6多普勒天气雷达原理与应用

1、0.776P/T 3730e/TdN dF dN dF dN dF波束向下弯曲波束向上弯曲波束直线传播员折射>0 4dN诚富S A 0.B7标准析副第六部分多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷 达产品第一章我国新一代天气雷达原理、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（ RDA、雷达 产品生成子系统（RPG、主用户处理器（PUP 。、了解电磁波的散射、衰减、折射散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬 浮粒子时，入射电磁波会从这

2、些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电 磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变 为热能或其他形式的能量。折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。-aiS7 m临界tfftf >地球三、了解雷达气象方程在瑞利散射条件下，雷达气象方程为:3PG2 h k22 K1024 In 2 2P户Z其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照

3、射深度，G为大线增益，。、力表示水平和垂直波宽，入表示 雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相O四、了解距离折叠最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能 向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PR曲脉冲重复频率。距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示 的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目 标位于最大不模糊距离（ RmaX以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于 Rma江外时，雷达却把目标物显示在Rma以内的某个位置，我们

4、称之为距离折叠。五、理解雷达探测原理。反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率 越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）：ZN（D）D6dDdBZ 10?lgZ0 1mm6/m3即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。意义：一般Z值与雨强I有以下关系：层状云降水Z=200I1.6地形雨Z=31I1.71雷阵雨Z=486I1.37新一代天气雷达取值Z=300I1.4六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在 一定的差别

5、，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探 测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模 糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得 到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取 样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资 料具有一定的代表性。第二章天气雷达图像识别、掌握多普勒效应多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷 达回波信号的频率变化，也称

6、为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多 普勒天气雷达波长成反比。、了解多普勒天气雷达测量反射率因子、平均径向速度和速度谱宽的主要技术方法多普勒雷达利用降水粒子的后向散射与多普勒效应来达到对其探测的目的。通过发射信号与接收信号的延退来测量距离，通过降水粒子的多普勒频移来测量其速度。反射率因子：雷达的反射率因子是降水粒子后向散射被雷达天线接收到的回波，为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和，反射率因子 Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多。平均径向速度：由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多

7、普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成 反比。径向速度则是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，而相 应的标准差即为谱宽。速度谱宽：径向速度则是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速 度，而相应的标准差即为谱宽。三、理解距离折叠和速度模糊的概念最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PR购脉冲重复频率。距离折叠：距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生 时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正 确

8、位置）。当目标位于最大不模糊距离（ RmaX以外时，会发生距离折叠。即当目标 物位于Rma之外时，雷达却把目标物显示在RmaX内的某个位置，我们称之为距离折叠。如果一个散射区在 Rma江外，那么回波只有在下一个脉冲发射之后才能收至L因为实际的来回距离在 Rma节日Rmax间，因此这种回波被称为第二区回波。最大不模糊速度 Vmax:最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是 180度。按照Nyquist采样定理可知，雷达能够准确测量多普勒频率是PRF/2，即fDmax=PRF/2。考虑到多普勒频率实际上是频率漂移，可正可负，故fDmax=± PRF/2,把关

9、系式fD=2V/入 代入，并把fDmax和Vrmax相对应，可得：Vmax= 土 入 *PRF/4对实际使用的雷达来说，波长是固定的，当选定了Rmax（或脉冲重复频率）后，就会存在一个Vmax即，当目标的径向速度大于最大不模糊速度时，就会产生混淆。由雷达测得的径向速度将相差两倍最大不模糊速度（称Nyquist间隔或速度折叠）。当最大不模糊速度较小时，会产生多次速度折叠，此时：真实速度的可能值v-2nVma喊v+2nVmax n为1,2,3 ，-为Nyquist数或速度折叠次数 。四、了解新一代天气雷达工作方式扫描方式告诉雷达在一次体积扫描中使用多少仰角和时间。WSR-88D和CINRADWSR

10、-98D使用三种扫描方式：5 分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5）6 分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6 ）10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）体扫模式（VCP:Volume Cover Pattern ）:扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。目前只定义了其中的4个：VCP11 : 规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。VCP21 :规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。VCP31 :规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。VCP32 :确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP3倘同。不同之处：VCP3使用长雷达脉冲 VCP32使用短脉

11、冲。WSR-98庆定义VCP32工作模式（Operational Mode ） : WSR-88破用两种工作模式，即降水模式和晴空模式。雷达的工作模式决定了使用哪种VCP）工作模式A:降水模式使用 VCP1域VCP21，相应的扫描方式分别为14/5和9/6。工作模式B:晴空模式使用VCP3域VCP32两者都使用扫描方式 5/10。五、了解数据的质量控制原理和方法去除距离折叠的方法： 用随机相位编码技术消除距离折叠。 调节脉冲重复频率（PRF ,这样便可以改变 Rmax，并可能在所关心的区域将距 离折叠退掉。 选择一个较高的仰角扫描能克服距离折叠问题。 采取变换探测地点的方式可以观察到同一个风暴

12、的不同侧面。去除速度模糊的方法：目前最常见的客观速度退模糊的技术方法有下面几种： 主观识别和消除速度模糊影响，在使用速度回波的PPI或RHI等图像以前，应首先分析是否存在速度模糊现象，如存在，则在使用时排除其影响。 改变脉冲重频或交替使用双重频。六、理解什么是多普勒两难V RV max r max 8根据得知，对每个特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度 不能同时兼顾。第三章 对流风暴的雷达回波特征一、了解层状云降水、积云降水和积云层状云混合降水的反射率因子图像主要特征在常规雷达上，积状云降水回波被描述为具有密实的结构，而层状云降水回波具有均匀的纹理和结构，积状和层状混合降水回

13、波具有絮状结构。积状云降水，反射率因子空间梯度较大，其强度中心的反射率因子通常在35dBZ以上，而层状云降水反射率因子空间梯度小，反射率因子一般大于15dBZ,小于35dBZ。层状云降水或层状 -积云混合降水反射率因子回波的另一个特征是所谓的“零度层亮带”的存在。二、理解边界层辐合线的识别边界层辐合线：边界层辐合线在新一代天气雷达反射率因子图上呈现为窄带回波，强度从几个dBZ十几个dBZ。三、理解风随高度变化的径向速度图主要特征 等径向速度线为直线：零等速线呈直线，各高度层上的风为均匀风场。如果实 际风速在某高度层上出现最大值，则在径向速度图上表现为被闭合等速区所包围的最 大径向速度区。 S型

14、和反 卵径向速度图像：零等速线呈S型，表示实际风向随高度顺时针旋转，在雷达有效探测范围内有暖平流；同样，零等速线呈反S型，表示实际风向随高度逆时针旋转，在雷达有效探测范围内有冷平流。 汇合和发散流场的速度图像：如果实际风向在各高度层上为汇合或发散，则在 速度图上零等速线呈弓形。四、了解锋面的径向速度图像特征锋面从西北方向移向RDA,冷风逼近时，零等速区（线）有两个（条），一个通过RD A呈 卵结构，另一个未通过 RDA：反S型结构。锋区位于东北西南向零等 速线，如下图。当冷锋位于RD A时，有三条零等速区（线），有一条零等速线通过RD A中 心，为锋区所在位置，如下图。当冷锋通过RD A后，有

15、三条零等速区（线），在RD A东南方呈西南东北向 的零等速线即为锋区，如下图。五、理解丫中尺度系统的径向速度特征 丫中尺度气旋/反气旋流场：在小区域内，当一对最大入流/出流速度中心距 雷达是等距离时，表示在该区域内有中丫尺度旋转存在，沿雷达径向方向，若最大入 流速度中心位于左侧，表示为气旋性旋转，若最大入流速度中心位于右侧，则为反气 旋性旋转。 丫中尺度辐合/辐散流场：由于丫中尺度辐合/辐散流场得尺度较小，其源点 或汇点和整个流场均在雷达的有效探测范围内，在包含丫中尺度辐合/辐散流场的小 区域内，沿同一雷达径向方向有两个最大径向速度中心，若最大入流中心位于靠近雷 达一侧，则该区域为径向辐散区，

16、相反则为径向辐合区。 丫中尺度气旋式辐合/辐散流场：当一对最大入流/出流中心位于距雷达不是 等距离且不在同一雷达径向时，若最大出流中心更靠近雷达且最大入流中心位于雷达 径向左侧时，表示小区域内流场为气旋式辐合，相反，若最大入流中心更靠近雷达且 且最大出流中心位于雷达径向左侧时，表示小区域内流场为气旋式辐散。 丫中尺度反气旋式辐合/辐散流场：与上述情况类似，还可以有反气旋式辐合 和反气旋式辐散。第四章新一代天气雷达产品一、理解对流单体的概念模型根据积云中盛行的垂直速度的大小和方向，普通风暴单体的演化过程通常包括三 个阶段： 塔状积云阶段：由上升气流所控制，上升速度一般随高度增加，且主要由局地暖空

17、气的正浮力或者由低层辐合引起，上升速度一般为510m/s,个别达到25m/s。在塔状积云的后期，降水能够引发下沉气流。 成熟阶段：实际上是由上升气流和下沉气流共存的阶段。成熟阶段开始于雨最 初从云底降落之时，可认为雷达回波接地是对流单体成熟阶段的开始。此时，云中上 升气流达到最大，随着降水过程的开始，由于降水粒子所产生的拖拽作用，形成了下 沉气流。然后，这种下沉气力在垂直和水平方向上扩展。这种冷性下沉气流作为一股 冷空气，在近地面的低层向外扩散，与单体运动前方的低层暖湿气流交汇而形成飓 锋，又称阵锋风。成熟阶段的对流单体的中上部，仍为上升气流和过冷水滴及冰晶等 水成物。当云顶伸展到对流层顶附近

18、时，不再向上发展，而向该处的环境风下风方向 扩展，出现水平伸展的云砧。 消亡阶段：为下沉气流所控制，此时降水发展到整个对流云体。实际上，当下 沉气流扩展到整个单体，暖湿空气源被扩展的冷池切断时，风暴单体开始消亡。二、了解对流风暴的分类对流风暴可分为以下四类：普通单体风暴，多单体风暴，线风暴（飕 线），超级单体风暴。前三类可以是强风暴，也可以是非强风暴，而第四类一定是 强风暴。三、理解影响雷暴生成发展的主要因素及诊断方法影响雷暴生成发展的主要因素有热力（浮力）不稳定、风的垂直切变和水汽的垂 直分布三个因子。另外，在对流不稳定条件下，还需要一定的抬升条件对流才能发 生。由于浮力决定了垂直方向上空气

19、的加速程度，它与风暴强度直接相关。垂直风切 变有利于风暴发展、加强和维持，从而决定了风暴类型的演变和发展。另外风暴和环 境的相互作用也会影响风暴的强度和组织。四、了解风暴相对螺旋度的概念和物理含义风暴相对螺旋度是衡量风暴旋转潜势的具有明确意义的物理量，其取决于沿相对 风暴气流流线方向的水平涡度，而这些因子又取决于低层垂直风切变的强度和方向以 及风暴的运动。其表达式为：z Hsr o（V C） Hdz其几何意义为：它与速度矢端图中两个层次之间的相对风暴风矢量所扫过的区域 的面积成正比。五、掌握脉冲风暴的雷达回波特征脉冲风暴的雷达回波结构有三个特点：初始回波出现的高度一般在69km之间，强回波中心

20、值一般大于 50dBZ,强中心所在的高度也比较高，一般在 -10 C等 温线的高度。六、理解中气旋的定义中气旋是与强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相连的小尺度（小丁 10km涡旋，该涡旋满足一定的切变、垂直伸展和持续性判据。一 般垂直涡度大丁等丁 10 2S 1 ,垂直伸展超过风暴垂直尺度的1/3，持续2个 体扫即为中气旋。七、掌握超级单体风暴的定义和雷达回波特征超级单体风暴最本质的特征是具有深厚而持久的中气旋，且只产生在中等到强的垂直 风切变环境中。超级单体风暴的回波特征为：持续有界弱回波区，持久的中气旋， 低层钩状回波，三体散射长钉，悬垂状回波，旁瓣回波，“V'型缺口，上部呈现宽大而伸展的云砧，雷达回波顶高度较高。A:旁瓣回波B:三体散射C:弱回波区D:云砧E :回波墙F:悬挂回波 G:雨幡八、掌握飓线的雷达回波特征有界弱回波区，中高空的悬垂装回波，径向速度剖面呈现低层辐散、中层 辐合和高层辐散。九、 理解基本反射率、平均径向速度、组合反射