經(jīng)典雷達(dá)資料氣象雷達(dá)1

1、第23章 氣象雷達(dá)RobertJ.Serafin23.1 引言當(dāng)編寫這本手冊(cè)時(shí)，雷達(dá)氣象學(xué)領(lǐng)域正發(fā)生著巨大的變化。雖然大多數(shù)雷達(dá)工程師熟悉當(dāng)前所使用的氣象雷達(dá)，但幾乎沒(méi)有人意識(shí)到過(guò)去20年里在氣象雷達(dá)領(lǐng)域中所取得的發(fā)展。例如，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和顯示技術(shù)的多普勒雷達(dá)氣象學(xué)發(fā)展得如此迅猛，致使美國(guó)正計(jì)劃用新一代的多普勒雷達(dá)系統(tǒng)（NEXRAD）代替現(xiàn)行使用的氣象雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)將對(duì)暴風(fēng)雪、降雨量、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)及其他重要天氣現(xiàn)象提供定量的和自動(dòng)的實(shí)時(shí)信息，并在空間上和時(shí)間上比以往具有更高的分辨力1。在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)域，第二個(gè)多普勒雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)將對(duì)陣風(fēng)前沿、風(fēng)切變、微爆和其他天氣危害作出定量測(cè)量，以提高

2、美國(guó)主要機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的安全性12。運(yùn)用平板天線、彩色顯示器和固態(tài)發(fā)射機(jī)的新一代多普勒雷達(dá)現(xiàn)在可供商業(yè)飛機(jī)使用，而且這些技術(shù)有許多已被世界各國(guó)推廣應(yīng)用。氣象雷達(dá)研究界采用多部多普勒雷達(dá)獲得三維風(fēng)場(chǎng)3。機(jī)載多普勒雷達(dá)45已經(jīng)用來(lái)模仿這些能力，提供更高的機(jī)動(dòng)性。極化分集技術(shù)6用來(lái)辨別水中的冰雪微粒，以提高對(duì)降雨的定量測(cè)量，并檢測(cè)冰雹。同時(shí)，在新型雷達(dá)系列中，UHF和VHF固定波束系統(tǒng)正被用來(lái)得到連續(xù)的水平氣流分布圖7。這些例子是研究領(lǐng)域活力的例證。本章將向讀者介紹氣象雷達(dá)，特別是氣象雷達(dá)所特有的系統(tǒng)特性。在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)注意的是大多數(shù)氣象雷達(dá)與其他用途的雷達(dá)具有很多相似之處，即脈沖和脈沖多普勒系統(tǒng)是一致

3、的；均使用拋物面天線、焦點(diǎn)饋電、低噪聲固態(tài)接收機(jī)、磁控管、鎖相磁控管、速調(diào)管、行波管及其他形式的發(fā)射機(jī)。氣象雷達(dá)和其他用途雷達(dá)的主要區(qū)別在于目標(biāo)屬性的不同。氣象目標(biāo)分布在空間中，占據(jù)大量雷達(dá)觀察的空間分辨單元，且為了估計(jì)降雨量、降雨類型、空氣流動(dòng)、湍流及風(fēng)切變等參數(shù)，必須對(duì)接收信號(hào)的特征進(jìn)行定量的測(cè)量。另外，由于許多的雷達(dá)分辨單元都含有有用的信息，因此氣象雷達(dá)要求有高數(shù)據(jù)率的記錄系統(tǒng)和為實(shí)時(shí)顯示提供有效的方法89。多數(shù)雷達(dá)是為了從雜波背景中分辨出相對(duì)來(lái)說(shuō)少量的目標(biāo)，而氣象雷達(dá)則主要是對(duì)氣象雜波本身的屬性作出精確地估測(cè)。這就給雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提出了挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。本章的討論將參考大量有用的教科書(shū)和參

4、考資料。Battan編寫的教科書(shū)10（修訂于1973年），其清晰性和完整性特別值得一提，而且在世界的各大學(xué)里一直把它作為雷達(dá)氣象學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)課程廣為傳授。Doviak和Zrnic11特別強(qiáng)調(diào)了多普勒氣象雷達(dá)。在 “雷達(dá)手冊(cè)”第一版中，Bean 等人所撰寫的第24章12指出了天氣對(duì)雷達(dá)的影響問(wèn)題。最后，由美國(guó)氣象學(xué)會(huì)（AMS）發(fā)起召開(kāi)的一系列雷達(dá)氣象學(xué)會(huì)議的會(huì)議錄或是重印的文章，或許會(huì)提供有關(guān)該領(lǐng)域進(jìn)展的最廣泛、最完整的整套參考資料。這些資料可以在大多數(shù)技術(shù)圖書(shū)館中找到，也可通過(guò)在波士頓的AMS的辦公室得到。23.2 氣象目標(biāo)的雷達(dá)距離方程可以從適用于一般雷達(dá)的表達(dá)式導(dǎo)出來(lái)自分布目標(biāo)的接收功率。作為

5、開(kāi)始，下面給出其簡(jiǎn)單的表達(dá)方式，即 （23.1）式中，b為取決于雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的常量；r為距離；s為雷達(dá)目標(biāo)截面積。計(jì)算s時(shí)，對(duì)氣象目標(biāo)所采用的雷達(dá)距離方程不同于點(diǎn)目標(biāo)所采用的雷達(dá)距離方程，即s可寫為 （23.2）式中，h為以每單位體積目標(biāo)截面積為計(jì)量單位的雷達(dá)反射率；V為雷達(dá)所取樣的體積。h可寫為 （23.3）式中，N為單位體積的散射元數(shù)目；si為第個(gè)散射體的后向散射截面積。一般來(lái)說(shuō)，氣象散射體能以各種形式呈現(xiàn)，包括水滴、冰晶、雨、雪及它們的混合體。Mie13對(duì)平面波撞擊球形粒子而產(chǎn)生的后向散射能量建立了一般的通用理論。后向散射能量是波長(zhǎng)、粒子的復(fù)折射指數(shù)和比值2pa/l的函數(shù)。其中，a為球形

6、粒子的半徑；l為波長(zhǎng)。當(dāng)比值2pa/l1時(shí)，應(yīng)用瑞利近似10，si變?yōu)?（23.4）式中，為第i個(gè)粒子的直徑，并且有 （23.5）式中，m為復(fù)折射指數(shù)。對(duì)于厘米波段，當(dāng)溫度在020之間，粒子為水態(tài)時(shí) （23.6a）而在冰態(tài)時(shí) （23.6b）式（23.3）現(xiàn)在可寫成（23.7）且雷達(dá)反射率系數(shù)Z可定義為 （23.8）在雷達(dá)氣象學(xué)中，由于通常用毫米作為水滴直徑Di的量綱，應(yīng)考慮1m3單位體積上出現(xiàn)的求和，因此通常Z的單位為mm6/m3。對(duì)于冰粒，Di用冰粒完全融化為水滴時(shí)的水滴直徑給出。為方便起見(jiàn)，常常將水滴或粒子大小的分布看做是數(shù)量密度N(D)的連續(xù)函數(shù)。N(D)是單位體積內(nèi)的粒子數(shù)量，直徑在D

7、D+dD之間。在這種情況下，Z為粒子大小分布的第6階矩，即 （23.9）若雷達(dá)波束中充滿了散射體，那么樣本體積V可近似為10 （23.10）式中，q和f 分別是方位角和俯仰角的波束寬度；c為光速；為雷達(dá)脈沖寬度。將式（23.10）、式（23.2）、式（23.4）代入式（23.1），得到 （23.11）這個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式說(shuō)明，接收功率僅僅是（取決于雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的常量）的函數(shù)，與雷達(dá)反射率系數(shù)Z成正比，與r2成反比。實(shí)際上，天線增益在波束寬度范圍內(nèi)是不均勻的。假設(shè)天線增益是均勻的話，就會(huì)導(dǎo)致在計(jì)算Z時(shí)的誤差。Probert Jones14考慮了這種情況，并假設(shè)天線波束為高斯形，于是得到了如下接收功率

8、的方程式，即（23.12）式中，2ln2為高斯形波束的修正值。應(yīng)用式（23.7）與式（23.8）的關(guān)系，將反射率系數(shù)Z代入后，式（23.12）可寫為 （23.13）用式（23.13）時(shí)要注意單位一致。若用米千克秒制單位（mks），則從式（23.13）中計(jì)算得到的Z的量綱為m6/m3。如果需要轉(zhuǎn)換成更常用的單位mm6/m3，則需乘以系數(shù)1018。因?yàn)樗P(guān)注的Z值可變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以通常用對(duì)數(shù)形式來(lái)表示Z，這里 （23.14）天線波束中充滿了不論是冰粒還是水滴的散射體時(shí)，應(yīng)用瑞利近似就可以用式（23.13）測(cè)得反射率系數(shù)Z。因?yàn)椴⒉荒芸偸菨M足這里的所有條件，所以通常用有效反射率系數(shù)Ze來(lái)代替Z。

9、采用Ze時(shí)，通常理解為上述條件都滿足。雷達(dá)氣象學(xué)領(lǐng)域中的專業(yè)人員經(jīng)常將Ze和Z互換使用，雖然并不正確。最后，很重要的是要注意具有氣象學(xué)意義的Z的取值范圍。對(duì)于非降雨云，小到-40dBZ的Z值是應(yīng)關(guān)注的。對(duì)于清晰的邊界云層，數(shù)量級(jí)為-20dBZ10dBZ的Z值是重要的。在雨天，Z的取值范圍大約從20dBZ起變化到高達(dá)60dBZ，而且在55dBZ到60dBZ類型的雨量將引起嚴(yán)重的洪水。大冰雹雨可使Z的值高于70dBZ。實(shí)際應(yīng)用的雷達(dá)Z值的檢測(cè)范圍一般被設(shè)計(jì)為10dBZ60dBZ，而研究應(yīng)用通常是朝著盡可能大的動(dòng)態(tài)范圍的目標(biāo)發(fā)展。綜上所述，實(shí)際應(yīng)用的雷達(dá)經(jīng)常要用靈敏度時(shí)間控制（STC）來(lái)補(bǔ)償r2的反

10、比例影響，但作為研究用的雷達(dá)通常不用STC，這是由于這樣會(huì)在近距離上有伴隨的損耗靈敏度。23.3 設(shè)計(jì)所要考慮的因素影響氣象雷達(dá)設(shè)計(jì)的最顯著的3個(gè)因素是衰減、距離-速度模糊度及地雜波。綜合這些因素的影響且需要得到足夠的空間分辨力導(dǎo)致了對(duì)大多應(yīng)用氣象雷達(dá)的波長(zhǎng)被選擇在310cm。衰減的影響衰減對(duì)氣象雷達(dá)信號(hào)至少有兩個(gè)方面的不利影響。第一，因?yàn)樗p的存在，對(duì)同方位和同仰角降雨的后向散射能量的定量測(cè)量，距離雷達(dá)較遠(yuǎn)處的測(cè)量就比距離雷達(dá)較近處的測(cè)量要困難得多。這種不能精確測(cè)量后向散射截面積的情況，使降雨量的測(cè)量變得更加困難。第二，若雨或介入介質(zhì)引起的衰減太大，則從強(qiáng)吸收區(qū)域后面的降雨單元來(lái)的信號(hào)就有可

11、能被完全衰減掉，這就會(huì)引起潛在的災(zāi)難性影響。例如，機(jī)載的防暴風(fēng)雨（雪）雷達(dá)，如果有很強(qiáng)的吸收層，就會(huì)有潛在的嚴(yán)重后果。大多數(shù)這樣的雷達(dá)是用3cm的波長(zhǎng)，但也有些是用5cm的波長(zhǎng)。Metcalf15研究了暴風(fēng)雪的陸基雷達(dá)數(shù)據(jù)，此暴風(fēng)雪導(dǎo)致南方航空公司242客機(jī)在1977年墜毀于佐治亞州西北部。機(jī)組人員依靠機(jī)載雷達(dá)穿越了強(qiáng)暴風(fēng)雪。Metcalf出示的證據(jù)也有力地表明了飛機(jī)穿越了那個(gè)區(qū)域，但該區(qū)域的確沒(méi)有回波。實(shí)際上是由于回波嚴(yán)重地衰減而被淹沒(méi)了。而Allen 等人指出，強(qiáng)暴風(fēng)雪對(duì)于5cm波長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收16。在一些氣象雷達(dá)的應(yīng)用中，希望在所選定的傳播路徑上測(cè)量出衰減的大小。其目是因?yàn)槲张c液

12、態(tài)水的含量有關(guān)，因而可以為檢測(cè)像冰雹之類的現(xiàn)象提供有用的信息。這與Eccles和Atlas17描述的雙波長(zhǎng)技術(shù)是一致的。下面的小節(jié)將給出降雨衰減量的表達(dá)式。它們大多取自Bean，Dutton和Warner等人的論文12。Battan的教科書(shū)10也是關(guān)于云雨吸收的很好地補(bǔ)充資料。云的衰減這里把云微?？醋鍪前霃叫∮?00mm或0.01cm的水?；虮！．?dāng)入射波長(zhǎng)超過(guò)0.5cm時(shí)，衰減就不受微粒大小分布的影響。計(jì)算云衰減的通用方程，通常用液態(tài)水含量（g/m3）來(lái)表示水分量。觀察表明，云中的液態(tài)水濃度一般在12.5g/ m3范圍內(nèi)18，但是Weickmann和Aufm Kampe19報(bào)道的幾例中，濃積

13、云上部的液態(tài)水含量達(dá)4.0g/ m3，而在冰云中，很少超過(guò)0.5，而常常小于0.1g/ m3。云微粒的衰減可寫成12 （23.15）式中，K為衰減量（dB/km）；K1為衰減系數(shù)，dB/（km·g·m3）；M為液態(tài)水含量（g/m3）。而且有 （23.16） （23.17）式中，ai為粒子的半徑；r為水的密度；Im代表虛部。Gunn和East給出了在不同的波長(zhǎng)和不同的溫度下冰云和水云的K1值，見(jiàn)表23.1。表23.1 云的單程衰減系數(shù)值K1 , 單位為dB/（km·g·m3） *溫度（）波 長(zhǎng) （cm）0.91.241.83.2水云200.6470.311

14、0.1280.0483100.6810.4060.1790.063000.990.5320.2670.0858-81.250.6840.34（外推）0.112（外推）冰云08.74´10-36.35´10-34.36´10-32.46´10-3-102.93´10-32.11´10-31.46´10-38.19´10-4-202.0´10-31.45´10-31.0 ´10-35.63´10-4注：*依照Gunn和East20。表23.1說(shuō)明了幾個(gè)重要的現(xiàn)象，清楚地表明了當(dāng)衰

15、減隨波長(zhǎng)的增加而下降，波長(zhǎng)l從1cm變到3cm時(shí)，衰減值大約變化一個(gè)數(shù)量級(jí)。表中的數(shù)據(jù)還說(shuō)明，雨云的衰減隨著溫度的下降而增加。冰云的衰減比含水量相同的水云的衰減大約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在所有的實(shí)際應(yīng)用中，冰云對(duì)微波的衰減均可以忽略不計(jì)10。雨的衰減 Ryde兄弟21計(jì)算了降雨對(duì)微波傳播的影響，并表明當(dāng)微波頻率較高，也就是波長(zhǎng)接近于雨滴直徑時(shí)，雨滴的吸收和散射的效果十分明顯。在10 cm波段和更短的波長(zhǎng)時(shí)，這種影響是相當(dāng)大的。但是當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)10 cm時(shí)，這種影響就大大地降低了。這說(shuō)明，懸浮水粒和雨滴的吸收率大于氧氣和水氣兩者的總吸收率22。在實(shí)際中，把雨的衰減表示為降水率R的函數(shù)，這樣表示十分方便。降

16、水率取決于液態(tài)水含量和雨滴的降速，而雨滴的降速又取決于雨滴的尺寸。Ryde23研究了雨對(duì)微波的衰減，并采用了Laws和Parsons24的分布，推導(dǎo)出每公里衰減分貝數(shù)的近似值為 （23.18）式中，KR為總衰減（dB）；K為頻率函數(shù)25；R（r）為沿路徑r的降雨率；r0為傳播路徑的長(zhǎng)度（km）；a為頻率函數(shù)10。Medhurst26指出，在許多的情況，下a=1是好的假設(shè)。根據(jù)Ryde的研究，圖23.1給出了3種載頻（4GHz、6GHz和11GHz）的每英里增加的路徑損耗值。當(dāng)使用理論公式估算降雨衰減時(shí)，最大的不確定性誤差來(lái)自于不同氣候和不同天氣的情況下，各種降速的雨滴大小分布很不清楚。雖然在研

17、究降速問(wèn)題中似乎可說(shuō)一定降速的雨具有某一最有可能的雨滴大小的分布狀態(tài)，但是很難證明這一已知降速的雨滴必定是這種大小的分布27。表23.2表示這一研究結(jié)果，給出不同直徑（cm）和不同降雨率（mm/h）的雨滴占降雨總體積的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)這些結(jié)果，計(jì)算出大小不同的雨滴的吸收截面積。表23.3示出的這一計(jì)算結(jié)果，給出了0.310cm波段內(nèi)在降速不同的雨中每公里衰減值的分貝數(shù)。圖23.1 雨衰減與降雨率的理論關(guān)系表23.2 雨滴大小的分布*雨滴直徑D（cm）降雨率p（mm/h）0.251.252.512.52550100150給定體積內(nèi)包含直徑為D的雨滴的百分?jǐn)?shù)0.0528.010.97.32.61.71

18、.21.01.00.1050.137.127.811.57.65.44.64.10.1518.231.332.824.518.412.58.87.60.203.013.519.025.423.919.913.911.70.250.74.97.917.319.920.917.113.90.30¼1.53.310.112.815.618.417.70.35¼0.61.14.38.210.915.016.10.40¼0.20.62.33.56.79.011.90.45¼¼0.21.22.13.35.87.70.50¼¼¼0.61.11.83.03.60.55¼¼¼0.20.51.11.72.20.60¼¼¼¼0.20.51.01.20