相控阵天气雷达与低空天气
相控阵天气雷达与低空天气
刘子麒、陈营华
2025年1月
天文台于2021年在沙螺湾设置了一台相控阵天气雷达,经过3年多的运作,证实能有效探测对本港具高影响的恶劣天气 [1],为未来筹建扫描范围复盖全港的相控阵天气雷达网络打下坚实的科学基础。
相控阵天气雷达的优点在于提供高时空解像度的雷达图像。相比大帽山和大老山的长程天气雷达,相控阵天气雷达可以六分之一的时间及五倍的解像度完成对大气的立体扫描[*],能有效捕捉快速变化的恶劣天气如龙卷风、冰雹、强烈雷暴及其引发的强阵风。以下列举2024年发生的两个天气案例来演示相控阵天气雷达在业务运作上所带来的裨益。
2024年4月30日一道低压槽为广东带来大骤雨及雷暴。当晚约9时一道强雷雨带影响珠江口西岸,并为澳门附近地区带来冰雹。随著该雷雨带向东移近香港西部,晚上9时19分左右沙螺湾相控阵天气雷达的水凝物分类垂直剖面图清楚显示5公里以下出现冰雹(图一),天文台亦在雷暴警告发出香港可能受冰雹影响的相关信息。
2024年9月28日下午约12时30分维多利亚港内出现水龙卷(图二,左),是自1959年以来首次在维多利亚港内有水龙卷报告。沙螺湾相控阵天气雷达在相近时间的多普勒风场显示与水龙卷相关的偶极结构 [2] (图二,右),即表示气旋性的涡旋。天文台进一步利用沙螺湾相控阵天气雷达及大老山长程天气雷达数据进行双多普勒风场反演,得出与水龙卷相关的三维立体风场 [3,4] (图三), 加强了解水龙卷的结构和特性。
由于沙螺湾相控阵天气雷达安装在较低高度的位置(雷达天线高度离海平面约35米),雷达扫瞄范围可低至数百米的低空空域,大大加强天文台监测低空天气状况的能力,包括低层降雨和风场变化。从以上水龙卷案例,沙螺湾相控阵天气雷达数据可结合其他长程天气雷达数据进行双多普勒风场反演,得出高解像度的三维立体风场,这可让天文台为无人机、小型飞行器等低空载具提供气象资讯,有助确保低空飞行安全,促进低空经济的发展。

图一 沙螺湾相控阵天气雷达于2024年4月30日下午9时19分左右的水凝物分类垂直剖面图显示5 公里以下出现冰雹(白色椭圆圈内的红色点)。

图二 左图:2024年9月28日下午12时30分左右维多利亚港出现水龙卷(相片由政府飞行服务队提供)。右图:沙螺湾相控阵天气雷达相近时间的多普勒风场显示与水龙卷相关的偶极结构(绿色:移向雷达,橙色:远离雷达)。

图三 利用2024年9月28日下午12时30分左右沙螺湾相控阵天气雷达及大老山天气雷达数据所反演出的三维立体风场。左图:离海平面约1,435米的水平风场叠加沙螺湾多普勒风场图像(红圈标示气旋性的涡旋流场)。右图:沿左图A-B黑线的垂直风场剖面图叠加沙螺湾多普勒风场图像(椭圆红圈标示左图的气旋式涡旋相应的上升气流)。
注:
[*] 沙螺湾相控阵天气雷达可在一分钟内完成最高达68层的立体扫描,并提供空间解像度低至30米的雷达图像。相比之下,天文台两台分别在大帽山和大老山的长程雷达需6分钟完成12层立体扫描,雷达图像空间解像度为150米。
[*] 沙螺湾相控阵天气雷达可在一分钟内完成最高达68层的立体扫描,并提供空间解像度低至30米的雷达图像。相比之下,天文台两台分别在大帽山和大老山的长程雷达需6分钟完成12层立体扫描,雷达图像空间解像度为150米。
参考资料:
[1] 应用相控阵天气雷达监测恶劣天气
[2] 如何解读多普勒天气雷达的风场
[3] Application of three-dimensional wind fields and dual-polarisation signals of an X-band Phased Array Weather Radar in diagnosing vertical motion and cloud electrification of convective storms.
[4] A Variational Vethod for the Analysis of Three-Dimensional Wind Fields from Two Doppler radars.
[1] 应用相控阵天气雷达监测恶劣天气
[2] 如何解读多普勒天气雷达的风场
[3] Application of three-dimensional wind fields and dual-polarisation signals of an X-band Phased Array Weather Radar in diagnosing vertical motion and cloud electrification of convective storms.
[4] A Variational Vethod for the Analysis of Three-Dimensional Wind Fields from Two Doppler radars.