第8章 气象雷达检测天气

我国古代神话中有千里眼和顺风耳的故事。而雷达就是科学的千里眼。雷达是一种无线电装置，其英文名称是RADAR（即Radio Detecting and Ranging的缩写），是无线电探测和定位的意思。早期的雷达主要用于军事目的。现在已广泛用于航空、航海、气象、科学研究等各个方面。用来观云测雨的雷达，就是天气雷达，已成为气象部门监测天气实况和预报未来天气的有力工具。

专门用于大气探测的雷达，属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。

气象雷达通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线电波，它在传播过程中和大气发生各种相互作用。如大气中水汽凝结物（云、雾和降水）对雷达发射波的散射和吸收；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用，无线电波的空气折射率不均匀结构和闪电放电形成的电离介质对入射波的散射，稳定层结大气对入射波的部分反射；以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等。

气象雷达回波不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号的振幅、相位、频率和偏振度等确定目标物的各种物理特性，例如云中含水量、降水强度、风场、铅直气流速度、大气湍流、降水粒子谱、云和降水粒子相态以及闪电等。此外，还可利用对流层大气温度和湿度随高度的变化而引起的折射率随高度变化的规律，由探测得到的对流层中温度和湿度的铅直分布求出折射率的铅直梯度，并通过分析无线电波传播的条件，预报雷达的探测距离，也可根据雷达探测距离的异常现象（如超折射现象）推断大气温度和湿度的层结。

雷达定位的基本原理并不复杂。雷达定向地发射出电磁波（称为发射波），发射波遇到目标物后，被散射波的一部分由雷达接收下来。雷达采用极坐标扫描方式，记录下雷达所指向的方位，就确定了目标物相对于雷达的方位。有了距离和方位，目标物这个点就定下来了。云雨是一种特殊的目标物。云雨中的云滴、雨滴、雪晶、冰粒等降水粒子能够散射雷达波，当它们散射回来的能量足够大时，雷达就能识别出来，而在雷达荧光屏上显示出云雨的彩色图像，这就更为直观和定量。训练有素的雷达工作人员根据这些图像，判断这个云雨目标物的性质，是降雨还是降雹，是否伴有雷电大风，未来移向何处，是加强还是减弱等。

多普勒天气雷达是利用多普勒效应工作的。不知你是否有过这种体验，当你位于火车站台上，远处有一列火车向着你驶来时，你听到火车的鸣笛声会变得越来越尖锐；当这辆列车经过你面前又逐渐远去时，火车鸣笛声会变得越来越低沉。这是由于声源对于你有相对运动，你感受到的声源频率有所改变了。这就是多普勒效应。多普勒天气雷达在探测云雨时，云滴等降水粒子相对于雷达也有运动，这个运动在雷达所指的经向上有个分量，这个分量是朝向雷达或者背离雷达的，由于多普勒效应降水粒子散射回来的雷达波（称为回波）的频率比发射雷达波有所偏离。多普勒雷达能测量到这个频率偏移，通过这个频率偏移来了解云中降水粒子的运动情况，从中提取丰富的气象信息。因而具有多普勒功能的天气雷达，对于监测雷雨大风、冰雹大风、龙卷、下击暴流、低层风切变等强对流天气更为有利。多普勒天气雷达在定量测量降水量方面，也具有更先进的功能，还能增强我们对暴雨的监测能力。