無(wú)線電頻譜-支撐地面及高空氣象探測(cè)

無(wú)線電頻譜:支撐地面及高空氣象探測(cè)

自然災(zāi)難始終是危及人類生命財(cái)產(chǎn)平安的重大隱患，而超過(guò)90%的自然災(zāi)難都與天氣氣候現(xiàn)象相關(guān)。天氣氣候觀測(cè)及災(zāi)難預(yù)警可以有效預(yù)防自然災(zāi)難損失，目前，我國(guó)已建成了包括地面氣象觀測(cè)站、探空站、雷達(dá)站以及閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的完整氣象觀測(cè)體系，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與無(wú)線電頻譜資源相結(jié)合，完成了地面及高空氣象觀測(cè)的各項(xiàng)內(nèi)容。

目前，各種遙感觀測(cè)方法及設(shè)備供應(yīng)了天氣及氣候觀測(cè)的主要信息，觀測(cè)人員利用這些信息進(jìn)行分析，對(duì)災(zāi)難天氣發(fā)出預(yù)報(bào)及告警，從而降低自然災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)。這些基于無(wú)線電應(yīng)用的觀測(cè)手段都需要相應(yīng)的頻譜資源，可以說(shuō)，沒(méi)有無(wú)線電頻譜資源就沒(méi)有現(xiàn)代化的氣象觀測(cè)。

利用到無(wú)線電頻譜資源的各項(xiàng)遙感業(yè)務(wù)主要包括氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、探空儀、雷電監(jiān)測(cè)設(shè)備、風(fēng)廓線雷達(dá)、地基遙感設(shè)備等。

氣象業(yè)務(wù)中的無(wú)線電遙感系統(tǒng)

天氣雷達(dá)

天氣雷達(dá)在《無(wú)線電規(guī)章》的業(yè)務(wù)劃分中屬于無(wú)線電定位業(yè)務(wù)，用于天氣預(yù)報(bào)、大氣討論等領(lǐng)域。天氣雷達(dá)對(duì)于緊急氣象和水文報(bào)警有著重要作用，是面對(duì)山洪和泥石流等自然災(zāi)難的最終一道防線。

跟全部雷達(dá)一樣，天氣雷達(dá)也是靠放射無(wú)線電信號(hào)運(yùn)行的，通過(guò)觀看回波信號(hào)來(lái)工作的。與其他種類的無(wú)線電定位雷達(dá)不同，一般的無(wú)線電定位雷達(dá)要去除云、雨等天氣現(xiàn)象的影響而探測(cè)其它物體，天氣雷達(dá)則主要是觀看大氣中的降水及其他天氣現(xiàn)象。而這些被測(cè)目標(biāo)往往不是非常有效的反射器，因此，相對(duì)“安靜”的頻譜，即沒(méi)有人為電子噪聲和干擾的頻譜，是肯定必要的。

氣象工一方面利用天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)、定位和測(cè)量云中的含水量或降水量，另一方面利用降水或大氣粒子的運(yùn)動(dòng)確定風(fēng)速。雷達(dá)測(cè)量詳細(xì)時(shí)間段的降水強(qiáng)度，以及接近或漂離天氣雷達(dá)天線的降水或大氣粒子的運(yùn)動(dòng)，以測(cè)量氣候大事內(nèi)部的循環(huán)交替。這是測(cè)量龍卷風(fēng)或洪水等極端天氣并供應(yīng)預(yù)警的關(guān)鍵要素。

單一的雷達(dá)往往只能觀測(cè)到一個(gè)天氣過(guò)程的部分狀況，難以掩蓋整個(gè)過(guò)程。從而限制了雷達(dá)的運(yùn)行范圍。為克服這一局限性，通常在分布網(wǎng)絡(luò)中等距部署多個(gè)雷達(dá)。這些網(wǎng)絡(luò)每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，通常掩蓋廣闊地區(qū)，如多個(gè)國(guó)家甚至一個(gè)大洲的部分地區(qū)，以檢測(cè)和跟蹤氣象變化，從而實(shí)現(xiàn)早期天氣災(zāi)難報(bào)警。

不同波段的雷達(dá)用于觀測(cè)不同的目標(biāo)，例如S頻段（2700～2900MHz，10厘米波長(zhǎng)）被選用于檢測(cè)熱帶和溫帶氣候條件下極遠(yuǎn)距離（多達(dá)300公里）的暴雨。

C頻段（5600～5650MHz，5.4厘米波長(zhǎng)）通常選用于溫帶氣候，具有長(zhǎng)距離（多達(dá)200公里）檢測(cè)降雨的力量，還因使用較低功率和較小規(guī)格的天線，具有較同等空間辨別率的低頻雷達(dá)成本更低的優(yōu)勢(shì)。

X頻段（9300～9500MHz，2.5～3.2厘米波長(zhǎng)）天氣雷達(dá)更為敏感，能夠檢測(cè)出更小的粒子，但由于承受更高的衰減，因而僅用于極短距離（約50公里）的天氣觀測(cè)。

雷達(dá)在工作中在中利用方向性波束實(shí)現(xiàn)降水和風(fēng)速的測(cè)量。我國(guó)現(xiàn)有的天氣雷達(dá)網(wǎng)中，包含S波段雷達(dá)C波段雷達(dá)及少量的X波段雷達(dá)，這些頻段作為無(wú)線電定位業(yè)務(wù)的天氣雷達(dá)都與其他無(wú)線電業(yè)務(wù)共用。在不同的國(guó)家和地區(qū)，主管部門對(duì)于天氣雷達(dá)的劃分也略有區(qū)分，比如在C波段，一般的天氣雷達(dá)多用于5600～5650MHz。

天氣雷達(dá)頻譜資源劃分

天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)的是氣象遙感觀測(cè)的最主要的手段之一。長(zhǎng)期以來(lái)，該項(xiàng)業(yè)務(wù)得到了主管部門的大力支持。中國(guó)氣象局也已經(jīng)建立了具備肯定掩蓋范圍的天氣雷達(dá)網(wǎng)。這一雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)難預(yù)警發(fā)揮了重要作用，特殊是S波段雷達(dá)對(duì)于強(qiáng)降水的接近預(yù)報(bào)和告警起到了關(guān)鍵的作用。但是，我國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)還遠(yuǎn)未最終完成，特殊是西部地區(qū)雷達(dá)掩蓋范圍較小。因此，天氣雷達(dá)仍舊是將來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)我國(guó)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的主要建設(shè)內(nèi)容之一。

同時(shí)，相關(guān)討論單位也正在開(kāi)展毫米波雷達(dá)在氣象領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)試驗(yàn)，將來(lái)可能需要相應(yīng)的頻率資源支持這些應(yīng)用。

氣象幫助系統(tǒng)

《無(wú)線電規(guī)章》氣象幫助（MetAids）業(yè)務(wù)定義為用于水文、觀測(cè)和討論等氣象用途的無(wú)線電通信業(yè)務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，我國(guó)的氣象幫助系統(tǒng)主要是探空系統(tǒng)，包括無(wú)線電探空儀、下投式探空儀、氣象探空火箭等。目前主要開(kāi)展的業(yè)務(wù)室無(wú)線電探空儀系統(tǒng)。

無(wú)線電探空儀主要用于測(cè)量大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向變化。這些測(cè)量確定了天氣系統(tǒng)的基本特性，天氣預(yù)報(bào)人員可以推斷短期內(nèi)可能會(huì)發(fā)生的變化。它們也供應(yīng)了用于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的數(shù)值天氣猜測(cè)模型的輸入?yún)?shù)。短期預(yù)報(bào)要求溫度和相對(duì)濕度測(cè)量具有很高的垂直辨別率。例如，接近地表的云的位置需要以在垂直方向上小于100米的精度進(jìn)行測(cè)量。

很多年來(lái)，氣象幫助業(yè)務(wù)是高垂直辨別率大氣測(cè)量的主要來(lái)源。氣象幫助在現(xiàn)場(chǎng)從地表之上的位置向由接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成的基站傳送大氣氣象變化的測(cè)量結(jié)果。在絕大多數(shù)狀況下，測(cè)量壓力（或高度）、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向。也可能包括臭氧、懸浮微?；蚍派湮锏却髿獬煞值臏y(cè)量?；镜妮敵霰粋魉徒o氣象通信網(wǎng)絡(luò)，以便與其它接收站的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合。通常氣象幫助在使用后不進(jìn)行回收，所以放射機(jī)和傳感包的成本必需保持在最低水平。

在最常見(jiàn)的氣象幫助系統(tǒng)中，氣象氣球可將工作的無(wú)線電探空儀帶至地表以上30公里的高度。我國(guó)目前有超過(guò)100個(gè)探空站，每個(gè)探空站每天執(zhí)行兩次無(wú)線電探空任務(wù)。典型的無(wú)線電探空儀包括以下幾個(gè)主要的部件：放射機(jī)、電池、傳感器包、以及許多時(shí)候一個(gè)幫助導(dǎo)航（NAVAID/GPS）接收機(jī)。放射機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給接收站。無(wú)線電探空儀依靠電池獲得動(dòng)力。電池通常由水激活，特地為無(wú)線電探空儀的使用而生產(chǎn)，由于商用堿性電池不能在低達(dá)90℃的空氣溫度下工作。傳感器包括測(cè)量溫度、壓力、濕度、臭氧或電離輻射等大氣狀況的傳感器。傳感器包也將傳感器數(shù)據(jù)壓縮到足以傳回地面站的長(zhǎng)度。

我國(guó)目前主要采納不依靠NAVAID/GPS應(yīng)用的無(wú)線電探空儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作于L波段。一般稱為L(zhǎng)波段二次探空系統(tǒng)。它通過(guò)在氣球下面懸置反射器的方法來(lái)使用雷達(dá)跟蹤。

探空頻譜資源劃分

目前，我國(guó)氣象幫助業(yè)務(wù)主要運(yùn)行于L波段。L波段也是目前面臨其它無(wú)線電業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)壓力較大的頻段。在剛剛結(jié)束的2024年世界無(wú)線電大會(huì)上，提出了一項(xiàng)“討論國(guó)際移動(dòng)通信及其他地面移動(dòng)寬帶應(yīng)用與頻率相關(guān)的事宜”的決議。該決議受到相關(guān)應(yīng)用部門的支持。該決議可能會(huì)對(duì)運(yùn)行于L波段的氣象幫助業(yè)務(wù)提出共用要求，從而限制L波段探空系統(tǒng)的運(yùn)行和進(jìn)展。

包括世界氣象組織在內(nèi)的廣闊氣象領(lǐng)域應(yīng)用部門始終強(qiáng)調(diào)要愛(ài)護(hù)涉及氣象的一切無(wú)線電頻率資源。國(guó)際電聯(lián)也始終強(qiáng)調(diào)氣象作為公益性行業(yè)對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)平安供應(yīng)了重要的保障作用。因此，針對(duì)L波段的氣象幫助業(yè)務(wù)必需供應(yīng)足夠的愛(ài)護(hù)。

同時(shí)，在我國(guó)氣象幫助業(yè)務(wù)還受限于腳注5.379E的影響。該腳注要求：敦促主管部門不要在1668.4～1675MHz頻帶內(nèi)實(shí)施新的氣象幫助業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而鼓舞主管部門盡可能將氣象幫助業(yè)務(wù)的操作轉(zhuǎn)移到其他頻帶上。因此，氣象工有必要開(kāi)展充分的討論以更合理的應(yīng)用無(wú)線電頻譜資源。

將來(lái)，我國(guó)將會(huì)開(kāi)展P波段探空系統(tǒng)的討論和應(yīng)用。氣象工應(yīng)當(dāng)樂(lè)觀跟進(jìn)國(guó)內(nèi)外的討論進(jìn)展，合理有效的愛(ài)護(hù)P波段及L波段的氣象幫助業(yè)務(wù)頻譜資源。

風(fēng)廓線雷達(dá)

風(fēng)廓線雷達(dá)（WPR,WindProfilerRadar）是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量進(jìn)行探測(cè)的遙感設(shè)備。配備有無(wú)線電-聲探測(cè)系統(tǒng)（RASS―RadioAcousticSoundingSystem）的風(fēng)廓線雷達(dá)還可以通過(guò)電波和聲波的相互作用遙感大氣虛溫。風(fēng)廓線雷達(dá)具有無(wú)人值守、自動(dòng)化程度高、連續(xù)觀測(cè)且時(shí)間辨別率高、業(yè)務(wù)運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，因此風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)是加強(qiáng)對(duì)災(zāi)難性天氣監(jiān)測(cè)的力量和提高短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式質(zhì)量的重要手段。風(fēng)廓線雷達(dá)的主要涉及三個(gè)不同的頻段：邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)（1270～1375MHz）、對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)（400MHz四周）、平流層中間層風(fēng)廓線雷達(dá)（50MHz四周）。

《無(wú)線電規(guī)章》第5條中沒(méi)有特殊針對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的劃分及表述。但依據(jù)世界無(wú)線電大會(huì)97中第217號(hào)決議，可以在以下頻段內(nèi)實(shí)施風(fēng)廓線雷達(dá)：46～68MHz、440～450MHz、470～494MHz（根據(jù)第5.291A款）、1270～1295MHz、1300～1375MHz、420～435MHz或438～440MHz頻段。

我國(guó)氣象部門已建成少量邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)（1270～1375MHz）。而P波段對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)仍未獲得主管部門的正式審批。P波段對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)目標(biāo)包含了大量的天氣現(xiàn)象，可以為氣象預(yù)報(bào)和預(yù)警供應(yīng)大量數(shù)據(jù)。目前該頻段的風(fēng)廓線雷達(dá)依舊在與相關(guān)部門進(jìn)行協(xié)調(diào)。鑒于P波段風(fēng)廓線雷達(dá)的重要作用，它仍將是將來(lái)進(jìn)展的主要方向。而該項(xiàng)工作的開(kāi)展也有賴于主管部門及其他在該頻段開(kāi)展業(yè)務(wù)的相關(guān)單位的大力支持。

雷電探測(cè)

雷電探測(cè)是一項(xiàng)被動(dòng)的活動(dòng)，主要是使用無(wú)線電接收機(jī)探測(cè)由雷電輻射的電磁波。在目前系統(tǒng)中，閃電的位置可通過(guò)測(cè)量閃電電磁波到達(dá)方向，或通過(guò)測(cè)量電磁波的到達(dá)時(shí)間，或通過(guò)兩者共同確定。依據(jù)所要求的監(jiān)測(cè)地區(qū)和系統(tǒng)的特定用途，用于定位雷電活動(dòng)的無(wú)線電頻率有所不同。

通過(guò)觀測(cè)以10kHz為中心的頻率（2～15kHz），可有效進(jìn)行達(dá)數(shù)千公里的超遠(yuǎn)距離定位。我國(guó)使用更為最廣泛的是另一種操作系統(tǒng)。它掩蓋的地區(qū)較小，但更為精細(xì)。在這種狀況下，在以200kHz為中心的較高頻率（所使用的寬帶接收機(jī)在其1kHz至350kHz頻率范圍中間最靈敏）觀測(cè)球形波，依據(jù)對(duì)云到地面或云到云閃電的側(cè)重不同，遙感點(diǎn)通常間隔100公里至400公里。這也是國(guó)內(nèi)目前采納的方式。

VHF閃電軌跡探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)閃電先導(dǎo)、回?fù)舻确烹娺^(guò)程輻射的VHF脈沖列，對(duì)閃電的放電過(guò)程進(jìn)行定位，獵取閃電的放電軌跡。主要頻段為：63M、110M、300M等頻點(diǎn)。

在2024年世界無(wú)線電大會(huì)上，特地為全球雷電探測(cè)系統(tǒng)增加了頻率劃分。將8.3～11.3kHz劃分給了全球雷電探測(cè)系統(tǒng)。

雷電探測(cè)系統(tǒng)會(huì)涉及到的頻譜

我國(guó)已經(jīng)建成了工作于200kHz頻段的被動(dòng)雷電觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前并沒(méi)有得到很好的愛(ài)護(hù)，對(duì)于雷電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行愛(ài)護(hù)的討論也并不充分，但由于雷擊已經(jīng)成為一項(xiàng)主要的自然災(zāi)難，因此針對(duì)雷電探測(cè)系統(tǒng)的愛(ài)護(hù)是很有必要的。國(guó)際電聯(lián)已經(jīng)針對(duì)甚低頻的全球雷電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行頻率愛(ài)護(hù)，這將有利于我國(guó)將來(lái)進(jìn)展相關(guān)業(yè)務(wù)。

高頻海洋雷達(dá)

在3～50MHz范圍內(nèi)的無(wú)線電定位劃分可用于無(wú)線電雷達(dá)操作，以監(jiān)控海面的浪高、潮流并跟蹤大型物體。這些雷達(dá)的操作范圍將不超過(guò)300公里。

自上世紀(jì)70年月以來(lái)一些國(guó)家（美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)、印度、日本、中國(guó)和英國(guó)）便始終依據(jù)《無(wú)線電規(guī)章》第4.4條在3至50MHz的頻率范圍勝利地進(jìn)行了海洋雷達(dá)的操作。試驗(yàn)性應(yīng)用促進(jìn)了雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)展，并有助于依據(jù)與其它用戶之間的兼容性以及海洋測(cè)量的有效性確定適當(dāng)?shù)念l譜。出于對(duì)更多數(shù)據(jù)的需求，以減輕災(zāi)難（包括海嘯）后果，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注依靠于這些系統(tǒng)的水上平安問(wèn)題。

在2024年世界無(wú)線電大會(huì)上，為高頻海洋雷達(dá)供應(yīng)的劃分為：4438～4488kHz、5250～5275kHz、9040～9305kHz、9305～9355kHz、13450～13550kHz、16100～16200kHz、24450～24600kHz、26200～26350kHz、39