无线电频谱：支撑地面及高空气象探测

张明

自然灾害一直是危及人类生命财产安全的重大隐患，而超过90%的自然灾害都与天气气候现象相关。天气气候观测及灾害预警可以有效预防自然灾害损失，目前，我国已建成了包括地面气象观测站、探空站、雷达站以及闪电探测网络等在内的完整气象观测体系，其网络系统与无线电频谱资源相结合，完成了地面及高空气象观测的各项内容。

目前，各种遥感观测方法及设备提供了天气及气候观测的主要信息，观测人员利用这些信息进行分析，对灾害天气发出预报及告警，从而降低自然灾害风险。这些基于无线电应用的观测手段都需要相应的频谱资源，可以说，没有无线电频谱资源就没有现代化的气象观测。

利用到无线电频谱资源的各项遥感业务主要包括气象卫星、天气雷达、探空仪、雷电监测设备、风廓线雷达、地基遥感设备等。

气象业务中的无线电遥感系统

天气雷达

天气雷达在《无线电规则》的业务划分中属于无线电定位业务，用于天气预报、大气研究等领域。天气雷达对于紧急气象和水文报警有着重要作用，是面对山洪和泥石流等自然灾害的最后一道防线。

跟所有雷达一样，天气雷达也是靠发射无线电信号运行的，通过观察回波信号来工作的。与其他种类的无线电定位雷达不同，一般的无线电定位雷达要去除云、雨等天气现象的影响而探测其它物体，天气雷达则主要是观察大气中的降水及其他天气现象。而这些被测目标往往不是十分有效的反射器，因此，相对“平静”的频谱，即没有人为电子噪声和干扰的频谱，是绝对必要的。

气象工作者一方面利用天气雷达监测、定位和测量云中的含水量或降水量，另一方面利用降水或大气粒子的运动确定风速。雷达测量具体时间段的降水强度，以及接近或漂离天气雷达天线的降水或大气粒子的运动，以测量气候事件内部的循环交替。这是测量龙卷风或洪水等极端天气并提供预警的关键要素。

单一的雷达往往只能观测到一个天气过程的部分情况，难以覆盖整个过程。从而限制了雷达的运行范围。为克服这一局限性，通常在分布网络中等距部署多个雷达。这些网络每天24小时不间断运行，通常覆盖广大地区，如多个国家甚至一个大洲的部分地区，以检测和跟踪气象变化，从而实现早期天气灾害报警。

不同波段的雷达用于观测不同的目标，例如S频段（2700～2900 MHz，10厘米波长）被选用于检测热带和温带气候条件下极远距离（多达300公里）的暴雨。

C频段（5600～5650 MHz，5.4厘米波长）通常选用于温带气候，具有长距离（多达200公里）检测降雨的能力，还因使用较低功率和较小规格的天线，具有较同等空间分辨率的低频雷达成本更低的优势。

X频段（9300～9500 MHz，2.5～3.2厘米波长）天气雷达更为敏感，能够检测出更小的粒子，但由于承受更高的衰减，因而仅用于极短距离（约50公里）的天气观测。

雷达在工作中在中利用方向性波束实现降水和风速的测量。我国现有的天气雷达网中， 包含S波段雷达C波段雷达及少量的X波段雷达，这些频段作为无线电定位业务的天气雷达都与其他无线电业务共用。在不同的国家和地区，主管部门对于天气雷达的划分也略有区别，比如在C波段，一般的天气雷达多用于5600～5650MHz。

天气雷达频谱资源划分

天气雷达业务的是气象遥感观测的最主要的手段之一。长期以来，该项业务得到了主管部门的大力支持。中国气象局也已经建立了具备一定覆盖范围的天气雷达网。这一雷达网络对天气预报和灾害预警发挥了重要作用，特别是S波段雷达对于强降水的临近预报和告警起到了关键的作用。但是，我国天气雷达网络还远未最终完成，特别是西部地区雷达覆盖范围较小。因此，天气雷达仍然是未来很长时间内我国气象观测业务的主要建设内容之一。

同时，相关研究单位也正在开展毫米波雷达在气象领域应用的相关实验，未来可能需要相应的频率资源支持这些应用。

气象辅助系统

《无线电规则》气象辅助（MetAids）业务定义为用于水文、观测和研究等气象用途的无线电通信业务。在实际应用中，我国的气象辅助系统主要是探空系统，包括无线电探空仪、下投式探空仪、气象探空火箭等。目前主要开展的业务室无线电探空仪系统。

无线电探空仪主要用于测量大气温度、相对湿度、风速和风向变化。这些测量确定了天气系统的基本特性，天气预报人员可以判断短期内可能会发生的变化。它们也提供了用于长期预报的数值天气预测模型的输入参数。短期预报要求温度和相对湿度测量具有很高的垂直分辨率。例如，接近地表的云的位置需要以在垂直方向上小于100米的精度进行测量。

许多年来，气象辅助业务是高垂直分辨率大气测量的主要来源。气象辅助在现场从地表之上的位置向由接收机和数据处理系统构成的基站传送大气气象变化的测量结果。在绝大多数情况下，测量压力（或高度）、温度、相对湿度、风速和风向。也可能包括臭氧、悬浮微粒或放射物等大气成分的测量。基站的输出被传送给气象通信网络，以便与其它接收站的数据进行综合。通常气象辅助在使用后不进行回收，所以发射机和传感包的成本必须保持在最低水平。

在最常见的气象辅助系统中，气象气球可将工作的无线电探空仪带至地表以上30公里的高度。我国目前有超过100个探空站，每个探空站每天执行两次无线电探空任务。典型的无线电探空仪包括以下几个主要的部件：发射机、电池、传感器包、以及很多时候一个辅助导航（NAVAID/GPS）接收机。发射机将数据传送给接收站。无线电探空仪依赖电池获得动力。电池通常由水激活，专门为无线电探空仪的使用而生产，因为商用碱性电池不能在低达–90℃的空气温度下工作。传感器包括测量温度、压力、湿度、臭氧或电离辐射等大气状况的传感器。传感器包也将传感器数据压缩到足以传回地面站的长度。

我国目前主要采用不依赖NAVAID/GPS应用的无线电探空仪系统，该系统工作于L波段。一般称为L波段二次探空系统。它通过在气球下面悬置反射器的方法来使用雷达跟踪。

探空频谱资源划分

目前，我国气象辅助业务主要运行于L波段。L波段也是目前面临其它无线电业务竞争压力较大的频段。在刚刚结束的2012年世界无线电大会上，提出了一项“研究国际移动通信及其他地面移动宽带应用与频率相关的事宜”的决议。该决议受到相关应用部门的支持。该决议可能会对运行于L波段的气象辅助业务提出共用要求，从而限制L波段探空系统的运行和发展。

包括世界气象组织在内的广大气象领域应用部门一直强调要保护涉及气象的一切无线电频率资源。国际电联也一直强调气象作为公益性行业对人类生命财产安全提供了重要的保障作用。因此，针对L波段的气象辅助业务必须提供足够的保护。

同时，在我国气象辅助业务还受限于脚注5.379E的影响。该脚注要求：敦促主管部门不要在1 668.4～1 675 MHz 频带内实施新的气象辅助业务系统，而鼓励主管部门尽可能将气象辅助业务的操作转移到其他频带上。因此，气象工作者有必要开展充分的研究以更合理的应用无线电频谱资源。

未来，我国将会开展P波段探空系统的研究和应用。气象工作者应当积极跟进国内外的研究进展，合理有效的保护P波段及L波段的气象辅助业务频谱资源。

风廓线雷达

风廓线雷达（WPR, Wind Profiler Radar）是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备。配备有无线电-声探测系统（RASS—Radio Acoustic Sounding System）的风廓线雷达还可以通过电波和声波的相互作用遥感大气虚温。风廓线雷达具有无人值守、自动化程度高、连续观测且时间分辨率高、业务运行成本低等特点，因此风廓线雷达观测是加强对灾害性天气监测的能力和提高短期数值天气预报模式质量的重要手段。风廓线雷达的主要涉及三个不同的频段：边界层风廓线雷达（1270～1375MHz）、对流层风廓线雷达（400MHz附近）、平流层中间层风廓线雷达（50MHz附近）。

《无线电规则》第5条中没有特别针对风廓线雷达的划分及表述。但根据世界无线电大会97中第217号决议，可以在以下频段内实施风廓线雷达：46～68MHz、440～450MHz、470～494MHz（按照第5.291A款）、1270～1295MHz、1300～1375MHz、420～435MHz或438～440MHz频段。

我国气象部门已建成少量边界层风廓线雷达（1270～1375MHz）。而P波段对流层风廓线雷达仍未获得主管部门的正式审批。P波段对流层风廓线雷达的观测目标包含了大量的天气现象，可以为气象预报和预警提供大量数据。目前该频段的风廓线雷达依然在与相关部门进行协调。鉴于P波段风廓线雷达的重要作用，它仍将是未来发展的主要方向。而该项工作的开展也有赖于主管部门及其他在该频段开展业务的相关单位的大力支持。

雷电探测

雷电探测是一项被动的活动，主要是使用无线电接收机探测由雷电辐射的电磁波。在目前系统中，闪电的位置可通过测量闪电电磁波到达方向，或通过测量电磁波的到达时间，或通过两者共同确定。根据所要求的监测地区和系统的特定用途，用于定位雷电活动的无线电频率有所不同。

通过观测以10 kHz为中心的频率（2～15 kHz），可有效进行达数千公里的超远距离定位。我国使用更为最广泛的是另一种操作系统。它覆盖的地区较小，但更为精细。在这种情况下，在以200 kHz为中心的较高频率（所使用的宽带接收机在其1 kHz至350 kHz频率范围中间最灵敏）观测球形波，根据对云到地面或云到云闪电的侧重不同，遥感点通常间隔100公里至400公里。这也是国内目前采用的方式。

VHF闪电轨迹探测系统，通过闪电先导、回击等放电过程辐射的VHF脉冲列，对闪电的放电过程进行定位，获取闪电的放电轨迹。主要频段为：63M、110M、300M等频点。

在2012年世界无线电大会上，专门为全球雷电探测系统增加了频率划分。将8.3～11.3kHz划分给了全球雷电探测系统。

雷电探测系统会涉及到的频谱

我国已经建成了工作于200kHz频段的被动雷电观测系统。该系统目前并没有得到很好的保护，对于雷电探测系统进行保护的研究也并不充分，但由于雷击已经成为一项主要的自然灾害，因此针对雷电探测系统的保护是很有必要的。国际电联已经针对甚低频的全球雷电探测系统进行频率保护，这将有利于我国未来发展相关业务。

高频海洋雷达

在3～50MHz范围内的无线电定位划分可用于无线电雷达操作，以监控海面的浪高、潮流并跟踪大型物体。这些雷达的操作范围将不超过300公里。

自上世纪70年代以来一些国家（美国、德国、法国、澳大利亚、韩国、印度、日本、中国和英国）便一直根据《无线电规则》第4.4条在3至50MHz的频率范围成功地进行了海洋雷达的操作。实验性应用促进了雷达技术的发展，并有助于根据与其它用户之间的兼容性以及海洋测量的有效性确定适当的频谱。出于对更多数据的需求，以减轻灾害（包括海啸）后果，人们越来越关注依赖于这些系统的水上安全问题。

在2012年世界无线电大会上，为高频海洋雷达提供的划分为：4438～4488kHz、5250～5275kHz、9040～9305kHz、9305～9355kHz、13450～13550kHz、16100～16200kHz、24450～24600kHz、26200～26350kHz、39.5～39.986MHz、39.986～40MHz。除最后两个区间，其余划分均为次要业务。

我国气象系统对于高频海洋雷达的应用已有多年。但一直没有针对这种业务进行保护。日本和韩国相关机构对高频海洋雷达的研究热情很高，针对其开展的保护也很重视。随着针对高频海洋雷达研究的进行，我国也有必要更多的参与该业务的频谱应用及保护。

其它地基遥感

气象业务总是依赖于对地球的长期观测。随着技术的不断发展，有很多用于地球观测的地基遥感方法在不断涌现。其中的绝大多数都需要利用无线电频谱资源。

在介绍这些地基遥感之前，首先需要回答一个问题。在地球观测领域，卫星地球观测业务（EESS）已经运行了多年，那么是否还需要地基遥感提供地球观测数据呢？答案是肯定的。那些为了进行本地详情预测的气象学家或研究行星边际的科学家需要大气探测提供比卫星系统更高的近地垂直分辨率。提供这一信息的一个方法是使用上视无源遥感，并在地球表面安装辐射计，即地基遥感。

用于地基遥感的系统所需的频谱资源分布很广。在国际电联的科学研究组中，地基遥感仍然是一个研究的热点。

目前，已知的可用频谱区间为：50GHz和58GHz之间氧谱带中的特定信道，用于测量温度结构；21GHz和24GHz之间的信道用于提供垂直方向水汽变化的信息；30GHz范围的窗口观察用于云识别。

大量地基辐射计的部署还有利于其它大气成分（如臭氧）的无源遥感（特别是在142GHz）未来水蒸气的测量还将受益于在183GHz水汽吸收带的下翼进行的其他观测。

尽管用于温度和湿度地基遥感的信道与无源卫星遥感处于类似区域，但与卫星使用的信道不同。在一些频率，卫星遥感可与地面业务安全共用，但地基辐射计可能需要得到保护。正在运行的地基辐射计的数量还很少，但如果目前的研发取得成功，在未来可能进行大量部署。可能需要制定一种可行的共用方法，设计辐射计的部署位置，以避免来自其他业务的干扰。因此，这类问题应该是下一阶段在气象无线电业务的一个主要发展方向。

我国气象业务开展已有60余年的历史，但针对气象业务所涉及频谱资源的研究和保护还很不充分。气象领域频谱资源已经有基本明确的划分，但是这些划分都随时会受到来自各个领域的挑战，应当时刻保持对现有频段的保护并强调频谱资源对气象观测业务的重要性。现今无线通信技术迅猛发展，频率资源是各得到了日益广泛的重视。气象行业必须紧跟时代发展，提升对频谱资源重要性的认识，积极开展研究，科学合理的应用频谱资源。

气象业务有不断进步的趋势，很多新型设备都会用到新的频谱资源。发达国家的气象部门和科学部门对这些领域开展了很多研究，我国应当积极参加这类研究，为将来的业务提供必要准备，并推动新技术在气象领域的应用。

总之，频谱资源对气象系统的意义非常重大。应当加强对其重要性的认识，建立稳定的研究团队，积极开展科学研究。以科学研究为基础，合理的充分利用频谱资源，推动气象系统的进步，为社会发展提供更好的服务。