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1、气象多普勒雷达在气象观测中的应用摘要：关键词：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（无线电侦测与定距）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、方位角与仰角。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
2、传播的波并辐射出去。电磁能在大气中以光速（2.998108 m/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、合成孔径与脉冲压缩的高分辨率、地形回避与地形跟随、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，其内涵与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
3、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，它是用于警戒与预报中、小尺度天气系统（如台风与暴雨云系）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、显示器与照相装置、电子计算机与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、脉冲重复频率与接收机的灵敏度等。1941年，在英国最早使用雷达探测风暴。19421943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
4、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与超高频多普勒雷达与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与波源发出的是不同的，而且发射频率与接收频率之间的差值与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
5、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，确定风暴的强弱与结构以及强降雨（雪）带，还可根据反射率因子随时
6、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、调整与更新高空分析图等。它可提供由于风切变、湍流与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，
7、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与研究中的应用，如探测降水云内与晴空大气中水平风场与垂直风场、降水滴谱与大气湍流等。 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与预警产品。到2000年，NEXRAD业务布网完成,包括了158部业务雷
8、达,分布在美国本土以及近海与岛屿,雷达间的最大距离为250海里。NEXRAD网的布设,大大提高了美国对灾害性天气,尤其是暴雨的预报能力,对龙卷形成前奏-中尺度气旋与机场附近的下击暴流的识别具有特殊的能力。美国在20世纪末又开始了NEXRAD Open System的改进工作,重点在双线偏振技术的引入与数据网络结构的改进并计划在2010年完成WSR-88D雷达的双线偏振雷达改造。 自1998起，加拿大在6年的时间内完成了“国家多普勒雷达计划”，主要沿人口密集、灾害性天气频发并造成巨大灾害的海岸线布设了30部多普勒雷达,其中有11部多普勒雷达是加拿大完全新建的,其余19部则是原有的常规雷达翻建成具
9、有多普勒雷达功能的。雷达的有效探测距离为240km,多普勒模式下为120km。目前加拿大正在进行将多普勒模式下的作用距离加大到240km的技术开发。雷达网的建成, 使得加拿大对龙卷的预报从几乎不可能到提前15min20min,对风暴位置与雨雪量级做出了比以前更为准确的预报。国土紧密相连的欧洲国家采取联合方式建立雷达网,使雷达探测资料在天气预报中得到充分利用。从1970年代后期,欧盟COST-72项目开始实施并持续了6年,至1980年代中后期的COST-76项目,欧洲形成了世界上两大雷达网之一,共有130多部雷达,其中一半具有多普勒雷达能力,并建立了风廓线雷达网,进行欧洲大面积降水监测与风廓线观
10、测。COST717项目的主要目的是对先进的雷达信息进行评估、演示与记录,如将径向速度、垂直风廓线、反射率、估算出的降水等作为参数,对数值天气预报与水文模式进行评估。我国的气象部门在国家的大力支持下, 建立了一套比较有效的气象监测、预测服务系统。在1998 年大洪水后, 针对在气象监测业务中还存在的薄弱环节,国务院正式批准利用国债资金在全国建立新一代多普勒天气雷达监测网, 初步确定在全国布设126 部雷达, 以进一步加强对灾害性天气的监测与预测水平。迄今为止, 已有近50 部雷达相继建成, 并在实际业务中发挥效益。4. 气象多普勒雷达在气象观测中的应用 气象多普勒雷达的应用主要有：平均风场的测量
11、、粒子下落速度的观测、双气象多普勒雷达的观测等。早期所使用的多普勒雷达，天线是铅直指向的，它测量得到的多普勒速度是降水粒子相对空气的下落速度与铅直气流速度之与。在各种假设之下，根据水滴下落末速度与水滴直径间的已知关系，可以通过铅直指向探测，取得雨滴谱与气流铅直速度的资料。经过进一步发展,将雷达天线的仰角固定在一定值上作方位扫描,这样可以得到一定仰角下目标径向速度随方位的分布。相应的显示方式叫速度方位显示 (VAD)。由此所得资料，通过数学运算可以推得雷达站上空各高度上的风向、风速与水平散度。这种方法可以快速地测量几公里到几十公里范围内风随高度的分布。风速的测定误差约为 0.5米/秒。如果将雷达
12、天线的方位固定,不断地改变仰角,由这种扫描方式得到的距离高度速度显示(RHV),可以给出扫描方位上风速分量的铅直剖面。在天线近于水平的情况下作方位扫描时，相应的显示方式为平面切变显示(PSI),它可显示出强风切变与涡旋存在的区域。对监测龙卷、冰雹等灾害性天气很有用处。利用双多普勒雷达或三多普勒雷达的联合探测试验，还能够获得降水系统的三维运动的详细结构。 在多普勒雷达的发展与应用中存在的重要问题之一是多普勒雷达的作用距离与速度最大可测值之间的矛盾。因此，只能根据实际需要，在速度最大可测值与最大作用距离之间采取某种折衷方案。尽管如此，由于多普勒雷达能够确定降水系统的三维运动的详细结构与比较有效的探
13、测龙卷等强天气，它正日益广泛地被应用于许多科学研究工作中。5. 气象多普勒雷达的发展方向 气象多普勒雷达在气象研究工作中具有很大的作用，世界上的各个国家也对它的发展提出了新的构想。（1）相控阵多普勒天气雷达：一些发达国家提出了研制相控阵多普勒天气雷达的设想。相控阵多普勒天气雷达，主要优势是可以提高获取资料的时间分辨率、进一步提高探测能力。从技术上看，相控阵雷达跟踪孤立的目标是成熟的，但相控阵天气雷达对分布体目标的强度场与速度场的探测能力有待研究；即使是技术上可行，相控阵天气雷达的阵面天线造价十分昂贵，近十年内在发展中国家实现业务化与组网是难以实现的。（2）双偏振天气雷达技术：带双偏振的多普勒天
14、气雷达是在多普勒天气雷达的基础上增加双偏振功能，根据不同偏振获取的后向散射信息，除了能提供多普勒天气雷达可得到的回波强度、径向速度与速度谱宽外，还能提供降水粒子的形状、尺寸、相态、指向角等，进而可分析、识别降水的类型，提高降水估测精度。（3）多波长雷达技术的应用：双波长天气雷达通过两组天线、发射/接收、处理系统同时获取相同空间的气象回波，通过大气与云雨对不同发射波长的散射与衰减，获取不同的衰减系数与后向散射信息，进而提高雷达的测雨精度及监测能力。但由于天线同指向等技术问题与造价高等原因，一直未能成为一代业务应用天气雷达。（4）多基地雷达系统：双(多)基地雷达主要是相对于比较常见的单基地雷达而言
15、的，它是从雷达收发站配置的角度来命名的。单基地雷达一般是收发共址，即接收站与发射站位于同一个地方，而双(多)基地雷达则是收发异址，其中多基地雷达还具有多个发射站与多个接收站，以离散的形式配置。多基地雷达技术实现的几个关键问题：主雷达与各个接收站的运行参数与模式的同步、各组回波数据的融合配对、空间定位、主雷达与各个接收站间实时通讯链路的建立与维护、主雷达与各个接收站的原始回波数据采集、系统的运行状态的监测、用户的操作界面与系统的实时控制、三维风场反演产品的生成与输出。参考文献气象雷达新技术及其应用思路研究 陈海坚 高新技术2011.30.现代气象观测 张霭琛 北京大学出版社天气雷达发展新技术报告 梁海河、张沛源、黄晓 中国气象局监测网络司第 7 页