張明

自然災(zāi)害一直是危及人類生命財產(chǎn)安全的重大隱患，而超過90%的自然災(zāi)害都與天氣氣候現(xiàn)象相關(guān)。天氣氣候觀測及災(zāi)害預(yù)警可以有效預(yù)防自然災(zāi)害損失，目前，我國已建成了包括地面氣象觀測站、探空站、雷達站以及閃電探測網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的完整氣象觀測體系，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與無線電頻譜資源相結(jié)合，完成了地面及高空氣象觀測的各項內(nèi)容。

目前，各種遙感觀測方法及設(shè)備提供了天氣及氣候觀測的主要信息，觀測人員利用這些信息進行分析，對災(zāi)害天氣發(fā)出預(yù)報及告警，從而降低自然災(zāi)害風(fēng)險。這些基于無線電應(yīng)用的觀測手段都需要相應(yīng)的頻譜資源，可以說，沒有無線電頻譜資源就沒有現(xiàn)代化的氣象觀測。

利用到無線電頻譜資源的各項遙感業(yè)務(wù)主要包括氣象衛(wèi)星、天氣雷達、探空儀、雷電監(jiān)測設(shè)備、風(fēng)廓線雷達、地基遙感設(shè)備等。

氣象業(yè)務(wù)中的無線電遙感系統(tǒng)

天氣雷達

天氣雷達在《無線電規(guī)則》的業(yè)務(wù)劃分中屬于無線電定位業(yè)務(wù)，用于天氣預(yù)報、大氣研究等領(lǐng)域。天氣雷達對于緊急氣象和水文報警有著重要作用，是面對山洪和泥石流等自然災(zāi)害的最后一道防線。

跟所有雷達一樣，天氣雷達也是靠發(fā)射無線電信號運行的，通過觀察回波信號來工作的。與其他種類的無線電定位雷達不同，一般的無線電定位雷達要去除云、雨等天氣現(xiàn)象的影響而探測其它物體，天氣雷達則主要是觀察大氣中的降水及其他天氣現(xiàn)象。而這些被測目標往往不是十分有效的反射器，因此，相對“平靜”的頻譜，即沒有人為電子噪聲和干擾的頻譜，是絕對必要的。

氣象工作者一方面利用天氣雷達監(jiān)測、定位和測量云中的含水量或降水量，另一方面利用降水或大氣粒子的運動確定風(fēng)速。雷達測量具體時間段的降水強度，以及接近或漂離天氣雷達天線的降水或大氣粒子的運動，以測量氣候事件內(nèi)部的循環(huán)交替。這是測量龍卷風(fēng)或洪水等極端天氣并提供預(yù)警的關(guān)鍵要素。

單一的雷達往往只能觀測到一個天氣過程的部分情況，難以覆蓋整個過程。從而限制了雷達的運行范圍。為克服這一局限性，通常在分布網(wǎng)絡(luò)中等距部署多個雷達。這些網(wǎng)絡(luò)每天24小時不間斷運行，通常覆蓋廣大地區(qū)，如多個國家甚至一個大洲的部分地區(qū)，以檢測和跟蹤氣象變化，從而實現(xiàn)早期天氣災(zāi)害報警。

不同波段的雷達用于觀測不同的目標，例如S頻段（2700～2900 MHz，10厘米波長）被選用于檢測熱帶和溫帶氣候條件下極遠距離（多達300公里）的暴雨。

C頻段（5600～5650 MHz，5.4厘米波長）通常選用于溫帶氣候，具有長距離（多達200公里）檢測降雨的能力，還因使用較低功率和較小規(guī)格的天線，具有較同等空間分辨率的低頻雷達成本更低的優(yōu)勢。

X頻段（9300～9500 MHz，2.5～3.2厘米波長）天氣雷達更為敏感，能夠檢測出更小的粒子，但由于承受更高的衰減，因而僅用于極短距離（約50公里）的天氣觀測。

雷達在工作中在中利用方向性波束實現(xiàn)降水和風(fēng)速的測量。我國現(xiàn)有的天氣雷達網(wǎng)中， 包含S波段雷達C波段雷達及少量的X波段雷達，這些頻段作為無線電定位業(yè)務(wù)的天氣雷達都與其他無線電業(yè)務(wù)共用。在不同的國家和地區(qū)，主管部門對于天氣雷達的劃分也略有區(qū)別，比如在C波段，一般的天氣雷達多用于5600～5650MHz。

天氣雷達頻譜資源劃分

天氣雷達業(yè)務(wù)的是氣象遙感觀測的最主要的手段之一。長期以來，該項業(yè)務(wù)得到了主管部門的大力支持。中國氣象局也已經(jīng)建立了具備一定覆蓋范圍的天氣雷達網(wǎng)。這一雷達網(wǎng)絡(luò)對天氣預(yù)報和災(zāi)害預(yù)警發(fā)揮了重要作用，特別是S波段雷達對于強降水的臨近預(yù)報和告警起到了關(guān)鍵的作用。但是，我國天氣雷達網(wǎng)絡(luò)還遠未最終完成，特別是西部地區(qū)雷達覆蓋范圍較小。因此，天氣雷達仍然是未來很長時間內(nèi)我國氣象觀測業(yè)務(wù)的主要建設(shè)內(nèi)容之一。

同時，相關(guān)研究單位也正在開展毫米波雷達在氣象領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)實驗，未來可能需要相應(yīng)的頻率資源支持這些應(yīng)用。

氣象輔助系統(tǒng)

《無線電規(guī)則》氣象輔助（MetAids）業(yè)務(wù)定義為用于水文、觀測和研究等氣象用途的無線電通信業(yè)務(wù)。在實際應(yīng)用中，我國的氣象輔助系統(tǒng)主要是探空系統(tǒng)，包括無線電探空儀、下投式探空儀、氣象探空火箭等。目前主要開展的業(yè)務(wù)室無線電探空儀系統(tǒng)。

無線電探空儀主要用于測量大氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向變化。這些測量確定了天氣系統(tǒng)的基本特性，天氣預(yù)報人員可以判斷短期內(nèi)可能會發(fā)生的變化。它們也提供了用于長期預(yù)報的數(shù)值天氣預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)。短期預(yù)報要求溫度和相對濕度測量具有很高的垂直分辨率。例如，接近地表的云的位置需要以在垂直方向上小于100米的精度進行測量。

許多年來，氣象輔助業(yè)務(wù)是高垂直分辨率大氣測量的主要來源。氣象輔助在現(xiàn)場從地表之上的位置向由接收機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成的基站傳送大氣氣象變化的測量結(jié)果。在絕大多數(shù)情況下，測量壓力（或高度）、溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向。也可能包括臭氧、懸浮微?；蚍派湮锏却髿獬煞值臏y量?；镜妮敵霰粋魉徒o氣象通信網(wǎng)絡(luò)，以便與其它接收站的數(shù)據(jù)進行綜合。通常氣象輔助在使用后不進行回收，所以發(fā)射機和傳感包的成本必須保持在最低水平。

在最常見的氣象輔助系統(tǒng)中，氣象氣球可將工作的無線電探空儀帶至地表以上30公里的高度。我國目前有超過100個探空站，每個探空站每天執(zhí)行兩次無線電探空任務(wù)。典型的無線電探空儀包括以下幾個主要的部件：發(fā)射機、電池、傳感器包、以及很多時候一個輔助導(dǎo)航（NAVAID/GPS）接收機。發(fā)射機將數(shù)據(jù)傳送給接收站。無線電探空儀依賴電池獲得動力。電池通常由水激活，專門為無線電探空儀的使用而生產(chǎn)，因為商用堿性電池不能在低達–90℃的空氣溫度下工作。傳感器包括測量溫度、壓力、濕度、臭氧或電離輻射等大氣狀況的傳感器。傳感器包也將傳感器數(shù)據(jù)壓縮到足以傳回地面站的長度。

我國目前主要采用不依賴NAVAID/GPS應(yīng)用的無線電探空儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作于L波段。一般稱為L波段二次探空系統(tǒng)。它通過在氣球下面懸置反射器的方法來使用雷達跟蹤。

探空頻譜資源劃分

目前，我國氣象輔助業(yè)務(wù)主要運行于L波段。L波段也是目前面臨其它無線電業(yè)務(wù)競爭壓力較大的頻段。在剛剛結(jié)束的2012年世界無線電大會上，提出了一項“研究國際移動通信及其他地面移動寬帶應(yīng)用與頻率相關(guān)的事宜”的決議。該決議受到相關(guān)應(yīng)用部門的支持。該決議可能會對運行于L波段的氣象輔助業(yè)務(wù)提出共用要求，從而限制L波段探空系統(tǒng)的運行和發(fā)展。

包括世界氣象組織在內(nèi)的廣大氣象領(lǐng)域應(yīng)用部門一直強調(diào)要保護涉及氣象的一切無線電頻率資源。國際電聯(lián)也一直強調(diào)氣象作為公益性行業(yè)對人類生命財產(chǎn)安全提供了重要的保障作用。因此，針對L波段的氣象輔助業(yè)務(wù)必須提供足夠的保護。

同時，在我國氣象輔助業(yè)務(wù)還受限于腳注5.379E的影響。該腳注要求：敦促主管部門不要在1 668.4～1 675 MHz 頻帶內(nèi)實施新的氣象輔助業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而鼓勵主管部門盡可能將氣象輔助業(yè)務(wù)的操作轉(zhuǎn)移到其他頻帶上。因此，氣象工作者有必要開展充分的研究以更合理的應(yīng)用無線電頻譜資源。

未來，我國將會開展P波段探空系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。氣象工作者應(yīng)當(dāng)積極跟進國內(nèi)外的研究進展，合理有效的保護P波段及L波段的氣象輔助業(yè)務(wù)頻譜資源。

風(fēng)廓線雷達

風(fēng)廓線雷達（WPR, Wind Profiler Radar）是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風(fēng)場等物理量進行探測的遙感設(shè)備。配備有無線電-聲探測系統(tǒng)（RASS—Radio Acoustic Sounding System）的風(fēng)廓線雷達還可以通過電波和聲波的相互作用遙感大氣虛溫。風(fēng)廓線雷達具有無人值守、自動化程度高、連續(xù)觀測且時間分辨率高、業(yè)務(wù)運行成本低等特點，因此風(fēng)廓線雷達觀測是加強對災(zāi)害性天氣監(jiān)測的能力和提高短期數(shù)值天氣預(yù)報模式質(zhì)量的重要手段。風(fēng)廓線雷達的主要涉及三個不同的頻段：邊界層風(fēng)廓線雷達（1270～1375MHz）、對流層風(fēng)廓線雷達（400MHz附近）、平流層中間層風(fēng)廓線雷達（50MHz附近）。

《無線電規(guī)則》第5條中沒有特別針對風(fēng)廓線雷達的劃分及表述。但根據(jù)世界無線電大會97中第217號決議，可以在以下頻段內(nèi)實施風(fēng)廓線雷達：46～68MHz、440～450MHz、470～494MHz（按照第5.291A款）、1270～1295MHz、1300～1375MHz、420～435MHz或438～440MHz頻段。

我國氣象部門已建成少量邊界層風(fēng)廓線雷達（1270～1375MHz）。而P波段對流層風(fēng)廓線雷達仍未獲得主管部門的正式審批。P波段對流層風(fēng)廓線雷達的觀測目標包含了大量的天氣現(xiàn)象，可以為氣象預(yù)報和預(yù)警提供大量數(shù)據(jù)。目前該頻段的風(fēng)廓線雷達依然在與相關(guān)部門進行協(xié)調(diào)。鑒于P波段風(fēng)廓線雷達的重要作用，它仍將是未來發(fā)展的主要方向。而該項工作的開展也有賴于主管部門及其他在該頻段開展業(yè)務(wù)的相關(guān)單位的大力支持。

雷電探測

雷電探測是一項被動的活動，主要是使用無線電接收機探測由雷電輻射的電磁波。在目前系統(tǒng)中，閃電的位置可通過測量閃電電磁波到達方向，或通過測量電磁波的到達時間，或通過兩者共同確定。根據(jù)所要求的監(jiān)測地區(qū)和系統(tǒng)的特定用途，用于定位雷電活動的無線電頻率有所不同。

通過觀測以10 kHz為中心的頻率（2～15 kHz），可有效進行達數(shù)千公里的超遠距離定位。我國使用更為最廣泛的是另一種操作系統(tǒng)。它覆蓋的地區(qū)較小，但更為精細。在這種情況下，在以200 kHz為中心的較高頻率（所使用的寬帶接收機在其1 kHz至350 kHz頻率范圍中間最靈敏）觀測球形波，根據(jù)對云到地面或云到云閃電的側(cè)重不同，遙感點通常間隔100公里至400公里。這也是國內(nèi)目前采用的方式。

VHF閃電軌跡探測系統(tǒng)，通過閃電先導(dǎo)、回擊等放電過程輻射的VHF脈沖列，對閃電的放電過程進行定位，獲取閃電的放電軌跡。主要頻段為：63M、110M、300M等頻點。

在2012年世界無線電大會上，專門為全球雷電探測系統(tǒng)增加了頻率劃分。將8.3～11.3kHz劃分給了全球雷電探測系統(tǒng)。

雷電探測系統(tǒng)會涉及到的頻譜

我國已經(jīng)建成了工作于200kHz頻段的被動雷電觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前并沒有得到很好的保護，對于雷電探測系統(tǒng)進行保護的研究也并不充分，但由于雷擊已經(jīng)成為一項主要的自然災(zāi)害，因此針對雷電探測系統(tǒng)的保護是很有必要的。國際電聯(lián)已經(jīng)針對甚低頻的全球雷電探測系統(tǒng)進行頻率保護，這將有利于我國未來發(fā)展相關(guān)業(yè)務(wù)。

高頻海洋雷達

在3～50MHz范圍內(nèi)的無線電定位劃分可用于無線電雷達操作，以監(jiān)控海面的浪高、潮流并跟蹤大型物體。這些雷達的操作范圍將不超過300公里。

自上世紀70年代以來一些國家（美國、德國、法國、澳大利亞、韓國、印度、日本、中國和英國）便一直根據(jù)《無線電規(guī)則》第4.4條在3至50MHz的頻率范圍成功地進行了海洋雷達的操作。實驗性應(yīng)用促進了雷達技術(shù)的發(fā)展，并有助于根據(jù)與其它用戶之間的兼容性以及海洋測量的有效性確定適當(dāng)?shù)念l譜。出于對更多數(shù)據(jù)的需求，以減輕災(zāi)害（包括海嘯）后果，人們越來越關(guān)注依賴于這些系統(tǒng)的水上安全問題。

在2012年世界無線電大會上，為高頻海洋雷達提供的劃分為：4438～4488kHz、5250～5275kHz、9040～9305kHz、9305～9355kHz、13450～13550kHz、16100～16200kHz、24450～24600kHz、26200～26350kHz、39.5～39.986MHz、39.986～40MHz。除最后兩個區(qū)間，其余劃分均為次要業(yè)務(wù)。

我國氣象系統(tǒng)對于高頻海洋雷達的應(yīng)用已有多年。但一直沒有針對這種業(yè)務(wù)進行保護。日本和韓國相關(guān)機構(gòu)對高頻海洋雷達的研究熱情很高，針對其開展的保護也很重視。隨著針對高頻海洋雷達研究的進行，我國也有必要更多的參與該業(yè)務(wù)的頻譜應(yīng)用及保護。

其它地基遙感

氣象業(yè)務(wù)總是依賴于對地球的長期觀測。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，有很多用于地球觀測的地基遙感方法在不斷涌現(xiàn)。其中的絕大多數(shù)都需要利用無線電頻譜資源。

在介紹這些地基遙感之前，首先需要回答一個問題。在地球觀測領(lǐng)域，衛(wèi)星地球觀測業(yè)務(wù)（EESS）已經(jīng)運行了多年，那么是否還需要地基遙感提供地球觀測數(shù)據(jù)呢？答案是肯定的。那些為了進行本地詳情預(yù)測的氣象學(xué)家或研究行星邊際的科學(xué)家需要大氣探測提供比衛(wèi)星系統(tǒng)更高的近地垂直分辨率。提供這一信息的一個方法是使用上視無源遙感，并在地球表面安裝輻射計，即地基遙感。

用于地基遙感的系統(tǒng)所需的頻譜資源分布很廣。在國際電聯(lián)的科學(xué)研究組中，地基遙感仍然是一個研究的熱點。

目前，已知的可用頻譜區(qū)間為：50GHz和58GHz之間氧譜帶中的特定信道，用于測量溫度結(jié)構(gòu)；21GHz和24GHz之間的信道用于提供垂直方向水汽變化的信息；30GHz范圍的窗口觀察用于云識別。

大量地基輻射計的部署還有利于其它大氣成分（如臭氧）的無源遙感（特別是在142GHz）未來水蒸氣的測量還將受益于在183GHz水汽吸收帶的下翼進行的其他觀測。

盡管用于溫度和濕度地基遙感的信道與無源衛(wèi)星遙感處于類似區(qū)域，但與衛(wèi)星使用的信道不同。在一些頻率，衛(wèi)星遙感可與地面業(yè)務(wù)安全共用，但地基輻射計可能需要得到保護。正在運行的地基輻射計的數(shù)量還很少，但如果目前的研發(fā)取得成功，在未來可能進行大量部署?？赡苄枰贫ㄒ环N可行的共用方法，設(shè)計輻射計的部署位置，以避免來自其他業(yè)務(wù)的干擾。因此，這類問題應(yīng)該是下一階段在氣象無線電業(yè)務(wù)的一個主要發(fā)展方向。

我國氣象業(yè)務(wù)開展已有60余年的歷史，但針對氣象業(yè)務(wù)所涉及頻譜資源的研究和保護還很不充分。氣象領(lǐng)域頻譜資源已經(jīng)有基本明確的劃分，但是這些劃分都隨時會受到來自各個領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)時刻保持對現(xiàn)有頻段的保護并強調(diào)頻譜資源對氣象觀測業(yè)務(wù)的重要性?，F(xiàn)今無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，頻率資源是各得到了日益廣泛的重視。氣象行業(yè)必須緊跟時代發(fā)展，提升對頻譜資源重要性的認識，積極開展研究，科學(xué)合理的應(yīng)用頻譜資源。

氣象業(yè)務(wù)有不斷進步的趨勢，很多新型設(shè)備都會用到新的頻譜資源。發(fā)達國家的氣象部門和科學(xué)部門對這些領(lǐng)域開展了很多研究，我國應(yīng)當(dāng)積極參加這類研究，為將來的業(yè)務(wù)提供必要準備，并推動新技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。

總之，頻譜資源對氣象系統(tǒng)的意義非常重大。應(yīng)當(dāng)加強對其重要性的認識，建立穩(wěn)定的研究團隊，積極開展科學(xué)研究。以科學(xué)研究為基礎(chǔ)，合理的充分利用頻譜資源，推動氣象系統(tǒng)的進步，為社會發(fā)展提供更好的服務(wù)。