淺談風(fēng)廓線雷達(dá)的原理及其應(yīng)用

摘要：風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型的高空大氣探測系統(tǒng)，需要在晴空天氣下進(jìn)行探測，可以實時監(jiān)測大氣三維風(fēng)場信息。本文結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)原理，探討了風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用，僅供相關(guān)部門進(jìn)行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá);原理;應(yīng)用

引言

風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用實現(xiàn)了無人值守，可以對各種氣象要素數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，同時具有高時空分辨特征。因風(fēng)廓線雷達(dá)探測優(yōu)勢和自身資料特點的綜合作用，促進(jìn)了數(shù)值預(yù)報模式工作的順利開展，提升了天氣預(yù)報的精細(xì)化水平。風(fēng)廓線雷達(dá)的使用彌補了傳統(tǒng)探空資料時空密度不足的缺陷，同時還擺脫了時間方面的限制，在研究天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變中發(fā)揮著重要作用。

1.風(fēng)廓線雷達(dá)的原理

1.1風(fēng)廓線雷達(dá)的定義

將不同方向的電磁波束朝著高空發(fā)射，對因大氣垂直不均勻而返回的電磁波束信息進(jìn)行接收并處理的高空風(fēng)場探測遙感設(shè)備稱之為風(fēng)廓線雷達(dá)。結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)中的多普勒效應(yīng)可實現(xiàn)區(qū)域上空隨高度變化的風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素數(shù)據(jù)的探測，其優(yōu)點是探測時空分辨率高、自動化程度強等。將聲發(fā)射裝置與風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行結(jié)合構(gòu)成了具有無線電結(jié)構(gòu)的聲探測系統(tǒng)，可遙感探測到大氣中溫度的垂直廓線。

1.2風(fēng)廓線雷達(dá)分類

根據(jù)不同的天線制式，可以將風(fēng)廓線雷達(dá)劃分為相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)和拋物面風(fēng)廓線雷達(dá)。相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)體制可在各種類型的高空探測中使用，也是當(dāng)前使用最為廣泛的技術(shù)體制。因風(fēng)廓線雷達(dá)在測量氣流速度的同時，還要定位空間氣流信息，應(yīng)具備發(fā)射脈沖電磁波和多普勒測速的功能，可以將風(fēng)廓線雷達(dá)劃分到脈沖多普勒雷達(dá)中。晴空天氣是風(fēng)廓線雷達(dá)的主要探測對象，因此風(fēng)廓線雷達(dá)往往被人們稱之為晴空雷達(dá)。

根據(jù)不同的探測高度，可以將風(fēng)廓線雷達(dá)劃分為三種：邊界層、對流層和中間層-平流層-對流層風(fēng)廓線雷達(dá)。其中邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度在3km左右，對流層風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度在12～16km之間;中間層-平流層-對流層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度在兩者之間，其中探測高度不足8km的則稱之為低流程風(fēng)廓線雷達(dá)。

根據(jù)不同的雷達(dá)工作頻率，將風(fēng)廓線雷達(dá)劃分為甚高頻、超高頻和L波段三種類型。通常情況下，L波段在邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)中使用的頻率最高，超高頻主要應(yīng)用在對流層風(fēng)廓線雷達(dá)中，而探測高度超過平流層以上的風(fēng)廓線雷達(dá)主要選用甚高頻。

1.3風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理

風(fēng)廓線雷達(dá)的主要探測對象是晴空大氣，通過大氣湍流對電磁波的散射作用可探測大氣風(fēng)場等的氣象要素。風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣傳播時，受到大氣湍流引起的折射率分布不均勻所產(chǎn)生的散射作用，風(fēng)廓線雷達(dá)會接收到后向散射能量。利用多普勒效應(yīng)可以對沿著雷達(dá)波束方向的氣流速度分量進(jìn)行確定;而往返的回波信號時間則能確定回波位置。由此不難看出，風(fēng)廓線雷達(dá)是無線電測距與多普勒測速的結(jié)合體。

2.風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品及其應(yīng)用

風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要有六種類型：多普勒徑向頻譜圖、譜線圖輔助區(qū)域、風(fēng)廓線隨時間變化圖、風(fēng)廓線輔助區(qū)域、垂直氣流廓線圖、大氣折射率指數(shù)隨時間變化圖。這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以是實時，也可以是半小時或一小時數(shù)據(jù)。

2.1多普勒徑向頻譜圖及其輔助區(qū)域

多普勒徑向頻譜圖可以將各個高度層上的波束徑向速度在不同時刻的變化情況反映出來，主要包含單波束和五波束多普勒徑向頻譜圖。在頻譜圖輔助區(qū)域內(nèi)可以將譜寬、徑向速度、信噪比信息在不同時刻各個高度的變化情況反映出來。氣象部門在預(yù)測降水、降雪等強對流天氣過程中對多普勒徑向頻譜圖使用的最為廣泛。根據(jù)相關(guān)研究表明，在無降水天氣出現(xiàn)時，整個頻譜高度上垂直波束的徑向速度幾乎為零;同一平面上的對稱波束在0速度軸左右基本呈現(xiàn)出對稱關(guān)系。在降水天氣出現(xiàn)時，五波束頻譜的徑向速度值從上到下依次減少;每一層高度上的五波束頻譜圖，以多普勒信號頻譜最寬，信號外形沒有太大差異;若出現(xiàn)均勻的持續(xù)性降雨，五個頻譜圖的外觀形態(tài)基本沒有太大變化，一旦某高度的頻譜變寬且徑向速度正值增加，說明降水相態(tài)變化;若頂波束無最大徑向速度，說明出現(xiàn)了不均勻性的降水，或者水平風(fēng)對降水的影響較為明顯。在降雪天氣出現(xiàn)時，整層的頻譜譜寬都較窄，取值和頻譜信號外形基本相同。若徑向速度折疊出現(xiàn)在頻譜圖中，說明將會有風(fēng)雨天氣出現(xiàn)。

2.2風(fēng)廓線圖及輔助區(qū)域

風(fēng)廓線圖包含風(fēng)羽圖和風(fēng)矢圖，可以在水平平面上各個高度層不同時刻的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來。而風(fēng)廓線輔助區(qū)域則可以將水平風(fēng)速和風(fēng)向、垂直風(fēng)、大氣折射率指數(shù)不同時間隨高度變化的情況反映出來。結(jié)合風(fēng)廓線圖中的風(fēng)速數(shù)據(jù)信息為灰霾天氣預(yù)報提供了極大的便利。相關(guān)研究表明，灰霾天氣的出現(xiàn)受風(fēng)速的影響較大，若中層風(fēng)速超過10m/s，此時不易出現(xiàn)灰霾，反之亦然，風(fēng)速越小，灰霾造成的危害越嚴(yán)重。除了結(jié)合中層風(fēng)速外，還要根據(jù)邊界層高度和天氣情況判斷灰霾天氣，若中層風(fēng)速較小，降水天氣頻發(fā)出現(xiàn)及大氣邊界層較高時，此時也不容易出現(xiàn)灰霾天氣。不管灰霾天氣出現(xiàn)與否，風(fēng)速與能見度之間都有明顯的相關(guān)性，其中灰霾天氣下兩者之間的關(guān)系更為明顯。在氣象分析和大氣污染物擴散形勢中可引入風(fēng)向變化。

2.3色塊表示大氣折射率指數(shù)

大氣折射率指數(shù)可以將邊界層頂高度的變化情況反映出來，在對流邊界層頂雷達(dá)發(fā)射高度增加，因大氣邊界層頂附近的濕度梯度和湍流交換過程較強，使得雷達(dá)發(fā)射信號強度增加。因此，隨著高度的變化大氣折射率指數(shù)在邊界層頂部存在極大值，該數(shù)值可以對邊界層高度進(jìn)行判定。一旦邊界層頂高度發(fā)生變化就說明存在能量交換，頂越低，對于能量的交換就越不利，污染物就很難擴散。

2.4色塊表示的垂直氣流廓線圖

垂直氣流色塊圖可以將各個高度層上垂直氣流隨時間變化的強弱反映出來。其中上升氣流以暖色表示，速度為正;下沉氣流以冷色表示，速度為負(fù)。結(jié)合垂直氣流廓線圖可以實現(xiàn)降雨預(yù)警、強對流天氣分析、輔助大氣污染輸送分析等。相關(guān)研究表明，晴天條件下的測出的垂直速度較小，在±0.1m/s之間;在降雨天氣下，垂直速度數(shù)值增加，尤其是5km以下的下沉速度最為明顯，超過了4m/s。若低層不同高度測出的垂直速度都在-4m/s以下，則說明會有降雨天氣出現(xiàn)。結(jié)合風(fēng)垂直分布和隨時間變化情況，可以判斷溫濕度平流情況，進(jìn)而了解水汽輸送和層結(jié)的穩(wěn)定度水平，還能預(yù)計未來風(fēng)暴的強度。

結(jié)論

在全球氣候變暖的大背景下，各種極端災(zāi)害性事件呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。強降水、雷暴、冰雹等強對流天氣受到中小尺度天氣的影響，因常規(guī)監(jiān)測網(wǎng)分辨率的限制，使得強對流天氣預(yù)報和監(jiān)測難度大幅度增加，通過使用高時空分辨率的新型探測資料會增強強對流天氣臨近預(yù)報水平，可有效降低災(zāi)害性天氣造成的損失。

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作者簡介：牟杰（1988-），男，彝族，四川甘孜州九龍縣人，本科學(xué)歷，助理工程師，從事綜合氣象觀測工作。