6多普勒天氣雷達(dá)原理與應(yīng)用

1、第六部分 多普勒天氣雷達(dá)原理與應(yīng)用（周長青）我國新一代天氣雷達(dá)原理；天氣雷達(dá)圖像識別；對流風(fēng)暴的雷達(dá)回波特征；新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品第一章 我國新一代天氣雷達(dá)原理一、了解新一代天氣雷達(dá)的三個組成部分和功能 新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)由三個主要部分構(gòu)成：雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（RDA）、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG）、主用戶處理器（PUP）。二、了解電磁波的散射、衰減、折射 散射：當(dāng)電磁波束在大氣中傳播，遇到空氣分子、大氣氣溶膠、云滴和雨滴等懸浮粒子時，入射電磁波會從這些粒子上向四面八方傳播開來，這種現(xiàn)象稱為散射。 衰減：電磁波能量沿傳播路徑減弱的現(xiàn)象稱為衰減，造成衰減的物理原因是當(dāng)電磁波投射到氣體分子或云雨粒子

2、時，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰俊?折射：電磁波在真空中是沿直線傳播的，而在大氣中由于折射率分布的不均勻性（密度不同、介質(zhì)不同），使電磁波傳播路徑發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為折射。三、了解雷達(dá)氣象方程在瑞利散射條件下，雷達(dá)氣象方程為： 其中Pr表示雷達(dá)接收功率，Z為雷達(dá)反射率，r為目標(biāo)物距雷達(dá)的距離。Pt表示雷達(dá)發(fā)射功率，h為雷達(dá)照射深度，G為天線增益，、表示水平和垂直波寬，表示雷達(dá)波長，K表示與復(fù)折射指數(shù)有關(guān)的系數(shù)，C為常數(shù)，之決定于雷達(dá)參數(shù)和降水相態(tài)。四、了解距離折疊 最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長距

3、離，Rmax=0.5c/PRF, c為光速，PRF為脈沖重復(fù)頻率。距離折疊是指雷達(dá)對雷達(dá)回波位置的一種辨認(rèn)錯誤。當(dāng)距離折疊發(fā)生時，雷達(dá)所顯示的回波位置的方位角是正確的，但距離是錯誤的（但是可預(yù)計它的正確位置）。當(dāng)目標(biāo)位于最大不模糊距離（Rmax）以外時，會發(fā)生距離折疊。換句話說，當(dāng)目標(biāo)物位于Rmax之外時，雷達(dá)卻把目標(biāo)物顯示在Rmax以內(nèi)的某個位置，我們稱之為距離折疊。 五、理解雷達(dá)探測原理。 反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部降水粒子的尺度和數(shù)密度，反射率越大，說明單位體積中，降水粒子的尺度大或數(shù)量多，亦即反映了氣象目標(biāo)強度大。反射率因子（回波強度）：即反射率因子為單位體積內(nèi)中降水粒子

4、直徑6次方的總和。意義：一般Z值與雨強I有以下關(guān)系：層狀云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71雷陣雨 Z=486I1.37新一代天氣雷達(dá)取值 Z=300I1.4六、了解雷達(dá)資料準(zhǔn)確的局限性、資料誤差和資料的代表性由于雷達(dá)在探測降水粒子時，以大氣符合標(biāo)準(zhǔn)大氣情況為假定，與實際大氣存在一定的差別，使雷達(dá)資料的準(zhǔn)確度具有一定的局限性，且由于雷達(dá)本身性能差異及探測方法的固有局限，對探測目標(biāo)存在距離折疊及速度模糊現(xiàn)象，對距離模糊和速度模糊的處理等，均增大了雷達(dá)資料的誤差。雖然如此，由于徑向速度是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，雷達(dá)反射率因子通過對沿徑向上的四個取樣體積

5、平均得到的，其徑向分辨率相當(dāng)于四個取樣體積的長度，這也使雷達(dá)探測的資料具有一定的代表性。第二章 天氣雷達(dá)圖像識別一、掌握多普勒效應(yīng) 多普勒效應(yīng)為，當(dāng)接收者或接受器與能量源處于相對運動狀態(tài)時，能量到達(dá)接受者或接收器時頻率的變化。多普勒頻率，是由于降水粒子等目標(biāo)的徑向運動引起的雷達(dá)回波信號的頻率變化，也稱為多普勒頻移，其與目標(biāo)的徑向運動速度成正比，與多普勒天氣雷達(dá)波長成反比。二、了解多普勒天氣雷達(dá)測量反射率因子、平均徑向速度和速度譜寬的主要技術(shù)方法 多普勒雷達(dá)利用降水粒子的后向散射與多普勒效應(yīng)來達(dá)到對其探測的目的。通過發(fā)射信號與接收信號的延遲來測量距離，通過降水粒子的多普勒頻移來測量其速度。 反射

6、率因子：雷達(dá)的反射率因子是降水粒子后向散射被雷達(dá)天線接收到的回波，為單位體積內(nèi)中降水粒子直徑6次方的總和，反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部降水粒子的尺度和數(shù)密度，反射率越大，說明單位體積中，降水粒子的尺度大或數(shù)量多。 平均徑向速度：由于降水粒子等目標(biāo)的徑向運動引起的雷達(dá)回波信號的頻率變化，也稱為多普勒頻移，其與目標(biāo)的徑向運動速度成正比，與多普勒天氣雷達(dá)波長成反比。徑向速度則是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，而相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差即為譜寬。 速度譜寬：徑向速度則是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，而相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差即為譜寬。三、理解距離折疊和速度模糊的概念最大不

7、模糊距離：最大不模糊距離是指一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長距離，Rmax=0.5c/PRF, c為光速，PRF為脈沖重復(fù)頻率。距離折疊：距離折疊是指雷達(dá)對雷達(dá)回波位置的一種辨認(rèn)錯誤。當(dāng)距離折疊發(fā)生時，雷達(dá)所顯示的回波位置的方位角是正確的，但距離是錯誤的（但是可預(yù)計它的正確位置）。當(dāng)目標(biāo)位于最大不模糊距離（Rmax）以外時，會發(fā)生距離折疊。即當(dāng)目標(biāo)物位于Rmax之外時，雷達(dá)卻把目標(biāo)物顯示在Rmax以內(nèi)的某個位置，我們稱之為距離折疊。 如果一個散射區(qū)在Rmax之外，那么回波只有在下一個脈沖發(fā)射之后才能收到， 因為實際的來回距離在Rmax和Rmax之間，因此這種回波被稱為

8、第二區(qū)回波。最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷達(dá)能夠不模糊地測量的最大平均徑向速度，其對應(yīng)的相移是180度。按照Nyquist采樣定理可知，雷達(dá)能夠準(zhǔn)確測量多普勒頻率是PRF/2，即fDmax=PRF/2?？紤]到多普勒頻率實際上是頻率漂移，可正可負(fù),故fDmax=±PRF/2, 把關(guān)系式fD=2V/ 代入,并把fDmax和Vrmax相對應(yīng),可得： Vmax=±*PRF/4 對實際使用的雷達(dá)來說，波長是固定的，當(dāng)選定了Rmax（或脈沖重復(fù)頻率）后，就會存在一個Vmax。即，當(dāng)目標(biāo)的徑向速度大于最大不模糊速度時，就會產(chǎn)生混淆。由雷達(dá)測得的徑向速度將相差兩倍最大不模糊速

9、度（稱Nyquist間隔或速度折疊）。當(dāng)最大不模糊速度較小時，會產(chǎn)生多次速度折疊，此時：真實速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax n為1,2,3，···為Nyquist數(shù)或速度折疊次數(shù) 。四、了解新一代天氣雷達(dá)工作方式 掃描方式告訴雷達(dá)在一次體積掃描中使用多少仰角和時間。WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三種掃描方式： 5分鐘完成14個不同仰角上的掃描（14/5） 6分鐘完成9個不同仰角上的掃描（9/6） 10分鐘完成5個不同仰角上的掃描（5/10） 體掃模式 (VCP:Volume Cover Pattern）：掃描方式確定一次體

10、積掃中使用多少個仰角，而具體是哪些仰角則由體掃模式來規(guī)定。目前只定義了其中的4個： VCP11：規(guī)定5分鐘內(nèi)對14個具體仰角的掃描方式。 VCP21：規(guī)定6分鐘內(nèi)對9個具體仰角的掃描方式。 VCP31：規(guī)定10分鐘內(nèi)對5個具體仰角的掃描方式。 VCP32：確定的10分鐘完成的5個具體仰角與VCP31相同。 不同之處：VCP31使用長雷達(dá)脈沖 VCP32使用短脈沖。WSR-98D未定義VCP32。 工作模式（Operational Mode）：WSR-88D使用兩種工作模式，即降水模式和晴空模式。雷達(dá)的工作模式?jīng)Q定了使用哪種VCP。 工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相應(yīng)的掃描方式

11、分別為14/5 和9/6。 工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，兩者都使用掃描方式5/10。五、了解數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制原理和方法 去除距離折疊的方法： 用隨機相位編碼技術(shù)消除距離折疊。 調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率（PRF），這樣便可以改變Rmax，并可能在所關(guān)心的區(qū)域?qū)⒕嚯x折疊退掉。 選擇一個較高的仰角掃描能克服距離折疊問題。 采取變換探測地點的方式可以觀察到同一個風(fēng)暴的不同側(cè)面。 去除速度模糊的方法： 目前最常見的客觀速度退模糊的技術(shù)方法有下面幾種： 主觀識別和消除速度模糊影響，在使用速度回波的PPI或RHI等圖像以前，應(yīng)首先分析是否存在速度模糊現(xiàn)象，如存在，則在使用時排除其影響。 改變脈沖重

12、頻或交替使用雙重頻。6、 理解什么是多普勒兩難 根據(jù)得知，對每個特定雷達(dá)而言，在確定的頻率下，探測的最大距離和最大速度不能同時兼顧。第三章 對流風(fēng)暴的雷達(dá)回波特征一、了解層狀云降水、積云降水和積云層狀云混合降水的反射率因子圖像主要特征 在常規(guī)雷達(dá)上，積狀云降水回波被描述為具有密實的結(jié)構(gòu)，而層狀云降水回波具有均勻的紋理和結(jié)構(gòu)，積狀和層狀混合降水回波具有絮狀結(jié)構(gòu)。積狀云降水，反射率因子空間梯度較大，其強度中心的反射率因子通常在35dBZ以上，而層狀云降水反射率因子空間梯度小，反射率因子一般大于15dBZ，小于35dBZ。層狀云降水或?qū)訝?積云混合降水反射率因子回波的另一個特征是所謂的“零度層亮帶”

13、的存在。二、理解邊界層輻合線的識別 邊界層輻合線：邊界層輻合線在新一代天氣雷達(dá)反射率因子圖上呈現(xiàn)為窄帶回波，強度從幾個dBZ到十幾個dBZ。三、理解風(fēng)隨高度變化的徑向速度圖主要特征 等徑向速度線為直線：零等速線呈直線，各高度層上的風(fēng)為均勻風(fēng)場。如果實際風(fēng)速在某高度層上出現(xiàn)最大值，則在徑向速度圖上表現(xiàn)為被閉合等速區(qū)所包圍的最大徑向速度區(qū)。 S型和反S型徑向速度圖像：零等速線呈S型，表示實際風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，在雷達(dá)有效探測范圍內(nèi)有暖平流；同樣，零等速線呈反S型，表示實際風(fēng)向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)，在雷達(dá)有效探測范圍內(nèi)有冷平流。 匯合和發(fā)散流場的速度圖像：如果實際風(fēng)向在各高度層上為匯合或發(fā)散，則在速度

14、圖上零等速線呈弓形。四、了解鋒面的徑向速度圖像特征 鋒面從西北方向移向，冷風(fēng)逼近時，零等速區(qū)（線）有兩個（條），一個通過呈S型結(jié)構(gòu)，另一個未通過RDA呈反型結(jié)構(gòu)。鋒區(qū)位于東北西南向零等速線，如下圖。 當(dāng)冷鋒位于時，有三條零等速區(qū)（線），有一條零等速線通過中心，為鋒區(qū)所在位置，如下圖。 當(dāng)冷鋒通過后，有三條零等速區(qū)（線），在東南方呈西南東北向的零等速線即為鋒區(qū)，如下圖。五、理解中尺度系統(tǒng)的徑向速度特征 中尺度氣旋反氣旋流場：在小區(qū)域內(nèi)，當(dāng)一對最大入流出流速度中心距雷達(dá)是等距離時，表示在該區(qū)域內(nèi)有中尺度旋轉(zhuǎn)存在，沿雷達(dá)徑向方向，若最大入流速度中心位于左側(cè)，表示為氣旋性旋轉(zhuǎn)，若最大入流速度中心位于右

15、側(cè)，則為反氣旋性旋轉(zhuǎn)。 中尺度輻合輻散流場：由于中尺度輻合輻散流場得尺度較小，其源點或匯點和整個流場均在雷達(dá)的有效探測范圍內(nèi)，在包含中尺度輻合輻散流場的小區(qū)域內(nèi)，沿同一雷達(dá)徑向方向有兩個最大徑向速度中心，若最大入流中心位于靠近雷達(dá)一側(cè)，則該區(qū)域為徑向輻散區(qū)，相反則為徑向輻合區(qū)。 中尺度氣旋式輻合輻散流場：當(dāng)一對最大入流出流中心位于距雷達(dá)不是等距離且不在同一雷達(dá)徑向時，若最大出流中心更靠近雷達(dá)且最大入流中心位于雷達(dá)徑向左側(cè)時，表示小區(qū)域內(nèi)流場為氣旋式輻合，相反，若最大入流中心更靠近雷達(dá)且且最大出流中心位于雷達(dá)徑向左側(cè)時，表示小區(qū)域內(nèi)流場為氣旋式輻散。 中尺度反氣旋式輻合輻散流場：與上述情況類似，

16、還可以有反氣旋式輻合和反氣旋式輻散。第四章 新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品一、理解對流單體的概念模型 根據(jù)積云中盛行的垂直速度的大小和方向，普通風(fēng)暴單體的演化過程通常包括三個階段： 塔狀積云階段：由上升氣流所控制，上升速度一般隨高度增加，且主要由局地暖空氣的正浮力或者由低層輻合引起，上升速度一般為510m/s，個別達(dá)到25m/s。在塔狀積云的后期，降水能夠引發(fā)下沉氣流。 成熟階段：實際上是由上升氣流和下沉氣流共存的階段。成熟階段開始于雨最初從云底降落之時，可認(rèn)為雷達(dá)回波接地是對流單體成熟階段的開始。此時，云中上升氣流達(dá)到最大，隨著降水過程的開始，由于降水粒子所產(chǎn)生的拖拽作用，形成了下沉氣流。然后，這種下沉

17、氣力在垂直和水平方向上擴(kuò)展。這種冷性下沉氣流作為一股冷空氣，在近地面的低層向外擴(kuò)散，與單體運動前方的低層暖濕氣流交匯而形成颮鋒，又稱陣鋒風(fēng)。成熟階段的對流單體的中上部，仍為上升氣流和過冷水滴及冰晶等水成物。當(dāng)云頂伸展到對流層頂附近時，不再向上發(fā)展，而向該處的環(huán)境風(fēng)下風(fēng)方向擴(kuò)展，出現(xiàn)水平伸展的云砧。 消亡階段：為下沉氣流所控制，此時降水發(fā)展到整個對流云體。實際上，當(dāng)下沉氣流擴(kuò)展到整個單體，暖濕空氣源被擴(kuò)展的冷池切斷時，風(fēng)暴單體開始消亡。二、了解對流風(fēng)暴的分類 對流風(fēng)暴可分為以下四類：普通單體風(fēng)暴，多單體風(fēng)暴，線風(fēng)暴（飚線），超級單體風(fēng)暴。前三類可以是強風(fēng)暴，也可以是非強風(fēng)暴，而第四類一定是強風(fēng)暴

18、。三、理解影響雷暴生成發(fā)展的主要因素及診斷方法 影響雷暴生成發(fā)展的主要因素有熱力（浮力）不穩(wěn)定、風(fēng)的垂直切變和水汽的垂直分布三個因子。另外，在對流不穩(wěn)定條件下，還需要一定的抬升條件對流才能發(fā)生。由于浮力決定了垂直方向上空氣的加速程度，它與風(fēng)暴強度直接相關(guān)。垂直風(fēng)切變有利于風(fēng)暴發(fā)展、加強和維持，從而決定了風(fēng)暴類型的演變和發(fā)展。另外風(fēng)暴和環(huán)境的相互作用也會影響風(fēng)暴的強度和組織。四、了解風(fēng)暴相對螺旋度的概念和物理含義 風(fēng)暴相對螺旋度是衡量風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)潛勢的具有明確意義的物理量，其取決于沿相對風(fēng)暴氣流流線方向的水平渦度，而這些因子又取決于低層垂直風(fēng)切變的強度和方向以及風(fēng)暴的運動。其表達(dá)式為： 其幾何意義為

19、：它與速度矢端圖中兩個層次之間的相對風(fēng)暴風(fēng)矢量所掃過的區(qū)域的面積成正比。五、掌握脈沖風(fēng)暴的雷達(dá)回波特征 脈沖風(fēng)暴的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)有三個特點：初始回波出現(xiàn)的高度一般在69km之間，強回波中心值一般大于50dBZ，強中心所在的高度也比較高，一般在-10等溫線的高度。6、 理解中氣旋的定義 中氣旋是與強對流風(fēng)暴的上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊密相連的小尺度（小于10km）渦旋，該渦旋滿足一定的切變、垂直伸展和持續(xù)性判據(jù)。一般垂直渦度大于等于，垂直伸展超過風(fēng)暴垂直尺度的1/3，持續(xù)2個體掃即為中氣旋。七、掌握超級單體風(fēng)暴的定義和雷達(dá)回波特征超級單體風(fēng)暴最本質(zhì)的特征是具有深厚而持久的中氣旋，且只產(chǎn)生在中等到強的垂直風(fēng)切變環(huán)境中。超級單體風(fēng)暴的回波特征為：持續(xù)有界弱回波區(qū)，持久的中氣旋，低層鉤狀回波，三體散射長釘，懸垂?fàn)罨夭?，旁瓣回波，“V”型缺口，上部呈現(xiàn)寬大而伸展的云砧，雷達(dá)回波頂高度較高。A：旁瓣回波 B：三體散射 C:弱回波區(qū) D：云砧 E：回波墻 F：懸掛回波 G：雨幡八、掌握颮線的雷達(dá)回波特征 有界弱回波區(qū)，中高空的懸垂裝回波，徑向速度剖面呈現(xiàn)低層輻散、中層輻合和高層輻散。九、理解基本反射率、平均徑向速度、組合反射率、垂直累計液態(tài)水含量、回波頂高、1小時降水估