新一代多普勒天氣雷達(dá)與常規(guī)天氣雷達(dá)的理論對(duì)比分析

崔炳儉

【摘 要】通過(guò)對(duì)常規(guī)天氣雷達(dá)與新一代多普勒天氣雷達(dá)在探測(cè)原理、系統(tǒng)設(shè)備、性能指標(biāo)和應(yīng)用產(chǎn)品等方面的對(duì)比，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)新一代多普勒天氣雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】新一代多普勒天氣雷達(dá)；常規(guī)天氣雷達(dá)；理論；分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN959.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）23-0293-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.133

【Abstract】By comparing the conventional weather radar with the new generation Doppler weather radar in detection principle，system equipment，performance indicator and application product，the advantages of the new generation Doppler weather radar are further recognized.

【Key words】A new generation of doppler weather radar；Conventional weather radar；Theory；Analysis of the

0 前言

為促進(jìn)對(duì)新一代多普勒天氣雷達(dá)的認(rèn)識(shí)和了解，加強(qiáng)對(duì)新一代多普勒天氣雷達(dá)的理論研究和應(yīng)用，轉(zhuǎn)變雷達(dá)維修思路和保障模式，更好的熟悉和應(yīng)用新一代多普勒天氣雷達(dá)提供的產(chǎn)品信息，并能夠在氣象保障中將其與其他資料數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，下面就兩類(lèi)不同的天氣雷達(dá)（常規(guī)天氣雷達(dá)713型為例、新一代多普勒天氣雷達(dá)以CINRAD/SB型為例）在探測(cè)原理、系統(tǒng)設(shè)備、性能指標(biāo)和應(yīng)用產(chǎn)品等方面進(jìn)行理論對(duì)比分析。

1 探測(cè)原理

常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)利用的是降水回波的幅度信息，即利用信號(hào)強(qiáng)度來(lái)探測(cè)云雨區(qū)的分布、強(qiáng)度、垂直結(jié)構(gòu)等；新一代多普勒天氣雷達(dá)除了具備探測(cè)云和降水回波的位置及強(qiáng)度功能外，還可利用降水回波頻率與發(fā)射頻率之間變化的信息來(lái)測(cè)定降水粒子的徑向速度，并由此推斷風(fēng)速分布、垂直氣流速度、大氣湍流、降水粒子譜分布、降水中特別是強(qiáng)對(duì)流降水中風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征等。兩者探測(cè)原理的最大區(qū)別在于常規(guī)天氣雷達(dá)只研究氣象目標(biāo)回波中的振幅；而新一代多普勒天氣雷達(dá)同時(shí)還研究氣象目標(biāo)回波中的位相；根據(jù)反射率因子和平均徑向速度的回波特征來(lái)推斷造成回波的天氣系統(tǒng)的特征。

2 系統(tǒng)設(shè)備

（1）在常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)體制方面713天氣雷達(dá)由磁控管輸出大功率射頻信號(hào)，是一種非相參體制雷達(dá)，只能獲取回波強(qiáng)度信息。新一代多普勒天氣雷達(dá)以CINRAD/SB采用國(guó)產(chǎn)永磁速調(diào)管內(nèi)置鈦泵抽真空作為末級(jí)功率輸出管，其輸出的大功率射頻信號(hào)的相位與接收機(jī)頻率源信號(hào)的相位相關(guān)，使雷達(dá)具備全相參的功能。

（2）在信號(hào)處理技術(shù)方面對(duì)于常規(guī)天氣雷達(dá)而言，回波功率是唯一被使用的回波信號(hào)的特點(diǎn)，因?yàn)樗苯优c反射率因子有關(guān)，利用常規(guī)天氣雷達(dá)進(jìn)行大的天氣預(yù)報(bào)也僅僅使用反射率因子資料。而新一代多普勒天氣雷達(dá)不僅提供反射率因子，還提供兩種附加的基本資料---徑向速度和速度譜寬，它們將增強(qiáng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴的探測(cè)能力，也能改進(jìn)對(duì)中尺度和天氣尺度有系統(tǒng)的預(yù)報(bào)。

（3）在系統(tǒng)硬件方面新一代多普勒天氣雷達(dá)具有高增益低副瓣的天線系統(tǒng)，高相位穩(wěn)定度的速調(diào)管放運(yùn)大鏈發(fā)射機(jī)，大動(dòng)態(tài)線性范和自適應(yīng)算法的高性能數(shù)字中頻接收機(jī)，高穩(wěn)定、低相噪的晶體主振源組成的頻率綜合器，高精度、高速度的多普勒信號(hào)處理器、智能多普勒數(shù)據(jù)處理和顯示終端系統(tǒng)。它在監(jiān)測(cè)范圍、自動(dòng)化程度、可靠性、可維護(hù)性、氣象產(chǎn)品提供等方面都比常規(guī)天氣雷達(dá)有了很大的提高。

3 性能指標(biāo)

由713和新一代多普勒CINRAD/SB雷達(dá)的性能指標(biāo)可見(jiàn)，新一代多普勒天氣雷達(dá)比常規(guī)天氣雷達(dá)的監(jiān)測(cè)范圍大，探測(cè)精度和自動(dòng)化程度高、采用了大量先進(jìn)技術(shù)，使得全機(jī)性能和可靠程度大大提升。具有多種發(fā)射脈沖寬度，使得雷達(dá)既具有較高的距離分辨率又具有較強(qiáng)的探測(cè)能力。

4 應(yīng)用產(chǎn)品

常規(guī)天氣雷達(dá)只有基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品，突出地表現(xiàn)在雷達(dá)獲得的探測(cè)信息少，技術(shù)性能偏低、可靠性和穩(wěn)定性差、組網(wǎng)能力弱等方面；加上雷達(dá)沒(méi)有解決實(shí)時(shí)標(biāo)校、抑制地物等非氣象回波問(wèn)題，資料的“定量”使用受到一定的限制。

新一代多普勒天氣雷達(dá)能夠監(jiān)測(cè)到地面以上50～100公里的空中對(duì)流云層的生成和變化，判斷云的移動(dòng)速度，可生成圖像產(chǎn)品、文本信息達(dá)幾十種；具有三維數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集能力和科學(xué)的數(shù)據(jù)處理能力，資料的精確度比常規(guī)天氣雷達(dá)有較大提高。

5 對(duì)比結(jié)論

新一代多普勒天氣雷達(dá)采用脈沖多普勒技術(shù)對(duì)發(fā)生在大氣層中的云、降水等天氣現(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)，它對(duì)降水成因、中小尺度天氣系統(tǒng)及強(qiáng)對(duì)流造成的災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)具有重要意義，是發(fā)布災(zāi)害性天氣警報(bào)和臨近預(yù)報(bào)的重要探測(cè)工具。與常規(guī)天氣雷達(dá)相比具有更多的優(yōu)勢(shì)。

①具有風(fēng)場(chǎng)探測(cè)能力。常規(guī)天氣雷達(dá)只能得到天氣系統(tǒng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度分布信息，新一代多普勒天氣雷達(dá)除此之外還能通過(guò)產(chǎn)生的多普勒速度場(chǎng)經(jīng)反演獲得風(fēng)場(chǎng)和譜寬信息；新一代多普勒天氣雷達(dá)的探測(cè)資料，對(duì)嚴(yán)重成脅飛行安全的下沉暴流、低空風(fēng)切變、陣風(fēng)鋒和中小尺度氣旋等危險(xiǎn)天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)有重要意義。

②靈敏度和分辨率提高。常規(guī)天氣雷達(dá)對(duì)熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）的監(jiān)測(cè)服務(wù)，主要是根據(jù)雷達(dá)反射率因子所描繪的“臺(tái)風(fēng)眼”幾何中心位置的變化來(lái)跟蹤熱帶氣旋的移動(dòng)，難以得到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及其變化、“臺(tái)風(fēng)眼”附近的風(fēng)害位置和暴雨帶等有關(guān)重要特征，新一代多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)資料可以更好地反映熱帶氣旋強(qiáng)度及環(huán)流結(jié)枃特征，并利用速度場(chǎng)信息確定臺(tái)風(fēng)中心，明顯改善熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）登陸位置和強(qiáng)度中心，明顯改善熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）登陸位置和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

③具有科學(xué)的數(shù)據(jù)處理能力。新一代多普勒天氣雷達(dá)通過(guò)獲得的晴空和大范圍降水區(qū)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)資料等信息，對(duì)改善地形影響降水的短時(shí)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)與鋒面相關(guān)的天氣變化、預(yù)報(bào)雷暴的發(fā)展和移動(dòng)等有重要作用。將雷達(dá)資料用于數(shù)字預(yù)報(bào)模式，可明顯提高短期和短時(shí)天氣預(yù)報(bào)能力。新一代多普勒天氣雷達(dá)通過(guò)采用先進(jìn)的硬軟件技術(shù)，顯著提高了探測(cè)能力和擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)理論對(duì)比，我們對(duì)這兩類(lèi)不同體制雷達(dá)的工作原理、主要設(shè)備、性能參數(shù)和實(shí)際應(yīng)用有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，有助于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[2]張培昌等.雷達(dá)氣象[M].北京：氣象出版社，2001.

[3]敏視達(dá).新一代多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理.2004.

[4]CINRAD/SB型新一代多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)說(shuō)明書(shū)[C].

[5]周紅根，朱敏華.CINRAD/SA雷達(dá)故障分析[J].氣象.2005，31.

[6]中國(guó)氣象局新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司，新一代天氣雷達(dá)功能規(guī)格需求書(shū)[M].1997.