多普勒天氣雷達

始布網普勒雷達系統。普勒效澳亞物理學家J.Doppler1842年首先從運動著的發聲源中發現的現象，多普勒天氣雷達的工作原理即以多普勒效應為基礎，具體表現為：當降水粒子相對雷達發射波束相對運動時，可以測定接收信號與發射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運用這種原理，可以測定散射體相對於雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度的分佈以及湍流情況等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統，警戒強對流天氣等具有重要意義。

普勒效（doppler effect）是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他於1842年首先提出了這一理論。多普勒認為，物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 (藍移 (blue shift))。在運動的波源後面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低 (紅移 (red shift))。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恆星光譜線的位移顯示恆星循著觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現象 (包括光波) 都存在多普勒效應。

天氣雷達歇空射電磁波（稱為脈衝式電磁波），它以近於直線的路徑和接近光波的速度在大氣中傳播，在傳播的路徑上，若遇到了氣象目標物，脈衝電磁波被氣象目標物散射，其中散射返回雷達的電磁波（稱為回波信號，也稱為後向散射），在熒光屏上顯示出氣象目標的空間位置等的特徵。

在雷達探測中，氣象目標的空間位置是用雷達天線至目標物的直線距離R（亦稱斜距），雷達天線的仰角和方位角來表示。斜距R可根據電磁波在大氣中的傳播速度Ｃ和探測脈衝與回波信號之間的時間間隔來確定。電磁波在大氣中傳播速度是略小於它在真空中的傳播速度，但對斜距精度影響不大，故近似用C來表示。

1、觸發信號發生器：觸發信號發生器(控制鍾)是整個雷達的控制系統，它周期性地產生一個脈衝式的觸發信號，觸發脈衝輸送到數據機和顯示器，指揮它們開始工作。每秒種產生的觸發脈衝數目，稱為脈衝重複頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。兩個相鄰脈衝之間的時間間隔，稱為脈衝重複周期，用Ｔ表示，它等於脈衝重複頻率的倒數。實際工作中，可用公式計算脈衝重複周期的數值。

2、數據機：在觸發脈衝的觸發作用下，數據機產生調製脈衝。調製脈衝具有兩個特性：

（１）具有固定的脈衝寬度（也稱為脈衝持續時間），以微秒為單位，也可以以脈衝的空間距離h表示，脈衝寬度直接影響探測距離和距離分辨能力即雷達盲區大小。探測近目標採用窄的脈衝寬度，在探測遠目標時，為了增大回波信號的強度採用寬的脈衝寬度。天氣雷達的脈衝寬度一般取0.1--4微秒，隨各種雷達探測目的不同而異。

（２）調製脈衝提供一個合適的視頻波形具有足夠的幅度，以便使下一級電路發射機正常工作

3、發射機：在調製脈衝的作用下，發射機產生短促又強大的特高頻振蕩，經天線向空間發射出去，即探測脈衝。發射機的主要技術參數有波長（或振蕩頻率F）和脈衝發射功率。

（１）波長：天氣雷達通常使用的波長是厘米波，劃分為K、X、C和S四個波段，K波段的雷達是用來探測非降水的雲，X、C和S波段用於探測降水。

（２）脈衝發射功率：是指天線實際發射的峰值功率，如果忽略了波導管和天線的損耗，則脈衝發射功率將近似地等於發射機輸出峰值功率。

4、天線轉換開關、波導管：天線轉換開關是將天線、發射機和接收機連接起來的一種裝置。當天線和發射機接通時，發射機輸出的特高頻振蕩脈衝電磁波順利地到達天線，在這個時間內天線與接收機切斷連通，電磁波不能進入接收機。在探測脈衝發射的間歇期，轉換開關接通接收機，使天線接收到的回波信號能全部進入接收機。波導管是一種空心矩形金屬管狀導體，其內徑大小隨所攜帶信號的波長而異，脈衝信號經它傳送到天線其損耗極小。

5、天線：

(1)波束的寬度：天氣雷達的天線具有很強的方向性，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，能流密度的相對分佈曲線，稱為天線方向圖，曲線上各點與坐標原點的連線長度，代表該方向相對能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣稱為主波瓣，側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，兩個半功率點方向的夾角，稱為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的解析度越高，探測精度越高。天氣雷達的波束寬度通常不超過2度，多普勒雷達的波束寬度一般不超過1度。波束寬度的大小取決於拋物面反射體的直徑和雷達工作波長。

（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係。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）。

6、接收機和顯示器

接收機：接收來自目標物的回波信號，經過放大後送往顯示器進行顯示。回波信號常常非常微弱，接收機必須具有接收微弱信號的能力，這種能力稱為靈敏度。靈敏度用最小可辨功率表示。它是回波信號剛剛能從雜訊信號中分辨出來時的回波功率。

顯示器：

（１）平面位置顯示器（簡稱平顯或PPI）是天氣雷達中最常用的一種顯示器。在這種顯示器上，電子束一方面以脈衝重複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裝置，使徑向掃描為同步地隨天線繞垂直軸旋轉，當有回波信號進入時，在相應的距離和方位上掃描線增亮，從而顯示出回波，其亮度取決於回波信號的強度，近代採用了視頻積分處理器，將回波信號按不同的強度用不同的灰度或彩色顯示出來。當雷達天線掃描一周時，屏幕上顯示出測站周圍目標的分佈和回波強度。

（２）距離高度顯示器（簡稱高顯或RHI）也是天氣雷達中最常用的一種顯示器，用來顯示垂直剖面，縱坐標是高度，橫坐標為水平距離，高度坐標放大，所顯示的回波在垂直方向被拉長了。

新一代多普勒天氣雷達的產品包括基本產品和導出產品。基本產品有三個：反射率因子、平均徑向速度、譜寬。反射率因子描繪了一個完整的360º方位掃描的回波強度數據，數據等級用dBZ表示。雷達操作者可依靠反射率因子產品確定回波的強度，確定風暴的強弱和結構以及強降雨（雪）帶，還可根據反射率因子隨時間的變化確定降水回波的移動以及未來的趨勢等。平均徑向速度表示整個360º方位掃描徑向速度數據，徑向速度即物體運動速度平行與雷達徑向的分量。徑向速度有許多直接的應用，可以導出大氣結構，風暴結構，可以幫助產生、調整和更新高空分析圖等。平均徑向速度產品有兩點局限性：一是垂直於雷達波束的風的徑向速度被表示為0；二是距離摺疊和不正確的速度退模糊。譜寬數據實際上指的是速度譜寬數據，它是一個對速度離散量的度量。它可提供由於風切變、湍流和速度樣本質量引起的平均徑向速度變化的觀測，也可用來確定邊界（密度不連續面）位置、估計湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。導出產品是雷達產品生成系統（RPG）根據基本數據資料通過氣象演演算法處理后得到的產品，比較重要的有相對於風暴的平均徑向速度圖、相對於風暴的平均徑向速度區、強天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面產品等。到目前為止，最常用的還是基本產品，導出產品只能起到提示和參考作用。

多普勒雷達是目前世界上最先進的雷達系統，有“超級千里眼”之稱。相較於傳統天氣雷達，多普勒雷達能夠監測到位於垂直地面8-12公里的高空中的對流雲層的生成和變化，判斷雲的移動速度，其產品信息達72種，天氣預報的精確度比以前將會有較大提高。1991至1997年，美國在全國及海外布網的165台NEXRDA被稱為天氣雷達系統的典範，是目前世界上最先進的和最精確的天氣雷達系統。它所採用的多普勒信號處理技術和自動產生災害性天氣警報的能力無與倫比。NEXRAD可以自動形成和顯示豐富多彩的天氣產品，極大地提高了對超級單體、湖泊效應雪、成層雪、雷暴、降水、風切變、下擊暴流、龍捲、鋒面、湍流、冰雹等重大災害性天氣的監測和預報能力。對強雷暴的偵察率是96%，對龍捲的發現率是83%，對龍捲警告的平均預警時間是18分鐘，而在未建NEXRDA網路之前，美國國家上述參數的平均值分別是60%，40%和2分鐘。從中可以預料CINRDA將從根本上增強探測強雷暴的能力，能較早地探測到晴空下威脅航行的大氣湍流和發生災害性洪水的可能，並為水資源的管理決策提供極有價值的信息。新一代天氣雷達系統建設是我國20世紀末21世紀初的一項氣象現代化工程，計劃在全國建成S頻段和C頻段雷達156部，該系統建成后，我國的氣象現代化水平會上一個新的台階。

[1] 新浪新聞 http://news.sina.com.cn/s/2006-03-23/09328509604s.shtml

[2] 中國教育科研網 http://www.edu.cn/20010823/200170.shtml

[3] 中華網 http://military.china.com/zh_cn/important/64/20040106/11599666.html