氣象雷達

氣象雷達原圖鏈接來自 陝西科普 的圖片

氣象雷達，或稱氣象監視雷達（WSR），是用來探測大氣中的降水類型（雨、雪、冰雹等）、分布、移動和演變，並可對其未來分布和強度作出預測的一種雷達設備。

現代氣象雷達大部分屬於脈衝多普勒雷達，可以監測降水的分布及強度。這些數據可以用來分析風暴的結構以及其能否在未來造成惡劣天氣。

目錄

歷史

20世紀60年代利用雷達技術探測到發生在美國雙子城的龍捲風及形成它的超級單體風暴。

第二次世界大戰期間，軍事雷達操作員就注意到了因雨、雪、凍雨等天氣因素接收到的回波噪聲。戰後，原本的軍事科學家得以繼續研究如何利用那些回波。前美國空軍、後任職於麻省理工學院的大衛阿特拉斯，開發了第一個實用氣象雷達。在加拿大，馬修和道格拉斯於蒙特利爾成立了「風暴天氣小組」。馬修和他的博士生沃特帕瑪（Walter Palmer）專精於研究中緯地區降水滴譜，並由此發現了降水速率和雷達反射率之間的關係。英國則繼續進行雷達回波模式和氣象要素如層雲降水和對流雲之間關係的研究，並試驗了1~10cm範圍內的不同波段效果。

1953年，從事伊利諾伊州水資源調查工作的電氣工程師唐納史戴格，第一次利用雷達記錄到與龍捲風相關的鈎狀回波。

工作原理

發射雷達脈衝

從雷達站發射出的一束雷達波隨着與發射點距離的增加穿過的空間體積也增大。

氣象雷達通過空腔磁控管或調速管連接導波管，再連接一個拋物面天線而定向地向空間發射微波脈衝。氣象雷達所發射微波波長在1-10cm範圍，大致是雨滴或冰晶直徑的10倍左右，在該頻率下，瑞利散射效應最為強烈。這樣可以確保雷達波的一部分能量能夠從微粒表面反射回雷達站所在方向。

若雷達發射更短波長的脈衝，則可以用來檢測更加微小的雲滴，不過信號的衰減也更為強烈。因此10cm波段的氣象雷達被廣泛使用，但其成本也遠高於5cm波段的雷達系統；3cm波段雷達僅使用於超短距離範圍內的監控；而1cm波段的雷達僅用於毛毛雨或霧等微粒天氣現象的研究。

雷達波會以球面波的形式從雷達站向外傳播。這會導致在相同時間內，雷達波所穿過的空間體積會隨着距雷達站距離的增大而增大，因此雷達的角坐標分辨率也隨之下降。當雷達波射程達到150-200km探測範圍時，單脈衝所掃描到的大氣體積可能會接近1km3，稱為脈衝體積。

確定高度

如果假定地球是一個球體，通過大氣折射率和雷達站與天氣系統間的水平距離，我們就可以計算天氣系統的距地高度。

雷達系統會根據需要掃描一系列的特定角度。每一次掃描過後，天線都會為下一次探測進行高度調整。雷達站會重複這種方式來掃描不同角度，以探測到其周圍儘可能大體積的空氣。通常情況下，探測方圓250km、縱深15千米範圍內的大氣需要5到10分鐘的時間。比如加拿大的5cm波段氣象雷達的掃描角範圍設定為0.3至25度。

視頻

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