相控阵天气雷达与双线偏振雷达技术的发展和应用研究

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　　摘要：目前，我国气象局已建成的新一代天气雷达业务网络越来越成熟，已经在监测灾害天气、短时临近预报、水文和地质灾害管理等方面做出了突出的贡献。我国第一代天气雷达投入运营的时间已经超过了二十年，在这个过程当中，不断出现新的探测技术，这有效实现了对雷达系统的升级与改造。其中单偏振雷达技术是重要的技术，应用范围比较广阔，但是该技术在应用的过程当中开始显示出了不适应性，在这样的背景下，产生了双偏振雷达技术，它的探测能力进一步提升。在这个基础上，相控阵天气雷达技术作为新型的技术也得到了快速的发展。基于此，本文对相控阵天气雷达与双线偏振雷达技术的发展和应用进行了分析与探究。
　　关键词：相控阵天气雷达技术;双线偏振雷达技术;发展与应用
　　1 相控阵天气雷达技术的发展和应用
　　1.1 相控阵天气雷达技术的基本概述
　　传统天气雷达技术通常是使用抛物面型的天线，但是相控阵天气雷达技术的天线是由很多辐射单元和接收单元，这些单元在某平面上经过规则排列之后形成的阵列型天线，这种天线最大的特点就在于它是利用电磁波相干的原理来进行工作的，它可以通过对辐射单元电流相位的控制来实现改变发射波束方向的目的，从而更好地实现对天线的电子扫描过程。与此同时，这种技术的扫描方式与传统的天气雷达技术也有所不同，它并不是机械的扫描模式，电子扫描的方式更加灵活高效。相控阵天气雷达技术的使用可以使雷达的探测范围变得更加广阔，同时也具有了更强的抗干扰能力，其波束的指向也更加灵活，因此可以摆脱惯性的束缚实现快速扫描。根据统计，相控阵天气雷达技术的扫描时间通常可以被控制在一分钟之内，因此它可以在较短的时间内完成对天气变化情况的辨别，在龙卷风、冰雹等变化速度比较快的天气现象当中具有良好的应用。
　　1.2 相控阵天气雷达技术的发展
　　美国是第一个将相控阵天气雷达技术应用于气象探测的国家，美国的相控阵天气雷达技术已经比较成熟。在实践的过程当中，美国还发展了可以随意移动的X波段相控阵天气雷达技术，并在2008年的时候进行了外场试验，发现这一技术在扫描技术上具有明显的优势。与此同时，美国还在相控阵天线上实现了双极化技术，该技术可以拥有期限和导航多方面的任务和性能目标。在这个基础上，美国还根据实际情况创造了大气遥感观测技术，通过相控阵天气雷达技术实现了低空探测能力的提高。在我国相控阵天气雷达技术也不断成熟，从2007年开始我国气象科学研究院与各地的研究所进行了合作，实现了一维相控阵天气雷达技术的改造。这一新型的雷达技术可以在一分钟之内扫描四层仰角。在这个基础上我国气象局对机载的X波段二维相控阵雷达进行了创新，通过对关键技术的研究和对现有相控阵天气雷达技术的改造形成了新的技术，它可以在飞行的过程当中实现对风场信息的搜集。
　　1.3 相控阵天气雷达技术的应用
　　相控阵天气雷达技术目前主要被应用于龙卷风的监测与预警当中。具体来说，相控阵天气雷达可以在两分钟内分析得到龙卷风的特征，了解龙卷风下击暴流的演变，这为相关人员探究龙卷风的形成过程提供了重要的理论依据。在最初，相控阵天气雷达技术只能对龙卷风漩涡的特征进行分析，了解龙卷风的强度和位置的变化情况。但是在实践当中发现，龙卷风漩涡的强度比较大，位置变化也比较明显，因此相关人员对相控阵天气雷达技术进行了改革与创新，目前相控阵天气雷达技术已经能够更准确地探测龙卷风的快速变化的天气系统。
　　2 双线偏振雷达技术的发展和应用
　　2.1 双线偏振雷达技术的基本概述
　　双线偏振雷达技术的特点是不仅可以获取基本的气象信息，同时还可以得到与基本信息相关的偏振系数，这对于气相目标微物理场的探测来说具有重要的意义。从这个角度来说，双线偏振雷达技术的应用可以更加准确地得到降水粒子的滴谱特征，更好地应对滴谱变化的多样性，从而提高对粒子类型识别的准确性，更准确地计算出云层当中含水量的变化。
　　2.2 双线偏振雷达技术的发展
　　在20世纪50年代的时候，就已经有科学家对降水粒子偏振波的后向散射情况进行了研究，比如前苏联的科学家就将偏振现象在降水粒子相态的应用问题进行了研究。80年代的时候，美国科学家正式提出双线偏振雷达的概念，同时利用双线偏振雷达技术对降水的强度进行了测量，这使各国的科学家意识到双线偏振雷达技术具有较高的准确度。在当时，双线偏振雷达最常用的模式是交替发射模式，这一模式可以实现同发同收的雷达探测目标，但是扫描的速度比较慢。1997年，美国科学家对于这一技术进行了改革与创新，研制出了S波段双线偏振雷达技术，它可以实现双接收，扫描的速度也更快。
　　我国在20世纪80年代开始将双线偏振雷达技术应用于实践当中，并在这个基础上根据实际情况对技术进行了改造，实现了高速脉间的转换。与此同时，我国科学家在对降水粒子的散射研究、测雨效果的对比以及云粒子的相态研究等方面取得了重要的成果。
　　2.3 双线偏振雷达技术的应用
　　双线偏振雷达技术在应用的过程当中，参加了多次暴雨、台风等灾害天气的外场试验，并在试验当中收集到了大量的信息与数据，这些信息对双线偏振雷达技术的完善来说是十分有必要的。在实践当中，双线偏振雷达技术不断成熟，并开始在业务方面有了新的应用，我国很多地区的气象局都已经建设了业务用的双线偏振雷达，其中X波段的双线偏振雷达技术已经被用于山洪地质灾害的监测和预防当中。
　　3 结语
　　总的来说，相控阵天气雷达技术和双线偏振雷达技术都是重要的天气雷达技术，它们在气相和地质灾害的监测与预防当中发挥了重要的作用。相控阵天气雷达技术的运用稳定可靠，获取探测数据的速度比较快，在未来有望在云降水物理观测方面取得应用。而双线偏振雷达技术对回波识别的能力比较强，可以对降水粒子的相态进行有效识别，未来将会应用于业务应用效果的评估。
　　参考文献：
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