多普勒天氣雷達(dá)資料分析.ppt

1、多普勒天氣雷達(dá)資料分析與應(yīng)用,南京信息工程大學(xué),引 言,RADAR RAdio Detecting And Ranging WSR88D Weather Surveillance Radar 88 Doppler CINRDA/SA，SB，SC； S:10cm，A敏視達(dá)，B14所，C成都七八四廠 CINRDA/CD，成都七八四廠生產(chǎn) CINRDA/ CC，CCJ 安徽四創(chuàng)生產(chǎn) C：5cm,Weather Radar in China,中國(guó)氣象雷達(dá)的概況 711型測(cè)雨雷達(dá) - X 713型測(cè)雨雷達(dá) - C 714型測(cè)雨雷達(dá) - S 多普勒雷達(dá)(714-CD, 3830，敏視達(dá)雷達(dá)）,多普勒天氣雷

2、達(dá)的組成和探測(cè)原理,一、雷達(dá)的三部分 二、多普勒天氣雷達(dá)的工作原理 三、雷達(dá)的 PPI 掃描方式 四、多普勒天氣雷達(dá)的產(chǎn)品介紹 五、短時(shí)預(yù)報(bào)常用的雷達(dá)產(chǎn)品,一、雷達(dá)的三部分,RPG,RDA,PUP,雷達(dá)站,氣象臺(tái)值班室,中國(guó)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1、雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RDA） 2、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG） 3、主用戶處理器子系統(tǒng)（PUP）,一、雷達(dá)的三部分,基數(shù)據(jù),1、雷達(dá)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(jī) 窄波束低旁瓣的天線 低噪聲寬動(dòng)態(tài)范圍的相干接收機(jī) 多參數(shù)的信號(hào)處理器 主要參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè),發(fā) 射 機(jī) 取得雷達(dá)數(shù)據(jù)的第一步是發(fā)射一

3、個(gè)射頻（rf）信號(hào)。這主要由速調(diào)管放大器（相當(dāng)于老式雷達(dá)中的的磁控管）來完成。該放大器產(chǎn)生一個(gè)高功率（峰值功率750kw）非常穩(wěn)定的10厘米的射頻（rf）脈沖。 在這里穩(wěn)定是非常重要的，產(chǎn)生的每個(gè)脈沖必須具有相同的初位相以保證回波信號(hào)中的多普勒信息能夠被提取。一旦rf脈沖被產(chǎn)生，就被送到天線。,全相干發(fā)射機(jī),天線 天線是RDA的一個(gè)部件，它將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的rf 信號(hào)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）。SA雷達(dá)的天線仰角變化范圍是從0.5度到19.5度。天線仰角的設(shè)置取決于天線的掃描方式（scan strategy共有三種）、體掃模式（volume coverage pa

4、ttern ：VCP）和工作模式（operational mode 分為晴空和降水兩種模式）。 雷達(dá)操作員不能手動(dòng)調(diào)節(jié)天線仰角，天線仰角只能通過上述三要素預(yù)設(shè)。,天 線,天線增益：輻射總功率相同時(shí)，定向天線在最大輻射方向上的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密度之比，稱為天線增益，以G表示。 天線增益與天線波束寬度具有一定的關(guān)系： 在超高頻技術(shù)中，一般天線的增益在幾千到幾萬。 天線增益常以分貝(dB)形式表示：,S 定向定向天線最大輻射方向上的能流密度；,S 各向均勻各向均勻天線的能流密度；,指天線在水平方向的波束寬度； 指天線在垂直方向的波束寬度。,天線掃描方式（scan strategy）

5、 掃描方式告訴雷達(dá)在一次體積掃描（volume scan）中使用多少仰角和時(shí)間。WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三種掃描方式： 掃描方式#1：5分鐘完成14個(gè)不同仰角上的掃描（14/5） 掃描方式#2：6分鐘完成9個(gè)不同仰角上的掃描（9/6） 掃描方式#3：10分鐘完成5個(gè)不同仰角上的掃描（5/10）,體掃模式 (VCP:Volume Cover Pattern） 掃描方式確定一次體積掃中使用多少個(gè)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(gè)不同的VCP，目前只定義了其中的4個(gè)： VCP11 - VCP11（scan strategy #1，ver

6、sion 1）規(guī)定5分鐘內(nèi)對(duì)14個(gè)具體仰角的掃描方式。 VCP21 - VCP21 （scan strategy #2，version 1）規(guī)定6分鐘內(nèi)對(duì)9個(gè)具體仰角的掃描方式。 VCP31 - VCP31 （scan strategy #3，version 1）規(guī)定10分鐘內(nèi)對(duì)5個(gè)具體仰角的掃描方式。 VCP32 - VCP32（scan strategy #3，version 2）確定的10分鐘完成的5個(gè)具體仰角與VCP31相同。不同之處在于VCP31使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而VCP32使用短脈沖。 WSR-98D未定義VCP32。,值得注意的是： 雷達(dá)在0.5度和1.45度仰角上分別作兩次掃描，

7、在其他仰角上只作一次掃描。在兩次掃描中： 第一次發(fā)射低脈沖重復(fù)頻率，觀測(cè)范圍大（460km），為了避免速度模糊。 第二次發(fā)射高脈沖重復(fù)頻率，觀測(cè)的范圍?。?30km），為了避免距離模糊。,工作模式（Operational Mode） WSR-88D使用兩種工作模式，即降水模式和晴空模式。雷達(dá)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(yīng)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,接收機(jī) 當(dāng)天線接收返回（后向散射）能量時(shí)，它把信號(hào)傳送

8、給接收機(jī)。由于接收到的回波能量很小，所以在以模擬信號(hào)的形式傳送給信號(hào)處理器之前必須由接收機(jī)進(jìn)行放大。,相干接收機(jī),信號(hào)處理,監(jiān)控系統(tǒng),RDA監(jiān)控計(jì)算機(jī),2、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG）,具有雷達(dá)產(chǎn)品生成、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)內(nèi)通信等多種功能 氣象應(yīng)用產(chǎn)品：類似于美國(guó)NexRad導(dǎo)出產(chǎn)品 運(yùn)行監(jiān)控：運(yùn)行模式、系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)校、自動(dòng)報(bào)警等功能 數(shù)據(jù)庫(kù)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,3、主用戶處理器子系統(tǒng)（PUP）,多屏、多畫面顯示氣象應(yīng)用產(chǎn)品圖形圖像功能 具有放大、動(dòng)畫、疊加等多種圖像顯示功能 通過人機(jī)交互方式設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行模式和產(chǎn)

9、品生成,多屏、多畫面顯示,二、多普勒天氣雷達(dá)的工作原理,常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)利用的是降水回波的幅度信息，即利用信號(hào)強(qiáng)度來探測(cè)雨區(qū)的分布、雨區(qū)強(qiáng)度、垂直結(jié)構(gòu)等情況。 同時(shí)，利用物理學(xué)上的多普勒效應(yīng)來測(cè)定降水粒子的徑向(朝向雷達(dá)或遠(yuǎn)離雷達(dá)方向)運(yùn)動(dòng)速度，并通過這種速度信息推斷風(fēng)速分布、垂直氣流速度、大氣湍流、降水粒子分布、降水中特別是強(qiáng)降水中的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。,天氣雷達(dá)的基本工作原理,天氣雷達(dá)間歇性地向空中發(fā)射的脈沖式電磁波，電磁波在大氣中以接近光波的速度、近似于直線的路徑傳播，如果在傳播路徑上遇到了氣象目標(biāo)物，脈沖電磁波會(huì)被氣象目標(biāo)物向四面八方散射，其中一部分電磁波能被散射回雷達(dá)天線（稱為后向散射）

10、，在雷達(dá)顯示器上顯示出氣象目標(biāo)物的空間位置分布和強(qiáng)度等特征。,SINGLE RADARS,發(fā)射系統(tǒng) 天線系統(tǒng) 接收系統(tǒng) 信號(hào)處理系統(tǒng) 顯示系統(tǒng),天氣雷達(dá)的基本框圖及其工作原理,二、多普勒天氣雷達(dá)的工作原理,電磁波的傳輸、反射和散射 1 、粒子的尺度和波長(zhǎng)小于或接近時(shí)，遵循散射 2 、粒子很大時(shí)，遵循幾何光學(xué)規(guī)律 兩類散射：Mie散射 (大粒子情況) Rayleigh散射（小粒子情況） 基本特點(diǎn)：Mie散射的前向散射較多 Rayleigh散射前后方向?qū)ΨQ,描述單個(gè)粒子后向散射能力的大小,雷達(dá)反射率，雷達(dá)反射率因子（粒子群）,雷達(dá)反射率定義：定義單位體積內(nèi)全部降水粒子的雷達(dá)截面之和稱為雷達(dá)反射率，

11、以 表示，即： 物理意義：描述粒子群后向散射能力的大小 雷達(dá)反射率因子：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)直徑的六次方之和。與波長(zhǎng)無關(guān)的量。,小粒子散射,雷達(dá)反射率和反射率因子的關(guān)系：,大粒子散射,對(duì)于不滿足瑞利散射條件的降水粒子，根據(jù)雷達(dá)氣象方程求得的 Z 值就不能代表降水的實(shí)際譜分布情況，只能是等效的 Z 值，記為 Ze ，稱為等效雷達(dá)反射率因子。 等效反射率因子Ze: 用瑞利散射公式計(jì)算大粒子的反射率因子 能夠產(chǎn)生同樣回波功率Pr，與小球粒子的反射率因子等效的Z值。,Z 的意義 Z 值的大小只取決于云、雨滴譜的情況； Z 正比于 D6，一方面表明粒子越大，Z 越大，回波功率也就越大，另一方面也表明少數(shù)大

12、粒子將提供回波功率的絕大部分。 根據(jù)雷達(dá)方程： ， 可以方便的通過雷達(dá)回波功率了解云、雨情況。 的意義 能夠產(chǎn)生同樣回波功率的、與小球形粒子的 相當(dāng)?shù)?Z 的數(shù)值； 引入 后，即使是較為復(fù)雜的Mie 散射，仍然可以使雷達(dá)氣象方程保持Rayleigh 散射時(shí)較為簡(jiǎn)單的形式。,雷達(dá)反射率因子的分貝表示形式,取 =1 為標(biāo)準(zhǔn)值，則：,雷達(dá)氣象方程,常數(shù)項(xiàng),雷達(dá)參數(shù)項(xiàng),距離因子項(xiàng),充塞因子項(xiàng),氣象因子項(xiàng),衰減因子項(xiàng),距離折疊與速度模糊 1 最大不模糊距離與距離折疊 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(gè)發(fā)射脈沖在下一個(gè)發(fā)射脈沖

13、發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長(zhǎng)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）：超過最大探測(cè)距離的探測(cè)回波在屏幕上就會(huì)產(chǎn)生距離模糊。,2 最大徑向速度與速度模糊,最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷達(dá)能夠不模糊地測(cè)量的最大平均徑向速度，其對(duì)應(yīng)的相移是180度。,速度模糊：表現(xiàn)為從正、負(fù)速度的最大值 突變 為負(fù)、正速度的最大值。,某一PRF最多只能測(cè)量 PRF的多普勒頻率， 多普勒頻率表達(dá)式為： 代入上式，可得,速度模糊示意圖,三、雷達(dá)的 PPI 掃描方式,PPI 顯示結(jié)果的空間分布,Locating a Target,The first piece

14、 of information is the angle of the radar beam with respect to north; called the azimuth angle.,The second is the angle of the beam with respect to the ground; called the elevation angle.,The third piece of information needed is the distance (D) from radar to target.,Distance is determined by measur

15、ing the time it takes for the pulse to make a round trip from the radar to the target and back using the relation distance = (time) * (velocity). The velocity is the speed of light, the speed at which the pulse travels (c). Since the pulse has to travel to the target and back, the total distance is

16、2D. If t is the time it takes, then 2D = ct or D = ct/2. Using the calculated distance, azimuth angle and elevation angle, the exact location of the target can be determined.,三要素： R斜距 仰角 方位角,C 3108 m/s t 以“微秒”為單位，1微秒=10-6秒,R = C t,2,1,新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)用可分為四類： 基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品 物理量產(chǎn)品 風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品 強(qiáng)天氣自動(dòng)識(shí)別和跟蹤產(chǎn)品,四、多普勒天氣雷達(dá)的產(chǎn)

17、品介紹,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(chǔ)，它主要將雷達(dá)以各種探測(cè)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(biāo)上顯示出它們的分布情況。 利用這些產(chǎn)品可以直接識(shí)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(fēng)向風(fēng)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(qiáng)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),1、基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品,相對(duì)于風(fēng)暴的平均徑向速度圖(SRM),與基本速度產(chǎn)品類似，只不過減去了由風(fēng)暴 跟蹤信息(STI)識(shí)別的所

18、有風(fēng)暴的平均運(yùn)動(dòng)速度， 或減去由操作員選定的風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)速度。,（a）3.4度仰角,（b）14.9度仰角,2004年4月23日 長(zhǎng)沙12:37時(shí)風(fēng)暴相對(duì)徑向速度圖 (基本速度減去風(fēng)暴的平均移動(dòng)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(zhǎng)沙 2004年4月23日11:44時(shí)實(shí)測(cè)的強(qiáng)度剖面圖,2、物理量產(chǎn)品,物理量產(chǎn)品：是指雷達(dá)以各種探測(cè)方式獲取的回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的計(jì)算和處理。轉(zhuǎn)化為有明顯氣象意義的物理量，進(jìn)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(jìn)行分析和應(yīng)用。,2、物理量產(chǎn)品,這類

19、產(chǎn)品主要有： 回波頂高(ET)、 垂直累積液態(tài)含水量(VIL)、 風(fēng)切系列產(chǎn)品(徑向、方位、徑向方位)、 分層湍流組合(CAT)、 雷達(dá)定量測(cè)量降水(1小時(shí)、3小時(shí)累積降水、風(fēng)暴總降水),3、風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品,風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品： 多普勒雷達(dá)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(fēng)向風(fēng)速(VAD)、二維水平風(fēng)場(chǎng)、垂直剖面二維風(fēng)場(chǎng)及三維風(fēng)場(chǎng)(VVP)等，除VAD技術(shù)比較成熟外，其余均在試驗(yàn)或試用階段。,二維、三維風(fēng)場(chǎng)反演方法,二維、三維風(fēng)場(chǎng)反演方法,二維、三維風(fēng)場(chǎng)反演方法,4、自動(dòng)識(shí)別產(chǎn)品,自動(dòng)識(shí)別產(chǎn)品： 利用基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品，應(yīng)用各種算法生成自動(dòng)報(bào)警的產(chǎn)品。如冰雹指數(shù)、中氣旋、強(qiáng)天氣概率等。,五、短時(shí)預(yù)報(bào)常用的雷達(dá)產(chǎn)品,反射率產(chǎn)品(R，CR，VCS) 基本速度產(chǎn)品(V，SRM) VIL ET VAD風(fēng)廓線 累積降水量,實(shí)際風(fēng)與徑向速度的關(guān)系,目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)取決于兩個(gè)因素： 水平風(fēng) 目標(biāo)物的自然下沉與環(huán)境垂直氣流之和 徑向速度只是目標(biāo)物實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度在雷達(dá)探測(cè)