多普勒雷达在气象观测中的应用

董立书

1.雷达及气象雷达的简介

雷达是将电磁能量以定向方式发射到空间之中，再借由接收空间内存在物体所反射的电波来计算出物体的方向，高度及速度，并且可以探测物体的形状的设备。雷达（RADAR）这个名称是英文Radio Detection and Ranging（无线电侦测和定距）的缩写。对于地球上的某一定点（雷达站）而言，任一个空间目标的位置，可以用三个基本的参数表示，这三个基本参数就是斜距、水平距离或高度、方位角和仰角。

雷达的出现是在二战期间。在军事需求的背景下雷达被发明了。雷达的工作原理是通过发射机产生电磁能量，再用雷达天线将电磁能量集中形成向某一方向传播的波并辐射出去。电磁能在大气中以光速（2.998×108m/s）传播。当传播着的电磁波遇到了目标物便产生散射波，而且这种散射波分布在目标周围的各个方向上。其中有一部分沿着与辐射波相反的路径传播到雷达的接受天线，被接受的这一部分散射能量，称为目标的后向散射，也就是回波信号。雷达使用测量回波信号的延时来测量距离的。

其后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵和研究内容都在不断地拓展。目前，雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了雷达、红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。

气象雷达是专门用于大气探测的雷达，它是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一，属于主动式微波大气遥感设备。气象雷达常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。气象雷达的技术指标主要有工作波长、发射功率、天线增益、波束宽度、脉冲宽度、脉冲重复频率和接收机的灵敏度等。

1941年，在英国最早使用雷达探测风暴。1942～1943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期，一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技术，气象多普勒雷达具有对大气流场结构的定量探测能。到了70年代，除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达。

2.气象多普勒雷达的介绍

气象多普勒雷达的结构如图所示，它的理论基础是电磁波的多普勒效应。多普勒效应是澳大利亚物理学家多普勒（J.Doppler）1842年首先从运动着的发声源中发现的现象：波源相对于观察者运动时，观察者接收到的信号频率和波源发出的是不同的，而且发射频率和接收频率之间的差值和波源运动的速度有关。对于气象多普勒雷达来说，当目标物的运动指向（背向）雷达站时，雷达接收到的回波载频将高于（低于）发射波的载频。频率变化的量级小，约为发射载频的10-7，但其值正比于目标物径向运动的速度分量。因此根据回波载频的变化，即可计算出目标物的径向运动速度。多普勒雷达具体效用为：当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。运用这种原理，可以测定回波散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。这对研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气等具有重要意义。雷达操作者可依靠反射率因子产品确定回波的强度，确定风暴的强弱和结构以及强降雨（雪）带，还可根据反射率因子随时间的变化确定降水回波的移动以及未来的趋势等。平均径向速度表示整个360°方位扫描径向速度数据，径向速度即物体运动速度平行与雷达径向的分量。径向速度有许多直接的应用，可以导出大气结构，风暴结构，可以帮助产生、调整和更新高空分析图等。它可提供由于风切变、湍流和速度样本质量引起的平均径向速度变化的观测，也可用来确定边界（密度不连续面）位置、估计湍流大小及检查径向速度是否可靠。而根据基本数据资料通过气象算法处理后得到更多的结果，比较重要的有相对于风暴的平均径向速度图、相对于风暴的平均径向速度区、强天气分析、组合反射率因子、回波顶、剖面等。

3.气象多普勒雷达的发展情况

多普勒天气雷达技术的发展分三个阶段，第一阶段20世纪40年代末到60年代，第二阶段20世纪70年代到20世纪80年代，第三阶段从20世纪90年代开始。近年来多普勒天气雷达最突出的发展是其在大气遥感探测和研究中的应用，如探测降水云内和晴空大气中水平風场和垂直风场、降水滴谱和大气湍流等。

20世纪80年代初，美国开始研制全相干脉冲多原普勒天气雷达，1988年开始批量生产，并由此组成的美国下一代天气雷达网（NEXRAD）作为美国气象现代化的重要组成部分开始实施。其使用的WSR-88D多普勒天气雷达不仅提高了探测能力，还具备了获取风场信息的功能，并提供了丰富的监测和预警产品。

（作者单位：161441黑龙江省农垦九三管理局气象台）