第四章 多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达

1、第四章多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达，摘要，4.1多普勒天气雷达4 . 1 . 1 . 1多普勒频移4.1.2多普勒频移4.1.3多普勒频移4 . 1 . 3多普勒速度和多普勒速度谱4.1.4距离折叠和速度折叠4.1.5多普勒天气雷达4.2.1偏振多普勒天气雷达4 . 2 . 1偏振雷达4多普勒天气雷达是在物理学中的多普勒效应基础上开发的，除了现有的天气雷达功能外，还可以利用降水回波频率和发射频率之间变化的相关信息测量降水粒子的径向速度，从而推断出风速分布、垂直气流速度、大气湍流、降水粒子谱分布、降水中特别强对流降水中风场的结构特征。普通天气雷达只能提供反射率系数数据。多普勒天气雷达提供了

2、探测强风暴的两个基本信息径向速度和速度谱宽度，还能改善中央尺度和气象尺度系统的预测。1.多普勒效应、多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler1842年首次发现的运动声源的现象，定义为“接收者或接收器处于能量源和相对运动状态时能量到达接收者(装置)时的频率变化”。例如，当急疹(汽车)鸣笛以相当快的速度向你驶来时，声音的音调(频率)因波的压缩(短波长)而增加。火车(汽车)离你远的时候，这种声音的音调(频率)会因海浪的膨胀(长波长)而降低。发射频率、多普勒频移、发射频率对多普勒频移、对一个移动目标向雷达方向移动或远离雷达运动而产生的频率移动量相同，但符号不同：目标向雷达方向时为正；目标离雷达越远

3、，则为负值。假设多普勒雷达发送脉冲的工作频率为F0，目标与雷达的距离为r，则雷达波发送到目标后返回天线的距离为2r。此距离以波长测量。相当长的波长。使用弧度等于弧度。在天线发射的电磁波具有相位的情况下，电磁波再次散射到天线时的相位为：比特上的时间变化率，目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，多普勒频率或多普勒频率，2。多普勒频率/频率移动，1 .从目标向雷达移动是正数，远离雷达是负数，2。远离目标是正值，径向速度简单地定义为目标运动与雷达半径平行的组件。向雷达方向或脱离雷达移动的目标运动的径向分量。请记住，半径速度始终小于或等于实际目标速度。WSR-88D测量的速度只是目标对着雷达或离开

4、的运动。如果目标动作垂直于或停止于雷达，则半径速度为零。3 .径向速度，方向定义有两种方案。目标的实际速度与WSR-88D描述的径向速度之间的关系在数学上是径向速度方程Vr=Vcos中，Vr是径向速度，v是实际速度，实际速度v和雷达半径之间的最小角度，cos是馀弦函数。4 .脉冲-脉冲对方法，取两个连续脉冲，测量接收脉冲的相位。d/dt实际上是角速度=w=2fd，5。关于一致性的一些概念，6。最大模糊距离和距离缩小，最大模糊距离：最大模糊距离是指一个发射脉冲在发出下一个发射脉冲之前向前移动，返回雷达的最大距离。其中Rmax是最大不透明距离，c是光通量，PRF是脉冲重复频率，距离折叠(模糊)，雷

5、达距离测量公式R=0.5ct，t是脉冲在返回时间之前发出的。雷达距离测量是根据最近发出的脉冲从发射到返回的时间计算的。距离折叠由雷达确定的目标物体的方位是正确的，但距离是错误的。当目标位于雷达最大模糊距离之外时，会发生这种情况。也就是说，目标的位置模糊。也就是说，当目标位于雷达最大不连续距离(Rmax)之外时，雷达将目标标记在Rmax内的特定位置，这称为距离折叠。目标在最大模糊距离内，并且不发生距离缩小(模糊)。距离折叠如何发生？雷达最大检测距离为250 nm，nm=1.852km nautilical mile，目标位于最大非模糊距离之外，发生距离折叠(模糊)。如果NRmax后面的多个大海都

6、有目标(其中n是任意正整数)，则它们会错误地出现在远离大海(例如雷达)的位置。如果雷达的Rmax=250nm，则0-250nm的目标位于第一条路径上。251-500nm的目标是辅助等。实际位于550nm (2Rmax以上)的物体，如果被Rmax=250nm雷达检测到，则雷达显示50nm。位于实际300nm(超过1Rmax)的目标在被Rmax=250nm雷达检测到时在雷达上显示为50nm。距离折叠回波的特征：方位角准确强度弱。有时奇怪的多普勒速度如何排除街道折叠回声？雷达机器的脉冲重复频率变更(PRF)use a different PRF every 2-3 pulls，if the echo

7、 moves，it is bogus！7 .最大径向速度和速度模糊，最大无模糊速度Vmax:最大无模糊速度是在不模糊雷达的情况下可以测量的最大平均径向速度，其相位移动为180度。速度模糊速度的可能值v-2nVmax或v 2nVmax，速度折叠，Nyquist间隔分隔速度范围最大速度如果Vmax之间粒子的径向速度超过Nyquist间隔，则速度值为aliased，Or folded。这称为速度收缩/混淆(velocity folding/aliasing)。例如，如果： Nyquist的速度为25 m/s，粒子的radial velocity为-30 m/s，则会发生折叠，其值为20 m/s，导致

8、速度模糊，并且可以解决速度模糊这两种方法。第一，双脉冲重复频率多普勒雷达速度可测量间隔扩展，标准化多普勒速度，雷达交替发射两个脉冲重复频率F1和F2:最大模糊速度，多普勒速度：扩展？第二，使用折叠技术消除多普勒速度的折叠，(a)当目标的多普勒频移FD大于脉冲重复频率f的一半(相位大于1800)时，可能会混淆FD的识别。那么，(b)撤退折叠的根据主要是基于大气中风场的分布总是连续的连续性原则，因此，如果雷达以足够高的分辨率确保风场的连续变化特性不模糊，理论上，在回声所在的地方使用连续性原理，总是可以在分支处推动整个回波区域的速度值。速度的折叠总是增加相邻库询问的速度，显示出明显的突变，选择合适的

9、n，当相应的速度梯度显着减小时，可以认为此时的速度值是实际速度。(c)通过后退折叠方法，反射率系数、速度和频谱宽度基础数据从RDA发送到RPG后，开始运行速度反转算法。此算法的“可调整参数设置”(adaptable parameter settings)随所用脉冲的长度而变化。其他设置旨在降低VCP31中速度后退模糊的失败率。由于RDA使用了“塌陷”，因此现在您希望速度数据的距离(位置)正确，速度模糊算法识别和修正模糊速度。速度回退模糊算法本质上基于连续性原则将角速度初始推测值与它周围的相对速度值进行比较。如果初始速度值与环境光值相差很大，则算法会尝试将初始速度值替换为其他可能的值。PRF和V

10、max已知，因此可用于计算初始速度估计值的替代值很紧。算法依赖于周围的数据，因此主要基于连续性。，8 .多普勒进退两难，最大模糊速度Vmax:最大模糊速度是在雷达不混乱的情况下可以测量的最大平均径向速度，相应的相移为180度。最大模糊距离Rmax:最大模糊距离表示在发出下一发射脉冲之前，可以向前移动并返回雷达的最大距离。Vmax和Rmax都与PRF相关。使用更改后的PRF，因为没有唯一能够最大限度地保留Vmax和Rmax的PRF。每个WSR-88D使用不同的PRF从8组PRF中选择。typical example，1，eco功率谱，2，平均多普勒速度和速度频谱宽度，9。降水回波信号的一些统计特

11、性，多普勒速度和速度谱宽度，10。影响速度谱宽度的气象因素，(1)垂直方向的风切变；(2)梁宽度引起的横风效应；(3)大气湍流运动；(4)直径不同的降水粒子产生的下落端速度的不均匀分布，光谱宽度数据表示在一个距离库中测量速度分离度的速度光谱宽度数据。光谱宽度在数学上与单个距离库中单个散射体的速度和速度方向的分布成正比。频谱宽度可用作速度估计质量控制工具。频谱宽度的增加降低了速度估计的可靠性。如果影响速度谱宽度的气象因素，每个因素对速度谱宽度的贡献是相互独立的，那么速度谱方差就是每个因素的方差之和，即。在四个因素中，不同降水粒子产生的下落端速度(4)对光谱宽度的影响一般很大(水平时检测不影响，垂

12、直影响最大)，而湍流效果(3)产生的多普勒频谱宽度取决于湍流强度本身和粒子对大气湍流运动的反应程度，前两个因素(1)(2)对光谱宽度的影响一般，各因素对速度谱宽度的贡献，一些典型的天气特征和条件可能导致较高的光谱宽度，包括空气质量的界面附近，例如锋边界和雷暴的径流边界；雷暴剪切面积；湍流风切变；不同规模的雨、雪、不同的着陆速度。某些天气条件(包括天线移动)可能会增加频谱宽度。WSR-88D的内部噪音。11.天气多普勒雷达的应用，1，大气垂直速度的测量，多普勒雷达垂直指向天顶时测量的平均多普勒速度实际上是有效照射体内粒子的平均下落树速度和大气垂直速度的总和。如果可以粗略估计具有直径的粒子的下落端

13、速度或所有粒子的平均下落端速度，则可以根据测量的平均多普勒速度计算大气的垂直速度。目前主要有三种测量方法：速度谱低变法w0-z关系法综合测定法，第二，测定液滴的光谱分布。在降水量中，气流的垂直运动速度w已知时，从5.1式雷达可测量的多普勒平均半径速度计算出粒子下降的最终速度。雨滴谱分布N(D)是由于粒子的重力下降端速度和粒子直径之间存在关系而导出的。这种方法对稳定性降水有好处，但对对流云降水没有好处。如果粒子大小不相同，下降速度不相同，气流的垂直运动已知，则首先查找粒子的下降端速度，然后查找粒子大小。第三，VAD技术测量水平流场和降水。什么是VAD技术？VAD技术是速度位置的显示方法。也就是说

14、，允许雷达天线在一定高度扫描位置，记录并显示在特定距离和位置检测到的降水粒子的半径速度vR()。(a)测量径向速度最高时天线指示的方向均匀流场的风向风速。速度位置指示产品，算法假定在特定高度优势场均匀。对于给定的高度，算法根据您设置的标准径向距离(默认值为16.2海里)选择距离给定高度最近的仰角数据。然后，在径向速度侧的位图上绘制在该高程处指定的每个距离库中的平均径向速度点。横坐标表示径向速度，方位0或360为正北，180为正南，纵坐标表示径向速度。如果有超过25个非零据点(用户设置)，则算法使用最小二乘法方法拟合点将生成具有正弦曲线的振幅(表示水平风速)和正弦曲线的波谷(负最大点)的方位角(

15、表示水平风向)。(2)测量非均匀流场的风向、风速、散度和变化情况，(3)估计区域降水量，(4)在VAD以非均匀间隔采样时确定风场的方法，(自学)，4个以上多普勒雷达组合检测风场，1个3个雷达方法为风场2 不能直接检测空气运动的二维或三维详细结构，必须做出一些假设，通过从单多普勒天气雷达测量的径向速度分布推断气流的空间情况。 Lhernitte方法：Lhernitte(1968年)提出了用三个多普勒天气雷达观测的方案。这种方法的原理比较明确，但同时拟合空间的特定点实际上很困难。实用的替代方法是，3个光束独立扫描，多个距离同时采样，记录，并用插值方法计算每个瞬间、每个区域点雷达的径向速度。这实际上

16、暗示了在整个测量过程中气流分布恒定的假设，数据处理过程非常复杂，利用三个雷达进行检测的例子还很少。基于Lhernitte探测程序开发的几种两阶段天气多普勒雷达探测方法已应用于一些探测实验。提出用1、3种雷达方法探测风场，2种多普勒雷达探测，Browning等(1968年)用一种雷达(图)指向垂直方向，测量雷达上空云粒子的垂直移动径向速度，另一种雷达位于与雷达一定距离的同时，检测垂直方向雷达的上空。雷达天线的方位角固定不变，高度从1度到45度以多普勒径向速度测量，从而得到点上的垂直速度和水平风速。该方法仍然无法得到流动云的完整三维结构。米勒等提出了几年来两个多普勒天气雷达共面探测方案。这种情况下

17、，两个雷达在同一平面上扫描的样本。平面与地面的相交线是两个雷达的基线。通过对不同平面一起取样，可以获得三维流场数据。共面检测方法，在共面检测时，两个雷达天线扫描必须互相配合才能进行共面扫描，因此工作仍然很困难。国家电网实验室(NSSL)使用两个雷达同时，在两个地方分别进行一定的高程位置扫描，从0度高空开始，以高海拔角度对降水量云层顶部进行位置扫描，两个雷达站获取整个降水云的多普勒速度数据。数据处理步骤：使用插值方法查找两个雷达共面时的数据，并使用上述数据处理方法处理结果数据。在雷达硬件操作模式方面，采用了连续监测模式CS、连续双倍模式CD和批处理模式b，将雷达脉冲代数、脉宽、脉冲重复频率等雷达参数结合起来，以获得最