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微波、超长波与气象

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发表于 2015-6-21 21:50:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
微波和超长波是无线电波的两个极端,波长相差达几百万倍,然而在气象上这两个波长都和大气中的自然现象和天气系统如台风、雷雨、锋面(两个不同的气团之间的过渡区域)、低压、积雨云……连系在一起。在气象上广泛的使用着微波和超长波的仪器来探测雷雨、降水(包括雨、雪、冰雹等)和天气系统的结构与分布移动,从而发布警报,对农业,航空,盐业,电力输送各经济建设部门及国防服务。
原来台风、锋面、低压、积雨云……等由于空气的垂直对流。云中常带电荷,是伴随着大气放电的电源。当大气中的电荷达到一定的程度就出现了电荷间的放电现象;通常是云与云,云与自由空间或云与地之间的放电。放电的路途中流通着极强的电流,宛若垂直的发射天线,从而辐射出能量巨大的电磁波。从大气放电的频谱分析中可以看出其能量集中在5—7千赫左右,波长达40,000—60,000公尺,如图1,这就是自然界中的超长波,传播极远,几乎全球都可用接收机收到。

大气放电的频谱分析特性

大气放电的频谱分析特性

在气象上最常用的是专门设计的阴极射线定向仪,如图2,其采用频率为10千赫,可以测定大气放电电源的所在,其所以不采用7千赫是为了避免工业干扰。在习惯上这就叫着“远程雷电”,表示可以探测很远的雷电。观测方法是在相距约一千公里左右建立成三角形或正方形的三个或四个站,成为一套组织,以一站为中心,其间有同步通讯连络设备。当中心站发现强的放电电源,立刻发出讯号,各站就自动地或人工进行放电电源的角度测定。最后再以电报集中记录,根据投绘的交点就得出雷电分布图。这些雷电的分布根据观测分析的结果是与大气中台风、锋面,低压、地方雷雨、积雨云等紧密连系在一起的。其间有着这样的关系:冷锋面上的放电源分布在锋面及锋后;暖锋面放电源分布在锋前;台风里的放电源大多集中在台风路途的右面,在有的台风中多集中在路径右面垂直方向约300—400公里的地方。因此有了放电电源的分布及几次观测中获得其移动的方向与速度就可以预报并并发布台风警报。同时还可将统计记录绘制成的大范围的雷电分布图作为电力输送设计及维护上的资料。由于站间距离较大,因此大约3000—4000公里范围内的雷电都可以观测。
这种阴极射线定向仪是采用互相垂直的框形天线,一指南北,一向东西,两天线接收讯号后送至两路对称的收讯机放大,然后加到阴极射线管的水平与垂直偏向板上,最后合成的亮线就可以测定放电电源的方向。因为采用两路收讯机,因此要测角正确必需满足两路放大量及相移相等,天线要求对称一致,示波管的偏向系统要误差很小,以及要求天线引入电缆的电阻、电容等相等,同时建立的场地还要求有均匀的介质常数及导电率。这种仪器已在好些国家中采用了。
在另一极端——微波——又怎样同这些天气系统,大气现象连在一起呢?我们都知道雷达发射出去的强的脉冲功率,随着雷达天线的指向及转动向各方辐射出去,在电磁波传播的道路上随着波长与大气中的云雨大小,就产生着不同的散射、反射与衰减,于是当雷达接收机接收到的这些“回波”出现在雷达的平面指示器的荧光屏上时,就反映了大气中各地分布着的台风、锋面、雨和雪…。这是因为雷达本身具有测距及测向的本领。因为这些“回波”的功率是与雨滴的直径六次方成正比例,与波长的四次方成反比例,与天线面积成正比,与距离的平方成反比。由此可以得出降雨下雪的大小与“回波”信号的关系。大家知道雷达是用来抓飞机的,金属可以反射电波,同样雨、云、雪、冰雹…也可以“反射”电波;而雨、云、冰雹…又是与大气中的天气系统:台风、锋面、低压…连在一起的。因而微波技术在气象上就起到重要的作用。随着雷达功率、波长及天线反射体面积的不同,探测们结果范围也有所不同,有如前面提到的关系。一般地讲,雷达可以探测200—400公里半径范围内的大雨,从而可以确定台风、锋面等天气系统的移动速度与方向,以发布警报。另一方面,有些波长较短的雷达,还可以探测云层的厚度、高度、层次,从而引导飞行,在航空气象上起着重要的作用。气象上各国更进一步用微波技术来探测云雨的微物理结构,研究云雾的生成、发展、消失的过程,再进一步可以依据这些结果从事人工控制降雨、下雪、消雹等工作,对农业有着密切的关系。
从上面可以看到:虽然是两个极端的无线电波长,但在气象领域中起到极其巧妙的作用。实际上这方面的工作还只不过是才开始哩!还有很大的工作等着无线电工作者开发。譬如说目前还不能采用同一雷达作“多面手”来探测云和雨,雾和冰晶,在气象领域中也还有其他的无线电的应用,这些都有待无线电工作者进一步来占领.
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