《雷達(dá)氣象學(xué)》課件：第一章 天氣雷達(dá)的基本工作原理和參數(shù)

1、第一章 天氣雷達(dá)基本工作原理及主要設(shè)備、參數(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容重點(diǎn)掌握：多普勒天氣雷達(dá)最大不模糊速度及距離、多普勒頻率重點(diǎn)掌握：多普勒天氣雷達(dá)最大不模糊速度及距離、多普勒頻率 參數(shù)：參數(shù)：PRF、PRT、h、Vr、Vrmax、Rmax、fD 及各計(jì)算公式及各計(jì)算公式一、天氣雷達(dá)的基本工作原理二、天氣雷達(dá)的組成和主要技術(shù)參數(shù)1、天氣雷達(dá)的組成 2、主要技術(shù)參數(shù)三、多普勒天氣雷達(dá)工作原理1、多普勒天氣雷達(dá)概述 2、多普勒雷達(dá)探測(cè)原理1）、多普勒效應(yīng)2）、多普勒頻率3）、多普勒頻率與目標(biāo)物徑向速度的關(guān)系4）、多普勒天氣雷達(dá)原理方框圖3、速度模糊現(xiàn)象的主觀識(shí)別 4、速度退模糊方法5、多普勒天氣雷達(dá)的最大

2、不模糊速度與最大不模糊距離（包括：Vr、VT互求）6、回波信號(hào)的多普勒頻譜分析一、天氣雷達(dá)工作原理一、天氣雷達(dá)工作原理天氣雷達(dá)工作原理：天氣雷達(dá)工作原理：天氣雷達(dá)工作原理二、天氣雷達(dá)的組成和主二、天氣雷達(dá)的組成和主要技術(shù)參數(shù)要技術(shù)參數(shù)1、天氣雷達(dá)的組成、天氣雷達(dá)的組成 2、天氣雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)、天氣雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)3、天氣雷達(dá)顯示方式、天氣雷達(dá)顯示方式1、天氣雷達(dá)組成框圖、天氣雷達(dá)組成框圖天氣雷達(dá)工作示意圖天氣雷達(dá)工作示意圖2、天氣雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)天氣雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù) 1）、波束寬度）、波束寬度 2）、天線增益）、天線增益G 3）、天線有效面積）、天線有效面積Ae 4）、脈沖長(zhǎng)度）、脈沖長(zhǎng)度h

3、、脈沖寬度、脈沖寬度 5）、脈沖重復(fù)周期）、脈沖重復(fù)周期T(PRT: Pulse Repetition Time) 6）、脈沖重復(fù)頻率）、脈沖重復(fù)頻率PRF (Pulse Repetition Frequency) 7）、最大探測(cè)距離）、最大探測(cè)距離 Rmax 8）、掃描方式：）、掃描方式：PPI 、RHI、 CAPPI定義定義：在天線方向圖上，二個(gè)半功率點(diǎn)方向的夾角，稱為波束寬度，用來衡量天線主瓣的寬度，是天線的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)。1）、波束寬度）、波束寬度（ ），單位：度，垂直水平 天線的方向圖定義天線的方向圖定義max),(),(EEF在半徑恒定時(shí)接收功率描繪的圖形稱接收功率描繪的圖形稱為

4、為功率方向圖功率方向圖，而在半徑一定時(shí)，描述電場(chǎng)空間電場(chǎng)空間與方向 (,?)之間場(chǎng)強(qiáng)的圖形稱為天線的場(chǎng)強(qiáng)方向圖或簡(jiǎn)稱為方場(chǎng)強(qiáng)方向圖或簡(jiǎn)稱為方向圖向圖。即為場(chǎng)強(qiáng)振幅的歸一化方向性函數(shù)F(, ?)的圖形： 半功率主瓣寬度、零值主瓣寬度半功率主瓣寬度、零值主瓣寬度 主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個(gè)半功率點(diǎn)主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個(gè)半功率點(diǎn)（即功率下降為最大值的一半，場(chǎng)強(qiáng)下（即功率下降為最大值的一半，場(chǎng)強(qiáng)下降到最大值的降到最大值的 ）的矢徑之間的夾角，）的矢徑之間的夾角，稱為稱為半功率主瓣寬度或主瓣寬度半功率主瓣寬度或主瓣寬度，記為：，記為：20.5 或2?0.521零值主瓣寬度：即全主瓣寬度，記零值主瓣寬

5、度：即全主瓣寬度，記為為20 或2?0天線方向圖的波瓣天線方向圖的波瓣零值主瓣寬度零值主瓣寬度半值主瓣寬度半值主瓣寬度1）、波束寬度）、波束寬度（ ）波束寬度的大小取決于拋物面反射體的直徑波束寬度的大小取決于拋物面反射體的直徑d和雷達(dá)工作波長(zhǎng)和雷達(dá)工作波長(zhǎng)，一般，一般2一般天氣雷達(dá)：一般天氣雷達(dá)：=1.5; 新一代多普勒天氣雷達(dá)新一代多普勒天氣雷達(dá) =0.91.0Vrmax或VrT4m/s;3) 0層附近：干濕雪、雨滴共存，下落速度差異大，譜寬值約為4m/s;檢驗(yàn)平均多普勒速度的可信度：檢驗(yàn)平均多普勒速度的可信度：一般譜寬較大時(shí)，可能對(duì)估算平均多普勒速度的準(zhǔn)確性有較大的影響。引進(jìn)與譜寬及信噪比

6、有關(guān)系的指標(biāo)“信號(hào)質(zhì)量指數(shù)”SQI，若SQI低于某一指標(biāo)值，則數(shù)據(jù)不可靠，棄之。識(shí)別多普勒速度場(chǎng)中的風(fēng)切變區(qū)識(shí)別多普勒速度場(chǎng)中的風(fēng)切變區(qū)識(shí)別強(qiáng)湍流區(qū)識(shí)別強(qiáng)湍流區(qū)具體應(yīng)用還需結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦魏吞鞖獾葘?shí)際情況具體應(yīng)用還需結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦魏吞鞖獾葘?shí)際情況中國(guó)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)介中國(guó)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1、雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（、雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RDA）2、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng) (RPG）3、主用戶處理器子系統(tǒng)、主用戶處理器子系統(tǒng) (PUP）參見第十六章雷達(dá)的三部分RPGRDARDAPUP雷達(dá)站雷達(dá)站氣象臺(tái)值班室氣象臺(tái)值班室 1 1、雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RDARDA）采

7、用脈沖多普勒體制的全相干系統(tǒng)采用脈沖多普勒體制的全相干系統(tǒng) 速調(diào)管放大、高功率全相干速調(diào)管放大、高功率全相干發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī) 窄波束低旁瓣的窄波束低旁瓣的天線天線 低噪聲寬動(dòng)態(tài)范圍的相干低噪聲寬動(dòng)態(tài)范圍的相干接收機(jī)接收機(jī) 多參數(shù)的多參數(shù)的信號(hào)處理器信號(hào)處理器 主要參數(shù)的主要參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)自動(dòng)檢測(cè)發(fā)發(fā) 射射 機(jī)機(jī)取得雷達(dá)數(shù)據(jù)的第一步是發(fā)射一個(gè)射頻取得雷達(dá)數(shù)據(jù)的第一步是發(fā)射一個(gè)射頻f f0 0信信號(hào)。這主要由速調(diào)管放大器（相當(dāng)于老式雷達(dá)中號(hào)。這主要由速調(diào)管放大器（相當(dāng)于老式雷達(dá)中的的磁控管）來完成。該放大器產(chǎn)生一個(gè)高功率的的磁控管）來完成。該放大器產(chǎn)生一個(gè)高功率（峰值功率（峰值功率750kw750kw

8、）非常穩(wěn)定的）非常穩(wěn)定的1010厘米的射頻（厘米的射頻（f f0 0）脈沖。脈沖。在這里穩(wěn)定是非常重要的，產(chǎn)生的每個(gè)脈沖在這里穩(wěn)定是非常重要的，產(chǎn)生的每個(gè)脈沖必須具有相同的初位相以保證回波信號(hào)中的多普必須具有相同的初位相以保證回波信號(hào)中的多普勒信息能夠被提取。一旦勒信息能夠被提取。一旦f fd d脈沖被產(chǎn)生，就被送到脈沖被產(chǎn)生，就被送到天線。天線。全相干發(fā)射機(jī)全相干發(fā)射機(jī)相干接收機(jī)相干接收機(jī)信號(hào)處理信號(hào)處理監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)天線天線窄波束低旁瓣的天線窄波束低旁瓣的天線天線是天線是RDA的一個(gè)部件，它將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的一個(gè)部件，它將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)以波束的形式發(fā)射到大氣并接的高頻脈沖信號(hào)以波束

9、的形式發(fā)射到大氣并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。受返回的能量（粒子的后向散射能量）。 WSR-88D雷達(dá)的天線仰角范圍雷達(dá)的天線仰角范圍:-10600。天線。天線仰角的設(shè)置取決于天線的仰角的設(shè)置取決于天線的掃描策略掃描策略（scan strategy共有三種）、共有三種）、體積覆蓋模式體積覆蓋模式（volume coverage pattern ：VCP）和）和操作模式操作模式（operational mode 分為晴空和降水兩種模式）。分為晴空和降水兩種模式）。 雷達(dá)操作員不能手動(dòng)調(diào)節(jié)天線仰角，天線仰角雷達(dá)操作員不能手動(dòng)調(diào)節(jié)天線仰角，天線仰角只能通過上述三要素預(yù)設(shè)。只能通過上述三要素

10、預(yù)設(shè)。天天 線（線（antennaantenna）掃描策略決定一個(gè)體掃描包含多少個(gè)仰角，以及完成一掃描策略決定一個(gè)體掃描包含多少個(gè)仰角，以及完成一次體掃描所需的時(shí)間，次體掃描所需的時(shí)間，WSR-88D中有三個(gè)掃描策略中有三個(gè)掃描策略：scan strategy #1:scan strategy #1:規(guī)定一個(gè)體掃描包含規(guī)定一個(gè)體掃描包含1414個(gè)具體個(gè)具體 仰角，用時(shí)仰角，用時(shí)5 5分鐘。分鐘。scan strategy #2scan strategy #2: :規(guī)定一個(gè)體掃描包含規(guī)定一個(gè)體掃描包含9 9個(gè)具體個(gè)具體 仰角，用時(shí)仰角，用時(shí)6 6分鐘。分鐘。 scan strategy #3:s

11、can strategy #3:規(guī)定一個(gè)體掃描包含規(guī)定一個(gè)體掃描包含5 5個(gè)具個(gè)具 仰角，用時(shí)仰角，用時(shí)1010分鐘。分鐘。掃描策略（掃描策略（scan strategyscan strategy）體積覆蓋模式體積覆蓋模式（volume coverage pattern VCPvolume coverage pattern VCP） 體積覆蓋模式?jīng)Q定一個(gè)掃描策略中體積掃體積覆蓋模式?jīng)Q定一個(gè)掃描策略中體積掃描的具體仰角值描的具體仰角值,WSR-88D,WSR-88D包含有包含有2020個(gè)不同的個(gè)不同的VCP,VCP,但目前僅定義了但目前僅定義了4 4個(gè)。個(gè)。主要用于低層晴空大氣觀測(cè)主要用于低層晴

12、空大氣觀測(cè)WSR-98D未定義未定義VCP32操作模式操作模式（operational mode ）WSR-88D有兩個(gè)操作模式：有兩個(gè)操作模式：Mode A:降水模式降水模式 使用使用VCP11或或VCP21,相應(yīng)的體相應(yīng)的體掃描策略為掃描策略為Scan Strategy 1(14層層/5分鐘）或分鐘）或Scan Strategy 2 (9層層/6分鐘）分鐘）。 Mode B:晴空模式晴空模式 使用使用VCP31或或VCP32,相應(yīng)的相應(yīng)的體掃描策略為體掃描策略為Scan Strategy 3（5層層/10分鐘分鐘)1）Mode A 降水模式降水模式2）Mode B 晴空模式晴空模式WSR-

13、88D取樣技術(shù)：硬件工作模式取樣技術(shù)：硬件工作模式1 1）連續(xù)監(jiān)測(cè)模式）連續(xù)監(jiān)測(cè)模式(CS)(CS)2 2）連續(xù)）連續(xù)DopplerDoppler模式模式(CD)(CD)3）批處理模式）批處理模式(B) 4）連續(xù)多普勒）連續(xù)多普勒X模式（模式（CDX)5）分離掃描模式）分離掃描模式硬件工作模式硬件工作模式1)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)CS模式模式（Contiguous Surveillance ）低仰角低仰角低低PRF（增大（增大Rmax、減小、減小Vmax)定位及獲取反射率。定位及獲取反射率。在在VCP11、21、32中，它用于最低的兩個(gè)仰角；中，它用于最低的兩個(gè)仰角；在在VCP31中，它用于最低

14、的中，它用于最低的3個(gè)仰角。個(gè)仰角。因?yàn)榇蟮囊驗(yàn)榇蟮腞max值（低值（低PRF），所以不需要使用距），所以不需要使用距離去折疊算法。離去折疊算法。 2)、連續(xù)多普勒、連續(xù)多普勒CD模式模式（Contiguous Doppler）低仰角低仰角高高PRF(PRF(減小減小Rmax,Rmax,增大增大Vmax)Vmax)獲取速度及譜寬數(shù)據(jù)獲取速度及譜寬數(shù)據(jù)在在VCP11VCP11、2121、3232中它用于最低的兩個(gè)仰角；中它用于最低的兩個(gè)仰角；在在VCP31VCP31中它用于最低的中它用于最低的3 3個(gè)仰角。個(gè)仰角。由于是高由于是高PRFPRF，所以為，所以為短短Rmax必須使用必須使用距離去折疊

15、算法。距離去折疊算法。3)、批處理、批處理Batch (B) 模式模式 中間仰角（中間仰角（2.5-6.5）兩個(gè)兩個(gè)PRFPRF：一個(gè)比較：一個(gè)比較低PRF(CS)，一個(gè)比較高PRF(CD)。低的低的PRF增加增加Rmax，獲得反射率和獲得反射率和定位值；高的定位值；高的PRF增加增加Vmax，獲得速度及譜，獲得速度及譜寬。寬。僅用于僅用于VCP11VCP11、2121、3232（不用于（不用于VCP31VCP31）。）。由于仰角較高，此時(shí)地物雜波可不考慮。由于仰角較高，此時(shí)地物雜波可不考慮。4)、連續(xù)多普勒、連續(xù)多普勒CDX模式或沒有距離折模式或沒有距離折疊的連續(xù)多普勒模式疊的連續(xù)多普勒模式

16、高仰角（高仰角（7）高高PRF(PRF(減小減小Rmax,Rmax,增大增大Vmax)Vmax) 獲得準(zhǔn)確的反射率、速度、譜寬三個(gè)獲得準(zhǔn)確的反射率、速度、譜寬三個(gè)基數(shù)據(jù)產(chǎn)品基數(shù)據(jù)產(chǎn)品 用于用于VCP11VCP11和和2121中中 77的所有仰角的掃描的所有仰角的掃描 用于用于VCP31 VCP31 中中 33仰角的掃描，仰角的掃描， 但不在但不在VCP32 VCP32 中使用。中使用。 5)、分離掃描模式、分離掃描模式(split cut) 雷達(dá)在最低的雷達(dá)在最低的2個(gè)仰角分別使用個(gè)仰角分別使用CS和和 CD進(jìn)行重進(jìn)行重復(fù)掃描。從最低仰角開始一個(gè)完整的復(fù)掃描。從最低仰角開始一個(gè)完整的360CS

17、波形掃描，然后仍在這個(gè)仰角進(jìn)行完整的波形掃描，然后仍在這個(gè)仰角進(jìn)行完整的360CD波形掃描。然后，天線才抬升到第波形掃描。然后，天線才抬升到第2個(gè)仰角，個(gè)仰角，分別進(jìn)行分別進(jìn)行360CS掃描和掃描和360CD掃描。掃描。 在中在中仰角，雷達(dá)用仰角，雷達(dá)用Batch技術(shù)，每個(gè)仰角掃一遍（技術(shù)，每個(gè)仰角掃一遍（360）。然后，雷達(dá)仰角進(jìn)一步抬高，在每個(gè)）。然后，雷達(dá)仰角進(jìn)一步抬高，在每個(gè)仰角用仰角用 CDX進(jìn)行進(jìn)行360掃描。掃描。nautical mile 1海里海里=1.852公里公里 1 foot 英尺英尺(呎呎) = 12 inches 英寸英寸(吋吋) =30.48 centimetre

18、s 厘米厘米=0.3048meters米米第一行：產(chǎn)品名稱第一行：產(chǎn)品名稱(基本速度基本速度) 第二行：產(chǎn)品號(hào)第二行：產(chǎn)品號(hào)(27)第三行：總顯示距離第三行：總顯示距離(230km)第四行：分辨率精度（一個(gè)像第四行：分辨率精度（一個(gè)像 素幾公里）素幾公里）(1km/像素）像素）第五六行：日期、時(shí)間（世界第五六行：日期、時(shí)間（世界 時(shí)）時(shí)）(+8h=BJT)第七行：探測(cè)雷達(dá)站第七行：探測(cè)雷達(dá)站（廣州）（廣州）第八九十行：雷達(dá)站海拔高第八九十行：雷達(dá)站海拔高 度、緯度、經(jīng)度度、緯度、經(jīng)度第十一行：探測(cè)模式（分為降第十一行：探測(cè)模式（分為降 水和晴空）水和晴空）（降水）（降水）十二行：體掃模式號(hào)十二

19、行：體掃模式號(hào)（21， 6分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)9個(gè)具體仰角的掃描個(gè)具體仰角的掃描）十三行：圖像中心和雷達(dá)站中心距離十三行：圖像中心和雷達(dá)站中心距離（0km)十四行：仰角十四行：仰角 (雷達(dá)天線仰角為：雷達(dá)天線仰角為：1.5)十五行：最大強(qiáng)度十五行：最大強(qiáng)度/速度速度(最大速度：最大速度：-45m/s,44m/s。其中負(fù)表示朝向。其中負(fù)表示朝向,正表示遠(yuǎn)正表示遠(yuǎn) 離測(cè)站方向）離測(cè)站方向）接下來色標(biāo)表接下來色標(biāo)表（速度色標(biāo)，請(qǐng)注意零速度代表的顏色及（速度色標(biāo)，請(qǐng)注意零速度代表的顏色及“+/-”或或“T/A”的各顏色）的各顏色）最后表示圈間距離和掃描線間的角度最后表示圈間距離和掃描線間的角度（距離圈間斜

20、距（距離圈間斜距50km,掃描線間角度掃描線間角度30)雷達(dá)圖的文字說明雷達(dá)圖的文字說明2003.3.20廣東東莞遭遇廣東東莞遭遇狂風(fēng)冰雹襲擊狂風(fēng)冰雹襲擊 氣象部門給大眾研讀的回波圖（含地氣象部門給大眾研讀的回波圖（含地形及地名）形及地名）北京時(shí)北京時(shí) 2 2、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPGRPG） 具有雷達(dá)產(chǎn)品生成、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、具有雷達(dá)產(chǎn)品生成、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)內(nèi)通信等多種功能系統(tǒng)內(nèi)通信等多種功能 氣象應(yīng)用產(chǎn)品：類似于美國(guó)氣象應(yīng)用產(chǎn)品：類似于美國(guó)NexRad導(dǎo)出產(chǎn)品導(dǎo)出產(chǎn)品 運(yùn)行監(jiān)控：運(yùn)行模式、系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)校、自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控：運(yùn)行模式、系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)校、自動(dòng)報(bào)

21、警等功能報(bào)警等功能 數(shù)據(jù)庫(kù)管理：基數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存貯、分發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)管理：基數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存貯、分發(fā)等功能等功能 通信管理：通信管理：RDA、RPG、PUP間的窄帶和寬間的窄帶和寬帶通信等帶通信等 3 3、主用戶處理器子系統(tǒng)（、主用戶處理器子系統(tǒng)（PUPPUP） 多屏、多畫面顯示氣象應(yīng)用產(chǎn)品圖形圖多屏、多畫面顯示氣象應(yīng)用產(chǎn)品圖形圖像功能像功能 具有放大、動(dòng)畫、疊加等多種圖像顯示具有放大、動(dòng)畫、疊加等多種圖像顯示功能功能 通過人機(jī)交互方式設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行模式和通過人機(jī)交互方式設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行模式和產(chǎn)品生成產(chǎn)品生成 課堂練習(xí)思考題1、判斷下面說法是否正確？為 什么？即可則要求若則要要一定前提下：在HzPR

22、FsmVrcmPRFVrPRFVr10000/250max,10max,max2、若要選擇造價(jià)比較合適，又能滿足最大不模糊速度為20m/s和最大不模糊距離為100km ,那么你認(rèn)為應(yīng)選擇哪個(gè)波段的多普勒雷達(dá)為宜？ A）X波段 B）C波段 C）S波段 D）K波段3 3、脈沖重復(fù)頻率、脈沖重復(fù)頻率PRFPRF是：是： A A）天氣雷達(dá)工作頻率）天氣雷達(dá)工作頻率 B B）每秒鐘產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的數(shù)目）每秒鐘產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的數(shù)目 ）回波頻率）回波頻率 ）電波頻率）電波頻率 4、天線波束寬度為：、天線波束寬度為：）最大發(fā)射功率方向角）最大發(fā)射功率方向角）主波瓣的寬度）主波瓣的寬度）主波瓣上兩個(gè)半功率點(diǎn)）主波瓣上兩個(gè)半功率點(diǎn) 方向的夾角方向的夾角）旁瓣的大?。┡园甑拇笮? 5、多普勒雷達(dá)波束寬度通常不超、多普勒雷達(dá)波束寬度通常不超過度，太寬則影響過度，太寬則影響A A）測(cè)距精度）測(cè)距精度B B）測(cè)角精度）測(cè)角精度C C）測(cè)回波強(qiáng)度的精度）測(cè)回波強(qiáng)度的精度 ）脈沖的重復(fù)次數(shù)）脈沖的重復(fù)次數(shù)）脈沖振幅的大小）脈沖振幅的大?。┟}沖在空間占有的長(zhǎng)度或脈沖的振蕩）脈沖在空間占有的長(zhǎng)度或脈沖的振蕩 持續(xù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間）脈沖效率）脈沖效率 7 7、脈沖寬度為：、脈沖寬度為：8 8、脈沖寬度的大小對(duì)什么有影響？、脈沖寬度的大小對(duì)什么有影