馬中元

摘要：本文簡略回顧了雷達(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)并建立了我國新一代多普勒雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)，為在氣象業(yè)務(wù)中監(jiān)測和預(yù)報龍卷、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)、大氣探測和天氣學(xué)共同研究的一個分支。

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雷達(dá)電磁波的散射；微波經(jīng)過大氣、云和降水粒子時的衰減；氣象條件對雷達(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)報上的應(yīng)用；云和降水物理探測研究上的應(yīng)用；多普勒雷達(dá)和各種波長的雷達(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)展簡史

20世紀(jì)40年代，雷達(dá)開始用于降水天氣過程的探測，這一時期的雷達(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，其中包括定量測量降水，以及對雷達(dá)信號脈動、偏振等現(xiàn)象的研究。50年代后期和60年代初期，許多國家建立了雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)，促進(jìn)了雷達(dá)氣象學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。如美國國家天氣局用的WSR-1、WSR-3，英國生產(chǎn)的Decca41、Decca43等。國內(nèi)1950年也引進(jìn)Decca41雷達(dá)用于監(jiān)測天氣。

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，氣象雷達(dá)在資料實時處理和觀測結(jié)果傳輸方面也取得了很大進(jìn)展，并出現(xiàn)了定量探測的天氣數(shù)字化雷達(dá)網(wǎng)，這時期的雷達(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)、信號處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國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)的探測能力，較好的定量估測降水的性能，還具有獲取風(fēng)場信息的功能，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)對雷達(dá)電磁波的散射和吸收。

粒子對電磁波作用的兩種基本形式是散射和吸收，氣象目標(biāo)對雷達(dá)電磁波的散射是雷達(dá)探測大氣的基礎(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，入射電磁波一部分會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為電磁波投射到氣體分子或云雨粒子上時，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问降哪芰浚瑥亩闺姶挪p弱。由于衰減作用，使雷達(dá)回波功率減小，會造成雷達(dá)回波的失真。電磁波的衰減與電磁波的波長負(fù)相關(guān)，波長愈長衰減愈小。

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)一輛火車鳴笛以高速向你駛來時，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，聲音的頻率由于聲波的膨脹而減弱，這就是多普勒效應(yīng)。一個聲源以25m/s的速度移近或遠(yuǎn)離聽者，會產(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。對于一個采用10cm波長（S波段）的多普勒雷達(dá)來說，傳播頻率是2.85×109Hz（2.85GHz）。一個以25m/s的速度運(yùn)動的目標(biāo)，將產(chǎn)生一個487Hz的多普勒頻移。多普勒雷達(dá)通常不是直接測量多普勒頻移，而是通過測量相繼返回的“脈沖對”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)時十分有用。

3新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)

3.1 S、C、X波段多普勒雷達(dá)

我國新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)已建規(guī)模，共有7種型號3個廠家生成。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WSR-88D類似；SC和CD型雷達(dá)由成都國營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雷達(dá)。

3.2 新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)組成

全國已完成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)，形成基本覆蓋全國的天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)。建設(shè)了國家、省、地三級遠(yuǎn)程信息傳輸系統(tǒng)和國家、省兩級雷達(dá)信息共享平臺，在15分鐘內(nèi)實現(xiàn)天氣雷達(dá)資料、產(chǎn)品的全國共享?；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)，實現(xiàn)對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。建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)和適合中國天氣系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。推動國家雷達(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)整體實力達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用

4.1對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警

多普勒雷達(dá)觀測的實時回波強(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)對流天氣的信息，綜合使用Z、V、W圖像，可以較準(zhǔn)確和及時監(jiān)測災(zāi)害性天氣?；夭◤?qiáng)度一直是判斷強(qiáng)對流天氣的重要參數(shù)，多普勒雷達(dá)中徑向速度分布圖也是判斷強(qiáng)對流的一種有效工具，因為，強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)和發(fā)展往往與氣流的輻合、輻散以及旋轉(zhuǎn)有關(guān)，在識別風(fēng)災(zāi)害時特別有效。

4.1.1龍卷龍卷是對流云中產(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，總有一條直徑從幾十米到幾百米的漏斗狀云柱從對流云云底盤旋而下，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)回波識別中，龍卷主要由二類回波單體產(chǎn)生：一是超級單體回波；二是多單體回波。

4.1.2冰雹對流風(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)指的是對流風(fēng)暴產(chǎn)生的龍卷以外的地面直線型風(fēng)害，對流風(fēng)暴中的下沉氣流達(dá)到地面時產(chǎn)生輻散，造成地面大風(fēng)。這種對流風(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)速有時很大，類似龍卷那樣的災(zāi)害；有時風(fēng)速不大，但對機(jī)場飛機(jī)的起落影響很大。

4.1.4暴洪暴洪是指強(qiáng)降水在短時間內(nèi)造成的局地洪水，它取決于兩方面的條件：一是短時強(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間的變化、降水率的大小、降水系統(tǒng)移動走向，以及降水持續(xù)時間長短等因素有關(guān)。

4.2定量估測大范圍降水

多普勒雷達(dá)參數(shù)在建站時經(jīng)過仔細(xì)的校準(zhǔn)和標(biāo)定，在日常運(yùn)行中還會自動定時對雷達(dá)參數(shù)校準(zhǔn)和檢測，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，對降水強(qiáng)度隨時間進(jìn)行累積轉(zhuǎn)換成降水量，提供1小時、3小時累積雨量分布，從而做到定量估測大范圍降水。

4.3風(fēng)場信息

多普勒雷達(dá)除了可以實時顯示徑向速度分布圖像用來識別強(qiáng)對流天氣外，還可以獲得反演出風(fēng)場信息，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)速時十分有用。

5結(jié)語

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)境評介（研究喘流、邊界層風(fēng)）等領(lǐng)域。最新升級成功的雙偏振雷達(dá)現(xiàn)已成為天氣雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的一個重要業(yè)務(wù)方向，將大大提高我國氣象部門對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測及預(yù)警水平。

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