淺談風廓線雷達的原理及其應用

摘要：風廓線雷達是一種新型的高空大氣探測系統，需要在晴空天氣下進行探測，可以實時監測大氣三維風場信息。本文結合風廓線雷達原理，探討了風廓線雷達的應用，僅供相關部門進行參考借鑒。

關鍵詞：風廓線雷達;原理;應用

引言

風廓線雷達的應用實現了無人值守，可以對各種氣象要素數據進行監測，同時具有高時空分辨特征。因風廓線雷達探測優勢和自身資料特點的綜合作用，促進了數值預報模式工作的順利開展，提升了天氣預報的精細化水平。風廓線雷達的使用彌補了傳統探空資料時空密度不足的缺陷，同時還擺脫了時間方面的限制，在研究天氣系統結構和演變中發揮著重要作用。

1.風廓線雷達的原理

1.1風廓線雷達的定義

將不同方向的電磁波束朝著高空發射，對因大氣垂直不均勻而返回的電磁波束信息進行接收并處理的高空風場探測遙感設備稱之為風廓線雷達。結合風廓線雷達中的多普勒效應可實現區域上空隨高度變化的風向、風速等氣象要素數據的探測，其優點是探測時空分辨率高、自動化程度強等。將聲發射裝置與風廓線雷達進行結合構成了具有無線電結構的聲探測系統，可遙感探測到大氣中溫度的垂直廓線。

1.2風廓線雷達分類

根據不同的天線制式，可以將風廓線雷達劃分為相控陣風廓線雷達和拋物面風廓線雷達。相控陣風廓線雷達體制可在各種類型的高空探測中使用，也是當前使用最為廣泛的技術體制。因風廓線雷達在測量氣流速度的同時，還要定位空間氣流信息，應具備發射脈沖電磁波和多普勒測速的功能，可以將風廓線雷達劃分到脈沖多普勒雷達中。晴空天氣是風廓線雷達的主要探測對象，因此風廓線雷達往往被人們稱之為晴空雷達。

根據不同的探測高度，可以將風廓線雷達劃分為三種：邊界層、對流層和中間層-平流層-對流層風廓線雷達。其中邊界層風廓線雷達的探測高度在3km左右，對流層風廓線雷達探測高度在12～16km之間;中間層-平流層-對流層風廓線雷達的探測高度在兩者之間，其中探測高度不足8km的則稱之為低流程風廓線雷達。

根據不同的雷達工作頻率，將風廓線雷達劃分為甚高頻、超高頻和L波段三種類型。通常情況下，L波段在邊界層風廓線雷達中使用的頻率最高，超高頻主要應用在對流層風廓線雷達中，而探測高度超過平流層以上的風廓線雷達主要選用甚高頻。

1.3風廓線雷達探測原理

風廓線雷達的主要探測對象是晴空大氣，通過大氣湍流對電磁波的散射作用可探測大氣風場等的氣象要素。風廓線雷達發射的電磁波在大氣傳播時，受到大氣湍流引起的折射率分布不均勻所產生的散射作用，風廓線雷達會接收到后向散射能量。利用多普勒效應可以對沿著雷達波束方向的氣流速度分量進行確定;而往返的回波信號時間則能確定回波位置。由此不難看出，風廓線雷達是無線電測距與多普勒測速的結合體。

2.風廓線雷達數據產品及其應用

風廓線雷達數據產品主要有六種類型：多普勒徑向頻譜圖、譜線圖輔助區域、風廓線隨時間變化圖、風廓線輔助區域、垂直氣流廓線圖、大氣折射率指數隨時間變化圖。這些數據產品可以是實時，也可以是半小時或一小時數據。

2.1多普勒徑向頻譜圖及其輔助區域

多普勒徑向頻譜圖可以將各個高度層上的波束徑向速度在不同時刻的變化情況反映出來，主要包含單波束和五波束多普勒徑向頻譜圖。在頻譜圖輔助區域內可以將譜寬、徑向速度、信噪比信息在不同時刻各個高度的變化情況反映出來。氣象部門在預測降水、降雪等強對流天氣過程中對多普勒徑向頻譜圖使用的最為廣泛。根據相關研究表明，在無降水天氣出現時，整個頻譜高度上垂直波束的徑向速度幾乎為零;同一平面上的對稱波束在0速度軸左右基本呈現出對稱關系。在降水天氣出現時，五波束頻譜的徑向速度值從上到下依次減少;每一層高度上的五波束頻譜圖，以多普勒信號頻譜最寬，信號外形沒有太大差異;若出現均勻的持續性降雨，五個頻譜圖的外觀形態基本沒有太大變化，一旦某高度的頻譜變寬且徑向速度正值增加，說明降水相態變化;若頂波束無最大徑向速度，說明出現了不均勻性的降水，或者水平風對降水的影響較為明顯。在降雪天氣出現時，整層的頻譜譜寬都較窄，取值和頻譜信號外形基本相同。若徑向速度折疊出現在頻譜圖中，說明將會有風雨天氣出現。

2.2風廓線圖及輔助區域

風廓線圖包含風羽圖和風矢圖，可以在水平平面上各個高度層不同時刻的風向風速數據體現出來。而風廓線輔助區域則可以將水平風速和風向、垂直風、大氣折射率指數不同時間隨高度變化的情況反映出來。結合風廓線圖中的風速數據信息為灰霾天氣預報提供了極大的便利。相關研究表明，灰霾天氣的出現受風速的影響較大，若中層風速超過10m/s，此時不易出現灰霾，反之亦然，風速越小，灰霾造成的危害越嚴重。除了結合中層風速外，還要根據邊界層高度和天氣情況判斷灰霾天氣，若中層風速較小，降水天氣頻發出現及大氣邊界層較高時，此時也不容易出現灰霾天氣。不管灰霾天氣出現與否，風速與能見度之間都有明顯的相關性，其中灰霾天氣下兩者之間的關系更為明顯。在氣象分析和大氣污染物擴散形勢中可引入風向變化。

2.3色塊表示大氣折射率指數

大氣折射率指數可以將邊界層頂高度的變化情況反映出來，在對流邊界層頂雷達發射高度增加，因大氣邊界層頂附近的濕度梯度和湍流交換過程較強，使得雷達發射信號強度增加。因此，隨著高度的變化大氣折射率指數在邊界層頂部存在極大值，該數值可以對邊界層高度進行判定。一旦邊界層頂高度發生變化就說明存在能量交換，頂越低，對于能量的交換就越不利，污染物就很難擴散。

2.4色塊表示的垂直氣流廓線圖

垂直氣流色塊圖可以將各個高度層上垂直氣流隨時間變化的強弱反映出來。其中上升氣流以暖色表示，速度為正;下沉氣流以冷色表示，速度為負。結合垂直氣流廓線圖可以實現降雨預警、強對流天氣分析、輔助大氣污染輸送分析等。相關研究表明，晴天條件下的測出的垂直速度較小，在±0.1m/s之間;在降雨天氣下，垂直速度數值增加，尤其是5km以下的下沉速度最為明顯，超過了4m/s。若低層不同高度測出的垂直速度都在-4m/s以下，則說明會有降雨天氣出現。結合風垂直分布和隨時間變化情況，可以判斷溫濕度平流情況，進而了解水汽輸送和層結的穩定度水平，還能預計未來風暴的強度。

結論

在全球氣候變暖的大背景下，各種極端災害性事件呈現出逐年增加的趨勢。強降水、雷暴、冰雹等強對流天氣受到中小尺度天氣的影響，因常規監測網分辨率的限制，使得強對流天氣預報和監測難度大幅度增加，通過使用高時空分辨率的新型探測資料會增強強對流天氣臨近預報水平，可有效降低災害性天氣造成的損失。

參考文獻

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作者簡介：牟杰（1988-），男，彝族，四川甘孜州九龍縣人，本科學歷，助理工程師，從事綜合氣象觀測工作。