多普勒天氣雷達(dá)在人工影響天氣中的應(yīng)用

曹仁仲

摘 要：天氣變化與人們的生活息息相關(guān)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得人們對(duì)于天氣預(yù)報(bào)的服務(wù)要求也越來越高，在巨大的社會(huì)需求下，多普勒天氣雷達(dá)被研制出來。多普勒天氣雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)，使其實(shí)現(xiàn)了大范圍推廣應(yīng)用。多普勒天氣雷達(dá)能夠有效獲取降水地區(qū)的風(fēng)向、風(fēng)速以及其他氣象要素變化等內(nèi)容。由此可見，研究多普勒天氣雷達(dá)對(duì)人工影響天氣中的應(yīng)用具有一定意義。

關(guān)鍵詞：多普勒天氣雷達(dá);人工影響天氣;電磁波

0 ? 引言

就當(dāng)前社會(huì)各行業(yè)發(fā)展情況來看，其受天氣變化的影響很大，而隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們可以通過有效地人工干預(yù)來影響天氣。在執(zhí)行人工影響天氣前，必須了解有關(guān)天氣變化的基本信息，這樣才能保證人工影響天氣取得良好效果。多普勒天氣雷達(dá)之所以能被廣泛應(yīng)用是因?yàn)槠淠軌蛴行Й@得氣象信息，這為人工影響天氣提供了良好的信息基礎(chǔ)。本文也就此進(jìn)行研究[1]。

1?多普勒雷達(dá)工作原理

縱觀整個(gè)世界，多普勒雷達(dá)已經(jīng)成為當(dāng)前最為先進(jìn)的天氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，很多國家都應(yīng)用多普勒雷達(dá)預(yù)測(cè)天氣狀況。

1.1 通過氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的散射和吸收

電磁波是一種極其特殊的物理存在。自人類開始對(duì)大氣進(jìn)行探測(cè)，所使用的都是雷達(dá)，而其主要原理就是利用粒子對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和散射了解粒子所處的位置。當(dāng)電磁波從雷達(dá)中傳出后，其會(huì)在大氣中傳播，若在傳播途中遇到雨滴或云滴，其就會(huì)被懸浮在空氣中的懸浮粒子和空氣分子吸收或散射。所謂散射是指電磁波沒有被粒子所吸收，而因粒子反射到其他地方。當(dāng)被發(fā)散出去的電磁波回歸到雷達(dá)時(shí)，多普勒天氣雷達(dá)就能夠收到電磁波術(shù)中自帶的振幅，通過其振幅我們就能夠了解和分析出云雨大概的位置，而后通過分析發(fā)射率因子和速度譜寬等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析具體的天氣情況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以此判斷出未來一段時(shí)間某地區(qū)的天氣情況[2]。

1.2 電磁波在大氣中的衰減

電磁波在大氣中的傳播途徑會(huì)隨路徑的增長(zhǎng)而逐漸減弱，據(jù)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電磁波衰減程度和電磁波束長(zhǎng)成反比，也就是說，電磁波長(zhǎng)度越短，那么其衰減程度就越小。通過實(shí)驗(yàn)探究可知，電磁波之所以會(huì)在大氣傳播過程中減弱，是因?yàn)槠鋾?huì)在經(jīng)過云滴或雨滴時(shí)，被其氣體分子折射，其部分能量會(huì)被于雨滴和云滴氣體分子吸收，還有一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)變成其他能量散發(fā)出去，剩余的部分可能被氣體粒子散射。除此之外，電磁波的衰減也很大程度上減少了雷達(dá)的回波功率，若電磁波衰減程度過重，很容易使回收到雷達(dá)的電磁波數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度降低。反觀多普勒天氣雷達(dá)，雖然其電磁波也會(huì)有同樣的遭遇，但其恰恰就利用了這一遭遇，詳細(xì)感知了天氣對(duì)電磁波波束的影響，而氣象觀察者就可以通過影響情況了解天氣情況，從而得出氣象目標(biāo)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[3-5]。

1.3 電磁波在大氣中的折射

當(dāng)處于真空環(huán)境時(shí)，電磁波傳播路徑為直線。然而，人們生活的環(huán)境充滿了介質(zhì)，幾乎不存在真空狀態(tài)，而大氣則是由不同的氣體分子和與云組成，這使得電磁波必然會(huì)在傳播過程中出現(xiàn)折射的情況。因此，可以將電磁波折射情況總結(jié)為：負(fù)折射、臨界折射等，折射類型不同，雷達(dá)回收的波束高度，寬度都會(huì)有所區(qū)別。不同電磁波擁有不同的回波強(qiáng)度和徑向速度，以致其遇到云、雨滴和氣體粒子時(shí)發(fā)生的折射情況也不同，而我們能夠通過電磁波波長(zhǎng)差異，將電磁波折射總結(jié)為以上幾種。在掌握其折射類型和發(fā)生折射的原因后，工作人員可以在雷達(dá)接收站將所有折射后的電磁波波束信息進(jìn)行整理和計(jì)算，而后探求出資料中隱藏的氣象資料。

1.4 多普勒效應(yīng)

多普勒雷達(dá)應(yīng)用核心理念是多普勒效應(yīng)。而多普勒效應(yīng)的主要體現(xiàn)形式是聲波。舉例說明，若我們站在站臺(tái)，看見火車從遠(yuǎn)處行駛而來，那么在較遠(yuǎn)的地方，火車的聲音頻率就會(huì)隨聲波的壓縮而增強(qiáng)，當(dāng)火車逐漸接近站臺(tái)并最終停止時(shí)，聲音的頻率又會(huì)因聲波的膨脹而逐漸降低，這種現(xiàn)象就稱作為多普勒效應(yīng)。換一種方式來講，一種聲音從遠(yuǎn)至近以每20米每秒的速度前行，人耳大約能接收到800赫茲的多普勒移動(dòng)頻率。與這相比，多普勒天氣雷達(dá)所發(fā)射的電磁頻率要高得多，而且其傳播速度等同光速，這也使得雷達(dá)在日常工作中接收的并不是直接的多普勒頻移測(cè)量，而是往返沖脈間的差值，氣象站工作者則需根據(jù)其差值對(duì)氣象目標(biāo)的徑向速度進(jìn)行計(jì)算。普通天氣雷達(dá)和多普勒天氣雷達(dá)最大的區(qū)別，就在于發(fā)射率因子的差異，該種因子能夠讓我們利用多普勒天氣雷達(dá)了解到天氣目標(biāo)的徑向速度，提前知曉極端天氣的出現(xiàn)，由此可見，多普勒天氣雷達(dá)對(duì)預(yù)警極端天氣有重要作用。

2? 多普勒天氣雷達(dá)在人工影響天氣中的應(yīng)用

因多普勒天氣雷達(dá)具備較高的科學(xué)技術(shù)，加之其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天氣情況的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，以至于世界上很多國家都開始將該技術(shù)廣泛地應(yīng)用在天氣預(yù)測(cè)中。

2.1 能夠?qū)?zāi)害性天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警

通過多普勒天氣雷達(dá)的電磁波回波情況，能清楚了解到不同地區(qū)的實(shí)際天氣狀況。各地區(qū)氣象工作者也可利用多普勒天氣雷達(dá)傳回的信息，對(duì)惡劣天氣進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。在對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行預(yù)警時(shí)，最主要依靠的是回波強(qiáng)度，一旦雷達(dá)在徑向速度上發(fā)生改變，就能判斷極端天氣帶來的大氣層異動(dòng)，而其極端天氣的預(yù)測(cè)能夠依據(jù)氣流的強(qiáng)度、散射等多種因素進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。

2.2 多普勒天氣雷達(dá)對(duì)極端氣象的干預(yù)

惡劣極端天氣對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)都會(huì)造成極大威脅，為了盡可能減少這類損失，加強(qiáng)對(duì)天氣的提前預(yù)測(cè)是十分重要的。預(yù)測(cè)天氣的目標(biāo)可利用多普勒天氣雷達(dá)完成，該雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)對(duì)惡劣天氣的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，氣象局了解到雷達(dá)回測(cè)結(jié)果后，會(huì)立馬向群眾發(fā)布?xì)庀箢A(yù)警，讓所有人員提早防備，從而保證人員生命財(cái)產(chǎn)安全。龍卷風(fēng)是一種較為常見的、具有極強(qiáng)破壞性的災(zāi)害性天氣，風(fēng)速可達(dá)到每秒120米，最高可達(dá)每秒210米。陸地上引發(fā)的龍卷風(fēng)稱為陸龍卷，延伸到海上的龍卷風(fēng)則被稱為水龍卷。應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)，也能夠探知龍卷風(fēng)類型。若雷達(dá)在監(jiān)測(cè)過程中遇到強(qiáng)烈風(fēng)暴和大規(guī)模氣體上升，則說明該地區(qū)可能生成冰雹天氣，而該天氣情況可從超級(jí)單體的回波情況中看出。其降落在氣旋周圍的鉤狀回波區(qū)域中，雷達(dá)能夠通過對(duì)回波數(shù)據(jù)收集，了解到冰雹的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，這也有助于人們了解到冰雹災(zāi)害情實(shí)際情況，讓人們提早防范。強(qiáng)風(fēng)天氣對(duì)于人們來說是一種地面直線型災(zāi)害，該種災(zāi)害最直接的體現(xiàn)是在地表產(chǎn)生大風(fēng)，而大風(fēng)的氣流會(huì)對(duì)地表，建筑物和人類產(chǎn)生危害，多普勒天氣雷達(dá)對(duì)于該種天氣狀況的輻射稱之為地面大風(fēng)，其類型與龍卷風(fēng)相似，但回波長(zhǎng)度比龍卷風(fēng)短，多普勒雷達(dá)可以根據(jù)其回波長(zhǎng)度的情況明確對(duì)比二者差別，從而確定其天氣情況為何種類型。

2.3 定量估測(cè)大范圍降水

在多普勒天氣雷達(dá)建站初期，需要對(duì)其雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)校對(duì)和檢查，確保其在正常運(yùn)行過程中回收的回波數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。利用多普勒天氣雷達(dá)，還能夠了解現(xiàn)階段或定期性的雨水分布圖，了解當(dāng)?shù)鼗夭◤?qiáng)度與降水量之間的比值。天氣工作者可以根據(jù)其雨水分布圖制作降雨圖，了解各地區(qū)的實(shí)際降水情況，若某地區(qū)降水量較少，則可以采取人工降雨的方式緩解當(dāng)?shù)氐母珊登闆r，以此調(diào)整個(gè)地區(qū)的降水均衡。

2.4 提供詳細(xì)風(fēng)場(chǎng)信息

人們可以利用多普勒天氣雷達(dá)了解徑向速度的風(fēng)向和風(fēng)力分布圖，從而辨別強(qiáng)對(duì)流大氣，明確風(fēng)場(chǎng)信息。氣象工作者可通過雷達(dá)回收的電磁波，了解而且其在大氣中的折射情況，該情況需要工作人員將回收電磁波和已有數(shù)據(jù)信息對(duì)比，最后繪制所得圖形則被稱為風(fēng)廓線圖，風(fēng)廓線圖展現(xiàn)了大氣的風(fēng)向和風(fēng)速信息，其應(yīng)用原理也是多普勒效應(yīng)。

3?結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類研究出了多普勒天氣雷達(dá)，該種雷達(dá)能夠幫助人類監(jiān)測(cè)天氣變化，了解天氣情況。經(jīng)實(shí)踐證明，該種雷達(dá)的應(yīng)用能夠?yàn)槿藗兲峁?zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)信息，各行各業(yè)可以依據(jù)相關(guān)天氣預(yù)報(bào)信息調(diào)整企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和工程進(jìn)度，這極大地減少了惡劣天氣對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。近年來，為了確保各地的降雨水平均衡，環(huán)境發(fā)展良好，我們運(yùn)用各種人工方法影響天氣，而多普勒天氣雷達(dá)為人工影響天氣提供了有效地技術(shù)支持，其在人工降雨和環(huán)境評(píng)價(jià)等多領(lǐng)域有著不可替代的重要地位。我國應(yīng)該在原有雷達(dá)的基礎(chǔ)水平上，借鑒外國的多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)，以此提升我國的天氣預(yù)警能力，從而為我國民眾更好地提供天氣預(yù)測(cè)服務(wù)。

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（編輯 姚 鑫）