經(jīng)典雷達資料氣象雷達1

1、第23章 氣象雷達RobertJ.Serafin23.1 引言當編寫這本手冊時，雷達氣象學(xué)領(lǐng)域正發(fā)生著巨大的變化。雖然大多數(shù)雷達工程師熟悉當前所使用的氣象雷達，但幾乎沒有人意識到過去20年里在氣象雷達領(lǐng)域中所取得的發(fā)展。例如，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和顯示技術(shù)的多普勒雷達氣象學(xué)發(fā)展得如此迅猛，致使美國正計劃用新一代的多普勒雷達系統(tǒng)（NEXRAD）代替現(xiàn)行使用的氣象雷達網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)將對暴風雪、降雨量、颶風、龍卷風及其他重要天氣現(xiàn)象提供定量的和自動的實時信息，并在空間上和時間上比以往具有更高的分辨力1。在機場終端區(qū)域，第二個多普勒雷達網(wǎng)絡(luò)將對陣風前沿、風切變、微爆和其他天氣危害作出定量測量，以提高

2、美國主要機場運行的安全性12。運用平板天線、彩色顯示器和固態(tài)發(fā)射機的新一代多普勒雷達現(xiàn)在可供商業(yè)飛機使用，而且這些技術(shù)有許多已被世界各國推廣應(yīng)用。氣象雷達研究界采用多部多普勒雷達獲得三維風場3。機載多普勒雷達45已經(jīng)用來模仿這些能力，提供更高的機動性。極化分集技術(shù)6用來辨別水中的冰雪微粒，以提高對降雨的定量測量，并檢測冰雹。同時，在新型雷達系列中，UHF和VHF固定波束系統(tǒng)正被用來得到連續(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，特別是氣象雷達所特有的系統(tǒng)特性。在這一點上，應(yīng)當注意的是大多數(shù)氣象雷達與其他用途的雷達具有很多相似之處，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、焦點饋電、低噪聲固態(tài)接收機、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。氣象雷達和其他用途雷達的主要區(qū)別在于目標屬性的不同。氣象目標分布在空間中，占據(jù)大量雷達觀察的空間分辨單元，且為了估計降雨量、降雨類型、空氣流動、湍流及風切變等參數(shù)，必須對接收信號的特征進行定量的測量。另外，由于許多的雷達分辨單元都含有有用的信息，因此氣象雷達要求有高數(shù)據(jù)率的記錄系統(tǒng)和為實時顯示提供有效的方法89。多數(shù)雷達是為了從雜波背景中分辨出相對來說少量的目標，而氣象雷達則主要是對氣象雜波本身的屬性作出精確地估測。這就給雷達系統(tǒng)設(shè)計者提出了挑戰(zhàn)性的問題。本章的討論將參考大量有用的教科書和參

4、考資料。Battan編寫的教科書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氣象學(xué)的標準課程廣為傳授。Doviak和Zrnic11特別強調(diào)了多普勒氣象雷達。在 “雷達手冊”第一版中，Bean 等人所撰寫的第24章12指出了天氣對雷達的影響問題。最后，由美國氣象學(xué)會（AMS）發(fā)起召開的一系列雷達氣象學(xué)會議的會議錄或是重印的文章，或許會提供有關(guān)該領(lǐng)域進展的最廣泛、最完整的整套參考資料。這些資料可以在大多數(shù)技術(shù)圖書館中找到，也可通過在波士頓的AMS的辦公室得到。23.2 氣象目標的雷達距離方程可以從適用于一般雷達的表達式導(dǎo)出來自分布目標的接收功率。作為

5、開始，下面給出其簡單的表達方式，即 （23.1）式中，b為取決于雷達系統(tǒng)參數(shù)的常量；r為距離；s為雷達目標截面積。計算s時，對氣象目標所采用的雷達距離方程不同于點目標所采用的雷達距離方程，即s可寫為 （23.2）式中，h為以每單位體積目標截面積為計量單位的雷達反射率；V為雷達所取樣的體積。h可寫為 （23.3）式中，N為單位體積的散射元數(shù)目；si為第個散射體的后向散射截面積。一般來說，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、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。當比值2pa/l1時，應(yīng)用瑞利近似10，si變?yōu)?（23.4）式中，為第i個粒子的直徑，并且有 （23.5）式中，m為復(fù)折射指數(shù)。對于厘米波段，當溫度在020之間，粒子為水態(tài)時 （23.6a）而在冰態(tài)時 （23.6b）式（23.3）現(xiàn)在可寫成（23.7）且雷達反射率系數(shù)Z可定義為 （23.8）在雷達氣象學(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。對于冰粒，Di用冰粒完全融化為水滴時的水滴直徑給出。為方便起見，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）這個簡單的表達式說明，接收功率僅僅是（取決于雷達系統(tǒng)參數(shù)的常量）的函數(shù)，與雷達反射率系數(shù)Z成正比，與r2成反比。實際上，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，就會導(dǎo)致在計算Z時的誤差。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）時要注意單位一致。若用米千克秒制單位（mks），則從式（23.13）中計算得到的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。因為所關(guān)注的Z值可變化幾個數(shù)量級，所以通常用對數(shù)形式來表示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，應(yīng)用瑞利近似就可以用式（23.13）測得反射率系數(shù)Z。因為并不能總是滿足這里的所有條件，所以通常用有效反射率系數(shù)Ze來代替Z。

9、采用Ze時，通常理解為上述條件都滿足。雷達氣象學(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。對于非降雨云，小到-40dBZ的Z值是應(yīng)關(guān)注的。對于清晰的邊界云層，數(shù)量級為-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60dBZ，而且在55dBZ到60dBZ類型的雨量將引起嚴重的洪水。大冰雹雨可使Z的值高于70dBZ。實際應(yīng)用的雷達Z值的檢測范圍一般被設(shè)計為10dBZ60dBZ，而研究應(yīng)用通常是朝著盡可能大的動態(tài)范圍的目標發(fā)展。綜上所述，實際應(yīng)用的雷達經(jīng)常要用靈敏度時間控制（STC）來補償r2的反

10、比例影響，但作為研究用的雷達通常不用STC，這是由于這樣會在近距離上有伴隨的損耗靈敏度。23.3 設(shè)計所要考慮的因素影響氣象雷達設(shè)計的最顯著的3個因素是衰減、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)致了對大多應(yīng)用氣象雷達的波長被選擇在310cm。衰減的影響衰減對氣象雷達信號至少有兩個方面的不利影響。第一，因為衰減的存在，對同方位和同仰角降雨的后向散射能量的定量測量，距離雷達較遠處的測量就比距離雷達較近處的測量要困難得多。這種不能精確測量后向散射截面積的情況，使降雨量的測量變得更加困難。第二，若雨或介入介質(zhì)引起的衰減太大，則從強吸收區(qū)域后面的降雨單元來的信號就有可

11、能被完全衰減掉，這就會引起潛在的災(zāi)難性影響。例如，機載的防暴風雨（雪）雷達，如果有很強的吸收層，就會有潛在的嚴重后果。大多數(shù)這樣的雷達是用3cm的波長，但也有些是用5cm的波長。Metcalf15研究了暴風雪的陸基雷達數(shù)據(jù)，此暴風雪導(dǎo)致南方航空公司242客機在1977年墜毀于佐治亞州西北部。機組人員依靠機載雷達穿越了強暴風雪。Metcalf出示的證據(jù)也有力地表明了飛機穿越了那個區(qū)域，但該區(qū)域的確沒有回波。實際上是由于回波嚴重地衰減而被淹沒了。而Allen 等人指出，強暴風雪對于5cm波長也會產(chǎn)生很強的吸收16。在一些氣象雷達的應(yīng)用中，希望在所選定的傳播路徑上測量出衰減的大小。其目是因為吸收與液

12、態(tài)水的含量有關(guān)，因而可以為檢測像冰雹之類的現(xiàn)象提供有用的信息。這與Eccles和Atlas17描述的雙波長技術(shù)是一致的。下面的小節(jié)將給出降雨衰減量的表達式。它們大多取自Bean，Dutton和Warner等人的論文12。Battan的教科書10也是關(guān)于云雨吸收的很好地補充資料。云的衰減這里把云微?？醋鍪前霃叫∮?00mm或0.01cm的水?；虮?。當入射波長超過0.5cm時，衰減就不受微粒大小分布的影響。計算云衰減的通用方程，通常用液態(tài)水含量（g/m3）來表示水分量。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報道的幾例中，濃積

13、云上部的液態(tài)水含量達4.0g/ m3，而在冰云中，很少超過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和不同的溫度下冰云和水云的K1值，見表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 （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說明了幾個重要的現(xiàn)象，清楚地表明了當衰

15、減隨波長的增加而下降，波長l從1cm變到3cm時，衰減值大約變化一個數(shù)量級。表中的數(shù)據(jù)還說明，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數(shù)量級。在所有的實際應(yīng)用中，冰云對微波的衰減均可以忽略不計10。雨的衰減 Ryde兄弟21計算了降雨對微波傳播的影響，并表明當微波頻率較高，也就是波長接近于雨滴直徑時，雨滴的吸收和散射的效果十分明顯。在10 cm波段和更短的波長時，這種影響是相當大的。但是當波長超過10 cm時，這種影響就大大地降低了。這說明，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。當使用理論公式估算降雨衰減時，最大的不確定性誤差來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、究降速問題中似乎可說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數(shù)。根據(jù)這些結(jié)果，計算出大小不同的雨滴的吸收截面積。表23.3示出的這一計算結(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的雨滴的百分數(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