风廓线雷达原理【内容浅析】

1、,LOGO,风廓线雷达原理,中国气象局气象探测中心 2011年11月5日,1,业界荟萃,NO.1,风廓线基本概念,风廓线雷达(wind profiler radar,WPR)主要是利用 大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的一种主动式地基遥感设备。,因为风廓线雷达同时要完成测速与定位功能，所以风廓线雷达是是无线电测距与多普勒测速的结合。,风廓线雷达以晴空大气作为探测对象，利用大气对电磁波的散射进行风场的测量，能够实时提供大气的三维风场信息，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、湿等要素的连续遥感探测，是一种新的高空

2、大气探测系统。,2,业界荟萃,NO.2,国内外发展及应用,风廓线雷达诞生于20世纪80年代，近三十年已经在国际气象组织得到认可和广泛使用。美国于1992年开始在美国建成包括35部风廓线雷达的观测网，并进入业务运行，多年来的运行结果表明，风廓线雷达网资料能满足观测精度的要求，他的时空分辨率超过任何高空风测量系统。NOAA（美国国家海洋和大气管理组织）在对风廓线雷达网进行评估时指出: 6分钟的风廓线资料能显示出锋面，短波波动，气旋和重力波等系统连续详实的演变过程，资料通话后，明显地改善了3-6h临近数值预报结果，美国还计划研制是用于热带海洋地区的太阳能自动风廓线系统。日本与2003年6月建成包含3

3、1部风廓线来打的气象业务观测网，观测资料在多个领域地得到广泛应用，芬兰，德国，瑞士，英国，法国都建早有自主的风廓线雷达网,3,业界荟萃,LOGO,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个部门建设的风廓线雷达组成。 探测数据和设备的状态信息一起被发送到位于Bloulder的风廓线雷达控制中（PCC）。经过数据处理和质量控制，每小时平均的风数据和温度数据经过计算后发送给NOAA风廓线雷达网（NPN）的用户。 理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风廓线雷达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监测墨西哥湾水汽输送过程中的低

4、空急流。NOAA风廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的夜间雷暴非常重要。,4,业界荟萃,国内外发展及应用,日本 WINDAS(31部1.3G风廓线雷达)，间隔130公里。 经过站台处理的10分钟的平均风数据传输到风廓线雷达控制中心，通过进一步的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 起的强降水。,5,业界荟萃,中国气象局所属部门陆续在北京、上海、唐山、张北、青岛、深圳、大理、电白等地布设了数十部风廓线雷达。,国内情形,6,业界荟萃,随着我国国民经济的发展。当前对气象保障工作的要求越来越高，各级气象部门对风廓线雷达愈来愈迫切。在中国气象局完成多普勒天

5、气雷达网的建设后，预计风廓线雷达将是下一个重要的布网装备。,2010年3月浙江首个风廓线雷达在甬安装完成试运营,2010年8月湖北省气象局安装的移动方舱边界层 风廓线雷达,7,业界荟萃,风廓线雷达网布局,风廓线雷达和探空站网布局,8,业界荟萃,NO.3,风廓线雷达的探测原理,风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的 散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达的电磁波在大气传播工 程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均而产生散射，其中后散射能 量被风廓线雷达所接受。一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方 向的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确定回拨位置。,由于大

6、气湍流折射率的不均匀性，会引起电磁波的散射。向空中发射电磁 波，即使在晴空大气中也会接受到大气的回波。大气湍流散射的雷达方程为:,其中Pr为雷达接收到的回拨功率，Pt为雷达发射的脉冲功率。 h为雷达的 取样长度，为雷达发射脉冲宽度，L是雷达天馈雄的损耗，R是回波所在距离。,9,业界荟萃,为了获取风廓线雷达上空的三维风速信息，至少需要三个不共面的波束为此，一些风廓线雷达，特别是抛物面天线风廓线雷达 一般采用三个固定指向波束。三个波束一般是：一个垂直波束，两个倾斜束。倾斜波束的天顶角一般在十五度左右。但是为了提高高空探测精度相控阵风廓线雷达一般会采用5个固定指向波束。,单波束工作方式：风廓线雷达在

7、探测时，在某一时刻只有一个波束，雷达仅沿这一个波束方向发射脉冲进行探测。完成一个波束方向的探测之后，将波束切换到下一个方向，进行下一个波束方向的探测，直到完成所有波束方向的探测，便完成一个探测周期，再接着进行下一个周期的探测。因为技术条件的限制，抛物面天线雷达只能采用单波束的工作方式。,多波束工作方式：在多波束工作方式下，相控阵风廓线雷达可以近乎同时完成多个波束方向的发射或接受任务。多波束是相控阵了雷达相对于机械扫描雷达所特有的技术。,基本工作原理,10,业界荟萃,NO.3,风廓线基本原理,五波束风廓线雷达指向示意图,同轴共线线极化天线阵,11,业界荟萃,NO.3,有三个波束即可计算出风向风速

8、。设风矢量沿正东正北和垂直的分量为 UE,UN和Ud，矢量沿偏东和偏北，垂直三波束上的投影，各向速度分量计算公式为：,径向速度以朝向天线运动为正，失量的分量取正直代表风向。水平风速VH,风向由UE，UN导出：,12,业界荟萃,垂直波束的径向速度URd与大气垂直速度一致。,由于倾斜波束偏离垂直方向的角度较小，取其水平方向的分量误差较大，因此， 垂直波束的测量误差要小于水平分量的误差，即风廓线雷达最适用于大气垂直的气流 测量,风廓线测风的分层高度,风廓线雷达可采用不同的模式工作，有发射脉冲宽度确定分层高度。边界层，对 流层和平流层风廓线雷达有不同的分层高度。 根据探测高度的不同，可以将风廓线雷达分

9、为边界层风廓线雷达，对流层风廓线 雷达，以及中间层-平流层-对流层风廓线雷达（MST）.边界层风廓线雷达的探测高 度一般在3千米左右，对流层风廓线雷达的探测高度在1216千米。MST雷达的探测 高度可以达到中间层高度。,13,业界荟萃,风廓线探测高度以及工作频率图如下,14,业界荟萃,风廓线仪系统结构框图,风廓线仪主要由五部分组成:天馈发射/接收机信号处理器数据处理及监控分机。图中虚线部分为声发射器，与风廓线仪联合使用，构成无线电声探测系统。,15,业界荟萃,NO.4,风廓线雷达的分类,根据天线制式的不同，风廓线雷达可分为两大类：一类是采用相控阵天线 的相控阵风廓线雷达；另一类是采用抛物面天线

10、的风廓线雷达。,根据探测高度的不同，风廓线雷达又分为边界层风廓线雷达，对流层风廓线雷达和中间层-平流层-对流层风廓线雷达（MST）。边界层风廓线雷达的探测高度一般在3千米左右，对流层风廓线雷达的探测高度一般在12-16千米，其中探测高度在8千米以下的低对流层风廓线雷达。MST雷达的探测高度可达到中间层高度。,根据雷达工作频率的不同，可将风廓线雷达分为甚高频（VHF），超高频 （UHF）和L波段三类。一般情况下边界层风廓线用的是L波段，对流层风 廓线雷达选用超高频（P波段），探测高度在平流层上的风廓线雷达大致 选用甚高频。,16,业界荟萃,4.分类,17,业界荟萃,NO.5,显示的图形产品,风廓线仪的数据处理由一台高性能的PC机来实现，它与信号处理器通过DMA相 联接，实时采集信号处理器输出的各波束射向上每个距离库的信号功率谱密度分布 ，经处理估算出各高度上水平风向风速垂直运动速度和各高度上cn2值，将处 理结果形成各类图形产品，建立数据和图形产品库，通过网络