波，保留了綠色以上的回波區(qū)域。

當然上面也講到，天氣雷達本質(zhì)上探測的是一定直徑的顆粒物，一些非氣象物體也會造成回波，比如煙塵粒子，昆蟲，我們不能看到有回波就認為有降水，那么該怎么去識別它呢？降水回波是具有一定特點的，一般是從外圍到中心強度逐漸增強，降水回波同時也是在變化的，通過前后時間的圖像對比或者動畫，我們能夠看到降水回波的移動，增長，消散。如果看到基本沒有變化，或者變化很雜亂的回波，那很可能不是氣象回波。

在CT數(shù)據(jù)的處理軟件中，醫(yī)生會將多個斷面數(shù)據(jù)聯(lián)合起來，利用插值進行三維重建，獲得更直觀的骨骼整體結(jié)構(gòu)的三維圖像。同樣的，天氣雷達的數(shù)據(jù)也可以通過三維重建，獲得一個較為直觀的雨云的空間結(jié)構(gòu)圖像，下面我們利用多個錐面的數(shù)據(jù)，對選定特定區(qū)域進行三維重建，看看能夠獲得什么樣的信息：

下圖（圖6）是一塊典型的冰雹云，我們劃定圖中的區(qū)域進行三維重建，從氣象理論來說，冰雹通常在較為典型的風暴單體中生成，而風暴單體沿著移動的方向，會有一個穹窿狀的結(jié)構(gòu)，下圖的紅圈部分，出現(xiàn)的典型的穹窿結(jié)構(gòu)，印證了理論的正確性。

圖6 一個典型冰雹云的三維重建

下圖（圖7）展現(xiàn)了一個局部發(fā)展的雷暴云的巨大云跕和風暴中心部分窺探視角的精細化三維結(jié)構(gòu)：

圖7 雷暴云的精細化三維結(jié)構(gòu)

三維重建技術(shù)能夠讓我們更直觀地了解雨云的結(jié)構(gòu)，但三維重建是通過空間插值，把缺失的空間數(shù)據(jù)補全起來。只有空間分布線性的情況下才能較真實地體現(xiàn)出實際情況。

以上我們簡單介紹了天氣雷達的觀測方式和天氣雷達資料的簡單解讀，并展示了天氣雷達數(shù)據(jù)的三維化后的效果。日常生活中，天氣預報最不可捉摸的就是“局地”，當我們出門的時候，如果擔心幾小時內(nèi)是否會下雨，查看一下雷達圖像上的回波信息，看看有沒有降水回波，看看它移動和發(fā)展的趨勢，也能對未來天氣有一個較大的把握，從而避免被“局地”的雨所侵擾，在氣象預報中，這被稱作臨近預報。天氣雷達在臨近預報中有著不可替代的作用，我們可以從氣象局的網(wǎng)站甚至一些氣象APP中獲得實時的天氣雷達圖像，我們每個人，都可以通過天氣雷達，成為臨近天氣的預報員，天氣雷達作為24小時運行的天氣CT機，讓每個人都能把脈天氣的變化！