本科室友,挺逗一東北人,最近經(jīng)常強(qiáng)調(diào)自己是冰冰的老鄉(xiāng)。某次結(jié)伴去黃山旅行,登頂俯瞰,一覽眾山小,好不壯麗。不過山頂最高處并不能登上,因?yàn)檫@里有一座氣象站,只有站內(nèi)人員和受邀人員才能進(jìn)入。
黃山光明頂氣象站(筆者攝于2018年秋)
黃山頂上還有這么個氣象站,老氣派了!
這個氣象站,1956年就有啦,十多年前擴(kuò)建了一遍,成了現(xiàn)在這個樣子
這上頭恁大一足球,嘛玩意兒?。?/p>
那不是足球,是雷達(dá)
拉倒吧,雷達(dá)我見過,跟口鍋似的,你看紅警里頭:
游戲中選擇蘇軍陣營,建起這座雷達(dá),您將獲得右上角的小地圖視野和偵察機(jī)選項(xiàng)(來自游戲《命令與征服:紅色警戒2》)
雷達(dá)種類可多了,紅警里面那就是最常規(guī)的一種雷達(dá),畫了個模型。這兒的雷達(dá),叫多普勒雷達(dá),里面其實(shí)也是像一口鍋一樣,外面是一種特制的殼子,用來保護(hù)天線的。稍微大一點(diǎn)的氣象站現(xiàn)在都有這個高科技產(chǎn)品
就這足球一樣的玩意兒?這么厲害嗎?
那是,多普勒雷達(dá)可謂功能強(qiáng)大……
哦,那我懂了,應(yīng)該是更像這玩意兒,指哪劈哪,老霸道了!
天氣控制器,游戲中盟軍陣營的“超級武器”,可以召喚“閃電風(fēng)暴”對敵軍基地帶來致命打擊(來自游戲《命令與征服:紅色警戒2》)
這是咱民用的做天氣預(yù)報(bào)用的雷達(dá),不是天氣控制器,召喚不了閃電的……
那這“足球”有啥用呢?
用處可大了,且聽我慢慢道來
雷達(dá),大家或許都有所耳聞。小學(xué)的科普書上就會有:人類通過研究蝙蝠捕獵的原理而發(fā)明了雷達(dá)。
雷達(dá)可以發(fā)射電磁波或者聲波,通過計(jì)算發(fā)射信號與反射信號等時間差來推測物體位置和大小。雷達(dá)可以廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭、農(nóng)業(yè)、氣象、航空航天等等,是一種很常見的裝備。
雷達(dá)最為人熟知的形狀是一個像大鍋一樣的東西,正中央一根天線,斜向上仰視天空,一邊轉(zhuǎn)一邊探測空中有什么飛行物,就像游戲中描繪的那樣。
但是,雷達(dá)前面加上一個“多普勒”,或許很多人就沒有聽說過了。同時,人們可以注意到在很多氣象站,以及飛機(jī)場邊上的塔臺上有一個神秘的球形或半球形建筑體,細(xì)看仿佛一顆足球一般。
四川省氣象局、深圳市氣象局、浦東機(jī)場塔臺
(圖自image.baidu.com)
泰山頂氣象站(筆者攝于2019年夏)
那么,什么叫“多普勒雷達(dá)”呢?
這就涉及一個中學(xué)時期的物理概念——多普勒效應(yīng)。
多普勒效應(yīng)是指當(dāng)一個相對于某參照物在運(yùn)動的物體發(fā)出與運(yùn)動方向不垂直的波時,波的波長會相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。
生活中最常見的多普勒效應(yīng)就是聲音的多普勒效應(yīng)。當(dāng)一輛車從你面前呼嘯而過,它發(fā)出的聲音會從高變低,而聲音的音調(diào)高低與聲波的波長相關(guān),音調(diào)越高,波長越小,聲波的頻率越高。
因此,對于與聲波傳播方向相同的物體,其音調(diào)會變高,波長變短;與聲波方向相反的運(yùn)動物體,其音調(diào)會變低,波長變長。
多普勒效應(yīng)(來自維基百科)
了解了多普勒效應(yīng),就很容易明白多普勒雷達(dá)的探測原理。它本身會不斷發(fā)射電磁波信號或者聲波信號,通過探測物體反彈的電磁波/聲波頻率,得到一個頻率差值,再推演出物體的運(yùn)動速度。根據(jù)不同的發(fā)射頻率反射的結(jié)果,可以推演出物體的運(yùn)動方向和距離等等。
它與普通雷達(dá)的最大區(qū)別是需要一直保持開啟狀態(tài),再利用集成電路和計(jì)算機(jī)等從物體反射的波頻率差異分辨出有效信息。而普通的雷達(dá)是通過計(jì)算從發(fā)射信號到接收反射信號的時間差來推算物體運(yùn)動信息,得到的信息更加簡略。
雷達(dá)探測示意圖(來自維基百科)
運(yùn)用于氣象觀測的多普勒雷達(dá),發(fā)射的通常是微波(一種電磁波,微波爐里面發(fā)射的那種波就屬于微波),通過多普勒效應(yīng)計(jì)算不同高度層氣流的運(yùn)動速度,可以得到附近區(qū)域的風(fēng)速、水汽等等信息的垂直分布情況。
對于不同的觀測對象,氣象多普勒雷達(dá)的發(fā)射頻率會有所差異,因?yàn)椴煌矬w對電磁波的反射率會隨著頻率變化。
一般而言,單個雷達(dá)的工作頻率范圍是比較有限的,特定的工作頻率只有探測特定大小的粒子時比較準(zhǔn)確。比如測云雷達(dá)適合探測顆粒較小的云微粒,用來探測中高層的云,測量云底和云頂高度等;而測雨雷達(dá)波長更長,頻率更低,適合探測顆粒較大的雨滴和低層的雨云,適合跟蹤可能產(chǎn)生降水的云團(tuán),從而達(dá)到實(shí)時觀測天氣的目的,因此又叫天氣雷達(dá)。
還有一種“甚高頻/超高頻雷達(dá)”,波長短,可以用來探測大氣湍流,以及大氣層中的帶電粒子,適合用來監(jiān)測閃電等現(xiàn)象。
天氣雷達(dá)回波圖(又被戲稱為“番茄炒蛋圖”)
2017年臺風(fēng)“天鴿”登陸情形,云層越厚重,顏色越紅
那么為什么氣象臺的雷達(dá)會是球形的呢?
這個球殼叫做“雷達(dá)罩”。
實(shí)際上,多普勒雷達(dá)真正核心的部分仍然是一口大鍋加天線的形狀,與普通雷達(dá)沒有顯著差異。之所以加上一個足球一樣的外殼,主要作用還是保護(hù)內(nèi)部的天線,延長使用壽命,因?yàn)槎嗥绽绽走_(dá)需要全天候開啟,所以加上雷達(dá)罩更加有用。
雷達(dá)罩還可以起到一個讓信號均勻分布的作用。但與此同時,雷達(dá)罩會導(dǎo)致信號衰減,分辨率變差,所以有些分辨率要求較高的雷達(dá)不會安裝這個罩子。
日本某基地的雷達(dá)罩(來自維基百科)
多普勒雷達(dá)目前在氣象和軍事方面應(yīng)用廣泛,是極其重要的設(shè)施。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì),我國目前有新一代天氣雷達(dá)270部(2020年估計(jì),基本上都是多普勒雷達(dá)),另有X波段雷達(dá)(應(yīng)急保障或重大活動期間使用)、風(fēng)廓線雷達(dá)(截至2016年共有69部,集中于大城市群)等共同組網(wǎng),形成了覆蓋全國的氣象觀測網(wǎng)絡(luò)。
參考文獻(xiàn):
1.天氣雷達(dá)探測與應(yīng)用(胡明寶 編著,氣象出版社,2007.11)
2.雷達(dá)氣象學(xué)(張培昌等 編著,氣象出版社,2005.1)
3.https://en.wikipedia.org/wiki/Weather_radar
4.https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect
5.https://zhidao.baidu.com/question/118723014.html
6.中國網(wǎng)國情問答:氣象雷達(dá)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃(2017-2020年)內(nèi)容是什么?
7.部分圖片來源于谷歌、百度、維基百科、紅色警戒游戲、中國天氣網(wǎng)等
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