讲稿风廓线雷达简介研究

1、风廓线雷达介绍魏鸣-4-9讲稿风廓线雷达简介研究第1页主要内容1 风廓线雷达概述2 探测原理3 风速计算方法4 风廓线雷达应用目标掌握风廓线雷达探测原理了解风廓线雷达应用现实状况讲稿风廓线雷达简介研究第2页1 风廓线雷达概述讲稿风廓线雷达简介研究第3页风廓线雷达 (wind profiler radar，WPR) 是利用大气湍流对电磁波散射作用进行大气风场等物理量探测遥感设备。风廓线雷达常被称为风廓线仪，但从硬件系统技术体制上它应该属于当代雷达一个。风廓线雷达探测主要对象是晴空或多云大气，对降水天气也有一定探测能力1.1 风廓线雷达探测内容讲稿风廓线雷达简介研究第4页 风廓线雷达发射电磁波在大

2、气中传输过程中，因为大气折射率空间不均匀分布而产生散射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收，能实时提供大气三维风场信息。 增加无线电声学探测系统（RASS），与微波辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大气风、温、湿等要素连续遥感探测，是一个新高空大气探测系统。 讲稿风廓线雷达简介研究第5页多普勒天气雷达探测不足以降水粒子为示踪物对于无降水粒子大气，测不出大气流场 讲稿风廓线雷达简介研究第6页风廓线雷达探测优势以大气折射指数起伏（湍流块）为示踪物能够测量从边界层到中层大气流场对于较长波长雷达，在有云或小雨天气仍可观察讲稿风廓线雷达简介研究第7页填补常规高空探测网在时空密度上不足；天气系

3、统识别；中小尺度灾害性天气监测；降低数值预报模式中对短时风场预报误差。风廓线雷达监测网将有利于：讲稿风廓线雷达简介研究第8页1.2 国外风廓线雷达进展1950和1960 年代：位于地面雷达能够经过探测晴空湍流后向散射信号，测量包含风速在内一些大气参数。1974年，建立观察高层大气风风廓线雷达模型。1986年，美国海洋大气管理局（NOAA）率先在美国中部布设包含 31部风廓线雷达观察网，并在1992年最终完成了NPN（NOAA Profiler Network, NOAA风廓线网）。1987年，欧盟委员会 COST74 项目（ COST 表示由欧盟委员会支持欧洲国家间协调开展科学技术领域合作研究

4、项目）开始支持风廓线雷达开发和利用。1988年，日本气象厅（JMA）下属气象研究所建造了一台UHF风廓线雷达1994年，欧盟委员会 COST76 项目继续给予支持。，日本气象厅完成了25部风廓线雷达所组成业务网WINDAS。讲稿风廓线雷达简介研究第9页讲稿风廓线雷达简介研究第10页国外风廓线雷达探测网日本WINDAS探测网美国NPN探测网欧洲WINPROF计划讲稿风廓线雷达简介研究第11页美国NPN(35部对流层)，间隔200公里，每个站配有一套GPS水汽监测系统。CAP(60多部各种型号)，由35个部门建设风廓线雷达组成。探测数据和设备状态信息一起被发送到位于Bloulder风廓线雷达控制中

5、（PCC）。经过数据处理和质量控制，每小时平均风数据和温度数据经过计算后发送给NOAA风廓线雷达网（NPN）用户 讲稿风廓线雷达简介研究第12页理论研究和实际使用结果都表明NOAA风廓线雷达网对于天气预报含有很主要价值，尤其是监测墨西哥湾水汽输送过程中低空急流。NOAA风廓线雷达网数据对于预测这种低空急流引发夜间雷暴非常主要。讲稿风廓线雷达简介研究第13页日本WINDAS(31部1.3G风廓线雷达)，间隔130公里。经过台站级处理10分钟平均风数据传输到风廓线雷达控制中心，经过深入一致性检验后用于数值天气预报。WINDAS用于预报台风、梅雨和中纬度低压引发强降水。 讲稿风廓线雷达简介研究第14

6、页欧洲已经有约28部风廓线雷达投入运行，并将资料发送给英国气象局，并经过因特网实时显示取得探测数据。欧洲风廓线雷达网采取频段包含50MHz、400MHz及1000MHz。 讲稿风廓线雷达简介研究第15页 当前国内风廓线雷达技术已趋于成熟，有能力立足于国内技术组建适宜气象业务需求风廓线雷达网。 我国高空探测系统发展规划（1996-）提出“逐步发展风廓线雷达和GPS探测系统”，“在中尺度天气监测预报服务基地优先布设风廓线雷达，风廓线雷达宜安插在常规探空测站之间或天气改变敏感区；风廓线雷达站间距以200-250公里为宜，建立风廓线雷达探测网” 。1.3 国内风廓线雷达发展现实状况讲稿风廓线雷达简介研

7、究第16页张北唐山南郊延庆密云海淀我国从开始建设风廓线雷达网。 当前国内约布设了十四部。北京及其周围地域风廓线雷达示范网已初具规模。计划在年前再完成30部风廓线雷达建设。讲稿风廓线雷达简介研究第17页高对流层风廓线雷达低对流层风廓线雷达边界层风廓线雷达中电集团14所OGLC-24CLC-8航天科工集团二院23所CFL-16CFL-08CFL-03B安徽四创电子股份有限企业OSCRTWP-01K/LLX802 爱尔达企业Airda16000Airda8000Airda3000敏视达雷达有限企业OTWP8O讲稿风廓线雷达简介研究第18页GLC-24 （14所）Troposphere Wind Pr

8、ofiler II讲稿风廓线雷达简介研究第19页CFL-16 （23所）Troposphere Wind Profiler I讲稿风廓线雷达简介研究第20页Virtual TemperatureCFL-08 （23所）Troposphere Wind Profiler II讲稿风廓线雷达简介研究第21页CFL-03B （23所）Boundary Layer Wind Profiler 讲稿风廓线雷达简介研究第22页SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler讲稿风廓线雷达简介研究第23页K/LLX802 （四创）Boundary Layer Wind pro

9、filer讲稿风廓线雷达简介研究第24页Airda 3000 （爱尔达）Boundary Layer Windprofiler讲稿风廓线雷达简介研究第25页TWP8 （敏视达）Troposphere Windprofiler讲稿风廓线雷达简介研究第26页自动化程度较高；全天候无人值守地长久连续运行；较高可靠性和稳定性；探测资料种类多，分辨率高，精度高； 1.4 风廓线雷达探测优势讲稿风廓线雷达简介研究第27页2 风廓线雷达探测原理讲稿风廓线雷达简介研究第28页Bragg散射折射率空间分布周期性改变引发对相同波长电磁波造成散射。大气中湍流活动造成折射率空间涨落，也称作湍流散射；Fresnal散射

10、折射率梯度很大水平层状结构上对电磁波反射;Thomson散射电离层中大量自由电子对入射电磁波散射。 2.1 晴空电磁波散射讲稿风廓线雷达简介研究第29页湍流散射（Bragg散射）探测原理Cn为大气折射率结构常数，M是水平折射率垂直梯度，L0是湍流外尺度Bragg散射-在弹性散射(elastic scattering)中， 入射光能量没有损耗,但入射光传输方向发生改变。 当入射光波长与散射目标直径靠近时,为布拉格散射 (Bragg scattering);布拉格父子19共同获诺贝尔物理学奖：William Henry Bragg & William Lawrence Bragg； 当入射光波久远

11、大于散射目标直径时,为雷利散射 (Rayleigh scattering). 讲稿风廓线雷达简介研究第30页RASS（无线电声探测）系统发射频率：404、449MHz,波长：74cm发射脉宽：3.3(低),20(高)s数据处理：128点FFT天线面积：144m2声波频率：850900Hz(37cm)测温原理：静止大气，声波径向速度Vs:A仅依赖于相对湿度，其对径向速度贡献小于1m/s讲稿风廓线雷达简介研究第31页2.2 风廓线雷达分类 依据大气湍流散射理论，对雷达发射电磁波能够产生有效后向散射湍流涡旋尺度等于雷达波长二分之一。在风廓线雷达探测高度确定之后，风廓线雷达可使用工作频段也就随之确定。

12、即探测高度到达对流层以上风廓线雷达选择VHF频段，经典工作频率约为45MHz。对流层和低对流层风廓线雷达选择UHF(P 波段)频段，经典工作频率约在 450-900 MHz。边界层风廓线雷达选择L波段，经典工作频率在1200 MHz 左右。讲稿风廓线雷达简介研究第32页讲稿风廓线雷达简介研究第33页风廓线雷达分类6 000 m300 m50 m8 000 m3 000 m60 000 m12 000 m100 000 m46-68MHz中层风廓线雷达5 000 m1270-1375MHz440-450MHz440-450MHz对流层风廓线雷达低对流层风廓线雷达边界层风廓线雷达16 000 m讲

13、稿风廓线雷达简介研究第34页最大探测高度:1216km起始高度:150m高度分辨率:120m高对流层风廓线雷达低对流层风廓线雷达边界层风廓线雷达最大探测高度:68km起始高度:300m高度分辨率:240m最大探测高度:35km起始高度:60m高度分辨率:60m边界层大气风场观察晴空局地空域气流监测中尺度灾害性天气监测边界层数值预报重点区域气体消散过程监测讲稿风廓线雷达简介研究第35页2.3 风廓线雷达测风原理 散射层和湍流随环境平均气流运动都可造成返回电磁波信号多普勒频移。 经过进行多射向速度测量，在一定假定条件下可估测出回波信号所在高度上风向、风速和垂直运动。讲稿风廓线雷达简介研究第36页

14、回波信号经过相干积分、谱变换、谱平均处理之后，得到相对平稳功率谱密度函数。计算各谱矩参数，其中一阶矩代表了目标运动引发多普勒频移。经过多普勒频移和多普勒速度之间关系得到多普勒速度。讲稿风廓线雷达简介研究第37页 经过计算，即可取得个高度层上水平风向风速、垂直气流速度、功率谱密度、大气折射率结构常数Cn2等各种数据产品和图像产品风廓线雷达回波信号特点：微弱；涨落现象十分显著；伴随各种杂波讲稿风廓线雷达简介研究第38页 2.4 风廓线雷达数据一致性风大尺度气象特征（几小时-数天）估算合成风各库上谱参数谱变换后功率谱 微/小尺度气象特征（几分钟-1小时）中尺度气象特征（一小时-数小时）间歇性噪声源谱

15、平均后功率谱连续性噪声源飞机鸟类、昆虫等点状目标物地物杂波 背景噪声 降水 （或有速度折叠） 非稳定风场（大尺度湍流）讲稿风廓线雷达简介研究第39页3 风速计算方法讲稿风廓线雷达简介研究第40页3.1 水平风场均匀假设下风计算 在观察周期内，假如水平风场保持均匀，那么能够经过简单几何关系，由径向速度导出水平风。 由径向速度求解水平风，需要对水平风场分布做一定假设，1）水平风均匀假设，2）线性风场假设在直角坐标系中，将风速分解为u，v，w三个分量，要求垂直风向上为正。分廓线雷达测得径向速度用Vr表示，要求径向速度远离雷达方向为正，朝向雷达为负。为方便讨论，以指向东波束方向为x轴正方向，指向北波束

16、方向为y轴正方向，建立直角坐标系；在球坐标系下，雷达为坐标原点，r为空间点到原点距离，表示天顶角，表方位角，由x轴正方向逆时针旋转。讲稿风廓线雷达简介研究第41页3.1.1 三波束 一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；两个在方位上间隔90倾斜波束，分别指向正北和正东，倾斜波束天顶角是状态量，以表示。假定Vrz，Vrx，Vry分别表示天顶、正东和正北三个波束方向径向速度测量值。那么经过简单几何投影，能够依据以下方程计算出该高度上风矢量三个分量。垂直风由垂直波束直接测量得到。eE, eN分别表示沿正东和东北波束单位向量。假设均匀风场风矢量为讲稿风廓线雷达简介研究第42页 所以，可由以下方程组计算该

17、高度风矢量，。 由向量内积物理意义，有即讲稿风廓线雷达简介研究第43页 采取五波束时，一样一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；四个倾斜波束在方位上均匀分布，天顶角是状态量，均为 ，先将两个相对方向倾斜波束径向速度进行平均，如西波束VrW和东波束VrE，北波束VrN和南波束VrS，方程以下所表示3.1.2 五波束讲稿风廓线雷达简介研究第44页 对于五波束风廓线雷达，当个别波束测量数据误差很大或缺测时，假如能满足三波束计算要求，能够舍弃个别波束测量数据，按三波束进行计算。 再按三波束风廓线雷达水平风合成方法计算方法计算。垂直速度能够由垂直波束直接测量，也能够由倾斜波束测量得径向速度计算。讲稿风廓线

18、雷达简介研究第45页 均匀风场假定限制较强，在中高层大气中是适当，不过在边界层下部尤其是湍流较强时，存在一定差异；相比之下，线性风场假设更靠近大气风场真实情况。 在经过信号处理单元质量控制之后，依然会有一些误差被遗漏或不能完全消除，尤其是一些外部或内部随机误差，以及因为气象原因造成较大偏差数据，所以在计算合成风时需要深入质量控制。假设合理性合成风计算过程中存在问题2. 数据质量控制讲稿风廓线雷达简介研究第46页3.2 线性风场假设下风场模型在原点做线性风场展开，风场能够表示为，那么，矩阵A在该局地线性模型中是常量。令讲稿风廓线雷达简介研究第47页3.2.1 VAD技术 线性风场假设下VAD技术

19、是多普勒天气雷达反演风场一项较成熟技术。假如假定在分析薄气层内，风速不随高度改变，垂直风速水平均匀。那么，能够经过直角坐标和极坐标转换，能够得到极坐标径向速度表示式：讲稿风廓线雷达简介研究第48页能够看出某一径向距离r径向速度仅是方位函数，假如将探测到径向速度按方位作傅立叶级数展开，经过比较前几项系数，能够确定水平风、垂直风、水平散度和变形量。水平散度：变形量： 多波束风廓线雷达系统能够借鉴天气雷达中VAD技术，以获取除风场以外水平散度、变形量等信息。讲稿风廓线雷达简介研究第49页沿每个波束方向，高度h范围内Vr也能够看作是局地线性改变，普通取5个左右数据点，约300m。对某一波束径向速度数据

20、Vr用奇异值分解法进行最优化拟合，得到线性系数a，b。3.2.2 NCAR风预计算法讲稿风廓线雷达简介研究第50页以东波束为例，由下标E标识，其它方向波束同理。得到东波束上径向速度线性模型，以下式，以待计算高度为x0点，应用讲稿风廓线雷达简介研究第51页步骤一：经过径向速度拟合线性模型，得到关于倾斜波束上点矢量风分量方程组：其中a， b为线性模型系数。类似地，能够对其它三个倾斜波束做一样处理。讲稿风廓线雷达简介研究第52页步骤二： 由四个倾斜波束上点矢量风估算该高度上垂直波束上点矢量风。 水平面上五个点也满足线性风场模型，可由四个倾斜波束上矢量风计算垂直波束上矢量风。假如只附加垂直速度水平均匀

21、假定，就能够得到垂直波束该点矢量风各分量与倾斜波束上线性模型系数关系以下讲稿风廓线雷达简介研究第53页4 风廓线雷达应用讲稿风廓线雷达简介研究第54页探测个例：切变线锋区雷暴飑线大气边界层 风廓线雷达以其高时空分辨率，能及时准确地提供大气流场和大气湍流场信息，识别易引发灾害性天气中小尺度系统。 讲稿风廓线雷达简介研究第55页探测风切变风切变线：风向、风速不连续线。讲稿风廓线雷达简介研究第56页2.探测冷锋冷锋：在锋面移动过程中，冷气团起主导作用，冷气团推进锋面向暖气团一侧移动。冷锋天气：分第一型冷锋天气和第二型冷锋天气讲稿风廓线雷达简介研究第57页第一型冷锋天气：坡度小，在高空槽线前部并靠近地

22、面低压中心附近冷锋段天气多为稳定性。降水区出现在锋后，多为稳定性降水，当锋前暖空气不稳定时，地面锋线附近常出现雷阵雨。讲稿风廓线雷达简介研究第58页第二型冷锋天气：坡度大，高空锋区多为下沉运动，该冷锋段上天气多为不稳定天气。狂风暴雨，雷电交加，风速快速增大，常出现大风天气。讲稿风廓线雷达简介研究第59页探测暖锋暖锋：由暖气团向冷气团运动形成。在我国出现机率比较小，秋季普通只在东北地域、江淮地域、江淮流域出现，夏季多出现在黄河流域、渤海地域气旋中。暖锋天气：在夏季，如暖空气不稳定，暖锋上也可能出现积雨云、雷雨以及阵性降水等对流天气。讲稿风廓线雷达简介研究第60页探测雷暴雷暴：在雷暴云中放电、雷鸣

23、、狂风暴雨一个强对流天气，多发生在夏季。云中盛行上升气流，湿度高于周围。雷暴天气：雷电、狂风、暴雨。讲稿风廓线雷达简介研究第61页探测飑线飑线：由排列成带状雷暴群十分狭窄对流性天气带。飑线天气：风向突变、风速急增、气压骤降，并伴有雷暴、暴雨、冰雹等。.4.25.8.17讲稿风廓线雷达简介研究第62页大气边界层研究 V24m/s16m/s主要降雨出现在23:00以后，最大降雨出现在00:00以后。V20m/s讲稿风廓线雷达简介研究第63页分析强风暴风场结构 东北风偏东风东南风东南风增大东南风减小南风讲稿风廓线雷达简介研究第64页 风廓线雷达与无线电探空仪两种测风方法比较风廓线雷达无线电探空仪探测

24、原理经过大气湍流对电磁波散射作用，依据多普勒效应获取不一样波束方向径向速度。在一定风场假设条件下，利用处于同一高度面上几个点径向速度计算水平风，垂直风可由垂直波束直接探测采取气球作为示踪物，依据一段时间内气球飘移距离计算水平风探测方法在确定空间探测大气流动情况，属定点观察探测是个别流点在不一样时刻位置改变，属流点观察探测资料可提供水平风廓线、垂直风廓线（垂直风廓线能够直接测量，也可计算取得）仅提供水平风廓线，无法获取垂直风廓线数据分辨率测风时间分辨率取决于波束数、脉冲重复周期、脉冲积累次数以及算法，普通在几分钟左右业务应用天天两次定时观察。每次观察约需30min。每组数据是取样时间点前后几分钟

25、平均值技术问题数据代表性随高度不一样因为气球平飘，获取风廓线不是严格局地垂直廓线讲稿风廓线雷达简介研究第65页讲稿风廓线雷达简介研究第66页讲稿风廓线雷达简介研究第67页香河VHFST雷达 工作频率：78MHz天线面积：10000m2波束宽度：1.988.7，1.984.1，1.981.98 扫描角度：020(正交) 峰值功率：225kW，450kW，900kW可选 FFT点数：可控2N，N=110 最低测风高度：1.5km 讲稿风廓线雷达简介研究第68页讲稿风廓线雷达简介研究第69页讲稿风廓线雷达简介研究第70页讲稿风廓线雷达简介研究第71页讲稿风廓线雷达简介研究第72页讲稿风廓线雷达简介研

26、究第73页VHF雷达、北京探空、香河探空风速对比（4月16日）讲稿风廓线雷达简介研究第74页风廓线探测精度分析 数据使用北京延庆（115.96E，40.45N）CFL-08对流层风廓线雷达，海拔高度为487.90m，探测波长为674mm，发射频率445MHz，倾斜波束天顶角为14 。高模式距离库长240m，43个距离库，FFT点数为512，采样起始高度为1950m，终止高度为12030m；低模式距离库长120m，27个距离库，FFT点数为256，采样起始高度为150m，终止高度为3270m。 选择3、6、9、12四个经典代表月连续观察资料进行分析，风廓线雷达每小时大约观察1214个时次，除去3月份6天数据缺测和其它月份个别时次缺测，共有115天约36960个时次观察数据。依据地面逐小时降水资料将数据分为两大类：晴空和降水，降水数据样本延伸至降水前后5小时，延庆位于北京北部山区，在风廓线雷达站点出现降水日数相对较少，共观察到15次降水过程，文中对共计34380个时次晴空、2580个时次降水资料分别进行了统计分析。讲稿风廓线雷达简介研究第75页结果分析测风可信度数据可信度区域最大高度6月最高为8km， 9月为7km，3月