风廓线雷达的原理及其应用

大气的运动可以认为是平流推动下的湍流运动，在宏观指向一个方向，在微 观存在着湍流气团，湍流气团的尺度随高度增大，从几厘米、几米、几十米 到百米以上。 在3.5米高处用超声波风速雷达连续纪录的风的三维变化如图1。


其中，红的为南北分量，兰的为东西分量，绿为垂直分量。垂直分量变化较 小，约为±1米/秒，水平分量变化较大，约为±（2～3）米/秒。
风廓线雷达的原理及其应用
风廓线雷达的定义 风廓线雷达（wind profiler radar）又 叫风廓线雷达，主要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，是应用微波遥感探测原理实现 自动化大气探测的先进装备。
风廓线雷达的分类
根据天线制式的不同，风廓线雷达可分为两大类：一类 是采用相控阵天线的风廓线雷达；另一类是采用抛物面天线 的风廓线雷达。 相控阵风廓线雷达体制适用于各种高度的探测，成为目 前普遍采用的技术体制。因为风廓线雷达在进行气流速度测 量的同时，还要对气流进行空间定位，所以需要发射脉冲电 磁波并具有多普勒测速功能，因此可将风廓线雷达归类于脉 冲多普勒雷达。风廓线雷达的探测对象主要是晴空大气，所 以风廓线雷达也成为晴空雷达。


2、风廓线雷达的基本工作机理 通常采用五波束体制，有北、东、南、西四个 倾斜方向和一个垂直方向，顺序向空中发射电 磁波。倾斜波束的倾角从10°到20°不等。 由接收机接收大气湍流回波，根据回波的多普 勒频移值得到不同方向上大气运动速度的信 息，然后合成风向风速。 由三个波束即可计算出风向风速。设风矢量沿 正东正北和铅垂方向的分量为UE、UN和Ud， 矢量沿偏东、偏北和铅垂三波束上的投影，各 向速度分量计算公式为：





3、风的短时间和长时间间隔计算结果的比较 目前新研制的高空探测系统，可以达到每秒录取一次数据要求，用707雷 达的秒数据计算的风向风速随时间的变化如图6。
图6

用传统方法计算的风随高度的变化如图7。此种方法每分钟只能利用两次数 据，其余58次没有利用。
图7

图6所示的以秒数据计算的风向风速引入了定位装置误差 的影响，是很不真实，并且是不能用的。图7所示的风是 可以实际应用的。 目前《高空气象探测规范》规定风向风速算法是基于定 位装置误差的考虑。短时间间隔的空中风向风速是不能 用于业务的。 传统的气球定位测风方法，由于定位装置的误差，不可 能得到空中短时间风的湍流运动数据。 4、风速本身的波动 用GPS探空雷达测得的一秒间隔的风速连续变化可以 消除距离误差的影响，看到风速本身的波动，从风的两 个矢量变化可以看出，风本身的波动也是很大的，图8是 国产GPS探空雷达用多普勒测风方法得多的风的矢量变 化。






2、传统测风方法的基本考虑 传统测风之所以采用长时间平均的方法主要的考虑是定位装置 的误差。目前，即使L波段的雷达距离测量误差达到±25米， 换为水平距离又引入仰角测量误差，显然要大于这一数值。 由于风速为水平距离除以时间，时间越短误差就越大，假设两 点定位误差仍为25米，以一秒间隔计算风速的误差就是25米/ 秒，显然是不可接受的。只能将时间拉长才能减少误差。 目前，701雷达、705雷达以及用气压高度计算风速的无线电经 纬雷达的水平距离误差都大于上述数值。 只有取较长时间的平均数据，才能减小风向风速测量误差，取 得大气平流的数据。 短时间风的湍流或脉动数据不适用于对天气和气候的研究。
根据雷达工作频率的不同，可将风廓线 雷达分为甚高频（VHF）、超高频（UHF） 和L波段三类。一般情况下，边界层风廓线雷 达选用L波段，对流层风廓线雷达选用UHF （P波段），探测高度在平流层以上的风廓线 雷达大致选用VHF。
探测原理

风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利 用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要 素的探测。风廓线雷达发射的电磁波在大气传播过 程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均匀而产 生散射，其中后向散射能量被风廓线雷达所接收。 一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方向 的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确 定回波位置。由此看来，风廓线雷达是无线电测距 和多普勒测速的结合。
高空风的基本特性

1、风的定义 根据全国自然科学名词审定委员会公布的《大气科学名词》，风定义为“空 气相对于地面的水平运动”，而风速定义为“空气水平运动的速度”。 这种定义没有指明计算所需的时间间隔，也没有说明是用路程还是距离除 以时间得到速度。因此，可以有各种理解。 气象应用的风，其计量大范围为“米/秒”，所采用的时间间隔最小为一分 钟，最多为四分钟。 2、空中风的垂直分布 1）近地层气流受地球表面摩擦的影响，与空中风比较垂直分量较大，水 平分量较小，但变化剧烈。风向风速的剧烈变化是空气湍流运动的结果。 风向风速和垂直气流，在短时间内显现出的是小尺度的湍流运动，大气的 流动在微观范围内是相当复杂的。
U tan1 E
UN
2 2 VH UE UN

垂直波束的径向速度URd与大气垂直速度一致。 由于倾斜波束偏离垂直的角度较小，取其水平分量的误差较大，因此，垂直波束的测量误 差要小于水平分量的误差，即风廓线雷达最适于大气垂直气流的测量。 3、风廓线雷达测风的分层高度 风廓线雷达可采用不同的模式工作，由发射脉冲宽度确定测风的分层高度。边界层、对流 层和平流层风廓线雷达有不同的分层高度。 如某对流层风廓线雷达的三种工作模式对应的脉冲宽度分别是0.5μs、2μs、10μs。1μs 电磁波传输了300m的距离，则低、中、高模式的体平均值分别为75m、300m和1500m。表 明每种模式分别对应厚度风的平均值。如图10所示。
工作方式
为了获取风廓线雷达上空的三维风速信 息，至少需要三个不共面的波束。为了提高 探测精度，相控阵风廓线雷达一般采用五个 固定指向波束扫描，按预顺序轮流向如下所 述的五个方向发射射频脉冲（仰角一般在70º75º，以75º为例）。
回波信号的特点

风廓线雷达的回波是微弱的具有明显起伏涨 落、谱宽较宽的并伴有多种杂波的随机信号。微 弱、涨落和伴有杂波是风廓线雷达回波信号的突出 特点。并且回波信号随高度的增加反射率迅速减 小。因为回波信号非常微弱，所以极强检测微弱信 号的能力是对风廓线雷达的基本要求。有用信号大 多淹没在杂波之中是风廓线雷达回波信号的另一特 点。因此，如何将有用的气象信息从多种杂波中分 离、识别出来，是风廓线雷达的又一技术难题。

图 11

图12是一个方向的回波图，是计算各个方向上速度径向分量的依据，设备同时还可以 显示径向分量的数值。
图12

5、风廓线雷达所测风向风速的特性 以斜波束倾斜15°为例，各个波束中心距垂直波束间的距离列表2。
表2


由风廓线线雷达的工作波长可知，任何高度，五个波束在相同时间的 一次采样都不是针对一个湍流气团的。由湍流尺度为波长的二分之一 可知，湍流尺度在厘米量级。 风廓线雷达所测风向风速的基本特性： 1)所测风的采样空间是固定的，分层高度是固定的。 2)每层的风向风速都是用风南北和东西矢量合成的。包含了一层内所 有的细节。中间的每个位置的湍流运动信息对平均值都有贡献。 3) 必须取较长时间的平均值，不可能得多瞬时值。


图 10
即使边界层风廓线雷达其风层高度也不会小于50米。即风廓线雷达测 量的也是某一层空气厚度的风向风速平均值。不可能是瞬时值。 4、风廓线雷达所测风向风速廓线 风廓线雷达所测风向风速通常用气象业务应用的风羽图表示 所用符号与气象用风向风速符号相同，有时为了区别风的大小以不同 颜色表示。如图11所示。




图2

3、空中风的示踪观察 利用火箭发射尾迹可以看到风的垂直变化，用飞机尾 迹可以看到风变化的内部结构，如图3、图4和图5。 风随高度的变化明显，在微观结构上有明显的湍流。

图4
图5
传统的空中风测量方法

1、传统测风方法数据的基本特性 目前空中风测量主要采用的是对气球定位的方法。定位装置有光学经纬雷达、 无线电经纬雷达、高空探测雷达。雷达又分分为一次测风雷达和二次测风雷 达。 风的基本计算方法，基于气球相对于站心平面的垂直投影，是以相邻两个平面 坐标投影点的方向和距离计算的。不论气球飞行距离有多远，计算结果都被认 为是观测点上空的风。 根据中国气象局《常规高空气象探测规范》的规定，在采用气球定位测风方法 时，空中风的计算间隔规定为：从气球施放气球开始至20分钟，每间隔1分钟 计算一次，20分钟至40分钟每间隔2分钟计算一次，40分钟以上计算风的时间 间隔为4分钟。每层计算的风向风速，其对应时间规定为两次气球定位的中间 时间。 计算得到的时间与风向风速的关系中国气象局称为“量得风层”。
风廓线雷达的测风原理和方法

1、大气湍流散射 由于大气湍流折射率的不均匀性，会引起电磁波的散射。向空中发射 电磁波，即使在晴空的情况下也会接收到大气的回波。描写大气湍流 散射的雷达方程为： PtGhL2
Pr 7.3 10 4 Cn 5 / 3
2
R2

式中Pr为雷达接收到回波功率，Pt是雷达发射的脉冲功率，h是雷达 的取样长度，τ是雷达发射脉冲宽度，L是雷达天馈系统的损耗，R是 回波所在的距离。 能够形成晴空回波散射机制的一个必要条件是探测区域的湍流尺度等 于二分之一的电磁波波长。由于大气的湍流尺度随高度增加，不同探 测高度的风廓线雷达要采用不同的电磁波波长。风廓线雷达通常使用 表 1 电磁波频率如表1。
根据探测高度的不同，可将风廓线雷达分为
边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达及中 间层-平流层-对流层风廓线雷达（MST）。 边界层风廓线雷达的探测高度一般在3km左 右，对流层风廓线雷达的探测高度一般在1216km，其中探测高度在8km以下的称为低对 流层风廓线雷达，MST雷达的探测高度可达 到中间层。




业务应用的风，如规定等压面，规定高度等都是在计算层风的时间和风向风 速关系曲线上用线性内插的方法求得。 由于大部分业务应用的风正好落在计算层风对应时间的概率很小，业务所需 的风向风速几乎都是内插求得的。 《规范》规定的风内插方法，风向风速是 分别进行的。 在进行风的内插处理时，风速都作为正值处理。而风速是有方向的，采用线 性内插法忽视了其方向性。而风向在一个圆周上取平均值，尤其是在间隔时 间较大的情况下，也是有问题的。 因此，在应用传统测风方法所得风向风速的数据时，应注意以下问题： 1）风是相对于某一高度层的平均风，忽略了层内的风向风速变化，即湍流运 动。在计算层内，当风向风速有较大变化时，不能代表该层风的实际情况。 2）在探空同时测风的情况下，风的分层高度分别约为400米、800米和1600 米。小球单测风是上述分层高度的一半。 3）气球定位测风并不是测站上空的风，其高层风的测量结果可能是 100公里 以外的情况，当大气流场不均和锋面过境时，可能完全不能代表测站上空的 情况。
U RE U E sin U d cos U RN U N sin U d cos U Rd U d


U RE U E sin U d cos U RN ຫໍສະໝຸດ BaiduU N sin U d cos U Rd U d

径向速度以朝向天线运动为正，矢量的分量取正值代表风来向。水平风速VH、风向α由 UE、UN导出：

2) 在大约5000m～8000m以下，空中风表现为明显的季节特征。在我国北方夏季风向 多为东南或西南，冬季则多为西北或东北风，冬季风速较大。 由于我国大部分地区高空处于西风带，在5000m～8000m以上，华北、西北和东北地 区盛行西北风。 风速随高度的变化较为明显，在对流层顶以下，风速通常随高度的增加而增加，至对 流层顶达为最大，实际探测结果表明风速可以超过100米/秒。在对流层顶以上风速呈 减小的趋势。 风向风速受天气系统变化的明显影响，在锋面过境时，风向往往在很短的时间内发生 逆转，风速也有较大的变化。 图2是一次用GPS探空雷达以多普勒测风方法获得的风向风速以秒间隔的变化图。