多普勒雷達在氣象觀測中的應用

董立書

1.雷達及氣象雷達的簡介

雷達是將電磁能量以定向方式發(fā)射到空間之中，再借由接收空間內存在物體所反射的電波來計算出物體的方向，高度及速度，并且可以探測物體的形狀的設備。雷達（RADAR）這個名稱是英文Radio Detection and Ranging（無線電偵測和定距）的縮寫。對于地球上的某一定點（雷達站）而言，任一個空間目標的位置，可以用三個基本的參數(shù)表示，這三個基本參數(shù)就是斜距、水平距離或高度、方位角和仰角。

雷達的出現(xiàn)是在二戰(zhàn)期間。在軍事需求的背景下雷達被發(fā)明了。雷達的工作原理是通過發(fā)射機產生電磁能量，再用雷達天線將電磁能量集中形成向某一方向傳播的波并輻射出去。電磁能在大氣中以光速（2.998×108m/s）傳播。當傳播著的電磁波遇到了目標物便產生散射波，而且這種散射波分布在目標周圍的各個方向上。其中有一部分沿著與輻射波相反的路徑傳播到雷達的接受天線，被接受的這一部分散射能量，稱為目標的后向散射，也就是回波信號。雷達使用測量回波信號的延時來測量距離的。

其后，雷達發(fā)展了單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號處理、合成孔徑和脈沖壓縮的高分辨率、地形回避和地形跟隨、無源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標探測與跟蹤等新的雷達體制。后來隨著微電子等各個領域科學進步，雷達技術的不斷發(fā)展，其內涵和研究內容都在不斷地拓展。目前，雷達的探測手段已經由從前的只有雷達一種探測器發(fā)展到了雷達、紅外光、紫外光、激光以及其他光學探測手段融合協(xié)作。

氣象雷達是專門用于大氣探測的雷達，它是用于警戒和預報中、小尺度天氣系統(tǒng)（如臺風和暴雨云系）的主要探測工具之一，屬于主動式微波大氣遙感設備。氣象雷達常規(guī)雷達裝置大體上由定向天線、發(fā)射機、接收機、天線控制器、顯示器和照相裝置、電子計算機和圖象傳輸?shù)炔糠纸M成。氣象雷達的技術指標主要有工作波長、發(fā)射功率、天線增益、波束寬度、脈沖寬度、脈沖重復頻率和接收機的靈敏度等。

1941年，在英國最早使用雷達探測風暴。1942～1943年，美國麻省理工學院專門設計了為氣象目的使用的雷達。在氣象雷達發(fā)展初期，一般都靠手工操作，回波資料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技術，氣象多普勒雷達具有對大氣流場結構的定量探測能。到了70年代，除聯(lián)合使用多部多普勒雷達外，又相繼發(fā)展了大功率高靈敏度的甚高頻和超高頻多普勒雷達和具有多普勒性能的高分辨率調頻連續(xù)波雷達。

2.氣象多普勒雷達的介紹

氣象多普勒雷達的結構如圖所示，它的理論基礎是電磁波的多普勒效應。多普勒效應是澳大利亞物理學家多普勒（J.Doppler）1842年首先從運動著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：波源相對于觀察者運動時，觀察者接收到的信號頻率和波源發(fā)出的是不同的，而且發(fā)射頻率和接收頻率之間的差值和波源運動的速度有關。對于氣象多普勒雷達來說，當目標物的運動指向（背向）雷達站時，雷達接收到的回波載頻將高于（低于）發(fā)射波的載頻。頻率變化的量級小，約為發(fā)射載頻的10-7，但其值正比于目標物徑向運動的速度分量。因此根據(jù)回波載頻的變化，即可計算出目標物的徑向運動速度。多普勒雷達具體效用為：當降水粒子相對雷達發(fā)射波束相對運動時，可以測定接收信號與發(fā)射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運用這種原理，可以測定回波散射體相對于雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強對流天氣等具有重要意義。雷達操作者可依靠反射率因子產品確定回波的強度，確定風暴的強弱和結構以及強降雨（雪）帶，還可根據(jù)反射率因子隨時間的變化確定降水回波的移動以及未來的趨勢等。平均徑向速度表示整個360°方位掃描徑向速度數(shù)據(jù)，徑向速度即物體運動速度平行與雷達徑向的分量。徑向速度有許多直接的應用，可以導出大氣結構，風暴結構，可以幫助產生、調整和更新高空分析圖等。它可提供由于風切變、湍流和速度樣本質量引起的平均徑向速度變化的觀測，也可用來確定邊界（密度不連續(xù)面）位置、估計湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。而根據(jù)基本數(shù)據(jù)資料通過氣象算法處理后得到更多的結果，比較重要的有相對于風暴的平均徑向速度圖、相對于風暴的平均徑向速度區(qū)、強天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面等。

3.氣象多普勒雷達的發(fā)展情況

多普勒天氣雷達技術的發(fā)展分三個階段，第一階段20世紀40年代末到60年代，第二階段20世紀70年代到20世紀80年代，第三階段從20世紀90年代開始。近年來多普勒天氣雷達最突出的發(fā)展是其在大氣遙感探測和研究中的應用，如探測降水云內和晴空大氣中水平風場和垂直風場、降水滴譜和大氣湍流等。

20世紀80年代初，美國開始研制全相干脈沖多原普勒天氣雷達，1988年開始批量生產，并由此組成的美國下一代天氣雷達網（NEXRAD）作為美國氣象現(xiàn)代化的重要組成部分開始實施。其使用的WSR-88D多普勒天氣雷達不僅提高了探測能力，還具備了獲取風場信息的功能，并提供了豐富的監(jiān)測和預警產品。

（作者單位：161441黑龍江省農墾九三管理局氣象臺）