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(guò)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(gè)氣象站，老氣派了！

這個(gè)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(gè)樣子

這上頭恁大一足球，嘛玩意兒啊？

那不是足球，是雷達(dá)

拉倒吧，雷達(dá)我見(jiàn)過(guò)，跟口鍋似的，你看紅警里頭：

游戲中選擇蘇軍陣營(yíng)，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(lái)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(huà)了個(gè)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(lái)保護(hù)天線的。稍微大一點(diǎn)的氣象站現(xiàn)在都有這個(gè)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(yíng)的“超級(jí)武器”，可以召喚“閃電風(fēng)暴”對(duì)敵軍基地帶來(lái)致命打擊（來(lái)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(tīng)我慢慢道來(lái)

雷達(dá)，大家或許都有所耳聞。小學(xué)的科普書(shū)上就會(huì)有：人類通過(guò)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(guò)計(jì)算發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)等時(shí)間差來(lái)推測(cè)物體位置和大小。雷達(dá)可以廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)、農(nóng)業(yè)、氣象、航空航天等等，是一種很常見(jiàn)的裝備。

雷達(dá)最為人熟知的形狀是一個(gè)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(cè)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(gè)“多普勒”，或許很多人就沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)了。同時(shí)，人們可以注意到在很多氣象站，以及飛機(jī)場(chǎng)邊上的塔臺(tái)上有一個(gè)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(chǎng)塔臺(tái)

（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(gè)中學(xué)時(shí)期的物理概念——多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)是指當(dāng)一個(gè)相對(duì)于某參照物在運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)出與運(yùn)動(dòng)方向不垂直的波時(shí)，波的波長(zhǎng)會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

生活中最常見(jiàn)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(guò)，它發(fā)出的聲音會(huì)從高變低，而聲音的音調(diào)高低與聲波的波長(zhǎng)相關(guān)，音調(diào)越高，波長(zhǎng)越小，聲波的頻率越高。

因此，對(duì)于與聲波傳播方向相同的物體，其音調(diào)會(huì)變高，波長(zhǎng)變短；與聲波方向相反的運(yùn)動(dòng)物體，其音調(diào)會(huì)變低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

多普勒效應(yīng)（來(lái)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(cè)原理。它本身會(huì)不斷發(fā)射電磁波信號(hào)或者聲波信號(hào)，通過(guò)探測(cè)物體反彈的電磁波/聲波頻率，得到一個(gè)頻率差值，再推演出物體的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(guò)計(jì)算從發(fā)射信號(hào)到接收反射信號(hào)的時(shí)間差來(lái)推算物體運(yùn)動(dòng)信息，得到的信息更加簡(jiǎn)略。

雷達(dá)探測(cè)示意圖（來(lái)自維基百科）

運(yùn)用于氣象觀測(cè)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(guò)多普勒效應(yīng)計(jì)算不同高度層氣流的運(yùn)動(dòng)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(duì)于不同的觀測(cè)對(duì)象，氣象多普勒雷達(dá)的發(fā)射頻率會(huì)有所差異，因?yàn)椴煌矬w對(duì)電磁波的反射率會(huì)隨著頻率變化。

一般而言，單個(gè)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(cè)特定大小的粒子時(shí)比較準(zhǔn)確。比如測(cè)云雷達(dá)適合探測(cè)顆粒較小的云微粒，用來(lái)探測(cè)中高層的云，測(cè)量云底和云頂高度等；而測(cè)雨雷達(dá)波長(zhǎng)更長(zhǎng)，頻率更低，適合探測(cè)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(shí)觀測(cè)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(zhǎng)短，可以用來(lái)探測(cè)大氣湍流，以及大氣層中的帶電粒子，適合用來(lái)監(jiān)測(cè)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(tái)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(tái)的雷達(dá)會(huì)是球形的呢？

這個(gè)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(méi)有顯著差異。之所以加上一個(gè)足球一樣的外殼，主要作用還是保護(hù)內(nèi)部的天線，延長(zhǎng)使用壽命，因?yàn)槎嗥绽绽走_(dá)需要全天候開(kāi)啟，所以加上雷達(dá)罩更加有用。

雷達(dá)罩還可以起到一個(gè)讓信號(hào)均勻分布的作用。但與此同時(shí)，雷達(dá)罩會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，分辨率變差，所以有些分辨率要求較高的雷達(dá)不會(huì)安裝這個(gè)罩子。

日本某基地的雷達(dá)罩（來(lái)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(guó)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(dòng)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(guó)的氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)：

1.天氣雷達(dá)探測(cè)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(guó)網(wǎng)國(guó)情問(wèn)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(lái)源于谷歌、百度、維基百科、紅色警戒游戲、中國(guó)天氣網(wǎng)等



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