民用航空气象地面观测规范第14章 多普勒天气雷达知识.doc

第十四章 多普勒天气雷达知识第十四章 多普勒天气雷达知识第一节 引言RADAR（Radio Detection and Ranging）是一个利用电磁波进行探测、定位的仪器。最早用于军事目的，后来在气象部门也逐渐得到使用。它具有准确、客观和实时的特点。近年来，多普勒雷达的技术也逐渐成熟，它除了保持常规天气雷达的特点外，还通过计算频率（相位）的变化，提取风场的一些特征，因而更具有使用价值。我国新一代天气雷达建设是我国20世纪末、21世纪初的一项跨世纪气象现代化工程。我国新一代天气雷达组网的目标和原则是：在我国东部沿海和多强降水地区和四川盆地的大部分地区，布设S波段（波长10cm）新一代天气雷达；在我国强对流天气发生和活动比较频繁、经济比较发达的中部地区，布设C波段（波长5cm）新一代天气雷达；其它地区，即我国第一地形阶梯地域的青、新、藏等流域暂不布设全国组网的站点；但省（区）会所在地和重要地区根据气象服务工作的需要和可能，按统一业务布点要求设置新一代C波段天气雷达，作为局地监测和服务使用。计划在全国部署158部新一代天气雷达。图14-1为其中的126部的站点示意图。截止到2005年5月份为止，已布设80余部新一代天气雷达。图141我国新一代天气雷达网站新一代天气雷达将全部选用和两种波段，选取全相干体制，其主要探测和测量对象，包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍流、龙卷、冰雹、融化层等，并具备一定的晴空回波的探测能力。第二节 多普勒天气雷达的基本工作原理粒子对电磁波作用的两种基本形式是散射和吸收。气象目标对雷达电磁波的散射作用是雷达探测大气的基础。当天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波）时，它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。粒子产生散射的原因是：粒子在入射电磁波的作用下被极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，它们也要以同样的频率发生变化，这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外辐射的电磁波，就是散射波。雷达波束通过云和降水粒子时被散射，其中一部分后向的散射波要返回雷达方向，被雷达天线接收。在雷达探测中，气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离（亦称斜距）、雷达天线的仰角和方位角来表示。斜距可根据电磁波在大气中的传播速度和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定（图14-2）。图142 电磁波传播和粒子散射示意图多普勒天气雷达除了具备探测云和降水回波的位置及强度功能外，它以多普勒效应为基础（多普勒效应是指发射源和接收器之间有相对的径向运动时，虽然发射源所发射的信号频率固定不变，但接受器所收到的信号频率相对于发射源的频率却发生了变化，1842年首先被澳大利亚物理学家J.Doppler发现），通过测定接收回波信号与发射探测脉冲信号频率之间出现的频率差异，在得到目标物的反射率因子外，还可以测定散射体相对于雷达的径向速度和速度谱宽，并根据这三个基本量，可推断出相应的天气系统，尤其是降水天气系统的某些内部结构和特征，它对降水成因、中小尺度天气系统以及强对流造成的灾害性天气的监测与研究具有重要意义，是发布严重灾害性天气警报和临近预报的重要探测工具。新一代天气雷达采用多普勒体制，它的发展是建立在无线电技术，信息处理技术和计算机技术基础上的，所以新一代天气雷达亦称多普勒天气雷达。 第三节 多普勒天气雷达基本组成天气雷达主要有以下几部分组成：天线系统、收发开关、发射机、接收机、处理和控制终端等。我国新一代多普勒天气雷达主要由雷达数据采集系统RDA（radar data acquisition）、雷达产品生成器RPG（radar product generator）和主要用户终端PUP（principal user processor）组成。RDA由天线、发射机、接收机、信号处理器和监控计算机组成。它的主要功能是发射脉冲电磁波、接收回波，并对回波进行处理，最终形成反射率因子、平均径向速度和径向速度谱宽。RPG的主要功能有两个，一个是作为整个雷达的控制中心，另一个是具有一系列算法，当接到来自PUP的请求后，生成相应的产品，然后传输给PUP。PUP是预报员平台，主要功能是申请适当的产品，对图像进行各种处理，为天气预报特别是强对流天气预报提供指导和参考。第四节 多普勒天气雷达主要参数及其意义多普勒天气雷达的主要参数有：与发射机有关的主要参数有：波长、脉冲宽度、发射功率Pt和脉冲重复频率PRF等；与天线有关的主要参数有：波束宽度和天气增益G等；与接收机有关的主要参数有：接收机灵敏度Pmin等。其中各参数物理意义简要介绍如下：一、波长指雷达发射的电磁波的长度。天气雷达通常使用的波长是厘米波，划分为K、X、C和S四个波段，K波段的雷达主要用来探测非降水的云，X、C和S波段用于探测降水，波段、频率和波长对照关系见表14-1。表141波段、频率和波长对照关系波长是气象雷达最重要的技术指标之一，因为云、雨粒子对电磁波的散射能力和衰减都与电磁波的波长有重要关系，波长越短，后向散射越强，雷达就易于探测到弱的目标物，分辨率就越好，但后向散射越强，电磁波的衰减越严重，这会影响雷达的探测距离及精度，所以选择雷达要根据探测距离及当地的降水情况作综合考虑。例如在我国东部沿海和多强降水地区和四川盆地的大部分地区，由于经常出现暴雨和强降水，因此决定布设S波段新一代天气雷达。电磁波能量在传播路径上减弱的现象，称为衰减。为了比较不同波长的衰减程度，有人对一个假设的雨区做了理论计算（见图14-3a）。可以看出，10cm的雷达衰减小，而3.2cm雷达，雷达衰减比较严重。图143 虚拟的雨区（a）以及在3.2cm（b）和10cm雷达上显示的回波强度分布（c）另外，对多普勒天气雷达工作波长的选择，除了要考虑降水对电磁波的衰减作用外，还须考虑测速模糊与工作波长之间的关系。从最大不模糊速度（Vmax =PRF*/4）可知，同样的脉冲重复频率，波段具有较大的不模糊速度。但是波长长，设备大，成本高，技术难度也大，要求发射频率的稳定度要高得多。若采用波段，波长短，发射脉冲频率高,则容易满足频率稳定性要求，造价低。二、脉冲宽度脉冲宽度是指该脉冲所持续的时间，一般用微秒表示，其值越大，雷达的有效探测深度H就越大，回波功率就越大，探测能力就越强，但是越大，雷达的距离分辨率就降低，不能细致地显示气象目标物的内部结构，所以，一般在探测近距离降水时采用短脉冲，而探测远距离降水时采用长脉冲。我国新一代天气雷达（S波段）有两个脉冲宽度：短脉冲（1.57s）和长脉冲（4.71s），对应的空间长度分别为500米和1500米左右。三、脉冲重复频率PRF每秒种产生的触发脉冲数目，称为脉冲重复频率,以PRF（Pulse Recurrence Frequency）表示，它与雷达最大可测距离成反比，Rmax=C/2PRF；与最大不模糊速度成正比，即Vmax =PRF*/4。两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，用表示，它等于脉冲重复频率的倒数。例如，脉冲重复频率400赫兹，则脉冲重复周期2500微秒，最大探测距离约为375公里左右。我国新一代天气雷达脉冲重复频率PRF在300-1300Hz范围内，实际脉冲重复频率的选择取决于具体情况。四、发射功率Pt是指发射机的发射功率，它与回波功率成正比，即发射功率越大，回波功率也就越大，所以，增大发射功率是提高雷达探测能力和探测距离的一种办法。五、波束宽度天气雷达的天线具有很强的方向性,它所辐射的功率集中在波束所指的方向上，从波束剖面图可以看出，波束主轴附近能流密度大，波束的边缘能流密度小，能流密度的相对分布曲线，称为天线方向图,曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向相对能流密度大小。图中能流密度最大方向上的波瓣称为主波瓣，侧面和相反方向能流密度均小得多，分别称为旁瓣和尾瓣。在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。波束宽度越小，定向角度的分辨率越高，探测精度越高。波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径和雷达工作波长。天气雷达的波束宽度通常不超过1 ，我国新一代天气雷达（S波段）的天线直径为9米，波束宽度为1。波束宽度、主波瓣、旁瓣、半功率点示意图六、天气增益G在相同辐射功率条件下，在波束方向上定向天线的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以G表示，天线增益与天线波束宽度具有一定的关系。天线增益以分贝（dB）表示：分贝（dB）=10log（定向天线的能流密度）/（各向均匀辐散天线的能流密度）。我国新一代天气雷达（S波段）的天线增益44 dB。七、接收机灵敏度Pmin回波信号常常非常微弱，接收机必须具有接收微弱信号的能力，这种能力称为灵敏度，它可以用接收机的最小可辨功率Pmin表示。我国新一代天气雷达（S波段）的最小灵敏度对于短脉冲（1.57s）是-107dBm，长脉冲（4.71s）是-113dBm。总之，雷达系统的探测能力主要由发射功率、天线增益、接收机灵敏度等雷达参数综合确定，新一代天气雷达系统200公里处的最小反射率因子不大于-7dBZ，约相当于在200公里处能探测到的最小降水强度小于0.02毫米/小时。在监测远距离目标强度信息时，可采用低脉冲重复频率的探测模式，减少二次回波出现的机率，在测量风场分布时，须选用较高脉冲重复频率，减少速度模糊现象，但这时会出现二次回波的干扰。新一代天气雷达系统充分注意选择合适的脉冲重复频率及速度退模糊方法，以满足测距范围和测速区间的双重要求。第五节 多普勒天气雷达回波的分类和识别雷达回波通常使用反射率因子，按照地面是否有降水，可分为降水回波与非降水回波（地物回波、超折射回波、雾的回波、晴空大气回波等）。其中降水回波常划分为三种类型：积云降水回波、层状云降水回波和混合性降水回波。具体特征如下：一、降水回波（一）层状云降水回波：层状降水回波在PPI上显示比较均匀，呈弥散状分布，回波边缘由于受到降水区的衰减作用和脉冲宽度等影响而显得破碎，边缘发毛。在回波中仍可看到大片弱回波中夹有一个个强度较强的回波团。层状云连续性降水回波强度一般在20dBZ左右，通常不会超过30dBZ。在RHI（高显）图上，层状云系回波高度不高，一般在56千米，回波顶高比较平坦，没有明显的对流单体突起。当多普勒雷达对层状云连续性降水回波进行铅直扫描探测时，在RHI上会出现一条平展而比较强的回波带，它就是“零度层亮带”。“零度层亮带”是层状云连续性降水的一个重要特征，它反映了在层状云降水中存在着明显的冰水转换区，即亮带上面的降水粒子以冰晶为主，通过亮带后，全部转化为水滴。亮带的出现，也表明了层状云降水中气流稳定，无明显对流活动，为亮带的维持创造了条件。（二）积云降水回波特征：在PPI（平显）图上，积云降水回波多呈块状，尺度较小，从几千米到几十千米，有强回波中心，边缘清晰；在RHI（高显）图上，对流降水回波多呈柱状，顶高较高，一般在67千米以上，最高可达20千米。一些强烈发展的单体，回波顶常呈砧状或菜花状，还有一些强烈发展的对流云，在发展成熟但又未接地之前呈纺锤状。积云降水回波可分为单单体、多单体、超级单体和线状回波（飑线）等四种。层状云降水回波 混合性降水回波 积云降水回波（三）混合性降水回波特征混合性降水回波常表现为层状降水回波和积状降水回波的混合，在PPI图上表现为回波范围较大，没有明显的边界，大片回波中夹杂一个或多个小尺度强回波中心，有时呈片状，有时呈带状。RHI图上表现为，回波顶高高低起伏，高峰处可达对流性回波的高度，而较低的平坦部分一般只有连续性降水的高度。混合性降水回波一般为出现连阴雨天气的征兆，这种天气出现时，降水时间长，累计降雨量大。（四）雹云回波特征雹云的对流发展旺盛，云体庞大高耸，云内含水水量较大，在PPI强度回波图上具有很强的强回波中心，边缘分明，呈块状，回波水平尺度可达30-40KM，回波强度一般在50dBZ左右。雹云降水回波往往是超级单体引起的，因此回波单体持续时间要比雷雨，阵雨降水回波持续时间长，常常在1-2小时以上。雹云降水回波形态十分特殊，它常回出现V型缺口，入流缺口，钩状，指状和空洞等。在RHI上，雹云回波顶高度往往要超过10KM，它比雷雨回波高度要高得多，而且回波顶呈单峰结构，云砧很明显，说明高空风速切变大。雹云还常会出现穹隆结构。冰雹回波 2004年6月4日22：01（北京时）反射率（Z）仰角3（22:30左右良乡冰雹）冰雹回波1997年8月12日，21：30（北京时）左右机场地区及机场辅路有冰雹。左图：1997年8月12日21：31反射率（Z）仰角1，右图：冰雹云的RHI图总之，降水回波的反射率因子一般在15dBZ以上，而层状云降水回波的强度很少超过35dBZ。大片的层状云或层状云-积状云混合降水回波大都会出现明显的“零度层”亮带（一般在高仰角时才明显）。纯粹的积状云降水反射率因子回波结构密实，反射率因子梯度较大。而纯粹的层状云降水反射率因子回波结构比较均匀。我国产生大范围的暴雨的系统在不少情况下是积云-层状云混合结构，即在大范围的层状云中包含着中尺度积云强雨团或强雨带。二、非降水回波（一）非气象回波：非气象回波主要包括地