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氣象多普勒雷達

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氣象多普勒雷達在20世紀60年代初期開始研製脈衝多普勒雷達,早先使用的多普勒雷達,天線是鉛直指向的,它測量得到的多普勒速度是降水粒子相對空氣的下落速度和鉛直氣流速度之和。

1 氣象多普勒雷達 -氣象多普勒雷達

 

2 氣象多普勒雷達 -正文

  除具有一般天氣雷達的功能外,還可用多普勒效應來測量雲和降水粒子等相對於雷達的徑向運動速度(叫作多普勒速度)的雷達。20世紀60年代初期開始研製脈衝多普勒雷達,它是研究雲和降水物理學、雲動力學、中小尺度天氣系統(特別是監視龍捲)的重要工具。
  原理  當雷達發射機和接收機在同一位置時,若目標相對於雷達的徑向運動速度為vr, 則發射波和回波間的頻率差(也叫多普勒頻偏)為f=2vr/λ。其中λ是雷達發射波的波長,因此,測定f即可求出速度vr。降水粒子的多普勒速度既受到降水雲中氣流(包括湍流)的影響,也受到降水粒子自身降落速度的影響,因此在合理的假設下,可以用其推得大氣水平風場、鉛直氣流速度、大氣湍流和降水滴譜等信息。在晴空時,還可以藉助晴空回波(見氣象雷達回波)或撒放的金屬箔的回波來取得大氣流場的信息。

  性能  早先使用的多普勒雷達,天線是鉛直指向的,它測量得到的多普勒速度是降水粒子相對空氣的下落速度和鉛直氣流速度之和。在各種假設之下,根據水滴下落末速度和水滴直徑間的已知關係,可以通過鉛直指向探測,取得雨滴譜和氣流鉛直速度的資料。後來進一步發展,將雷達天線的仰角固定在一定值上作方位掃描,這樣可以得到一定仰角下目標徑向速度隨方位的分佈。相應的顯示方式叫速度-方位顯示 (VAD)。由此所得資料,通過數學運算可以推得雷達站上空各高度上的風向、風速和水平散度。這種方法可以快速地測量幾公里到幾十公里範圍內風隨高度的分佈。風速的測定誤差約為 0.5米/秒。如果將雷達天線的方位固定,不斷地改變仰角,由這種掃描方式得到的距離-高度-速度顯示(RHV),可以給出掃描方位上風速分量的鉛直剖面(圖2)。在天線近於水平的情況下作方位掃描時,相應的顯示方式為平面切變顯示(PSI),它可顯示出強風切變和渦旋存在的區域。對監測龍捲(見彩圖)、冰雹等災害性天氣很有用處。利用雙多普勒雷達或三多普勒雷達的聯合探測試驗,還能夠獲得降水系統的三維運動的詳細結構。

  

  在多普勒雷達的發展和應用中存在的重要問題之一是多普勒雷達的作用距離和速度最大可測值之間的矛盾。因此,只能根據實際需要,在速度最大可測值和最大作用距離之間採取某種折衷方案。儘管如此,由於多普勒雷達能夠確定降水系統的三維運動的詳細結構和比較有效的探測龍捲等強天氣,它正日益廣泛地被應用於許多科學研究工作中。
  參考書目
 L.J.Battan,Radar Observation of the Atmosphere,The Univ.of Chicago Press,Chicago,1973.

 

3 氣象多普勒雷達 -配圖

 

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