雙偏振多普勒雷達(dá)的工作原理及其應(yīng)用

李 熠

四川省綿陽市氣象局 四川 綿陽 621000

1、雙偏振多普勒雷達(dá)的概述

隨著現(xiàn)代化的快速發(fā)展，多普勒雷達(dá)在各行各業(yè)中發(fā)揮著十分重要的作用，尤其是在人工影響天氣等方面，是當(dāng)前預(yù)防災(zāi)害性天氣的有效手段。雙偏振多普勒雷達(dá)是以多普勒效應(yīng)為前提，利用測定信號(hào)個(gè)發(fā)射信號(hào)高頻率間出現(xiàn)的差異得到所需要得到的信息。通過雙偏振多普勒雷達(dá)能夠?qū)ι⑸潴w相對(duì)于雷達(dá)移動(dòng)的速度進(jìn)行測量，在相關(guān)的基礎(chǔ)前提下，能夠?qū)⒋髿怙L(fēng)場、氣流垂直速度分布與湍流情況等反演出來。

偏振主要是指電磁波在進(jìn)行傳播時(shí)電場振動(dòng)的方向。電場在垂直方向上的振動(dòng)為垂直偏振波，水平方向的偏振為水平偏振波。雙偏振多普勒雷達(dá)的發(fā)射方式主要有兩種，即為交替發(fā)射或同時(shí)發(fā)射。雙偏振雷達(dá)回波反射率Z的大小通常是由掃描體積中粒子的分布、大小以及相態(tài)與定向數(shù)據(jù)信息所決定的。一般情況下，因?yàn)橛甑蔚拈L軸與地面扁橢球狀呈平行狀態(tài)，所以利用偏振雷達(dá)所觀測到的水平反射率ZH相對(duì)于垂直反射率要大一點(diǎn)，即雨滴的差分反射ZDR不小于0dB。強(qiáng)對(duì)流雷暴云存在的高度以及云動(dòng)力結(jié)構(gòu)對(duì)水成物粒子的產(chǎn)生是較為復(fù)雜的。根據(jù)以往大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，冰雹與降水間存在著較大的區(qū)別，將降雨云與強(qiáng)雷暴云的回波反射率相對(duì)比，冰雹的數(shù)值要比降水的回波反射率高，發(fā)生這種現(xiàn)象可能是由于空氣動(dòng)力對(duì)降雨云中水滴增長尺度產(chǎn)生的影響，從而對(duì)其下落方式與變形程度產(chǎn)生限制，可以明顯看出，尺度與雨滴長軸以及短軸的比率有著較為緊密的關(guān)系。通過偏差雷達(dá)測量的ZH回波強(qiáng)度與差分反射率ZDR對(duì)各項(xiàng)異性以及各項(xiàng)同性形成的降水粒子都存在著一定的貢獻(xiàn)作用，就算全都是各項(xiàng)同性的扁橢球狀的冰雹，差分反射率ZDR的雨滴也會(huì)存在不同，原因是低密度冰雹的介電常數(shù)通常相對(duì)較小。以上這些偏振的特征都是由長期以來的實(shí)驗(yàn)觀測與理論模式計(jì)算并得到證實(shí)的。

2、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的工作原理及特點(diǎn)

雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的工作原理與單偏振的較為相似，其通過向空中間歇性發(fā)射脈沖式電磁波，電磁波通過類似直徑路徑進(jìn)行傳播，當(dāng)其在傳播過程中遇到氣象目標(biāo)之后，脈沖電磁波會(huì)被朝著周圍發(fā)生散射，其中有一些散射會(huì)向雷達(dá)方向返回，也就是后向散射回波會(huì)被雷達(dá)天線接收，雷達(dá)從回波信號(hào)當(dāng)中提取出有效參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣目標(biāo)物的測量。雙偏振系統(tǒng)具有自身的優(yōu)點(diǎn)即為發(fā)射水平與垂直兩種極化方式電磁波，這兩種不同極化狀態(tài)的電磁波在遇到不同降水粒子進(jìn)行散射，在后向散射回波當(dāng)中包括各種粒子產(chǎn)生的不同的反射率、極化差分反射率等有關(guān)系數(shù)不同，雷達(dá)結(jié)合回波的有效信息，通過對(duì)雙偏振參數(shù)的估算，將降水狀態(tài)、指向、尺寸以及降水類型等進(jìn)行反演。探測降水雷達(dá)針對(duì)反射波長長度分為X波段（波長為3厘米）、C波段（波長為5厘米）與S波段（波長為10厘米），X波段雷達(dá)比較適合探測小雨，C波段對(duì)中雨的探測較為適宜，S波段的雷達(dá)則更為適合探測暴雨以及冰雹。

多普勒天氣雷達(dá)能夠測量的基本參數(shù)有3個(gè)：除了可以像常規(guī)雷達(dá)一樣能夠測量雷達(dá)反射率因子，即回波強(qiáng)度之外，還能夠測量在雷達(dá)取樣體積內(nèi)的平均多普勒速度與譜寬。在雷達(dá)探測的過程中，顯示器上的回波類型較多，為了便于分析與應(yīng)用，大致可以分為氣象回波與非氣象回波。氣象回波主要是由大氣中云、降水中各種水汽凝結(jié)物形成。非氣象回波則是由飛機(jī)、地物等非氣象目標(biāo)物或者由于雷達(dá)性能不穩(wěn)定形成的。同時(shí)氣象回波有可以分為降水回波以及非降水回波，怎樣才能夠正確的對(duì)各種雷達(dá)回波做到分析與判斷，這對(duì)于大氣科學(xué)、國防與航空航天等領(lǐng)域都有著十分重要的意義。

3、雙偏振多普勒雷達(dá)的應(yīng)用

3.1 雷電探測中的應(yīng)用

云中粒子形成是由于冰相粒子與強(qiáng)烈上升的氣流所產(chǎn)生的作用。由于粒子帶的電荷存在的差異，是電場產(chǎn)生的主要原因。因?yàn)殡娏龅淖饔?，正?fù)粒子間會(huì)形成有序排列，特別是一些帶電的冰晶粒子， 通過電場的作用會(huì)形成有序或是接近垂直排序，這些排序會(huì)在一定程度上將電場強(qiáng)度提高。而當(dāng)電場強(qiáng)度到一定高度時(shí)，就會(huì)造成閃電。利用偏振雷達(dá)能夠輕易地判斷云內(nèi)非球形粒子在垂直與水平方向上的優(yōu)勢取向能力。由此可以看出，偏振雷達(dá)不但可以用作雷電的研究，還可以對(duì)閃電進(jìn)行預(yù)測，同時(shí)在電力以及森林防災(zāi)中也起著十分重要的作用。

3.2 在人工影響天氣方面的應(yīng)用

在使用偏振雷達(dá)時(shí)，特別是短波段云偏振雷達(dá)，有著明顯的固定性特征，在對(duì)云的發(fā)展中的相關(guān)微物理變化過程中起著極為重要的作用。根據(jù)雙偏振雷達(dá)能夠輕而易舉的對(duì)云內(nèi)平面性與柱狀冰晶、毛毛雨低、冰雹以及雨滴等不同形態(tài)的水成物粒子進(jìn)行區(qū)分，特別是利用波段偏振雷達(dá)能夠觀測云發(fā)展前期的粒子形狀與密度的變化情況，同時(shí)也可以對(duì)初始冰晶的出現(xiàn)進(jìn)行觀測，快速判斷過冷冰晶等物理過程出現(xiàn)的實(shí)際與在云中的實(shí)際位置。根據(jù)有關(guān)研究表示，在人工影響天氣過程中對(duì)雙偏振雷達(dá)進(jìn)行應(yīng)用，特別是作業(yè)時(shí)機(jī)、位置以及效果檢驗(yàn)方面都有著極為重要的作用。