第26章 雷达测量(章)1.doc

第26章 雷达测量26.1概述本章主要讨论用于观测大气水凝物的气象微波雷达天气雷达，特别着重于为支持气象和水文的服务，在规划、开发和操作雷达和雷达网时必须考虑的技术和业务性能。章末列出了重要的参考文献。本章还简要提到了用于海洋表面观测的高频雷达系统。用于垂直廓线探测的雷达已在第5章中讨论。26.1.1天气雷达气象雷达具有探测降水和由局部的温度和湿度变化所引起的大气折射指数改变的功能，雷达回波也可由于飞机、尘埃、飞鸟或昆虫产生。本章只涉及世界上普遍进入业务应用的雷达。最适合于大气探测和研究的气象雷达所发射的电磁脉冲位于310GHz频段（相应于波长310cm）。这些雷达设计用于探测和确定降水的区域、测量降水的强度、移动和可能还包括降水类型。较高的频率用于探测更小的水凝物如云滴，甚至是雾滴。尽管这些频率在研究云物理方面具有应用价值，但由于这些频率的雷达信号经空间介质过分的衰减，一般不能应用于业务预报。较低频率的雷达具有探测晴空折射指数变化的功能，可用于风廓线测量。它们可以探测降水，但它们的扫描功能受到要求达到有效分辨率的天线尺寸的限制。发射的脉冲遭遇天线目标后返回的讯号称为回波，它具有相应的振幅、相位和偏振。全球范围内大多数业务雷达仍限于分析受雷达波束照射（脉冲）体积内与水凝物的尺度分布和数量有关的回波振幅特征。此振幅用以确定称为反射率因子（Z）的参数，然后通过应用经验关系，估算单位体积的降水质量或降水强度。主要应用于探测、勾画和估算近似连成片的大范围内的地面瞬时降水量。有些研究性雷达采用在两个发射的偏振方向上所测得的反射率因子和接收的波形，持续探究以便对降水测量和目标状态决定其量值和偏振系统的潜势，但目前在业务系统中尚未出现。多普勒雷达具有确定发射脉冲与接收脉冲之间相位差的功能，这种相位差可用来测量粒子的平均多普勒速度，它表示在脉冲体积内水凝物的径向位移速度分量的加权平均反射率。多普勒谱宽是该速度空间变率的度量，据此可表示云中风切变和湍流的某些特征。多普勒雷达比常规天气雷达观测增加了新的重要参量，大多数新的雷达系统均具有这种功能。现代天气雷达必须使其性能最优化，以便为业务要求提供最佳资料，并应适宜于安装、运行和维护，充分利用系统的功能便于气象学家发挥其聪明才智。26.1.2雷达特性，术语及单位雷达特性的选择，有关气候和应用的考虑，对于在降雨估值中确定合理的测量准确度是很重要的（表26.1，表26.2和表26.3）。26.1.3 气象应用已发现雷达观测最大的作用在于：(a)强天气探测、跟踪和预警；(b)天气尺度和中尺度天气系统的监视；(c)降雨量估值。任何一部雷达的特性不可能对所有的应用都是理想的。雷达系统的选择标准通常在满足某几项应用中达到最优化，但也可以指定最佳满足于特定的最重要的应用。波长、波束宽度、脉冲长度和脉冲重复频率（PRF）的选择尤其重要。因此，用户在确定雷达指标之前应当在应用和气候学方面仔细地考虑。强天气探测和预警雷达是一个在广阔区域内对强天气进行监测的惟一现实的地基监测手段。雷达回波的强度、范围和特征可用来识别强天气区。这些风暴包括可能伴随冰雹和破坏性风的雷暴。多普勒雷达为识别和测量伴随的阵风锋、下击暴流和龙卷的强风增加了一个新的手段。它标称的覆盖距离约200km，这一距离足够用于当地短距离内的预报和预警。雷达网可以用于扩展覆盖范围（Browning等，1982）。目前，在当地的自动化算法和风暴模式尚未建立起来之前，对天气现象的有效解释和预警需要敏锐的、受到过良好训练的工作人员。天气尺度和中尺度系统的监视如果没有大山的遮挡，雷达可以在大面积区域内（例如距离220km，面积152000km2）对有关天气尺度和中尺度风暴的天气进行几乎连续的监视。由于短距离内地面杂波和地球曲率的影响，实践中天气观测的最大距离约为200km。在大面积的水域上，其它观测方法通常不适用或不可能实现。雷达组网能够扩展覆盖面积而且也许更经济有效。雷达提供了一个对降雨进行描述的较好方法。在那些经常发生高强度和大范围降雨的地区，选择波长为10cm的雷达进行天气监视可以得到保障。在其它一些区域、例如中纬度地区，波长为5cm的雷达可能非常有效而且造价大大降低。除非在降雨和雪很少的情况下，否则波长为3cm的雷达因为在降水中产生强烈衰减，效果不会很好。较窄的波束宽度可以提供更好的图象分辨率和在较远距离处发挥更高的功效。表26.1 雷达频段雷达波段频率MHz波长标称值(cm)UHF300100010.3m70L100020000.30.15m20S*20004000157.5cm10C*400080007.53.75cm5X*8000125003.752.4cm3KU12.5182.41.66cm1.5K1826.51.661.12cm1.25Ka26.5401.130.75cm0.86W940.30cm0.30* 最常用的天气雷达波段。表26.2 一些气象雷达的参数和单位符号参数单位Ze等效或有效雷达反射率（Equivalent or effective radar reflectivity）mm6m3dBzVr平均径向速度(Mean radial velocity)ms1v谱宽ms1Zdr差示反射率因子(Differential reflectivity)DBCDR圆退偏振比(Circular depolarization ratio)LDR线退偏振比(Linear depolarization ratio)Kdp差示传播相位(Differential propagation phase)*deg km1相关 *原文为Propagation phase校注表26.3 物理雷达参数和单位符 号参 数单 位C光速ms1F发射频率Hzfd多普勒频移HzPr接收功率mW或dBmPt发射功率kWPRF脉冲重复频率HzT脉冲重复时间（1/PRF）ms天线转速deg s1 或rpm发射波长cm方位角deg半功率点间的波束宽度deg脉冲宽度s仰角deg降雨估值雷达用于降雨强度估值有很长的历史，而且在时间和空间上对降水总量和分布具有较好的分辨率。大多数的研究工作与降雨有关，但是如果对目标物的组成有适当考虑和允许误差的情况下，也可以进行雪的测量。读者可以参考Joss和Waldvogel（1990）有关雷达降水测量的评述，以及Smith（1990）关于雷达测量降水当前的工艺、技术、问题与缺点，以及有效性和准确度的综合讨论。由典型雷达系统的地基降水估值是在典型值为2km2的范围内，取510分钟时段，以1的波束宽度利用低仰角平面位置显示进行扫描。将雷达测量结果和现场雨量计的测值相比较，发现雷达估值的误差最大可能达到一倍。雨量计和雷达均对连续变化的参数进行观测，其中雨量计是在相当小的面积（100cm2）内的采样，而雷达是对更大尺度的体积内的采样数据进行积分处理。通过用仪器测值来调整雷达估值，可以增强二者之间的一致性。26.1.4气象产品通过雷达观测可得出一系列气象产品，以支持各种应用。由天气雷达观测构成的产品取决于雷达的类型、讯号处理特征以及相应的雷达控制和分析系统。大多数现代雷达能自动实施体积扫描程序，即天线在几种仰角下进行数次全方位旋转扫描。所有原生极面资料贮存在一3维列阵中，通常也称为体积数据库，作为进一步进行资料处理和归档的资料源，通过应用软件可生成各种各样的气象产品并在高分辨彩色显示控制器上显示。用三维插值技术经过计算得出网格或像素的值和转换至x-y坐标平面。对典型的多普勒天气雷达来说，显示的变量包括反射率因子、降雨率、径向速度和谱宽。每一图象的像素代表所选变量的彩色编码值。下面列出了在本章中将要讨论的雷达测量值及其气象产品：(a)平面位置显示器（PPI） 是在选择的高度上以极坐标的形式分别对全方位天线旋转中获取的变量进行显示。这是传统的雷达显示方法，主要用于天气监视；(b)距离高度显示器（RHI） 是显示在某一方位上一定高度扫描中获取的变量，典型扫描仰角从0到90。这也是传统的雷达显示方法，它能够显示详细的剖面结构信息，并且可以用来识别强风暴、冰雹和亮带；(c)等高平面位置指示器 是特定高度上可变的水平剖面显示，由体积扫描数据通过内插形成。它用于强风暴的监视和识别。对于航空应用中对特定飞行高度上的天气进行监测也是十分有用的；(d)垂直剖面 这是对由用户定义的表面矢量（不一定通过雷达）上方进行可变的显示。它也通过体积扫描数据内插得到。(e)柱最大值 以平面的形式显示观测区域中每一点上变量的最大值。(f)回波顶 以平面形式显示所选反射率等值线的最高高度。反射率等值线通过搜索体积扫描数据获得。它是强天气和冰雹的指标。(g)垂直积分液态水（VIL） 可以在任何指定的大气层面上进行平面显示，它是强风暴强度的指标。除这些标准的或基础的显示之外，也能够生成其它产品以满足用户的特殊需要，比如应水文学、临近预报、或航空的要求：(a)累积降水：对观测区域中的每一点随时间的累积降水进行估值；(b)降雨集水总量面积积分累积降水；(c)速度方位显示（VAD），有时也叫做速度体积处理（VVP），它对雷达上方的垂直风廓线进行估测，通过在某一固定仰角上的单次天线旋转一圈计算得出；(d)风暴跟踪来自复杂软件的产品，用于确定风暴单体的轨迹，并预测风暴质心的未来位置；(e)风切变对用户指定高度上的径向和切向的风切变进行估测。26.1.5雷达准确度要求对准确度的要求取决于雷达观测的最重要的应用。适当地安装、校准和维护的现代雷达，其性能都是相对稳定的，不会产生明显的测量误差。但一些外部因素，例如地面杂波效应、异常传播、衰减和传播的效应、波束的影响、目标物的构成尤其是它在垂直方向上的变化以及降雨率反射率因子关系的不确定，大多都会对准确度产生影响。只考虑雷达系统的误差，可测量的雷达参数能够在可接受的准确度范围内予以确定（表26.4）表26.4 准确度要求参数定义可接受的准确度*方位角0.1仰角0.1Vr平均多普勒速度0.25ms1Z反射率因子1dBz多普勒谱宽1ms1*这些数字均为相对于方差小于4m2s2 的高斯谱分布，当谱宽增长时，速度准确度变差，而反射率因子的准确度改善。26.2雷达技术26.2.1雷达测量原理雷达及其对天气现象探测的原理早在20世纪40年代就已确立。自从那时起，在改善设备、提高讯号和数据的处理以及解释说明方面均取得了长足的进展。感兴趣的读者可以参考一些较详尽的文献，较好的参考资料有Skolnik（1970）在工程和设备方面的概述；Battan(1981)有关气象现象及其应用；Atlas（1964；1990），Sauvageot(1982)和WMO（1985）的综合评述；Rinehart（1991）对现代技术的论述；Doviak和Zrnic（1993）有关多普勒雷达原理和应用。下面是原理的简要综述：大多数气象雷达是脉冲雷达。从一个定向天线按照固定频率发射出的电磁波以快速连续短脉冲的形式进入大气中。图26.1给出了定向雷达天线在弯曲的地球表面发射一个电磁能量的脉冲波束及接受照射的气象目标的一部分。从图中能够很明显地看出这种测量受到许多物理局限性和观测技术的制约。例如，由于地球曲率的影响，在较远距离处能观测到最小海拔高度受到限制。天线系统中的抛物面反射体把电磁能量聚集在方向性极强的圆锥形波束中。波束宽度随着作用距离的增加而增加。例如，标称的宽度为1的波束，在作用距离为50，100和200km时，分别扩展为0.9、1.7和3.5km。电磁能量的短脉冲串被所遇到的气象目标吸收和散射，一些散射能量又反射返回雷达天线和接收机。由于电磁波以光速传播（即），通过测量脉冲发射及其返回的时间，就可以确定目标物的距离。在连续的脉冲串之间，接收机一直在接收返回的所有雷磁波。从目标物返回的信号通常指雷达回波。图26.1 脉冲天气雷达电磁波在大气中的传播。ha是天线位于地球表面以上的高度，R是目标物的距离，h/2是脉冲长度，H是脉冲位于地球表面以上的高度。返回雷达接收机的回波信号强度是组成目标物的降水粒子的浓度、尺度和水的相态的函数。因此回波功率Pr提供了气象目标特征的测量方法，但并不是惟一的方法，它还与依赖于降水形式的降水率有关。“雷达距离方程”把从目标物返回的功率与雷达特征及目标物参数相联系。功率测量值决定于任一瞬时的一个采样体积（脉冲容积）内从目标物散射的功率总量。脉冲体积的尺度决定于空间的雷达脉冲长度（h）和在垂直方向（b）和水平方向（b）的天线波束宽度，因此脉冲容积随着距离的增加而增加。由于返回到雷达的功率经过了一个双程路径，因此在空间上脉冲体积长度是脉冲长度的二分之一（h/2），并且它不随距离变化。脉冲体积在空间的位置由天线的方位角和仰角及与目标物的距离来决定。距离（r）由脉冲到达目标并返回到雷达所需要的时间确定。在脉冲体积中的粒子互相之间不断地混合，导致相位影响到散射信号和强度围绕平均目标强度而有起伏。从天气目标进行单一的回波强度测量，它们是没有什么意义的。至少要将25到30个脉冲合成起来，才能得到对平均强度的合理估值（Smith,1995）。一般由积分器电路进行电子合成。通常进一步对脉冲进行距离、方位和时间的平均，以增加采样尺度，提高估值的准确度。但由此带来的是空间分辨率变得较粗糙了。26.2.2降水目标的雷达方程气象目标完全由在空间上呈随机分布的近似球形粒子的冰和（或）水组成。从目标体积后向散射的能量依赖于散射粒子的数量、尺度、组成、相对位置、形状和取向。总的后向散射能量是每个散射粒子后向散射能量的总和。使用这一目标模式和电磁理论，Probert-Jones（1962）导出一个关于雷达接收到的回波功率和雷达与目标物间距离及散射特征参数之间的关系方程。通常认为它是一个能够定量提供准确度很高的反射率测量值的可靠的关系式，请记住在这种推导中所作出的假定一般是真实的： （26.1）这里是雷达接收到的返回功率，它是数个脉冲的平均值，单位为W；是雷达发射脉冲的峰值功率，单位为W；h为脉冲的空间长度（为光速，为脉冲间隔）；G是天线作为各向同性发射体的增益；、是天线辐射模式在3dB单向发射时分别在水平和垂直方向的波束宽度，单位为弧度；是发射波的波长，单位为m；是目标物的折射指数因子；r是从雷达到目标的斜距，单位为m；Z是雷达反射率因子（通常在对目标物性质不太了解时，认为它是等效反射率因子Ze）单位为。方程中第二项式包含各雷达参数，第三项包含依赖于目标物的距离和特征的参数。除了发射功率之外，雷达参数是相对固定的，如果发射机以恒定输出工作并保持不变，则方程可以简化为： （26.2）这里C是雷达常数。在方程的建立的过程中隐含一些基本假设，在其结果的应用和解释中有着不同的重要性。它们是合理而真实的，但并不总是能够准确地满足，在特殊情况下，会影响其测量结果（Aoyagi和Kodaira，1995）。这些假设概述如下：(a)目标物体积内的散射降水粒子是均一的绝缘的球体，其直径与波长相比是很小的，在严格应用瑞利散射近似值时，即满足；(b)脉冲容积内充满了随机散射的降水粒子；(c)反射率因子Z对于所有取样脉冲容积是同样的，并且在取样间隔内是一个常数；(d)粒子全部是水滴或者全部是冰晶，即，所有的粒子有同样的折射指数因子；(e)忽略多次散射（粒子之间的）；(f)雷达和目标物体积之间的介质不产生衰减；(g)入射的和后向散射的波是线偏振的；(h)天线辐射模式的主要波瓣是高斯型的；(i)天线是横截面为圆形的抛物面反射体；(j)天线增益已知或者能够按照足够的准确度计算得出；(k)旁瓣对接收到的功率的贡献可以忽略；(l)波束中的地面杂波对发射出信号的吸收可以忽略；(m)峰值发射功率（）是天线的发射功率，即所有的波导损耗和雷达天线罩的衰减都已考虑；(n)测量得到的平均功率（）是在足够多的脉冲基础上的平均值，或者能够代表目标脉冲容积的独立采样。简化的表达式把雷达测量到的回波功率与雷达反射率因子Z相关（从而与降雨率相关）。这些因子及其相互之间的关系，对于从雷达测量的结果、对目标物强度的描述和对降雨量的估值是至关重要的。尽管有许多的假设，这一表达式提供了对目标物质量的合理估值方法。通过对假设中的因子做进一步的考虑，可以改善估值结果。26.2.3常规天气雷达常规天气雷达的组成包括：(a)一个能在微波频率产生功率的发射机；(b)一个能把发射出去的微波能量集中到狭窄波束中并接收任何返回功率的天线；(c)一个能探测、放大微波信号并将其转换成低频信号的接收机；(d)一个能从接收到的信号中提取所需要的信号的处理器；(e)一个通过易理解的方式对信息资料进行显示的系统。常规天气雷达可能是非相干的，即连续脉冲的相位是随机且未知的。现代雷达系统特有的特征是采用计算机进行雷达控制、数字信号处理、记录、产品显示和存档。来自气象目标的后向散射功率的量级在到瓦特之间，覆盖距离从可探测的由最强到最弱目标约70dB。为了适当地覆盖这一范围的信号，通常使用对数型接收机。具有90dB动态范围（以及其它先进的特征）线性接收机的科研雷达刚刚引入（Keeler,Hwang和 Loew，1995）。必须在处理器中对许多脉冲进行平均，以提供有意义的测量结果；这些脉冲能够以不同的方式进行积分，通常以数字形式，并且一定要考虑对数尺度。实际上，对于一个典型的系统而言，天线接收到的信号对其进行对数放大，对许多脉冲取平均，针对对数平均进行订正，并利用雷达距离方程转换为反射率因子Z。反射率因子是雷达描述中最重要的参数。这一因子从瑞利散射模式中导出，并且从理论上定义为采样体积中粒子直径的六次幂的总和： （26.3）这里Z的单位是。在许多情况下，粒子的数量、组成和形状并不清楚，于是定义了一个等效或有效反射率因子Ze。雪和冰晶粒子必须借助于等效反射率因子Ze来代表Z，假设后向散射的粒子都是球形滴。一般惯例是以对数尺度或dBz单位进行计算，其数值定义为dBz=10log10Ze。通常通过让天线在固定仰角进行扫描，然后逐步在每一次扫描时增加仰角来进行大气体积观测。一个很重要的考虑因素是对目标物的分辨率。抛物面反射体天线用于将微波能量集中到一个笔形波束中。较大的反射体形成较窄的波束，更高的分辨率和灵敏度导致更昂贵的价格。波束宽度，即波束中心线的偏离角度e该偏离线处的功率为轴向功率的二分之一，e与波长的关系可以近似地表示为： （26.4）这里e的单位是度，d是天线直径，与的单位一样。较好的天气雷达波束宽度为0.51。天气雷达的作用距离，除仅用于雷暴探测的长距离外，通常在200km的量级。在某一仰角的波束，比如0.5下，在高于地球表面4km高度。并且，波束宽度在1.5km或更大。对于较好的降水定量测量，距离要小于200km。在较远的距离，对地面估值而言波束太高。而且，波束展宽会降低分辨率，同时测量结果会受到目标物下面一些充填物的影响。从理论上来讲，存在一个由脉冲间隔和脉冲重复频率（方程(26.5)）决定的最大不模糊距离。在通常的PRF时，它不成问题。例如，PRF为250个脉冲每秒，最大距离为600km。在更高一些的PRF时，如多普勒雷达需要的典型值为1000个脉冲每秒，距离将大大地降低为100km。一些新的发展或许会对这种状况有所改善（Joe等1995）。26.2.4多普勒雷达多普勒天气雷达的发展和引入，为气象监视的观测提供了一个新的维度。多普勒雷达为在径向朝着或远离雷达方向的目标物速度提供了测量。多普勒技术还有一个优点是当速度场能在含噪声的Z场中区分出来时，对接近雷达噪声电平的低反射率目标有更高的灵敏度。当气象目标处于正常速度时，频率漂移与雷达频率相比较小，很难测量。一个较简单的做法是保持发射脉冲的相位，与接收到的脉冲的相位相比较，然后确定相继脉冲之间的相位变化。相位随时间的变化量直接与频率漂移相关，它又相应与目标物速度相关多普勒效应。如果相位变化超过180，速度的估值是模糊的。多普勒雷达能测得的最高不模糊速度是在超过四分之一波长的相继脉冲之间目标物移动的速度。在更高的速度时，需要附加的处理步骤以重新获得正确的速度。最大不模糊多普勒速度依赖于雷达波长（）和PRF，可以表示为： （26.5）最大不模糊距离可以表示为： （26.6）于是，和的相关关系可以通过下式表示： （26.7）这些关系式表明了由于对PRF的选择带来的局限性。高一些的PRF能够提高不模糊速度；较低的PRF能够增加雷达作用距离。在没有更好的技术以排除这些局限获取不模糊的资料之前，需要有一个折衷的办法（Doviak和Zrnic，1993；Joe等1995）。从此关系式还可以看出波长较长时会受到更高的限制。在数值关系中，对于典型的PRF值为1000Hz的S波段雷达，=25ms-1，然而同样的PRF对于X波段雷达=8ms-1。由于返回脉冲的频移可以通过比较发射和接收脉冲的相位来得到，因此有必要知道发射脉冲的相位。在非相干雷达中，相继脉冲在开始时的相位是随机而且未知的，因此这样的系统不能用于多普勒测量，但它可用于前节描述的常规雷达操作中。一些多普勒雷达是全相干的，它们的发射机采用非常稳定的频率源，其中脉冲之间的相位是确定而且已知的。半相干雷达系统其相继脉冲间的相位是随机但却可以知道的，它们比较便宜而且使用更为普遍。典型的全相干雷达在高功率输出放大器中采用速调管，并且使接收机和发射机一样，来源于同样的频率源。这一方法大大降低了在半相干系统中出现的相位不稳定度，使地物杂波抑制得到改善，同时提高了对原本不易发现的晴空中弱天气现象的识别能力。非相干和半相干雷达的微波发射机通常使用磁控管，理由是相对简单并且花费较低，同时对于常规观测来说性能也是足够的。磁控管还有一个附带的优点是降低了对由于随机相位产生的第二和第三级误回波（来自超过最大不模糊距离的回波）的多普勒响应，尽管在相干雷达中通过在发射机和接收机中引入已知的伪随机相位干扰，也能够达到同样的效果。非相干雷达转化为半相干雷达系统相对比较容易。这一转换也应当包括更稳定的共轴类型的磁控管。反射率因子和速度数据均可从多普勒雷达系统中提取。典型的目标物是水汽凝结物（雨滴，雪片，冰丸，冰雹等），它们形状、尺度各异，并且由于水凝物体积中湍流运动和它们的降落速度的影响，使它们以不同的速度移动。于是速度场形成了速度谱多普勒谱（图26.2）。图26.2天气回波和地面目标的多谱勒谱。地面目标贡献集中在速度为零附近，谱形比天气回波窄得多。用于处理多普勒参数的有两个复杂程度不同的系统。简单一些的脉冲对处理器（PP）系统，通过对相继脉冲进行时间域内的比较来提取平均速度和谱宽。另一个较复杂的系统使用快速傅里叶（Fourier）变换（FFT）处理器，在每一个采样体积内生成完整的速度谱。PP系统速度较快，计算强度较小，信号噪声较低。但较之FFT，它的杂波抑制特征较差。然而，随着现代信号处理器的出现，前两个优点都不再是重要的因素了。26.2.5不同的偏振雷达有关不同的偏振雷达的实验已经进行了很多年，试图发现它们在增强雷达天气观测方面的潜能（Bringi和Hendry，1990）。在关于区分水凝物类型的可行性方面的研究是非常有前途的，它为辨别雨，雪和冰雹提供了重要的方法。但在实际应用中仍有许多技术困难，其在技术和应用方面的进展尚不足以使它从研究阶段进入业务使用。降水测量中的多种偏振测量法的潜在价值在那些粒子尺度分布较好，熟知降水类型的地区，将会使其测量结果得到改善。在目前应用中有两个基本的雷达技术：一个系统发射圆偏振波，同时测量共极和正交偏振波；另一个系统采用高功率开关交替发射水平偏振和垂直偏振脉冲。目前还不是很清楚哪个系统更好。后一技术由于使传统雷达易于转化为具有偏振功能而显得更为普遍。然而，前一类型的系统有一些明显的技术优势。各种偏振基础系统（Holt，Chandra和Wood，1995）和双发射机系统（Mueller等，1995）还处于试验阶段。从传统雷达来讲，在要求上的主要区别在于天线系统、电子校准的准确度和信号处理方面。波束匹配、偏振方式转换和对信号微小差异的测量是非常艰巨的任务，需要在应用这些技术时格外小心。此项技术基于散射粒子的微小差异。当在大气中自由下落时，球形雨滴会变为椭球形，其主轴位于水平面上。雨滴的扁平性和它的尺度有关。假设在瑞利散射情况下，水平偏振波从一个扁平椭球体散射的功率比垂直偏振波要大。采用适当的假设条件，可以推断出雨滴尺度分布，从而导出降雨率。差示反射率因子以ZDR表示，定义为水平偏振反射率ZH和垂直偏振反射率ZV比值对数的10倍。将等效反射率因子Ze和差示反射率因子ZDR进行对照比较，可以提示我们把目标物分为冰雹、雨、毛毛雨或雪（Seliga和Bringi，1976）。由于电磁波传输时要通过由扁球粒子组成的介质，入射波束的相位会改变。对垂直和水平相位分量的影响依赖于其扁平度，并且它可以具体地由差分传播相位KDP来表示。对于强降水测量来说，KDP有一些优势。English等（1991）论证了在S波段，当降雨率大于20mmh1时，使用KDP大大优于使用因子Z。由于干扰介质对入射波束造成的传输效应能够控制目标的后向散射作用，并且混淆了对合成信号的解释。Bebbington（1992）提出了圆偏振雷达参数，用偏振度来表示，它对传输效应并不敏感。这一参数同线偏振雷达的线性相互关系相似。它在对目标物的辨别上是有价值的。例如，极低的数值表示随机取向的散射体，就像气载“毛草”或地物杂波（Holt等，1993）。26.2.6地物杂波抑制源于非降水目标物的回波被认为是杂波，必须予以消除。一个例外是由于晴空或昆虫引起的可用来描绘风场结构的回波。杂波可能是各种目标物导致的结果，包括建筑物、小山、山脉、飞机、其它雷达和镀金属箔丝，能够列举的只是有限的几个。选择好的雷达站址是抵御地物杂波影响的第一道屏障。然而，杂波总会在一些范围内出现。地物杂波的强度与波长成反比（Skolnik，1970），而来自雨的后向散射与波长的四次幂成反比。因此，短波雷达受地物杂波的影响较小。对于像飞机这样的点目标，如果它是孤立的，可以通过在单独的雷达分辨体积中除去此回波来消除它。气象目标分布在几个雷达分辨体积中。点目标可以在数据处理阶段进行消除。像飞机回波这样的点目标如果嵌入降水回波之中，则无法用此项技术来消除。分散的目标物需要更加复杂的信号和数据处理技术。一个在概念上比较有吸引力的方案是使用杂波图。在非降水条件下收集的雷达回波图可以生成杂波图，然后从降雨条件下的雷达回波图中减去杂波图即可。这项技术在应用中的问题在于，地物杂波的类型会随着时间而改变。这些变化主要是由于气象条件的变化而引起的；一个主要的例子是那些历经几个小时然后又消失的反常传播的回波。环境的微小变化带来的地面回波模式的起伏变化会导致杂波图使用的混乱。一些适应性的技术（Joss和Lee，1993）试图动态地确定杂波模式，以解释其短期的起伏状况，但如果在所有地区只使用这种方法的话，它们的效果仍不够好。从单纯的信号处理的观点看，多普勒处理技术试图从天气回波中除去杂波。基本的假设是认为杂波其光谱的宽度是很窄的，并且是稳定的。然而，为了满足这些首要的准则，必须获取足够数量的脉冲并进行处理，以达到足够的光谱分辨率，并从杂波回波中分解出天气回波。为了分解出天气回波，还需要较大的尼奎斯特（Nyquist）间隔* 即最大模糊间隔校注。地面杂波和天气回波的谱宽通常分别远小于1ms1和大于12ms1。因此需要大约8ms1的Nyquist间隔。杂波通常是很稳定的，在光谱表示中可以看作是一个狭窄的、速度为零的尖峰信号（图26.2）。这一尖峰讯号有有限的宽度，因为地面回波的目标物，比如说摇摆的树，会产生一些关联的运动。从有限的序列中除去零速度（或DC）分量的时间域处理是有问题的，因为滤波过程也会除去零速度的天气回波（Zrnic和Hamidi，1981）。适应的谱（傅里叶变换）处理方法，能从天气回波中除去地物杂波，即使它们重叠在一起。这是光谱处理的一个主要优点。杂波回波删除后，就能计算出重要的气象参数。一个处理方法是采取观测的有利条件，即针对地物杂波贡献很小的结构其尺度很小（比如说小于100m）。距离采样要在非常高的分辨率（小于100m）下进行，可通过使用反射率和多普勒信号处理来识别杂波。距离平均（最终的分辨率为1km）在无杂波区域内进行。原则是探测并忽略有杂波的距离区，而不是对杂波区进行修正（Joss Lee，1993；Lee，Della Bruns和Joss，1995）。这与前面讨论的技术根本上是不同的，这项技术是否在所有情况下都有效，尚需进一步的观察，尤其是在杂波分布很广的异常传输情况下。偏振雷达也能识别杂波。然而，需要做更多的工作以确定它的优点和缺点。通过仔细的站址选择可以减少杂波（见26.7节）。用于长距离监视的雷达，例如监视热带气旋或者在一个散布范围很广的网站上，通常放置在各个山上，以扩展作用距离，于是很可能见到许多杂乱回波。一个简单的杂波抑制技术是在几个高度上进行自动扫描，并且丢弃出现大多数杂波的较低仰角和较近距离的数据。26.3雷达信号的传输和散射电磁波在均一介质中沿直线按光速传播，地球大气是非均一性的，微波会在其传输路径上经受折射、吸收和散射。大气通常呈垂直分层，光线的方向随折射指数（或温度和湿度）随高度的变化而改变。当波遇到降水和云的时候，部分能量被吸收，部分能量被散射到各个方向或返回雷达站。26.3.1大气中的折射电磁波的弯曲度可以通过使用的温度和湿度的垂直廓线预先知道（Bean和Dutton，1996）。在正常大气条件下，波沿着向地球表面方向微微弯曲的曲线传播。射线的路径可能向上（次折射），也可能向地面弯曲（超折射）。在任一种情况下，波束的高度将会错误地采用标准大气假设。从降水测量的观点来看，最大的问题出现在超折射或“波导”情况下。射线会充分弯曲直至触及达地球表面，从而导致地面回波无法正常接收到。这种现象出现在折射指数随高度迅速减小的时候，例如，随高度增加，温度上升或湿度降低。这些回波在生成降水图时应进行处理。这种条件称为反常传播（AP）或ANAPROP。一些“晴空”回波是由于某些地区的折射率因子不均一性而产生的，这些区域包括湍流区、稳定度增强层、风切变单体或强逆温层。这些回波通常以不同型出现，大多可以识别，但一定不能误认为降水场（Gossard和Strauch，1983）。26.3.2大气中的衰减由于大气中的气体成分、云和降水的吸收和散射，使微波产生衰减。气体引起的衰减气体会使310cm波段的微波产生衰减。大气中气体的吸收多数是由水汽和氧分子引起的。水汽引起的衰减和气压及绝对湿度成正比，而且几乎随温度递减而线性地增加。至20km高度，氧的浓度是相对均一的。衰减也与气压的平方成比例。由气体引起的衰减随着气候和季节的改变而有微小的变化。在天气雷达波长，气体引起的衰减在较远距离时显得非常重要，在超过200km处衰减可累积到34dB。这时做一些补偿工作是必要的，而且它很容易自动完成。对于相应的作为距离的函数，在降水测量中作为距离函数的射线路径中的衰减量可以计算出来，同时它可以用于对降水场进行修正。水汽凝结物引起的衰减水汽凝结物引起的衰减是由于其吸收和散射共同造成的，它是引起衰减的最重要的来源。它依赖于于粒子的形状、尺度、数量和组成。在单独使用雷达以定量方式进行测量时，这种依赖关系使得该项衰减很难克服。迄今为止，对于自动化业务测量系统来说，这一问题尚未获得令人满意地解决。然而，一定要认识到这种现象，并且利用一般性知识通过主观介入来减少它的影响。衰减与波长有关。在10cm波长时衰减相当小，而3cm波长时衰减则十分显著。在波长为5cm时，对于许多气候区来说，尤其在高的中纬度地区，这种衰减是可以接受的。除非应用于短距离测量，否则要获得较好的降水测量结果，我们建议不使用低于5cm的波长的雷达（表26.5）。表26.5 单程衰减关系波长(cm)关系(dBkm1)100.000343R0.9750.0018R1.053.20.01R1.21表注：取自Burows和Attwood(1949)。在18时的单程衰减，R的单位为mmh1。对于雷达降水估值来说，可以作出关于衰减幅度的一般性描述。这种衰减依赖于目标的含水量，因此降水越多，衰减越强；云量少衰减也小；冰晶粒子的衰减要比液态粒子的衰减小得多。云和冰云引起的衰减很小，通常可以忽略。雪或冰粒子（或冰雹）的尺度可能演变为远大于雨滴的尺度，它们开始融化时会变湿，从而导致反射率大大增加，进而引起衰减量的增加，这一点可能导致对降水估值的曲解。26.3.3云和降水引起的散射雷达探测和处理的信号功率（例如回波）是经过目标或水凝物的后向散射功率。后向散射截面定义为一个将与实际目标物同等的功率返回发射源的各向同性散射体的截面积。球形粒子的后向散射截面首先是由米（Mie，1908）确定的。瑞利发现如果粒子直径与波长之比小于或等于0.06，那么可以用一个更简单的表达式来确定后向散射截面积： （26.8）它是等式（9.3）的判别式。是折射指数因子，对于液态水是0.93，对于冰为0.197。利用下列形式的方程（9.2），可由雷达功率测量值推导出目标的散射强度： 有关此方法和根据降水率（R）来解释反射率因子，将在26.9节中予以讨论。26.3.4晴空散射在没有降水性云的区域中，发现的回波多数是由昆虫或大气中折射系数的强烈变化而引起的。这些回波的强度很低，只能由灵敏度很高的雷达才能够探测到。晴空现象的等效Ze值为5到55dBz，尽管这些并非真实的Z参数，产生回波的物理过程是完全不同的。对于降水测量而言，这些回波是信号中很小的“噪声”。它们通常伴随一些气象现象出现，如海风或雷暴外流。晴空回波也可能伴随很低浓度的鸟和昆虫出现。尤其在鸟类和昆虫迁栖时，回波强度达到是完全可能的（表26.6）表26.6 不同目标的典型后向散射体截面目标b(m2)飞机101000人0.141.05探空、测风气球0.01鸟类0.0010.01蜜蜂、蜻蜒、蛾31061052mm水滴1.81010尽管一般的雷达处理方法是用Z和R来分析信号，在晴空中的散射特性与水凝物的散射还是大不相同的。使用最广泛的表达方法是折射指数的结构参数Cn2，作为距离的函数，它是折射指数起伏的均方值（Gossard和Strouch,1983）。26.4速度测量26.4.1多普勒谱多普勒雷达测速通过估算移动目标群体产生的频移来进行。多普勒雷达还提供与脉冲体积内回波总功率和降水粒子的谱宽有关的信息。平均多普勒速度等于按其截面积加权计算的散射体的平均运动。而且，对于接近水平的天线扫描来说，主要是指向雷达和背离雷达方向的空气运动。同理，谱宽就是速度分布的测量，即表示分辨体积内的切变或湍流。多普勒雷达通过参考发射信号和接收到信号的相位来测量返回信号的相位。通过把返回信号移相90，产生信号的同相分量（I）和正交分量（Q）从而确定相位。I和Q是在固定距离位置的采样值。通过对它们进行收集并处理，来获取由I，Q比率给出的平均相移。26.4.2多普勒模糊为了通过雷达探测不同距离上的回波，对回波信号进行周期性的采样，通常约每微秒一次，以获取约每150米距离上的信息。这种采样能够连续进行直至下一脉冲的发射时刻。按时间上的一个采样点（相对于距雷达的距离）叫做距离门。风暴和降水区各处的径向风速分量可在天线扫描时进行绘制。在脉冲多普勒雷达使用中有一个基本问题是多普勒平均速度估值中如何除去速度模糊，即速度的重迭。一个时间变化函数的离散等空间取样，导致的最大不模糊频率等于采样频率fs的二分之一。于是大于fs/2的频率即进入尼奎斯特间隔，（fs/2）中是模糊的（“重迭”），并且认为是位于fs/4区间内的速度，这里是发射功率的波长。速度退除模糊技术包括双脉冲重复频率技术DPRF（Crozier等，1991；Doviak和Zrnic，1993）或连续性技术（Eilts和Smith，1990）。在前项技术中，径向速度估值分别在两个具有不同最大不模糊速度的PRF上收集，然后合并起来，生成一个新的具有扩展不模糊速度的径向速度值。例如，使用标称不模糊速度分别为16和12ms1的PRF值1200和900Hz的C波段雷达，从两个速度估值间的差异到扩展速度范围为48ms1（图26.3）的退除模糊速度，模糊的程度减小了。连续性技术依赖于具有足够多的回波，以辨别存在的模糊速度并通过假设速度的连续性（大于2Vmax时没有不连续性）对速度进行修正。如26.2节所述，使用过高的PRF（约大于1000Hz）会带来作用距离的限制，最大测量距离之外的回波可能会返回到基本距离区内并产生重迭。对于具有相干发射机的雷达（如速调管系统），回波将在主要距离中出现，对于相干接收系统，第二行程回波会以噪声形式出现（Joe，1995；Passarelli等，1981）。26.4.3垂直指向测量从原理上讲，工作在垂直指向模式的多普勒雷达是获取准确的垂直风速和滴谱分布（DSD）的云尺度测量结果的理想工具。然而从多普勒谱推导出垂直速度和DSD的准确度要受到两个具有很强数学相关性的量的限制。实际困难是，多普勒谱是作为散射体的总垂直速度的函数来进行测量的，该速度是由水凝物下落末速度加上上升气流或下沉气流的速度而得来。为了从取自垂直入射方向的多普勒谱计算DSD，该谱必须表示为单纯的下落末速度的函数。垂直速度仅0.25ms1的误差可能导致100%的滴谱数浓度的误差（Atlas，Scrivastava和Sekhon，1973）。已开发出一种双波长技术（称作比率法）通过它可以准确地确定垂直空气速度，并且它与DSD无关。在这种趋近中，有可能使得准确度的提高与成功的应用二者之间协调兼顾。26.4.4速度场的测量图26.3 测量的速度或速度差（ms-1）实线和虚线表示由不同脉冲重复频（对一C波段雷达，分别为1200和900Hz）测得的多普勒速度，速度大于最大不模糊速度即出现混淆。多普勒速度估值之间的差值（虚线）可用以识别混淆的程度。从单个多普勒雷达可实时地获得大量信息。应当指出由单个雷达估值的径向速度并不总是不模糊的。单个多普勒径向速度模式的彩色显示有助于实时解释反射率场，并且能够揭示一些在反射率结构中还不明显的重要特征（Burgess和Lemon，1990）。这一功能在辨别和跟踪强风暴中特别重要。在典型的采色显示器上，位于Vmax之间的速度被指定为15色的八分之一或更多。扩展到尼奎斯特（Nyquist）间隔之外的速度在对应的另一端输入色标。如果速度超过一个Nyquist间隔出现混淆，这一处理过程可能要重复进行。多普勒雷达也能用于反演水平风的垂直廓线。当雷达天线在水平以上有倾斜时，增加距离意味着增加高度。如果在扫描区域上方的风是相对均一的，那么可通过对观测数据进行正弦曲线拟合就能获得随高度变化的风廓线，这种观测数据叫作速度方位显示（VAD）（Lhermitte和Atlas，1961）。沿着零径向速度等值线的风与雷达波束轴线垂直。利用彩色显示很容易对大尺度降水系统获取的VAD数据进行描述。在大面积降水区中，当平均风的风向随高度顺转时，可由典型的抬高仰角的圆锥体扫描模式揭示出一个S形零径向速度等值线（Wood和Brown，1986）。在其它情况下，代表急流的闭合等值线很明显。由于测量准确度高，通过使用VAD技术也可对偏差进行估计。当雷达周围存在对流性降水时，应用这种技术的准确度不高。然而适度高效的、灵敏的多普勒雷达可在除最冷月份的所有时间里，在光学质量小的边界层中直至高出地平面3到5km的高度上，成功地获得VAD风廓线和偏差估值。VAD技术似乎适合于来自与热带和温带气旋有关的降水系统中风的资料。在雷达的晴空模式中，时间序列的测值和导出的垂直速度在深对流概率的临近预报中特别有用。自从20世纪70年代中期以来，有关采用多重多普勒雷达阵列来测量三维风场的实验已开始进行。在降水区内指定位置进行多重测量并经适当的几何变换进行合成，以便得出三个风分量。这些估值在仅有两部雷达时，通过利用连续性方程也是可行的。26.5误差来源雷达波束充填很多情况下，尤其在距雷达的距离很远时，脉冲体积内未被均一的降水完全充满。降水强度通常在小尺度上就有很大的变化，在距雷达很远的距离上，脉冲体积的尺度增加，同时地球曲率的影响变得重要起来。一般来说，距离小于100km，定量化的测量结果是有用的。这种影响对云顶高度测量和反射率的估值也是重要的。降水垂直分布的非均一性进行雷达测量时，第一个感兴趣的参数通常是地面降水。由于波束宽度、波束倾斜和地球曲率的影响，降水的雷达测值比在相当大的深度上的平均值要高。这些测量结果依赖于降水垂直分布的详情，而且可能导致地面降水估值的较大误差。Z-R关系式的变化已发现对于不同降水类型有各种Z-R关系式，然而，单纯从雷达来看，无法对水凝物的类型和尺度分布的变化进行估值。在业务应用中，这种变化是误差的重要来源。降水引起的衰减由雨引起的衰减是