多普勒雷达在气象中的应用

马中元

摘要：本文简略回顾了雷达气象学的发展史和多普勒雷达工作原理，指出雷达利用电磁波的散射与吸收、衰减与折射和多普勒效应等基本原理，塑造了多普勒天气雷达并建立了我国新一代多普勒雷达监测网，为在气象业务中监测和预报龙卷、冰雹、大风和暴洪等灾害性天气发挥了重要作用。

关键词：雷达气象学；多普勒雷达；雷达监测网；灾害性天气

1雷达气象学的发展历程

1.1 雷达气象学

雷达气象学是利用气象雷达进行大气探测和研究雷达电磁波与大气相互作用的学科，它是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。

雷达气象学的主要内容包括三部分：（1）基础理论。包括云和降水粒子对雷达电磁波的散射；微波经过大气、云和降水粒子时的衰减；气象条件对雷达电磁波传播的影响，如大气折射、大气不均匀结构的散射等。（2）应用理论。包括雷达测量降水和云中的含水量；天气系统(特别是中小尺度系统)的雷达回波在天气分析预报上的应用；云和降水物理探测研究上的应用；多普勒雷达和各种波长的雷达在风的水平结构和垂直结构、气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等探测研究中的应用。（3）技术理论。包括各种气象雷达资料的数据反演、处理和传输等技术。

1.2 气象雷达的发展简史

20世纪40年代，雷达开始用于降水天气过程的探测，这一时期的雷达都是军用警戒雷达改装而成。主要是建立雷达气象学理论基础的阶段；50年代是从定性研究转入定量研究的阶段，其中包括定量测量降水，以及对雷达信号脉动、偏振等现象的研究。50年代后期和60年代初期，许多国家建立了雷达监测网，促进了雷达气象学的进一步发展。如美国国家天气局用的WSR-1、WSR-3，英国生产的Decca41、Decca43等。国内1950年也引进Decca41雷达用于监测天气。

20世纪60年代后，雷达气象学在多方面得到了新的发展，表现在雷达气象方程精度的改进；同时，气象雷达在资料实时处理和观测结果传输方面也取得了很大进展，并出现了定量探测的天气数字化雷达网，这时期的雷达被命名为天气雷达。

20世纪80年代后，随着数字技术、信号处理技术和计算机技术的发展，美国1988年开始批量生产WSR-88D多普勒天气雷达，全美共布设155部WSR-88D多普勒天气雷达。WSR-88D多普勒天气雷达不仅有较强的探测能力，较好的定量估测降水的性能，还具有获取风场信息的功能，并有丰富的雷达算法和应用软件支持，可为用户提供多种监测和预警产品。

2多普勒雷达工作原理

2.1 气象目标对雷达电磁波的散射和吸收。

粒子对电磁波作用的两种基本形式是散射和吸收，气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的基础。当电磁波束在大气中传播遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波一部分会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射；一部分被粒子吸收。其中向后散射波要返回雷达方向被雷达天线接收，可用振幅和位相来提取目标物的发射率因子、平均速度和速度谱宽三个基本量，从而推断出相应天气系统的内部结构和特征。

2.2 电磁波在大气中的衰减和折射。

2.2.1 衰减

电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减。造成衰减的物理原因是因为电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量，从而使电磁波减弱。由于衰减作用，使雷达回波功率减小，会造成雷达回波的失真。电磁波的衰减与电磁波的波长负相关，波长愈长衰减愈小。

2.2.2 折射

电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射指数分布的不均匀性，就会产生折射，使电磁波的传播路径发生弯曲。大气折射主要有5种：（1）标准大气折射；（2）临界折射；（3）超折射；（4）无折射；（5）负折射。大气折射与等效地球半径、雷达波束中心高度、距离和仰角等因素有关。

2.3 多普勒效应。

多普勒效应通常用声波来形象说明。当一辆火车鸣笛以高速向你驶来时，声音的频率由于声波的压缩而增加；当火车远离你而去时，声音的频率由于声波的膨胀而减弱，这就是多普勒效应。一个声源以25m/s的速度移近或远离听者，会产生800Hz的多普勒频移。

多普勒雷达发射的电磁波比声波的频率高很多，并以光速传播。对于一个采用10cm波长（S波段）的多普勒雷达来说，传播频率是2.85×109Hz（2.85GHz）。一个以25m/s的速度运动的目标，将产生一个487Hz的多普勒频移。多普勒雷达通常不是直接测量多普勒频移，而是通过测量相继返回的“脉冲对”之间的位相差来确定目标物的径向速度的。

因此，多普勒雷达与普通雷达不同，它除了能提供目标物的发射率因子外，还能提供目标物的径向速度和谱宽产品，这些产品在判断强烈天气出现时十分有用。

3新一代多普勒天气雷达监测网

3.1 S、C、X波段多普勒雷达

我国新一代多普勒天气雷达监测网已建规模，共有7种型号3个厂家生成。其中10公分S波段有：SA、SB和SC三种雷达；5公分C波段有：CB、CC、CCJ和CD四种雷达。SA、SB和CB型雷达由中美合资企业北京敏视达公司生产，结构与美国WSR-88D类似；SC和CD型雷达由成都国营784厂研制生产；CC和CCJ型雷达由电子工业部合肥38所研制生产。3公分X波段多普勒雷达一般配置为特殊功能的移动雷达。

3.2 新一代天气雷达网组成

全国已完成158部S波段和C波段新一代多普勒天气雷达系统的布点建设，形成基本覆盖全国的天气雷达监测网。建设了国家、省、地三级远程信息传输系统和国家、省两级雷达信息共享平台，在15分钟内实现天气雷达资料、产品的全国共享。基本完成适应不同需求的新一代天气雷达综合业务应用系统的建设，实现对中小尺度天气及暴雨降水量、雨区的定点、定量预警等功能。建成具有自主知识产权的新一代天气雷达系统和适合中国天气系统的应用软件。推动国家雷达工业在军用和民用领域的发展。新一代天气雷达网整体实力达到国际先进水平。

4多普勒天气雷达的应用

4.1对灾害性天气的监测和预警

多普勒雷达观测的实时回波强度（发射率因子Z）、径向速度（V）、速度谱宽（W）的图像中，提供了丰富的有关强对流天气的信息，综合使用Z、V、W图像，可以较准确和及时监测灾害性天气。回波强度一直是判断强对流天气的重要参数，多普勒雷达中径向速度分布图也是判断强对流的一种有效工具，因为，强对流天气的出现和发展往往与气流的辐合、辐散以及旋转有关，在识别风灾害时特别有效。

4.1.1龙卷龙卷是对流云中产生的破坏力极大地小尺度灾害性天气，最强龙卷的风速介于110～200m/s之间。当有龙卷出现时，总有一条直径从几十米到几百米的漏斗状云柱从对流云云底盘旋而下，有的能伸达地面，在地面引起灾害性的风称为陆龙卷；有的伸达水面称为水龙卷。在多普勒雷达回波识别中，龙卷主要由二类回波单体产生：一是超级单体回波；二是多单体回波。

4.1.2冰雹对流风暴中强烈的上升气流是产生大冰雹的必要条件。冰雹常常发生在超级单体回波中，形成并降落在中气旋周围的钩状回波附近的强回波区中。一些发展强烈的多单体回波也有可能产生冰雹。

4.1.3大风灾害性大风指的是对流风暴产生的龙卷以外的地面直线型风害，对流风暴中的下沉气流达到地面时产生辐散，造成地面大风。这种对流风暴中的强下沉气流叫做下击暴流。下击暴流在地面造成的风速有时很大，类似龙卷那样的灾害；有时风速不大，但对机场飞机的起落影响很大。

4.1.4暴洪暴洪是指强降水在短时间内造成的局地洪水，它取决于两方面的条件：一是短时强降水；二是相应流域的水文条件。暴洪的产生还与低空急流随时间的变化、降水率的大小、降水系统移动走向，以及降水持续时间长短等因素有关。

4.2定量估测大范围降水

多普勒雷达参数在建站时经过仔细的校准和标定，在日常运行中还会自动定时对雷达参数校准和检测，以保证雷达回波强度的准确性。根据雷达回波强度与降水量Z-R关系，对降水强度随时间进行累积转换成降水量，提供1小时、3小时累积雨量分布，从而做到定量估测大范围降水。

4.3风场信息

多普勒雷达除了可以实时显示径向速度分布图像用来识别强对流天气外，还可以获得反演出风场信息，既平均垂直风廓线图。这种产品在分析不同高度上的水平风向风速时十分有用。

5结语

多普勒雷达在气象中的应用范围十分广阔，除在天气预报中的应用外，还可以应用到人工影响天气（人工降雨）作业，环境评介（研究喘流、边界层风）等领域。最新升级成功的双偏振雷达现已成为天气雷达技术发展的一个重要业务方向，将大大提高我国气象部门对灾害性天气的监测及预警水平。

参考文献：

[1]俞小鼎，姚秀萍，熊延南等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006(1).

[2]陈良栋.雷达气象学[M].南京：中国人民解放军空军气象学院，1982(9).

[3]【英】M.J.巴德等编,卢乃锰等译.卫星云图与雷达图像在天气预报中的应用[M].北京：科学出版社，1998(10).