多普勒天氣雷達資料分析

1、多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用南京信息工程大學多普勒天氣雷達資料分析與應用引 言 RADAR RAdio Detecting And Ranging WSR88D Weather Surveillance Radar 88 Doppler CINRDA/SA，SB，SC； S:10cm，A敏視達，敏視達，B14所，所，C成都七八四廠成都七八四廠 CINRDA/CD，成都七八四廠生產成都七八四廠生產 CINRDA/ CC，CCJ 安徽四創(chuàng)生產安徽四創(chuàng)生產 C：5cm多普勒天氣雷達資料分析與應用Weather Radar in China 中國氣象雷達的概況中國氣象雷達的

2、概況 711711型測雨雷達型測雨雷達 - - X X 713713型測雨雷達型測雨雷達 - - C C 714714型測雨雷達型測雨雷達 - - S S 多普勒雷達多普勒雷達(714-(714-CD, CD, 38303830，敏視達雷達）敏視達雷達）多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達的組成和探測原理 一、雷達的三部分 二、多普勒天氣雷達的工作原理 三、雷達的 PPI 掃描方式 四、多普勒天氣雷達的產品介紹 五、短時預報常用的雷達產品一、雷達的三部分RPGRDARDAPUP雷達站雷達站氣象臺值班室氣象臺值班室多普勒天氣雷達資料分析與應用中國新一代天氣雷達系

3、統(tǒng)簡介中國新一代天氣雷達系統(tǒng)簡介 1 1、雷達數據采集系統(tǒng)（、雷達數據采集系統(tǒng)（RDARDA） 2 2、雷達產品生成子系統(tǒng)（雷達產品生成子系統(tǒng)（RPGRPG） 3 3、主用戶處理器子系統(tǒng)（主用戶處理器子系統(tǒng)（PUPPUP）一、雷達的三部分多普勒天氣雷達資料分析與應用天線與伺服發(fā)射機接收機信號處理器監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星通訊產品生成主用戶工作站輔助用戶工作站主控臺存檔局域網或廣域網寬帶傳輸基數據多普勒天氣雷達資料分析與應用1 1、雷達數據采集系統(tǒng)（、雷達數據采集系統(tǒng)（RDARDA）采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) 速調管放大、高功率全相干發(fā)射機 窄波束低旁瓣的天線 低噪聲寬動態(tài)

4、范圍的相干接收機 多參數的信號處理器 主要參數的自動檢測多普勒天氣雷達資料分析與應用發(fā)發(fā) 射射 機機取得雷達數據的第一步是發(fā)射一個射頻（取得雷達數據的第一步是發(fā)射一個射頻（rf rf）信信號。這主要由速調管放大器（相當于老式雷達中的的號。這主要由速調管放大器（相當于老式雷達中的的磁控管）來完成。該放大器產生一個高功率（峰值功磁控管）來完成。該放大器產生一個高功率（峰值功率率750750kwkw）非常穩(wěn)定的非常穩(wěn)定的1010厘米的射頻（厘米的射頻（rf rf）脈沖。脈沖。在這里穩(wěn)定是非常重要的，產生的每個脈沖必在這里穩(wěn)定是非常重要的，產生的每個脈沖必須具有相同的初位相以保證回波信號中的多普勒信息

5、須具有相同的初位相以保證回波信號中的多普勒信息能夠被提取。一旦能夠被提取。一旦rf rf脈沖被產生，就被送到天線。脈沖被產生，就被送到天線。多普勒天氣雷達資料分析與應用全相干發(fā)射機全相干發(fā)射機多普勒天氣雷達資料分析與應用天線天線天線是天線是RDA的一個部件，它將發(fā)射機產生的一個部件，它將發(fā)射機產生的的rf 信號以波束的形式發(fā)射到大氣并接受返回的信號以波束的形式發(fā)射到大氣并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。能量（粒子的后向散射能量）。SA雷達的天線仰雷達的天線仰角變化范圍是從角變化范圍是從0.5度到度到19.5度。天線仰角的設置度。天線仰角的設置取決于天線的掃描方式（取決于天線的掃描方式（s

6、can strategy共有三共有三種）、體掃模式（種）、體掃模式（volume coverage pattern ：VCP）和和工作模式工作模式（operational mode 分為晴空分為晴空和降水兩種模式）。和降水兩種模式）。 雷達操作員不能手動調節(jié)天雷達操作員不能手動調節(jié)天線仰角，天線仰角只能通過上述三要素預設。線仰角，天線仰角只能通過上述三要素預設。多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用天 線 天線增益：輻射總功率相同時，定向天線在最大輻輻射總功率相同時，定向天線在最大輻射方向上的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密射方向上的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密度

7、之比，稱為天線增益，以度之比，稱為天線增益，以G表示。表示。 天線增益與天線波束寬度具有一定的關系： 在超高頻技術中，一般天線的增益在幾千到幾萬。 天線增益常以分貝(dB)形式表示： 分貝分貝(dB) = 10lgS 定向定向S 各向均勻各向均勻S 定向定向天線最大輻射方向上的能流密度；定向天線最大輻射方向上的能流密度；S 各向均勻各向均勻天線的能流密度；各向均勻天線的能流密度；指天線在水平方向的波束寬度； 指天線在垂直方向的波束寬度。2G多普勒天氣雷達資料分析與應用天線掃描方式天線掃描方式（scan strategy）掃描方式告訴雷達在一次體積掃描（掃描方式告訴雷達在一次體積掃描（volum

8、e scan）中使用多少仰角和時間。中使用多少仰角和時間。WSR-88D 和和 CINRAD WSR-98D 使用三種掃描方式：使用三種掃描方式： 掃描方式掃描方式#1：5分鐘完成分鐘完成14個不同仰角上的掃描個不同仰角上的掃描（14/5） 掃描方式掃描方式#2：6分鐘完成分鐘完成9個不同仰角上的掃描個不同仰角上的掃描（9/6） 掃描方式掃描方式#3：10分鐘完成分鐘完成5個不同仰角上的掃描個不同仰角上的掃描（5/10）多普勒天氣雷達資料分析與應用體掃模式體掃模式 (VCP:Volume Cover Pattern）掃描方式確定一次體積掃中使用多少個仰角，而具掃描方式確定一次體積掃中使用多少個

9、仰角，而具體是哪些仰角則由體掃模式來規(guī)定。體是哪些仰角則由體掃模式來規(guī)定。WSR-88D WSR-88D 可有可有2020個不個不同的同的VCPVCP，目前只定義了其中的目前只定義了其中的4 4個：個： VCP11VCP11 - VCP11 - VCP11（scan strategy #1scan strategy #1，version 1version 1）規(guī)定規(guī)定5 5分鐘內對分鐘內對1414個具體仰角的掃描方式。個具體仰角的掃描方式。 VCP21VCP21 - VCP21 - VCP21 （scan strategy #2scan strategy #2，version 1version

10、 1）規(guī)定規(guī)定6 6分鐘內對分鐘內對9 9個具體仰角的掃描方式。個具體仰角的掃描方式。 VCP31VCP31 - VCP31 - VCP31 （scan strategy #3scan strategy #3，version 1version 1）規(guī)定規(guī)定1010分鐘內對分鐘內對5 5個具體仰角的掃描方式。個具體仰角的掃描方式。 VCP32VCP32 - VCP32 - VCP32（scan strategy #3scan strategy #3，version 2version 2）確定的確定的1010分鐘完成的分鐘完成的5 5個具體仰角與個具體仰角與VCP31VCP31相同。不同之處相同。

11、不同之處在于在于VCP31VCP31使用長雷達脈沖而使用長雷達脈沖而VCP32VCP32使用短脈沖。使用短脈沖。 WSR-98DWSR-98D未定義未定義VCP32VCP32。多普勒天氣雷達資料分析與應用 值得注意的是： 雷達在0.5度和1.45度仰角上分別作兩次掃描，在其他仰角上只作一次掃描。在兩次掃描中：第一次發(fā)射低脈沖重復頻率，觀測范圍大（460km），為了避免速度模糊。第二次發(fā)射高脈沖重復頻率，觀測的范圍?。?30km），為了避免距離模糊。多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用工作模式工作模式（Operational Mode）WSR-88DWSR-88D使用兩種工作

12、模式，即使用兩種工作模式，即降水模式降水模式和和晴空模式晴空模式。雷達的工作模式決定了使用哪種。雷達的工作模式決定了使用哪種VCPVCP，而而VCPVCP又確定了具體的掃描方式。又確定了具體的掃描方式。工作模式工作模式A A：降水模式使用降水模式使用VCP11VCP11或或VCP21VCP21，相應的掃描方式分別為相應的掃描方式分別為14/5 14/5 和和9/69/6。工作模式工作模式B B：晴空模式使用晴空模式使用VCP31VCP31或或VCP32VCP32，兩者都使用掃描方式兩者都使用掃描方式5/105/10。多普勒天氣雷達資料分析與應用窄波束低旁瓣的天線窄波束低旁瓣的天線多普勒天氣雷達

13、資料分析與應用接收機接收機當天線接收返回（后向散射）能量時，它當天線接收返回（后向散射）能量時，它把信號傳送給接收機。由于接收到的回波能量把信號傳送給接收機。由于接收到的回波能量很小，所以在以模擬信號的形式傳送給信號處很小，所以在以模擬信號的形式傳送給信號處理器之前必須由接收機進行放大理器之前必須由接收機進行放大。多普勒天氣雷達資料分析與應用相干接收機相干接收機信號處理監(jiān)控系統(tǒng)多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用2 2、雷達產品生成子系統(tǒng)（雷達產品生成子系統(tǒng)（RPGRPG）具有雷達產品生成、運行監(jiān)控、數據庫管理、系統(tǒng)內通具有雷達產品生成、運行監(jiān)控、數據庫管理、系統(tǒng)內通信等多

14、種功能信等多種功能 氣象應用產品：類似于美國氣象應用產品：類似于美國NexRad導出產品導出產品 運行監(jiān)控：運行模式、系統(tǒng)的自動標校、自動報警等運行監(jiān)控：運行模式、系統(tǒng)的自動標校、自動報警等功能功能 數據庫管理：基數據、產品數據的存貯、分發(fā)等功能數據庫管理：基數據、產品數據的存貯、分發(fā)等功能 通信管理：通信管理：RDA、RPG、PUP間的窄帶和寬帶通信間的窄帶和寬帶通信等等多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用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、多畫面顯示氣象應用產品圖形圖像功能多屏、多畫面顯示氣象應用產品圖形圖像功能 具有放大、動畫、疊加等

15、多種圖像顯示功能具有放大、動畫、疊加等多種圖像顯示功能 通過人機交互方式設置系統(tǒng)運行模式和產品生通過人機交互方式設置系統(tǒng)運行模式和產品生成成多普勒天氣雷達資料分析與應用 多屏、多畫面顯示多屏、多畫面顯示多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用二、多普勒天氣雷達的工作原理 常規(guī)數字化天氣雷達利用的是降水回波的幅度信息，即利用信號強度來探測雨區(qū)的分布、雨區(qū)強度、垂直結構等情況。 同時，利用物理學上的多普勒效應來測定降水粒子的徑向(朝向雷達或遠離雷達方向)運動速度，并通過這種速度信息推斷風速分布、垂直氣流速度、大氣湍流、降水粒子分布、降水中特別是強降水中的風場結構特征。多普勒天氣雷達

16、資料分析與應用天氣雷達的基本工作原理多普勒天氣雷達資料分析與應用SINGLE RADARS多普勒天氣雷達資料分析與應用天氣雷達的基本框圖及其工作原理多普勒天氣雷達資料分析與應用二、多普勒天氣雷達的工作原理 電磁波的傳輸、反射和散射1 、粒子的尺度和波長小于或接近時，遵循散射2 、粒子很大時，遵循幾何光學規(guī)律兩類散射：Mie散射 (大粒子情況) Rayleigh散射（小粒子情況）基本特點：Mie散射的前向散射較多 Rayleigh散射前后方向對稱多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用描述單個粒子后向散射能力的大小多普勒天氣雷達資料分析與應用雷達反射率

17、，雷達反射率因子（粒子群）雷達反射率定義：定義單位體積內全部降水粒子的雷達定義單位體積內全部降水粒子的雷達截面之和稱為截面之和稱為雷達反射率雷達反射率，以，以 表示，即：表示，即： 物理意義：描述粒子群后向散射能力的大小 雷達反射率因子：單位體積內所有質點直徑的六次方單位體積內所有質點直徑的六次方之和之和。與波長無關的量。01)()(dDDDnNii06)(dDDDnZ多普勒天氣雷達資料分析與應用小粒子散射 雷達反射率和反射率因子的關系：25264201( )(1.28)2mn D D dDm252421(1.30)2mZm多普勒天氣雷達資料分析與應用大粒子散射對于不滿足瑞利散射條件的降水粒子

18、，根據雷達氣對于不滿足瑞利散射條件的降水粒子，根據雷達氣象方程求得的象方程求得的 Z 值就不能代表降水的實際譜分布值就不能代表降水的實際譜分布情況，只能是等效的情況，只能是等效的 Z 值，記為值，記為 Ze ，稱為等效雷，稱為等效雷達反射率因子。達反射率因子。等效反射率因子Ze: 用瑞利散射公式計算大粒子的反射率因子 能夠產生同樣回波功率Pr，與小球粒子的反射率因子等效的Z值。ZemmNiMi22245121多普勒天氣雷達資料分析與應用nZ 的意義的意義vZ 值的大小只取決于云、雨滴譜的情況；值的大小只取決于云、雨滴譜的情況；vZ 正比于正比于 D6，一方面表明粒子越大，一方面表明粒子越大，Z

19、 越大，回波功率也越大，回波功率也就越大，另一方面也表明少數大粒子將提供回波功率的絕就越大，另一方面也表明少數大粒子將提供回波功率的絕大部分。大部分。v根據雷達方程：根據雷達方程： ， 可以方便的通過雷達回波功率可以方便的通過雷達回波功率了解云、雨情況。了解云、雨情況。v 的意義的意義v能夠產生同樣回波功率的、與小球形粒子的能夠產生同樣回波功率的、與小球形粒子的 相當的相當的 Z 的數值；的數值；v引入引入 后，即使是較為復雜的后，即使是較為復雜的Mie 散射，仍然可以使雷達散射，仍然可以使雷達氣象方程保持氣象方程保持Rayleigh 散射時較為簡單的形式。散射時較為簡單的形式。2rCPZRe

20、Z6iDeZ多普勒天氣雷達資料分析與應用雷達反射率因子的分貝表示形式取 =1 為標準值，則： 0Z63/mmm6363/110 lg1/ZmmmdBZmmm6363/110 lg1/eeZ mmmdBZmmm63/mmmdBZ(dBZe)3540455055Z( )3.21031043.21041053.2105dBZ -Z (dBZe - Ze)的對應關系的對應關系 多普勒天氣雷達資料分析與應用0220.211222311101024(ln 2)2RkdRtrPGhmPZRm 雷達氣象方程常數常數項項雷達參雷達參數項數項距離因距離因子項子項充塞因充塞因子項子項氣象因氣象因子項子項衰減因衰減因

21、子項子項多普勒天氣雷達資料分析與應用距離折疊與速度模糊距離折疊與速度模糊1 最大不模糊距離與距離折疊最大不模糊距離與距離折疊2 最大不模糊速度與速度模糊最大不模糊速度與速度模糊3 多普勒兩難多普勒兩難多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用1 1 最大不模糊距離與距離折疊最大不模糊距離與距離折疊 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的最長在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達的最長距離距離PRFcR2max其中，其中，RmaxRmax為最大不模糊距離，為最大不模糊距離，c c為光速

22、，為光速，PRFPRF為脈沖重為脈沖重復頻率復頻率 距離折疊（模糊）：超過最大探測距離的探測回距離折疊（模糊）：超過最大探測距離的探測回波在屏幕上就會產生距離模糊。波在屏幕上就會產生距離模糊。多普勒天氣雷達資料分析與應用2 最大徑向速度與速度模糊最大徑向速度與速度模糊 最大不模糊速度最大不模糊速度 VmaxVmax：最大不模糊速度是雷達能夠最大不模糊速度是雷達能夠不模糊地測量的最大平均徑向速度，其對應的相移是不模糊地測量的最大平均徑向速度，其對應的相移是180180度。度。4maxPRFV 速度模糊：表現(xiàn)為從速度模糊：表現(xiàn)為從正正、負負速度的最大值速度的最大值 突變突變 為為負負、正正速度的最

23、大值。速度的最大值。多普勒天氣雷達資料分析與應用 某一PRF最多只能測量 PRF的多普勒頻率， 多普勒頻率表達式為： 代入上式，可得 21PRFfD21maxrDVf2PRFVr*41max多普勒天氣雷達資料分析與應用速度模糊示意圖 maxmaxmaxmax22rrTrrrrTrrrTVVnVVVVnVVV多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用 多普勒天氣雷達資料分析與應用三、雷達的 PPI 掃描方式多普勒天氣雷達資料分析與應用PPI 顯示結果的空間分布多普勒天氣雷達資料分析與應用Locating a Target The first piece

24、of information is the angle of the radar beam with respect to north; called the azimuth angle.多普勒天氣雷達資料分析與應用The second is the angle of the beam with respect to the ground; called the elevation angle. 多普勒天氣雷達資料分析與應用The third piece of information needed is the distance (D) from radar to target. Distan

25、ce is determined by measuring the time it takes for the pulse to make a round trip from the radar to the target and back using the relation distance = (time) * (velocity). The velocity is the speed of light, the speed at which the pulse travels (c). Since the pulse has to travel to the target and ba

26、ck, the total distance is 2D. If t is the time it takes, then 2D = ct or D = ct/2. Using the calculated distance, azimuth angle and elevation angle, the exact location of the target can be determined. C 3108 m/st 以以“微秒微秒”為單位，為單位，1微秒微秒=10-6秒秒R = C t21ZNEOCC多普勒天氣雷達資料分析與應用新一代天氣雷達系統(tǒng)的產品應用可分為四類：新一代天氣雷達系統(tǒng)的

27、產品應用可分為四類：1. 基本數據產品基本數據產品2. 物理量產品物理量產品3. 風場反演產品風場反演產品4. 強天氣自動識別和跟蹤產品強天氣自動識別和跟蹤產品四、多普勒天氣雷達的產品介紹98D 主要產品多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用 基本數據產品：是多普勒天氣系統(tǒng)的基礎，它主要將雷達以各種探測方式獲取的數據，在不改變屬性的前提下，在多種不同的坐標上顯示出它們的分布情況。 利用這些產品可以直接識別和分析出一些重要的的天氣現(xiàn)象，如鉤狀回波、帶狀回波、中尺度氣旋、鋒面、下?lián)舯┝?、大尺度的風向風速和冷暖平流。1、基本數據產品、基本數據產品多普勒天氣雷達資料分析與應用這類產品

28、主要有：這類產品主要有：平面位置顯示(PPI)垂直最大回波強度顯示 (CR)等高平面位置顯示(CAPPI)距離高度顯示(RHI)、任意垂直剖面顯示(VCS)1、基本數據產品、基本數據產品多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用相對于風暴的平均徑向速度圖相對于風暴的平均徑向速度圖( (SRM)SRM)與基本速度產品類似，只不過減去了由風暴與基本速度產品類似，只不過減去了由風暴跟蹤信息跟蹤信息( (STI)STI)識別的所有風暴的平均運動速度，識別的所有風暴的平均運動速度，或減去由操作員選定的風暴運動速度或減去由操作員選定的風

29、暴運動速度。多普勒天氣雷達資料分析與應用（a）3.4度仰角（b）14.9度仰角20042004年年4 4月月2323日日 長沙長沙12:3712:37時風暴相對徑向速度圖時風暴相對徑向速度圖( (基本速度減去風暴的平均移動速度后得到的基本速度減去風暴的平均移動速度后得到的) ) 剖面產品剖面產品譜寬剖面(SCS) 速度剖面(VCS) 反射率剖面(RCS)多普勒天氣雷達資料分析與應用長沙 2004年4月23日11:44時實測的強度剖面圖多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用2、物理量產品、物理量產品物理量產品：是指雷達以各種探測方式獲取的回波強度、徑

30、向速度和速度譜寬數據，經過一定的計算和處理。轉化為有明顯氣象意義的物理量，進而把這些物理量的分布顯示出來的圖像和圖形產品。它有助于用戶直接和某些天氣現(xiàn)象聯(lián)系起來進行分析和應用。多普勒天氣雷達資料分析與應用2、物理量產品、物理量產品這類產品主要有：1.回波頂高(ET)、2.垂直累積液態(tài)含水量(VIL)、3.風切系列產品(徑向、方位、徑向方位)、4.分層湍流組合(CAT)、5.雷達定量測量降水(1小時、3小時累積降水、風暴總降水)多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用3、風場反演產品、風場反演產品

31、風場反演產品： 多普勒雷達系統(tǒng)獲取的徑向速度分布數據，在某些假定的條件下通過反演可以獲取某高度平面上的平均風向風速(VAD)、二維水平風場、垂直剖面二維風場及三維風場(VVP)等，除VAD技術比較成熟外，其余均在試驗或試用階段。多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用二維、三維風場反演方法二維、三維風場反演方法多普勒天氣雷達資料分析與應用二維、三維風場反演方法二維、三維風場反演方法多普勒天氣雷達資料分析與應用二維、三維風場反演方法二維、三維風場反演方法多普勒天氣雷達資料分析與應用4、自動識別產品自動識別產品： 利用基本數據產品，應用各種算法生成自動報警的產品。如冰雹指數、中氣旋、強天氣概率等。多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用多普勒天氣雷達資料分析與應用五、短時預報常用的雷達產品 反射率產品(R，CR，VCS) 基本速度產品(V，SRM) VIL ET VAD風廓線 累積降水量多普勒天氣雷達資料分析與應用實際風與徑向速度的關系 目標物的運動取