多普勒天气雷达资料分析

1、多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用南京信息工程大学多普勒天气雷达资料分析与应用引 言 RADAR RAdio Detecting And Ranging WSR88D Weather Surveillance Radar 88 Doppler CINRDA/SA，SB，SC； S:10cm，A敏视达，敏视达，B14所，所，C成都七八四厂成都七八四厂 CINRDA/CD，成都七八四厂生产成都七八四厂生产 CINRDA/ CC，CCJ 安徽四创生产安徽四创生产 C：5cm多普勒天气雷达资料分析与应用Weather Radar in China 中国气象雷达的概况中国气象雷达的

2、概况 711711型测雨雷达型测雨雷达 - - X X 713713型测雨雷达型测雨雷达 - - C C 714714型测雨雷达型测雨雷达 - - S S 多普勒雷达多普勒雷达(714-(714-CD, CD, 38303830，敏视达雷达）敏视达雷达）多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达的组成和探测原理 一、雷达的三部分 二、多普勒天气雷达的工作原理 三、雷达的 PPI 扫描方式 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、雷达的三部分RPGRDARDAPUP雷达站雷达站气象台值班室气象台值班室多普勒天气雷达资料分析与应用中国新一代天气雷达系

3、统简介中国新一代天气雷达系统简介 1 1、雷达数据采集系统（、雷达数据采集系统（RDARDA） 2 2、雷达产品生成子系统（雷达产品生成子系统（RPGRPG） 3 3、主用户处理器子系统（主用户处理器子系统（PUPPUP）一、雷达的三部分多普勒天气雷达资料分析与应用天线与伺服发射机接收机信号处理器监控系统卫星通讯产品生成主用户工作站辅助用户工作站主控台存档局域网或广域网宽带传输基数据多普勒天气雷达资料分析与应用1 1、雷达数据采集系统（、雷达数据采集系统（RDARDA）采用脉冲多普勒体制的全相干系统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

4、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多普勒天气雷达资料分析与应用发发 射射 机机取得雷达数据的第一步是发射一个射频（取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf rf）信信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的号。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（峰值功磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率率750750kwkw）非常稳定的非常稳定的1010厘米的射频（厘米的射频（rf rf）脉冲。脉冲。在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必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

5、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。一旦能够被提取。一旦rf rf脉冲被产生，就被送到天线。脉冲被产生，就被送到天线。多普勒天气雷达资料分析与应用全相干发射机全相干发射机多普勒天气雷达资料分析与应用天线天线天线是天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的一个部件，它将发射机产生的的rf 信号以波束的形式发射到大气并接受返回的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）。能量（粒子的后向散射能量）。SA雷达的天线仰雷达的天线仰角变化范围是从角变化范围是从0.5度到度到19.5度。天线仰角的设置度。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（取决于天线的扫描方式（s

6、can strategy共有三共有三种）、体扫模式（种）、体扫模式（volume coverage pattern ：VCP）和和工作模式工作模式（operational mode 分为晴空分为晴空和降水两种模式）。和降水两种模式）。 雷达操作员不能手动调节天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。线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用天 线 天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐辐射总功率相同时，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射方向上的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度

7、之比，称为天线增益，以度之比，称为天线增益，以G表示。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： 分贝分贝(dB) = 10lgS 定向定向S 各向均匀各向均匀S 定向定向天线最大辐射方向上的能流密度；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；各向均匀天线的能流密度；指天线在水平方向的波束宽度； 指天线在垂直方向的波束宽度。2G多普勒天气雷达资料分析与应用天线扫描方式天线扫描方式（scan strategy）扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（volum

8、e scan）中使用多少仰角和时间。中使用多少仰角和时间。WSR-88D 和和 CINRAD WSR-98D 使用三种扫描方式：使用三种扫描方式： 扫描方式扫描方式#1：5分钟完成分钟完成14个不同仰角上的扫描个不同仰角上的扫描（14/5） 扫描方式扫描方式#2：6分钟完成分钟完成9个不同仰角上的扫描个不同仰角上的扫描（9/6） 扫描方式扫描方式#3：10分钟完成分钟完成5个不同仰角上的扫描个不同仰角上的扫描（5/10）多普勒天气雷达资料分析与应用体扫模式体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern）扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具扫描方式确定一次体积扫中使用多少个

9、仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D WSR-88D 可有可有2020个不个不同的同的VCPVCP，目前只定义了其中的目前只定义了其中的4 4个：个： VCP11VCP11 - VCP11 - VCP11（scan strategy #1scan strategy #1，version 1version 1）规定规定5 5分钟内对分钟内对1414个具体仰角的扫描方式。个具体仰角的扫描方式。 VCP21VCP21 - VCP21 - VCP21 （scan strategy #2scan strategy #2，version 1version

10、 1）规定规定6 6分钟内对分钟内对9 9个具体仰角的扫描方式。个具体仰角的扫描方式。 VCP31VCP31 - VCP31 - VCP31 （scan strategy #3scan strategy #3，version 1version 1）规定规定1010分钟内对分钟内对5 5个具体仰角的扫描方式。个具体仰角的扫描方式。 VCP32VCP32 - VCP32 - VCP32（scan strategy #3scan strategy #3，version 2version 2）确定的确定的1010分钟完成的分钟完成的5 5个具体仰角与个具体仰角与VCP31VCP31相同。不同之处相同。

11、不同之处在于在于VCP31VCP31使用长雷达脉冲而使用长雷达脉冲而VCP32VCP32使用短脉冲。使用短脉冲。 WSR-98DWSR-98D未定义未定义VCP32VCP32。多普勒天气雷达资料分析与应用 值得注意的是： 雷达在0.5度和1.45度仰角上分别作两次扫描，在其他仰角上只作一次扫描。在两次扫描中：第一次发射低脉冲重复频率，观测范围大（460km），为了避免速度模糊。第二次发射高脉冲重复频率，观测的范围小（230km），为了避免距离模糊。多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用工作模式工作模式（Operational Mode）WSR-88DWSR-88D使用两种工作

12、模式，即使用两种工作模式，即降水模式降水模式和和晴空模式晴空模式。雷达的工作模式决定了使用哪种。雷达的工作模式决定了使用哪种VCPVCP，而而VCPVCP又确定了具体的扫描方式。又确定了具体的扫描方式。工作模式工作模式A A：降水模式使用降水模式使用VCP11VCP11或或VCP21VCP21，相应的扫描方式分别为相应的扫描方式分别为14/5 14/5 和和9/69/6。工作模式工作模式B B：晴空模式使用晴空模式使用VCP31VCP31或或VCP32VCP32，两者都使用扫描方式两者都使用扫描方式5/105/10。多普勒天气雷达资料分析与应用窄波束低旁瓣的天线窄波束低旁瓣的天线多普勒天气雷达

13、资料分析与应用接收机接收机当天线接收返回（后向散射）能量时，它当天线接收返回（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理器之前必须由接收机进行放大。多普勒天气雷达资料分析与应用相干接收机相干接收机信号处理监控系统多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用2 2、雷达产品生成子系统（雷达产品生成子系统（RPGRPG）具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通信等多

14、种功能信等多种功能 气象应用产品：类似于美国气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品导出产品 运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等功能功能 数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能 通信管理：通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信间的窄带和宽带通信等等多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用3 3、主用户处理器子系统（主用户处理器子系统（PUPPUP） 多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能多屏、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

15、多种图像显示功能具有放大、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通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生成成多普勒天气雷达资料分析与应用 多屏、多画面显示多屏、多画面显示多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用二、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。多普勒天气雷达

16、资料分析与应用天气雷达的基本工作原理多普勒天气雷达资料分析与应用SINGLE RADARS多普勒天气雷达资料分析与应用天气雷达的基本框图及其工作原理多普勒天气雷达资料分析与应用二、多普勒天气雷达的工作原理 电磁波的传输、反射和散射1 、粒子的尺度和波长小于或接近时，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散射前后方向对称多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用描述单个粒子后向散射能力的大小多普勒天气雷达资料分析与应用雷达反射率

17、，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定义单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和称为截面之和称为雷达反射率雷达反射率，以，以 表示，即：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单位体积内所有质点直径的六次方之和之和。与波长无关的量。01)()(dDDDnNii06)(dDDDnZ多普勒天气雷达资料分析与应用小粒子散射 雷达反射率和反射率因子的关系：25264201( )(1.28)2mn D D dDm252421(1.30)2mZm多普勒天气雷达资料分析与应用大粒子散射对于不满足瑞利散射条件的降水粒子

18、，根据雷达气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象方程求得的 Z 值就不能代表降水的实际谱分布值就不能代表降水的实际谱分布情况，只能是等效的情况，只能是等效的 Z 值，记为值，记为 Ze ，称为等效雷，称为等效雷达反射率因子。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。ZemmNiMi22245121多普勒天气雷达资料分析与应用nZ 的意义的意义vZ 值的大小只取决于云、雨滴谱的情况；值的大小只取决于云、雨滴谱的情况；vZ 正比于正比于 D6，一方面表明粒子越大，一方面表明粒子越大，Z

19、 越大，回波功率也越大，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。大部分。v根据雷达方程：根据雷达方程： ， 可以方便的通过雷达回波功率可以方便的通过雷达回波功率了解云、雨情况。了解云、雨情况。v 的意义的意义v能够产生同样回波功率的、与小球形粒子的能够产生同样回波功率的、与小球形粒子的 相当的相当的 Z 的数值；的数值；v引入引入 后，即使是较为复杂的后，即使是较为复杂的Mie 散射，仍然可以使雷达散射，仍然可以使雷达气象方程保持气象方程保持Rayleigh 散射时较为简单的形式。散射时较为简单的形式。2rCPZRe

20、Z6iDeZ多普勒天气雷达资料分析与应用雷达反射率因子的分贝表示形式取 =1 为标准值，则： 0Z63/mmm6363/110 lg1/ZmmmdBZmmm6363/110 lg1/eeZ mmmdBZmmm63/mmmdBZ(dBZe)3540455055Z( )3.21031043.21041053.2105dBZ -Z (dBZe - Ze)的对应关系的对应关系 多普勒天气雷达资料分析与应用0220.211222311101024(ln 2)2RkdRtrPGhmPZRm 雷达气象方程常数常数项项雷达参雷达参数项数项距离因距离因子项子项充塞因充塞因子项子项气象因气象因子项子项衰减因衰减因

21、子项子项多普勒天气雷达资料分析与应用距离折叠与速度模糊距离折叠与速度模糊1 最大不模糊距离与距离折叠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最大不模糊速度与速度模糊3 多普勒两难多普勒两难多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用1 1 最大不模糊距离与距离折叠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距离PRFcR2max其中，其中，RmaxRmax为最大不模糊距离，为最大不模糊距离，c c为光速

22、，为光速，PRFPRF为脉冲重为脉冲重复频率复频率 距离折叠（模糊）：超过最大探测距离的探测回距离折叠（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。波在屏幕上就会产生距离模糊。多普勒天气雷达资料分析与应用2 最大径向速度与速度模糊最大径向速度与速度模糊 最大不模糊速度最大不模糊速度 VmaxVmax：最大不模糊速度是雷达能够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，其对应的相移是不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180180度。度。4maxPRFV 速度模糊：表现为从速度模糊：表现为从正正、负负速度的最大值速度的最大值 突变突变 为为负负、正正速度的最

23、大值。速度的最大值。多普勒天气雷达资料分析与应用 某一PRF最多只能测量 PRF的多普勒频率， 多普勒频率表达式为： 代入上式，可得 21PRFfD21maxrDVf2PRFVr*41max多普勒天气雷达资料分析与应用速度模糊示意图 maxmaxmaxmax22rrTrrrrTrrrTVVnVVVVnVVV多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用 多普勒天气雷达资料分析与应用三、雷达的 PPI 扫描方式多普勒天气雷达资料分析与应用PPI 显示结果的空间分布多普勒天气雷达资料分析与应用Locating a Target The first piece

24、of information is the angle of the radar beam with respect to north; called the azimuth angle.多普勒天气雷达资料分析与应用The second is the angle of the beam with respect to the ground; called the elevation angle. 多普勒天气雷达资料分析与应用The third piece of information needed is the distance (D) from radar to target. Distan

25、ce is determined by measuring 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 ba

26、ck, the total distance is 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. C 3108 m/st 以以“微秒微秒”为单位，为单位，1微秒微秒=10-6秒秒R = C t21ZNEOCC多普勒天气雷达资料分析与应用新一代天气雷达系统的产品应用可分为四类：新一代天气雷达系统的

27、产品应用可分为四类：1. 基本数据产品基本数据产品2. 物理量产品物理量产品3. 风场反演产品风场反演产品4. 强天气自动识别和跟踪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98D 主要产品多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用 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、基本数据产品多普勒天气雷达资料分析与应用这类产品

28、主要有：这类产品主要有：平面位置显示(PPI)垂直最大回波强度显示 (CR)等高平面位置显示(CAPPI)距离高度显示(RHI)、任意垂直剖面显示(VCS)1、基本数据产品、基本数据产品多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用相对于风暴的平均径向速度图相对于风暴的平均径向速度图( (SRM)SRM)与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴跟踪信息跟踪信息( (STI)STI)识别的所有风暴的平均运动速度，识别的所有风暴的平均运动速度，或减去由操作员选定的风暴运动速度或减去由操作员选定的风

29、暴运动速度。多普勒天气雷达资料分析与应用（a）3.4度仰角（b）14.9度仰角20042004年年4 4月月2323日日 长沙长沙12:3712:37时风暴相对径向速度图时风暴相对径向速度图( (基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的) ) 剖面产品剖面产品谱宽剖面(SCS) 速度剖面(VCS) 反射率剖面(RCS)多普勒天气雷达资料分析与应用长沙 2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用2、物理量产品、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

30、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。多普勒天气雷达资料分析与应用2、物理量产品、物理量产品这类产品主要有：1.回波顶高(ET)、2.垂直累积液态含水量(VIL)、3.风切系列产品(径向、方位、径向方位)、4.分层湍流组合(CAT)、5.雷达定量测量降水(1小时、3小时累积降水、风暴总降水)多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用3、风场反演产品、风场反演产品

31、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。多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用二维、三维风场反演方法二维、三维风场反演方法多普勒天气雷达资料分析与应用二维、三维风场反演方法二维、三维风场反演方法多普勒天气雷达资料分析与应用二维、三维风场反演方法二维、三维风场反演方法多普勒天气雷达资料分析与应用4、自动识别产品自动识别产品： 利用基本数据产品，应用各种算法生成自动报警的产品。如冰雹指数、中气旋、强天气概率等。多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用五、短时预报常用的雷达产品 反射率产品(R，CR，VCS) 基本速度产品(V，SRM) VIL ET VAD风廓线 累积降水量多普勒天气雷达资料分析与应用实际风与径向速度的关系 目标物的运动取