金凱 王海濤 傅永超

摘要：目前，我國(guó)氣象局已建成的新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越成熟，已經(jīng)在監(jiān)測(cè)災(zāi)害天氣、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、水文和地質(zhì)災(zāi)害管理等方面做出了突出的貢獻(xiàn)。我國(guó)第一代天氣雷達(dá)投入運(yùn)營(yíng)的時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了二十年，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，不斷出現(xiàn)新的探測(cè)技術(shù)，這有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的升級(jí)與改造。其中單偏振雷達(dá)技術(shù)是重要的技術(shù)，應(yīng)用范圍比較廣闊，但是該技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中開(kāi)始顯示出了不適應(yīng)性，在這樣的背景下，產(chǎn)生了雙偏振雷達(dá)技術(shù)，它的探測(cè)能力進(jìn)一步提升。在這個(gè)基礎(chǔ)上，相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)作為新型的技術(shù)也得到了快速的發(fā)展?；诖耍疚膶?duì)相控陣天氣雷達(dá)與雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了分析與探究。

關(guān)鍵詞：相控陣天氣雷達(dá)技術(shù);雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù);發(fā)展與應(yīng)用

1 相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

1.1 相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的基本概述

傳統(tǒng)天氣雷達(dá)技術(shù)通常是使用拋物面型的天線(xiàn)，但是相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的天線(xiàn)是由很多輻射單元和接收單元，這些單元在某平面上經(jīng)過(guò)規(guī)則排列之后形成的陣列型天線(xiàn)，這種天線(xiàn)最大的特點(diǎn)就在于它是利用電磁波相干的原理來(lái)進(jìn)行工作的，它可以通過(guò)對(duì)輻射單元電流相位的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)改變發(fā)射波束方向的目的，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)的電子掃描過(guò)程。與此同時(shí)，這種技術(shù)的掃描方式與傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)技術(shù)也有所不同，它并不是機(jī)械的掃描模式，電子掃描的方式更加靈活高效。相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的使用可以使雷達(dá)的探測(cè)范圍變得更加廣闊，同時(shí)也具有了更強(qiáng)的抗干擾能力，其波束的指向也更加靈活，因此可以擺脫慣性的束縛實(shí)現(xiàn)快速掃描。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的掃描時(shí)間通常可以被控制在一分鐘之內(nèi)，因此它可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)天氣變化情況的辨別，在龍卷風(fēng)、冰雹等變化速度比較快的天氣現(xiàn)象當(dāng)中具有良好的應(yīng)用。

1.2 相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

美國(guó)是第一個(gè)將相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于氣象探測(cè)的國(guó)家，美國(guó)的相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在實(shí)踐的過(guò)程當(dāng)中，美國(guó)還發(fā)展了可以隨意移動(dòng)的X波段相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)，并在2008年的時(shí)候進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)在掃描技術(shù)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，美國(guó)還在相控陣天線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了雙極化技術(shù)，該技術(shù)可以擁有期限和導(dǎo)航多方面的任務(wù)和性能目標(biāo)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，美國(guó)還根據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)造了大氣遙感觀測(cè)技術(shù)，通過(guò)相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低空探測(cè)能力的提高。在我國(guó)相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)也不斷成熟，從2007年開(kāi)始我國(guó)氣象科學(xué)研究院與各地的研究所進(jìn)行了合作，實(shí)現(xiàn)了一維相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的改造。這一新型的雷達(dá)技術(shù)可以在一分鐘之內(nèi)掃描四層仰角。在這個(gè)基礎(chǔ)上我國(guó)氣象局對(duì)機(jī)載的X波段二維相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行了創(chuàng)新，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究和對(duì)現(xiàn)有相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的改造形成了新的技術(shù)，它可以在飛行的過(guò)程當(dāng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)信息的搜集。

1.3 相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)目前主要被應(yīng)用于龍卷風(fēng)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警當(dāng)中。具體來(lái)說(shuō)，相控陣天氣雷達(dá)可以在兩分鐘內(nèi)分析得到龍卷風(fēng)的特征，了解龍卷風(fēng)下?lián)舯┝鞯难葑?，這為相關(guān)人員探究龍卷風(fēng)的形成過(guò)程提供了重要的理論依據(jù)。在最初，相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)只能對(duì)龍卷風(fēng)漩渦的特征進(jìn)行分析，了解龍卷風(fēng)的強(qiáng)度和位置的變化情況。但是在實(shí)踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，龍卷風(fēng)漩渦的強(qiáng)度比較大，位置變化也比較明顯，因此相關(guān)人員對(duì)相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，目前相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)龍卷風(fēng)的快速變化的天氣系統(tǒng)。

2 雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

2.1 雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的基本概述

雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的特點(diǎn)是不僅可以獲取基本的氣象信息，同時(shí)還可以得到與基本信息相關(guān)的偏振系數(shù)，這對(duì)于氣相目標(biāo)微物理場(chǎng)的探測(cè)來(lái)說(shuō)具有重要的意義。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用可以更加準(zhǔn)確地得到降水粒子的滴譜特征，更好地應(yīng)對(duì)滴譜變化的多樣性，從而提高對(duì)粒子類(lèi)型識(shí)別的準(zhǔn)確性，更準(zhǔn)確地計(jì)算出云層當(dāng)中含水量的變化。

2.2 雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

在20世紀(jì)50年代的時(shí)候，就已經(jīng)有科學(xué)家對(duì)降水粒子偏振波的后向散射情況進(jìn)行了研究，比如前蘇聯(lián)的科學(xué)家就將偏振現(xiàn)象在降水粒子相態(tài)的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了研究。80年代的時(shí)候，美國(guó)科學(xué)家正式提出雙線(xiàn)偏振雷達(dá)的概念，同時(shí)利用雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)對(duì)降水的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，這使各國(guó)的科學(xué)家意識(shí)到雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)具有較高的準(zhǔn)確度。在當(dāng)時(shí)，雙線(xiàn)偏振雷達(dá)最常用的模式是交替發(fā)射模式，這一模式可以實(shí)現(xiàn)同發(fā)同收的雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)，但是掃描的速度比較慢。1997年，美國(guó)科學(xué)家對(duì)于這一技術(shù)進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，研制出了S波段雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)雙接收，掃描的速度也更快。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始將雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，并在這個(gè)基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況對(duì)技術(shù)進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了高速脈間的轉(zhuǎn)換。與此同時(shí)，我國(guó)科學(xué)家在對(duì)降水粒子的散射研究、測(cè)雨效果的對(duì)比以及云粒子的相態(tài)研究等方面取得了重要的成果。

2.3 雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中，參加了多次暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害天氣的外場(chǎng)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)當(dāng)中收集到了大量的信息與數(shù)據(jù)，這些信息對(duì)雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)的完善來(lái)說(shuō)是十分有必要的。在實(shí)踐當(dāng)中，雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)不斷成熟，并開(kāi)始在業(yè)務(wù)方面有了新的應(yīng)用，我國(guó)很多地區(qū)的氣象局都已經(jīng)建設(shè)了業(yè)務(wù)用的雙線(xiàn)偏振雷達(dá)，其中X波段的雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)被用于山洪地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)防當(dāng)中。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)和雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)都是重要的天氣雷達(dá)技術(shù)，它們?cè)跉庀嗪偷刭|(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)防當(dāng)中發(fā)揮了重要的作用。相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)用穩(wěn)定可靠，獲取探測(cè)數(shù)據(jù)的速度比較快，在未來(lái)有望在云降水物理觀測(cè)方面取得應(yīng)用。而雙線(xiàn)偏振雷達(dá)技術(shù)對(duì)回波識(shí)別的能力比較強(qiáng)，可以對(duì)降水粒子的相態(tài)進(jìn)行有效識(shí)別，未來(lái)將會(huì)應(yīng)用于業(yè)務(wù)應(yīng)用效果的評(píng)估。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉黎平，吳林林，吳翀，汪旭東，陳曉輝，曹俊武，莊薇.X波段相控陣天氣雷達(dá)對(duì)流過(guò)程觀測(cè)外場(chǎng)試驗(yàn)及初步結(jié)果分析[J].大氣科學(xué)，2018，38（06）：10791094.

[2]張林，高玉春，楊金紅，楊洪平.基于VC++平臺(tái)的相控陣天氣雷達(dá)NetCDF數(shù)據(jù)讀取與產(chǎn)品顯示[J].氣象科技，2017，38（02）：230234+278279.