鬼父 影音先锋 新新:新一代天气雷达发展规划国外发展动态技术报告（二）

报告名称：天气雷达发展新技术报告

主持单位：中国气象局监测网络司

完成人员：黄晓、张沛源、梁海河

完成日期：2004年5月28日

天气雷达发展新技术

一、相控阵多普勒天气雷达技术（Phased Array Radar）

　　一些发达国家提出了研制相控阵多普勒天气雷达的设想。相控阵多普勒天气雷达，主要优势是可以提高获取资料的时间分辨率、进一步提高探测能力。从技术上看，相控阵雷达跟踪孤立的目标是成熟的，但相控阵天气雷达对分布体目标的强度场和速度场的探测能力有待研究；即使是技术上可行，相控阵天气雷达的阵面天线造价十分昂贵，近十年内在发展中国家实现业务化和组网是难以实现的。

　　美国政府在强风暴实验室(NSSL)投资3000万美元建立了一个相控阵雷达中试基地(NWRT)，2003年8月已在NSSL总部安装了一部一部S波段相控阵天气雷达，美国计划2012年将建立相阵列天气雷达网，把用于军事目的的当今世界上最先进的作战系统"宙斯盾"核心系统AN/SPY-l相控阵雷达技术用于气象探测。其目的是：展示相控阵雷达在延长强风暴警报提前量方面的效果；为发展21世纪的现代化天气雷达提供一个中试基地；为相关气象科研工作提供支持条件；为天气预报和临近预报（Nowcasting）所需的数值模式初始化提供快速的资料更新；为在一部雷达上实现双重应用（如天气监测和飞机追踪）提供一个可行性研究平台。

　　相控阵天气雷达具有常规天气雷达所不具有的许多优点。可以实现跳跃式电扫描波束和天线方向图形状的自适应控制，从而实现多功能探测能力。可充分地将雷达时间和能量资源应用于微弱目标探测能力、目标数据率、分辨率、精度等等技术性能上。　　

　　相控阵雷达采用多波束、多频率，可以使扫描和资料收集时间由6分钟降至1分钟以内，潜在的提高了龙卷风目前平均11分钟的预报时效，当与NSSL的其他技术相结合，预警时效将会进一步拓展。    

国家强风暴实验室的研究人员发现，该相控阵雷达技术能帮助气象预报员进一步提高风暴预报和其它类型危险天气预报能力。该技术可提供大量风暴信息(如风切变等)，能更精确地预测和预报风暴发展情况。

相控阵雷达具有强大的生命力，因为它远远优越于一般机械扫描雷达。它具有以下特点：能对付多目标、功能多、机动性强、反应时间短、数据率高、抗干扰能力强、可靠性高。相控阵雷达的技术优势很多，它将是天气雷达的发展方向，但相控阵雷达非常昂贵。随着技术的发展，将相控阵雷达技术应用于天气雷达，特别是多普勒天气雷达必将大力推动大气物理研究上升到一个新的台阶，同时也将使气象雷达技术向着多功能、多用途方面得到快速的发展。

相控阵天气雷达技术上待解决的问题：高速信号处理器需适应对弥散分布目标物的快速扫描多波束探测进行重新设计；需对距离（速度）退模糊处理作完善的设计考虑；对回波强度的定量估测需根据相控阵雷达发射机、天线、波束特点、馈线损耗进行细致的分析、定标及精度控制；相应的计算机处理能力要有相当大的提高。

二、双偏振天气雷达技术

　　带双偏振的多普勒天气雷达是在多普勒天气雷达的基础上增加双偏振功能，根据不同偏振获取的后向散射信息，除了能提供多普勒天气雷达可得到的回波强度、径向速度和速度谱宽外，还能提供降水粒子的形状、尺寸、相态、指向角等，进而可分析、识别降水的类型，提高降水估测精度。

　　目前带双偏振的多普勒天气雷达关键技术：微秒级的高功率高速高精度高隔离度的极化开关；极低副瓣天线在两种极化下增益、波束形状和指向的一致性；天馈线系统的稳定性；接收机双通道的一致性、高速高精度的信号处理器等保证信号系统的稳定性；双偏振多普勒天气雷达设备运行环境需严格要求。双偏振的多普勒天气雷达可能成为再下一代天气雷达的首选雷达。

　　美国偏振技术业务应用计划：美国己在数部NEXRAD上进行了双线偏振改造，现有近十部双线偏振雷达在科研和业务中试用。为了检验的气象业务应用的确切性能，于2002年-2003年在OKLAHOMA州中部进行外场对比观测试验，两部偏振雷达、探测飞机、密集地面气象观测站网进行同步探测。预计到2007年前后将投入气象业务使用。

为了识别降水目标、区分不同的降水类型，人们采用多参数雷达进行天气研究，其中双偏振雷达是人们常采用的技术之一。它根据不同的降水粒子对入射电磁波极化散射特性不同来区分降水，从而达到对降水类型的识别和分类。根据双偏振天气雷达发射水平和垂直极化的电磁波、接收极化回波、测量雷达的反射率因子、反射率差、传播相移差、相关系数和退极化比，可估算出降水粒子的形状、尺寸和指向角的分布情况，进行降水型的分类和识别。对降水过程，粒子的状态信息及降水的热力学和动力学结构的描述更加详尽。美国国家天气局已将双偏振技术的使用作为下一步对新一代天气雷达进行更新改造的重要内容。我国的科技人员目前也已基本上掌握了双偏振雷达的技术，并已有少量这样的雷达在业务中应用。

三、多波长雷达技术的应用

　　降水质点对电磁波散射的波长特性可以用来判别云体中大滴或固态降水的出现。上世纪七十年代在应用双波长雷达识别雹云中进行很多研究，对大雹块可以较好判断，而对小雹粒有较大的误判，且要求双波长雷达波瓣图要较为相同、波束指向一致，要求较高，在气象业务没有得到推广应用。应用衰减波段和非衰衰减波段构成双波长雷达可以通过测量衰减量可以估算降水率，主要估算传播路径上，在一些研究工作中试验，但未能在业务中推广。　

　　发展双波长天气雷达并不是新概念，前苏联和美国等都有过尝试。双波长天气雷达通过两组天线、发射/接收、处理系统同时获取相同空间的气象回波，通过大气和云雨对不同发射波长的散射和衰减，获取不同的衰减系数和后向散射信息，进而提高雷达的测雨精度及监测能力。但由于天线同指向等技术问题和造价高等原因，一直未能成为一代业务应用天气雷达。

四、多基地雷达系统

　　双(多)基地雷达主要是相对于比较常见的单基地雷达而言的，它是从雷达收发站配置的角度来命名的。单基地雷达一般是收发共址，即接收站和发射站位于同一个地方，而双(多)基地雷达则是收发异址，其中多基地雷达还具有多个发射站和多个接收站，以离散的形式配置。多基地雷达技术实现的几个关键问题：主雷达和各个接收站的运行参数和模式的同步、各组回波数据的融合配对、空间定位、主雷达和各个接收站间实时通讯链路的建立和维护、主雷达和各个接收站的原始回波数据采集、系统的运行状态的监测、用户的操作界面和系统的实时控制、三维风场反演产品的生成和输出。

　　双多基地多普勒雷达网能够提供直接观测到的全风场信息并取代或增强了双多普勒雷达观测技术能力。为了能在几十公里范围内有效获取高分辨大气二维或三维风场，双（多）基气象雷达系统有可能成为一个重要手段。

五、机载多参数测雨雷达

一种新的机载多参数测雨雷达用于降水探测的气象研究，这种新雷达置于飞机上进行类似于(TRMM)卫星雷达对降水的探测方式。目前已有多种机载雷达可用于降水观测，但这种新型雷达是一种具有多参数和双偏振测量功能的多普勒雷达系统。

六、TRMM卫星降水雷达  Tropical Rain Measurement  Mission

　　尽管空载天气雷达可能性的研究可以追溯到1960年代，但直到1997年11月TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星发射之后，第一部天气雷达才被安装到近地轨道之上。TRMM卫星升空的一再拖延，是因为该卫星必须解决一些棘手的技术问题，例如要分辨出对流风暴单体的水平结构就必须提高空间分辨率。目前TRMM卫星上的降水雷达（PR）由日本NASDA（National Space and Development Agency）制造，在13.8GHZ频率上工作。TRMM PR工作非常出色，通过一些算法的改进，其数据产品的质量有所提高，能够很好地用于实现项目既定的改进对全球降水和其在水文圈中作用的认识的目标。

七、开放型的多普勒天气雷达技术

　　所谓“开放”主要是雷达硬软件的通用化。美国拟实施“开放”的雷达数据采集、产品生成和产品显示研究开发计划，在近几年用“开放”的硬软件平台替换目前的平台。实现资料共享。

八、毫米波天气雷达

云中降水质点的谱分布随云体发展的阶段有很大差别，云体初起和非降水云的云滴直径约在几十至一百微米，而云中出现大滴后迅速发展为降水云，雨滴的直径达l毫米到5至6毫米。降水质点的散射与入射电磁波的波长四次方呈反比，非降水云难被厘米波长的天气雷达探测到，常用毫米波雷达探测。用8.6毫米雷达探测非降水云理论上比十厘米天气雷达约有45dB的获益，但毫米波气象雷达的设计需注意到毫米波的波导器件损耗要大得多、发射功率一般要小15dB、接收机噪声系数要大，实际收益要少得多。