多普勒雷達(dá)在氣象中的應(yīng)用

馬中元

摘要：本文簡(jiǎn)略回顧了雷達(dá)氣象學(xué)的發(fā)展史和多普勒雷達(dá)工作原理，指出雷達(dá)利用電磁波的散射與吸收、衰減與折射和多普勒效應(yīng)等基本原理，塑造了多普勒天氣雷達(dá)并建立了我國(guó)新一代多普勒雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為在氣象業(yè)務(wù)中監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)龍卷、冰雹、大風(fēng)和暴洪等災(zāi)害性天氣發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)氣象學(xué)；多普勒雷達(dá)；雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)；災(zāi)害性天氣

1雷達(dá)氣象學(xué)的發(fā)展歷程

1.1 雷達(dá)氣象學(xué)

雷達(dá)氣象學(xué)是利用氣象雷達(dá)進(jìn)行大氣探測(cè)和研究雷達(dá)電磁波與大氣相互作用的學(xué)科，它是大氣物理學(xué)、大氣探測(cè)和天氣學(xué)共同研究的一個(gè)分支。

雷達(dá)氣象學(xué)的主要內(nèi)容包括三部分：（1）基礎(chǔ)理論。包括云和降水粒子對(duì)雷達(dá)電磁波的散射；微波經(jīng)過大氣、云和降水粒子時(shí)的衰減；氣象條件對(duì)雷達(dá)電磁波傳播的影響，如大氣折射、大氣不均勻結(jié)構(gòu)的散射等。（2）應(yīng)用理論。包括雷達(dá)測(cè)量降水和云中的含水量；天氣系統(tǒng)(特別是中小尺度系統(tǒng))的雷達(dá)回波在天氣分析預(yù)報(bào)上的應(yīng)用；云和降水物理探測(cè)研究上的應(yīng)用；多普勒雷達(dá)和各種波長(zhǎng)的雷達(dá)在風(fēng)的水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)、氣流速度、降水粒子譜、晴空回波、大氣湍流等探測(cè)研究中的應(yīng)用。（3）技術(shù)理論。包括各種氣象雷達(dá)資料的數(shù)據(jù)反演、處理和傳輸?shù)燃夹g(shù)。

1.2 氣象雷達(dá)的發(fā)展簡(jiǎn)史

20世紀(jì)40年代，雷達(dá)開始用于降水天氣過程的探測(cè)，這一時(shí)期的雷達(dá)都是軍用警戒雷達(dá)改裝而成。主要是建立雷達(dá)氣象學(xué)理論基礎(chǔ)的階段；50年代是從定性研究轉(zhuǎn)入定量研究的階段，其中包括定量測(cè)量降水，以及對(duì)雷達(dá)信號(hào)脈動(dòng)、偏振等現(xiàn)象的研究。50年代后期和60年代初期，許多國(guó)家建立了雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，促進(jìn)了雷達(dá)氣象學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。如美國(guó)國(guó)家天氣局用的WSR-1、WSR-3，英國(guó)生產(chǎn)的Decca41、Decca43等。國(guó)內(nèi)1950年也引進(jìn)Decca41雷達(dá)用于監(jiān)測(cè)天氣。

20世紀(jì)60年代后，雷達(dá)氣象學(xué)在多方面得到了新的發(fā)展，表現(xiàn)在雷達(dá)氣象方程精度的改進(jìn)；同時(shí)，氣象雷達(dá)在資料實(shí)時(shí)處理和觀測(cè)結(jié)果傳輸方面也取得了很大進(jìn)展，并出現(xiàn)了定量探測(cè)的天氣數(shù)字化雷達(dá)網(wǎng)，這時(shí)期的雷達(dá)被命名為天氣雷達(dá)。

20世紀(jì)80年代后，隨著數(shù)字技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)1988年開始批量生產(chǎn)WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)，全美共布設(shè)155部WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)。WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)不僅有較強(qiáng)的探測(cè)能力，較好的定量估測(cè)降水的性能，還具有獲取風(fēng)場(chǎng)信息的功能，并有豐富的雷達(dá)算法和應(yīng)用軟件支持，可為用戶提供多種監(jiān)測(cè)和預(yù)警產(chǎn)品。

2多普勒雷達(dá)工作原理

2.1 氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的散射和吸收。

粒子對(duì)電磁波作用的兩種基本形式是散射和吸收，氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的散射是雷達(dá)探測(cè)大氣的基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波束在大氣中傳播遇到空氣分子、大氣氣溶膠、云滴和雨滴等懸浮粒子時(shí)，入射電磁波一部分會(huì)從這些粒子上向四面八方傳播開來，這種現(xiàn)象稱為散射；一部分被粒子吸收。其中向后散射波要返回雷達(dá)方向被雷達(dá)天線接收，可用振幅和位相來提取目標(biāo)物的發(fā)射率因子、平均速度和速度譜寬三個(gè)基本量，從而推斷出相應(yīng)天氣系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征。

2.2 電磁波在大氣中的衰減和折射。

2.2.1 衰減

電磁波能量沿傳播路徑減弱的現(xiàn)象稱為衰減。造成衰減的物理原因是因?yàn)殡姶挪ㄍ渡涞綒怏w分子或云雨粒子上時(shí)，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰?，從而使電磁波減弱。由于衰減作用，使雷達(dá)回波功率減小，會(huì)造成雷達(dá)回波的失真。電磁波的衰減與電磁波的波長(zhǎng)負(fù)相關(guān)，波長(zhǎng)愈長(zhǎng)衰減愈小。

2.2.2 折射

電磁波在真空中是沿直線傳播的，而在大氣中由于折射指數(shù)分布的不均勻性，就會(huì)產(chǎn)生折射，使電磁波的傳播路徑發(fā)生彎曲。大氣折射主要有5種：（1）標(biāo)準(zhǔn)大氣折射；（2）臨界折射；（3）超折射；（4）無折射；（5）負(fù)折射。大氣折射與等效地球半徑、雷達(dá)波束中心高度、距離和仰角等因素有關(guān)。

2.3 多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)通常用聲波來形象說明。當(dāng)一輛火車?guó)Q笛以高速向你駛來時(shí)，聲音的頻率由于聲波的壓縮而增加；當(dāng)火車遠(yuǎn)離你而去時(shí)，聲音的頻率由于聲波的膨脹而減弱，這就是多普勒效應(yīng)。一個(gè)聲源以25m/s的速度移近或遠(yuǎn)離聽者，會(huì)產(chǎn)生800Hz的多普勒頻移。

多普勒雷達(dá)發(fā)射的電磁波比聲波的頻率高很多，并以光速傳播。對(duì)于一個(gè)采用10cm波長(zhǎng)（S波段）的多普勒雷達(dá)來說，傳播頻率是2.85×109Hz（2.85GHz）。一個(gè)以25m/s的速度運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，將產(chǎn)生一個(gè)487Hz的多普勒頻移。多普勒雷達(dá)通常不是直接測(cè)量多普勒頻移，而是通過測(cè)量相繼返回的“脈沖對(duì)”之間的位相差來確定目標(biāo)物的徑向速度的。

因此，多普勒雷達(dá)與普通雷達(dá)不同，它除了能提供目標(biāo)物的發(fā)射率因子外，還能提供目標(biāo)物的徑向速度和譜寬產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在判斷強(qiáng)烈天氣出現(xiàn)時(shí)十分有用。

3新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)

3.1 S、C、X波段多普勒雷達(dá)

我國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)已建規(guī)模，共有7種型號(hào)3個(gè)廠家生成。其中10公分S波段有：SA、SB和SC三種雷達(dá)；5公分C波段有：CB、CC、CCJ和CD四種雷達(dá)。SA、SB和CB型雷達(dá)由中美合資企業(yè)北京敏視達(dá)公司生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)與美國(guó)WSR-88D類似；SC和CD型雷達(dá)由成都國(guó)營(yíng)784廠研制生產(chǎn)；CC和CCJ型雷達(dá)由電子工業(yè)部合肥38所研制生產(chǎn)。3公分X波段多普勒雷達(dá)一般配置為特殊功能的移動(dòng)雷達(dá)。

3.2 新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)組成

全國(guó)已完成158部S波段和C波段新一代多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的布點(diǎn)建設(shè)，形成基本覆蓋全國(guó)的天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。建設(shè)了國(guó)家、省、地三級(jí)遠(yuǎn)程信息傳輸系統(tǒng)和國(guó)家、省兩級(jí)雷達(dá)信息共享平臺(tái)，在15分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)資料、產(chǎn)品的全國(guó)共享?；就瓿蛇m應(yīng)不同需求的新一代天氣雷達(dá)綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中小尺度天氣及暴雨降水量、雨區(qū)的定點(diǎn)、定量預(yù)警等功能。建成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)和適合中國(guó)天氣系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。推動(dòng)國(guó)家雷達(dá)工業(yè)在軍用和民用領(lǐng)域的發(fā)展。新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)整體實(shí)力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

4多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用

4.1對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警

多普勒雷達(dá)觀測(cè)的實(shí)時(shí)回波強(qiáng)度（發(fā)射率因子Z）、徑向速度（V）、速度譜寬（W）的圖像中，提供了豐富的有關(guān)強(qiáng)對(duì)流天氣的信息，綜合使用Z、V、W圖像，可以較準(zhǔn)確和及時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)害性天氣?；夭◤?qiáng)度一直是判斷強(qiáng)對(duì)流天氣的重要參數(shù)，多普勒雷達(dá)中徑向速度分布圖也是判斷強(qiáng)對(duì)流的一種有效工具，因?yàn)?，?qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)和發(fā)展往往與氣流的輻合、輻散以及旋轉(zhuǎn)有關(guān)，在識(shí)別風(fēng)災(zāi)害時(shí)特別有效。

4.1.1龍卷龍卷是對(duì)流云中產(chǎn)生的破壞力極大地小尺度災(zāi)害性天氣，最強(qiáng)龍卷的風(fēng)速介于110～200m/s之間。當(dāng)有龍卷出現(xiàn)時(shí)，總有一條直徑從幾十米到幾百米的漏斗狀云柱從對(duì)流云云底盤旋而下，有的能伸達(dá)地面，在地面引起災(zāi)害性的風(fēng)稱為陸龍卷；有的伸達(dá)水面稱為水龍卷。在多普勒雷達(dá)回波識(shí)別中，龍卷主要由二類回波單體產(chǎn)生：一是超級(jí)單體回波；二是多單體回波。

4.1.2冰雹對(duì)流風(fēng)暴中強(qiáng)烈的上升氣流是產(chǎn)生大冰雹的必要條件。冰雹常常發(fā)生在超級(jí)單體回波中，形成并降落在中氣旋周圍的鉤狀回波附近的強(qiáng)回波區(qū)中。一些發(fā)展強(qiáng)烈的多單體回波也有可能產(chǎn)生冰雹。

4.1.3大風(fēng)災(zāi)害性大風(fēng)指的是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的龍卷以外的地面直線型風(fēng)害，對(duì)流風(fēng)暴中的下沉氣流達(dá)到地面時(shí)產(chǎn)生輻散，造成地面大風(fēng)。這種對(duì)流風(fēng)暴中的強(qiáng)下沉氣流叫做下?lián)舯┝?。下?lián)舯┝髟诘孛嬖斐傻娘L(fēng)速有時(shí)很大，類似龍卷那樣的災(zāi)害；有時(shí)風(fēng)速不大，但對(duì)機(jī)場(chǎng)飛機(jī)的起落影響很大。

4.1.4暴洪暴洪是指強(qiáng)降水在短時(shí)間內(nèi)造成的局地洪水，它取決于兩方面的條件：一是短時(shí)強(qiáng)降水；二是相應(yīng)流域的水文條件。暴洪的產(chǎn)生還與低空急流隨時(shí)間的變化、降水率的大小、降水系統(tǒng)移動(dòng)走向，以及降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。

4.2定量估測(cè)大范圍降水

多普勒雷達(dá)參數(shù)在建站時(shí)經(jīng)過仔細(xì)的校準(zhǔn)和標(biāo)定，在日常運(yùn)行中還會(huì)自動(dòng)定時(shí)對(duì)雷達(dá)參數(shù)校準(zhǔn)和檢測(cè)，以保證雷達(dá)回波強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。根據(jù)雷達(dá)回波強(qiáng)度與降水量Z-R關(guān)系，對(duì)降水強(qiáng)度隨時(shí)間進(jìn)行累積轉(zhuǎn)換成降水量，提供1小時(shí)、3小時(shí)累積雨量分布，從而做到定量估測(cè)大范圍降水。

4.3風(fēng)場(chǎng)信息

多普勒雷達(dá)除了可以實(shí)時(shí)顯示徑向速度分布圖像用來識(shí)別強(qiáng)對(duì)流天氣外，還可以獲得反演出風(fēng)場(chǎng)信息，既平均垂直風(fēng)廓線圖。這種產(chǎn)品在分析不同高度上的水平風(fēng)向風(fēng)速時(shí)十分有用。

5結(jié)語(yǔ)

多普勒雷達(dá)在氣象中的應(yīng)用范圍十分廣闊，除在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用外，還可以應(yīng)用到人工影響天氣（人工降雨）作業(yè)，環(huán)境評(píng)介（研究喘流、邊界層風(fēng)）等領(lǐng)域。最新升級(jí)成功的雙偏振雷達(dá)現(xiàn)已成為天氣雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要業(yè)務(wù)方向，將大大提高我國(guó)氣象部門對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)警水平。

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