天气雷达的工作原理

 RADAR (雷达)一词是RAdio Detection And Ranging的缩写，意思是以无线电波探测及测距。雷达发明于二次世界大战前夕，最初用于军事上。其后雷达应用涵盖多个领域，其中一项重要的用途是天气监察。透过探测大气中的雨点，天气雷达能非常有效地监察在某地出现的恶劣天气，例如热带气旋、雷暴和大雨。

      雷达不停发出微波脉冲，经大气中的雨点反射，通过量度这些反射回来的讯号，就能探测到大气中的降雨。一般来说，反射回来的讯号越强，雨势就越大。至于雨区与雷达之间的距离，则可利用微波往返雨区所需的时间而计算出来。

      近年来多普勒天气雷达越趋普及，它能够量度雨点移近(或远离)雷达的速度。多普勒原理可利用救护车响号的声调转变来解释：当救护车走近时，声调会升高；远离时，声调会降低。换句话说，救护车移近得越快，声调越高。多普勒雷达利用同一原理：雨点移近雷达的速度越快，反射回来的微波频率(即声调)就越高(图1)。透过这个频率转变，可导出雨点移近雷达的速度，从而替乘载这些雨点的风力提供了很好的估算。

图 1 多普勒天气雷达的工作原理

2. 多普勒雷达

2.1 新一代多普勒天气雷达

      常规天气雷达的探测原理是利用云雨目标物对雷达所发射电磁波的散射回波来测定其空间位置、强弱分布、垂直结构等。新一代多普勒天气雷达除能起到常规天气雷达的作用外，还可以利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度，推断降水云体的移动速度、风场结构特征、垂直气流速度等。新一代多普勒天气雷达可以有效地监测暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气的发生、发展；同时还具有良好的定量测量回波强度的性能，可以定量估测大范围降水；多普勒天气雷达除实时提供各种图像信息外，还可提供对多种灾害性天气的自动识别、追踪产品。

      新一代多普勒天气雷达在灾害性天气监测、预警方面，发挥着不可替代的作用。目前我国已建成的新一代多普勒天气雷达主要分S、C两种波段，S波段雷达主要分布在沿海地区及主要降雨流域，C波段雷达主要分布在内陆地区。到"十一五计划"末期，全国将建成158部多普勒天气雷达构成的天气雷达网。

      北京市气象局在1995年就建成了C波段多普勒天气雷达，主要用于对台风、暴雨、冰雹、龙卷风等灾害性天气实施有效的监测和预警。2008年北京奥运会的举办对首都气象服务提出了更高的要求，为更好地解决奥运气象服务的需要，进一步提高监测中尺度天气系统的能力及对暴雨、冰雹等强对流天气的监测预警水平，为2008年北京奥运会提供世界一流气象服务，2006年由北京市人民政府和中国气象局联合投资，北京市气象局在南郊观象台（亦庄）新建一部S波段多普勒天气雷达，该雷达的建成使北京市气象局更加准确地获取北京市及周边地区大范围面雨量、风场和云中含水量等大量实时探测资料。

      通过北京新一代多普勒天气雷达系统的建设，大大增强了对北京地区各种灾害性天气的监测预警能力，提高了短时临近天气预报水平,为北京市经济建设、人工影响天气和防灾减灾提供了更加有效、优质的气象服务。

      C波段天气雷达（CINRAD/CC）

北京市气象局的C波段多普勒天气雷达可以对台风、暴雨等大范围强降水天气的监测距离大于400并能获取150公里半径范围内的降水区降水及风场信息，可对150公里半径范围内的降雨进行较准确估测。与常规天气雷达相比，CINRAD/CC雷达增加了风场信息，能有效地监测和预报阵风锋，下击暴流，热带气旋，风切变等灾害性天气。

图1：北京市气象局C波段多普勒天气雷达塔全貌

图2：北京市气象局C波段多普勒天气雷达产品图（回波强度）

      S波段雷达（CINRAD/SA）

      北京新一代S波段多普勒天气雷达可以监视半径为400公里范围的地区内台风、暴雨、飑线、冰雹、龙卷等大范围强降水天气，对雹云、龙卷气旋等中小尺度强天气现象的有效监测和识别距离可达230公里，可在距离雷达150公里处识别雹云中尺度为2～3公里的核区，或判别尺度为10公里左右的龙卷气旋。其先进的技术手段将显著增强对暴雨、冰雹等灾害性天气的监测和预警能力，进一步提高降水预报的时间、空间分辨率，实现降水预报的定点、定量、定时化，为工农业生产和人民生活提供更好的气象预报服务。

图3：南郊S波段天气雷达塔全貌

图4：南郊S波段多普勒天气雷达产品图（回波强度）

图5：南郊S波段多普勒天气雷达产品图（回波径向速度）

2.2 雷达的工作原理

      1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。

      由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。

      为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛声听起来就显得低沉。

      用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。

      多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。

      多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。

      常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。

      20世纪40年代中期，也就是多普勒发现这种现象之后大约100年，人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差（称为多普勒频率），根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备以及科学研究、业务应用装置。

      多普勒天气雷达，是以多普勒效应为基础，当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时，通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5～10厘米，除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用，它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运动速度，从而推断降水实体速度分布、风场结构特征、垂直气流速度等，这对研究降水的形成、分析中小尺度天气系统、警戒强对流天气等具有重要意义，这是以往天气雷达做不到的。因此，被称为智能型探测系统。

2.3 雷达图

如何看懂天气雷达图

借助雷达回波图，可了解降雨系统的强度、大概位置和移动方向，有助于公众从容躲避雨水的侵袭。

雷达向空中发射出电磁波时，遇到降水粒子，会部分被反射回来。通过一定的计算方法，预报员便可获知降水粒子的密度及直径大小。借助这些数据，预报员可以勾勒出较为精细的雷达回波图。

打开中央气象台的官方网站（www.nmc.cn)，最先进入视野的是一张全中国地图。在图上，明暗光线错落有致（明亮的区域代表被雷达监测到的地区），并点缀着“五彩斑斓“的色块（有色块出现的区域为降雨系统的活动地盘）。这就是一张典型的雷达拼图。一个雷达探测范围的半径最多能够达到大约230公里，为了能够实时监测全国各地降水系统的“神出鬼没”，碎片化的区域雷达监测图被拼接成一张完整的全国雷达图。

轻点鼠标，华北区域的雷达回波图展现在眼前。下图“忠实”地记录了2012年7月21日下午，华北地区出现的一次降水过程。

2012年7月21日 14时40分

2012年7月21日 14时50分

注：从上面两张图可以看出，降雨系统移动较为缓慢，且强度变化不大。

在雷达图上，从蓝色到紫色的渐进变化，代表回波强度由小到大（10—70DBZ,DBZ为反射率因子单位，数值越高，代表降水强度越大），降雨强度逐渐提升。

一般而言，蓝色回波对应的区域表示当地被降水云系笼罩，但尚未出现降雨；绿色回波覆盖的区域代表当地正沉浸在绵绵细雨之中；黄色到红色回波覆盖的区域有中到大雨现身；而“披上紫色回波”的区域降水强度最大，该地区正“沦陷”于暴雨、甚至大暴雨之中，并有可能伴随雷电大风甚至冰雹等剧烈天气。从2012年7月21日14点40分的华北区域雷达图上可以看出，河北、北京、山西等地都已经出现了降水回波，在北京。回波呈黄色，部分地区呈红色，说明当地有较强的降雨出现。

如何识别强对流系统未来的移动趋势，对于防范“惹不起、躲得起”的“雨神”同样至关重要。降水系统的移动速度和方向与地形密切相关。如若在平地，强对流系统的移动方向和速度就不会发生太大变化。在一般情况下，中央气象台网站上所发布的天气雷达图平均每10分钟更新一次。从2012年7月21日下午华北地区雷达回波的多时次动态图上可以看出，14时40分，影响西北以及华北地区的降雨系统呈东北-西南走向，稳定地向着东偏南方向缓慢移动，强度变化不大。

大自然瞬息万变，天气系统的生消及强弱变化需要预报员根据雷达图和长期的经验积累以及数值预报等专业工具综合判定。

因此，当人们在雷达回波图上看到降水系统靠近自己所在区域时，就需要主动关注本地气象台发布的短时临近预报及预警信息，并按照预警中的要求，采取相应的防范措施。