試論彌散氣象目標特性
——氣象雷達技術發(fā)展的關鍵因素

■ 李柏

氣象彌散目標不是“剛體”，其外形時時刻刻都在發(fā)生變化；它對電磁波散射特性，沒有固定不變的物理屬性，而且不同相態(tài)特征的彌散氣象目標的介電特性也不同。

自第一部天氣雷達問世以來，氣象雷達就不斷隨著電子技術、集成電路技術、計算機技術、雷達技術的發(fā)展而發(fā)展；氣象雷達也從早期單一的在降水時段的測雨雷達，擴展到晴空時段的氣溶膠、風、溫度、濕度等要素測量、有云時段的云宏觀物理量和微觀物理量測量，以及在氣象災害發(fā)生后，進行災情調查與評估觀測等。雷達系統(tǒng)也逐步形成晴空大氣、云、降水以及致災四個時段一體化觀測技術體系。然而，無論是氣象雷達技術進步與發(fā)展，還是氣象雷達在哪個時段進行探測，有一個十分重要的問題始終沒有一個清晰的概念，這就是雷達探測的氣象目標的特性問題。這也是所有各類氣象雷達系統(tǒng)中的信號處理器所需要解決的最為關鍵、最為復雜的問題。因此，氣象目標特性是氣象雷達技術發(fā)展中的一個最為重要的關鍵因素。

1 氣象彌散目標

氣象雷達技術發(fā)展，首先要考慮的問題就是氣象雷達探測的目標對象。美國在WSR-88D雷達觀測技術發(fā)展整個過程中，堅持WSR-88D雷達技術發(fā)展無論是其設備硬件，還是與之相配套的掃描策略和觀測模式，天氣是決定其發(fā)展最為關鍵的要素。這一目標對象的特征在很大程度上決定了氣象雷達技術特點和發(fā)展方向，因此分析研究氣象目標特性十分必要。氣象雷達探測的目標與其他雷達探測目標，如軍事目標中的飛機、軍艦等有著很大的差異，因此，氣象目標又稱為彌散目標。本文就彌散現(xiàn)象和彌散氣象目標進行闡述和分析。

1.1 彌散現(xiàn)象的定義

關于氣象彌散現(xiàn)象，很多文獻涉及但均未給出確切的定義。搜索網(wǎng)上可以得到如下定義與解析：通常在微觀層面，物質的傳遞可以由三種機制構成——擴散（Diffusion）+平流（advection）+彌散（dispersion）。

Dispersion（彌散）是在有平流存在的情況下發(fā)生的，由于流體流動時溶質的流動速度不均勻而引起的一種對擴散現(xiàn)象加強作用，也稱彌散現(xiàn)象。

總而言之，當流體沒有移動的時候，即平流不存在的時候，擴散照樣存在。當平流存在的時候，彌散就出現(xiàn)了，這時彌散和擴散哪一個更重要呢，取決于平流的速度有多大。

大氣中無論在邊界層，還是在自由大氣層，平流現(xiàn)象均十分顯著。因此，大氣中的云、雨降水受到平流影響十分顯著。其目標就是屬于彌散目標物，它返回雷達的信號是雷達采樣體積內(nèi)許許多多降水粒子貢獻的總和。通過對返回信號幅度的處理，可以提取降水中降水粒子的散射特性，也就是通常提到的回波強度，它是和降水的強度緊密相關的。

1.2 彌散氣象目標的主要特征

關于氣象彌散目標特性，首先從水與能量循環(huán)角度看，對于氣象雷達探測而言，對應水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)均有作為；水從江河湖海蒸發(fā)過程，形成氣象萬千最重要的要素——水汽；再由水汽抬升凝結形成云，進一步發(fā)展致雨；所以不僅要能夠揭示云的發(fā)展與演變，還要解釋其內(nèi)部的微物理特性與動力結構特性。同時還要對進一步發(fā)展的云產(chǎn)生的雨、冰雹、雪等降水系統(tǒng)進行探測，不僅有氣態(tài)、液態(tài)，還有固態(tài)。

彌散氣象目標特性，還可以從天氣系統(tǒng)發(fā)展各個階段看，不可能僅憑靠雷達硬件技術就能完全解決問題；有了好的雷達硬件技術，還必須配有好的觀測方法，針對天氣系統(tǒng)在不同階段特點，建立起有針對性雷達掃描策略和觀測方法，才能有效地發(fā)揮雷達的作用。例如天氣系統(tǒng)初期發(fā)展弱回波探測問題，低空覆蓋問題，困擾我們的脈沖多普勒體制造成的距離速度模糊問題都必須通過有效觀測方法來解決。天氣系統(tǒng)發(fā)展的不同階段，應當建立有針對性的掃描策略與觀測模式。

最后，對彌散氣象目標特征，還應當從空間布局看，一部雷達無論是探測范圍和探測有效性，都受到其自身的限制和環(huán)境的限制，組網(wǎng)協(xié)同觀測技術，不僅能夠利用雷達本身高時空分辨率優(yōu)勢獲得有限范圍內(nèi)的中小尺度天氣系統(tǒng)的高時空分辨率精細化結構特性；同時還能夠通過組網(wǎng)獲得大尺度天氣系統(tǒng)的更廣大范圍的結構特征和演變特性，為我們從整體與局部上綜合掌握天氣系統(tǒng)結構及演變提供了技術途經(jīng)。因此，綜合分析可以概括出彌散氣象目標具有的主要特征。

1）氣象彌散目標不是“剛體”，其外形時刻都在發(fā)生變化；它對電磁波散射特性，沒有固定不變的物理屬性，而且不同相態(tài)特征的彌散氣象目標的介電特性也不同。

2）氣象彌散目標其散射特性是由充塞在雷達波束采樣空間的降水粒子、冰雹粒子、云滴粒子、冰晶粒子和氣溶膠粒子等所決定，其散射特性與上述粒子相態(tài)緊密相關，并且其散射特性由采樣波束空間的多種粒子對電磁波散射的共同作用所決定，而且這一特性只具有統(tǒng)計特性。

3）氣象彌散目標的粒徑尺度跨越幅度十分大，可以從幾十微米到十幾厘米不等，甚至更大的尺度跨越；且不同尺度粒子均具有三態(tài)特征，即液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)。不同粒徑的粒子和不同相態(tài)粒子在同一采樣空間對統(tǒng)計特性的貢獻不同，大粒徑的粒子貢獻遠大于小粒徑的粒子貢獻。

4）彌散目標的散射特性，與采樣的樣本累計數(shù)密切相關，并且與獨立采樣時間的長短緊密相關；采樣樣本累計數(shù)少，采樣時間短則彌散目標的測量精度不高，穩(wěn)定性差；然而，當采樣累計時間過長，又難以保證采樣的獨立性；因此，采用時間長短取決于構成彌散目標。

5）彌散氣象目標在降水云系中粒子的增長過程存在慢過程與快過程。在降水云系的中下部暖云降水區(qū)液態(tài)雨滴以碰并增長形式增長，屬于慢過程；而在中高層－20 ℃以上高度層，冰晶與過冷卻液態(tài)共存區(qū)，降水粒子的增長，即貝吉隆增長過程則屬于快增長過程；這些增長過程的不同對于雷達采樣的統(tǒng)計特性將產(chǎn)生較大影響。

1.3 氣象彌散目標的聚集性

氣象彌散目標在天氣系統(tǒng)發(fā)展的各個階段，均表現(xiàn)出具有聚集特性，即：尺度、相態(tài)、形狀和密實度相類似的彌散目標，在不同階段會聚集在一個相對集中的空間里。

這既是同一屬性特征的粒子具有的群聚特性；而決定粒子同一屬性群聚的主要影響因子有：粒子大?。ㄖ亓Γ⒘Ｗ有螤?、相態(tài)、水平與垂直風切變、上升運動。國外開展的雙偏振雷達應用研究已經(jīng)證明了群聚現(xiàn)象的存在。

美國國家大氣研究中心（NCAR）利用雙偏振雷達（NCAR POL）長期開展風暴云中的水凝物分類研究，研究結果表明：風暴云發(fā)展的不同階段，均存在水凝物的聚集現(xiàn)象，即屬性相接近的水凝物會分布在相對集中空間里的分布特征。如圖1所示，NCAR POL雷達2013年5月29日23：43 UTC，觀測到的一個冰雹云實際水凝物的分布結構特征。從NCAR POL 雷達的RHI掃描圖中可以清楚看到，以液態(tài)水形式分布包括：LD、DR、小到中雨（RA）和大雨（HR）分布區(qū)；以雨雹混合物形式分布包括：雨和冰雹混合（RH）分布區(qū)；以及其他形式分布包括：HA、霰（GR）、濕冰晶（WI）、干冰晶（DI）、不同取向的冰晶（CR）、DN、CL等。因此，對雷達采樣而言，聚集區(qū)的時間尺度與空間尺度決定了雷達采樣的統(tǒng)計特性；雷達采樣只有具有足夠的采樣空間分辨率和時間分辨率，才能夠把聚集區(qū)的粒子的統(tǒng)計特性揭示出來。所以，從某種意義上講，聚集區(qū)特性決定了雷達采樣特性。

圖1 2013年5月29日23:43 UTC NCAR雙極化雷達觀測冰雹云水凝物分類分布結構

彌散目標呈現(xiàn)聚集區(qū)現(xiàn)象在風暴云中的上升區(qū)域所表現(xiàn)出的聚集現(xiàn)象比較顯著，而在下沉區(qū)各種承受不住托舉力的粒子紛紛在重力作用下開始降落，所以下沉區(qū)的聚集現(xiàn)象呈現(xiàn)不同大小粒子混合聚集的現(xiàn)象。

從概括出的彌散氣象目標特性可以看出，正因彌散氣象目標特性緣故，給氣象雷達采樣提出了更高的要求，不僅采樣要有足夠的樣本，又必須足夠快時間，同時采樣空間應當有足夠高的空間分辨率，以滿足彌散氣象目標采樣的獨立性和準確性。而多頻段氣象雷達是揭示這些復雜特性有效技術途經(jīng)。

2 氣象雷達波束寬度與彌散目標特性的關系

氣象雷達波束寬度過寬，容易導致采樣的彌散目標邊界外延；過寬的波束，還會導致采樣空間的散射特性嚴重偏離其固有的特性。這是因為彌散氣象目標的特性只具有統(tǒng)計特性，采樣空間的大小直接影響到這一統(tǒng)計特性。

因此，從彌散氣象目標特征分析可以看出，氣象雷達技術發(fā)展許多關鍵因子都取決于彌散氣象目標的特征所決定的。這些關鍵因子包括：波長、脈寬、獨立采樣累積時間、波束垂直與水平寬度等。

2.1 氣象雷達方程、雷達散射截面（RCS）與彌散氣象目標的關系

氣象雷達方程建立是氣象雷達探測的重要理論基礎，正是有了氣象雷達方程這一理論基礎，才把氣象雷達與氣象目標緊密的聯(lián)系在了一起。因此，可以說氣象雷達方程是架設在氣象雷達與氣象目標之間的一座橋梁，通過這座橋梁使得我們能夠把氣象雷達發(fā)射的電磁能量轉換成對氣象目標的定量化測量的物理量，從而實現(xiàn)了利用氣象雷達認知大氣中各種天氣現(xiàn)象的結構、特性、演變特征等重要信息。然而，無論是氣象雷達方程還是雷達散射截面（RCS）都與一個重要物理量有著密切關系，這就是氣象雷達發(fā)射的電磁波波長（λ）。

氣象雷達方程：

從氣象雷達方程可以看出，在其他雷達參數(shù)不變情況下，雷達接收機接收到的平均回波功率與雷達波長成反比關系，即雷達波長越短所能夠探測的弱信號能力越強。而實際大氣中氣象目標很多都屬于弱信號目標，例如：毛毛雨、云、晴空回波等。因此，在同等雷達參數(shù)條件下，波長越短探測像云、晴空回波等這樣弱信號氣象目標的能力越強。因此，靠單一波長頻段難以實現(xiàn)氣象目標全部探測這一重要任務，必須通過多種頻段氣象雷達來完成。

另外，雷達探測理論中有一個重要概念，就是雷達散射截面（RCS）。目標雷達散射截面積的一些特性可用一些簡單的模型來描述，根據(jù)雷達波長與目標尺寸的相對關系，可分成三個區(qū)域來描述目標的雷達散射截面積（如圖2所示）。

圖2 波長與目標大小的散射對應關系

1）瑞利區(qū)：在此區(qū)域，目標尺寸遠小于信號波長，目標雷達散射截面積與雷達觀測角度關系不大，與雷達工作頻率的4次方成正比。

2）米散射區(qū)：在此區(qū)域，波長與目標尺寸相當。目標雷達散射截面隨著頻率變化而變化，變化范圍可達10 dB；同時由于目標形狀的不連續(xù)性，目標的雷達散射截面會隨雷達觀測角的變化而變化。

3）光學區(qū)：在此區(qū)域，目標尺寸大于信號波長，下限值通常比瑞利區(qū)目標尺寸的上限值高一個數(shù)量級。簡單形狀目標的雷達散射截面積可以接近它們的光截面，目標或雷達的移動會造成視線角的變化，將導致目標雷達散射截面發(fā)生變化。

雷達散射截面是一個虛擬的面積，用來定量表示粒子后向散射能力的強弱，在入射能流密度一定時，后向散射界面越大，粒子的后向散射能力越強，在相同條件下，產(chǎn)生的回波信號也越強。對于一個普通球形粒子，在瑞利散射條件下，其雷達散射截面為：

粒子的散射能力與粒子的大小、形狀、電學特性有關。目前能對其散射做出精確解析解的只有少數(shù)幾何形狀比較特殊的粒子，如：圓球形、橢球形、圓柱形和扁平矩形。氣象上的云滴、雨滴等粒子一般近似地為圓球形或橢球形，雪花可以近似為扁平矩形，冰晶近似為圓柱形。然而，考慮到粒子在下落過程中受到環(huán)境空氣影響，下落姿態(tài)，也就是粒子下落過程的取向也是影響雷達散射截面的重要因素之一。

此外，降水云系中的粒子隨著相態(tài)的不同，其介電常數(shù)也存在很大差異。對于小水球的值為0.93左右，而小冰球的值為0.197，所以小冰球的后向散射截面大約只有同樣大小的小水球的1/5。這也是目前業(yè)務在冬季開展雷達定量估測降雪時，造成降雪低估的主要原因。

從雷達散射截面定義可以看出：相同電學特性下，雷達散射截面與發(fā)射的電磁波波長的四次方成反比關系。這表明：同等信噪比條件下，波長越短其探測弱信號目標的能力越強。因此，能夠利用激光雷達探測到納米級的氣溶膠粒子，利用毫米波長探測到幾十微米到幾百微米的云粒子。

最后，根據(jù)氣象雷達方程中的反射率因子Z的定義可以看出，作為氣象雷達探測最重要的探測物理量反射率因子為：

氣象目標物的粒徑大小對反射率因子探測是一個極為敏感的量（如圖3所示），Z值與粒徑大小的6次方成正比關系，當氣象雷達進行探測采樣時，同一采樣空間里混合著不同粒徑大小的氣象目標，大粒子的后向散射能力遠遠大于小粒子的貢獻。例如：1個3 mm直徑的雨滴能夠產(chǎn)生29 dBz的回波強度，而729個1 mm直徑的小雨滴也能夠產(chǎn)生29 dBz回波強度，可是將其轉換成一小時雨強時，二者相差近達到10倍，由729個1 mm直徑的小雨滴產(chǎn)生的1小時雨強遠遠大于前者。由此可以看出，氣象雷達測量的物理因子中，單憑回波強度探測還不能夠獲得準確定量的降水信息，還必須通過其他技術途徑獲得降水粒子直徑大小信息，才能夠更準確地把握真實大氣降水的特征。因此，氣象雷達發(fā)展必須實現(xiàn)對粒徑大小的探測，才能進一步推動雷達發(fā)展。

圖3 反射率因子Z值與降水粒子大小和數(shù)量關系

2.2 氣象目標的散射特性與氣象目標大小的關系

眾所周知，氣象雷達要想實現(xiàn)對氣象目標物的準確測量，在氣象目標物粒徑大小與雷達波長對應關系問題上，必須滿足瑞利散射條件，才能夠實現(xiàn)其準確定量測量。這里最著名的案例就是美國在20世紀80年代設計、發(fā)展、建設起來的WSR-88D多普勒天氣雷達網(wǎng)，在多普勒天氣雷達設計之初，選擇哪個頻段（X波段、C波段，還是S波段）作為業(yè)務主要的雷達頻段呢？通過大量仿真與實際觀測驗證，科學家發(fā)現(xiàn)，S波段頻段除了具有非常良好的雨衰小的特點外，在實際大氣的降水探測過程中，絕大多數(shù)情況下，S波段頻段與被測氣象目標之間均能夠嚴格滿足瑞利散射條件。

即：雨滴直徑D<<λ/16。這是因為液態(tài)降水粒子在實際大氣中既有碰并增長，同時還有不斷的雨滴分裂破碎。研究與觀測表明（如圖4所示①來源：https://www.radartutorial.eu/15.weather/wr51.en.html。）：大雨滴增長直徑約為7 mm時，下落雨滴與環(huán)境空氣之間會相互作用，雨滴逐漸由準圓形狀，逐漸演變成平底橢圓形狀。在大雨滴兩側高速繞流和頂托雨滴氣流雙重作用下，按照經(jīng)典流體力學理論，流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大，雨滴兩側流速大壓強小，而在雨滴底部流速小壓強大，從而導致雨滴分裂破碎。液態(tài)狀雨滴增長在實際大氣中很少有超過7 mm直徑存在的可能性。因此選用S波段頻段，作為氣象雷達測雨頻段，實際應用過程遵從了瑞利散射的條件，從而為氣象雷達定量估測降水奠定了堅實的理論基礎。

圖4 下落的雨滴取代了空氣，在它的兩側，流線被壓縮并產(chǎn)生拉力（類似于飛機機翼的空氣動力學），這將把水滴拉得更寬；落差越大，壓縮力和力就越強

綜合彌散氣象目標特性、氣象雷達反射率因子的特性，并結合氣象雷達方程、雷達散射截面和瑞利散射理論的綜合分析，可以看出要想利用氣象雷達深入揭示出大氣的重要特性和結構特征，發(fā)展多種頻段氣象雷達十分必要且重要。只有通過多種頻段的綜合探測才有可能獲得從水汽、云和降水，到整個風暴的三維立體結構以及微物理過程。才能實現(xiàn)不同尺度大小彌散氣象目標的準確有效的定量化測量。

通過上述綜合分析，可以歸納出決定氣象雷達技術發(fā)展有幾個關鍵核心因素：

1）一是氣象雷達采用頻段。不同波長的頻段，在大氣探測過程中它們的傳播特性不同。例如衰減不同，對大氣中的粒子產(chǎn)生的散射特性不同，有時候滿足瑞利散射，有時候滿足米散，有時候呈現(xiàn)光學特性。S波段氣象雷達在大氣探測中，它在實際大氣降水過程中的衰減特性幾乎可以忽略不計，此外其波長與降水粒子對應關系上，都嚴格遵從瑞利散射理論，這無疑對液態(tài)降水測量是非常有利的。這一優(yōu)勢，奠定了S波段可以作為氣象雷達的其他頻段的一個參照標準的地位，其重要性可以堪稱大氣探測領域的探空系統(tǒng)。另外，確定不同波長的同時，也確定了氣象雷達最大采樣空間分辨率的可能性。因為雷達波長與天線波束寬度形成的對應關系，決定了雷達天線的空間分辨率。

2）二是大氣中各種粒子與雷達波長構成雷達散射截面。對同一粒子不同波長探測時，其雷達散射截面不同。同一粒子對波長越短，產(chǎn)生的雷達散射截面反而越大。這促使了用很短波長探測更小粒子的可能性。

3）三是氣象雷達探測的核心物理量反射率因子Z與采樣空間相同粒徑大小的粒子直徑6次方總和乘對應關系。因此決定了氣象雷達不僅要了解單位采樣空間里的粒子總數(shù)，還要獲得其內(nèi)的粒子直徑譜特性，才能真正準確測量其反射率因子這一物理量，從而實現(xiàn)雷達測量降水的準確可靠。

3 小結與討論

通過對彌散氣象目標的特性分析，要推動我國氣象雷達技術的發(fā)展，不僅要發(fā)展雷達技術本身，同時也面臨氣象雷達對氣象目標——“彌散目標”精細化、定量探測所要解決的“彌散氣象目標”的特性理論研究問題。從上述分析中，彌散氣象目標與氣象雷達技術之間的關聯(lián)可以概括如下：

1）因彌散氣象目標的粒子尺度跨越范圍大，決定了多頻段氣象雷達對彌散氣象目標的作用與監(jiān)測能力。多波長氣象雷達是獲取降水云系“全物理圖像”的重要技術途徑。

2）鑒于彌散氣象目標僅具有統(tǒng)計特性，而這一統(tǒng)計特性又緊密的與其聚集特性相關。因此，聚集區(qū)的時間與空間尺度是氣象雷達技術指標與性能的主要影響因素和設計的科學依據(jù)（包括：發(fā)射機功率、天線孔徑、觀測掃描策略與觀測模式等）。

3）彌散氣象目標的大小與氣象雷達波長之間的對應關系直接影響著散射特性和測量的準確性，粒子的相態(tài)也直接影響了氣象目標的散射特性。隨著雙偏振雷達業(yè)務應用，利用偏振量開展粒子大小與相態(tài)識別是提高準確測量重要途徑。

4）彌散氣象目標的散射特性由于受到粒子本身因素（大小、相態(tài)、形狀、密實度、介電特性等）的影響，同時也受粒子濃度、環(huán)境風場（切變）等影響。利用現(xiàn)代技術手段建立仿真數(shù)學模型，開展彌散氣象目標散射特性的仿真研究是一個深入研究彌散氣象目標特性的重要技術途徑，并結合各種技術渠道的直接對云和降水微物理特征采樣與雷達觀測的對比分析。

現(xiàn)代氣象雷達隨著電子技術、材料技術、計算機技術，芯片技術的快速發(fā)展，氣象雷達在硬件設備方面發(fā)展十分迅速，組成氣象雷達各個分系統(tǒng)的設備也高度集成化、模塊化，使得氣象雷達在硬件設備方面的發(fā)展呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。然而，制約氣象雷達發(fā)展的重要因素在于氣象雷達的信號處理，而氣象信號的處理的關鍵在于我們對彌散氣象目標特性的認知。因此，該是我們認真思考、深入研究制約氣象雷達發(fā)展最核心的關鍵因素——彌散氣象目標特性這一關鍵問題的時候了。