新一代多普勒天气雷达简介

2023-02-15

1 天气雷达发展简史

雷达的英文名字“Radar”是由词组“Radio Detection and Ranging”缩写而成, 即无线电探测和测距的意思。它发明于第二次世界大战前夕, 当时主要用来测定军事目标的位置, 在探测过程中人们发现云、雨等气象目标也会产生回波 (即被雷达天线所接收的由云、雨等目标物散射时产生的后向散射电磁波) 。因此, 从上个世纪40年代开始, 气象工作者就利用雷达来探测和研究气象目标了, 到了50年代初, 已有一些国家先后建立起了天气雷达探测站网。由于雷达能够不受时间、空间的限制, 迅速、准确、细致地测定降水区的位置、范围、强度、内部结构以及它们随时间的变化情况, 因而是一种掌握降水动态和提供降水短时预报的有效工具[1]。

天气雷达从上个世纪40年代末用于大气探测至今, 大致经历了三个发展阶段。

1.1 50~60年代的回波模拟显示阶段

这一阶段的天气雷达主要是由军用警戒雷达改装而成的模拟信号和模拟显示图像雷达, 观测资料的存储采用照相方法, 对资料的处理仍是事后的人工整理和分析。

1.2 70~80年代信息数字化处理阶段

这一阶段的天气雷达系统不仅采用了数字技术, 提供了数字化的观测数据, 更重要的是应用计算机对探测数据进行再处理, 形成多种可供观测员和用户直接使用的图像产品数据。雷达对天气的监测由定性的描述进入定量的描述[2]。

1.3 80~90年代多普勒天气雷达探测阶段

过去的常规天气雷达都是属于非相干雷达, 它们只能用来探测回波的位置及强度。而脉冲多普勒天气雷达是一种新型的全相干雷达 (即每个脉冲发射出去的电磁波的振幅、频率和位相是完全一致的) 。它以多普勒效应为基础。所谓多谱勒效应, 是指当波源相对于观察者运动时, 观察者接到的信号频率和波源发出的频率是不同的, 而且发射频率和接收频率之间的差值, 与波源运动的速度有关。运用这一原理, 采用脉冲多普勒技术, 多普勒雷达除了可以探测云和降水的位置和强度外, 还可以根据回波信号频率上的变化, 获得目标物相对于雷达运动的径向速度 (也叫多普勒速度) , 并通过这种速度信息来推断降水云体的风场结构特征、垂直气流速度的分布等。这对于研究降水的形成, 分析中小尺度天气系统, 警戒强对流天气等具有重要的意义[3]。

2 新一代多普勒天气雷达的基本组成

新一代多普勒天气雷达系统主要由以下几个部分构成。

2.1 雷达数据采集子系统 (RDA)

该系统由天线、发射机、接收机、信号处理器、系统监控及通信等几部分组成, 其主要功能是产生和发射高频电磁脉冲, 并将接收到的脉冲信号处理生成数字化的基本资料 (基数据) 。

2.2 雷达产品生成子系统 (RPG)

该系统是一个多功能的单元。它通过宽带通讯线路从RDA接受数字化的基数据, 再通过各种水文气象算法处理和生成多种气象产品, 并将产品通过窄带通讯线路传给用户。RPG还是整个雷达系统的控制中心, 它可以通过雷达控制台 (UCP) 对RDA进行监控。

2.3 雷达控制台 (UCP)

雷达控制台 (UCP) 是RPG的操作界面, 它具有应用终端和系统控制台的双重功能。应用终端用来发布命令和修正参数, 系统控制台允许雷达操作员通过与RPG的操作系统的交互来达到文件维护、文件和数据的备份以及软件安装等。UCP通过与RPG的交互实施对整个雷达系统的控制。

2.4 主用户处理器 (PUP)

该系统的主要功能是产品请求 (获取) 、产品数据存储和管理、产品显示、产品编辑注释、状态监视。预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品, 并将它们以适当的形式显示在图形监视器上[2]。

3 新一代多普勒天气雷达的性能特点

3.1 强的探测能力

新一代天气雷达具有大天线、高增益 (放大量) 、高发射频率、高接收灵敏度、高分辨率、探测距离远等众多优越性, 对暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气有很强的监测和预警能力。

3.2 良好的定量估测降水的能力

新一代天气雷达具有较准确的测量回波强度的能力, 因而可以较好地估测降水强度和估测较大范围内的降水累积量。它突破了常规雷达只能定性估测降水的局限, 而且其连续观测能力比常规雷达有了很大的提高。

3.3 优良的多普勒测速能力

新一代天气雷达具有优良的相干性能, 得到较准确的径向风场分布的数据, 提供能有效确定出飑线、龙卷、下击暴流、阵风锋等以风害为主的灾害性天气的标志信息, 因而可以尽早识别和判断灾害性天气和预测其演变。

3.4 丰富的应用产品

新一代天气雷达是智能型的探测系统, 有丰富的应用软件支持, 有较强的数据处理能力, 可为用户提供多种监测和预警产品, 除了实时提供各种图象分析的信息外, 还具有准实时的对多种灾害性天气的自动识别、追踪等产品。

3.5 较完善的监控系统

新一代天气雷达具有较完善的监控系统, 保证雷达能长期连续地运转, 保障雷达获取数据的质量和数据存储的管理等[2]。

4 新一代多普勒天气雷达的应用

新一代天气雷达系统的应用主要在于对灾害性天气, 特别是与风害和冰雹相伴随的灾害性天气的监测和预警。它还可以进行较大范围降水的定量估测, 获取降水和降水云体的风场信息等。随着多普勒天气雷达的普及, 人们认识的加深, 通过对多普勒风场资料的反演, 将有效地提高多普勒天气雷达在局地短时天气预报中的潜力。在未来的气象业务系统中, 多普勒天气雷达系统将在短时灾害性天气预报中发挥巨大的作用。

摘要：新一代多普勒天气雷达是分析研究中小尺度天气系统, 定量估测降水, 警戒强对流天气 (冰雹、大风、龙卷和暴洪) 的有效工具, 本文将从多普勒雷达的工作原理、基本组成、性能特点和应用领域几个方面对这一新型的遥感遥测系统做一概要的介绍。

关键词：雷达回波,相干雷达,多普勒效应,多普勒速度