多普勒天氣雷達

從1998年開始在中國佈網新一代多普勒天氣雷達系統。多普勒效應是奧地利物理學家J.Doppler1842年首先從運動着的發聲源中發現的現象，多普勒天氣雷達的工作原理即以多普勒效應為基礎，具體表現為：當降水粒子相對雷達發射波束相對運動時，可以測定接收信號與發射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運用這種原理，可以測定散射體相對於雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度的分佈以及湍流情況等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統，警戒強對流天氣等具有重要意義。

多普勒雷達是世界上最先進的天氣監測設備，並且已經在很多國家得到深入應用，因此，下面我們就多普勒雷達的工作原理進行深入分析和研究，以便能夠使人們對其工作原理有着更為清楚的認識。 ^[2] 

1.1 通過氣象目標對雷達電磁波的散射和吸收

粒子能夠對電磁波進行吸收和散射，這也是粒子對電磁波的兩大基本形式。雷達探測大氣的基礎是由氣象目標對雷達電磁波的吸收和散射所得。如果電磁波的波束在大氣傳播途中遇到包括雲滴、雨滴以及其他懸浮粒子和空氣分子，作為入射的電磁波波束中的有一部分會因為上述的粒子反射到不同地方，這類現象稱之為散射。一部分散射的電磁波波束會被粒子吸收，最終按照雷達的方向返回被雷達天線接收，多普勒天氣雷達能夠通過接收到的電磁波束中自帶的振幅和位相等數據，得出氣象目標的平均速度以及發射率因子和速度譜寬等基本數據，進而推斷並計算出相對應的氣象情況和其他內部結構特徵。 ^[2] 

1.2 電磁波在大氣中的衰減

電磁波的能量隨傳播路徑逐漸減弱的現象，稱之為電磁波在大氣中的衰減。電磁波的衰減與電磁波波束的長度成反比，波束長度越長，衰減程度越小。導致電磁波衰減的根本原因是電磁波的波束在投射到各類雲滴、

雨滴和其他氣體分子時，其中很多能量被吸收轉變成別種形式的能量和熱能，同時，其他電磁波的能量則被散射。電磁波的衰減能夠在很大程度上減小雷達中的回波功率，從而致使雷達回波數據不準確，多普勒天氣雷達能夠利用電磁波的這一特點分析各類天氣所折射的電磁波波束以及電磁波的衰減情況，得出氣象目標的準確數據。 ^[2] 

1.3 電磁波在大氣中的折射

在真空環境下電磁波的傳播路徑是直線，而在大氣中由於各類氣體分子及雲雨滴的存在，使得電磁波在大氣中會出現折射現象。大氣折射主要包括標準折射、超折射、臨界折射、負折射以及無折射，這五種折射均與雷達波束的高度、寬度以及仰角等因素有關。每一種折射都有不同的回波強度和徑向速度，這些回波強度反映出不同的電磁波波長，多普勒天氣雷達能夠通過對上述五種折射的分析，通過對雷達接收站所收集到的折射後電磁波波束進一步的計算和整理，得出相應的氣象資料以進行相應的人工干預。 ^[2] 

1.4 多普勒效應

多普勒效應以聲波的形式體現，比如一輛火車在高速行駛的情況下，其聲音的頻率會隨着聲波的壓縮而不斷增加，然而當火車接近停止時，其聲音的頻率則會由於聲波的膨脹而不斷減少，這種現象稱之為多普勒效應。換言之，一個聲音以20m/s的速度，在較近或較遠的距離聽會產生大約800HZ的多普勒頻率移動。多普勒天氣雷達所發射的電磁波相比聲波的頻率高，並且是以光速的形式進行傳播，通常該雷達不是直接對多普勒頻移測量，而是通過往返脈衝對之間的差值得到氣象目標的徑向速度。正因如此，多普勒天氣雷達與其他普通雷達最大的不同之處，在於多普勒天氣雷達不僅能夠準確提供氣象目標的發射率因子，還能提供氣象目標的徑向速度和譜寬數值，這些數據在預警極端天氣時是十分必要的。 ^[2] 

觸發信號發生器(控制鍾)是整個雷達的控制系統，它週期性地產生一個脈衝式的觸發信號，觸發脈衝輸送到調制解調器和顯示器，指揮它們開始工作。每秒種產生的觸發脈衝數目，稱為脈衝重複頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。兩個相鄰脈衝之間的時間間隔，稱為脈衝重複週期，用T表示，它等於脈衝重複頻率的倒數。實際工作中，可用公式計算脈衝重複週期的數值。 ^[3] 

在觸發脈衝的觸發作用下，調制解調器產生調製脈衝。調製脈衝具有兩個特性：

（1）具有固定的脈衝寬度（也稱為脈衝持續時間），以微秒為單位，也可以以脈衝的空間距離h表示，脈衝寬度直接影響探測距離和距離分辨能力即雷達盲區大小。探測近目標採用窄的脈衝寬度，在探測遠目標時，為了增大回波信號的強度採用寬的脈衝寬度。天氣雷達的脈衝寬度一般取0.1--4微秒，隨各種雷達探測目的不同而異。

（2）調製脈衝提供一個合適的視頻波形具有足夠的幅度，以便使下一級電路發射機正常工作。 ^[3] 

在調製脈衝的作用下，發射機產生短促又強大的特高頻振盪，經天線向空間發射出去，即探測脈衝。發射機的主要技術參數有波長（或振盪頻率F）和脈衝發射功率。

（1）波長：天氣雷達通常使用的波長是釐米波，劃分為K、X、C和S四個波段，K波段的雷達是用來探測非降水的雲，X、C和S波段用於探測降水。

（2）脈衝發射功率：是指天線實際發射的峯值功率，如果忽略了波導管和天線的損耗，則脈衝發射功率將近似地等於發射機輸出峯值功率。 ^[3] 

天線轉換開關是將天線、發射機和接收機連接起來的一種裝置。當天線和發射機接通時，發射機輸出的特高頻振盪脈衝電磁波順利地到達天線，在這個時間內天線與接收機切斷連通，電磁波不能進入接收機。在探測脈衝發射的間歇期，轉換開關接通接收機，使天線接收到的回波信號能全部進入接收機。波導管是一種空心矩形金屬管狀導體，其內徑大小隨所攜帶信號的波長而異，脈衝信號經它傳送到天線其損耗極小。 ^[3] 

(1)波束的寬度：天氣雷達的天線具有很強的方向性，它所輻射的功率集中在波束所指的方向上，波束主軸附近能流密度大，波束的邊緣能流密度小，能流密度的相對分佈曲線，稱為天線方向圖，曲線上各點與座標原點的連線長度，代表該方向相對能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣稱為主波瓣，側面和相反方向能流密度均小得多，分別稱為旁瓣和尾瓣。在天線方向圖上，兩個半功率點方向的夾角，稱為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的分辨率越高，探測精度越高。天氣雷達的波束寬度通常不超過2度，多普勒雷達的波束寬度一般不超過1度。波束寬度的大小取決於拋物面反射體的直徑和雷達工作波長。

（2）天線增益：在相同輻射功率條件下，在波束方向上定向天線的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密度之比，稱為天線增益，以G表示，天線增益與天線波束寬度具有一定的關係。天線增益以分貝（dB）表示：分貝（dB）=10log（定向天線的能流密度）/（各向均勻輻散天線的能流密度）。 ^[3] 

接收機：接收來自目標物的回波信號，經過放大後送往顯示器進行顯示。回波信號常常非常微弱，接收機必須具有接收微弱信號的能力，這種能力稱為靈敏度。靈敏度用最小可辨功率表示。它是回波信號剛剛能從噪聲信號中分辨出來時的回波功率。

顯示器：

（1）平面位置顯示器（簡稱平顯或PPI）是天氣雷達中最常用的一種顯示器。在這種顯示器上，電子束一方面以脈衝重複頻率自屏幕的中心向外作等速的徑向掃描；另一方面通過天線傳動裝置，使徑向掃描為同步地隨天線繞垂直軸旋轉，當有回波信號進入時，在相應的距離和方位上掃描線增亮，從而顯示出回波，其亮度取決於回波信號的強度，近代採用了視頻積分處理器，將回波信號按不同的強度用不同的灰度或彩色顯示出來。當雷達天線掃描一週時，屏幕上顯示出測站周圍目標的分佈和回波強度。

（2）距離高度顯示器（簡稱高顯或RHI）也是天氣雷達中最常用的一種顯示器，用來顯示垂直剖面，縱座標是高度，橫座標為水平距離，高度座標放大，所顯示的回波在垂直方向被拉長了。 ^[3] 

新一代多普勒天氣雷達的產品包括基本產品和導出產品。基本產品有三個：反射率因子、平均徑向速度、譜寬。反射率因子描繪了一個完整的360º方位掃描的回波強度數據，數據等級用dBZ表示。雷達操作者可依靠反射率因子產品確定回波的強度，確定風暴的強弱和結構以及強降雨（雪）帶，還可根據反射率因子隨時間的變化確定降水回波的移動以及未來的趨勢等。平均徑向速度表示整個360º方位掃描徑向速度數據，徑向速度即物體運動速度平行與雷達徑向的分量。徑向速度有許多直接的應用，可以導出大氣結構，風暴結構，可以幫助產生、調整和更新高空分析圖等。平均徑向速度產品有兩點侷限性：一是垂直於雷達波束的風的徑向速度被表示為0；二是距離摺疊和不正確的速度退模糊。譜寬數據實際上指的是速度譜寬數據，它是一個對速度離散量的度量。它可提供由於風切變、湍流和速度樣本質量引起的平均徑向速度變化的觀測，也可用來確定邊界（密度不連續面）位置、估計湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。導出產品是雷達產品生成系統（RPG）根據基本數據資料通過氣象算法處理後得到的產品，比較重要的有相對於風暴的平均徑向速度圖、相對於風暴的平均徑向速度區、強天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面產品等。最常用的還是基本產品，導出產品只能起到提示和參考作用。

多普勒雷達是世界上最先進的雷達系統，有“超級千里眼”之稱。相較於傳統天氣雷達，多普勒雷達能夠監測到位於垂直地面8-12公里的高空中的對流雲層的生成和變化，判斷雲的移動速度，其產品信息達72種，天氣預報的精確度比以前將會有較大提高。1991至1997年，美國在全國及海外佈網的165台NEXRDA被稱為天氣雷達系統的典範，是世界上最先進的和最精確的天氣雷達系統。它所採用的多普勒信號處理技術和自動產生災害性天氣警報的能力無與倫比。NEXRAD可以自動形成和顯示豐富多彩的天氣產品，極大地提高了對超級單體、湖泊效應雪、成層雪、雷暴、降水、風切變、下擊暴流、龍捲、鋒面、湍流、冰雹等重大災害性天氣的監測和預報能力。對強雷暴的偵察率是96%，對龍捲的發現率是83%，對龍捲警告的平均預警時間是18分鐘，而在未建NEXRDA網絡之前，美國國家上述參數的平均值分別是60%，40%和2分鐘。從中可以預料CINRDA將從根本上增強探測強雷暴的能力，能較早地探測到晴空下威脅航行的大氣湍流和發生災害性洪水的可能，併為水資源的管理決策提供極有價值的信息。新一代天氣雷達系統建設是我國20世紀末21世紀初的一項氣象現代化工程，計劃在全國建成S頻段和C頻段雷達156部，該系統建成後，我國的氣象現代化水平會上一個新的台階。 ^[4]