經(jīng)典雷達資料氣象雷達

1、微爆現(xiàn)象Fujita和Caracena65首先發(fā)現(xiàn)了發(fā)生在1975年的一宗客機墜毀事件是由于微爆現(xiàn)象所引起的。圖 23.4描述了微爆現(xiàn)象及它對在飛機 起飛和降落時的影響。簡單地說，微爆現(xiàn)象就是來自對流暴風雪的 小規(guī)模、短持續(xù)時間的向下氣流，當這種氣流碰撞地面時引起氣流“爆炸”。這種“爆炸”的氣流徑向地擴散，形成 0.31km高、直 徑為25km的發(fā)散的氣流環(huán)。飛機在穿越微爆區(qū)時，首先遭遇增強 的頂風，持續(xù)一段時間后，由于頂風減弱使飛機運轉(zhuǎn)失靈，當飛機 在剛好降落前或正好起飛時遭遇到微爆，則會引起飛機墜毀。關于微爆及其對飛行安全的影響在Fujita6667 和 McCarthy , Serafi

2、n68的論文中有更完整地描述。圖23.4微暴現(xiàn)象的藝術(shù)表達及微暴對飛機起飛的影響在接近地面時，速度的喪失是極度危險的。微爆的檢測如同颶風的檢測一樣，是通過切變估計來完成的。然 而，在微爆的情況下，通常測量的是徑向速度的徑向切變。在增強 的彩色徑向速度分析監(jiān)視器上，受過訓練的觀察員能很容易地人工 解釋微爆現(xiàn)象的特性50。微爆現(xiàn)象可觀察到從1050m/s的徑向速 度的差異。在噴氣式飛機跑道的長度上 <-3kmj),徑向速度的差異為 25m/s時，微爆現(xiàn)象就很嚴重了。 b5E2RGbCAP對于微爆現(xiàn)象，一個基本的問題是它們的持續(xù)時間短，其數(shù)量級為 15min。峰值強度的持續(xù)時間只有 12min

3、。1984年，分類、定位 和避開風切變計劃<CLAW|S 69清楚地證明，藉助于多普勒雷達和 人工解釋的方法對微爆現(xiàn)象可得到提前2min的警報。然而，實際使用多普勒雷達時，要求的是完全自動的檢測算法。第二個主要問題 是地雜波。由于微爆現(xiàn)象都發(fā)生在靠近地面并且降雨量非常小或根本無降雨的區(qū)域，因此減輕地雜波的影響是必要的。p1EanqFDPwC波段可作為優(yōu)選工作頻段有幾個方面的原因。第一，在同一波束寬 度的情況下，C波段的天線比S波段的天線要小，這是用于機場附近 雷達的一個重要的考慮因素。第二，因為對于氣象雷達來說，遠距 離的檢測不是十分重要，衰減的影響也不是首要考慮的因素。第三，C波段能提

4、供較高的信雜比性能。因為 X波段在大雨環(huán)境下會產(chǎn)生比較嚴重的距離-速度模糊和衰減，所以一般不被選為氣象雷達的工作頻率。機場附近部署多普勒雷達網(wǎng)絡的工作預期在20世紀90年代初開始。DXDiTa9E3d冰雹NEXRA雷達將運用與 Witt和Nelson所討論的相似的冰雹檢測算法 70。這種算法是將高的反射率系數(shù)與回波高度、上層徑向速度的 散度結(jié)合起來檢測冰雹的發(fā)生。最后，極化分集技術(shù)也可提高對冰 雹的定量檢測效果。Aydin, Seliga和Balaji71提出了以正交的極 化對反射率測量的冰雹檢測技術(shù)。這種技術(shù)依賴于如下事實：當冰雹出現(xiàn)時，水平方向和垂直方向反射率的比值為1<*0dB）。

5、這一點與大雨環(huán)境下是截然不同的。在大雨環(huán)境下，這個比值可能大到6dB。水平極化的絕對反射率系數(shù)和水平極化與垂直極化<不同的反射率）反射率的比值的結(jié)合給出了大雨和冰雹的特殊特性。它們都 以高反射率因子為其特征。不同反射率特性的區(qū)別是容易解釋的。大雨滴在下落時呈薄餅形，因此雨滴后向散射的水平極化電場比垂 直極化電場要強得多。由于冰雹塊形狀上的無規(guī)則性，下落時好像 要翻滾跌倒，所以平均來說在冰雹跌落時不能顯現(xiàn)出特定的方向。 RTCrpUDGiT風的測量Lhermitte和Atlas72首先描述了如何用單部多普勒雷達測量水平 風速的垂直剖面。若雷達掃描區(qū)域中的降雨量和風速都很均勻，就 可以應用這

6、個技術(shù)。這種方法取決于仰角固定情況下對雷達全方位 掃描期間所測得的徑向速度的分析。如圖 23.5所示，對任意斜距 r,掃描區(qū)域的直徑為鼻，測量的高度為二J 其中，區(qū)為仰角）。若P為波束的方位角，Vh為水平風速，Vf為降水粒子的降落 速度，則雷達在斜距r上測得的徑向速度為5PCzVD7HxA.23.50 ）用諧波分析可以得到水平風速 Vh風向及降水粒子的降落速度 Vf。 這種技術(shù)被稱為徑向速度-方位-顯示VAD技術(shù)。后來，Browning 和 Wexler73描述了如何推廣這種技術(shù)來測量包括風場的發(fā)散和畸 變等其他風場參數(shù)。Baynton等人49描述了如何用彩色增強型徑向 速度顯示器來實時應用

7、VAD jLBHrnAILg 雷暴雨預測Wilson和Schreiber74描述了如何用現(xiàn)代多普勒氣象雷達來探測新 一輪雷暴雨可能發(fā)生的位置?，F(xiàn)代雷達有足夠的靈敏度以探測到24km的低層晴空大氣的不連續(xù)性。這種探測主要發(fā)生在夏季幾個月 里。后向散射機制可能是由低層大氣和 或）由昆蟲引起晴空湍流而使晴空大氣的折射率不均勻引起的。Wilson和Schreiber發(fā)現(xiàn)夏季發(fā)生在落磯山脈前沿的90%勺雷暴雨都集中在這些邊界。因為任何云出現(xiàn)前這些邊界就會被探測到，又因為通過多普勒測量能夠推斷空氣團會沿這些邊界集中，所以對雷暴雨發(fā)生的更準確的預測就變得可能了。按照雷達設計師的觀點，這種應用技術(shù)限定了必須用

8、超低副瓣天線和具有地雜波衰減能力特性的信號處理機。具有50dB或更高的雜波衰減信號處理能力的NEXRAO達系統(tǒng)相當適合于這種的任務。xHAQX74J0X圖23.5用單部多普勒雷達測量水平風的徑向速度-方位-顯示的幾何關系圖全方位掃描的徑向速度測量能對水平風進行測量。LDAYtRyKfE23.6 研究應用運轉(zhuǎn)的氣象雷達應設計具成有高可靠性和操作簡單，同時能提供所 需的性能。研究性雷達要復雜得多，因為前沿研究需同時對多個變 量給出更詳細、更靈敏地測量。在氣象雷達研究界，對多參數(shù)雷達 的研究、多部多普勒雷達網(wǎng)絡的研究及機載和天基雷達計劃都受到 了相當?shù)仃P注。Zzz6ZB2Ltk多參數(shù)雷達多普勒雷達能

9、夠顯著地增加從氣象目標獲得的有用信息。這一點在 上面已提到，通過極化分集技術(shù)可增加信息，而多個波長可以為分 析云和降雨中的雨滴大小、水相狀態(tài)及其他水氣現(xiàn)象提供另外的輸 入信息。超短波雷達可用于探測云層的最新發(fā)展，而長波雷達對研 究嚴重的暴風雪是必要的。研究者們經(jīng)常同時需要氣象雷達的這些 能力。在Hall編輯的論文集中敘述了多參數(shù)氣象雷達所希望具有的能力6 。 dvzfvkwMII按照雷達工程的觀點，雷達設計師面臨著巨大地挑戰(zhàn)。他們要改進 全相參雷達、極化分集雷達和頻率分集雷達。圖 23.6是國家氣象研 究中心NCAR應用的S波段波長10cm）和X波段波長3cn）極化分 集多普勒雷達的照片。該雷

10、達系統(tǒng)允許在兩個波長上同時測量反射率系數(shù)，在S波段這個單一波長測量多普勒參數(shù)，在 S波段和X波 段兩個波長上進行極化分集測量。兩個波段的天線波束近似地與1 °波束寬度內(nèi)重疊。S波段的峰值發(fā)射功率為1MW X波段的峰值功率為50kW脈沖寬度約為1Ns, PRF一般為1000H乙在多參數(shù)雷達的研究領域，該雷達系統(tǒng)代表了當前的技術(shù)發(fā)展。rqyn14ZNXI圖23.6 CP 2雷達，美國科羅拉多州國家氣象研究中心的多參數(shù)雷達多雷達系統(tǒng)單部多普勒雷達只能測量單個的徑向速度分量。Lhermitte3是首先描述如何用兩部或兩部以上的多普勒雷達一起掃描以取得降雨中三維氣流場詳細結(jié)構(gòu)的人員之一。這項開

11、拓性工作開展了運用多普勒雷達網(wǎng)絡研究單個和大規(guī)模云層系統(tǒng)的道路。這項技術(shù)首次使在降雨條件下測量氣流場的三維矢量結(jié)構(gòu)成為可能。圖23.7示出了用多部多普勒雷達觀察到的一個單獨的暴風雪對流單元的氣流場。它表示了距離地球表面大約100m水平面上的水平矢量場分布。測得的這種現(xiàn)象是一種低空的氣流爆破擴散 或叫微爆現(xiàn)象）。圖 23.8示出 了加利福尼亞州正交于強暴風風道的垂直平面上氣流場的例子75。EmxvxOtOco快速掃描多部多普勒雷達的應用提供了有關大規(guī)模降雨系統(tǒng)中內(nèi)部風的大量最新信息，而這些信息是不能以其他方式得到的。盡管這種測量技術(shù)的能力很強，但是得到的三維氣流場的空間分辨力低于2km的數(shù)量級。

12、造成這種空間分辨力不高的原因有幾個方面。有限的波束寬 度限制了在較遠距離上的分辨力。對于較近距離，必須在大的立體 空間角上進行掃描以覆蓋暴風雪的所有區(qū)域，而即使假定處于理想暴風雪情況下，整個掃描時間也得要 35min。這是由于要對徑向速 度進行準確測量所必需的波束停留在目標的時間而造成的。最后，在進行測量期間，暴風雪本身也在發(fā)生演變和運動。SixE2yXPq5420CP-2儂西的距離（km）二后<晶又把n7CO圖23.7 在美國科羅拉多州Denver附近用雙多普勒雷達對夏季對流暴風雨的水平矢量風場的觀察u' wT= 1）22:30YI5.3| I成如5口皿-* 3Dm/sXWn)圖23.8加利福尼亞冬季與強暴風風道正交平面上矢量氣流的垂直截面圖75某些研究需要應用快速掃描技術(shù)。這些應用包括；對小范圍暴風雪特征的研究，對暴風雪中氣流的運動與降水云氣發(fā)展過程的相互作用的研究，對云中電荷分離的研究。Brook和Krehbiel76首先討論了高速掃描雷達 雖然是非多普勒的