多普勒天气雷达原理与业务应用

多普勒天气雷达原理与业务应用

姬海斌 侯凯

中国飞行试验研究院 陕西西安 710089

摘要：多普勒雷达是世界上目前为止最先进的雷达，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒天气雷达能够监测到与地面垂直距离在8－12公里范围内的对流云层的产生和变化，能够判断云层的移动速度，对于天气的预报结果而言会极大的减小误差。为了对天气进行精准预测，各类型的天气探测设备不断涌现，本文主要是对多普勒天气雷达的原理和应用范围进行简单分析。

关键词：多普勒天气雷达、原理、应用

引言：随着科学技术的发展和社会的进步，人们对不可控事物的掌控欲望逐步增强。天气的变化是影响人们劳作、改变人们生活规律的主要原因，以前天气的不可预测性使人们不能够根据天气进行合理的劳作安排。因此人们开始向探测天气方面进行研究，多普勒天气雷达是目前为止最有效的天气探测设备。其应用范围宽泛，探测效果优良。

天气雷达的工作原理和普通的雷达一样，通过定期向高空发射电磁脉冲，之后通过接收器接受被高空气象反射回来的电磁脉冲，并通过计算机进行处理和显示，达到探测天气的目的。

1842年，奥地利数学家多普勒在经过铁路交叉处时，发现了火车由远及近时汽笛声变响，反之亦然。他对这种现象进行研究，研究表明这种现象时由于震源与观察者之间产生了相对运动。后人为了纪念，将这种现象称之为多普勒现象。二十世纪七十年代以来，多普勒效应被广泛用于武器火控和天气探测等方面。多普勒天气雷达比一般天气雷达发射的电磁脉冲波长更短，并且能够在探测降雨位置、强弱基础上可以帮助分析天气的性质以及对流天气等^[1]。

多普勒天气雷达的主要应用领域

1.强对流天气的监测和预警

强对流天气包括雷暴、雷暴大风、冰雹、暴雨和龙卷风等天气现象。一般而言，强对流天气都是危险天气，对于人们的日常生活和社会生产会产生重大影响。因此对于强对流天气的监测显得尤为重要，多普勒天气雷达对于研究强对流天气具有重要意义。对于风暴的研究，不同的角度具有不同优劣性，从简单的二维回波区域到具备显示具有物理意义的三维虚拟体，为强对流天气的跟踪和提前预测展开了新的发展层面。根据强对流中心的组合反射率可以直接的观察强回波的中心位置，能够有效的确定强对流的结构和强度预测，对于预测风暴具有直接作用。应用多普雷天气雷达可以对强对流天气进行垂直积分液态水的分析，能够反映出水滴的大小，利用这一特性可以进行风暴和冰雹的分辨，高强度的垂直积分液态水可以反应并帮助识别回波，进而确定冰雹出现的概率。冰雹出现的概率由多普勒天气雷达进行确定，再与其他能够确定冰雹强度、范围的设备就能够确定冰雹出现的位置，达到对于强对流天气的监测目的。当雷达设备显示的数值超出所规定的范围时，表明强对流天气对于日常生活会产生影响，需要对其进行预警通知。

2. 大范围降雨的监视和雨量分析

多普勒天气雷达的雷达参数都是经过准确的校正和测定的。通过对该雷达的使用数据进行总结分析可以对低空急流、暴雨落区进行比较研究。雷达运行的过程中会对产生的数据进行自动校准和监测，雷达所发射的电磁脉冲在被接受装置接收时，雷达系统会依据当地的降水关系对降雨强度进行时间的积累后形成降雨量的显示图。多普勒天气雷达受到云层高度和高空气流的影响，预测值与实际值会产生误差。^[2]表明多普勒天气雷达的实际预报作用有着明确的意义。

3.风场特征的判断

多普雷天气雷达的天线是根据计算而得的固定角度进行摆放，这样根据倾斜放置的天线可以通过接收装置接收到以雷达为中心点的固定角度的空间速度与位置的分布图，通过计算机程序的计算可以得到雷达监测范围内空间高度的风向、风速的理论数值，虽然与实际数据略有误差但是误差度极小，可以根据此工作原理对大范围的高空进行风场特征的预测。根据多普勒天气雷达得到的风场信息可以经过一定的技术处理得到风场的二维形势图和对强对流天气的预测帮助。多普勒气象雷达的探测风场反演技术可以将风场的存在通过一些软件进行理想化处理^[3]，极大地加强了人们对于风场的直面认知。

4.航空领域气象预报

天气因素对于飞机是否能够正常飞行具有极大的影响，会限制航空飞行任务^[4]。在航空经济方面，如果在出现强对流天气的情况下仍旧进行航空飞行，那么会造成极大地经济损失。气象雷达对于预测天气的效果能够减少航空领域的经济损失，对于更加先进的多普勒气象雷达而言，能够更大程度的减少航空领域的经济损失。

5. 气象雷达网的组成

多普勒天气雷达已经成为了针对自然天气灾害的预测手段之一。基于多普勒天气雷达在气象方面的优秀作用，部分国家开始对该雷达进行组建雷达网，如美国于上世纪末开始大量生产多普勒天气雷达并对其进行组建天气雷达网，作为美国进入气象先进预测化的引导者。加拿大用六年的时间完成了多普勒雷达网的建设，使用了三十余台多普勒天气雷达。欧盟建设的雷达网成为世界上的两大雷达网之一。多普勒天气雷达不仅具有以往雷达的优秀特点，还具备了以往雷达不具备的风场特征预测能力。气象雷达网的形成能够极大地监测所覆盖范围的天气情况，尤其是对强降雨、风暴的检测。科技的发展使得多普勒天气雷达也在不断的进步，多普勒雷达也在进行着优化，如双偏振天气雷达、多波长雷达等。我国也在着手建立属于自己的全面的有效监测气象的雷达网。

结束语

社会的不断进步引发了人们对于更加美好生活的向往，多普勒天气雷达满足了人们对于气象方面的预测，使得气象探测领域的发展大大提高。该雷达的出现减轻了气象方面的严重天气对人们生活的影响。但是多普勒天气雷达的设备成本较高并且运行的负压很大，所以如果使用多普勒天气雷达就要对其进行运行环境的监管并时刻关注着设备的运行状态。

参考文献

[1] 张晰莹，郑凯，《多普勒天气雷达与711天气雷达应用的对比分析》，黑龙江气象，2003

[2] 刘治国，何香莲，王锡稳，《兰州新一代天气雷达降水估计的误差来源》，甘肃气象，2003

[3] 祁月皎，王旭，多普勒天气雷达二维理想均匀风场的数值模拟，成都信息工程学院学报，2014

[4] 曹阳，机场终端区多普勒天气雷达，《通讯世界》，2017