气象现代化装备科普图解内容10.15

气象现代化装备科普图解内容

（10幅）

 新一代多普勒气象雷达

1. 简述气象雷达的原理（简单带过）、作用，我省新一代多普勒天气雷达的布网情况

提到雷达，人们往往想到是又高科技又神秘的东西，其实雷达就是一种探测设备，探测几百公里范围内天气情况的设备，所以它又俗称“千里眼”。这个“千里眼”说来可不简单，230公里范围内的天气可都逃不过它的火眼金睛。

那么它是怎么“看”到这么大范围的天气的呢？原来雷达会通过巨大的锅盖天线发射一种电磁脉冲波，碰到降水就会发射回到雷达天线（图1），所以这就叫回波，雷达的计算系统就会得到降水的位置、强度等等信息。电磁波传输的距离那可就远了，几百公里不在话下，然后雷达天线360度转一圈，就把整个几百公里范围内的天气尽收眼底了。

图1 雷达如何探测降水（北京市气象局原稿）

（三明、泉州、宁德已建成，漳州、莆田在建）---

2. 如何看懂雷达图？

怎么看得明白这个雷达图呢？步骤很简单，四步：1、看时间；2、识地图；3、辨颜色；4、观动画。看时间,就是先要知道这张雷达图探测

的时间是什么时候的，是不是最新的。识地图，就是要分辨得出你所关心的位置在雷达图的什么地方。辨颜色，这个很重要，就是根据回波的颜色可以知道降水的强弱，一般来讲雷达图从蓝色绿色黄色红色紫色的顺序表示降水的强度越来越强，蓝色不下雨我们不关心，其他的我们编一个顺口溜就好记了，雷达图就是一锅“菠菜蛋花西红柿紫菜”汤（图

2），菠菜就是绿色系表示小雨，蛋花是黄色系表示中雨，西红柿是红色系表示大雨到暴雨，紫菜表示紫色系表示有极端强对流。所以菠菜蛋花还挺浪漫，西红柿靠近你就赶紧跑吧，要是紫菜来了恭喜你被强雷暴、大风或者冰雹盯上了，立即躲起来吧，好我们再念一遍“菠菜蛋花番茄和紫菜，小雨中雨大雨强对流”。最后，很多说我怎么知道它什么时候影响我呢？那就只能放大招了：观动画！根据雷达回波图像的动画，你可以看到过去一小时的回波移动方向和速度，最简单的根据这个速度外推你就可以判断大致多长时间到你这里或者离你而去。

图2 根据雷达回波颜色分辨降水

好了，看雷达图就这么简单。但是我还教大家一个高级技能，要不怎么能显示我是专家呢。这个高级技能就是怎么判断会有出现灾害的短时暴雨，记住两点：挂灯笼、推火车。这两点都是基于观动画之上的，当你从动画雷达回波图看到：红色回波少动或不动持续时间较长的现象这个就是俗称挂灯笼（图3）；或者，一块块暗黄色以上强回波组成带状像一列火车车厢顺序经过同一个地方这个就形象地被称为推火车（图

4）。看到这两个现象之一，那么受影响地区就非常可能出现致灾暴雨。

图3 挂灯笼（红灯笼一直挂在在高陂到抚市，持续3小时）

图4 推火车（箭头为回波移动方向）

 风廓线雷达

3. 用通俗话讲解风廓线雷达的用途及全省分布情况。

风廓线雷达资料能够揭示出天气尺度系统的演变、中小尺度天气系统的结构，能够反映降水发生时云水分布和风场信息，对强对流天气和暴雨具有指示意义。同时，风廓线雷达的业务开展和产品应用在为气象预报业务服务以及在北京奥运会、上海世博会等重大活动的气象保障中发挥了积极作用。风廓线雷达不仅可应用于气候研究、数值天气预报等气象领域,而且在航空航天、火箭发射保障、射弹风修正、空气污染潜势预报、空气质量预报、城市环境气象服务等许多领域都有着广泛的应用前景.

特点：（1）获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷达的测量具有连续和实时的特点。（2）获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多种气象信息。风廓线雷达在提供详细的风场结构及其随时间演变的同时，还能够提供大量的可以用于大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是常规探测手段很难获取这些资料。（3）遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。

2011年11月我省第一部风廓线雷达在永安落成，随后相继在武夷山、福清、罗源、平潭、德化、平和、武平、建瓯建成9部雷达平均分布在我省各个地市，已初步形成风廓线雷达网络，为后期组网应用于数值预报提供可靠的数据。

 移动气象应急观测系统

4. 移动气象应急观测系统有哪些部分组成的，起到什么作用

移动气象应急观测系统由气象应急指挥车、移动风廓线雷达车、便携式移动气象站等几部分组成。

（1）气象应急指挥车作用：移动气象指挥车集卫星通信、气象探测、分析预报、应急指挥于一体，不受电力、通信条件限制，可在到达现场3-5分钟内快速建立起卫星宽带通信链路，实现与指挥中心双向通信车载卫星系统的移动应急指挥平台。气象应急指挥车由卫星通信系统、自动气象站、气象会商系统、MICAPS系统、移动视频监控系统、独立供电系统、机动车辆等设备构成。气象应急指挥车可实现卫星通信的星状、点对点、网状协同工作并柔性切换。卫星通信带宽动态可调，最大可达8Mbps。

气象应急指挥车既是固定应急指挥中心指挥调度工作的必要延伸、补充和备份，也是可移动的分指挥中心，负责现场气象探测、预报、灾情实时传送和指挥调度工作，并与指挥中心保持实时的卫星连线，主要传递的内容为话音、视频和数据。

（2）风廓线雷达车的作用前面已介绍

（3）便携式移动气象站作用：便携式自动气象站是应用现代气象传感器技术、数据采集器技术、微机与通讯技术，实时的对预监测地区的大气温度、湿度、压力、风向、风速、等气象要素进行全自动观测，并以便携式微机显示出实时准确气象信息；亦可通过有线或无线实现气

象站组网观测。

该系统主要由智能综合传感器、微机、电源等组成。可手持、车载。 主要功能及特点:

☆自动采集气象参数并转换为工程量

☆测量精度高、存储容量大

☆风向自动定北

☆接有线或无线 Modem 可组网

☆ 体积小、重量轻“想到哪里测就哪里测

移动应急平台由卫星通信设备（动中通），CDMA 1X无线数据通信设备，综合网络控制设备，语音网关，视频会议，无线采集，综合调度，北斗定位，网管代理等等组成。

移动应急平台是固定应急指挥中心指挥调度工作的必要延伸、补充和备份，是可移动的分指挥中心，负责现场指挥调度工作，并与指挥中心保持实时的通信联络和信息传递，主要传递的信息为话音、视频和数据。该设备可用于气象应急指挥。

 综合气象观测系统

5. 综合气象观测系统

综合气象观测系统涵盖了从原始观测信息获取到观测数据产品加工制作的全过程，通过地基、空基、天基观测系统综合集成，全面获取大气以及陆地、海洋、空间等相关领域物理过程、化学过程和生态过程信息，经过分析、加工和处理，形成不同尺度、不同时空分辨率的观测数据和产品。综合气象观测系统是国家重要的公共基础设施，是现代气象业务体系的重要组成部分。

从下图可以看出，综合气象观测系统的观测平台主要有地基、空基和天基，观测范围为五大圈层，观测方式包括直接观测、遥测、遥感等多种方式。其实际内容主要包括：空基观测系统（如地球静止卫星和极轨卫星的观测）、地基观测系统（如自动气象站、气象雷达站和廓线仪等）、飞机观测系统、海洋表面观测（如漂流浮标，锚定浮标，冰浮标和志愿观测船等）。

地面基准气候观测。形成能够准确反映我国基本气候状态和气候变化事实的国家基准气候站网，实现温度、降水等主要气候要素长期、连续、高精度自动观测。主要设备包括各种型号自动气象站。

高空气候观测。准确进行高空温度、湿度观测，逐步形成高空基准气候观测能力。主要设备包括GPS探空系统、风廓线雷达、地基GPS/MET站、商用飞机观测等。

卫星气候观测。气象卫星具有辐射通量和辐射强迫观测，温室气体、臭氧、气溶胶、云等高精度观测，微波和高光谱观测，以及能够对大气温湿廓线进行精度观测。主要包括地球静止卫星和极轨卫星。

大气成分观测。以温室气体观测和气溶胶观测为重点，开展地面臭氧、反应性气体观测，提升大气成分观测稳定运行能力。

海洋气象观测。利用搭载的气象水文观测设备，对海上气象要素、海洋动力(水文)和海水化学(水质)三方面参数进行长期、连续、自动监测。能够切实提高海上气象预报业务能力，特别是做好台风观测和航道气象服务有深远意义。

天气雷达观测。（上面有详细说明）

移动观测。移动自动气象站、移动天气雷达、移动风廓线雷达等移动观测系统，能够满足防灾减灾、重大社会活动、突发公共事件、科学试验等气象保障服务的需求。

（或）

6. 地面观测站作用建站要求及福建省内站点分布

世界气象组织对地面气象观测项目要求有：温度（气温、海水温度、土壤温度）、相对湿度、气压、云（云状、云量、云高）、风（风速、风向、阵风）、降水、太阳辐射量、能见度、蒸发、波浪（浪高、周期与波向）。观测时间以格林威治时间零时开始。

气象观测场要求设在对当地的天气和气候具有一定代表性的地点，如：四周空旷，场地平坦，远避坡谷、水泽和林木等地形地物的影响。场地的标准面积为25×25米2,场内保持不超过20厘米高的均匀草层，围栏涂以白漆，防止辐射影响。

（站点可用百叶箱来指代）

 自动站

7. 自动站的优点及我省自动站的数量及布网情况

优点：（1）提高气象观测的时空分辨率；（2）可有效避免人工观测的误差，提高观测数据的质量和可靠性；（3）保证观测的可比性要求；（4）可减轻观测人员的数量和劳动强度，从而改善观测业务条件、降低观测业务成本。

全省共有1900多个气象自动观测站。

福建省区域自动气象站分布图：

 浮标站

8. 为什么要设置浮标站，我省的浮标站的布网情况

浮标站是海洋气象自动观测平台，是现代海洋气象立体监测系统的重要组成部分。它具有自动、长期、连续收集海洋气象资料的能 力，即使在恶劣环境，在其他现场监测手段都难以或无法实施监测的时候，海洋浮标仍能有效工作。因此，它是海洋气象预报业务的重要基础。浮标站对于深入开展海洋气象观测、资料应用与研究，特别是对做好经过该海域台风监测预警和海峡航道气象服务具有重要作用，将提高台湾海峡气象探测能力。

目前我省运行浮标站5座，分别位于台湾海峡北部-海峡1号、福鼎外海-宁德站、平潭外海-福州站、厦门外海-厦门站和台湾浅滩渔场-海峡2号。分布图如下图所示：

 高性能计算机

9. 为什么需要高性能计算机，它的作用和功能

高性能计算机-科普材料

应用需求分析

俗语虽说：“天有不测风云”，但从古至今，人们从未停下对于气象研究的脚步， 这不仅因为气象与人们生活息息相关， 而且现在已经关乎了国家的经济命脉。在现实生活中， 谁做出了最精确的天气预报，谁就可以避免重大的人员财产损失。 随着人类文明的发展，气象预报也经历了翻天覆地的变化， 从夜观天象到如今先进的数值气象模拟，伴随着科技的进步和高性能计算机技术的发展， 人们已经可以对于几公里范围

内甚至几十米的范围内实现比较准确天气预报。

气象预报与高性能计算机

随着社会经济的发展，政府、社会和公众对气象预报和服务提出了更高的要求，特别是一些特殊气象保障任务需要预报员提供定点、 定时、定量的精细气象预报和服务。而对于现代天气预报而言， 为确保其实施的实效性和运行的稳定性， 必然要求建立在数值预报基础之上，但数值模式普遍具有计算规模巨大、高精度等特点， 于是高性能计算机便成

为了现代气象研究的中流砥柱。 当今，世界各个气象预报机构和组织无一例外都装备了性能卓越的高性能计算机。

很明显， 数值天气预报水平的高低已成为衡量世界各国气象事业现代化程度的重要标志。 例如： 美国国家大气研究中心与科罗拉多大学合作， 采用了 IBM 蓝色基因超级计算机来仿真海洋、 天气和气候现象，并研究这些现象对农业生产、 石油价格变动和全球变暖等问题的影响； 日本科学家研制成功了代号为 “地球模拟器 ”的超级计算机，其主要目的就是要提供准确的全球性天气预报， 使各个国家和地区更好地防御暴风雪、 寒流和酷暑期的到来； 中国气象局从 1991 年开始利用数值模拟进行气象预报， 分辨率可以达到 320 公里，从 1996 年开始， 中国气象局引进的机器开始从向量计算机转向了并行计算机， 分辨率已经可以达到 60 公里， 未来随着模拟分辨率的进一步提高，将对高性能计算提出更高的需求。

另外， 我国是一个幅员辽阔的国家， 在气候上呈现多层次、多样性、多变性等特点，尤其是近几年洪涝、 干旱等自然灾害比较严重， 及时、 准确的天气预报逐步受到重视， 因此随着地区气象市场的逐步成熟，更高效率的高性能计算机成为了人们关注的对象。 而高性能计算机的应用可以增强对天气预测的准确度，也为我们的人工影响天气提供了基础的支撑。

气象行业高性能计算应用特点

一、 原始数据量巨大

气象预报的原始数据为专业人员、 自动气象站或者浮标收集的气压、 气温、 风速、 风向、 湿度等数据。世界气象组织协调这些数据采集的时间，并制定标准。 这些测量分每小时一次（ METAR ）或者每六小时一次（ SYNOP ）； 另外，气象卫星的数据现在也越来越重要，例如它们的可见光照片可以帮助气象学家来检视云的发展，它们的红外线数据可以用来收集地面和云顶的温度等等。

这些数据汇总起来是非常可观的，据统计，每天新产生的气象资料量就高达 500GB ， 其中观测资料作为战略物资需要严格保存和定期读写。这都对高性能集群的存储提出了很高的要求

二、 计算量巨大

数值天气预报是使用电脑来模拟大气。 它使用数据同化的结果作为其出发点， 按照现在 物理学和流体力学 的结果来计算大气随时间的变化。由于流体力学的方程组非常复杂，因此只有使用超级计算机才能够进行数值天气预报。

中尺度气象预报模式（ MM5 、 WRF 、 GRAPES 和 AREMS ）有着惊人的计算量， 同时由于气象预报的特点决定了其极高的实时性，要求模式必须在指定的时间内完成运算（一般不超过 2 小时）。 另一方面，人们对气象预报的精度提出了越来越高的要求，目前预报精度从几百公里、 几十公里提高到几公里甚至几十米， 而这将大幅度提高了模式的计算量。

可以这样说，数值天气预报对于高性能计算的需求是无止尽的，现有的 HPC 资源还远远达不

到人们所要求的准确性。

三、 通讯极为密集

由于模式都是并行软件， 同时一般都采用有限差分格点模式并行计算， 所以运行中尺度气象预报模式时，各个 CPU 之间的通讯量很大，模式对通讯的性能要求非常高。 如 MM5 、 WRF 的通讯既包括母域和嵌套域之间的域间通讯，又有各个域内部不同数据划分之间的通讯。 所以这就要求高性能计算机有高性能的

通讯网络。

四、 实时性强、 定时运行

气象预报本身的特点决定了其要求很强的实时性。 同时， 预报系统要求定时定点自动运行， 无需人工干预。 一般每天在固定的 2-4 个时段运行， 每个时段 2 小时内运行完。 这些作业每天在相同时刻运行， 必须保证这些模式可以按时计算完毕。

五、 主模式是计算量之所在

从软件的处理流程上看， 一般分为前处理、 主模式和后处理。 前处理包括资料的下载、 数据同化等等，后处理主要是指图形化处理生成产品等， 前/后处理一般对计算机要求不是太高。主模式是整个系统的主要部分， 也是主要计算量所在，这个部分是对计算机性能要求非常高。

 人工影响天气装备

10. 简单介绍人工影响天气方法及装备

一、人工影响天气作业装备

人工影响天气作业作业装备包含飞机、移动式火箭发射装置、高炮和地面烟炉四类。

（一）飞机：具有机动性强、播撒位置准确、覆盖范围广的特点。

图1 “夏延－ⅢA”人工增雨飞机 图2 移动式火箭发射装置

（二）移动式火箭发射装置：具有作业播撒路径长，发射高度高、成核率高、便于操作、机动的特点。

（三）高炮：具有作业弹道稳定、爆炸效应和射击方式多的特点。 图3 57高炮 图4 地面烟炉

（四）地面烟炉：具有适用性强、不受空域限制、操作简便、作业时间长、播撒剂量大、经济、安全等特点。

二、人工影响天气方法

人工增雨，人工防雹等方法。

（一）人工增雨方法

1. 冷云人工增雨方法

通过飞机、火箭和高炮发射装置,在符合人工增雨作业条件的云体内部-15℃～-10℃的高度上播撒适量人工冰核（如碘化银等），来增加云体内部冰晶浓度，激发冰水转化过程的发生，实现云体降水或增大降水。

图5 冷云人工增雨作业图6 冰水转化过程

2. 暖云人工增雨方法

通过飞机和地面烟炉装置,在符合人工增雨作业条件云体云底且温度高于0℃的高度上播撒适量吸湿性颗粒物（如氯化钾和盐等），来增加云体内部大雨滴的数量，促进重力碰并过程的发生，实现云体降水或增大降水。

（二）人工防雹

通过火箭和高炮装置，对正在发生发展的潜在冰雹云的雹胚形成区播撒大量人工冰核（即人工雹胚），与自然雹胚“争食过冷水”，达到抑制冰雹增长、减少冰雹危害的目的。