雷达气象学课件：第六章探测技术

1、第六章多普勒天气雷达探测技术,主要内容,一、单部多普勒天气雷达探测技术,目标物的运动取决于两个因素： 水平风 目标物的自然下沉与环境垂直气流之和 径向速度只是目标物实际运动速度在雷达探测波束方向的一个分量，因此，由径向速度反推实际运动速度一般不可能 单部多普勒雷达测风，必须作一定的假设！,两点假设： 1）同一高度层上的水平风场是均 匀的，可随高度变化 2）目标物铅直方向速度对径向速度的 贡献很小仰角很小,在 PPI 上分析径向速度时，首先要注意探测仰角,1） 平面位置扫描方式的探测技术,为探测雷达站四周空间的目标物，雷达天线以极缓慢速度（5分钟/转）作360旋转，从天线上发出一个个脉冲波束在空

2、间连续地搜索扫描，以极坐标的形式，把波束扫描到的目标物显示在荧光屏上，给出目标出现的方位与距离，荧光屏上以不同色彩和亮度等级给出回波的强度和平均径向速度的分布。,回波图中所显示的目标物是多次脉冲信号重复探测的平均结果。多普勒天气雷达不仅象常规天气雷达那样能够探测到目标物的回波强度、目标物位置外，还可以给出目标物中的平均径向速度和它的标准差，常称为速度谱宽的分布。虽然从单部天气多普勒雷达取得的平均径向速度和速度谱宽，并不能直接表示降水区的流场分布，但是从径向速度分布的图象可以提取出一些有益的天气信息，例如龙卷风、下击暴流、暴雨等一些具有强烈风切变、旋转、辐合辐散等流场的信息,返回,多普勒速度谱宽

3、表征着有效照射体内不同大小的多普勒速度偏离其平均值的程度。,2） 垂直指向探测,当天气多普勒雷达的天线垂直指向天顶探测时，可以得出测站上空降水云中的垂直运动和雨滴分布等参数。,垂直运动测量 天线垂直指向天顶时，可以测量降水粒子的平均多普勒径向速度(亦即平均多普勒垂直速度)，这时得到的平均多普勒径向速度是降水粒子降落的末速度和气流的垂直运动速度之和.,（8.53）式,大气垂直速度 m/s,平均多普勒速度 m/s,降水粒子在静止大气中的平均多普勒下落速度 m/s,W0-Z关系Rogers法（1964）,(8.61)式,Z：mm6/m3,W0-Z关系Sekhon-Srivastava法（1971）,

4、基本假设同Rogers法。对一次雷暴中的雨滴的实际计算推出以下关系 式：,（8.62）式,W0-Z关系Joss和 Waldvogel 法（1970）对流云,基本假设同Rogers法。根据四个国家共七次降雨（从大面积降雨到雷暴）中实测的雨滴谱资料分析得到下式：,（8.63）式,以上三种方法所得结果较一致,雨滴滴谱测量,(8.79)式,（8.80）式,C=C/R2,D：雨滴的直径,若雨滴满足瑞利条件，则由上式可得瑞利模式下的雨滴滴谱为：,用垂直指向法实测的多普勒雷达速度谱直接测得每一速度间隔中的滴数。,多普勒速度谱分布密度,VT为雨滴在静止大气中的下落末速度,3） VAD(Velocity-Azi

5、muth-Display)技术,VAD(Velocity-Azimuth-Display)技术：“速度-方位显示”方法。雷达天线以某固定仰角作全方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距离和方位上的径向速度 VR() 记录并显示出来的方法。,通常将流场分成均匀和非均匀两类，其探测原理和方法如下所示:,雷达扫描示意图,(8.81)式,P236,测量均匀流场的风向风速,若流场均匀，当仰角不变时，由上式可知雷达探测到某一个固定距离（也就是固定空间高度）的径向速度 ，将按余弦方式变化，而且叠加一个常数值,(8.81)式,(8.81)式,测量均匀流场的风向风速,P236,测量均匀流场的风向风速,粒子的平均下

6、落速度（亦即垂直方向的平均多普勒速度）也可由（8.82）式和（8.83）式解出，得：,（8.84）式,其中：V1径向速度极大值； V2径向速度极小值。,测量非均匀流场的风向、风速、散度和变形场系数,当实际风场量不均匀时，则雷达探测的VAD曲线将不是余弦曲线形式,采用谐波分析方法对非余弦曲线形式的VAD曲线进行分解，可以得到更多的风场信息,参见：教材P237,二、多部多普勒天气雷达探测技术,概述： 单部多普勒雷达只能探测大气目标物相对于雷达的径向运动速度，从径向速度分布特征再来推断大气流场的特点，因此，单部多普勒天气雷达探测能力是有限的，为了能直接探测空气运动的二维或三维的详细结构，研究出双雷达

7、探测、三部雷达探测等。,1） Lhernitte方法（1968）,Lhernitte提出了用三台多普勒天气雷达进行观测的方案，如图所示。,这种方法的原理比较清楚，但实际上很难做到同步同时对准空间某一点取样。切实可行的代替方案是三个波束独立地扫描，多距离同时取样、记录、然后用内插方法计算各时刻、各地点雷达的径向速度。这样做实际上隐含着整个测量过程中气流分布是定常的假设，而且，资料处理程序非常复杂，运用三部雷达进行探测的实例还很少。而在Lhernitte探测方案基础上发展的几种双部天气多普勒雷达探测的方法，已在一些探测试验中得到应用。,2） Browning方法（1968）,Browning等提出

8、，用一部雷达（如图）作垂直指向，测量雷达的上空的云粒子的垂直运动径向速度，另一部雷达设在距雷达一定距离，同时对垂直指向雷达的上空进行探测。,雷达的天线的方位角固定不变，改变仰角由1度到45度作多普勒径向速度测量，这样就可以得到点上空的垂直速度和水平风速。 这种方法仍然得不到对流云完整的三维结构。,3） 共面探测方法（ Miller等1974）,、两部雷达在同一个平面上扫描取样。该平面与地平面的交线为、两部雷达的基线。变化夹角对不同的平面共同取样就可以得到三维流场资料。,共面探测时两部雷达天线扫描需要很好配合，才能系在同一面上扫描，操作仍很困难。NSSL（国家强风暴实验室）采用两部雷达同时在、两地各自进