预报员培训讲稿weiming雷达气象进展

现代雷达气象探测进展

南京信息工程大学博士生课程<大气科学进展>

魏鸣

2011.11.14

一雷达探测技术进展

二多普勒天气雷达资料应用

主要内容一、雷达探测技术进展大气遥感-通过电磁波探测目标的技术与方法,与现场探测相对应。（直接：现场、物理量，间接：远距离、电磁波-用各种算法或反演方法转换成物理量）主动遥感-发射电磁信号并接收返回信号，如雷达探测被动遥感-不发射电磁信号，仅利用太阳辐射或目标自身辐射接收信号的遥感，如卫星探测主、被动遥感结合-雷达卫星radsat、cloudsat、TRMM目的：通过各种遥感手段，提取更多的目标信息，促进对大气结构与演变的认识，提升预报水平。进展：雷达的技术进步给大气科学研究带来了新的潜力,发现新的观测事实，格物致知雷达气象学揭示了重要的观测信息，促进了中尺度气象学的发展(雷达气象学60年，Battan，Browning，Lermmit，Atlas，Doviak，Zanic…）

Radar-radiodetectingandranging

沿革：19世纪末,1920’s,二战,1950’s,1960’s,1970’s,1980’s理论、技术和应用天气雷达：资料具有时间和空间高分辨率的特点多普勒雷达：不仅可以测降水分布，还可以获得其内部气流结构，所以它为中小尺度三维结构的监测和预报提供了最好的探测手段。主动遥感，微波传输，测三维结构，范围几百公里应用：短时天气监测预警，航空，人影，水文，农业，建筑发展：气象业务雷达网-美国：WSR-57，WSR-88D我国：常规雷达网180部，多普勒雷达网（新一代雷达网CINRAD）216部），为了解决大雷达网覆盖范围和分辨率不足的矛盾，高密度x波段小型雷达网的加入是十分必要的(如奥运)，缺点：暴雨衰减。在美国的覆盖目标，需要500或1000部x波段雷达系统。通过利用移动x波段雷达在全国不同的气候区组成试验网络。158部雷达美国全国新一代天气雷达网CASAWSR-88DCASAX-Band

Earth’scurvatureprevents72%oftheatmospherebelow1kmfrombeingobservedFieldDeploymentinOklahomaTestBedFinalintegrationofradarnodesontheirplatformsatNSSL’sgarage.气象雷达分类

1天气雷达(weatherradar)2多普勒天气雷达(Dopplerweatherradar)3双线偏振雷达(dualpolarizationradar)4风廓线雷达(profiler)5相控阵雷达(phasearrayradar)6毫米波雷达(millimeterwaveradar)7机载雷达(air-borneradar)8多基雷达(bi-staticradar)9星载雷达(space-borneradar)

另有：激光雷达(lidar)，声雷达(sodar)，晴空探测雷达(VHF,UHF)，合成孔径雷达(SAR，INSAR)1天气雷达回波信号:Z-反射率因子(reflectivityfactor)，提供信息：目标位置、强度—降雨分布(PPI,RHI)X，C，S:

711，712，713，714,经历了模拟信号和数字信号阶段模拟信号天气雷达原理框图∫数字信号天气雷达原理框图2多普勒天气雷达回波信息：强度分布、速度分布、速度谱宽我国的新一代多普勒雷达网，促进中尺度气象学的发展，提高了灾害性天气的监测预警能力,目前已有160多台在气象，军队、民航、水文部门使用

新一代天气雷达系统功能具有较强的对灾害性天气监测、预警能力具有对较大距离范围内降水进行定量估测的能力具有获取回波信号中风场信息的能力，监测灾害性天气的三维流场结构和演变综合探测、分析、预测、预警功能为一体的智能系统

多普勒天气雷达原理框图新一代天气雷达系统结构和技术特点系统由三大部分组成雷达数据采集器(RDA)雷达产品生成器(RPG)用户终端(PUP)

雷

达型

号天线参数发射参数接收机

信号处理波宽旁瓣电平增益脉宽重复频率发射功率灵敏度动态范围S(SA/SB/SC)1

-29dB441.4300-1300>650KW-109-90PPPFFTC(CC/CD)1

-29dB441.2300-1300>250KW-107-90PPPFFT新一代天气雷达主要技术参数参数

RDA采用脉冲多普勒体制的全相干系统速调管放大、高功率全相干发射机窄波束低旁瓣的天线低噪声宽动态范围的相干接收机多参数的信号处理器主要参数的自动检测RPG—雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通信等多种功能气象应用产品：类似于美国NEXRAD导出产品运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等功能数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信等

PUP主要用户子系统的功能

多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生成新一代天气雷达系统的产品应用新一代天气雷达系统的产品应用可分为四类：基本数据产品物理量产品强天气自动识别和跟踪产品风场反演产品

基本数据产品平面位置显示(PPI)软件模块距离高度显示(RHI)软件模块等高平面位置显示(CAPPI)软件模块任意垂直剖面显示(VCS)软件模块垂直最大回波强度显示(CS)软件模块局部多层等高平面位置显示软件模块

物理量产品回波顶高显示(ETPPI)软件模块雨强显示(RZ)软件模块垂直累积液态含水量显示(VIL)软件模块雨量累积显示(PA)软件模块河流流域降水总量计算软件模块径向散度(RVD)软件模块方位涡度显示(ARD)软件模块合成切变显示(CS)软件模块分层组合湍流(CTA)软件模块

雨强显示（RZ）软件模块

单位Z用mm6/m3，R为mm/小时

雨量累积显示（PA）软件模块

R的单位为mm/小时，P的单位为mm

雷达定量估测降水时雨强观测的间隔不宜超过10分钟

雨量累积显示（PA）

垂直累积液态含水量显示（VIL）软件模块

单位Z用mm6/m3，M为g/m3

垂直累积液态含水量的单位用垂直累积液态含水量显示（VIL）

径向散度显示（RVD）软件模块

极坐标中散度(D)的表示式为：

径向散度

方位涡度显示（ARD）软件模块

极坐标表示形式的垂直涡度（简称涡度）为

方位涡度

合成切变显示（CS）软件模块

合成切变(CS)的定义为径向速度在径向方向上切变与径向速度在方位角方位上切变的合成

径向切变(RS)

方位切变(AS)

强天气自动识别和跟踪产品中尺度气旋自动识别软件模块龙卷涡旋自动识别软件模块雹云自动识别软件模块下击暴流自动识别软件模块风暴路径自动识别软件模块局地暴雨自动识别软件模块

中

尺

度

气

旋

雹云

风场反演产品速度方位(VAD)软件模块垂直风廓线(VWP)软件模块二维、三维风场反演方法3双线偏振雷达目的：为了识别非球形雨滴（冰晶，大雨滴，冰雹等的形状和分布）的形状和分布，改进雷达定量测量降水的能力。特点：雷达发射和接收相互正交的水平与垂直的线偏振波进展：下一代雷达的功能（美，中）信息：常规多普勒雷达信息+粒子变形率(差分反射率，差分相位等)。(50%，40%，10%）水平偏振波（电场水平，磁场垂直）垂直偏振波（电场垂直，磁场水平）雷达波的偏振（极化)波：

TRTRTRTRTHVHVHHVVHHVVHHV

TRTRTRTRTHHHHHHHHHH常规多普勒雷达：反射率因子Z、径向速度V、谱宽W双线偏振雷达：反射率因子ZH、ZV,，径向速度V和谱宽W、差分反射率因子ZDR、线性退偏振因子LDR、差传播相移KDP双偏振雷达的变量反射率因子ZHReflectivityfactor散射量差分反射率ZDRDifferentialreflectivity散射量差分相移ΦDPDifferentialphaseshift传播量差分相移率KDPSpecificdifferentialphase传播量零滞后相关系数ρHV(0)Correlationcoefficientatzerolag散射量线性退偏振比LDRLineardepolarizationratio散射量差分反射率ZDR

与粒子的椭率有关 扁平:ZDR>0

扁长:ZDR<0

雨滴:ZDR~雨滴大小(0-4dB)ZDR[dB]

=10log( )zHHzVV

冰晶:

柱状(1–4dB)

片状、针状(2–6dB)

冰雹:(-1–0.5dB)霰（软雹）:(-0.5–1dB)雪:(0–1dB)双线偏振雷达参数的物理意义ZH，ZV(polarizationreflectivity)：偏振反射率因子（ZH=ZHH，ZV=ZVV，ZHV，ZVH）与粒子的空间取向、形状、相态和粒子的密度有关ZDR（DifferentialReflectivity）：差分反射率因子ZDR（dB）=10log(ZHH/ZVV)，水平偏振与垂直偏振比LDR（LinearDepolarizationRatio）：线性退偏振率LDRH(dB)=10log(ZHV/ZHH)，粒子的正交极化能力KDP（SpecificDifferentialPhase）：比差分相位，单位距离内水平和垂直偏振波在传播过程中的相位差。目前的双偏振雷达NSSLCimarronNCARS-POLCSU-CHILLCAMRaWCR多部、快速发展中NSSLSMART-R2NSSLKOUN

我国第一部双线偏振雷达（中科院兰州高原大气物理研究所）大气所双波段双偏振雷达车载x波段双偏振多普勒雷达

降雨强度的反演弱降水：Z－R关系中等降水：R＝0.0076ZH0.9710-0.28ZDR

大降水：R＝40.6KDP0.866

难点：不同方法的衔接

常规Z－R关系：

小雨高估，大雨低估ZDR方法：

优于Z－R关系冰雹云的回波特征（1992年8月9日，甘肃平凉）

识别冰雹和降雨区冰雹识别参量:HDR>0HDR＝ZH－f(ZDR)

降水粒子相态的识别——模糊判别法

输入参量

ZH、ZDR、LDR、KDP模糊逻辑处理（隶属函数）判断1判断2……..判断m-1判断m综合降水粒子分类雨、冰雹、软雹、过冷水、冰晶、雪……4风廓线雷达风廓线雷达探测原理湍流散射分层大气反射Cn为大气折射率结构常数，M是水平折射率的垂直梯度，L0是湍流外尺度室外部分显示界面

2010年8月18日美国NPN网实时更新的风廓线雷达观测资料5相控阵雷达——PhaseArrayRadar（PAR）

采用相控阵天线的雷达称为相控阵雷达-电子扫描雷达，用电子方法实现天线波束指向在空间的转动或扫描的天线，又称电子扫描天线。天线波束在方位与仰角上均可进行相控扫描。

20世纪60年代发展，为探测空间目标（远程、快速移动、多目标，高速飞行的卫星，洲际弹道导弹）。目前从军用已转到民用，广泛用于所有类型的雷达：机载、星载、军用、民用。相控阵技术的发展不仅应用于雷达，还正快速地用于通信、电子站、导航等领域。美国：NSSL2001年立项改装（宙斯盾舰载改装）我国目前已经开始立项，14所研制相控阵雷达的特点：1天线波速快速扫描能力克服机械扫描天线波速指向的惯性及由此带来的对雷达性能的限制，是最初研制此天线的主要原因2天线波速形状的捷变能力通过改变个单元通道的信号幅度和相位，提供雷达抗干扰能力，合理使用分配雷达信号能量3空间功率合成能力使子阵或单元的发射波束定向聚焦某空间，获得用于测远程和低可测目标的大功率信号4多波束形成能力依靠转换波束控制信号在一个重复周期内形成多个不同的发射波束和接收波束。利于高覆盖、多基地

DOWPhasearrayweatherradarNSSL相控阵天气雷达6毫米波雷达

(millimeterwavelenghradar)云粒子直径通常在100微米以下，由于厘米波段的雷达不易探测云滴，所以为研究云的结构（云底高度、云顶高度、冰水含量、液态水含量、云粒子尺度等），探测对流及降水出现前的征兆，需要使用毫米波雷达-云雷达进行探测。军用相控阵毫米波雷达：波束窄，探测精度高，发射能量大（近程、远程）二战结束后已开始研究毫米波雷达技术，特别是用于军用雷达。毫米波雷达军事应用主要体现以下方面：1高精度、高分辨测量2复杂目标的结构测量3小尺寸目标观测，如远程毫米波雷达测空间碎片。4改善雷达抗干扰性5体积重量受限的平台-机载、星载、导弹导引因此毫米波雷达适于机载和空载，使用相控阵天线。

大气在毫米波波段有四个窗区，即8.6，3.2，2.14和1.36毫米，目前可以实现大功率发射的只有8.6(35GHz)和3.2(95GHz)两个波段，其中，95GHz波段的波导损耗大、大气衰减强，更适合用于飞机和卫星的对地观测。为了开展对云的研究，国外已经发展了多种方式工作的毫米波雷达。波段：k：8mm(36GHz)，w：3mm(94GHz)，我国38所94.7GHz(3mm)，我国863项目美：星载Cloudsat，CPR-TheCloudProfilingRadar，95GHz

由雷达气象学基本知识可知毫米波气象雷达特点：1后向散射强，可测云滴-云的结构2天线增益高，能量集中不足：对强回波衰减大，因此仅能测晴空或云层，不适合雨层云CPRSystemCharacteristicsNominalFrequency94GHzPulseWidth3.3µsecPRF4300HzMinimumDetectableZ*<-29dBZDataWindow0-25kmAntennaSize1.85mDynamicRange70dBIntegrationTime0.16secNadirAngle(since15Aug2006***)0.16°VerticalResolution500mCross-trackResolution1.4kmAlong-trackResolution**1.7kmDataRate20kbpsCPR参数February12,2001.Time-heightobservationsoftheverticalvelocityfieldinsideafairweathercumuluswith94GHzmillimeterwavelengthradar.Toppanel:verticalvelocityfield,velocityscaleisinms-1positivesignisupwardmotionLayercloudobservedfor16minutes.November18,1999,4:00pmESTThesolidlineshowsthecloudbase7机载雷达

美国：已经经历了30多年的发展

我国：立项研制，863项目-机载雷达（毫米波、厘米波）AIRBORNEDOPPLERRADAR8多基雷达（双静雷达）收发分置（20世纪30年代）单基地雷达（天线收发开关；脉冲发射技术）双(多)基地雷达（20世纪70年代）与传统的多重Doppler雷达网相比,双(多)基地Doppler雷达网具有下列特有的优势：可实现对同一目标的同时观测确定冰雹的存在对局地迅变的天气活动进行测量建设、观测和维护费用不足传统雷达的十分之一注意：不是后向散射，是前向和侧向散射双基地雷达系统与双多普勒雷达风场探测的对比1.大部分位置符合较好2.下沉气流探测优于双多普勒雷达3.近基线部分有误差在反射率变化梯度大的位置存在误差，这是使用宽波束、低增益天线的结果。９星载雷达TRMM-TropicalRainfall

MeasuringMissionTRMMisajointmissionbetween

NASAandtheJapanAerospaceExplorationAgencyPR-PrecipitationRadar,星载测降水雷达，波长2.3cm特点：1全球降水分布，尤其台风在海上的三维结构与分布2月降水累计利于研究全球水分与能量平衡3与地面雷达作定量降水对比Latest3HourlyGlobalRainfall

LatestWeekofGlobalRainfallAccumulation

HurricaneKatrinaAugust23-31,2005HurricaneKatrinaAugust28,2005星载雷达TRMM/PR降水回波与阜阳地基雷达回波的对比分析

QuickLookimagesaremadefromTRMMMicrowaveImager(TMI)data.Microwavebrightnesstemperaturesat85.5GHZandat37.0GHZarecombinedinthered,greenandbluecomponents(guns)oftheimages.Watersurfaces

Dryatmosphere-blue

moistatmosphere-darkblue

Landsurfaces

SnowCover-white/grey

land(non-desert)-grey/brown

Deserts-lightgreenOtherSurfaces

Polarsnow/ice-white/yellow

Seaice-green/brown

Clouds/precipitation

Scattering(bycloudice)-yellow

Emission(overwater)-blackCloudsatFloodinginChinaCloudSatoverpassedanintensethunderstormonJune18,2010at1850UTCinsouthcentralChina.

雷达图片移动天气雷达二、多普勒天气雷达的应用

主要内容1回波分析2资料质量控制：退速度模糊3径向速度的风场反演4在中尺度数值预报中的应用5问题与展望

1.1回波反射率因子分析形态分析：依据回波的形态推测相应的天气现象。层状云降水——片状对流云降水——块状（带状）混合云降水——絮状

层状云降水——片状回波零度层亮带——层状云降水的特征对流云降水——块状回波、带状回波混合云降水——絮状回波块状、带状回波V型缺口

2004年4月14日18：03思茅雷达强度图（仰角：1.5度）注意：在缺口顶端正对着雷达站。它是由电磁波的衰减引起的。钩状回波指状回波-三体散射1.2径向速度回波分析速度图像分析尽管多普勒雷达只能测径向风分量，但是，径向分量的空间分布也可显示重要气象过程的特点，所以速度图像分析的优点：直接，客观。

由于速度图像仅是真实速度场的一维径向风分量Vr，所以为了获取三维的真实风场，需要利用数学的投影原理、雷达气象学以及天气学的相关知识，推测和识别出速度图像对应的实际大气风场分布，即：一维反推到三维，需要想象力。

实际风与径向速度关系示意图

1.3典型天气回波分析飑线squallline-2004.7.12.上海

阵风锋在对流尺度相互作用CSI中的作用

CSI-convectionsysteminteraction17:25gustfront17:3717:48newcells18:0018:12squallline18：17晴空湍流14:58strong18:06alotof19:04weaken19:56disappear(coldcurrentbreakit)1.FoundinABLcreatedbyt,p,euneven.2.Turbulentbeforeconvectionsystem3.Braggscatter,L=halfwavelengthTVS-tornadovortexsignature18:06velocityinMinhang18:12velocityinMinhang18:12compositereflectivityinMinhang,(accordwithfact)deepconvection

ETat18:17July12ShanghaiHighechotop(12-15km)meansthedeepconvectionTornadoat15:01July82003,Hefei,AnhuiNote:TVSfoundfromhighleveltolowlevela.3.4°b.2.4°c.1.5°d.0.5°中气旋、中尺度辐合辐散暴雪：2005年12月份山东半岛的多普勒雷达回波特征锋面气旋降水Variousrainbandsinfrontalcyclone(Hobbs,1980b)1warmfrontrainband2warmsectorband3coldfrontrainband4coldsurgerainbandaheadoffront5rainbandbackoffront6waverainband暴雨：三维结构Meiyuin04:01:10July91991,Nanjing(NUIST）Airflowverticalstructureofmeiyu如何分析它们的三维结构？

汕头雷达：暴雨2008年7月29日20：01～30日01：02（北京时）3kmCAPPI图范围反射率因子图如图1所示，图中标识数值即为风暴块的按面积大小排序后编号，面积设定为100km2以上，所在点即为该风暴块的重心位置。图1

2008年4月19日下半夜回波变化图1

强对流回波的演变：2008年4月19日汕头

低槽20:00May132002

20:00June262003

Lowtroughrain,Changsha,Hunan

2、冷式切变线08:00June282002

08:00May202004RainincoldshearlineChangsha,Hunan3、暖式切变线08:00May132002

2003年06月24日20时

RaininwarmshearlineReflectivityandDopplervelocityofraininlowtrough

ReflectivityandDopplervelocityofrainincoldshearline

ReflectivityandDopplervelocityofraininwarmshearline强对流回波的RHIHurricaneinUSA桑美台风-福建建阳2006年8月10日16:59:08台风FujianLungyenDopplerRadar0.5

basereflectivityfrom1455to2259LST(every6min):Threestormswereinitiatedabout80kminlandaround1400LSTnearthepeaksoflocalterrainwithaNE-SWalignment.

Eachofthethreestormshadlastedforabout10handpropagatedforover550km.

CaseDescription(a)1455LST

(f)1727LST (k)1957LST(b)1525LST

(g)1754LST

(l)2027LST(e)1656LST

(j)1926LST (o)2259LST(c)1556LST

(h)1826LST (m)2057LST(d)1626LST

(i)1856LST (n)2158LST530km530km530km南京地区晴空回波分析2005年6月23日2:00-10:58回波演变晴空回波--多普勒雷达捕捉的哥伦比亚航天飞机解体图,2003.2.1.velocityspectrumat11:00onJuly182007Velocityspectrumat20:00onJuly1720072007年3月4日沈阳暴雪

4日10：01沈阳雷达回波强度图

(a)4日10时01分径向速度图(b)4日20时06分径向速度图图9沈阳雷达1.5°仰角径向速度图暴雨过程的径向速度图雷达定量测量降水汕头

用Z=300*I1.4反演的2008年4月19－20日总雨量图（单位：毫米）按分组Z-I关系反演的2008年4月19－20日总雨量图（单位：毫米）

2资料质量控制：退速度模糊退速度模糊资料的质量控制（qualitycontrol）：

1）缺测点补插，2）异常数据点的剔除，3）滤波平滑，

4）退速度模糊，5）退距离模糊（硬件实现：双PRF，相位编码等，

6）其它速度模糊的主观识别：当，多普勒速度出现错误，表现为按反方向的极值依次递减，这称为速度模糊，纠正错误就是退速度模糊。退速度模糊：

1)硬件实现（双PRF）

2)软件编程：软件退速度模糊的依据—风速连续性，即大气中风场分布连续，依此推得实际速度分布，多年来虽已有多种方法，但大致分为三类：方法一：逐点还原法方法二：边界搜索法方法三：人机对话法

退速度模糊方法一:逐点还原法仰角：elv=1.5

退模糊前退模糊后

特点：沿径线方向填充空点退速度模糊方法二：边界搜索法

特点：区分模糊区域,解除速度模糊。选择退模糊方法工具使用左键点击选择与代表正确速度的属性相同的颜色立即自动退模糊（不到1秒），并且数组数据已经更新退速度模糊方法三：人机对话法特点：人工识别，解决疑难模糊点合肥体扫资料HF2002062218.03V（右：原资料经过其它软件退模糊但未退干净，左：已退干净）2.4度仰角3.4度仰角碧利斯台风，20006年7月13日，23时55分，长乐雷达站退模糊例证：厦门雷达资料(出现孤立回波)孤立回波用PUP退模糊（2.4度仰角）退模糊前新方法退模糊后3径向速度的风场反演单多普勒雷达资料风场反演单多普勒雷达资料风场反演空间几何学方法动力学方法统计拟合方法VAD方法（VAD、EVAD、局部VAD、VARD）VAP方法VPP方法VVP方法TREC方法涡度一散度法平面同化反演(PAR)方法完全模式逼近完全伴随模式（四维变分同化反演方法、半伴随方法…）简化伴随模式

二维三维单多普勒雷达速度反演方法基于多普勒效应，多普勒雷达仅能接收一维径向速度（沿目标和雷达的连线方向），还原为三维的真实风场需要在一定假设条件下进行计算，称为风场反演。主要介绍：方法一：伴随模式变分反演方法二：速度体积扫描VVP（volumevelocityprocessing）VAD方法自从1960年Probert-Jones首次提出用脉冲多普勒雷达测水平风场以来，人们一直在探索单多普勒雷达的风场反演技术。1961年Lhermitte和Atlas提出了速度方位显示VAD（VelocityAzimuthDisplay）法。这种方法假设降水区内的风场是水平均匀的，利用单多普勒雷达以一个固定的天线仰角，令雷达波束绕垂直轴作360度旋转，可反演出不同高度上的平均水平风向风速和垂直方向的平均多普勒速度。Caton（1963）、Browning和Wexler（