雙偏振多普勒雷達的工作原理及其應用

李 熠

四川省綿陽市氣象局 四川 綿陽 621000

1、雙偏振多普勒雷達的概述

隨著現代化的快速發展，多普勒雷達在各行各業中發揮著十分重要的作用，尤其是在人工影響天氣等方面，是當前預防災害性天氣的有效手段。雙偏振多普勒雷達是以多普勒效應為前提，利用測定信號個發射信號高頻率間出現的差異得到所需要得到的信息。通過雙偏振多普勒雷達能夠對散射體相對于雷達移動的速度進行測量，在相關的基礎前提下，能夠將大氣風場、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行傳播時電場振動的方向。電場在垂直方向上的振動為垂直偏振波，水平方向的偏振為水平偏振波。雙偏振多普勒雷達的發射方式主要有兩種，即為交替發射或同時發射。雙偏振雷達回波反射率Z的大小通常是由掃描體積中粒子的分布、大小以及相態與定向數據信息所決定的。一般情況下，因為雨滴的長軸與地面扁橢球狀呈平行狀態，所以利用偏振雷達所觀測到的水平反射率ZH相對于垂直反射率要大一點，即雨滴的差分反射ZDR不小于0dB。強對流雷暴云存在的高度以及云動力結構對水成物粒子的產生是較為復雜的。根據以往大量的實驗數據表示，冰雹與降水間存在著較大的區別，將降雨云與強雷暴云的回波反射率相對比，冰雹的數值要比降水的回波反射率高，發生這種現象可能是由于空氣動力對降雨云中水滴增長尺度產生的影響，從而對其下落方式與變形程度產生限制，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系。通過偏差雷達測量的ZH回波強度與差分反射率ZDR對各項異性以及各項同性形成的降水粒子都存在著一定的貢獻作用，就算全都是各項同性的扁橢球狀的冰雹，差分反射率ZDR的雨滴也會存在不同，原因是低密度冰雹的介電常數通常相對較小。以上這些偏振的特征都是由長期以來的實驗觀測與理論模式計算并得到證實的。

2、雙偏振多普勒天氣雷達的工作原理及特點

雙偏振多普勒天氣雷達的工作原理與單偏振的較為相似，其通過向空中間歇性發射脈沖式電磁波，電磁波通過類似直徑路徑進行傳播，當其在傳播過程中遇到氣象目標之后，脈沖電磁波會被朝著周圍發生散射，其中有一些散射會向雷達方向返回，也就是后向散射回波會被雷達天線接收，雷達從回波信號當中提取出有效參數，進而實現對天氣目標物的測量。雙偏振系統具有自身的優點即為發射水平與垂直兩種極化方式電磁波，這兩種不同極化狀態的電磁波在遇到不同降水粒子進行散射，在后向散射回波當中包括各種粒子產生的不同的反射率、極化差分反射率等有關系數不同，雷達結合回波的有效信息，通過對雙偏振參數的估算，將降水狀態、指向、尺寸以及降水類型等進行反演。探測降水雷達針對反射波長長度分為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波段雷達比較適合探測小雨，C波段對中雨的探測較為適宜，S波段的雷達則更為適合探測暴雨以及冰雹。

多普勒天氣雷達能夠測量的基本參數有3個：除了可以像常規雷達一樣能夠測量雷達反射率因子，即回波強度之外，還能夠測量在雷達取樣體積內的平均多普勒速度與譜寬。在雷達探測的過程中，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物形成。非氣象回波則是由飛機、地物等非氣象目標物或者由于雷達性能不穩定形成的。同時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各種雷達回波做到分析與判斷，這對于大氣科學、國防與航空航天等領域都有著十分重要的意義。

3、雙偏振多普勒雷達的應用

3.1 雷電探測中的應用

云中粒子形成是由于冰相粒子與強烈上升的氣流所產生的作用。由于粒子帶的電荷存在的差異，是電場產生的主要原因。因為電力場的作用，正負粒子間會形成有序排列，特別是一些帶電的冰晶粒子， 通過電場的作用會形成有序或是接近垂直排序，這些排序會在一定程度上將電場強度提高。而當電場強度到一定高度時，就會造成閃電。利用偏振雷達能夠輕易地判斷云內非球形粒子在垂直與水平方向上的優勢取向能力。由此可以看出，偏振雷達不但可以用作雷電的研究，還可以對閃電進行預測，同時在電力以及森林防災中也起著十分重要的作用。

3.2 在人工影響天氣方面的應用

在使用偏振雷達時，特別是短波段云偏振雷達，有著明顯的固定性特征，在對云的發展中的相關微物理變化過程中起著極為重要的作用。根據雙偏振雷達能夠輕而易舉的對云內平面性與柱狀冰晶、毛毛雨低、冰雹以及雨滴等不同形態的水成物粒子進行區分，特別是利用波段偏振雷達能夠觀測云發展前期的粒子形狀與密度的變化情況，同時也可以對初始冰晶的出現進行觀測，快速判斷過冷冰晶等物理過程出現的實際與在云中的實際位置。根據有關研究表示，在人工影響天氣過程中對雙偏振雷達進行應用，特別是作業時機、位置以及效果檢驗方面都有著極為重要的作用。