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1、872第23章 气 象 雷 达微爆现象Fujita和Caracena65首先发现了发生在1975年的一宗客机坠毁事件是由于微爆现象所引起的。图23.4描述了微爆现象及它对在飞机起飞和降落时的影响。简单地说，微爆现象就是来自对流暴风雪的小规模、短持续时间的向下气流，当这种气流碰撞地面时引起气流“爆炸”。这种“爆炸”的气流径向地扩散，形成0.31km高、直径为25km的发散的气流环。飞机在穿越微爆区时，首先遭遇增强的顶风，持续一段时间后，由于顶风减弱使飞机运转失灵，当飞机在刚好降落前或正好起飞时遭遇到微爆，则会引起飞机坠毁。关于微爆及其对飞行安全的影响在Fujita6667和McCarthy，Se
2、rafin68的论文中有更完整地描述。图23.4 微暴现象的艺术表达及微暴对飞机起飞的影响在接近地面时，速度的丧失是极度危险的。微爆的检测如同飓风的检测一样，是通过切变估计来完成的。然而，在微爆的情况下，通常测量的是径向速度的径向切变。在增强的彩色径向速度分析监视器上，受过训练的观察员能很容易地人工解释微爆现象的特性50。微爆现象可观察到从1050m/s的径向速度的差异。在喷气式飞机跑道的长度上（3km），径向速度的差异为25m/s时，微爆现象就很严重了。对于微爆现象，一个基本的问题是它们的持续时间短，其数量级为15min。峰值强度的持续时间只有12min。1984年，分类、定位和避开风切变计
3、划（CLAWS）69清楚地证明，藉助于多普勒雷达和人工解释的方法对微爆现象可得到提前2min的警报。然而，实际使用多普勒雷达时，要求的是完全自动的检测算法。第二个主要问题是地杂波。由于微爆现象都发生在靠近地面并且降雨量非常小或根本无降雨的区域，因此减轻地杂波的影响是必要的。C波段可作为优选工作频段有几个方面的原因。第一，在同一波束宽度的情况下，C波段的天线比S波段的天线要小，这是用于机场附近雷达的一个重要的考虑因素。第二，因为对于气象雷达来说，远距离的检测不是十分重要，衰减的影响也不是首要考虑的因素。第三，C波段能提供较高的信杂比性能。因为X波段在大雨环境下会产生比较严重的距离-速度模糊和衰减
4、，所以一般不被选为气象雷达的工作频率。机场附近部署多普勒雷达网络的工作预期在20世纪90年代初开始。冰雹NEXRAD雷达将运用与Witt和Nelson所讨论的相似的冰雹检测算法70。这种算法是将高的反射率系数与回波高度、上层径向速度的散度结合起来检测冰雹的发生。最后，极化分集技术也可提高对冰雹的定量检测效果。Aydin，Seliga和Balaji71提出了以正交的极化对反射率测量的冰雹检测技术。这种技术依赖于如下事实：当冰雹出现时，水平方向和垂直方向反射率的比值为1（0dB）。这一点与大雨环境下是截然不同的。在大雨环境下，这个比值可能大到6dB。水平极化的绝对反射率系数和水平极化与垂直极化（不
5、同的反射率）反射率的比值的结合给出了大雨和冰雹的特殊特性。它们都以高反射率因子为其特征。不同反射率特性的区别是容易解释的。大雨滴在下落时呈薄饼形，因此雨滴后向散射的水平极化电场比垂直极化电场要强得多。由于冰雹块形状上的无规则性，下落时好像要翻滚跌倒，所以平均来说在冰雹跌落时不能显现出特定的方向。风的测量Lhermitte和Atlas72首先描述了如何用单部多普勒雷达测量水平风速的垂直剖面。若雷达扫描区域中的降雨量和风速都很均匀，就可以应用这个技术。这种方法取决于仰角固定情况下对雷达全方位扫描期间所测得的径向速度的分析。如图23.5所示，对任意斜距r，扫描区域的直径为，测量的高度为（其中，为仰角
6、）。若b为波束的方位角，Vh为水平风速，Vf为降水粒子的降落速度，则雷达在斜距r上测得的径向速度为 （23.50）用谐波分析可以得到水平风速Vh、风向及降水粒子的降落速度Vf 。这种技术被称为径向速度-方位-显示（VAD）技术。后来，Browning和Wexler73描述了如何推广这种技术来测量包括风场的发散和畸变等其他风场参数。Baynton 等人49描述了如何用彩色增强型径向速度显示器来实时应用VAD。雷暴雨预测Wilson和Schreiber74描述了如何用现代多普勒气象雷达来探测新一轮雷暴雨可能发生的位置。现代雷达有足够的灵敏度以探测到24km的低层晴空大气的不连续性。这种探测主要发生
7、在夏季几个月里。后向散射机制可能是由低层大气和（或）由昆虫引起晴空湍流而使晴空大气的折射率不均匀引起的。Wilson 和Schreiber发现夏季发生在落矶山脉前沿的90%的雷暴雨都集中在这些边界。因为任何云出现前这些边界就会被探测到，又因为通过多普勒测量能够推断空气团会沿这些边界集中，所以对雷暴雨发生的更准确的预测就变得可能了。按照雷达设计师的观点，这种应用技术限定了必须用超低副瓣天线和具有地杂波衰减能力特性的信号处理机。具有50dB或更高的杂波衰减信号处理能力的NEXRAD雷达系统相当适合于这种的任务。图23.5 用单部多普勒雷达测量水平风的径向速度-方位-显示的几何关系图全方位扫描的径向
8、速度测量能对水平风进行测量。23.6 研究应用运转的气象雷达应设计具成有高可靠性和操作简单，同时能提供所需的性能。研究性雷达要复杂得多，因为前沿研究需同时对多个变量给出更详细、更灵敏地测量。在气象雷达研究界，对多参数雷达的研究、多部多普勒雷达网络的研究及机载和天基雷达计划都受到了相当地关注。多参数雷达多普勒雷达能够显著地增加从气象目标获得的有用信息。这一点在上面已提到，通过极化分集技术可增加信息，而多个波长可以为分析云和降雨中的雨滴大小、水相状态及其他水气现象提供另外的输入信息。超短波雷达可用于探测云层的最新发展，而长波雷达对研究严重的暴风雪是必要的。研究者们经常同时需要气象雷达的这些能力。在
9、Hall编辑的论文集中叙述了多参数气象雷达所希望具有的能力6。按照雷达工程的观点，雷达设计师面临着巨大地挑战。他们要改进全相参雷达、极化分集雷达和频率分集雷达。图23.6是国家气象研究中心（NCAR）应用的S波段波长（10cm）和X波段波长（3cm）极化分集多普勒雷达的照片。该雷达系统允许在两个波长上同时测量反射率系数，在S波段这个单一波长测量多普勒参数，在S波段和X波段两个波长上进行极化分集测量。两个波段的天线波束近似地与1波束宽度内重叠。S波段的峰值发射功率为1MW，X波段的峰值功率为50kW。脉冲宽度约为1ms，PRF一般为1000Hz。在多参数雷达的研究领域，该雷达系统代表了当前的技术
10、发展。图23.6 CP2雷达，美国科罗拉多州国家气象研究中心的多参数雷达多雷达系统单部多普勒雷达只能测量单个的径向速度分量。Lhermitte3是首先描述如何用两部或两部以上的多普勒雷达一起扫描以取得降雨中三维气流场详细结构的人员之一。这项开拓性工作开展了运用多普勒雷达网络研究单个和大规模云层系统的道路。这项技术首次使在降雨条件下测量气流场的三维矢量结构成为可能。图23.7示出了用多部多普勒雷达观察到的一个单独的暴风雪对流单元的气流场。它表示了距离地球表面大约100m水平面上的水平矢量场分布。测得的这种现象是一种低空的气流爆破扩散（或叫微爆现象）。图23.8示出了加利福尼亚州正交于强暴风风道的
11、垂直平面上气流场的例子75。快速扫描多部多普勒雷达的应用提供了有关大规模降雨系统中内部风的大量最新信息，而这些信息是不能以其他方式得到的。尽管这种测量技术的能力很强，但是得到的三维气流场的空间分辨力低于2km的数量级。造成这种空间分辨力不高的原因有几个方面。有限的波束宽度限制了在较远距离上的分辨力。对于较近距离，必须在大的立体空间角上进行扫描以覆盖暴风雪的所有区域，而即使假定处于理想暴风雪情况下，整个扫描时间也得要35min。这是由于要对径向速度进行准确测量所必需的波束停留在目标的时间而造成的。最后，在进行测量期间，暴风雪本身也在发生演变和运动。图23.7 在美国科罗拉多州Denver附近用双
12、多普勒雷达对夏季对流暴风雨的水平矢量风场的观察图23.8 加利福尼亚冬季与强暴风风道正交平面上矢量气流的垂直截面图75某些研究需要应用快速扫描技术。这些应用包括；对小范围暴风雪特征的研究，对暴风雪中气流的运动与降水云气发展过程的相互作用的研究，对云中电荷分离的研究。Brook和Krehbiel76首先讨论了高速扫描雷达（虽然是非多普勒的）能有效地获得暴风雪对流的快照。Keeler和Frush77讨论了对快速扫描雷达设计所要考虑的因素。一般来说，任何快速扫描方法都必须围绕两个特征展开：（1）必须有相对宽带的发射机以增加在空间分辨力单元中得到的独立取样数，以减少驻留时间；（2）天线必须能快速地机械扫描或快速地电扫描。也可用几个同时波束和几台接收机来实现。
