氣象雷達(dá)

摘要
用來(lái)探測(cè)大氣中云雨的分布和變化、降水強(qiáng)度、云層的高度和厚度、不同大氣層里的風(fēng)向風(fēng)速和其他氣象要素的雷達(dá)。

目錄: 1、簡(jiǎn)介; 2、氣象雷達(dá)與無(wú)線電波長(zhǎng); 3、特點(diǎn); 4、氣象雷達(dá)種類; 5、氣象雷達(dá)方程

簡(jiǎn)介

【氣象雷達(dá)】（meteorological radar）

氣象雷達(dá)是專門用于大氣探測(cè)的雷達(dá)，屬于主動(dòng)式微波大氣遙感設(shè)備。用來(lái)探測(cè)大氣中云雨的分布和變化、降水強(qiáng)度、云層的高度和厚度、不同大氣層里的風(fēng)向、風(fēng)速和其他氣象要素。是用于警戒和預(yù)報(bào)中、小尺度天氣系統(tǒng)（如臺(tái)風(fēng)和暴雨云系）的主要探測(cè)工具之一。

常規(guī)雷達(dá)裝置大體上由定向天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線控制器、顯示器和照相裝置、電子計(jì)算機(jī)和圖象傳輸?shù)炔糠纸M成。而與無(wú)線電探空儀配套使用的高空風(fēng)測(cè)風(fēng)雷達(dá)，只是一種對(duì)位移氣球定位的專門設(shè)備，一般不算作此類雷達(dá)。

氣象雷達(dá)與無(wú)線電波長(zhǎng)

氣象雷達(dá)使用的無(wú)線電波長(zhǎng)范圍很寬，從1厘米到1000厘米。它們常被劃分成不同的波段,以表示雷達(dá)的主要功能。常

中國(guó)式氣象雷達(dá)

用的1、3、5、10和 20厘米波長(zhǎng)各對(duì)應(yīng)于 K波段（波長(zhǎng)0.75～2.4厘米）、X波段（波長(zhǎng) 2.4～3.75厘米）、C波段（波長(zhǎng)3.75～7.5厘米）、S波段（波長(zhǎng)7.5～15厘米）和 L波段（波長(zhǎng)15～30厘米），超高頻和甚高頻雷達(dá)的波長(zhǎng)范圍分別為10～100厘米和100～1000厘米。
雷達(dá)探測(cè)大氣目標(biāo)的性能和其工作波長(zhǎng)密切有關(guān)。把云雨粒子對(duì)無(wú)線電波的散射和吸收結(jié)合起來(lái)考慮，各種波段只有一定的適用范圍。常用K波段雷達(dá)探測(cè)各種不產(chǎn)生降水的云，用X、C和S波段雷達(dá)探測(cè)降水,其中S波段最適用于探測(cè)暴雨和冰雹，用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達(dá)可以探測(cè)對(duì)流層－平流層-中層的晴空流場(chǎng)。

氣象多普勒雷達(dá)的工作在30～3000兆赫頻段，具有很高的探測(cè)靈敏度。因探測(cè)高度范圍可達(dá)1～100公里，所以又稱為中層-平流層-對(duì)流層雷達(dá) (MST radar)。它主要用于探測(cè)晴空大氣的風(fēng)、大氣湍流和大氣穩(wěn)定度（見大氣靜力穩(wěn)定度）等大氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的鉛直分布。

特點(diǎn)

由于氣象雷達(dá)專為大氣探測(cè)目的而設(shè)計(jì)，故有它的特殊性能。根據(jù)使用目的的不同，各類氣象雷達(dá)又有不同的特點(diǎn)。例如，測(cè)雨雷達(dá)的顯示器應(yīng)能顯示波束掃過平面上降水的分布；探空測(cè)風(fēng)雷達(dá)應(yīng)能接收從探空氣球發(fā)回的應(yīng)答信號(hào)；測(cè)云雷達(dá)應(yīng)能探測(cè)普通天氣雷達(dá)無(wú)法觀測(cè)的非降水云。

大多數(shù)氣象雷達(dá)是從天氣目標(biāo)的散射雷達(dá)波中提取信息的，既不依賴于目標(biāo)物自身的輻射，也不需把儀器直接置入被探測(cè)空間，所以是氣象上一種極為有效的主動(dòng)遙感式探測(cè)工具。

氣象雷達(dá)種類

氣象雷達(dá)分為兩大類。凡是不具有多普勒性能的雷達(dá)稱為常規(guī)氣象雷達(dá)，具有多普勒性能的雷達(dá)稱為相干雷達(dá)或多普勒雷達(dá)。主要的氣象雷達(dá)有：
1.測(cè)云雷達(dá)。是用來(lái)探測(cè)未形成降水的云層高度、厚度以及云內(nèi)物理特性的雷達(dá)。其常用的波長(zhǎng)為1.25厘米或0.86厘米。工作原理和測(cè)雨雷達(dá)相同，主要用來(lái)探測(cè)云頂、云底的高度。如空中出現(xiàn)多層云時(shí)，還能測(cè)出各層的高度。由于云粒子比降水粒子小，測(cè)云雷達(dá)的工作波長(zhǎng)較短。測(cè)云雷達(dá)只能探測(cè)云比較少的高層云和中層云。對(duì)于含水量較大的低層云,如積雨云、冰雹等,測(cè)云雷達(dá)的波束難以穿透，因而只能用測(cè)雨雷達(dá)探測(cè)。

2.測(cè)雨雷達(dá)。又稱天氣雷達(dá)，是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等對(duì)電磁波的散射作用來(lái)探測(cè)大氣中的降水或云中大滴的濃度、分布、移動(dòng)和演變，了解天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征。測(cè)雨雷達(dá)能探測(cè)臺(tái)風(fēng)、局部地區(qū)強(qiáng)風(fēng)暴、冰雹、暴雨和強(qiáng)對(duì)流云體等，并能監(jiān)視天氣的變化。

3.測(cè)風(fēng)雷達(dá)。用來(lái)探測(cè)高空不同大氣層的水平風(fēng)向、風(fēng)速以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。測(cè)風(fēng)雷達(dá)的探測(cè)方式一般都是利用跟蹤掛在氣球上的反射靶或應(yīng)答器，不斷對(duì)氣球進(jìn)行定位。根據(jù)氣球單位時(shí)間內(nèi)的位移，就能定出不同大氣層水平風(fēng)向和風(fēng)速。在氣球上同時(shí)掛有探空儀，遙測(cè)高空的氣壓、溫度和濕度。

4.圓極化雷達(dá)。一般的氣象雷達(dá)發(fā)射的是水平極化波或垂直極化波，而圓極化雷達(dá)發(fā)射的是圓極化波。雷達(dá)發(fā)射圓極化波時(shí)，球形雨滴的回波將是向相反方向旋轉(zhuǎn)的圓極化波，而非球形大粒子（如冰雹）對(duì)圓極化波會(huì)引起退極化作用，利用非球形冰雹的退極化性質(zhì)的回波特征，圓極化雷達(dá)可用來(lái)識(shí)別風(fēng)暴中有無(wú)冰雹存在。

5.調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。它是一種探測(cè)邊界層大氣的雷達(dá)。有極高的距離分辨率和靈敏度，主要用來(lái)測(cè)定邊界層晴空大氣的波動(dòng)、風(fēng)和湍流。

6.氣象多普勒雷達(dá)。利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量云和降水粒子相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度的雷達(dá)。

7.甚高頻和超高頻多普勒雷達(dá)。利用對(duì)流層、平流層大氣折射率的不均勻結(jié)構(gòu)和中層大氣自由電子的散射，探測(cè)1～100公里高度晴空大氣中的水平風(fēng)廓線、鉛直氣流廓線、大氣湍流參數(shù)、大氣穩(wěn)定層結(jié)和大氣波動(dòng)等的雷達(dá)。

在研究試驗(yàn)的雷達(dá)中還有雙波長(zhǎng)雷達(dá)和機(jī)載多普勒雷達(dá)等。70年代以來(lái)，利用一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的小天線來(lái)等效許多靜止的小天線所合成的一個(gè)大天線的合成孔徑雷達(dá)的新發(fā)展，必將加速機(jī)載多普勒雷達(dá)今后的發(fā)展進(jìn)程。機(jī)載多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)，可以用來(lái)取得分辨率很高的對(duì)流風(fēng)暴的多普勒速度分布圖。

氣象雷達(dá)方程

氣象雷達(dá)方程（meteorologica radar equation）也稱天氣雷達(dá)方程。表達(dá)回波功率與雷達(dá)參數(shù)及氣象目標(biāo)反射特性之間定量關(guān)系的公式。主要用于估計(jì)雷達(dá)探測(cè)能力及定量測(cè)定降雨率。在假設(shè)天線發(fā)射的能量集中且均勻地分布在一針狀波束內(nèi)的情況下，并忽略雷達(dá)波在傳播介質(zhì)中的衰減，則可導(dǎo)出下列簡(jiǎn)單形式的雷達(dá)方程：
（1）

氣象雷達(dá)方程

左式中， Pt和Pr分別為雷達(dá)的發(fā)射功率和接收到的回波功率，G為天線增益，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，θ和Φ為波束橫截面在水平和垂直方向上的角寬度，h為雷達(dá)發(fā)射脈沖長(zhǎng)度，r為雷達(dá)至目標(biāo)體的距離，∑σ為單位體積內(nèi)全部散射粒子的后向散射截面的總和，稱為反射率。對(duì)于最常用的拋物面天線來(lái)說(shuō)，天線有效面積AE與天線增益及雷達(dá)波長(zhǎng)間的關(guān)系為AE=Gλ2/4π。對(duì)于發(fā)射功率完全均勻地集中在窄波束內(nèi)的情況，增益可表達(dá)為G=16/θφ。利用這兩個(gè)失系，可將（l）式簡(jiǎn)化為：
（2）