三维雷达图应用时代来临，准备好了吗？
中国气象报2020-10-12 21:11
11年前，好莱坞以一部恢宏巨制《阿凡达》，引领电影业进入了一个所谓的3D时代，给观影人带来2D时代无可比拟的视觉感受。在气象领域，雷达气象产品也正准备迎来它的3D时代。
目前雷达气象产品的可视化表达，还处在“2D”时代，雷达探测的是三维空间数据，但以PPI、RHI、CAPPI方式呈现出来的雷达气象产品，都是二维平面图像。
以这种二维图像去理解天气系统的三维结构，既不直观，还可能造成了解的信息与实际情况存在偏差。
如果可以实现雷达数据的三维可视化表达，气象工作者便能更全面了解天气系统的结构，从而做出更准确的判断。
气象行业对雷达数据三维可视化表达充满期待。
雷达三维可视化产品有哪些
三维雷达回波
三维雷达回波是最重要的雷达数据三维可视化产品，它可以反演天气系统的三维结构。通过三维雷达回波，气象工程师能够轻松区分超级风暴单体、脉冲风暴、层云降水等天气系统，并可以根据三维回波的形态来判断风暴发展趋势。
基于WebGIS的雷达回波三维可视化图像，由不同强度回波的等值面体组成，形象还原天气系统三维结构，通过调整外层的等值面体的透明度，可以同时看到多层回波结构。
强对流天气的三维雷达回波图
三维风场
多部雷达协同观测，在其重叠覆盖区域可以根据他们的径向速度算出真实的三维风矢量。通过真实三维矢量演示三维风场，可直观便捷地分析风暴的气流运动状态以及涡旋结构。
基于WebGIS的真实三维风矢量场，红色箭头是上升气流，绿色箭头是下沉气流
三维挤压
三维挤压是根据回波强度等物理量的值进行垂直拉伸形成的三维可视化效果，能够形象地展示物理量的分布特征。
回波强度三维挤压效果
三维垂直剖面
任意垂直剖面是展示的是垂直面上的雷达回波强度图，是目前常用风暴垂直结构分析方式。
任意垂直剖面
多层切片
多层切片可以实现指定区域回波的三维分层展示，方便气象技术人员进行多层雷达数据分析。
多层切片效果
三维雷达图的应用不仅是可视化
目前雷达数据三维可视化技术已经比较成熟，但要实现三维雷达产品业务化应用，还需要更高时空分辨率的数据和足够的数据处理能力，否则再好的展示也没有意义。
近年随着双极化（双偏振）相控阵天气雷达的应用，雷达探测数据的精细化程度有了很大的提升，为三维雷达产品业务化应用提供了有利条件。相控阵雷达开始是用于军事侦察，由于相控阵雷达采用的是电子扫描，能极大提高探测的时间分辨率。
双极化相控阵天气雷达既具有相控阵雷达快速扫描的特点，又拥有双极化雷达获取天气系统丰富探测信息的优势，能够极大提高雷达数据的时空分辨率，从而保证三维雷达产品的可靠性。
数字多波束电子扫描
双极化相控阵雷达的另外一个优势是能够实现协同组网观测。协同组网观测可以进一步提升雷达数据的时空分辨率，改善整体数据的质量，提高系统的空间覆盖面积，减少盲区范围，并实现真实三维风场反演。
双极化相控阵天气雷达协同组网观测系统
从目前市面上已经推出了成熟的双极化相控阵天气雷达设备来看，雷达的精度已经基本满足三维雷达产品应用的需求。
珠海纳睿达科技有限公司的X波段双极化有源相控阵雷达，采用数字多波束电子扫描，完成一个体扫只需要30s；空间分辨率最小可达30米。
15部雷达组网，数据处理扛得住吗？
双极化相控阵雷达的高时空分辨率优势也带来了一个难题，就是数据量庞大，一台雷达一天可以产生将近150GB数据，数据从采集到前端展现需要经历复杂的处理过程，这对网络、存储和算力都提出了很高要求。不过随着分布式存储、分布式计算等计算机技术的发展，目前这些问题都有了很好的解决方案。
2019年粤港澳大湾区建成世界首个由偏振相控阵雷达组成超精细化天气协同观测网，观测网采由15部纳睿达X波段双极化相控阵天气雷达组成，数据产品已经实现1分钟内从雷达端到用户端，还能根据组网需求动态扩容。
台风”海高斯”三维雷达回波图
双极化相控阵雷达正引领着雷达气象产品可视化表达由二维平面显示进入3D时代
以前气象技术人员用勾状回波、弓形回波等词语来描述天气系统回波特征
现三维雷达图应用的时代要来了
在三维雷达产品世界里他们
将如何构建他们的分析体系呢？
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审核：段昊书文字编辑：比偶
内容提供：应用案例、图片均由纳睿达科技有限公司提供
微信编辑：森蝶 比偶
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