多普勒雷达技术在气象观测中的应用

长春市气象局 龙英伟

多普勒雷达技术在气象观测中的应用较为广泛,也是一种小尺度气候预测工具手段,属于气象雷达范畴,为气象预警和预报工作提供支持,工作精度较为可观。面对新时期气象观测不断增长的新要求,如何获取精准可靠的数据信息,为社会生产生活提供支持,还需要积极推动多普勒雷达创新升级,在气象观测中广泛应用,以此来提升气象观测工作质量,推动气象事业高水平发展。本文就气象观测中多普勒雷达应用情况着手分析,在了解多普勒雷达技术原理基础上,灵活运用到实际工作中,力求提升气象观测工作质量。

多普勒雷达通过对三波数据信息分析处理,即可获取目标信息。而在气象观测工作中应用多普勒雷达技术,除了用于预测短时天气、对流天气以及突发性短时天气等,还可以把握回波演变情况,为后续的地面气象观测工作提供支持。由于气候是动态变化的,要求结合天气变化短时间内做出反应,编发各类天气预报。所以,基于多普勒雷达可以高效勘测天气信息的同时,还要加深技术和业务规则掌握,实时关注气候变化,便于预测未来气候变化有效应对。综合分析研究气候观测中多普勒雷达的应用内容,积累经验,提高对多普勒雷达技术认知,便于后续升级优化。

1 气象雷达技术和多普勒雷达技术分析

1.1 气象雷达技术

气象雷达本质上是用于大气探测的专用雷达装置,属于主动式微波大气遥感设备范畴,其中包括发射装置、天线、接收装置、现实和照相装置、天线控制装置、图像传输装置以及计算机技术等,可以满足中小尺度气候预警和预报[1]。伴随着技术持续推陈出新,气象雷达技术同样得到了高层次发展,发展至今,气象雷达技术主要是在灾害性气候监测、预警方面应用具有非常重要的作用。

就气象雷达技术原理来看,通过电磁波与大气关系进行气象观测,最初在20世纪40年代时期,在气候预测中就已经引入雷达技术,但是经过改造后方可应用。后期随着关于气象雷达技术的研究深化,技术发展水平得到了进一步提升,精度更高,可以实现数据信息高效传输和共享。而在20世纪80年代后期,数字技术与计算机技术的广泛应用,将气象雷达技术发展推到了一个定分,开始融合多种新型雷达技术,其中以多普勒雷达技术最具代表性[2]。

1.2 多普勒雷达技术

多普勒雷达技术,其本质上是基于多普勒效应来探测目标位置和运动速度,其中包括单边带滤波器、距离波门装置、检测滤波装置以及主波束杂波抑制电路几个部分构成,具有自适应波形和高分辨率的优势特点。同时,在气象观测中应用多普勒雷达技术,具有较强的抗干扰能力和重复使用能力,误差小,更加精准的采集数据信息,在气象观测与军事领域有着较为广泛的应用[3]。在气象观测中应用多普勒雷达,通过发射固定频率脉冲波来扫描时,发现目标后回波频率与发射波频率存在差异,以此实现目标的探测。气象观测中,结合多普勒雷达传输频率的大小变化,监测目标相对运动情况;遵循脉冲发射和接收的时间,监测目标距离,高效获取数据信息。需要注意的是,气象观测中多普勒雷达技术应用流程繁琐,并且需要其他技术协调配合,雷达多个部分配合完成气象观测任务。所以,气象观测中多普勒雷达技术的应用原理,简单可以归结为雷达发射电磁波,接收点此回波来观测天气变化情况[4]。在此基础上,结合天气系统特征和观测数据,更加精准的观测气候变化情况。

2 多普勒雷达技术的应用效应

雷达发射的电磁波,波源相较于观察者运动时,接收的信号频率与波源发出存在差异,发射频率、接收频率差值一定程度上受到波源运动速度影响。多普勒雷达观测中,目标物体运动指向雷达站时,接收回波载频要高于发射波的载频,频率变化量级大概是发射载频10-7。结合其具体效用来看,降水粒子相对雷达发射波束相对运动时,发射与接收的信号高频频率呈现明显差异,以此来获取目标信息。基于这一原理测定回波散射体相对雷达速度,以此来反馈气流垂直速度分布和湍流情况,在了解降水形成情况下,为后续的中小尺度天气系统境界和预报提供信息支持。

3 多普勒雷达的技术要点

(1)雷达回波和天气编码。在气象观测中,发现观测站附近区域存在降水回波情况,需要实时观测判断其发展趋势、发展速度和发展方向,预测强度,在此基础上依据相关数据信息预测可能出现的天气,在此基础上做好编码与发报工作。

(2)雷达回波与天气报告。重要天气报编发几率并不高,结合编发天气报规定基础上,如果发现强回波影响观测区域,应预测分析是否有冰雹、龙卷风以及强降雨天气发生,做好重要天气报编发准备工作。如,发报天气项目,天气观测记载,发报标准、发报时间和方向,发报编码形式以及符号内容等内容,确保气象观测工作有序进行,提升发报及时性与准确性。

(3)雷达回波和降水观测。如果发现区域强对流天气影响,可能发生强降雨情况,因此需要结合观测范围、转移速度、回波强度等数据,在此基础上预测分析是否有必要增测降水量,规避可能出现的雨量瓶中水量溢出,创设气象定时观测的有利条件。

(4)雷达回波与雷暴。大面积积雨云会导致雷暴天气形成,如果听到雷声则会显示出积雨云团,依据回波强度、移动路径和强度等数据,预测雷暴开始时间、路径和方向,获取准确信息有效防控。

(5)雷达回波和蒸发量。关于蒸发量测量中,预测可能出现暴雨时,基于校对蒸发雨量筒与蒸发器加、减盖的方式,保证蒸发量精准可靠,最大程度上减小加盖对蒸发量的不良影响,实现加、减盖时间有效把控。对此,结合雷达回波范围、强度和转移方向等因素,以及降水强度变化做出加、减盖的合理决定。

(6)雷达回波与地温表。夏季的强对流天气发生几率较高,特殊情况下回出现冰雹天气,为了规避对地面温度表的不良影响,如果观测到强回波朝着地面移动,可能发生冰雹恶劣天气。因此,可以加盖防冰雹网罩,避免冰雹带来不良影响。

(7)雷达回波与地面最低温度。如果是在温度较高的夏季,地面最低温度表酒精柱长时间受到阳光照射,可能会中断失效。对此,将温度表放在阴凉区域,做好观测记录,但如果存在强回波到本地移,可能有雷雨天气导致降温,可以将地面最低温度表重新放回原处,保证每日观测的数据精准、全面。

(8)不影响观测结果精准度前提下,选择合理的防水措施来获取精准可靠的观测数据。夜间存在强降水情况,第二天日出前检查日照计有无进水情况,或是及时擦干日照计,保证日照计观测数据精准度。

4 气象观测中多普勒雷达技术应用路径

4.1 平台开发设计

(1)平台开发。选择新一代多普雷SA天气雷达,雷达构造较为复杂、精密,在运行时分系统电流和电压有着明确的阈值,波形有对应的标准形态。但随着系统复杂度与集成度提升,雷达系统组件可能受损,消耗的资金维修。因此,需要增强多普勒雷达系统运行稳定性和可靠性。该系统技术保障平台为网络版技术信息库,采用Apache、Macromedia Dreamweaver开发工具实现。

(2)开发流程。遵循分析需求、总体设计、页面设计、编写程序、整合项目、调试与架设流程进行平台开发。首先,建立资料库,收集相关资料建立信息库,便于浏览和下载,便于后期适时补充信息库资料信息,并不断更新完善,具体包括以下几个部分构成:1)雷达使用技术信息库;2)应用软件及图纸信息库;3)政策文件信息库;4)仪器仪表信息库。其次,基于Macromedia Dreamweaver开发工具来建立平台主页面、分页面,合理编排功能板块位置,设计网页界面,并使用CSS来增强网页美观度。再次,编写程序,网页框架设计后,编写程序填充网页内容,丰富平台功能,包括搜索功能、下载功能以及天气预报功能等,平台开发后,测试平台功能,网页文字内容是否有错误,图片链接是否准确,浏览器兼容情况等,测试后检测没有BUG后发布。

(3)多普勒雷达观测站建设。为了最大程度上发挥多普勒雷达优势,辅助气象观测工作高质量展开,需要整合资源,加强多普勒雷达观测站建设,为后续相关工作开展奠定基础。因此,在多普勒雷达气象观测站建设时,需要将收集的参数仔细校对,保证雷达信号精确度和信号符合要求。检测观测站同时,也要做好配套设备的检查与维护工作,及时发现设备故障、及时解决,避免设备故障停机影响到工作正常进行,以此来保障气象观测质量。

4.2 多普勒雷达系统功能

(1)气象监测报告。多普勒雷达是一项前沿的技术,在气象观测中应用优势鲜明,所收集的数据信息精准度较高,通过对数据深入分析可以挖掘有价值信息,为天气预测提供可靠的信息依据。基于多普勒雷达技术,气象观测中反馈的径向速度、回波强度和谱宽图像,可以提供对流天气信息,气象信息较为全面、精准。基于图像分析来预测恶劣灾害天气发生情况,结合预测内容编制最佳的灾害防控方案。如,龙卷风是一种恶劣的自然灾害,此种灾害在发生前会产生异常现象,自然其刘云中衍生出较强破坏力的灾害,部分影响范围大的龙卷风风俗大概在120m/s～210m/s左右,龙卷风发生时呈现漏斗状晕住,直径几十米到几百米不等,对流云云底盘旋而下,对地表产生强大的破坏力。基于多普勒雷达技术,可以预测和识别恶劣自然灾害发生情况,在此基础上制定最佳的防控措施,编制相较于完整的气象监测报告。另外,由于基层气象站生成气象报告几率不高,因此只需要使用天气编码记录天气事件,了解天气预测规则即可,如果发现受影响观测区域强雷震荡回波,可以制定合理的恶劣天气应对建议和措施,最大程度上规避恶劣天气带来巨大的人民财产损失。

(2)地表数据反馈。使用多普勒雷达技术来反馈测算地表数据信息,在发生多余天气下,雷达蒸发器保护装置由于雨水侵蚀会发生腐蚀现象,保护是小。对此,如何有效的增强地表蒸发保护力度,获取精准的气象观测数据结果,应适当的减少汽化帽体积。所以,气象观测人员基于多普勒雷达回波强度、波长距离和波向,是否需要雨桶覆盖处理,主要参考依据是具体的降水量。

(3)确定最佳降水参数。气象观测中应用多普勒雷达技术,在洪水与暴雨等恶劣天气观测中具有积极作用,暴洪问题现象的出现是短时间内降水量过高诱发的洪水问题,分析多普勒雷达回波便于精准预测此类气象,制定针对性的措施预警和防控。充分发挥多普勒雷达技术优势,确定合理的强降水范围,联合预设观测参数比较分析,明确降水目标。需要注意的是,观测人员应该在实际工作中定期校对雷达设备参数,保证回波强度分析结果符合实际情况。另外,基于多普勒雷达可以实现风场变化预测分析,基于回波强度把握风场径向速度,获取相较于全面的风场信息后预测强对流气象条件,可以显著增强风速与风向判断结果合理性。

(4)雷达回波编码。关于雷达回波编码,在使用多普勒雷达技术观测区域气象情况时,如果发现检测区域周边有降水回波情况,应制定针对性措施来密切观测。把握回波变化速度、强度以及演变趋势,用于判断可能会出现的天气情况,在此基础上结合观测内容编码和发报。从实际情况来看,发现强回波对观测区域带来较大影响时,需要针对性加强冰雹、龙卷风和暴雨等情况观测,促使重要气象报告编码工作规范化。如,天气项目发报情况、符号内容规范行、规范发报编码、发报方向核对等,通过此种方式来提升气象观测工作效率和质量,及时编码处理。

5 结语

总而言之,气象观测工作中应用多普勒雷达技术,可以及时获取精准、全面的气象信息,辅助气象预测和防控提供支持,在提升气象观测水平的同时,赋予我国气象事业可持续发展动力与活力。

引用

[1] 刘晓英,吴松华,张洪玮,等.基于相干多普勒测风激光雷达的不同成因类型的低空风切变观测[J].红外与毫米波学报,2020,39(4):491-504.

[2] 傅志伟,程义武.多普勒雷达实时回波在地面气象观测中的应用[J].气象水文海洋仪器,2008(2):59-60+83.

[3] 李珍妮,宋小全,马秋杰,等.辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取[J].海洋气象学报,2019,39(4):52-60.

[4] 古鑫.刍议气象多普勒天气雷达保障中小型机场飞行安全可行性[J].数字化用户,2021,27(3):175-177+114.