因而產(chǎn)生了多普勒速度譜寬課件

1、雷達(dá)氣象學(xué)電子版（第二版）第四章 多普勒天氣雷達(dá) 多普勒天氣雷達(dá)除此之外，還可利用降水回波頻率與發(fā)射頻率之間變化的信息來測定降水粒子的徑向速度，并通過此推斷風(fēng)速分布，垂直氣流速度，大氣湍流，降水粒子譜分布，降水中特別是強(qiáng)對流降水中風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征。 以前，用常規(guī)天氣雷達(dá)進(jìn)行的天氣預(yù)報僅僅使用反射率因子資料。多普勒天氣雷達(dá)將提供兩種附加的基本資料，徑向速度和速度譜寬，它們將增強(qiáng)對強(qiáng)風(fēng)暴的探測能力，也能改進(jìn)對中尺度和天氣尺度系統(tǒng)的預(yù)報。目 錄4.1多普勒效應(yīng)與多普勒頻移4.2 多普勒雷達(dá)徑向速度探測方法4.3 影響速度譜寬的氣象因子4.4 距離折疊和速度折疊4.5 多普勒雷達(dá)的取樣技術(shù)4.6 多普勒天

2、氣雷達(dá)的應(yīng)用4.7 雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制多普勒效應(yīng)( Doppler effect/Doppler shift), 1842年奧地利物理學(xué)家Christian Doppler 首先發(fā)現(xiàn)并加以研究而得名的，內(nèi)容為：由于波源和接收者之間存在著相互運(yùn)動而造成接收者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率之間發(fā)生變化。4.1 多普勒效應(yīng)與多普勒頻移 多普勒頻移（Doppler Shift）是多普勒效應(yīng)在無線電領(lǐng)域的一種體現(xiàn)。其定義為：由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的相對運(yùn)動，接收機(jī)接收到的信號頻率將與發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號頻率之間產(chǎn)生一個差值，該差值就是Doppler Shift。 一個例子是：當(dāng)一輛緊急的火車（汽車）鳴著喇叭以相當(dāng)

3、高的速度向著你駛來時，聲音的音調(diào)（頻率）由于波的壓縮（較短波長）而增加。當(dāng)火車（汽車）遠(yuǎn)離你而去時，這聲音的音調(diào)（頻率）由于波的膨脹（較長波長）而減低。 發(fā)射頻率多普勒頻移發(fā)射頻率Vs多普勒頻移 對于一個采用10.5cm波長的多普勒天氣雷達(dá)，傳播頻率是2,85109H z(2.85GHz)。一個以50 kn速度運(yùn)動的目標(biāo)將產(chǎn)生487Hz的多普勒頻移，是原始傳播頻率的210-5。多普勒天氣雷達(dá)通常不是直接測量多普勒頻移，而是通過測量相繼返回的脈沖對之間的位相差來確定目標(biāo)物的徑向速度。 假設(shè)多普勒雷達(dá)發(fā)射脈沖的工作頻率為f0，目標(biāo)與雷達(dá)的距離為r，則雷達(dá)波發(fā)往目標(biāo)到返回天線所經(jīng)過的距離為2r。這個

4、距離用波長來度量，相當(dāng) 個波長；用弧度來衡量相當(dāng)于 個弧度。若所發(fā)射的電磁波在天線處的位相為 ，那么電磁波被散射回到天線時的相位應(yīng)是位相的時間變化率 由于目標(biāo)物的徑向運(yùn)動引起的雷達(dá)回波信號的頻率變化，它就是多普勒頻移或多普勒頻率。 多普勒頻率與徑向速度的關(guān)系移向雷達(dá)為正，遠(yuǎn)離雷達(dá)為負(fù) 移向雷達(dá)為負(fù)，遠(yuǎn)離雷達(dá)為正 徑向速度簡單地定義為目標(biāo)運(yùn)動平行于雷達(dá)徑向的分量。它是目標(biāo)運(yùn)動沿雷達(dá)徑向的分量，既可以向著雷達(dá)，也可以離開雷達(dá)。需要記住的是：徑向速度總是小于或等于實際目標(biāo)速度；由WSR-88D測量的速度只是目標(biāo)向著或離開雷達(dá)的運(yùn)動；當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動垂直于雷達(dá)徑向或靜止時徑向速度為零。 對于一個運(yùn)動的目標(biāo)，

5、向著雷達(dá)運(yùn)動或遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動所產(chǎn)生的頻移量是相同的，但符號不同：徑向速度多普勒雷達(dá)是通過直接測量多普勒頻率來得到徑向速度的嗎? 取兩個連續(xù)的脈沖然后測量接收脈沖的相位，這種脈沖對位相變化可以比較容易并且比較準(zhǔn)確地測量 D/dt 實際上就是角速度 = w = 2fd4.2 多普勒雷達(dá)徑向速度探測方法Pulse-Pair Method 脈沖對方法 假定當(dāng)?shù)谝粋€脈沖遇到目標(biāo)物時，該目標(biāo)物距雷達(dá)的距離為r，則該目標(biāo)物產(chǎn)生的回波到達(dá)雷達(dá)時的位相為： 一個脈沖重復(fù)周期PRT之后，第二個脈沖發(fā)出，當(dāng)?shù)诙€脈沖遇到上述目標(biāo)物時，該目標(biāo)物距雷達(dá)的距離為r+r，則該目標(biāo)物對于第二個脈沖的回波到達(dá)雷達(dá)時的位相為： 于

6、是，相繼返回的兩個脈沖之間的位相差為： 最終得到的目標(biāo)物沿雷達(dá)波束徑向速度的表達(dá)式： 事實上，雷達(dá)最終給出的徑向速度是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，稱為平均徑向速度，而相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差稱為譜寬。通常采用幾十對脈沖的平均得到平均徑向速度。相干的幾個概念 相干波兩束振幅、頻率和相位完全相同的電磁波稱為相干波。它們相交時，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 相干發(fā)射發(fā)射出振幅、頻率和相位完全一樣的脈沖波，所以各個脈沖之間是相干的。相干接收機(jī)具有能測量頻率變化的接收機(jī)。頻率變化的測量是通過接收到返回信號與原信號（即參考信號）比較而取得。全相干多普勒天氣雷達(dá)它的發(fā)射部分采用完全放大鏈，保證發(fā)射的高頻相干。它的發(fā)射部分采

7、用速調(diào)管或行波管。它相關(guān)性能好，地物消除能力強(qiáng)。脈間相干（也稱為半相干或偽相干）多普勒天氣雷達(dá)它是通過對發(fā)射信號采樣，與本振混頻以及鎖相技術(shù)，以保證中頻相干，達(dá)到測量頻率變化。它的發(fā)射部分采用同軸磁控管。它的相干性能差，消除地物的能力也差些。脈間相干 Vs 全相干 脈間相干：第一個脈沖與第二個脈沖的振幅、頻率、初位相和偏振方向在允許的誤差范圍內(nèi)，而第一個脈沖與第三個脈沖的差異己大于允許范圍。 全相干：第一個脈沖與第二個脈沖、與第三個脈沖到第n個脈沖的差異都在允許誤差范圍內(nèi)。1、回波功率譜2、平均多普勒頻移及頻譜寬度 4.3 影響速度譜寬的氣象因子f2V3、平均多普勒速度和速度譜寬度 (8.43

8、) 注意：脈沖對方法并沒有從回波信號中提取頻譜或功率譜，從而不能按以上公式計算和，而是直接對回波信號作簡便計算求得。 影響速度譜寬的氣象因子(1)垂直方向上的風(fēng)切變；(2)波束寬度引起的橫向風(fēng)效應(yīng)；(3)大氣湍流運(yùn)動；(4)不同直徑降水粒子產(chǎn)生下落末速度的不均勻分布 若每項因子對速度譜寬的貢獻(xiàn)近似看作相互獨(dú)立，則速度譜方差為各因子造成的方差之和，即： 分別為上述第(1)、(2)、(3)和(4)項因子造成的方差。 譜寬表征著有效照射體內(nèi)不同大小的多普勒速度偏離其平均值的程度。譜寬可以用做速度估計質(zhì)量控制的工具：當(dāng)譜寬增加，速度估計的可靠性就減小。對氣象目標(biāo)物而言，影響譜寬的主要因子有四個：半功率

9、波束寬度下界：半功率波束寬度上界：徑向風(fēng)速分量之差 如果用窄波束雷達(dá)，以較高仰角探測不很遠(yuǎn)的距離時，則由風(fēng)切變產(chǎn)生的多普勒速度譜寬可以忽略不計 。(1)垂直方向上的風(fēng)切變風(fēng)切變造成的徑向速度差(2)波束寬度引起的橫向風(fēng)效應(yīng) 當(dāng)風(fēng)速為300ms，波束寬度20為時，則由此造成的譜寬最大也只有0.4ms，因此這一項的貢獻(xiàn)較小。 當(dāng)天線具有高斯型方向圖時，可以導(dǎo)出波束寬度產(chǎn)生的譜寬為 由橫向風(fēng)分量貢獻(xiàn)的徑向風(fēng)速分量之差為橫向風(fēng)分里為橫向風(fēng)分量波寬對徑向速度譜寬的影響(3)大氣湍流運(yùn)動 在湍流大氣中，有效照射體內(nèi)一定直徑的粒子除了具有環(huán)境風(fēng)場的平均速度和它本身重力引起的下落速度外，還隨周圍大氣的湍流脈動

10、而運(yùn)動。大一些的粒子，由于其慣性作用，對大氣脈動的響應(yīng)不如小粒子那樣靈敏。在脈動速度為高斯分布的大氣中，直徑為D的粒子的速度概率分布為 式中為 直徑為D的粒子的平均運(yùn)動速度, 為它的瞬時速度， 是該粒子的速度方差。由于粒子的慣性，同一有效照射體內(nèi)不同大小粒子具有不同的速度方差。因此，由湍流效應(yīng)產(chǎn)生的多普勒譜寬，既依賴于湍流強(qiáng)度本身，也依賴于粒子對大氣湍流運(yùn)動響應(yīng)的靈敏程度。(4)不同直徑降水粒子產(chǎn)生下落末速度的不均勻分布 由于重力和大氣的阻力作用，不同大小的粒子具有不同的下落末速度，在雷達(dá)以一定仰角探測時，由它們造成的雷達(dá)波束軸線上的徑向分量也就不同，因而產(chǎn)生了多普勒速度譜寬。顯然，雷達(dá)有效照

11、射體中粒子直徑的差別越大，由此造成的多普勒速度譜越寬。因此速度的譜寬實際上也取決于降水粒子的譜分布。水平探測時，粒子下落末速度在波束軸向上徑向分量為零，對譜寬 沒有任何影響。垂直指向探測時，粒子下落末速度即為徑向速度，由此造成的譜增 寬作用最大。粒子下落末速度分布造成的多普勒速度譜寬與sin成正比。有效照射體內(nèi)存在落速差別較大的粒子，例如包含雨滴和冰雹時，則測得的粒子下落末速度譜方差就較大。實際觀測說明，若指向天頂?shù)睦走_(dá)實測譜方差大于4m2/s2，則可能存在冰雹，或者存在強(qiáng)烈的湍流，或兩者兼有之。 各類降水粒子在靜止大氣中下落時的多普勒速度譜方差降水類型速度方差附注雪0.0040.25m2/s

12、2海平面附近的值融雪0.5m m2/s2同上雨0.71.0 m2/s2同上冰雹（ =3cm）最大直徑2cm3cm干 濕8 m2/s219 m2/s224 m2/s219 m2/s2同上。當(dāng)最大直徑超過后，速度方差隨波長有顯著差異4.4 距離折疊和速度折疊 最大不模糊距離 指一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長距離其中，Rmax為最大不模糊距離，c為光速，PRF為脈沖重復(fù)頻率 距離折疊（模糊） 指雷達(dá)確定的目標(biāo)物方位是正確的,但距離是錯誤(模糊)的。當(dāng)目標(biāo)物位于雷達(dá)的最大不模糊距離（Rmax）之外時，雷達(dá)卻把目標(biāo)物顯示在Rmax以內(nèi)的某個位置，我們形象地稱之為距離折疊。 雷

13、達(dá)測距公式 R=0.5ct，t為脈沖發(fā)出到返回的時間。雷達(dá)測距按照最新發(fā)出的脈沖從發(fā)出到返回的時間來計算。距離折疊是如何發(fā)生的？目標(biāo)位于Rmax之內(nèi)，沒有距離折疊nm=1.852km nautical mile 距離折疊是如何發(fā)生的？距離折疊是如何發(fā)生的？目標(biāo)位于Rmax之外，有距離折疊距離折疊是如何發(fā)生的？目標(biāo)位于Rmax之外，有距離折疊目標(biāo)位于Rmax之外，有距離折疊 一個目標(biāo)物位于nRmax之后若干海里的話（這里n是任意一個正整數(shù)），它將錯誤地出現(xiàn)在距雷達(dá)同一海里遠(yuǎn)的位置上。例如：一個實際位于550nm（超過2Rmax）處的目標(biāo)物，被Rmax=250nm雷達(dá)顯示位置是50nm。若位于30

14、0nm？ 距離折疊回波的特點：方位角是正確的強(qiáng)度較弱有時具有奇怪的多普勒速度怎樣排除距離折疊回波？ 改變雷達(dá)機(jī)的PRFUse a different PRF every 2-3 pulses, if the echo moves, it is bogus!Range FoldingResult of multiple trip echoes For velocity data, high PRFs needed to minimize velocity foldingDoppler Dilemma: high PRFs mean short RmaxPurple typically used

15、to denote velocity data unavailable due to range foldingRange FoldingPurple typically used to denote velocity data unavailable due to range foldingResult of multiple trip echoes For velocity data, high PRFs needed to minimize velocity foldingDoppler Dilemma: high PRFs mean short RmaxRange FoldingWar

16、ning Forecasters NightmareRange FoldingWarning Forecasters Nightmare 最大不模糊速度與速度模糊最大不模糊速度速度模糊 多普勒天氣雷達(dá)能夠測量的一個脈沖到下一個脈沖的最大相移的上限是1800（），與1800脈沖對相移所對應(yīng)的目標(biāo)物徑向速度值稱為最大不模糊速度（最大徑向速度）。 如果一個目標(biāo)在兩個脈沖的時間間隔期間移動得太遠(yuǎn)了，它的真實相移超過1800，則將賦給它一個小于1800的相移值，那么速度的第一猜值是不正確的，或者說速度是模糊的，速度的可能值 V-2nVmax或V+2nVmax。相繼返回的兩個脈沖間的位相差為： 當(dāng)目標(biāo)物向

17、著雷達(dá)運(yùn)動時，r為負(fù)數(shù)，對應(yīng)的位相 也為負(fù)數(shù)；當(dāng)目標(biāo)物向著離開雷達(dá)方向運(yùn)動時，r為正數(shù)，對應(yīng)的位相差 也為正數(shù)；如果相繼返回的兩個脈沖的位相差超過弧度則對于向著雷達(dá)運(yùn)動的目標(biāo)物說， ，其中是一個小于的正數(shù)。而 我們知道雷達(dá)探測位相的元件不能分辨相差2整倍數(shù)的位相之間的差別（由于三角函數(shù)是以2為周期的）。也就是說對于雷達(dá)的位相檢測元件來說， 和 是一回事，無法分辨兩者的不同。但事實上，前者代表目標(biāo)物在一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)向雷達(dá)方向移動了超過/4的距離，后者代表目標(biāo)物在一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)向離開雷達(dá)方向移動了不到/4的距離（為發(fā)射波的波長）。因此發(fā)生了混淆。速度模糊是如何發(fā)生的？速度模糊是如何發(fā)生的？

18、Velocity FoldingWSR-88D uses a Velocity Dealiasing AlgorithmSometimes velocities are improperly dealiased Improperly Dealiased VelocitiesMost likely on “l(fā)eading” edge of stormsImproperly Dealiased VelocitiesMost likely on “l(fā)eading” edge of storms多普勒兩難(The Doppler Dilemma)最大不模糊速度 Vmax：雷達(dá)能夠不模糊地測量的最大平均

19、徑向速度，其對應(yīng)的相移是180度。最大不模糊距離Rmax：指一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長距離Vmax和Rmax 都與PRF有關(guān) 由于沒有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能達(dá)到最大，所以要使用變化的PRF。每臺WSR-88D使用不同的PRF，從一組8個PRF中選擇。typical example 4.5 多普勒雷達(dá)的取樣技術(shù) 為了能夠獲得最大不折疊距離探測范圍同時獲得最大的不模糊徑向速度，在雷達(dá)硬件工作模式方面，采用了連續(xù)監(jiān)測模式CS連續(xù)Doppler模式CD批模式B 對雷達(dá)脈沖對數(shù)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行了組合，以適應(yīng)上述要求。 WSR-88D

20、使用不同的技術(shù)從大氣中搜集反射率因子和速度數(shù)據(jù)。這些技術(shù)使用不同的PRF測量反射率因子和速度數(shù)據(jù)：用低PRF測反射率因子，用高PRF測速度。 WSR-88D硬件工作模式 1、連續(xù)監(jiān)測（Contiguous Surillance簡寫為 CS）方式, 這是一個常定的低PRF（長PRT和長Rmax模式），為確定準(zhǔn)確的目標(biāo)位置和強(qiáng)度。在VCP11、21、32中，它用于最低的兩個仰角；在VCP31中，它用于最低的3個仰角。因為大的Rmax值（低PRF），所以不需要使用距離去折疊算法。 2、連續(xù)多普勒（Contiguous Doppler簡寫為 CD）方式, 這是一個常定的高PRF（短PRT、短Rmax和

21、高Vmax）模式，用它可以測量準(zhǔn)確的速度和譜寬數(shù)據(jù)。它用于VCP11、21、32中最低的兩個仰角；用于VCP31中最低的3個仰角。由于是短Rmax（高PRF），所以必須使用距離去折疊算法。WSR-88D硬件工作模式 3、Batch(B) 方式 這種技術(shù)是在中間仰角（2.5-6.5）的每個仰角交替使用高低PRF。這技術(shù)只用于VCP11、21、32（不用于VCP31）。此時地物雜波不是個問題。低的PRF（脈沖重復(fù)頻率）可以得到長的Rmax（最大不模糊距離），同時高的PRF可以給出更精確的速度數(shù)據(jù)。 WSR-88D硬件工作模式 4、連續(xù)多普勒（CDX或沒有距離折疊的連續(xù)多普勒）方式, 這是一種在較高

22、仰角（7）使用高PRF獲取速度數(shù)據(jù)的技術(shù)。 數(shù)據(jù)沒經(jīng)過距離去折疊處理，因為沒有必要。例如：用7.5仰角時，62 nm（最短的Rmax）處雷達(dá)波束的高度已達(dá)50,000英尺，產(chǎn)生距離折疊的回波是不太可能的。CDX用于VCP11和21中大于7的所有仰角的掃描，用于VCP31 中大于3仰角的掃描，但不在VCP32 中使用。 WSR-88D硬件工作模式 5、分離掃描方式(split cut), 雷達(dá)在最低的2個仰角分別使用CS和 CD進(jìn)行重復(fù)掃描。從最低仰角開始一個完整的360CS波形掃描，然后仍在這個仰角進(jìn)行完整的360CD波形掃描。然后，天線才抬升到第2個仰角，分別進(jìn)行360CS掃描和360CD掃

23、描。 在中仰角，雷達(dá)用Batch技術(shù)，每個仰角掃一遍（360）。然后，雷達(dá)仰角進(jìn)一步抬高，在每個仰角用CDX進(jìn)行360掃描。WSR-88D硬件工作模式WSR-88D觀測模式設(shè)有四種觀測模式，其中： 降水模式有VCP11模式和VCP21模式兩種，以適應(yīng)不同降水類型的需要。 晴空模式有VCP31模式和VCP32模式，用以探測晴空湍流、風(fēng)切變等。 在上述降水觀測模式中，為了達(dá)到獲得最大探測不折疊距離和最大不模糊徑向速度，雷達(dá)采用了掃描方式與雷達(dá)參數(shù)相結(jié)合的辦法實現(xiàn)上述目標(biāo)。 VCP11 - VCP11（scan strategy #1，version 1）規(guī)定5分鐘內(nèi)對14個具體仰角的掃描方式。一般

24、用于測云和降雪。 VCP21 - VCP21 （scan strategy #2，version 1）規(guī)定6分鐘內(nèi)對9個具體仰角的掃描方式。一般用于較強(qiáng)的大氣對流。 VCP31 - VCP31 （scan strategy #3，version 1）規(guī)定10分鐘內(nèi)對5個具體仰角的掃描方式。主要用于低層晴空大氣觀測。 VCP32 - VCP32（scan strategy #3，version 2）確定的10分鐘完成的5個具體仰角與VCP31相同。不同之處在于VCP31使用長雷達(dá)脈沖而VCP32使用短脈沖。WSR-88D觀測模式規(guī)定5分鐘內(nèi)對14個具體仰角的掃描方式。一般用于測云和降雪。規(guī)定6分

25、鐘內(nèi)對9個具體仰角的掃描方式。一般用于較強(qiáng)的大氣對流。規(guī)定10分鐘內(nèi)對5個具體仰角的掃描方式。主要用于低層晴空大氣觀測。規(guī)定10分鐘完成的5個具體仰角與VCP31相同。不同之處在于VCP31使用長雷達(dá)脈沖而VCP32使用短脈沖?！癙recip” mode: VCPs 11, 12, 21, 121CS=Contiguous Surveillance (low PRF) CD=Contiguous Doppler (high PRF)B=Batch Mode (alternating low and high PRF for each radial)CDX=Contiguous Doppler

26、X (CD with no range unfolding)4 Minute Updates“Precip” mode: VCPs 11, 12, 21, 121MPDA=Multiple PRF Dealiasing Algorithm (combo of CS, CD and B)B=Batch Mode (alternating low and high PRF for each radial)CDX=Contiguous Doppler X (CD with no range unfolding)5 Minute Updates一、測量大氣垂直速度二、測量滴的譜分布三、VAD技術(shù)測量水平流場及降水量四、多普勒雷達(dá)探測風(fēng)場4.6 多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用 自天氣多普勒雷達(dá)問世以來，在探測試驗和應(yīng)用研究工作中已總結(jié)了不少測量方法，其中有些適用于日常業(yè)務(wù)工作，如用來警戒龍卷和下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對流天氣；有些則用于測量垂直和水平風(fēng)場、雨滴譜及降水強(qiáng)度等方面。 一、測量大氣垂直速度 當(dāng)多普勒雷達(dá)垂直指向天頂時，所測量的平均多普勒速度實際上是有效照射體內(nèi)粒子的平均下