本科室友，挺逗一東北人，最近經常強調自己是冰冰的老鄉。某次結伴去黃山旅行，登頂俯瞰，一覽眾山小，好不壯麗。不過山頂最高處並不能登上，因為這裡有一座氣象站，只有站內人員和受邀人員才能進入。
黃山光明頂氣象站（筆者攝於2018年秋）
黃山頂上還有這麼個氣象站，老氣派了！
這個氣象站，1956年就有啦，十多年前擴建了一遍，成了現在這個樣子
這上頭恁大一足球，嘛玩意兒啊？
那不是足球，是雷達
拉倒吧，雷達我見過，跟口鍋似的，你看紅警裡頭：
遊戲中選擇蘇軍陣營，建起這座雷達，您將獲得右上角的小地圖視野和偵察機選項（來自遊戲《命令與征服：紅色警戒2》）
雷達種類可多了，紅警裏面那就是最常規的一種雷達，畫了個模型。這兒的雷達，叫多普勒雷達，裏面其實也是像一口鍋一樣，外面是一種特製的殼子，用來保護天線的。稍微大一點的氣象站現在都有這個高科技產品
就這足球一樣的玩意兒？這麼厲害嗎？
那是，多普勒雷達可謂功能強大……
哦，那我懂了，應該是更像這玩意兒，指哪劈哪，老霸道了！
天氣控制器，遊戲中盟軍陣營的「超級武器」，可以召喚「閃電風暴」對敵軍基地帶來致命打擊（來自遊戲《命令與征服：紅色警戒2》）
這是咱民用的做天氣預報用的雷達，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，大家或許都有所耳聞。小學的科普書上就會有：人類通過研究蝙蝠捕獵的原理而發明了雷達。
雷達可以發射電磁波或者聲波，通過計算髮射信號與反射信號等時間差來推測物體位置和大小。雷達可以廣泛應用於戰爭、農業、氣象、航空航天等等，是一種很常見的裝備。
雷達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，一邊轉一邊探測空中有什麼飛行物，就像遊戲中描繪的那樣。
但是，雷達前面加上一個「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，以及飛機場邊上的塔台上有一個神秘的球形或半球形建築體，細看彷彿一顆足球一般。
四川省氣象局、深圳市氣象局、浦東機場塔台
（圖自image.baidu.com）
泰山頂氣象站（筆者攝於2019年夏）
那麼，什麼叫「多普勒雷達」呢？
這就涉及一個中學時期的物理概念——多普勒效應。
多普勒效應是指當一個相對於某參照物在運動的物體發出與運動方向不垂直的波時，波的波長會相應發生變化的現象。
生活中最常見的多普勒效應就是聲音的多普勒效應。當一輛車從你面前呼嘯而過，它發出的聲音會從高變低，而聲音的音調高低與聲波的波長相關，音調越高，波長越小，聲波的頻率越高。
因此，對於與聲波傳播方向相同的物體，其音調會變高，波長變短；與聲波方向相反的運動物體，其音調會變低，波長變長。
多普勒效應（來自維基百科）
了解了多普勒效應，就很容易明白多普勒雷達的探測原理。它本身會不斷發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，再推演出物體的運動速度。根據不同的發射頻率反射的結果，可以推演出物體的運動方向和距離等等。
它與普通雷達的最大區別是需要一直保持開啟狀態，再利用集成電路和計算機等從物體反射的波頻率差異分辨出有效信息。而普通的雷達是通過計算從發射信號到接收反射信號的時間差來推算物體運動信息，得到的信息更加簡略。
雷達探測示意圖（來自維基百科）
運用於氣象觀測的多普勒雷達，發射的通常是微波（一種電磁波，微波爐裏面發射的那種波就屬於微波），通過多普勒效應計算不同高度層氣流的運動速度，可以得到附近區域的風速、水汽等等信息的垂直分佈情況。
對於不同的觀測對象，氣象多普勒雷達的發射頻率會有所差異，因為不同物體對電磁波的反射率會隨着頻率變化。
一般而言，單個雷達的工作頻率範圍是比較有限的，特定的工作頻率只有探測特定大小的粒子時比較準確。比如測雲雷達適合探測顆粒較小的雲微粒，用來探測中高層的雲，測量雲底和雲頂高度等；而測雨雷達波長更長，頻率更低，適合探測顆粒較大的雨滴和低層的雨雲，適合跟蹤可能產生降水的雲團，從而達到實時觀測天氣的目的，因此又叫天氣雷達。
還有一種「甚高頻/超高頻雷達」，波長短，可以用來探測大氣湍流，以及大氣層中的帶電粒子，適合用來監測閃電等現象。
天氣雷達回波圖（又被戲稱為「番茄炒蛋圖」）
2017年颱風「天鴿」登陸情形，雲層越厚重，顏色越紅
那麼為什麼氣象台的雷達會是球形的呢？
這個球殼叫做「雷達罩」。
實際上，多普勒雷達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，主要作用還是保護內部的天線，延長使用壽命，因為多普勒雷達需要全天候開啟，所以加上雷達罩更加有用。
雷達罩還可以起到一個讓信號均勻分佈的作用。但與此同時，雷達罩會導致信號衰減，分辨率變差，所以有些分辨率要求較高的雷達不會安裝這個罩子。
日本某基地的雷達罩（來自維基百科）
多普勒雷達目前在氣象和軍事方面應用廣泛，是極其重要的設施。據行業統計，我國目前有新一代天氣雷達270部（2020年估計，基本上都是多普勒雷達），另有X波段雷達（應急保障或重大活動期間使用）、風廓線雷達（截至2016年共有69部，集中於大城市群）等共同組網，形成了覆蓋全國的氣象觀測網絡。
參考文獻：
1.天氣雷達探測與應用（胡明寶 編著，氣象出版社，2007.11）
2.雷達氣象學（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.中國網國情問答：氣象雷達發展專項規劃（2017-2020年）內容是什麼？
7.部分圖片來源於谷歌、百度、維基百科、紅色警戒遊戲、中國天氣網等
撰稿：張昱衡
美編：李瑩
原標題：氣象台頂上怎麼有個「足球」？嘛玩意兒？
來源：石頭科普工作室
編輯：觀山不易
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