气象台培训_雷达 于华英

多普勒天气雷达资料分析与应用,南京信息工程大学,引言,RADARRAdioDetectingAndRangingWSR88DWeatherSurveillanceRadar88DopplerCINRDA/SA，SB，SC；S:10cm，A敏视达，B14所，C成都七八四厂CINRDA/CD，成都七八四厂生产CINRDA/CC，CCJ安徽四创生产C：5cm,WeatherRadarinChina,中国气象雷达的概况711型测雨雷达-X713型测雨雷达-C714型测雨雷达-S多普勒雷达(714-CD,3830，敏视达雷达）,多普勒天气雷达的组成和探测原理,一、多普勒天气雷达的工作原理二、雷达的PPI扫描方式三、雷达的三部分四、多普勒天气雷达的产品介绍五、短时预报常用的雷达产品,一、多普勒天气雷达的工作原理,常规数字化天气雷达利用的是降水回波的幅度信息，即利用信号强度来探测雨区的分布、雨区强度、垂直结构等情况。同时，利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向(朝向雷达或远离雷达方向)运动速度，并通过这种速度信息推断风速分布、垂直气流速度、大气湍流、降水粒子分布、降水中特别是强降水中的风场结构特征。,天气雷达的基本工作原理,天气雷达间歇性地向空中发射脉冲式的电磁波，电磁波在大气中以接近光波的速度、近似于直线的路径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标物，脉冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线（称为后向散射），在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布和强度等特征。,SINGLERADARS,发射系统天线系统接收系统信号处理系统显示系统,天气雷达的基本框图及其工作原理,一、多普勒天气雷达的工作原理,电磁波的传输、反射和散射1、粒子的尺度小于或接近波长时，遵循散射2、粒子很大时，遵循几何光学规律两类散射：Mie散射(大粒子情况)Rayleigh散射（小粒子情况）基本特点：Mie散射的前向散射较多Rayleigh散射前后方向对称,描述单个粒子后向散射能力的大小,雷达反射率，雷达反射率因子（粒子群）,雷达反射率定义：定义单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和称为雷达反射率，以表示，即：物理意义：描述粒子群后向散射能力的大小雷达反射率因子：单位体积内所有质点直径的六次方之和。与波长无关的量。,单位？,小粒子散射,雷达反射率和反射率因子的关系：,即Rayleigh条件下,大粒子散射,对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象方程求得的Z值就不能代表降水的实际谱分布情况，只能是等效的Z值，记为Ze，称为等效雷达反射率因子。等效反射率因子Ze:用瑞利散射公式计算大粒子的反射率因子能够产生同样回波功率Pr，与小球粒子的反射率因子等效的Z值。,Z的意义Z值的大小只取决于云、雨滴谱的情况；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，另一方面也表明少数大粒子将提供回波功率的绝大部分。根据雷达方程：，可以方便的通过雷达回波功率了解云、雨情况。的意义能够产生同样回波功率的、与小球形粒子的相当的Z的数值；引入后，即使是较为复杂的Mie散射，仍然可以使雷达气象方程保持Rayleigh散射时较为简单的形式。,雷达反射率因子的分贝表示形式,取=1为标准值，则：,雷达气象方程,常数项,雷达参数项,距离因子项,充塞因子项,气象因子项,衰减因子项,二、雷达的PPI扫描方式,PPI显示结果的空间分布,LocatingaTarget,Thefirstpieceofinformationistheangleoftheradarbeamwithrespecttonorth;calledtheazimuthangle.,Thesecondistheangleofthebeamwithrespecttotheground;calledtheelevationangle.,Thethirdpieceofinformationneededisthedistance(D)fromradartotarget.,Distanceisdeterminedbymeasuringthetimeittakesforthepulsetomakearoundtripfromtheradartothetargetandbackusingtherelationdistance=(time)*(velocity).Thevelocityisthespeedoflight,thespeedatwhichthepulsetravels(c).Sincethepulsehastotraveltothetargetandback,thetotaldistanceis2D.Iftisthetimeittakes,then2D=ctorD=ct/2.Usingthecalculateddistance,azimuthangleandelevationangle,theexactlocationofthetargetcanbedetermined.,三要素：R斜距仰角方位角,C3108m/st以“微秒”为单位，1微秒=10-6秒,R=Ct,2,1,中国新一代天气雷达系统简介1、雷达数据采集系统（RDA）2、雷达产品生成子系统（RPG）3、主用户处理器子系统（PUP）,三、雷达的三部分,基数据,RDA监控计算机,1、雷达数据采集系统（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,发射机取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf）信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率750kw）非常稳定的10厘米的射频（rf）脉冲。在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦rf脉冲被产生，就被送到天线。,全相干发射机,天线天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的rf信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。SA雷达的天线仰角变化范围是从0.5度到19.5度。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（scanstrategy共有三种）、体扫模式（volumecoveragepattern：VCP）和工作模式（operationalmode分为晴空和降水两种模式）。雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。,天线,天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射方向上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：在超高频技术中，一般天线的增益在几千到几万。天线增益常以分贝(dB)形式表示：,S定向定向天线最大辐射方向上的能流密度；,S各向均匀各向均匀天线的能流密度；,天线扫描方式（scanstrategy）扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（volumescan）中使用多少仰角和时间。WSR-88D和CINRADWSR-98D使用三种扫描方式：扫描方式#1：5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5）扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6）扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）,体扫模式(VCP:VolumeCoverPattern）扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个：VCP11-VCP11（scanstrategy#1，version1）规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。VCP21-VCP21（scanstrategy#2，version1）规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。VCP31-VCP31（scanstrategy#3，version1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。VCP32-VCP32（scanstrategy#3，version2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用短脉冲。WSR-98D未定义VCP32。,工作模式（OperationalMode）WSR-88D使用两种工作模式，即降水模式和晴空模式。雷达的工作模式决定了使用哪种VCP，而VCP又确定了具体的扫描方式。工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5和9/6。工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。,窄波束低旁瓣的天线,接收机当天线接收返回（后向散射）能量时，它把信号传送给接收机。由于接收到的回波能量很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处理器之前必须由接收机进行放大。,相干接收机,信号处理,监控系统,2、雷达产品生成子系统（RPG）,具有雷达产品生成、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,3、主用户处理器子系统（PUP）,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,多屏、多画面显示,距离折叠与速度模糊1最大不模糊距离与距离折叠2最大不模糊速度与速度模糊3多普勒两难,1最大不模糊距离与距离折叠,最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离,其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，PRF为脉冲重复频率,距离折叠（模糊）：超过最大探测距离的探测回波在屏幕上就会产生距离模糊。,2最大径向速度与速度模糊,最大不模糊速度Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。,速度模糊：表现为从正、负速度的最大值突变为负、正速度的最大值。,速度模糊示意图,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风场反演产品强天气自动识别和跟踪产品,四、多普勒天气雷达的产品介绍,基本数据产品：是多普勒天气系统的基础，它主要将雷达以各种探测方式获取的数据，在不改变属性的前提下，在多种不同的坐标上显示出它们的分布情况。利用这些产品可以直接识别和分析出一些重要的的天气现象，如钩状回波、带状回波、中尺度气旋、锋面、下击暴流、大尺度的风向风速和冷暖平流。,1、基本数据产品,这类产品主要有：平面位置显示(PPI)距离高度显示(RHI)、等高平面位置显示(CAPPI)垂直最大回波强度显示(CR)任意垂直剖面显示(VCS),1、基本数据产品,a、风速随高度不变（配实际风随高度分布图）,1、0度线的特征：由两条相差180度的径线组成。2、最大正（负）速度等值线在风的下（上）风方向。3、其他等值线亦为直线。,b、风速随高度增加：,c、风速随高度先增后减：,d、风向随高度顺转-暖平流,自雷达中心开始，两侧的零线随距离增加而顺转，零线顺转程度是相等的（即任一等距离园上的两个零点方位角相差180度）。在图象上表现为“S”型。,e、风向随高度逆转-冷平流,剖面产品,谱宽剖面(SCS)速度剖面(VCS)反射率剖面(RCS),长沙2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图,2、物理量产品,物理量产品：是指雷达以各种探测方式获取的回波强度、径向速度和速度谱宽数据，经过一定的计算和处理。转化为有明显气象意义的物理量，进而把这些物理量的分布显示出来的图像和图形产品。它有助于用户直接和某些天气现象联系起来进行分析和应用。,2、物理量产品,这类产品主要有：回波顶高(ET)、垂直累积液态含水量(VIL)、风切系列产品(径向、方位、径向方位)、分层湍流组合(CAT)、雷达定量测量降水(1小时、3小时累积降水、风暴总降水),3、风场反演产品,风场反演产品：多普勒雷达系统获取的径向速度分布数据，在某些假定的条件下通过反演可以获取某高度平面上的平均风向风速(VAD)、二维水平风场、垂直剖面二维风场及三维风场(VVP)等，除VAD技术比较成熟外，其余均在试验或试用阶段。,速度方位显示VAD,VAD是特定高度上平均径向速度与方位角度的图形显示产品。在产品的状态区中能发现下列数据：ALT-高度（MSL）、RMS误差（kts）、计算的风速和风向、所用的仰角和斜距）。对称性显示在图的底部，它是最小二乘拟合方程的第一项。,速度方位显示风廓线VWP,在时间高度图上显示平均水平风(由VAD算法在每层计算而得)。在VWP中，有三种情况出现“ND”（无资料）：1）少于25个资料点；2）RMS误差大于4.8m/s；3）或对称性大于7.3m/s。,二维、三维风场反演方法,二维、三维风场反演方法,4、自动识别产品,自动识别产品：利用基本数据产品，应用各种算法生