[科普中国]-多普勒天气雷达

从1998年开始在中国布网新一代多普勒天气雷达系统。多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效应为基础，具体表现为：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。

工作原理多普勒雷达是目前世界上最先进的天气监测设备，并且已经在很多国家得到深入应用，因此，下面我们就多普勒雷达的工作原理进行深入分析和研究，以便能够使人们对其工作原理有着更为清楚的认识。2

1.1 通过气象目标对雷达电磁波的散射和吸收

粒子能够对电磁波进行吸收和散射，这也是粒子对电磁波的两大基本形式。雷达探测大气的基础是由气象目标对雷达电磁波的吸收和散射所得。如果电磁波的波束在大气传播途中遇到包括云滴、雨滴以及其他悬浮粒子和空气分子，作为入射的电磁波波束中的有一部分会因为上述的粒子反射到不同地方，这类现象称之为散射。一部分散射的电磁波波束会被粒子吸收，最终按照雷达的方向返回被雷达天线接收，多普勒天气雷达能够通过接收到的电磁波束中自带的振幅和位相等数据，得出气象目标的平均速度以及发射率因子和速度谱宽等基本数据，进而推断并计算出相对应的气象情况和其他内部结构特征。2

1.2 电磁波在大气中的衰减

电磁波的能量随传播路径逐渐减弱的现象，称之为电磁波在大气中的衰减。电磁波的衰减与电磁波波束的长度成反比，波束长度越长，衰减程度越小。导致电磁波衰减的根本原因是电磁波的波束在投射到各类云滴、

雨滴和其他气体分子时，其中很多能量被吸收转变成别种形式的能量和热能，同时，其他电磁波的能量则被散射。电磁波的衰减能够在很大程度上减小雷达中的回波功率，从而致使雷达回波数据不准确，多普勒天气雷达能够利用电磁波的这一特点分析各类天气所折射的电磁波波束以及电磁波的衰减情况，得出气象目标的准确数据。2

1.3 电磁波在大气中的折射

在真空环境下电磁波的传播路径是直线，而在大气中由于各类气体分子及云雨滴的存在，使得电磁波在大气中会出现折射现象。大气折射主要包括标准折射、超折射、临界折射、负折射以及无折射，这五种折射均与雷达波束的高度、宽度以及仰角等因素有关。每一种折射都有不同的回波强度和径向速度，这些回波强度反映出不同的电磁波波长，多普勒天气雷达能够通过对上述五种折射的分析，通过对雷达接收站所收集到的折射后电磁波波束进一步的计算和整理，得出相应的气象资料以进行相应的人工干预。2

1.4 多普勒效应

多普勒效应以声波的形式体现，比如一辆火车在高速行驶的情况下，其声音的频率会随着声波的压缩而不断增加，然而当火车接近停止时，其声音的频率则会由于声波的膨胀而不断减少，这种现象称之为多普勒效应。换言之，一个声音以20m/s的速度，在较近或较远的距离听会产生大约800HZ的多普勒频率移动。多普勒天气雷达所发射的电磁波相比声波的频率高，并且是以光速的形式进行传播，通常该雷达不是直接对多普勒频移测量，而是通过往返脉冲对之间的差值得到气象目标的径向速度。正因如此，多普勒天气雷达与其他普通雷达最大的不同之处，在于多普勒天气雷达不仅能够准确提供气象目标的发射率因子，还能提供气象目标的径向速度和谱宽数值，这些数据在预警极端天气时是十分必要的。2

主要设备触发信号发生器触发信号发生器(控制钟)是整个雷达的控制系统，它周期性地产生一个脉冲式的触发信号，触发脉冲输送到调制解调器和显示器，指挥它们开始工作。每秒种产生的触发脉冲数目，称为脉冲重复频率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，用T表示，它等于脉冲重复频率的倒数。实际工作中，可用公式计算脉冲重复周期的数值。3

调制解调器在触发脉冲的触发作用下，调制解调器产生调制脉冲。调制脉冲具有两个特性：

（1）具有固定的脉冲宽度（也称为脉冲持续时间），以微秒为单位，也可以以脉冲的空间距离h表示，脉冲宽度直接影响探测距离和距离分辨能力即雷达盲区大小。探测近目标采用窄的脉冲宽度，在探测远目标时，为了增大回波信号的强度采用宽的脉冲宽度。天气雷达的脉冲宽度一般取0.1--4微秒，随各种雷达探测目的不同而异。

（2）调制脉冲提供一个合适的视频波形具有足够的幅度，以便使下一级电路发射机正常工作。3

发射机在调制脉冲的作用下，发射机产生短促又强大的特高频振荡，经天线向空间发射出去，即探测脉冲。发射机的主要技术参数有波长（或振荡频率F）和脉冲发射功率。

（1）波长：天气雷达通常使用的波长是厘米波，划分为K、X、C和S四个波段，K波段的雷达是用来探测非降水的云，X、C和S波段用于探测降水。

（2）脉冲发射功率：是指天线实际发射的峰值功率，如果忽略了波导管和天线的损耗，则脉冲发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。3

天线转换开关 、波导管天线转换开关是将天线、发射机和接收机连接起来的一种装置。当天线和发射机接通时，发射机输出的特高频振荡脉冲电磁波顺利地到达天线，在这个时间内天线与接收机切断连通，电磁波不能进入接收机。在探测脉冲发射的间歇期，转换开关接通接收机，使天线接收到的回波信号能全部进入接收机。波导管是一种空心矩形金属管状导体，其内径大小随所携带信号的波长而异，脉冲信号经它传送到天线其损耗极小。3

天线(1)波束的宽度：天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指的方向上，波束主轴附近能流密度大，波束的边缘能流密度小，能流密度的相对分布曲线，称为天线方向图，曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向相对能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣称为主波瓣，侧面和相反方向能流密度均小得多，分别称为旁瓣和尾瓣。在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。波束宽度越小，定向角度的分辨率越高，探测精度越高。天气雷达的波束宽度通常不超过2度，多普勒雷达的波束宽度一般不超过1度。波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径和雷达工作波长。

（2）天线增益：在相同辐射功率条件下，在波束方向上定向天线的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以G表示，天线增益与天线波束宽度具有一定的关系。天线增益以分贝（dB）表示：分贝（dB）=10log（定向天线的能流密度）/（各向均匀辐散天线的能流密度）。3

接收机和显示器接收机：接收来自目标物的回波信号，经过放大后送往显示器进行显示。回波信号常常非常微弱，接收机必须具有接收微弱信号的能力，这种能力称为灵敏度。灵敏度用最小可辨功率表示。它是回波信号刚刚能从噪声信号中分辨出来时的回波功率。

显示器：

（1）平面位置显示器（简称平显或PPI）是天气雷达中最常用的一种显示器。在这种显示器上，电子束一方面以脉冲重复频率自屏幕的中心向外作等速的径向扫描；另一方面通过天线传动装置，使径向扫描为同步地随天线绕垂直轴旋转，当有回波信号进入时，在相应的距离和方位上扫描线增亮，从而显示出回波，其亮度取决于回波信号的强度，近代采用了视频积分处理器，将回波信号按不同的强度用不同的灰度或彩色显示出来。当雷达天线扫描一周时，屏幕上显示出测站周围目标的分布和回波强度。

（2）距离高度显示器（简称高显或RHI）也是天气雷达中最常用的一种显示器，用来显示垂直剖面，纵坐标是高度，横坐标为水平距离，高度坐标放大，所显示的回波在垂直方向被拉长了。3

产品应用新一代多普勒天气雷达的产品包括基本产品和导出产品。基本产品有三个：反射率因子、平均径向速度、谱宽。反射率因子描绘了一个完整的360º方位扫描的回波强度数据，数据等级用dBZ表示。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360º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。平均径向速度产品有两点局限性：一是垂直于雷达波束的风的径向速度被表示为0；二是距离折叠和不正确的速度退模糊。谱宽数据实际上指的是速度谱宽数据，它是一个对速度离散量的度量。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。导出产品是雷达产品生成系统（RPG）根据基本数据资料通过气象算法处理后得到的产品，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、剖面产品等。到目前为止，最常用的还是基本产品，导出产品只能起到提示和参考作用。

重要意义多普勒雷达是目前世界上最先进的雷达系统，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒雷达能够监测到位于垂直地面8-12公里的高空中的对流云层的生成和变化，判断云的移动速度，其产品信息达72种，天气预报的精确度比以前将会有较大提高。1991至1997年，美国在全国及海外布网的165台NEXRDA被称为天气雷达系统的典范，是目前世界上最先进的和最精确的天气雷达系统。它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性天气警报的能力无与伦比。NEXRAD可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品，极大地提高了对超级单体、湖泊效应雪、成层雪、雷暴、降水、风切变、下击暴流、龙卷、锋面、湍流、冰雹等重大灾害性天气的监测和预报能力。对强雷暴的侦察率是96%，对龙卷的发现率是83%，对龙卷警告的平均预警时间是18分钟，而在未建NEXRDA网络之前，美国国家上述参数的平均值分别是60%，40%和2分钟。从中可以预料CINRDA将从根本上增强探测强雷暴的能力，能较早地探测到晴空下威胁航行的大气湍流和发生灾害性洪水的可能，并为水资源的管理决策提供极有价值的信息。新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的一项气象现代化工程，计划在全国建成S频段和C频段雷达156部，该系统建成后，我国的气象现代化水平会上一个新的台阶。4