第十四章都卜勒天氣雷達知識
第一節引言
radar（radio detection and ranging）是乙個利用電磁波進行探測、定位的儀器。最早用於軍事目的，後來在氣象部門也逐漸得到使用。它具有準確、客觀和實時的特點。
近年來，都卜勒雷達的技術也逐漸成熟，它除了保持常規天氣雷達的特點外，還通過計算頻率（相位）的變化，提取風場的一些特徵，因而更具有使用價值。
我國新一代天氣雷達建設是我國20世紀末、21世紀初的一項跨世紀氣象現代化工程。我國新一代天氣雷達組網的目標和原則是：在我國東部沿海和多強降水地區和四川盆地的大部分地區，布設s波段（波長10cm）新一代天氣雷達；在我國強對流天氣發生和活動比較頻繁、經濟比較發達的中部地區，布設c波段（波長5cm）新一代天氣雷達；其它地區，即我國第一地形階梯地域的青、新、藏等流域暫不布設全國組網的站點；但省（區）會所在地和重要地區根據氣象服務工作的需要和可能，按統一業務布點要求設定新一代c波段天氣雷達，作為局地監測和服務使用。
計畫在全國部署158部新一代天氣雷達。圖14-1為其中的126部的站點示意圖。截止到2023年5月份為止，已布設80餘部新一代天氣雷達。
圖14－1我國新一代天氣雷達**
新一代天氣雷達將全部選用ｓ和ｃ兩種波段，選取全相干體制，其主要探測和測量物件，包括降水、熱帶氣旋、雷暴、中尺度氣旋、湍流、龍捲、冰雹、融化層等，並具備一定的晴空回波的探測能力。
第二節都卜勒天氣雷達的基本工作原理
粒子對電磁波作用的兩種基本形式是散射和吸收。氣象目標對雷達電磁波的散射作用是雷達探測大氣的基礎。當天氣雷達間歇性地向空中發射電磁波（稱為脈衝式電磁波）時，它以近於直線的路徑和接近光波的速度在大氣中傳播，在傳播的路徑上，若遇到空氣分子、大氣氣溶膠、雲滴和雨滴等懸浮粒子時，入射電磁波會從這些粒子上向四面八方傳播開來，這種現象稱為散射。
粒子產生散射的原因是：粒子在入射電磁波的作用下被極化，感應出複雜的電荷分布和電流分布，它們也要以同樣的頻率發生變化，這種高頻率變化的電荷分布和電流分布向外輻射的電磁波，就是散射波。雷達波束通過雲和降水粒子時被散射，其中一部分後向的散射波要返回雷達方向，被雷達天線接收。
在雷達探測中，氣象目標的空間位置是用雷達天線至目標物的直線距離ｒ（亦稱斜距）、雷達天線的仰角和方位角來表示。斜距ｒ可根據電磁波在大氣中的傳播速度ｃ和探測脈衝與回波訊號之間的時間間隔來確定（圖14-2）。
圖14－2 電磁波傳播和粒子散射示意圖
都卜勒天氣雷達除了具備探測雲和降水回波的位置及強度功能外，它以都卜勒效應為基礎（都卜勒效應是指發射源和接收器之間有相對的徑向運動時，雖然發射源所發射的訊號頻率固定不變，但接受器所收到的訊號頻率相對於發射源的頻率卻發生了變化，2023年首先被澳大利亞物理學家發現），通過測定接收回波訊號與發射探測脈衝訊號頻率之間出現的頻率差異，在得到目標物的反射率因子外，還可以測定散射體相對於雷達的徑向速度和速度譜寬，並根據這三個基本量，可推斷出相應的天氣系統，尤其是降水天氣系統的某些內部結構和特徵，它對降水成因、中小尺度天氣系統以及強對流造成的災害性天氣的監測與研究具有重要意義，是發布嚴重災害性天氣警報和臨近預報的重要探測工具。
新一代天氣雷達採用都卜勒體制，它的發展是建立在無線電技術，資訊處理技術和計算機技術基礎上的，所以新一代天氣雷達亦稱都卜勒天氣雷達。
第三節都卜勒天氣雷達基本組成
天氣雷達主要有以下幾部分組成：天線系統、收發開關、發射機、接收機、處理和控制終端等。我國新一代都卜勒天氣雷達主要由雷達資料採集系統rda（radar data acquisition）、雷達產品生成器rpg（radar product generator）和主要使用者終端pup（principal user processor）組成。
rda由天線、發射機、接收機、訊號處理器和監控計算機組成。它的主要功能是發射脈衝電磁波、接收回波，並對回波進行處理，最終形成反射率因子、平均徑向速度和徑向速度譜寬。rpg的主要功能有兩個，乙個是作為整個雷達的控制中心，另乙個是具有一系列演算法，當接到來自pup的請求後，生成相應的產品，然後傳輸給pup。
pup是預報員平台，主要功能是申請適當的產品，對影象進行各種處理，為天氣預報特別是強對流天氣預報提供指導和參考。
第四節都卜勒天氣雷達主要引數及其意義
都卜勒天氣雷達的主要引數有：與發射機有關的主要引數有：波長λ、脈衝寬度τ、發射功率pt和脈衝重複頻率prf等；與天線有關的主要引數有：
波束寬度θ和天氣增益g等；與接收機有關的主要引數有：接收機靈敏度pmin等。其中各引數物理意義簡要介紹如下：
一、波長λ
指雷達發射的電磁波的長度。天氣雷達通常使用的波長是釐公尺波，劃分為k、x、c和s四個波段，k波段的雷達主要用來探測非降水的雲，x、c和s波段用於探測降水，波段、頻率和波長對照關係見表14-1。
表14－1波段、頻率和波長對照關係
波長是氣象雷達最重要的技術指標之一，因為雲、雨粒子對電磁波的散射能力和衰減都與電磁波的波長有重要關係，波長越短，後向散射越強，雷達就易於探測到弱的目標物，解析度就越好，但後向散射越強，電磁波的衰減越嚴重，這會影響雷達的探測距離及精度，所以選擇雷達要根據探測距離及當地的降水情況作綜合考慮。例如在我國東部沿海和多強降水地區和四川盆地的大部分地區，由於經常出現暴雨和強降水，因此決定布設s波段新一代天氣雷達。
電磁波能量在傳播路徑上減弱的現象，稱為衰減。為了比較不同波長的衰減程度，有人對乙個假設的雨區做了理論計算（見圖14-3a）。可以看出，10cm的雷達衰減小，而3.
2cm雷達，雷達衰減比較嚴重。
圖14－3 虛擬的雨區（a）以及在3.2cm（b）和10cm雷達上顯示的回波強度分布（c）
另外，對都卜勒天氣雷達工作波長的選擇，除了要考慮降水對電磁波的衰減作用外，還須考慮測速模糊與工作波長之間的關係。從最大不模糊速度（vmax =±prf*λ/4）可知，同樣的脈衝重複頻率，ｓ波段具有較大的不模糊速度。但是波長λ長，裝置大，成本高，技術難度也大，要求發射頻率的穩定度要高得多。
若採用ｘ波段，波長短，發射脈衝頻率高,則容易滿足頻率穩定性要求，造價低。
二、脈衝寬度τ
脈衝寬度是指該脈衝所持續的時間，一般用微秒表示，其值越大，雷達的有效探測深度h就越大，回波功率就越大，探測能力就越強，但是τ越大，雷達的距離解析度就降低，不能細緻地顯示氣象目標物的內部結構，所以，一般在探測近距離降水時採用短脈衝，而探測遠距離降水時採用長脈衝。我國新一代天氣雷達（s波段）有兩個脈衝寬度：短脈衝（1.
57μs）和長脈衝（4.71μs），對應的空間長度分別為500公尺和1500公尺左右。
三、脈衝重複頻率prf
每秒種產生的觸發脈衝數目，稱為脈衝重複頻率,以prf（pulse –recurrence – frequency）表示，它與雷達最大可測距離成反比，rmax=c/2prf；與最大不模糊速度成正比，即vmax =±prf*λ/4。兩個相鄰脈衝之間的時間間隔，稱為脈衝重複週期，用ｔ表示，它等於脈衝重複頻率的倒數。例如，脈衝重複頻率400赫茲，則脈衝重複週期2500微秒，最大探測距離約為375公里左右。
我國新一代天氣雷達脈衝重複頻率prf在300-1300hz範圍內，實際脈衝重複頻率的選擇取決於具體情況。
四、發射功率pt
是指發射機的發射功率，它與回波功率成正比，即發射功率越大，回波功率也就越大，所以，增大發射功率是提高雷達探測能力和探測距離的一種辦法。
五、波束寬度θ
天氣雷達的天線具有很強的方向性,它所輻射的功率集中在波束所指的方向上，從波束剖面圖可以看出，波束主軸附近能流密度大，波束的邊緣能流密度小，能流密度的相對分布曲線，稱為天線方向圖,曲線上各點與座標原點的連線長度，代表該方向相對能流密度大小。圖中能流密度最大方向上的波瓣稱為主波瓣，側面和相反方向能流密度均小得多，分別稱為旁瓣和尾瓣。
在天線方向圖上，兩個半功率點方向的夾角，稱為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的解析度越高，探測精度越高。波束寬度的大小取決於拋物面反射體的直徑和雷達工作波長。
天氣雷達的波束寬度通常不超過1 ，我國新一代天氣雷達（s波段）的天線直徑為9公尺，波束寬度為1。
波束寬度、主波瓣、旁瓣、半功率點示意圖
六、天氣增益g
在相同輻射功率條件下，在波束方向上定向天線的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密度之比，稱為天線增益，以g表示，天線增益與天線波束寬度具有一定的關係。天線增益以分貝（db）表示：分貝（db）=10log（定向天線的能流密度）/（各向均勻輻散天線的能流密度）。
我國新一代天氣雷達（s波段）的天線增益≥44 db。
七、接收機靈敏度pmin
回波訊號常常非常微弱，接收機必須具有接收微弱訊號的能力，這種能力稱為靈敏度，它可以用接收機的最小可辨功率pmin表示。
我國新一代天氣雷達（s波段）的最小靈敏度對於短脈衝（1.57μs）是-107dbm，長脈衝（4.71μs）是-113dbm。
總之，雷達系統的探測能力主要由發射功率、天線增益、接收機靈敏度等雷達引數綜合確定，新一代天氣雷達系統200公里處的最小反射率因子不大於-7dbz，約相當於在200公里處能探測到的最小降水強度小於0.02公釐/小時。
在監測遠距離目標強度資訊時，可採用低脈衝重複頻率的探測模式，減少二次回波出現的機率，在測量風場分布時，須選用較高脈衝重複頻率，減少速度模糊現象，但這時會出現二次回波的干擾。新一代天氣雷達系統充分注意選擇合適的脈衝重複頻率及速度退模糊方法，以滿足測距範圍和測速區間的雙重要求。
第五節都卜勒天氣雷達回波的分類和識別
雷達回波通常使用反射率因子，按照地面是否有降水，可分為降水回波與非降水回波（地物回波、超折射回波、霧的回波、晴空大氣回波等）。其中降水回波常劃分為三種型別：積雲降水回波、層狀雲降水回波和混合性降水回波。
具體特徵如下：
一、降水回波
（一）層狀雲降水回波：
層狀降水回波在ppi上顯示比較均勻，呈瀰散狀分布，回波邊緣由於受到降水區的衰減作用和脈衝寬度等影響而顯得破碎，邊緣發毛。在回波中仍可看到大片弱回波中夾有乙個個強度較強的回波團。層狀雲連續性降水回波強度一般在20dbz左右，通常不會超過30dbz。
在rhi（高顯）圖上，層狀雲系回波高度不高，一般在5～6千公尺，回波頂高比較平坦，沒有明顯的對流單體突起。
當都卜勒雷達對層狀雲連續性降水回波進行鉛直掃瞄探測時，在rhi上會出現一條平展而比較強的回波帶，它就是「零度層亮帶」。「零度層亮帶」是層狀雲連續性降水的乙個重要特徵，它反映了在層狀雲降水中存在著明顯的冰水轉換區，即亮帶上面的降水粒子以冰晶為主，通過亮帶後，全部轉化為水滴。亮帶的出現，也表明了層狀雲降水中氣流穩定，無明顯對流活動，為亮帶的維持創造了條件。
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