无线电频谱-支撑地面及高空气象探测

无线电频谱:支撑地面及高空气象探测

自然灾难始终是危及人类生命财产平安的重大隐患，而超过90%的自然灾难都与天气气候现象相关。天气气候观测及灾难预警可以有效预防自然灾难损失，目前，我国已建成了包括地面气象观测站、探空站、雷达站以及闪电探测网络等在内的完整气象观测体系，其网络系统与无线电频谱资源相结合，完成了地面及高空气象观测的各项内容。

目前，各种遥感观测方法及设备供应了天气及气候观测的主要信息，观测人员利用这些信息进行分析，对灾难天气发出预报及告警，从而降低自然灾难风险。这些基于无线电应用的观测手段都需要相应的频谱资源，可以说，没有无线电频谱资源就没有现代化的气象观测。

利用到无线电频谱资源的各项遥感业务主要包括气象卫星、天气雷达、探空仪、雷电监测设备、风廓线雷达、地基遥感设备等。

气象业务中的无线电遥感系统

天气雷达

天气雷达在《无线电规章》的业务划分中属于无线电定位业务，用于天气预报、大气讨论等领域。天气雷达对于紧急气象和水文报警有着重要作用，是面对山洪和泥石流等自然灾难的最终一道防线。

跟全部雷达一样，天气雷达也是靠放射无线电信号运行的，通过观看回波信号来工作的。与其他种类的无线电定位雷达不同，一般的无线电定位雷达要去除云、雨等天气现象的影响而探测其它物体，天气雷达则主要是观看大气中的降水及其他天气现象。而这些被测目标往往不是非常有效的反射器，因此，相对“安静”的频谱，即没有人为电子噪声和干扰的频谱，是肯定必要的。

气象工一方面利用天气雷达监测、定位和测量云中的含水量或降水量，另一方面利用降水或大气粒子的运动确定风速。雷达测量详细时间段的降水强度，以及接近或漂离天气雷达天线的降水或大气粒子的运动，以测量气候大事内部的循环交替。这是测量龙卷风或洪水等极端天气并供应预警的关键要素。

单一的雷达往往只能观测到一个天气过程的部分状况，难以掩盖整个过程。从而限制了雷达的运行范围。为克服这一局限性，通常在分布网络中等距部署多个雷达。这些网络每天24小时不间断运行，通常掩盖广阔地区，如多个国家甚至一个大洲的部分地区，以检测和跟踪气象变化，从而实现早期天气灾难报警。

不同波段的雷达用于观测不同的目标，例如S频段（2700～2900MHz，10厘米波长）被选用于检测热带和温带气候条件下极远距离（多达300公里）的暴雨。

C频段（5600～5650MHz，5.4厘米波长）通常选用于温带气候，具有长距离（多达200公里）检测降雨的力量，还因使用较低功率和较小规格的天线，具有较同等空间辨别率的低频雷达成本更低的优势。

X频段（9300～9500MHz，2.5～3.2厘米波长）天气雷达更为敏感，能够检测出更小的粒子，但由于承受更高的衰减，因而仅用于极短距离（约50公里）的天气观测。

雷达在工作中在中利用方向性波束实现降水和风速的测量。我国现有的天气雷达网中，包含S波段雷达C波段雷达及少量的X波段雷达，这些频段作为无线电定位业务的天气雷达都与其他无线电业务共用。在不同的国家和地区，主管部门对于天气雷达的划分也略有区分，比如在C波段，一般的天气雷达多用于5600～5650MHz。

天气雷达频谱资源划分

天气雷达业务的是气象遥感观测的最主要的手段之一。长期以来，该项业务得到了主管部门的大力支持。中国气象局也已经建立了具备肯定掩盖范围的天气雷达网。这一雷达网络对天气预报和灾难预警发挥了重要作用，特殊是S波段雷达对于强降水的接近预报和告警起到了关键的作用。但是，我国天气雷达网络还远未最终完成，特殊是西部地区雷达掩盖范围较小。因此，天气雷达仍旧是将来很长时间内我国气象观测业务的主要建设内容之一。

同时，相关讨论单位也正在开展毫米波雷达在气象领域应用的相关试验，将来可能需要相应的频率资源支持这些应用。

气象帮助系统

《无线电规章》气象帮助（MetAids）业务定义为用于水文、观测和讨论等气象用途的无线电通信业务。在实际应用中，我国的气象帮助系统主要是探空系统，包括无线电探空仪、下投式探空仪、气象探空火箭等。目前主要开展的业务室无线电探空仪系统。

无线电探空仪主要用于测量大气温度、相对湿度、风速和风向变化。这些测量确定了天气系统的基本特性，天气预报人员可以推断短期内可能会发生的变化。它们也供应了用于长期预报的数值天气猜测模型的输入参数。短期预报要求温度和相对湿度测量具有很高的垂直辨别率。例如，接近地表的云的位置需要以在垂直方向上小于100米的精度进行测量。

很多年来，气象帮助业务是高垂直辨别率大气测量的主要来源。气象帮助在现场从地表之上的位置向由接收机和数据处理系统构成的基站传送大气气象变化的测量结果。在绝大多数状况下，测量压力（或高度）、温度、相对湿度、风速和风向。也可能包括臭氧、悬浮微粒或放射物等大气成分的测量。基站的输出被传送给气象通信网络，以便与其它接收站的数据进行综合。通常气象帮助在使用后不进行回收，所以放射机和传感包的成本必需保持在最低水平。

在最常见的气象帮助系统中，气象气球可将工作的无线电探空仪带至地表以上30公里的高度。我国目前有超过100个探空站，每个探空站每天执行两次无线电探空任务。典型的无线电探空仪包括以下几个主要的部件：放射机、电池、传感器包、以及许多时候一个帮助导航（NAVAID/GPS）接收机。放射机将数据传送给接收站。无线电探空仪依靠电池获得动力。电池通常由水激活，特地为无线电探空仪的使用而生产，由于商用碱性电池不能在低达90℃的空气温度下工作。传感器包括测量温度、压力、湿度、臭氧或电离辐射等大气状况的传感器。传感器包也将传感器数据压缩到足以传回地面站的长度。

我国目前主要采纳不依靠NAVAID/GPS应用的无线电探空仪系统，该系统工作于L波段。一般称为L波段二次探空系统。它通过在气球下面悬置反射器的方法来使用雷达跟踪。

探空频谱资源划分

目前，我国气象帮助业务主要运行于L波段。L波段也是目前面临其它无线电业务竞争压力较大的频段。在刚刚结束的2024年世界无线电大会上，提出了一项“讨论国际移动通信及其他地面移动宽带应用与频率相关的事宜”的决议。该决议受到相关应用部门的支持。该决议可能会对运行于L波段的气象帮助业务提出共用要求，从而限制L波段探空系统的运行和进展。

包括世界气象组织在内的广阔气象领域应用部门始终强调要爱护涉及气象的一切无线电频率资源。国际电联也始终强调气象作为公益性行业对人类生命财产平安供应了重要的保障作用。因此，针对L波段的气象帮助业务必需供应足够的爱护。

同时，在我国气象帮助业务还受限于脚注5.379E的影响。该脚注要求：敦促主管部门不要在1668.4～1675MHz频带内实施新的气象帮助业务系统，而鼓舞主管部门尽可能将气象帮助业务的操作转移到其他频带上。因此，气象工有必要开展充分的讨论以更合理的应用无线电频谱资源。

将来，我国将会开展P波段探空系统的讨论和应用。气象工应当乐观跟进国内外的讨论进展，合理有效的爱护P波段及L波段的气象帮助业务频谱资源。

风廓线雷达

风廓线雷达（WPR,WindProfilerRadar）是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备。配备有无线电-声探测系统（RASS―RadioAcousticSoundingSystem）的风廓线雷达还可以通过电波和声波的相互作用遥感大气虚温。风廓线雷达具有无人值守、自动化程度高、连续观测且时间辨别率高、业务运行成本低等特点，因此风廓线雷达观测是加强对灾难性天气监测的力量和提高短期数值天气预报模式质量的重要手段。风廓线雷达的主要涉及三个不同的频段：边界层风廓线雷达（1270～1375MHz）、对流层风廓线雷达（400MHz四周）、平流层中间层风廓线雷达（50MHz四周）。

《无线电规章》第5条中没有特殊针对风廓线雷达的划分及表述。但依据世界无线电大会97中第217号决议，可以在以下频段内实施风廓线雷达：46～68MHz、440～450MHz、470～494MHz（根据第5.291A款）、1270～1295MHz、1300～1375MHz、420～435MHz或438～440MHz频段。

我国气象部门已建成少量边界层风廓线雷达（1270～1375MHz）。而P波段对流层风廓线雷达仍未获得主管部门的正式审批。P波段对流层风廓线雷达的观测目标包含了大量的天气现象，可以为气象预报和预警供应大量数据。目前该频段的风廓线雷达依旧在与相关部门进行协调。鉴于P波段风廓线雷达的重要作用，它仍将是将来进展的主要方向。而该项工作的开展也有赖于主管部门及其他在该频段开展业务的相关单位的大力支持。

雷电探测

雷电探测是一项被动的活动，主要是使用无线电接收机探测由雷电辐射的电磁波。在目前系统中，闪电的位置可通过测量闪电电磁波到达方向，或通过测量电磁波的到达时间，或通过两者共同确定。依据所要求的监测地区和系统的特定用途，用于定位雷电活动的无线电频率有所不同。

通过观测以10kHz为中心的频率（2～15kHz），可有效进行达数千公里的超远距离定位。我国使用更为最广泛的是另一种操作系统。它掩盖的地区较小，但更为精细。在这种状况下，在以200kHz为中心的较高频率（所使用的宽带接收机在其1kHz至350kHz频率范围中间最灵敏）观测球形波，依据对云到地面或云到云闪电的侧重不同，遥感点通常间隔100公里至400公里。这也是国内目前采纳的方式。

VHF闪电轨迹探测系统，通过闪电先导、回击等放电过程辐射的VHF脉冲列，对闪电的放电过程进行定位，猎取闪电的放电轨迹。主要频段为：63M、110M、300M等频点。

在2024年世界无线电大会上，特地为全球雷电探测系统增加了频率划分。将8.3～11.3kHz划分给了全球雷电探测系统。

雷电探测系统会涉及到的频谱

我国已经建成了工作于200kHz频段的被动雷电观测系统。该系统目前并没有得到很好的爱护，对于雷电探测系统进行爱护的讨论也并不充分，但由于雷击已经成为一项主要的自然灾难，因此针对雷电探测系统的爱护是很有必要的。国际电联已经针对甚低频的全球雷电探测系统进行频率爱护，这将有利于我国将来进展相关业务。

高频海洋雷达

在3～50MHz范围内的无线电定位划分可用于无线电雷达操作，以监控海面的浪高、潮流并跟踪大型物体。这些雷达的操作范围将不超过300公里。

自上世纪70年月以来一些国家（美国、德国、法国、澳大利亚、韩国、印度、日本、中国和英国）便始终依据《无线电规章》第4.4条在3至50MHz的频率范围胜利地进行了海洋雷达的操作。试验性应用促进了雷达技术的进展，并有助于依据与其它用户之间的兼容性以及海洋测量的有效性确定适当的频谱。出于对更多数据的需求，以减轻灾难（包括海啸）后果，人们越来越关注依靠于这些系统的水上平安问题。

在2024年世界无线电大会上，为高频海洋雷达供应的划分为：4438～4488kHz、5250～5275kHz、9040～9305kHz、9305～9355kHz、13450～13550kHz、16100～16200kHz、24450～24600kHz、26200～26350kHz、39