天氣雷達的基本工作原理和參數(shù)課件

第一章

天氣雷達基本工作原理及主要設備、參數(shù)第一章天氣雷達的基本工作原理

和主要設備、主要參數(shù)重點掌握：多普勒天氣雷達最大不模糊速度及距離、多普勒頻率參數(shù)：PRF、PRT、h、θ、Vr、Vrmax、Rmax、τ、fD及各計算公式一、天氣雷達的基本工作原理二、天氣雷達的組成和主要技術參數(shù)1、天氣雷達的組成2、主要技術參數(shù)三、多普勒天氣雷達工作原理1、多普勒天氣雷達概述2、多普勒雷達探測原理1）、多普勒效應2）、多普勒頻率3）、多普勒頻率與目標物徑向速度的關系4）、多普勒天氣雷達原理方框圖3、回波信號的多普勒頻譜分析4、多普勒天氣雷達的最大不模糊速度與最大不模糊距離（包括：Vr、VT互求）5、速度模糊現(xiàn)象的主觀識別6、速度退模糊方法一、天氣雷達工作原理天氣雷達原理示意圖天氣雷達組成框圖天氣雷達波段、頻率、波長關系表

波段頻率(千兆赫)波長(厘米)備注K12-402.5-0.75測非降水云X8-124-2.5探測降水C4-88-4探測降水S2-415-8探測降水波束寬度天線增益GPPI顯示結果的空間分布多普勒天氣雷達工作原理多普勒天氣雷達

常規(guī)數(shù)字化天氣雷達利用的是降水回波的幅度信息，即利用信號強度來探測雨區(qū)的分布、強度、垂直結構等。

多普勒天氣雷達除常規(guī)天氣雷達功能之外，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，降水中特別是強對流降水中風場結構特征。多普勒效應多普勒效應是奧地利物理學家J.Doppler1842年首先從運動著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，定義為“當接收者或接收器與能量源處于相對運動狀態(tài)時，能量到達接收者（器）時頻率的變化”。一個例子是：當一輛緊急的火車（汽車）鳴著喇叭以相當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。當火車（汽車）遠離你而去時，這聲音的音調(diào)（頻率）由于波的膨脹（較長波長）而減低。

自相干多普勒天氣雷達結構框圖全相干多普勒天氣雷達結構框圖fo發(fā)射脈沖的載頻fd多普勒頻率發(fā)射頻率多普勒頻移發(fā)射頻率Vs多普勒頻移雷達的三部分RPGRDAPUP雷達站氣象臺值班室

雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RDA）采用脈沖多普勒體制的全相干系統(tǒng)速調(diào)管放大、高功率全相干發(fā)射機窄波束低旁瓣的天線低噪聲寬動態(tài)范圍的相干接收機多參數(shù)的信號處理器主要參數(shù)的自動檢測發(fā)射機

取得雷達數(shù)據(jù)的第一步是發(fā)射一個射頻f0信號。這主要由速調(diào)管放大器（相當于老式雷達中的的磁控管）來完成。該放大器產(chǎn)生一個高功率（峰值功率750kw）非常穩(wěn)定的10厘米的射頻（f0）脈沖。 在這里穩(wěn)定是非常重要的，產(chǎn)生的每個脈沖必須具有相同的初位相以保證回波信號中的多普勒信息能夠被提取。一旦fd脈沖被產(chǎn)生，就被送到天線。全相干發(fā)射機天線 天線是RDA的一個部件，它將發(fā)射機產(chǎn)生的RF信號以波束的形式發(fā)射到大氣并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。WSR-88D雷達的天線仰角范圍:-10~600。天線仰角的設置取決于天線的掃描策略（scanstrategy共有三種）、體掃模式（volumecoveragepattern：VCP）和工作模式（operationalmode分為晴空和降水兩種模式）。雷達操作員不能手動調(diào)節(jié)天線仰角，天線仰角只能通過上述三要素預設。體掃模式(VCP:VolumeCoverPattern）

掃描方式確定一次體積掃中使用多少個仰角，而具體是哪些仰角則由體掃模式來規(guī)定。WSR-88D可有20個不同的VCP，目前只定義了其中的4個：VCP11--VCP11（scanstrategy#1，version1）規(guī)定5分鐘內(nèi)對14個具體仰角的掃描方式。VCP21--VCP21（scanstrategy#2，version1）規(guī)定6分鐘內(nèi)對9個具體仰角的掃描方式。VCP31---VCP31（scanstrategy#3，version1）規(guī)定10分鐘內(nèi)對5個具體仰角的掃描方式。VCP32---VCP32（scanstrategy#3，version2）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使用長雷達脈沖而VCP32使用短脈沖。WSR-98D未定義VCP32。WSR-88D工作模式（OperationalMode）

兩種工作模式，即降水模式和晴空模式。雷達的工作模式?jīng)Q定了使用哪種VCP，而VCP又確定了具體的掃描方式。

工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相應的掃描方式分別為14/5和9/6。

工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，兩者都使用掃描方式5/10。窄波束低旁瓣的天線相干接收機信號處理監(jiān)控系統(tǒng)

雷達產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG）具有雷達產(chǎn)品生成、運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)內(nèi)通信等多種功能氣象應用產(chǎn)品：類似于美國NexRad導出產(chǎn)品運行監(jiān)控：運行模式、系統(tǒng)的自動標校、自動報警等功能數(shù)據(jù)庫管理：基數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存貯、分發(fā)等功能通信管理：RDA、RPG、PUP間的窄帶和寬帶通信等主用戶處理器子系統(tǒng)（PUP）多屏、多畫面顯示氣象應用產(chǎn)品圖形圖像功能具有放大、動畫、疊加等多種圖像顯示功能通過人機交互方式設置系統(tǒng)運行模式和產(chǎn)品生成新一代天氣雷達系統(tǒng)的產(chǎn)品應用可分為四類：基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品物理量產(chǎn)品風場反演產(chǎn)品強天氣自動識別和跟蹤產(chǎn)品

多普勒天氣雷達的產(chǎn)品介紹WSR-98D主要產(chǎn)品

基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品：是多普勒天氣系統(tǒng)的基礎，它主要將雷達以各種探測方式獲取的數(shù)據(jù)，在不改變屬性的前提下，在多種不同的坐標上顯示出它們的分布情況。利用這些產(chǎn)品可以直接識別和分析出一些重要的的天氣現(xiàn)象，如鉤狀回波、帶狀回波、中尺度氣旋、鋒面、下?lián)舯┝?、大尺度的風向風速和冷暖平流。1、基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品這類產(chǎn)品主要有：平面位置顯示(PPI)垂直最大回波強度顯示(CR)等高平面位置顯示(CAPPI)距離高度顯示(RHI)、任意垂直剖面顯示(VCS)WSR-88D產(chǎn)品生成器根據(jù)用戶要求生成的基本產(chǎn)品有：基本反射率產(chǎn)品6種，平均徑向速度產(chǎn)品6種，速度譜寬產(chǎn)品3種，共計3類15種氣象產(chǎn)品，如下表WSR-88D基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品相對于風暴的平均徑向速度產(chǎn)品圖(SRM)與基本速度產(chǎn)品類似，只不過減去了由風暴跟蹤信息(STI)識別的所有風暴的平均運動速度，或減去由操作員選定的風暴運動速度。（a）3.4度仰角（b）14.9度仰角2004年4月23日長沙12:37時風暴相對徑向速度圖(基本速度減去風暴的平均移動速度后得到的)

剖面產(chǎn)品譜寬剖面(SCS)

速度剖面(VCS)

反射率剖面(RCS)長沙2004年4月23日11:44時實測的強度剖面圖2、物理量產(chǎn)品物理量產(chǎn)品：是指雷達以各種探測方式獲取的回波強度、徑向速度和速度譜寬數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的計算和處理。轉(zhuǎn)化為有明顯氣象意義的物理量，進而把這些物理量的分布顯示出來的圖像和圖形產(chǎn)品。它有助于用戶直接和某些天氣現(xiàn)象聯(lián)系起來進行分析和應用。這類產(chǎn)品主要有：回波頂高(ET)垂直累積液態(tài)含水量(VIL)風切系列產(chǎn)品(徑向、方位、徑向方位)分層湍流組合(CAT)雷達定量測量降水(1小時、3小時累積降水、風暴總降水)3、風場反演產(chǎn)品風場反演產(chǎn)品：多普勒雷達系統(tǒng)獲取的徑向速度分布數(shù)據(jù)，在某些假定的條件下通過反演可以獲取某高度平面上的平均風向風速(VAD)、二維水平風場、垂直剖面二維風場及三維風場(VVP)等，除VAD技術比較成熟外，其余均在試驗或試用階段。二維、三維風場反演方法二維、三維風場反演方法二維、三維風場反演方法4、強天氣自動識別和跟蹤產(chǎn)品利用基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品，應用各種算法生成自動報警的產(chǎn)品。如冰雹指數(shù)、中氣旋、強天氣概率等。

短時預報常用的雷達產(chǎn)品反射率產(chǎn)品(R，CR，VCS)基本速度產(chǎn)品(V，SRM)垂直液態(tài)含水量（VIL）回波頂高產(chǎn)品（ET）VAD風廓線累積降水量2000年8月31日00:39,仰角為0.5度的基本反射率因子產(chǎn)品圖(上海)2000年5月26日00:36仰角2.4度的平均徑向速度圖(上海)2000年8月30日23:41仰角為0.5度時的基本速度譜寬產(chǎn)品圖(上海)

1998年8月9日16時11分組合反射率因子產(chǎn)品圖

2002年2月14日17時43分組合反射率因子等值線產(chǎn)品圖(CRC)2001年8月7日14:45反射率因子剖面產(chǎn)品(上海)組合反射率因子平均值產(chǎn)品圖(LRA)2001年8月7日15:26中層（上圖12~33千英尺）和低層（下圖從地面到12千英尺）2010年8月7日15:02弱回波區(qū)產(chǎn)品圖也稱為反射率因子多層透視圖(上海)

風暴跟蹤信息產(chǎn)品（STI）

圖中綠色三角形表示產(chǎn)生冰雹的可能性風暴跟蹤信息文本產(chǎn)品（上海）風暴結構產(chǎn)品（SS）冰雹指數(shù)產(chǎn)品（HI）回波頂高產(chǎn)品（ET）回波頂高等值線產(chǎn)品（ETC）垂直液態(tài)水含量產(chǎn)品（VIL）強天氣概率產(chǎn)品（SWP）一小時降水量產(chǎn)品（OHP）三小時降水量產(chǎn)品(THP)風暴總降水量產(chǎn)品（STP）多普勒頻率fd與目標物徑向速度Vr的關系

多普勒頻率fd定義：目標物相對于雷達作徑向運動引起回波信號的頻率變化，稱多普勒頻移，亦稱多普勒頻率，單位:赫茲（Hz）。多普勒頻率fd與目標物徑向速度Vr的關系（證明見P211-212)回波信號的多普勒頻譜分析

見書P212-216多普勒頻率與回波功率波動頻率某一雨滴后向散射電場為：其中：Ei為后向散射電場振幅值，雷達角頻率，f0為雷達載波頻率為討論方便，設初相位為零若某一個雨滴以徑向速度V1運動，產(chǎn)生多普勒頻率f1，則該雨滴后向散射電場為：雷達測出E(t)后，從上式即可推出多普勒頻率f1本節(jié)所需部分數(shù)學公式振幅譜函數(shù)定義(同相譜)(8.18)若有兩個雨滴，則后向散射電場為：兩雨滴回波總功率分別為：兩種相干雷達所發(fā)射的高頻載波及頻譜全相干脈沖多普勒雷達頻譜自相干脈沖多普勒雷達頻譜全相干脈沖多普勒雷達高頻脈沖信號及頻譜分布

自相干脈沖多普勒雷達高頻脈沖信號及頻譜分布

回波信號及多普勒頻譜結論：單個脈沖形狀決定了整個譜包絡線的形狀，脈沖寬度決定譜包絡線的寬度；脈沖重復周期(T)決定了譜線的間距，譜線間距是時域脈沖間距的倒數(shù)(1/T)；脈沖序列的延續(xù)長度決定譜線的寬度，越長譜線寬度越窄；載波頻率決定譜帶中心位置。速度譜寬資料應用某些天氣的典型值：1)層狀云降水：譜寬值較低，0－3.5m/s;2)強雷暴區(qū)或低層出流邊界：譜寬值>4m/s;3)00C層附近：干濕雪、雨滴共存，不落速度差異大，譜寬值約為4m/s;檢驗平均多普勒速度的可信度：一般譜寬較大時，可能對估算平均多普勒速度的準確性有較大的影響。引進與譜寬及信噪比有關系的指標“信號質(zhì)量指數(shù)”SQI，若SQI低于某一指標值，則數(shù)據(jù)不可靠，棄之。識別多普勒速度場中的風切變區(qū)識別強湍流區(qū)具體應用還需結合當?shù)氐牡匦魏吞鞖獾葘嶋H情況多普勒天氣雷達的最大不模糊速度Vrmax與最大不模糊距離Rmax1、最大不模糊距離與距離折疊(模糊)2、最大不模糊速度與速度模糊3、多普勒兩難1、最大不模糊距離與距離折疊最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個發(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為脈沖重復頻率距離折疊（模糊）：超過最大探測距離的探測回波在屏幕上就會產(chǎn)生距離模糊。距離模糊（折疊）雷達測距公式R=0.5ct，t為脈沖發(fā)出到返回的時間。雷達測距按照最新發(fā)出的脈沖從發(fā)出到返回的時間來計算。距離模糊是指雷達確定的目標物方位是正確的但距離是錯誤的。當目標物位于雷達最大不模糊距離之外時會發(fā)生這一現(xiàn)象，也就是說，目標物的定位是模糊的。換句話說，當目標物位于雷達的最大不模糊距離（Rmax）之外時，雷達卻把目標物顯示在Rmax以內(nèi)的某個位置，我們形象地稱之為‘距離折疊’。目標位于最大不模糊距離之內(nèi)，沒有距離折疊（模糊）發(fā)生。距離模糊（例子）假設：某雷達最大探測距離是250nm

nm=1.852kmnauticalmile目標位于最大不模糊距離之外時，發(fā)生距離折疊（模糊）

一個目標物位于Rmax之后若干公里的話，它將錯誤地出現(xiàn)在距雷達同一公里遠的位置上。如果雷達的Rmax=250km，那么位于0-250km的目標物處于第一程；251-500km的目標物處于第二程等等，以此類推。一個實際位于550km（超過2Rmax）處的目標物，如果被Rmax=250km雷達探測到，它在雷達上的顯示位置是50km；一個實際位于300km（超過1Rmax）處的目標物，如果被Rmax=250km雷達探測到，它在雷達上的顯示位置也是50km。

距離折疊回波的特點：方位角是正確的強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？改變雷達機的脈沖重復頻率(PRF)UseadifferentPRFevery2-3pulses,iftheechomoves,itisbogus!2、最大徑向速度與速度模糊最大徑向速度Vrmax：最大徑向速度是雷達能夠不模糊地測量的最大平均徑向速度（亦稱最大不模糊速度），其對應的相移是180度。徑向速度Vr海里/小時

方位角二維均勻風場,吹西風,某高度的徑向速度隨方位角分布圖,±50海里/小時間隔為速度不模糊范圍。速度模糊現(xiàn)象的主觀識別

由零速度區(qū)逐漸向鄰近區(qū)域（徑向）擴展，按風速連續(xù)性原則，除如小尺度的龍卷風等特強風切變情況外，徑向速度Vr一般逐漸增加（減少），當增加（減少）到超過Vrmax(-Vrmax)范圍時，徑向速度由正（負）的最大值突變?yōu)樨摚ㄕ┑淖畲笾怠＿@種突變的邊界就是速度模糊區(qū)的邊界。零速度區(qū)（帶）*零速度區(qū)（零等速線）：由徑向速度為零的點組成（零速度區(qū)肯定不模糊）；零速度區(qū)的意義：某點的徑向速度為零，應是兩種情況：

實際風速為零或很小實際風向與雷達探測波束相垂直PPI圖象上有可能出現(xiàn)二條零速度帶，哪條為真正零速度帶呢？若雷達鄰近區(qū)域有降水，則用地面風大致判斷哪一條為真正與風向垂直的零速度帶；若鄰近區(qū)域無降水，則可用相近時刻的探空資料查找零速度處相應高度上的風向來進行判斷。（距離高度公式）速度模糊示意圖

多普勒徑向速度Vr、真實徑向速度VrT互求多普勒徑向速度Vr、真實徑向速度VrT互求Nyguist(奈克斯特）采樣定理與最大不模糊速度Vrmax

Nyguist采樣定理：若采樣頻率為f,則最多只能測量0.5f的振動頻率。（解讀：要準確測量每秒鐘振動一次的物體，至少需采樣的頻率為每秒鐘振動二次。）多普勒天氣雷達：

脈沖重復頻率PRF—采樣頻率，

多普勒頻率fd—樣本某一PRF最多只能0.5PRF的多普勒頻率，

多普勒頻率表達式為：代入上式，可得:多普勒兩難由于沒有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能達到最大，所以要使用變化的PRF。例：每臺WSR-88D使用不同的PRF，從一組8個PRF中選擇。typicalexample速度退模糊方法

（見書P249-P252）多普勒天氣雷達CAPPI回波圖返回新一代天氣雷達對“云娜”臺風的監(jiān)測溫州寧波兩部雷達拼圖2004年8月11日20時—12日07時2003年6月—7月江淮流域發(fā)生特大洪澇新一代天氣雷達監(jiān)測到的暴雨過程2003年7月9日01時多部雷達估測的江淮流域1小時降水0.50度1.50度2.40度3.40度4.30度6.00度9.90度云娜徑向速度圖強·度圖

課堂練習思考題1、若一天氣雷達，PRF=1000Hz,求其脈沖重復周期T及最大可測距離是多少？2、若714SD雷達,其Rmax=750km,脈沖寬度τ=1μs,求P