天气预报与多普勒原理?
这个问题我十年前想了很久,现在可以回答一下了 首先明确一点 多普勒天气雷达回波图像上显示的所谓的“速度”其实是距离,也就是从雷达向地球表面发射电磁波后,反射回来的信号在时间上的延迟(电磁波的传播不需要时间吗?) 根据多普勒效应,物体运动时,观测者感受到的物体运动速度和方向会发生变化,而这种变化有固定规律,因此根据这种变化的测量就可以反推运动物体的速度、方向和初始位置。 所以如果只考虑距离和角度问题的话,利用多普勒天气雷达的回波信号完全可以建立气象学中的“声速图”——当然实际的声速图需要考虑温度气压等影响,以及实际的多普勒信号要比理想情况复杂很多。 但是这里涉及一个问题:如何精确测得最初时刻的电磁波传播方向——这一点很难实现,因为从发射机到接收机之间存在诸多干扰因素,而且最初的几个数据点会受到传感器误差、噪声等影响而变得非常不准确。所以通常的作法是忽略起始方向的数据,直接从所有数据中计算出速度值并加以应用。
但是,这带来的后果就是对于初始时刻(离散的点)的模糊处理变成了对所有数据的加权求和,这样的结果自然是不如理想情况的明确。 这也是目前气象学的困境之一,对初始条件的敏感依赖导致任何微小误差都可能造成后期算法的混乱。
另外补充一点,现代的计算机技术已经可以很大程度地减少计算误差,提高速度的估算精度。但是,无论怎样,只要采样频率足够高且不存在数据泄漏的问题(即每次的数据采集都是独立事件并且用于计算的速度样本数量够大),这种基于多普勒理论的方法绝对是可靠的。 事实上,现在的多普勒天气雷达本身就已经能很好解决数据泄漏的问题,所以这种方法被广泛应用于各种气象问题的研究之中。