浅谈风廓线雷达的原理及其应用

摘要：风廓线雷达是一种新型的高空大气探测系统，需要在晴空天气下进行探测，可以实时监测大气三维风场信息。本文结合风廓线雷达原理，探讨了风廓线雷达的应用，仅供相关部门进行参考借鉴。

关键词：风廓线雷达;原理;应用

引言

风廓线雷达的应用实现了无人值守，可以对各种气象要素数据进行监测，同时具有高时空分辨特征。因风廓线雷达探测优势和自身资料特点的综合作用，促进了数值预报模式工作的顺利开展，提升了天气预报的精细化水平。风廓线雷达的使用弥补了传统探空资料时空密度不足的缺陷，同时还摆脱了时间方面的限制，在研究天气系统结构和演变中发挥着重要作用。

1.风廓线雷达的原理

1.1风廓线雷达的定义

将不同方向的电磁波束朝着高空发射，对因大气垂直不均匀而返回的电磁波束信息进行接收并处理的高空风场探测遥感设备称之为风廓线雷达。结合风廓线雷达中的多普勒效应可实现区域上空随高度变化的风向、风速等气象要素数据的探测，其优点是探测时空分辨率高、自动化程度强等。将声发射装置与风廓线雷达进行结合构成了具有无线电结构的声探测系统，可遥感探测到大气中温度的垂直廓线。

1.2风廓线雷达分类

根据不同的天线制式，可以将风廓线雷达划分为相控阵风廓线雷达和抛物面风廓线雷达。相控阵风廓线雷达体制可在各种类型的高空探测中使用，也是当前使用最为广泛的技术体制。因风廓线雷达在测量气流速度的同时，还要定位空间气流信息，应具备发射脉冲电磁波和多普勒测速的功能，可以将风廓线雷达划分到脉冲多普勒雷达中。晴空天气是风廓线雷达的主要探测对象，因此风廓线雷达往往被人们称之为晴空雷达。

根据不同的探测高度，可以将风廓线雷达划分为三种：边界层、对流层和中间层-平流层-对流层风廓线雷达。其中边界层风廓线雷达的探测高度在3km左右，对流层风廓线雷达探测高度在12～16km之间;中间层-平流层-对流层风廓线雷达的探测高度在两者之间，其中探测高度不足8km的则称之为低流程风廓线雷达。

根据不同的雷达工作频率，将风廓线雷达划分为甚高频、超高频和L波段三种类型。通常情况下，L波段在边界层风廓线雷达中使用的频率最高，超高频主要应用在对流层风廓线雷达中，而探测高度超过平流层以上的风廓线雷达主要选用甚高频。

1.3风廓线雷达探测原理

风廓线雷达的主要探测对象是晴空大气，通过大气湍流对电磁波的散射作用可探测大气风场等的气象要素。风廓线雷达发射的电磁波在大气传播时，受到大气湍流引起的折射率分布不均匀所产生的散射作用，风廓线雷达会接收到后向散射能量。利用多普勒效应可以对沿着雷达波束方向的气流速度分量进行确定;而往返的回波信号时间则能确定回波位置。由此不难看出，风廓线雷达是无线电测距与多普勒测速的结合体。

2.风廓线雷达数据产品及其应用

风廓线雷达数据产品主要有六种类型：多普勒径向频谱图、谱线图辅助区域、风廓线随时间变化图、风廓线辅助区域、垂直气流廓线图、大气折射率指数随时间变化图。这些数据产品可以是实时，也可以是半小时或一小时数据。

2.1多普勒径向频谱图及其辅助区域

多普勒径向频谱图可以将各个高度层上的波束径向速度在不同时刻的变化情况反映出来，主要包含单波束和五波束多普勒径向频谱图。在频谱图辅助区域内可以将谱宽、径向速度、信噪比信息在不同时刻各个高度的变化情况反映出来。气象部门在预测降水、降雪等强对流天气过程中对多普勒径向频谱图使用的最为广泛。根据相关研究表明，在无降水天气出现时，整个频谱高度上垂直波束的径向速度几乎为零;同一平面上的对称波束在0速度轴左右基本呈现出对称关系。在降水天气出现时，五波束频谱的径向速度值从上到下依次减少;每一层高度上的五波束频谱图，以多普勒信号频谱最宽，信号外形没有太大差异;若出现均匀的持续性降雨，五个频谱图的外观形态基本没有太大变化，一旦某高度的频谱变宽且径向速度正值增加，说明降水相态变化;若顶波束无最大径向速度，说明出现了不均匀性的降水，或者水平风对降水的影响较为明显。在降雪天气出现时，整层的频谱谱宽都较窄，取值和频谱信号外形基本相同。若径向速度折叠出现在频谱图中，说明将会有风雨天气出现。

2.2风廓线图及辅助区域

风廓线图包含风羽图和风矢图，可以在水平平面上各个高度层不同时刻的风向风速数据体现出来。而风廓线辅助区域则可以将水平风速和风向、垂直风、大气折射率指数不同时间随高度变化的情况反映出来。结合风廓线图中的风速数据信息为灰霾天气预报提供了极大的便利。相关研究表明，灰霾天气的出现受风速的影响较大，若中层风速超过10m/s，此时不易出现灰霾，反之亦然，风速越小，灰霾造成的危害越严重。除了结合中层风速外，还要根据边界层高度和天气情况判断灰霾天气，若中层风速较小，降水天气频发出现及大气边界层较高时，此时也不容易出现灰霾天气。不管灰霾天气出现与否，风速与能见度之间都有明显的相关性，其中灰霾天气下两者之间的关系更为明显。在气象分析和大气污染物扩散形势中可引入风向变化。

2.3色块表示大气折射率指数

大气折射率指数可以将边界层顶高度的变化情况反映出来，在对流边界层顶雷达发射高度增加，因大气边界层顶附近的湿度梯度和湍流交换过程较强，使得雷达发射信号强度增加。因此，随着高度的变化大气折射率指数在边界层顶部存在极大值，该数值可以对边界层高度进行判定。一旦边界层顶高度发生变化就说明存在能量交换，顶越低，对于能量的交换就越不利，污染物就很难扩散。

2.4色块表示的垂直气流廓线图

垂直气流色块图可以将各个高度层上垂直气流随时间变化的强弱反映出来。其中上升气流以暖色表示，速度为正;下沉气流以冷色表示，速度为负。结合垂直气流廓线图可以实现降雨预警、强对流天气分析、辅助大气污染输送分析等。相关研究表明，晴天条件下的测出的垂直速度较小，在±0.1m/s之间;在降雨天气下，垂直速度数值增加，尤其是5km以下的下沉速度最为明显，超过了4m/s。若低层不同高度测出的垂直速度都在-4m/s以下，则说明会有降雨天气出现。结合风垂直分布和随时间变化情况，可以判断温湿度平流情况，进而了解水汽输送和层结的稳定度水平，还能预计未来风暴的强度。

结论

在全球气候变暖的大背景下，各种极端灾害性事件呈现出逐年增加的趋势。强降水、雷暴、冰雹等强对流天气受到中小尺度天气的影响，因常规监测网分辨率的限制，使得强对流天气预报和监测难度大幅度增加，通过使用高时空分辨率的新型探测资料会增强强对流天气临近预报水平，可有效降低灾害性天气造成的损失。

参考文献

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作者简介：牟杰（1988-），男，彝族，四川甘孜州九龙县人，本科学历，助理工程师，从事综合气象观测工作。