【石头科普】气象台顶上怎么有个“足球”？嘛玩意儿？
本科室友，挺逗一东北人，最近经常强调自己是冰冰的老乡。某次结伴去黄山旅行，登顶俯瞰，一览众山小，好不壮丽。不过山顶最高处并不能登上，因为这里有一座气象站，只有站内人员和受邀人员才能进入。
黄山光明顶气象站（笔者摄于2018年秋）
黄山顶上还有这么个气象站，老气派了！
这个气象站，1956年就有啦，十多年前扩建了一遍，成了现在这个样子
这上头恁大一足球，嘛玩意儿啊？
那不是足球，是雷达
拉倒吧，雷达我见过，跟口锅似的，你看红警里头：
游戏中选择苏军阵营，建起这座雷达，您将获得右上角的小地图视野和侦察机选项（来自游戏《命令与征服：红色警戒2》）
雷达种类可多了，红警里面那就是最常规的一种雷达，画了个模型。这儿的雷达，叫多普勒雷达，里面其实也是像一口锅一样，外面是一种特制的壳子，用来保护天线的。稍微大一点的气象站现在都有这个高科技产品
就这足球一样的玩意儿？这么厉害吗？
那是，多普勒雷达可谓功能强大……
哦，那我懂了，应该是更像这玩意儿，指哪劈哪，老霸道了！
天气控制器，游戏中盟军阵营的“超级武器”，可以召唤“闪电风暴”对敌军基地带来致命打击（来自游戏《命令与征服：红色警戒2》）
这是咱民用的做天气预报用的雷达，不是天气控制器，召唤不了闪电的……
那这“足球”有啥用呢？
用处可大了，且听我慢慢道来
雷达，大家或许都有所耳闻。小学的科普书上就会有：人类通过研究蝙蝠捕猎的原理而发明了雷达。
雷达可以发射电磁波或者声波，通过计算发射信号与反射信号等时间差来推测物体位置和大小。雷达可以广泛应用于战争、农业、气象、航空航天等等，是一种很常见的装备。
雷达最为人熟知的形状是一个像大锅一样的东西，正中央一根天线，斜向上仰视天空，一边转一边探测空中有什么飞行物，就像游戏中描绘的那样。
但是，雷达前面加上一个“多普勒”，或许很多人就没有听说过了。同时，人们可以注意到在很多气象站，以及飞机场边上的塔台上有一个神秘的球形或半球形建筑体，细看仿佛一颗足球一般——
四川省气象局、深圳市气象局、浦东机场塔台
（图自image.baidu.com）
泰山顶气象站（笔者摄于2019年夏）
那么，什么叫“多普勒雷达”呢？
这就涉及一个中学时期的物理概念——多普勒效应。
多普勒效应是指当一个相对于某参照物在运动的物体发出与运动方向不垂直的波时，波的波长会相应发生变化的现象。
生活中最常见的多普勒效应就是声音的多普勒效应。当一辆车从你面前呼啸而过，它发出的声音会从高变低，而声音的音调高低与声波的波长相关，音调越高，波长越小，声波的频率越高。
因此，对于与声波传播方向相同的物体，其音调会变高，波长变短；与声波方向相反的运动物体，其音调会变低，波长变长。
多普勒效应（来自维基百科）
了解了多普勒效应，就很容易明白多普勒雷达的探测原理。它本身会不断发射电磁波信号或者声波信号，通过探测物体反弹的电磁波/声波频率，得到一个频率差值，再推演出物体的运动速度。根据不同的发射频率反射的结果，可以推演出物体的运动方向和距离等等。
它与普通雷达的最大区别是需要一直保持开启状态，再利用集成电路和计算机等从物体反射的波频率差异分辨出有效信息。而普通的雷达是通过计算从发射信号到接收反射信号的时间差来推算物体运动信息，得到的信息更加简略。
雷达探测示意图（来自维基百科）
运用于气象观测的多普勒雷达，发射的通常是微波（一种电磁波，微波炉里面发射的那种波就属于微波），通过多普勒效应计算不同高度层气流的运动速度，可以得到附近区域的风速、水汽等等信息的垂直分布情况。
对于不同的观测对象，气象多普勒雷达的发射频率会有所差异，因为不同物体对电磁波的反射率会随着频率变化。
一般而言，单个雷达的工作频率范围是比较有限的，特定的工作频率只有探测特定大小的粒子时比较准确。比如测云雷达适合探测颗粒较小的云微粒，用来探测中高层的云，测量云底和云顶高度等；而测雨雷达波长更长，频率更低，适合探测颗粒较大的雨滴和低层的雨云，适合跟踪可能产生降水的云团，从而达到实时观测天气的目的，因此又叫天气雷达。
还有一种“甚高频/超高频雷达”，波长短，可以用来探测大气湍流，以及大气层中的带电粒子，适合用来监测闪电等现象。
天气雷达回波图（又被戏称为“番茄炒蛋图”）
2017年台风“天鸽”登陆情形，云层越厚重，颜色越红
那么为什么气象台的雷达会是球形的呢？
这个球壳叫做“雷达罩”。
实际上，多普勒雷达真正核心的部分仍然是一口大锅加天线的形状，与普通雷达没有显著差异。之所以加上一个足球一样的外壳，主要作用还是保护内部的天线，延长使用寿命，因为多普勒雷达需要全天候开启，所以加上雷达罩更加有用。
雷达罩还可以起到一个让信号均匀分布的作用。但与此同时，雷达罩会导致信号衰减，分辨率变差，所以有些分辨率要求较高的雷达不会安装这个罩子。
日本某基地的雷达罩（来自维基百科）
多普勒雷达目前在气象和军事方面应用广泛，是极其重要的设施。据行业统计，我国目前有新一代天气雷达270部（2020年估计，基本上都是多普勒雷达），另有X波段雷达（应急保障或重大活动期间使用）、风廓线雷达（截至2016年共有69部，集中于大城市群）等共同组网，形成了覆盖全国的气象观测网络。
参考文献：
1.天气雷达探测与应用（胡明宝 编著，气象出版社，2007.11）
2.雷达气象学（张培昌等 编著，气象出版社，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.中国网国情问答：气象雷达发展专项规划（2017-2020年）内容是什么？
7.部分图片来源于谷歌、百度、维基百科、红色警戒游戏、中国天气网等
撰稿：张昱衡
美编：李莹
文章来源“石头科普”公众号
石头科普工作室成立于2016年11月，由时任中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长汪毓明教授牵头成立。工作室是一个具有公益性质的团队，主要致力于地球和空间科学的科普工作，旨在为广大群众提供地球和空间科学基本知识。
期刊专栏：https://www.koushare.com/category/singlecolumn/86
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