[科普中國(guó)]-多普勒天氣雷達(dá)

從1998年開(kāi)始在中國(guó)布網(wǎng)新一代多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)。多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家J.Doppler1842年首先從運(yùn)動(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，多普勒天氣雷達(dá)的工作原理即以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)降水粒子相對(duì)雷達(dá)發(fā)射波束相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以測(cè)定接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運(yùn)用這種原理，可以測(cè)定散射體相對(duì)于雷達(dá)的速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對(duì)研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強(qiáng)對(duì)流天氣等具有重要意義。

工作原理多普勒雷達(dá)是目前世界上最先進(jìn)的天氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，并且已經(jīng)在很多國(guó)家得到深入應(yīng)用，因此，下面我們就多普勒雷達(dá)的工作原理進(jìn)行深入分析和研究，以便能夠使人們對(duì)其工作原理有著更為清楚的認(rèn)識(shí)。2

1.1 通過(guò)氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的散射和吸收

粒子能夠?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行吸收和散射，這也是粒子對(duì)電磁波的兩大基本形式。雷達(dá)探測(cè)大氣的基礎(chǔ)是由氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和散射所得。如果電磁波的波束在大氣傳播途中遇到包括云滴、雨滴以及其他懸浮粒子和空氣分子，作為入射的電磁波波束中的有一部分會(huì)因?yàn)樯鲜龅牧Ｗ臃瓷涞讲煌胤?，這類(lèi)現(xiàn)象稱(chēng)之為散射。一部分散射的電磁波波束會(huì)被粒子吸收，最終按照雷達(dá)的方向返回被雷達(dá)天線(xiàn)接收，多普勒天氣雷達(dá)能夠通過(guò)接收到的電磁波束中自帶的振幅和位相等數(shù)據(jù)，得出氣象目標(biāo)的平均速度以及發(fā)射率因子和速度譜寬等基本數(shù)據(jù)，進(jìn)而推斷并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的氣象情況和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。2

1.2 電磁波在大氣中的衰減

電磁波的能量隨傳播路徑逐漸減弱的現(xiàn)象，稱(chēng)之為電磁波在大氣中的衰減。電磁波的衰減與電磁波波束的長(zhǎng)度成反比，波束長(zhǎng)度越長(zhǎng)，衰減程度越小。導(dǎo)致電磁波衰減的根本原因是電磁波的波束在投射到各類(lèi)云滴、

雨滴和其他氣體分子時(shí)，其中很多能量被吸收轉(zhuǎn)變成別種形式的能量和熱能，同時(shí)，其他電磁波的能量則被散射。電磁波的衰減能夠在很大程度上減小雷達(dá)中的回波功率，從而致使雷達(dá)回波數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，多普勒天氣雷達(dá)能夠利用電磁波的這一特點(diǎn)分析各類(lèi)天氣所折射的電磁波波束以及電磁波的衰減情況，得出氣象目標(biāo)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。2

1.3 電磁波在大氣中的折射

在真空環(huán)境下電磁波的傳播路徑是直線(xiàn)，而在大氣中由于各類(lèi)氣體分子及云雨滴的存在，使得電磁波在大氣中會(huì)出現(xiàn)折射現(xiàn)象。大氣折射主要包括標(biāo)準(zhǔn)折射、超折射、臨界折射、負(fù)折射以及無(wú)折射，這五種折射均與雷達(dá)波束的高度、寬度以及仰角等因素有關(guān)。每一種折射都有不同的回波強(qiáng)度和徑向速度，這些回波強(qiáng)度反映出不同的電磁波波長(zhǎng)，多普勒天氣雷達(dá)能夠通過(guò)對(duì)上述五種折射的分析，通過(guò)對(duì)雷達(dá)接收站所收集到的折射后電磁波波束進(jìn)一步的計(jì)算和整理，得出相應(yīng)的氣象資料以進(jìn)行相應(yīng)的人工干預(yù)。2

1.4 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)以聲波的形式體現(xiàn)，比如一輛火車(chē)在高速行駛的情況下，其聲音的頻率會(huì)隨著聲波的壓縮而不斷增加，然而當(dāng)火車(chē)接近停止時(shí)，其聲音的頻率則會(huì)由于聲波的膨脹而不斷減少，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為多普勒效應(yīng)。換言之，一個(gè)聲音以20m/s的速度，在較近或較遠(yuǎn)的距離聽(tīng)會(huì)產(chǎn)生大約800HZ的多普勒頻率移動(dòng)。多普勒天氣雷達(dá)所發(fā)射的電磁波相比聲波的頻率高，并且是以光速的形式進(jìn)行傳播，通常該雷達(dá)不是直接對(duì)多普勒頻移測(cè)量，而是通過(guò)往返脈沖對(duì)之間的差值得到氣象目標(biāo)的徑向速度。正因如此，多普勒天氣雷達(dá)與其他普通雷達(dá)最大的不同之處，在于多普勒天氣雷達(dá)不僅能夠準(zhǔn)確提供氣象目標(biāo)的發(fā)射率因子，還能提供氣象目標(biāo)的徑向速度和譜寬數(shù)值，這些數(shù)據(jù)在預(yù)警極端天氣時(shí)是十分必要的。2

主要設(shè)備觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器(控制鐘)是整個(gè)雷達(dá)的控制系統(tǒng)，它周期性地產(chǎn)生一個(gè)脈沖式的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)脈沖輸送到調(diào)制解調(diào)器和顯示器，指揮它們開(kāi)始工作。每秒種產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖數(shù)目，稱(chēng)為脈沖重復(fù)頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔，稱(chēng)為脈沖重復(fù)周期，用T表示，它等于脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)。實(shí)際工作中，可用公式計(jì)算脈沖重復(fù)周期的數(shù)值。3

調(diào)制解調(diào)器在觸發(fā)脈沖的觸發(fā)作用下，調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生調(diào)制脈沖。調(diào)制脈沖具有兩個(gè)特性：

（1）具有固定的脈沖寬度（也稱(chēng)為脈沖持續(xù)時(shí)間），以微秒為單位，也可以以脈沖的空間距離h表示，脈沖寬度直接影響探測(cè)距離和距離分辨能力即雷達(dá)盲區(qū)大小。探測(cè)近目標(biāo)采用窄的脈沖寬度，在探測(cè)遠(yuǎn)目標(biāo)時(shí)，為了增大回波信號(hào)的強(qiáng)度采用寬的脈沖寬度。天氣雷達(dá)的脈沖寬度一般取0.1--4微秒，隨各種雷達(dá)探測(cè)目的不同而異。

（2）調(diào)制脈沖提供一個(gè)合適的視頻波形具有足夠的幅度，以便使下一級(jí)電路發(fā)射機(jī)正常工作。3

發(fā)射機(jī)在調(diào)制脈沖的作用下，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生短促又強(qiáng)大的特高頻振蕩，經(jīng)天線(xiàn)向空間發(fā)射出去，即探測(cè)脈沖。發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有波長(zhǎng)（或振蕩頻率F）和脈沖發(fā)射功率。

（1）波長(zhǎng)：天氣雷達(dá)通常使用的波長(zhǎng)是厘米波，劃分為K、X、C和S四個(gè)波段，K波段的雷達(dá)是用來(lái)探測(cè)非降水的云，X、C和S波段用于探測(cè)降水。

（2）脈沖發(fā)射功率：是指天線(xiàn)實(shí)際發(fā)射的峰值功率，如果忽略了波導(dǎo)管和天線(xiàn)的損耗，則脈沖發(fā)射功率將近似地等于發(fā)射機(jī)輸出峰值功率。3

天線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 、波導(dǎo)管天線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是將天線(xiàn)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)連接起來(lái)的一種裝置。當(dāng)天線(xiàn)和發(fā)射機(jī)接通時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出的特高頻振蕩脈沖電磁波順利地到達(dá)天線(xiàn)，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)天線(xiàn)與接收機(jī)切斷連通，電磁波不能進(jìn)入接收機(jī)。在探測(cè)脈沖發(fā)射的間歇期，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接通接收機(jī)，使天線(xiàn)接收到的回波信號(hào)能全部進(jìn)入接收機(jī)。波導(dǎo)管是一種空心矩形金屬管狀導(dǎo)體，其內(nèi)徑大小隨所攜帶信號(hào)的波長(zhǎng)而異，脈沖信號(hào)經(jīng)它傳送到天線(xiàn)其損耗極小。3

天線(xiàn)(1)波束的寬度：天氣雷達(dá)的天線(xiàn)具有很強(qiáng)的方向性，它所輻射的功率集中在波束所指的方向上，波束主軸附近能流密度大，波束的邊緣能流密度小，能流密度的相對(duì)分布曲線(xiàn)，稱(chēng)為天線(xiàn)方向圖，曲線(xiàn)上各點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線(xiàn)長(zhǎng)度，代表該方向相對(duì)能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣稱(chēng)為主波瓣，側(cè)面和相反方向能流密度均小得多，分別稱(chēng)為旁瓣和尾瓣。在天線(xiàn)方向圖上，兩個(gè)半功率點(diǎn)方向的夾角，稱(chēng)為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的分辨率越高，探測(cè)精度越高。天氣雷達(dá)的波束寬度通常不超過(guò)2度，多普勒雷達(dá)的波束寬度一般不超過(guò)1度。波束寬度的大小取決于拋物面反射體的直徑和雷達(dá)工作波長(zhǎng)。

（2）天線(xiàn)增益：在相同輻射功率條件下，在波束方向上定向天線(xiàn)的能流密度與各向均勻輻射的天線(xiàn)的能流密度之比，稱(chēng)為天線(xiàn)增益，以G表示，天線(xiàn)增益與天線(xiàn)波束寬度具有一定的關(guān)系。天線(xiàn)增益以分貝（dB）表示：分貝（dB）=10log（定向天線(xiàn)的能流密度）/（各向均勻輻散天線(xiàn)的能流密度）。3

接收機(jī)和顯示器接收機(jī)：接收來(lái)自目標(biāo)物的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后送往顯示器進(jìn)行顯示?；夭ㄐ盘?hào)常常非常微弱，接收機(jī)必須具有接收微弱信號(hào)的能力，這種能力稱(chēng)為靈敏度。靈敏度用最小可辨功率表示。它是回波信號(hào)剛剛能從噪聲信號(hào)中分辨出來(lái)時(shí)的回波功率。

顯示器：

（1）平面位置顯示器（簡(jiǎn)稱(chēng)平顯或PPI）是天氣雷達(dá)中最常用的一種顯示器。在這種顯示器上，電子束一方面以脈沖重復(fù)頻率自屏幕的中心向外作等速的徑向掃描；另一方面通過(guò)天線(xiàn)傳動(dòng)裝置，使徑向掃描為同步地隨天線(xiàn)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)有回波信號(hào)進(jìn)入時(shí)，在相應(yīng)的距離和方位上掃描線(xiàn)增亮，從而顯示出回波，其亮度取決于回波信號(hào)的強(qiáng)度，近代采用了視頻積分處理器，將回波信號(hào)按不同的強(qiáng)度用不同的灰度或彩色顯示出來(lái)。當(dāng)雷達(dá)天線(xiàn)掃描一周時(shí)，屏幕上顯示出測(cè)站周?chē)繕?biāo)的分布和回波強(qiáng)度。

（2）距離高度顯示器（簡(jiǎn)稱(chēng)高顯或RHI）也是天氣雷達(dá)中最常用的一種顯示器，用來(lái)顯示垂直剖面，縱坐標(biāo)是高度，橫坐標(biāo)為水平距離，高度坐標(biāo)放大，所顯示的回波在垂直方向被拉長(zhǎng)了。3

產(chǎn)品應(yīng)用新一代多普勒天氣雷達(dá)的產(chǎn)品包括基本產(chǎn)品和導(dǎo)出產(chǎn)品?；井a(chǎn)品有三個(gè)：反射率因子、平均徑向速度、譜寬。反射率因子描繪了一個(gè)完整的360o方位掃描的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)等級(jí)用dBZ表示。雷達(dá)操作者可依靠反射率因子產(chǎn)品確定回波的強(qiáng)度，確定風(fēng)暴的強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)降雨（雪）帶，還可根據(jù)反射率因子隨時(shí)間的變化確定降水回波的移動(dòng)以及未來(lái)的趨勢(shì)等。平均徑向速度表示整個(gè)360o方位掃描徑向速度數(shù)據(jù)，徑向速度即物體運(yùn)動(dòng)速度平行與雷達(dá)徑向的分量。徑向速度有許多直接的應(yīng)用，可以導(dǎo)出大氣結(jié)構(gòu)，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，可以幫助產(chǎn)生、調(diào)整和更新高空分析圖等。平均徑向速度產(chǎn)品有兩點(diǎn)局限性：一是垂直于雷達(dá)波束的風(fēng)的徑向速度被表示為0；二是距離折疊和不正確的速度退模糊。譜寬數(shù)據(jù)實(shí)際上指的是速度譜寬數(shù)據(jù)，它是一個(gè)對(duì)速度離散量的度量。它可提供由于風(fēng)切變、湍流和速度樣本質(zhì)量引起的平均徑向速度變化的觀(guān)測(cè)，也可用來(lái)確定邊界（密度不連續(xù)面）位置、估計(jì)湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。導(dǎo)出產(chǎn)品是雷達(dá)產(chǎn)品生成系統(tǒng)（RPG）根據(jù)基本數(shù)據(jù)資料通過(guò)氣象算法處理后得到的產(chǎn)品，比較重要的有相對(duì)于風(fēng)暴的平均徑向速度圖、相對(duì)于風(fēng)暴的平均徑向速度區(qū)、強(qiáng)天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面產(chǎn)品等。到目前為止，最常用的還是基本產(chǎn)品，導(dǎo)出產(chǎn)品只能起到提示和參考作用。

重要意義多普勒雷達(dá)是目前世界上最先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，有“超級(jí)千里眼”之稱(chēng)。相較于傳統(tǒng)天氣雷達(dá)，多普勒雷達(dá)能夠監(jiān)測(cè)到位于垂直地面8-12公里的高空中的對(duì)流云層的生成和變化，判斷云的移動(dòng)速度，其產(chǎn)品信息達(dá)72種，天氣預(yù)報(bào)的精確度比以前將會(huì)有較大提高。1991至1997年，美國(guó)在全國(guó)及海外布網(wǎng)的165臺(tái)NEXRDA被稱(chēng)為天氣雷達(dá)系統(tǒng)的典范，是目前世界上最先進(jìn)的和最精確的天氣雷達(dá)系統(tǒng)。它所采用的多普勒信號(hào)處理技術(shù)和自動(dòng)產(chǎn)生災(zāi)害性天氣警報(bào)的能力無(wú)與倫比。NEXRAD可以自動(dòng)形成和顯示豐富多彩的天氣產(chǎn)品，極大地提高了對(duì)超級(jí)單體、湖泊效應(yīng)雪、成層雪、雷暴、降水、風(fēng)切變、下?lián)舯┝?、龍卷、鋒面、湍流、冰雹等重大災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力。對(duì)強(qiáng)雷暴的偵察率是96%，對(duì)龍卷的發(fā)現(xiàn)率是83%，對(duì)龍卷警告的平均預(yù)警時(shí)間是18分鐘，而在未建NEXRDA網(wǎng)絡(luò)之前，美國(guó)國(guó)家上述參數(shù)的平均值分別是60%，40%和2分鐘。從中可以預(yù)料CINRDA將從根本上增強(qiáng)探測(cè)強(qiáng)雷暴的能力，能較早地探測(cè)到晴空下威脅航行的大氣湍流和發(fā)生災(zāi)害性洪水的可能，并為水資源的管理決策提供極有價(jià)值的信息。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)是我國(guó)20世紀(jì)末21世紀(jì)初的一項(xiàng)氣象現(xiàn)代化工程，計(jì)劃在全國(guó)建成S頻段和C頻段雷達(dá)156部，該系統(tǒng)建成后，我國(guó)的氣象現(xiàn)代化水平會(huì)上一個(gè)新的臺(tái)階。4