相控陣天氣雷達與雙線偏振雷達技術的發展和應用研究

金凱 王海濤 傅永超

摘要：目前，我國氣象局已建成的新一代天氣雷達業務網絡越來越成熟，已經在監測災害天氣、短時臨近預報、水文和地質災害管理等方面做出了突出的貢獻。我國第一代天氣雷達投入運營的時間已經超過了二十年，在這個過程當中，不斷出現新的探測技術，這有效實現了對雷達系統的升級與改造。其中單偏振雷達技術是重要的技術，應用范圍比較廣闊，但是該技術在應用的過程當中開始顯示出了不適應性，在這樣的背景下，產生了雙偏振雷達技術，它的探測能力進一步提升。在這個基礎上，相控陣天氣雷達技術作為新型的技術也得到了快速的發展。基于此，本文對相控陣天氣雷達與雙線偏振雷達技術的發展和應用進行了分析與探究。

關鍵詞：相控陣天氣雷達技術;雙線偏振雷達技術;發展與應用

1 相控陣天氣雷達技術的發展和應用

1.1 相控陣天氣雷達技術的基本概述

傳統天氣雷達技術通常是使用拋物面型的天線，但是相控陣天氣雷達技術的天線是由很多輻射單元和接收單元，這些單元在某平面上經過規則排列之后形成的陣列型天線，這種天線最大的特點就在于它是利用電磁波相干的原理來進行工作的，它可以通過對輻射單元電流相位的控制來實現改變發射波束方向的目的，從而更好地實現對天線的電子掃描過程。與此同時，這種技術的掃描方式與傳統的天氣雷達技術也有所不同，它并不是機械的掃描模式，電子掃描的方式更加靈活高效。相控陣天氣雷達技術的使用可以使雷達的探測范圍變得更加廣闊，同時也具有了更強的抗干擾能力，其波束的指向也更加靈活，因此可以擺脫慣性的束縛實現快速掃描。根據統計，相控陣天氣雷達技術的掃描時間通常可以被控制在一分鐘之內，因此它可以在較短的時間內完成對天氣變化情況的辨別，在龍卷風、冰雹等變化速度比較快的天氣現象當中具有良好的應用。

1.2 相控陣天氣雷達技術的發展

美國是第一個將相控陣天氣雷達技術應用于氣象探測的國家，美國的相控陣天氣雷達技術已經比較成熟。在實踐的過程當中，美國還發展了可以隨意移動的X波段相控陣天氣雷達技術，并在2008年的時候進行了外場試驗，發現這一技術在掃描技術上具有明顯的優勢。與此同時，美國還在相控陣天線上實現了雙極化技術，該技術可以擁有期限和導航多方面的任務和性能目標。在這個基礎上，美國還根據實際情況創造了大氣遙感觀測技術，通過相控陣天氣雷達技術實現了低空探測能力的提高。在我國相控陣天氣雷達技術也不斷成熟，從2007年開始我國氣象科學研究院與各地的研究所進行了合作，實現了一維相控陣天氣雷達技術的改造。這一新型的雷達技術可以在一分鐘之內掃描四層仰角。在這個基礎上我國氣象局對機載的X波段二維相控陣雷達進行了創新，通過對關鍵技術的研究和對現有相控陣天氣雷達技術的改造形成了新的技術，它可以在飛行的過程當中實現對風場信息的搜集。

1.3 相控陣天氣雷達技術的應用

相控陣天氣雷達技術目前主要被應用于龍卷風的監測與預警當中。具體來說，相控陣天氣雷達可以在兩分鐘內分析得到龍卷風的特征，了解龍卷風下擊暴流的演變，這為相關人員探究龍卷風的形成過程提供了重要的理論依據。在最初，相控陣天氣雷達技術只能對龍卷風漩渦的特征進行分析，了解龍卷風的強度和位置的變化情況。但是在實踐當中發現，龍卷風漩渦的強度比較大，位置變化也比較明顯，因此相關人員對相控陣天氣雷達技術進行了改革與創新，目前相控陣天氣雷達技術已經能夠更準確地探測龍卷風的快速變化的天氣系統。

2 雙線偏振雷達技術的發展和應用

2.1 雙線偏振雷達技術的基本概述

雙線偏振雷達技術的特點是不僅可以獲取基本的氣象信息，同時還可以得到與基本信息相關的偏振系數，這對于氣相目標微物理場的探測來說具有重要的意義。從這個角度來說，雙線偏振雷達技術的應用可以更加準確地得到降水粒子的滴譜特征，更好地應對滴譜變化的多樣性，從而提高對粒子類型識別的準確性，更準確地計算出云層當中含水量的變化。

2.2 雙線偏振雷達技術的發展

在20世紀50年代的時候，就已經有科學家對降水粒子偏振波的后向散射情況進行了研究，比如前蘇聯的科學家就將偏振現象在降水粒子相態的應用問題進行了研究。80年代的時候，美國科學家正式提出雙線偏振雷達的概念，同時利用雙線偏振雷達技術對降水的強度進行了測量，這使各國的科學家意識到雙線偏振雷達技術具有較高的準確度。在當時，雙線偏振雷達最常用的模式是交替發射模式，這一模式可以實現同發同收的雷達探測目標，但是掃描的速度比較慢。1997年，美國科學家對于這一技術進行了改革與創新，研制出了S波段雙線偏振雷達技術，它可以實現雙接收，掃描的速度也更快。

我國在20世紀80年代開始將雙線偏振雷達技術應用于實踐當中，并在這個基礎上根據實際情況對技術進行了改造，實現了高速脈間的轉換。與此同時，我國科學家在對降水粒子的散射研究、測雨效果的對比以及云粒子的相態研究等方面取得了重要的成果。

2.3 雙線偏振雷達技術的應用

雙線偏振雷達技術在應用的過程當中，參加了多次暴雨、臺風等災害天氣的外場試驗，并在試驗當中收集到了大量的信息與數據，這些信息對雙線偏振雷達技術的完善來說是十分有必要的。在實踐當中，雙線偏振雷達技術不斷成熟，并開始在業務方面有了新的應用，我國很多地區的氣象局都已經建設了業務用的雙線偏振雷達，其中X波段的雙線偏振雷達技術已經被用于山洪地質災害的監測和預防當中。

3 結語

總的來說，相控陣天氣雷達技術和雙線偏振雷達技術都是重要的天氣雷達技術，它們在氣相和地質災害的監測與預防當中發揮了重要的作用。相控陣天氣雷達技術的運用穩定可靠，獲取探測數據的速度比較快，在未來有望在云降水物理觀測方面取得應用。而雙線偏振雷達技術對回波識別的能力比較強，可以對降水粒子的相態進行有效識別，未來將會應用于業務應用效果的評估。

參考文獻：

[1]劉黎平，吳林林，吳翀，汪旭東，陳曉輝，曹俊武，莊薇.X波段相控陣天氣雷達對流過程觀測外場試驗及初步結果分析[J].大氣科學，2018，38（06）：10791094.

[2]張林，高玉春，楊金紅，楊洪平.基于VC++平臺的相控陣天氣雷達NetCDF數據讀取與產品顯示[J].氣象科技，2017，38（02）：230234+278279.