多普勒天氣雷達(dá)

多普勒天氣雷達(dá)天氣變化探測(cè)工具01主要設(shè)備重要意義工作原理產(chǎn)品應(yīng)用目錄03050204基本信息多普勒天氣雷達(dá)，是一種主動(dòng)遙感的探測(cè)工具，在測(cè)量云、降雨和各種強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展內(nèi)在因素方面有重要的應(yīng)用，其工作原理即以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以測(cè)定散射體相對(duì)于雷達(dá)的速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對(duì)警戒強(qiáng)對(duì)流天氣等具有重要意義。從1998年開始在中國(guó)布新一代多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)。多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家J.Doppler1842年首先從運(yùn)動(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，多普勒天氣雷達(dá)的工作原理即以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)降水粒子相對(duì)雷達(dá)發(fā)射波束相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以測(cè)定接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運(yùn)用這種原理，可以測(cè)定散射體相對(duì)于雷達(dá)的速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對(duì)研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強(qiáng)對(duì)流天氣等具有重要意義。工作原理工作原理多普勒雷達(dá)是世界上最先進(jìn)的天氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，并且已經(jīng)在很多國(guó)家得到深入應(yīng)用，因此，下面我們就多普勒雷達(dá)的工作原理進(jìn)行深入分析和研究，以便能夠使人們對(duì)其工作原理有著更為清楚的認(rèn)識(shí)。

1.1通過氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的散射和吸收粒子能夠?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行吸收和散射，這也是粒子對(duì)電磁波的兩大基本形式。雷達(dá)探測(cè)大氣的基礎(chǔ)是由氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和散射所得。如果電磁波的波束在大氣傳播途中遇到包括云滴、雨滴以及其他懸浮粒子和空氣分子，作為入射的電磁波波束中的有一部分會(huì)因?yàn)樯鲜龅牧Ｗ臃瓷涞讲煌胤?，這類現(xiàn)象稱之為散射。一部分散射的電磁波波束會(huì)被粒子吸收，最終按照雷達(dá)的方向返回被雷達(dá)天線接收，多普勒天氣雷達(dá)能夠通過接收到的電磁波束中自帶的振幅和位相等數(shù)據(jù)，得出氣象目標(biāo)的平均速度以及發(fā)射率因子和速度譜寬等基本數(shù)據(jù)，進(jìn)而推斷并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的氣象情況和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

1.2電磁波在大氣中的衰減電磁波的能量隨傳播路徑逐漸減弱的現(xiàn)象，稱之為電磁波在大氣中的衰減。電磁波的衰減與電磁波波束的長(zhǎng)度成反比，波束長(zhǎng)度越長(zhǎng)，衰減程度越小。主要設(shè)備觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器調(diào)制解調(diào)器發(fā)射機(jī)天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、波導(dǎo)管天線接收機(jī)和顯示器010302040506主要設(shè)備觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器(控制鐘)是整個(gè)雷達(dá)的控制系統(tǒng)，它周期性地產(chǎn)生一個(gè)脈沖式的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)脈沖輸送到調(diào)制解調(diào)器和顯示器，指揮它們開始工作。每秒種產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖數(shù)目，稱為脈沖重復(fù)頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency)表示。兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔，稱為脈沖重復(fù)周期，用T表示，它等于脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)。實(shí)際工作中，可用公式計(jì)算脈沖重復(fù)周期的數(shù)值。

調(diào)制解調(diào)器在觸發(fā)脈沖的觸發(fā)作用下，調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生調(diào)制脈沖。調(diào)制脈沖具有兩個(gè)特性：（1）具有固定的脈沖寬度（也稱為脈沖持續(xù)時(shí)間），以微秒為單位，也可以以脈沖的空間距離h表示，脈沖寬度直接影響探測(cè)距離和距離分辨能力即雷達(dá)盲區(qū)大小。探測(cè)近目標(biāo)采用窄的脈沖寬度，在探測(cè)遠(yuǎn)目標(biāo)時(shí)，為了增大回波信號(hào)的強(qiáng)度采用寬的脈沖寬度。天氣雷達(dá)的脈沖寬度一般取0.1--4微秒，隨各種雷達(dá)探測(cè)目的不同而異。（2）調(diào)制脈沖提供一個(gè)合適的視頻波形具有足夠的幅度，以便使下一級(jí)電路發(fā)射機(jī)正常工作。

發(fā)射機(jī)在調(diào)制脈沖的作用下，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生短促又強(qiáng)大的特高頻振蕩，經(jīng)天線向空間發(fā)射出去，即探測(cè)脈沖。發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有波長(zhǎng)（或振蕩頻率F）和脈沖發(fā)射功率。（1）波長(zhǎng)：天氣雷達(dá)通常使用的波長(zhǎng)是厘米波，劃分為K、X、C和S四個(gè)波段，K波段的雷達(dá)是用來探測(cè)非降水的云，X、C和S波段用于探測(cè)降水。（2）脈沖發(fā)射功率：是指天線實(shí)際發(fā)射的峰值功率，如果忽略了波導(dǎo)管和天線的損耗，則脈沖發(fā)射功率將近似地等于發(fā)射機(jī)輸出峰值功率。

天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、波導(dǎo)管天線轉(zhuǎn)換開關(guān)是將天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)連接起來的一種裝置。當(dāng)天線和發(fā)射機(jī)接通時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出的特高頻振蕩脈沖電磁波順利地到達(dá)天線，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)天線與接收機(jī)切斷連通，電磁波不能進(jìn)入接收機(jī)。在探測(cè)脈沖發(fā)射的間歇期，轉(zhuǎn)換開關(guān)接通接收機(jī)，使天線接收到的回波信號(hào)能全部進(jìn)入接收機(jī)。波導(dǎo)管是一種空心矩形金屬管狀導(dǎo)體，其內(nèi)徑大小隨所攜帶信號(hào)的波長(zhǎng)而異，脈沖信號(hào)經(jīng)它傳送到天線其損耗極小。

天線(1)波束的寬度：天氣雷達(dá)的天線具有很強(qiáng)的方向性，它所輻射的功率集中在波束所指的方向上，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(duì)分布曲線，稱為天線方向圖，曲線上各點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線長(zhǎng)度，代表該方向相對(duì)能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣稱為主波瓣，側(cè)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(gè)半功率點(diǎn)方向的夾角，稱為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的分辨率越高，探測(cè)精度越高。天氣雷達(dá)的波束寬度通常不超過2度，多普勒雷達(dá)的波束寬度一般不超過1度。波束寬度的大小取決于拋物面反射體的直徑和雷達(dá)工作波長(zhǎng)。（2）天線增益：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(guān)系。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）。

接收機(jī)和顯示器接收機(jī)：接收來自目標(biāo)物的回波信號(hào)，經(jīng)過放大后送往顯示器進(jìn)行顯示?；夭ㄐ盘?hào)常常非常微弱，接收機(jī)必須具有接收微弱信號(hào)的能力，這種能力稱為靈敏度。靈敏度用最小可辨功率表示。它是回波信號(hào)剛剛能從噪聲信號(hào)中分辨出來時(shí)的回波功率。顯示器：（1）平面位置顯示器（簡(jiǎn)稱平顯或PPI）是天氣雷達(dá)中最常用的一種顯示器。在這種顯示器上，電子束一方面以脈沖重復(fù)頻率自屏幕的中心向外作等速的徑向掃描；另一方面通過天線傳動(dòng)裝置，使徑向掃描為同步地隨天線繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)有回波信號(hào)進(jìn)入時(shí)，在相應(yīng)的距離和方位上掃描線增亮，從而顯示出回波，其亮度取決于回波信號(hào)的強(qiáng)度，近代采用了視頻積分處理器，將回波信號(hào)按不同的強(qiáng)度用不同的灰度或彩色顯示出來。當(dāng)雷達(dá)天線掃描一周時(shí)，屏幕上顯示出測(cè)站周圍目標(biāo)的分布和回波強(qiáng)度。（2）距離高度顯示器（簡(jiǎn)稱高顯或RHI）也是天氣雷達(dá)中最常用的一種顯示器，用來顯示垂直剖面，縱坐標(biāo)是高度，橫坐標(biāo)為水平距離，高度坐標(biāo)放大，所顯示的回波在垂直方向被拉長(zhǎng)了。

產(chǎn)品應(yīng)用產(chǎn)品應(yīng)用新一代多普勒天氣雷達(dá)的產(chǎn)品包括基本產(chǎn)品和導(dǎo)出產(chǎn)品?；井a(chǎn)品有三個(gè)：反射率因子、平均徑向速度、譜寬。反射率因子描繪了一個(gè)完整的360º方位掃描的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)等級(jí)用dBZ表示。雷達(dá)操作者可依靠反射率因子產(chǎn)品確定回波的強(qiáng)度，確定風(fēng)暴的強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)降雨（雪）帶，還可根據(jù)反射率因子隨時(shí)間的變化確定降水回波的移動(dòng)以及未來的趨勢(shì)等。平均徑向速度表示整個(gè)360º方位掃描徑向速度數(shù)據(jù)，徑向速度即物體運(yùn)動(dòng)速度平行與雷達(dá)徑向的分量。徑向速度有許多直接的應(yīng)用，可以導(dǎo)出大氣結(jié)構(gòu)，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，可以幫助產(chǎn)生、調(diào)整和更新高空分析圖等。平均徑向速度產(chǎn)品有兩點(diǎn)局限性：一是垂直于雷達(dá)波束的風(fēng)的徑向速度被表示為0；二是距離折疊和不正確的速度退模糊。譜寬數(shù)據(jù)實(shí)際上指的是速度譜寬數(shù)據(jù)，它是一個(gè)對(duì)速度離散量的度量。它可提供由于風(fēng)切變、湍流和速度樣本質(zhì)量引起的平均徑向速度變化的觀測(cè)，也可用來確定邊界（密度不連續(xù)面）位置、估計(jì)湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。導(dǎo)出產(chǎn)品是雷達(dá)產(chǎn)品生成系統(tǒng)（RPG）根據(jù)基本數(shù)據(jù)資料通過氣象算法處理后得到的產(chǎn)品，比較重要的有相對(duì)于風(fēng)暴的平均徑向速度圖、相對(duì)于風(fēng)暴的平均徑向速度區(qū)、強(qiáng)天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面產(chǎn)品等。最常用的還是基本產(chǎn)品，導(dǎo)出產(chǎn)品只能起到提示和參考作用。重要意義重要意義多普勒雷達(dá)是世界上最先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，有“超級(jí)千里眼”之稱。相較于傳統(tǒng)天氣雷達(dá)，多普勒雷達(dá)能夠監(jiān)測(cè)到位于垂直地面8-12公里的高空中的對(duì)流云層的生成和變化，判斷云的移動(dòng)速度，其產(chǎn)品信息達(dá)72種，天氣預(yù)報(bào)的精確度比以前將會(huì)有較大提高。1991至1997年，美國(guó)在全國(guó)及海外布的165臺(tái)NEXRDA被稱為天氣雷達(dá)系統(tǒng)的典范，是世界上最先進(jìn)的和最精確的天氣雷達(dá)系統(tǒng)。它所采用的多普勒信號(hào)處理技術(shù)和自動(dòng)產(chǎn)生災(zāi)害性天氣警報(bào)的能力無與倫比。NEXRAD可以自動(dòng)形成和顯示豐富多彩的天氣產(chǎn)品，極大地提高了對(duì)超級(jí)單體、湖泊效應(yīng)雪、成層雪、雷暴、降水、風(fēng)切變、下?lián)舯┝鳌埦?、鋒面、湍流、冰雹等重大災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力。對(duì)強(qiáng)雷暴的偵察率是96%，對(duì)龍卷的發(fā)現(xiàn)率是83%，對(duì)龍卷警告的平均預(yù)警時(shí)間是18分鐘，而在未建NEXRDA絡(luò)之前，美國(guó)國(guó)家上述