英雄本色是什么意思

我们大都有去医院接受CT检查的经历，CT即电子计算机断层扫描，通过CT机沿着人体扫描多个断层图片。医生通过对患病部位的扫描，能够获得病变部位图像信息，诊断具体病因。CT能够突破身体表面探测到身体内部的信息，那么对于整个天空正在发生的天气现象，我们能否也能窥探内部的情况呢，其实在气象观测的领域内，我们也有类似CT机一样的设备：那就是天气雷达。

对于雷达，大家熟悉的是军事中用于探测跟踪军事目标的探测设备，而天气雷达，也确实是从军事雷达发展而来，与军事雷达跟踪飞机战舰等军事目标不同，天气雷达探测的是大气中的水滴粒子，通常是带有丰富降水的云体，图1即展示了雷达的基本探测原理。

图1 雷达探测原理示意图

目前新一代天气雷达通过扫描可以获得很多信息，最基本的是反射率强度，也是最传统的雷达数据。也可以通过多普勒效应获取目标相对于雷达的径向运动速度。雷达的电磁波探测的是一定直径的粒子，能造成的回波不一定是水滴粒子，具有双偏振功能的雷达还能获得粒子更多的回波特性，区分是降水粒子还是其他物体的反射，大大提高了降水回波的识别能力。在我们的天气观测业务中，全国布局了200多部不同波段的天气雷达（主要是C波段和S波段雷达），实现降水的24小时监控。

通常天气雷达的扫描是以雷达站为原点，使用固定的天线仰角，进行360°的旋转，每隔一定方位角度发射电磁波，并接受反射回来的回波，根据其反射回来的时间计算距离并记录其反射回波强度，最终获得该角度上多个距离范围的数据。这样一个角度称作径向扫描，一个圆周下来的360度径向扫描称作平面扫描，获得数据在计算机上显像称作平面位置显示（PPI）。因为我们的降水云体是一个三维的分布，为了探测不同高度的情况，一个完整的扫描会使用多个不同的天线仰角，做多次平面扫描，这样一组扫描称作体积扫描（Volume Scan），体积扫描的数据称作基数据。体积扫描的空间分布情况如下图（图2）所示：

图2 雷达体积扫描空间分布

我们可以把一个体积扫描看作是以雷达为圆心的多个锥形面，就像CT扫描中的多个断层图片，能够让预报员了解整个雨云的空间结构。下图（图3）是不同角度的径向在高度上的射线路径，由于地球曲率的原因，所以低仰角在垂直面上会有看起来上翘的曲线效果。

图3 不同角度的径向在高度上的射线路径

下面的图像（图4）是我们通过《雷达基数据结构分析软件》所展示的一个体积扫描的多个不同平面位置显示的图像，分别是0.5度、1.5度、2.4度、3.3度仰角的锥体。通过体积扫描空间分布图，我们可以想象三维空间中云体的分布情况。

图4 体积扫描多个不同平面位置显示

有了雷达图像的帮助，我们就可以像“医生借助CT图片了解身体”一样了解“天气系统中的雨水分布”。下面的图像（图5）是典型的雷达数据加工后的产品图片，称作组合反射率，它是把该区域内雷达反射率强度最大的数据拼到一起的图像，从而获得整体的降水分布信息。

图5 雷达的组合反射率

图像的左侧有一条色带和数值，从下往上对应的数值递增，在图像上各种颜色的区域实际上对应着相应范围的回波强度数据，因此通过这样一张图，我们可以简单地了解到反射率强度的分布。一般来说，粒子的颗粒越大，反射率强度值越大，从小雨，中雨，大雨，甚至冰雹，水凝物颗粒的直径是增加的，因此数值越大的区间，表示雨滴直径越大，如果这些雨滴落到地面，大的雨滴就是暴雨，小的雨滴就是毛毛雨。所以从图像上我们可以知道，那些没有颜色的区域，表示晴空，而蓝色的区域，可能是小雨，黄色的区域可能是中雨，红色的区域可能是大雨，而达到紫色的区域，有较大的几率会出现冰雹天气。上面的图片做了一定的强化处理，去除了弱回波，保留了绿色以上的回波区域。

当然上面也讲到，天气雷达本质上探测的是一定直径的颗粒物，一些非气象物体也会造成回波，比如烟尘粒子，昆虫，我们不能看到有回波就认为有降水，那么该怎么去识别它呢？降水回波是具有一定特点的，一般是从外围到中心强度逐渐增强，降水回波同时也是在变化的，通过前后时间的图像对比或者动画，我们能够看到降水回波的移动，增长，消散。如果看到基本没有变化，或者变化很杂乱的回波，那很可能不是气象回波。

在CT数据的处理软件中，医生会将多个断面数据联合起来，利用插值进行三维重建，获得更直观的骨骼整体结构的三维图像。同样的，天气雷达的数据也可以通过三维重建，获得一个较为直观的雨云的空间结构图像，下面我们利用多个锥面的数据，对选定特定区域进行三维重建，看看能够获得什么样的信息：

下图（图6）是一块典型的冰雹云，我们划定图中的区域进行三维重建，从气象理论来说，冰雹通常在较为典型的风暴单体中生成，而风暴单体沿着移动的方向，会有一个穹窿状的结构，下图的红圈部分，出现的典型的穹窿结构，印证了理论的正确性。

图6 一个典型冰雹云的三维重建

下图（图7）展现了一个局部发展的雷暴云的巨大云跕和风暴中心部分窥探视角的精细化三维结构：

图7 雷暴云的精细化三维结构

三维重建技术能够让我们更直观地了解雨云的结构，但三维重建是通过空间插值，把缺失的空间数据补全起来。只有空间分布线性的情况下才能较真实地体现出实际情况。

以上我们简单介绍了天气雷达的观测方式和天气雷达资料的简单解读，并展示了天气雷达数据的三维化后的效果。日常生活中，天气预报最不可捉摸的就是“局地”，当我们出门的时候，如果担心几小时内是否会下雨，查看一下雷达图像上的回波信息，看看有没有降水回波，看看它移动和发展的趋势，也能对未来天气有一个较大的把握，从而避免被“局地”的雨所侵扰，在气象预报中，这被称作临近预报。天气雷达在临近预报中有着不可替代的作用，我们可以从气象局的网站甚至一些气象APP中获得实时的天气雷达图像，我们每个人，都可以通过天气雷达，成为临近天气的预报员，天气雷达作为24小时运行的天气CT机，让每个人都能把脉天气的变化！