氣象雷達(dá)新技術(shù)及其應(yīng)用思路研究

陳光輝 陸加寶 王大衛(wèi)

摘要：近些年來(lái)，我國(guó)的防災(zāi)減災(zāi)工作愈加成熟，以氣象雷達(dá)新技術(shù)為代表的多項(xiàng)防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)逐漸趨于完善隨著氣象雷達(dá)新技術(shù)的飛速發(fā)展，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家的氣象組織逐漸增加了對(duì)氣象、水文以及相關(guān)學(xué)科的投入力度。尤其是多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用可以算作是氣象檢測(cè)的一個(gè)分水嶺，為氣象部門(mén)和水文部門(mén)的極端天氣預(yù)測(cè)工作提供了便利。為此，本文將具體闡述在防災(zāi)減災(zāi)工作中氣象雷達(dá)新技術(shù)的具體應(yīng)用情況和研究思路。

關(guān)鍵詞：氣象雷達(dá);新技術(shù);防災(zāi)減災(zāi);應(yīng)用思路

引言：

隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多的國(guó)家把水文、氣象等的研究放在未來(lái)國(guó)家發(fā)展的重要位置，在此前提背景下，氣象雷達(dá)在短短幾年的時(shí)間里取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。通過(guò)氣象雷達(dá)技術(shù)，氣象部門(mén)和水文部門(mén)的相關(guān)人員可以隨心所欲地獲取各項(xiàng)大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，在監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣方面增加籌碼。因此，到目前為止，氣象雷達(dá)新技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)工作的首要選擇，包括雙線偏振雷達(dá)、激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等在內(nèi)的雷達(dá)新技術(shù)正在被開(kāi)發(fā)和研制，由這些氣象雷達(dá)新技術(shù)所構(gòu)成的業(yè)務(wù)雷達(dá)網(wǎng)會(huì)使氣象工作到達(dá)一個(gè)新的水準(zhǔn)。

1 雙線偏振雷達(dá)

氣象預(yù)測(cè)工作中很重要的一項(xiàng)就是識(shí)別降水目標(biāo)，保證對(duì)降水類型的精確劃分，而雙線偏振雷達(dá)就是以此為前提基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)研制的。作為氣象預(yù)測(cè)工作中最常用的氣象雷達(dá)技術(shù)之一，氣象監(jiān)測(cè)人員主要利用雙線偏振雷達(dá)對(duì)于不同降水粒子的不同入射電磁波極化散射特性作用，識(shí)別和劃分降水類型。與一般的雷達(dá)技術(shù)相比，雙線偏振雷達(dá)不僅能接收和發(fā)射水平的線偏振波，還能同時(shí)發(fā)射和接收垂直的線偏振波。所以說(shuō)，雙線偏振天氣雷達(dá)能夠同時(shí)測(cè)量水平反射率因子Z H和差分反射率ZDR、比差分傳播相移KDP等。在對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量的過(guò)程中，氣象監(jiān)測(cè)人員就可以根據(jù)與降水粒子的形狀、相態(tài)、粒子譜分布、粒子的空間取向等一系列的數(shù)據(jù)中分析預(yù)測(cè)出氣象變化狀況。由此，氣象監(jiān)測(cè)人員則可以較高的精確度進(jìn)行定量降水精度測(cè)量、預(yù)測(cè)一些極端天氣活動(dòng)、判斷飛機(jī)是否能夠正常航行等，其應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)來(lái)說(shuō)比較廣泛。而且，借助雙線偏振天氣雷達(dá)，氣象監(jiān)測(cè)人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)云雨時(shí)空變化的連續(xù)觀測(cè)，基于各種氣象天氣的形成原理來(lái)理解水成物的形成過(guò)程，提高對(duì)降水強(qiáng)度預(yù)估的準(zhǔn)確度，高效完成氣象預(yù)測(cè)工作。

2 雙（多）基地雷達(dá)

在傳統(tǒng)氣象預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)工作中，單基地雷達(dá)的應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)更為廣泛，單基地雷達(dá)的接收站和發(fā)射站是相同的，而雙基地或多基地雷達(dá)則不然，其收發(fā)地址具有明顯差異，具有一（多）個(gè)發(fā)射站和一（多）個(gè)接收站，以離散的形式配置。從布置的位置方面來(lái)看，可分為地發(fā)/地收，空發(fā)/地收，地發(fā)/空收等幾種形式，多基地雷達(dá)還具有一發(fā)多收，多發(fā)多收等形式。而雙（多）基地天氣雷達(dá)系統(tǒng)一般采用地發(fā)/地收，由一部常規(guī)的多普勒天氣雷達(dá)與一個(gè)或多個(gè)沒(méi)有發(fā)射系統(tǒng)和天線伺服系統(tǒng)、布置在遠(yuǎn)處的雙基地接收站組成。

3 相控陣天氣雷達(dá)

相控陣多普勒天氣雷達(dá)，主要優(yōu)勢(shì)是可以提高獲取資料的時(shí)間分辨率、進(jìn)一步提高探測(cè)能力。一般雷達(dá)均基于機(jī)械掃描體制，這種掃描方法一般在6min內(nèi)完成1 4層的掃描，對(duì)于快速變化的中小尺度天氣過(guò)程如冰雹、龍卷、微下?lián)舯┝?、風(fēng)切變等過(guò)程，用這種傳統(tǒng)的方法很難同時(shí)滿足高時(shí)空分辨探測(cè)天氣過(guò)程三維結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變的需求。

4 激光天氣雷達(dá)

激光雷達(dá)對(duì)大氣的探測(cè)，主要是通過(guò)分析由激光器發(fā)射的激光與大氣中的折射率不均勻?qū)右约坝龅綒馊苣z等大氣粒子后，產(chǎn)生的后向散射（回波信號(hào)）而得到的大氣一些物理參數(shù)，如風(fēng)速、大氣溫度、大氣密度等。根據(jù)激光與大氣作用方式和探測(cè)目的的不同，演變出多種不同類型的激光雷達(dá)。米（Mie）散射激光雷達(dá)可連續(xù)地探測(cè)大氣邊界層中氣溶膠粒子的光學(xué)特性以及氣溶膠粒子和大氣邊界層高度的時(shí)空分布。差分吸收（DIAL）激光雷達(dá)可探測(cè)大氣邊界層中污染氣體，如NO2、SO2、O3等含量的時(shí)空分布。拉曼（Raman）激光雷達(dá)根據(jù)同時(shí)接收到的水汽和氮?dú)夥肿訉?duì)激光后向散射信號(hào)的比值，就可以計(jì)算出水汽混合比，探測(cè)邊界層中水汽含量的時(shí)空分布。

5 風(fēng)廓線雷達(dá)

大氣中存在著各種不同尺度隨時(shí)間變化的湍流，它們能引起折射指數(shù)的不規(guī)則變化，對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生散射作用。風(fēng)廓線雷達(dá)向天空發(fā)射無(wú)線電波，接收到的回波是由于大氣湍流對(duì)電磁波的散射而產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)回波的處理和分析就可以獲得湍流大氣的多普勒系數(shù)和強(qiáng)度系數(shù)，從而反演出湍流強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度隨高度的分布。大氣湍流是隨風(fēng)傳播的，因此，如果獲得了大氣湍流的多普勒速度和方向，同時(shí)也就獲得了風(fēng)的速度和方向。風(fēng)廓線雷達(dá)上加裝無(wú)線電探聲系統(tǒng)（RASS）后，可以測(cè)量大氣層的有效溫度。RASS雷達(dá)系統(tǒng)通常由4個(gè)聲源組成，分布在風(fēng)廓線雷達(dá)天線陣的每一邊并垂直向上發(fā)射聲波。

6 星載測(cè)雨雷達(dá) TRMM/PR

星載天氣雷達(dá)可能性研究可以追溯到1960年代，但直到1997年TRMM （TropicalRainfall Measuring Mission ）衛(wèi)星發(fā)射，第一部測(cè)雨雷達(dá)雷達(dá)才被安裝在衛(wèi)星上。目前TRMM衛(wèi)星上的測(cè)雨雷達(dá)（PR）由日本NASDA（National Space and Development Agency）公司制造。發(fā)射頻率13.796GHz，采用相控陣天線，波長(zhǎng)約2cm，觀測(cè)范圍從地表到15km。TRMM/PR雷達(dá)可以提供三維降水結(jié)構(gòu)，定量測(cè)量陸地與洋面降水量，通過(guò)所提供的降水分布的測(cè)量資料，提高TRMM中微波圖象的精度等。

7展望

從以上分析，可以看出氣象雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)是：從地基雷達(dá)到空基、天基雷達(dá)， 從單基地雷達(dá)到多基地雷達(dá)，從單一參數(shù)到多參數(shù)雷達(dá)，從單站到全國(guó)雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)探測(cè)。同時(shí)，固定與移動(dòng)雷達(dá)相結(jié)合、大型雷達(dá)（ S波段和C波段雷達(dá)）與小型天氣雷達(dá)（X波段雷達(dá)）相輔相成，氣象雷達(dá)將朝著更加精細(xì)化和定量化方向發(fā)展。

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