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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了無人值守，可以對(duì)各種氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)具有高時(shí)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(diǎn)的綜合作用，促進(jìn)了數(shù)值預(yù)報(bào)模式工作的順利開展，提升了天氣預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平。風(fēng)廓線雷達(dá)的使用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探空資料時(shí)空密度不足的缺陷，同時(shí)還擺脫了時(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)區(qū)域上空隨高度變化的風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素?cái)?shù)據(jù)的探測，其優(yōu)點(diǎn)是探測時(shí)空分辨率高、自動(dòng)化程度強(qiáng)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(shí)，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(duì)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(duì)流層和中間層-平流層-對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象是晴空大氣，通過大氣湍流對(duì)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(shí)，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(huì)接收到后向散射能量。利用多普勒效應(yīng)可以對(duì)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(hào)時(shí)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(shí)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(shí)間變化圖。這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以是實(shí)時(shí)，也可以是半小時(shí)或一小時(shí)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(gè)高度層上的波束徑向速度在不同時(shí)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(shí)刻各個(gè)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(qiáng)對(duì)流天氣過程中對(duì)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(shí)，整個(gè)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(duì)稱波束在0速度軸左右基本呈現(xiàn)出對(duì)稱關(guān)系。在降水天氣出現(xiàn)時(shí)，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(hào)頻譜最寬，信號(hào)外形沒有太大差異;若出現(xiàn)均勻的持續(xù)性降雨，五個(gè)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(duì)降水的影響較為明顯。在降雪天氣出現(xiàn)時(shí)，整層的頻譜譜寬都較窄，取值和頻譜信號(hào)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(huì)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(gè)高度層不同時(shí)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(shí)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(bào)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(shí)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(shí)，此時(shí)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(kuò)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(duì)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(qiáng)，使得雷達(dá)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)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(duì)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(duì)于能量的交換就越不利，污染物就很難擴(kuò)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(gè)高度層上垂直氣流隨時(shí)間變化的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)降雨預(yù)警、強(qiáng)對(duì)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(huì)有降雨天氣出現(xiàn)。結(jié)合風(fēng)垂直分布和隨時(shí)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(jì)未來風(fēng)暴的強(qiáng)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(qiáng)降水、雷暴、冰雹等強(qiáng)對(duì)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(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)和監(jiān)測難度大幅度增加，通過使用高時(shí)空分辨率的新型探測資料會(huì)增強(qiáng)強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)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。