雷达发明于第二次世界大战前夕,当时主要用作测定军事目标的位置,在探测过程中人们发现云、雨等气象目标也会产生回波。因此,从20世纪40年代开始,气象工作者就利用军用雷达来探测和研究气象目标,到了50年代初,已有一些国家先后建立起天气雷达探测站网。由于雷达能够迅速、准确、细致地测定降水区的位置、范围、强度、性质以及它们随时间的变化情况,因而是一种掌握降水动态和提供降水短时预报的有效工具。1953年Barratt和Browne将脉冲多普勒雷达原理应用于大气探测,1960年初开始了多普勒技术在天气雷达中应用的研究,并着手研制多普勒天气雷达。来自大气中各种气象目标物的雷达回波强度、回波形状的演变,以及与之相联系的多普勒速度,都提供了有关目标物本身的信息以及对流和中尺度大气运动对该目标物作用的信息。现今使用的S波段(10cm 波长)和C 波段(5cm波长)天气雷达所观测到的回波绝大多数来自降水,能够随时探测到测站周围半径在几百千米范围内降水的发生、发展、消散、移动等情况。多普勒天气雷达可以探测到降水云内和晴空大气中的水平风场和铅直风场,降水滴谱和大气湍流,可以探测冰雹、龙卷、下击暴流等。天气雷达在天气预报工作中的应用主要是,进行中尺度天气分析以及利用外推法制作临近预报。利用天气雷达覆盖区域内观测到的卫星图像与雷达图像之间的相关关系,通过使用卫星图像可以将雷达的探测范围扩大,以推测雷达覆盖区域范围以外的降水。

天气雷达(测雨雷达)是利用雨滴、云滴、冰晶、雪花等水汽凝结物对电磁波的后向散射特性来得到降水和降水天气系统的发生、发展、位置、移动和性质等的信息。它主要用来探测大气中的云和降水等气象目标,由于天气雷达具有高的空间分辨率和能进行连续跟踪观测,所以雷达回波资料可以准确、细致地反映降水区的详细情况,为暴雨的监视预报提供重要的信息。

一、天气雷达探测降水的工作原理

天气雷达探测降水目标时,由雷达天线发射电磁波,当电磁波遇到降水或某些云目标,一部分电磁波会被散射,雷达接收到从云雨区散射回来的回波信号,经放大器加以放大,并用一定方式显示出来,这样就发现了降水或云的存在。

天气雷达以脉冲方式工作,按照一定的时间间隔向外发射电磁波,遇到目标物后电磁波信号又被反射回来再为雷达所接收。根据发射脉冲和接收到返回信号的时间差,就可由电磁波传播的速度计算出目标物到雷达的距离。微波波段的电磁波是沿着直线传播的,天气雷达通常采用圆形抛物面天线,将向外发射的电磁波能量集中在一个很小的立体角内,当窄波束的电磁波照射到目标物后,目标物相对于雷达所在位置的方位角和仰角便可由雷达天线波束的指向来确定,在获得目标物的方位角、仰角和距离的信息后,就可确定目标物的空间位置。

通过对目标物返回信号强度的测量,由雷达气象方程可计算出目标物对电磁波的散射能力,它通常是用散射截面来表征,对于云雨目标来讲,常选用反射率因子Z 来表征。雷达在测量反射率因子后,可以通过反射率因子与降水强度的统计关系估算出降水强度。

天气雷达常用的波长为3cm、5cm、10cm 等。3cm 天气雷达对降水衰减大,当测站附近出现较强降水时,雷达的探测范围可以缩至50～60km,远处的降水就观测不到了；5cm 天气雷达的降水衰减影响要小一些,但遇到大面积强降水时,也会出现探测能力降低的现象；10cm 天气雷达的降水衰减影响则很小,基本可以忽略。总的来讲,天气雷达对于出现在半径为200km 范围内的降水,一般可以进行很好的探测；对于发展比较旺盛的对流性降水,雷达的有效探测范围可以扩展到300km 或更远一些。

天气雷达是一种景象雷达,一般采用极坐标的形式显示云雨目标的位置,这种显示方式常将雷达测站的位置置于荧光屏的中心,目标物则根据其相对于雷达的方位角(或仰角)和距离显示在相应位置上。天气雷达上的平面位置显示器(简称平显),就采用这种显示方式,除此之外,天气雷达还采用距离仰角显示器和距离高度显示器两种方式。距离仰角显示器用来显示某一方位上降水区的垂直剖面,这种显示器可以很好地显示近距离上降水区的垂直剖面,而当距离远时,由于降水区的高度有限,所以显示的回波就很矮小。距离高度显示器(简称高显),在这种显示器上,等距离线为垂直竖线,等高线为水平横线,但高度的比例已经放大,以便充分利用荧光屏的屏面。

二、反射因子和降水强度

降水区的强度,包括降水的最大强度和降水强度的分布,是根据回波信号的强度及其分布进行运算得到的。利用雷达接收机中的衰减器,可以对回波信号进行人为的衰减,将回波信号一直衰减到在荧光屏上勉强可以分辨时的衰减分贝数N(dB)就是回波信号最大强度的度量。在对回波信号进行逐档衰减过程中,荧光屏上的回波廓线就是等回波强度线,可以反映降水回波内部的强度分布。在雷达气象上常用反射因子Z 来表示降水区的回波强度,它的定义是Z 单位体积中降水粒子直径的6次方的总和。利用雷达气象方程可以得出反射因子Z 与回波信号的衰减分贝数N(dB)之间有如下关系:(www.daowen.com)

式中:C 为决定于雷达参数和降水相态的常数；r为距离。因此,测定了回波信号的衰减分贝数N(dB)和距离r,就可以根据上式或由上式制成的列线图求出降水区的反射因子。在实际应用时,降水区的雨强通常用R 来表示。根据对实测的雨强和雨滴谱资料统计的结果,得到降水强度R 与其反射因子Z 之间有如下经验关系:

式中:A 和b 为经验系数。A 和b 其随降水的类型和地理位置的不同而不同,一般取:

Z 的单位是mm6/m3；R 的单位是mm/h。在各种Z—R 关系式中,A在16.6～730,b在1.16～2.87的范围内。因此,测定了降水区的反射因子Z,也就可以知道降水强度R 及其分布。

雷达探测降水,除Z—R 关系的不唯一性造成测量误差外,回波强度的测量误差,其中包括式Z=Cr2100.1N 中符号C 包括的雷达参数值不准确也会引起测雨误差。此外,地球曲率的影响,距离的影响,大气、云雨对雷达波的衰减作用都会使回波失真从而产生测量误差。

为了减小测雨误差,目前采取用实测雨强来标定回波强度的方式,就是在雷达探测范围内设置能直接向雷达站发送降水情报的自动遥测雨量计,根据当时的雨强标定回波强度,这样可以减小雷达测量误差。

三、雷达定量测量区域降水量

对水文预报非常重要的降水参数是区域(流域)降水量。由于用有限的雨量计测区域降水量精度不高,而雷达能够探测降水的连续分布,因此雷达测量某一区域的降水量,其效果不会比不够稠密的雨量计网测量的结果差。某一段时间内的区域降水量可由该时段内这一区域中各点的累计降水量求得,累积降水量可由对不同时间各点雨强Ri 和其对应时间间隔Ati的乘积RiAti求和得到(即ZRiAti)。在雷达测量区域降水量工作中,为简单起见,可以取Ati=5min,用5min一次的雷达测量求累计降水量和区域降水量。

雷达测量区域降水的精度通常用“等效雨量站密度”来表示,等效雨量站密度是指为获得和雷达测雨有相同精度所需要的雨量器密度。有人做过试验,认为平均说来,雷达测量区域降水量的精度,也即等效雨量站密度为每640km2 设置一个雨量站。此外,也有人得到这样的结果Z 在50km 范围内,雷达测量区域降水量的平均误差小于10%；Z 在50～100km 范围内,平均误差在10%～20%的范围内。在100km 以内,雷达测量降水量的等效雨量站密度为在20km×20km 方格点上设置一个雨量站。由于雷达取得的信息量大,靠人工处理和计算各种数据的工作量很大,雷达定量测量降水工作不可能有实用价值,近年来随着电子技术和计算机技术的迅速发展,雷达定量测量降水已达到自动化数字化实时处理的程度,同时用组网观测方式使雷达能够及时地提供比较大范围的累积降水量分布及其他有用的资料,更好地发挥作用。