1.雷達(dá)及氣象雷達(dá)的簡(jiǎn)介

雷達(dá)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(nèi)存在物體所反射的電波來計(jì)算出物體的方向，高度及速度，并且可以探測(cè)物體的形狀的設(shè)備。雷達(dá)（RADAR）這個(gè)名稱是英文Radio Detection and Ranging（無線電偵測(cè)和定距）的縮寫。對(duì)于地球上的某一定點(diǎn)（雷達(dá)站）而言，任一個(gè)空間目標(biāo)的位置，可以用三個(gè)基本的參數(shù)表示，這三個(gè)基本參數(shù)就是斜距、水平距離或高度、方位角和仰角。

雷達(dá)的出現(xiàn)是在二戰(zhàn)期間。在軍事需求的背景下雷達(dá)被發(fā)明了。雷達(dá)的工作原理是通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁能量，再用雷達(dá)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(dāng)傳播著的電磁波遇到了目標(biāo)物便產(chǎn)生散射波，而且這種散射波分布在目標(biāo)周圍的各個(gè)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(dá)的接受天線，被接受的這一部分散射能量，稱為目標(biāo)的后向散射，也就是回波信號(hào)。雷達(dá)使用測(cè)量回波信號(hào)的延時(shí)來測(cè)量距離的。

其后，雷達(dá)發(fā)展了單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號(hào)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(biāo)探測(cè)與跟蹤等新的雷達(dá)體制。后來隨著微電子等各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)進(jìn)步，雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)涵和研究?jī)?nèi)容都在不斷地拓展。目前，雷達(dá)的探測(cè)手段已經(jīng)由從前的只有雷達(dá)一種探測(cè)器發(fā)展到了雷達(dá)、紅外光、紫外光、激光以及其他光學(xué)探測(cè)手段融合協(xié)作。

氣象雷達(dá)是專門用于大氣探測(cè)的雷達(dá)，它是用于警戒和預(yù)報(bào)中、小尺度天氣系統(tǒng)（如臺(tái)風(fēng)和暴雨云系）的主要探測(cè)工具之一，屬于主動(dòng)式微波大氣遙感設(shè)備。氣象雷達(dá)常規(guī)雷達(dá)裝置大體上由定向天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線控制器、顯示器和照相裝置、電子計(jì)算機(jī)和圖象傳輸?shù)炔糠纸M成。氣象雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)主要有工作波長(zhǎng)、發(fā)射功率、天線增益、波束寬度、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率和接收機(jī)的靈敏度等。

1941年，在英國(guó)最早使用雷達(dá)探測(cè)風(fēng)暴。1942～1943年，美國(guó)麻省理工學(xué)院專門設(shè)計(jì)了為氣象目的使用的雷達(dá)。在氣象雷達(dá)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(shù)，氣象多普勒雷達(dá)具有對(duì)大氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的定量探測(cè)能。到了70年代，除聯(lián)合使用多部多普勒雷達(dá)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(dá)和具有多普勒性能的高分辨率調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。

2.氣象多普勒雷達(dá)的介紹

氣象多普勒雷達(dá)的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的理論基礎(chǔ)是電磁波的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是澳大利亞物理學(xué)家多普勒（J.Doppler）1842年首先從運(yùn)動(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：波源相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的信號(hào)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(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。對(duì)于氣象多普勒雷達(dá)來說，當(dāng)目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)指向（背向）雷達(dá)站時(shí)，雷達(dá)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(jí)小，約為發(fā)射載頻的10-7，但其值正比于目標(biāo)物徑向運(yùn)動(dòng)的速度分量。因此根據(jù)回波載頻的變化，即可計(jì)算出目標(biāo)物的徑向運(yùn)動(dòng)速度。多普勒雷達(dá)具體效用為：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)定回波散射體相對(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。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)以及未來的趨勢(shì)等。平均徑向速度表示整個(gè)360°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。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測(cè)，也可用來確定邊界（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。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(jié)果，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、剖面等。

3.氣象多普勒雷達(dá)的發(fā)展情況

多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展分三個(gè)階段，第一階段20世紀(jì)40年代末到60年代，第二階段20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代，第三階段從20世紀(jì)90年代開始。近年來多普勒天氣雷達(dá)最突出的發(fā)展是其在大氣遙感探測(cè)和研究中的應(yīng)用，如探測(cè)降水云內(nèi)和晴空大氣中水平風(fēng)場(chǎng)和垂直風(fēng)場(chǎng)、降水滴譜和大氣湍流等。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)開始研制全相干脈沖多原普勒天氣雷達(dá)，1988年開始批量生產(chǎn)，并由此組成的美國(guó)下一代天氣雷達(dá)網(wǎng)（NEXRAD）作為美國(guó)氣象現(xiàn)代化的重要組成部分開始實(shí)施。其使用的WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)不僅提高了探測(cè)能力，還具備了獲取風(fēng)場(chǎng)信息的功能，并提供了豐富的監(jiān)測(cè)和預(yù)警產(chǎn)品。

（作者單位：161441黑龍江省農(nóng)墾九三管理局氣象臺(tái)）