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气象雷达

Wikipedia · 2023-11-08 维基百科 👁 1 阅读

奧克拉荷馬州}-的一座气象雷达，其后为降水雨幡。]]

气象雷达，或称气象监视雷达（），是用来探测大气中的降水类型（雨、雪、冰雹等）、分布、移动和演变，并可对其未来分布和强度作出预测的一种雷达设备。

现代气象雷达大部分属于脉冲多普勒雷达，可以监测降水的分布及强度。这些数据可以用来分析风暴的结构以及其能否在未来造成恶劣天气。

历史
的龙卷风及形成它的超级单体风暴]]
第二次世界大战期间，军事雷达操作员就注意到了因雨、雪、冻雨等天气因素接收到的回波噪声。战后，原本的军事科学家得以继续研究如何利用那些回波。前美国空军、后任职于麻省理工学院的，开发了第一个实用气象雷达。在加拿大，和于蒙特利尔成立了“风暴天气小组”。和他的博士生沃特帕瑪（Walter Palmer）专精于研究中纬地区降水滴谱，并由此发现了降水速率和雷达反射率之间的关系。英国则继续进行雷达回波模式和气象要素如层云降水和对流云之间关系的研究，并试验了1~10cm范围内的不同波段效果。

1953年，从事伊利诺伊州水资源调查工作的电气工程师，第一次利用雷达记录到与龙卷风相关的钩状回波。

1950到1980年间，用于定位天气系统及探测降水强度的反射雷达气象服务在世界范围内建立起来。早期的气象学者-{zh-hans:通过; zh-tw:透過}-阴极射线管来获取-{zh-hans:信息; zh-tw:訊息}-，到了20世纪70年代，雷达观测开始标准化并组成观测网。第一个雷达回波成像设备誕生后，雷达发展到可以扫描降水系统的三维层面，使等高平面的景象和垂直的状况均能够得以展现。加拿大的和美国的因此得以研究雷暴结构。

美国国家强风暴实验室始建于1964年， 起初研究双偏振信号和多普勒效应在气象雷达上的应用。1973年5月，一个龙卷风袭击了奧克拉荷馬市}-西部的。该实验室的10cm波段多普勒气象雷达第一次记录下了龙卷风整个生命周期。 这一成果发现了龙卷风发生前高空云的中尺度涡旋：， 1993年，麦吉尔大学的雷达观测站也采用了多普勒雷达。完整的加拿大多普勒气象雷达网在1998到2004年间建成。法国和其它欧洲国家则直到90年代末二十一世纪初才逐步采用多普勒网络系统。期间，受惠于计算机技术的迅猛发展，科学家们已经可以利用计算机算法分析恶劣天气并由此开发了一系列的供给媒体公示或科学研究的气象产品。

2000年后，双偏振技术投入了实用，增加了关于有效降水类型（如雨和雪的对比）的-{zh-hans:信息; zh-tw:訊息}-获取。“双偏振”是指既能发射和接收水平偏振波又能发射和接收垂直偏振波的微波辐射。预计美国、法国和加拿大等国家将在近十年大规模发展该技术。

2003年起，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）就开始着手用電子掃描陣列雷達}-代替传统的抛物形天线，以便在大气探测中获得更高的时间分辨率。这对获取预测强雷暴发展过程的-{zh-hans:实时; zh-tw:即時}-数据尤为重要。

同年，美国国家科学基金会（NSF）成立了合作，这是一个跨学科、涉及多所大学的工程师、计算机科学家、气象学者和社会学家参与合作的机构，他们利用成本低廉、扫描迅速的双偏振-{zh-hans:相控阵雷达; zh-tw:電子掃描陣列雷達}-，获取较少为人探索的对流层低层资料，进行相关基础研究、新技术开发并部署样机，以加强现有的雷达系统。

工作原理
发射雷达脉冲
气象雷达-{zh-hans:通过; zh-tw:透過}-空腔磁控管或调速管连接导波管，再连接一个抛物面天线而定向地向空间发射微波脉冲。气象雷达所发射微波波长在1-10cm范围，大致是雨滴或冰晶直径的10倍左右，在该频率下，瑞利散射效应最为强烈。这样可以确保雷达波的一部分能量能够从微粒表面反射回雷达站所在方向。

若雷达发射更短波长的脉冲，则可以用来检测更加微小的云滴，不过信号的衰减也更为强烈。因此的气象雷达被广泛使用，但其成本也远高于的雷达系统；雷达仅使用于超短距离范围内的监控；而的雷达仅用于毛毛雨或雾等微粒天气现象的研究。

在任意时刻任意空间位置一列给定的雷达波所占据的体积可由下式大致-{zh-hans:给出; zh-tw:計算}-：

\, {v = h r^2 \theta^2}

该公式假定雷达波是球面均匀发射的，“r”远大于“h”以确保其在该列波起止点能够大致相等，而所截得的几何体为一个高为h的台体

标定强度
由于探测范围内的目标并不唯一，基本雷达-{zh-hans:方程; zh-tw:方程式}-必须做以下变形：

:P_r = \left [P_t{{ G^2 \lambda^2 \sigma_0}\over{{(4\pi)}^3 R^4}} \right] \propto \frac {\sigma_0} {R^4}
其中 \,P_r 代表接收功率； \,P_t 代表发射功率；\,G_t 代表天线增益；\,\lambda 代表雷达波波长；\,\sigma 是目标的雷达有效截面积；\,R 指雷达站与目标间的距离。

在这种情况下，我们必须把所有目标单体（降水微粒）的雷达有效截面积相加：
:\sigma_0 = \bar \sigma_0 = V \sum \sigma_{0j} = V \eta
::\begin{cases} V\quad= scanned\ volume \\ \qquad= pulse\ length\ \ X\ beam\ width \\ \qquad= \left[\frac {c\tau}{2} \right] \left[\frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \right] \end{cases}

这里\,c 代表光速； \,\tau 代表脉冲周期； \,\theta 是弧度制下的脉冲宽度。

联立前两式，得：
:P_r = \left [P_t{{ G^2 \lambda^2 }\over{{(4\pi)}^3 R^4}} \right] \left[\frac {c\tau}{2} \right] \left[\frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \right] \eta = \left [P_t \tau G^2 \lambda^2 \theta^2 \right] \left[\frac {c}{512(\pi^2)} \right] \frac {\eta} {R^2}

由上式可得：
:P_r \propto \frac {\eta} {R^2}

我们可以注意到回波强度和\, R^2成反比而非与\, R^4成反比，为了能够比较不同距离上的回波数据，我们必须利用这个比率进行换算。

非氣象回波
軍用干擾絲
槽化現象
指的是當低層大氣存在逆溫(Inversion) 現象，或者剛下過雨使得近地面的空氣相當潮濕的狀態下，空氣的折射率將隨高度上升而迅速減小，進一步使雷達電磁波在大氣中傳遞的過程向折射率大的一方偏移，這種電磁波偏移的過程又稱為超折射(Super refraction)現象。當偏移的狀況過於極端，造成雷達波下彎照射到海面或陸地，來自地表的反射能量被雷達接收到，使雷達螢幕上因此出現大範圍弱回波區，這種回波屬於非氣象回波，該處實際並無降雨發生。

参见
相關文章
*雷達
*氣象站

外部链接
;普通

** [http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0434%281998%29013%3C0219%3AHOOUOW%3E2.0.CO%3B2 Part I: The Pre-NEXRAD Era.]
** [http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0434%281998%29013%3C0244%3AHOOUOW%3E2.0.CO%3B2 Part II : Development of Operational Doppler Weather Radars]
** [https://web.archive.org/web/20130215212436/http://www.magazine.noaa.gov/stories/mag151.htm Weather Radar development (for the USA), highlight of National Severe Storms Laboratory's first 40 years]National Severe Storms Laboratory

:* [https://web.archive.org/web/20060630014639/http://www.msc-smc.ec.gc.ca/cd/factsheets/weather_radar/index_e.cfm Commons errors in interpreting radar by Environment Canada]
:* [https://web.archive.org/web/20060515064153/http://www.msc.ec.gc.ca/education/teachers_guides/module2_weather_radar_detecting_precipitation_e.html Short weather radar course for teachers by Environment Canada]

;網絡及雷達研究

:* [http://www.cimms.ou.edu/~schuur/radar.html POLARIMETRIC RADAR RESEARCH]
:* [http://www.srh.noaa.gov/srh/sod/radar/radinfo/radinfo.html NOAA information on radars]
:* [http://www.srh.noaa.gov/srh/sod/radar/radinfo/about.html More NOAA info]
:* [https://web.archive.org/web/20061111142111/http://www.nssl.noaa.gov/researchitems/radar.shtml NOAA research on radars]

;真實數據

引用文献
人物生平

  • David Atlas, Radar in Meteorology: Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference, published by American Meteorological Society, Boston, 1990, 806 pages, ISBN 0-933876-86-6, AMS Code RADMET.
  • Yves Blanchard, Le radar, 1904–2004: histoire d'un siècle d'innovations techniques et opérationnelles , published by Ellipses, Paris, France, 2004 ISBN 2-7298-1802-2
  • R. J. Doviak and D. S. Zrnic, Doppler Radar and Weather Observations, Academic Press. Seconde Edition, San Diego Cal., 1993 p. 562.
  • Gunn K. L. S., and T. W. R. East, 1954: The microwave properties of precipitation particles. Quart. J. Royal Meteorological Society, 80, pp. 522–545.
  • M K Yau and R.R. Rogers, Short Course in Cloud Physics, Third Edition, published by Butterworth-Heinemann, January 1, 1989, 304 pages. EAN 9780750632157 ISBN 0-7506-3215-1
  • Roger M. Wakimoto and Ramesh Srivastava, Radar and Atmospheric Science: A Collection of Essays in Honor of David Atlas, publié par l'American Meteorological Society, Boston, August 2003. Series: Meteorological Monograph, Volume 30, number 52, 270 pages, ISBN 1-878220-57-8; AMS Code MM52.
  • V. N. Bringi and V. Chandrasekar, Polarimetric Doppler Weather Radar, published by Cambridge University Press, New York, United States, 2001 ISBN 0-521-01955-9

來源

#雷达 #氣象儀器和設備 #雷達氣象學

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