講稿風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)簡(jiǎn)介匯總

1、風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)簡(jiǎn)介魏鳴2013-4-9主要內(nèi)容1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)概述2 探測(cè)原理3 風(fēng)速計(jì)算方法4 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的應(yīng)用目的 掌握風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)原理 了解風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)應(yīng)用現(xiàn)狀1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)概述 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá) (wind profiler radar，WPR) 是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量探測(cè)的遙感設(shè)備。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)常被稱(chēng)為風(fēng)廓線(xiàn)儀，但從硬件系統(tǒng)技術(shù)體制上它應(yīng)當(dāng)屬于現(xiàn)代雷達(dá)的一種。 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)的主要對(duì)象是晴空或多云大氣，對(duì)降水天氣也有一定的探測(cè)能力1.1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)內(nèi)容 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣中傳播過(guò)程中，由于大氣折射率的空間不均勻分布而產(chǎn)生散射，其后向散射能量被風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)

2、所接收，能實(shí)時(shí)提供大氣的三維風(fēng)場(chǎng)信息。 增加無(wú)線(xiàn)電聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)（RASS），與微波輻射儀或GPS/MET水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)、溫、濕等要素的連續(xù)遙感探測(cè)，是一種新的高空大氣探測(cè)系統(tǒng)。 多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)的局限性 以降水粒子為示蹤物 對(duì)于無(wú)降水粒子的大氣，測(cè)不出大氣流場(chǎng) 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)優(yōu)勢(shì) 以大氣折射指數(shù)起伏（湍流塊）為示蹤物 可以測(cè)量從邊界層到中層大氣的流場(chǎng) 對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的雷達(dá)，在有云或小雨天氣仍可觀(guān)測(cè) 彌補(bǔ)常規(guī)高空探測(cè)網(wǎng)在時(shí)空密度上的不足； 天氣系統(tǒng)的識(shí)別； 中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)； 減少數(shù)值預(yù)報(bào)模式中對(duì)短時(shí)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)誤差。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)將有助于：1.2 國(guó)外風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)進(jìn)展1

3、950和1960 年代：位于地面的雷達(dá)能夠通過(guò)探測(cè)晴空湍流的后向散射信號(hào)，測(cè)量包括風(fēng)速在內(nèi)的一些大氣參數(shù)。1974年，建立觀(guān)測(cè)高層大氣風(fēng)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)模型。1986年，美國(guó)海洋大氣管理局（NOAA）率先在美國(guó)中部布設(shè)包括 31部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的觀(guān)測(cè)網(wǎng)，并在1992年最終完成了NPN（NOAA Profiler Network, NOAA風(fēng)廓線(xiàn)網(wǎng)）。1987年，歐盟委員會(huì) COST74 項(xiàng)目（ COST 表示由歐盟委員會(huì)支持的歐洲國(guó)家間協(xié)調(diào)開(kāi)展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域合作研究項(xiàng)目）開(kāi)始支持風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的開(kāi)發(fā)和利用。1988年，日本氣象廳（JMA）下屬的氣象研究所建造了一臺(tái)UHF風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)1994年，歐盟委員會(huì) C

4、OST76 項(xiàng)目繼續(xù)給予支持。2001年，日本氣象廳完成了25部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)所組成的業(yè)務(wù)網(wǎng)WINDAS。國(guó)外風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)日本的日本的WINDAS探測(cè)網(wǎng)探測(cè)網(wǎng)美國(guó)的美國(guó)的NPN探測(cè)網(wǎng)探測(cè)網(wǎng)歐洲的歐洲的WINPROF計(jì)劃計(jì)劃 美國(guó)美國(guó) NPN(35NPN(35部對(duì)流層部對(duì)流層) )，間隔，間隔200200公里，公里，每個(gè)站配有一套每個(gè)站配有一套GPSGPS水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。CAP(60CAP(60多部各種型號(hào)多部各種型號(hào)) )，由，由3535個(gè)部個(gè)部門(mén)建設(shè)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)組成。門(mén)建設(shè)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)組成。 探測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)信息一起探測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)信息一起被發(fā)送到位于被發(fā)送到位于Blou

5、lderBloulder的風(fēng)廓線(xiàn)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)控制中（雷達(dá)控制中（PCCPCC）。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處）。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制，每小時(shí)平均風(fēng)數(shù)理和質(zhì)量控制，每小時(shí)平均風(fēng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)送給據(jù)和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)送給NOAANOAA風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)（風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)（NPNNPN）的用戶(hù)）的用戶(hù) 理論研究和實(shí)際使用的結(jié)果都表明理論研究和實(shí)際使用的結(jié)果都表明NOAANOAA風(fēng)廓線(xiàn)雷風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)對(duì)于天氣預(yù)報(bào)具有很重要的價(jià)值，尤其是監(jiān)達(dá)網(wǎng)對(duì)于天氣預(yù)報(bào)具有很重要的價(jià)值，尤其是監(jiān)測(cè)墨西哥灣水汽輸送過(guò)程中的低空急流。測(cè)墨西哥灣水汽輸送過(guò)程中的低空急流。NOAANOAA風(fēng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測(cè)這種低空急流引起的

6、廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測(cè)這種低空急流引起的夜間雷暴非常重要。夜間雷暴非常重要。 日本W(wǎng)INDAS(31WINDAS(31部部1.3G1.3G風(fēng)廓線(xiàn)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)雷達(dá)) )，間隔，間隔130130公里。公里。經(jīng)過(guò)臺(tái)站級(jí)處理的經(jīng)過(guò)臺(tái)站級(jí)處理的1010分分鐘平均的風(fēng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)界娖骄娘L(fēng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)控制中心，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)控制中心，通過(guò)進(jìn)一步的一致性檢通過(guò)進(jìn)一步的一致性檢驗(yàn)后用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。驗(yàn)后用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。WINDASWINDAS用于預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、用于預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、梅雨和中緯度低壓引起梅雨和中緯度低壓引起的強(qiáng)降水的強(qiáng)降水。 歐洲歐洲已有約已有約2828部風(fēng)廓線(xiàn)部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)投入運(yùn)行，并雷達(dá)投入運(yùn)行，并將

7、資料發(fā)送給英國(guó)將資料發(fā)送給英國(guó)氣象局，并通過(guò)因氣象局，并通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示獲得特網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)。的探測(cè)數(shù)據(jù)。歐洲的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)歐洲的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)采用的頻段包括網(wǎng)采用的頻段包括50MHz50MHz、400MHz400MHz及及1000MHz1000MHz。 目前國(guó)內(nèi)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)技術(shù)已趨于成熟，有能力立足于國(guó)內(nèi)技術(shù)組建適宜氣象業(yè)務(wù)需求的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)。 我國(guó)高空探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（1996-2010）提出“逐步發(fā)展風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探測(cè)系統(tǒng)”，“在中尺度天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)基地優(yōu)先布設(shè)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)宜安插在常規(guī)探空測(cè)站之間或天氣變化的敏感區(qū)；風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)站間距以200-250公里為宜，建立風(fēng)

8、廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)” 。1.3 國(guó)內(nèi)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀張北張北唐山唐山南南郊郊延延慶慶密密云云海海淀淀 我國(guó)我國(guó)從從20042004年開(kāi)始建設(shè)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)。年開(kāi)始建設(shè)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)。 目前國(guó)內(nèi)約布設(shè)了十四部。目前國(guó)內(nèi)約布設(shè)了十四部。 北京及其周邊地區(qū)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)示范網(wǎng)已初具規(guī)模。北京及其周邊地區(qū)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)示范網(wǎng)已初具規(guī)模。 計(jì)劃在計(jì)劃在20102010年前再完成年前再完成3030部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的建設(shè)。部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的建設(shè)。高對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)低對(duì)流層低對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)邊界層邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)中電集團(tuán)中電集團(tuán)1414所所O OGLC-24GLC-24CLC-8CLC-8航天科工集團(tuán)二院航

9、天科工集團(tuán)二院2323所所CFL-16CFL-16CFL-08CFL-08CFL-03BCFL-03B安徽四創(chuàng)電子股份有限公司安徽四創(chuàng)電子股份有限公司O OSCRTWP-01SCRTWP-01K/LLX802K/LLX802 愛(ài)爾達(dá)公司愛(ài)爾達(dá)公司Airda16000Airda16000Airda8000Airda8000Airda3000Airda3000敏視達(dá)雷達(dá)有限公司敏視達(dá)雷達(dá)有限公司O OTWP8TWP8O OGLC-24 （14所）Troposphere Wind Profiler IICFL-16 （23所）所）Troposphere Wind Profiler IVirtual

10、TemperatureCFL-08 （23所）所）Troposphere Wind Profiler IICFL-03B （23所）所）Boundary Layer Wind Profiler SCRTWP-01 （四創(chuàng)）（四創(chuàng)） Troposphere Wind profilerK/LLX802 （四創(chuàng)）（四創(chuàng)）Boundary Layer Wind profilerAirda 3000 （愛(ài)爾達(dá)）（愛(ài)爾達(dá)）Boundary Layer WindprofilerTWP8 （敏視達(dá)）（敏視達(dá)）Troposphere Windprofiler 自動(dòng)化程度較高； 全天候無(wú)人值守地長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行； 較

11、高的可靠性和穩(wěn)定性； 探測(cè)資料種類(lèi)多，分辨率高，精度高； 1.4 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)優(yōu)勢(shì)2 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)原理 Bragg散射折射率空間分布周期性的變化引起對(duì)相同波長(zhǎng)電磁波造成散射。大氣中的湍流活動(dòng)造成折射率的空間漲落，也稱(chēng)作湍流散射； Fresnal散射折射率梯度很大的水平層狀結(jié)構(gòu)上對(duì)電磁波的反射; Thomson散射電離層中的大量自由電子對(duì)入射電磁波的散射。 2.1 晴空的電磁波散射湍流散射（Bragg散射）探測(cè)原理3/12nC39. 023/402MLaCnCn為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，M是水平折射率的垂直梯度，L0是湍流外尺度Bragg散射-在彈性散射(elastic scattering)

12、中， 入射光的能量沒(méi)有損耗,但入射光的傳播方向發(fā)生變化。 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)與散射目標(biāo)的直徑接近時(shí),為布拉格散射 (Bragg scattering);布拉格父子1915年共同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：William Henry Bragg & William Lawrence Bragg； 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于散射目標(biāo)的直徑時(shí),為雷利散射 (Rayleigh scattering). RASS（無(wú)線(xiàn)電聲探測(cè)）系統(tǒng)發(fā)射頻率：404、449MHz,波長(zhǎng)：74cm發(fā)射脈寬：3.3(低),20(高)s數(shù)據(jù)處理：128點(diǎn)FFT天線(xiàn)面積：144m2聲波頻率：850900Hz(37cm)測(cè)溫原理：靜止大氣，聲

13、波徑向速度Vs:A僅依賴(lài)于相對(duì)濕度，其對(duì)徑向速度的貢獻(xiàn)小于1m/s2/1ATVs2.2 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)分類(lèi) 根據(jù)大氣湍流散射理論，對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波能夠產(chǎn)生有效后向散射的湍流渦旋尺度等于雷達(dá)波長(zhǎng)的一半。在風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)高度確定之后，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)可使用的工作頻段也就隨之確定。即探測(cè)高度達(dá)到對(duì)流層以上的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)選擇VHF頻段，典型工作頻率約為45MHz。對(duì)流層和低對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)選擇UHF(P 波段)頻段，典型工作頻率約在 450-900 MHz。邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)選擇L波段，典型工作頻率在1200 MHz 左右。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)分類(lèi)6 000 m300 m50 m8 000 m3 000 m60 000

14、m12 000 m100 000 m46-68MHz中層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)5 000 m1270-1375MHz440-450MHz440-450MHz對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)16 000 m最大探測(cè)高度最大探測(cè)高度:12:1216km16km起始高度起始高度:150m:150m高度分辨率高度分辨率:120m:120m高對(duì)流層高對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)低對(duì)流層低對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)邊界層邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)最大探測(cè)高度最大探測(cè)高度:68km起始高度起始高度:300m高度分辨率高度分辨率:240m最大探測(cè)高度最大探測(cè)高度:35km起始高度起始高度:60m高度分辨率

15、高度分辨率:60m邊界層大氣風(fēng)場(chǎng)邊界層大氣風(fēng)場(chǎng)觀(guān)測(cè)觀(guān)測(cè)晴空局地空域氣晴空局地空域氣流監(jiān)測(cè)流監(jiān)測(cè)中尺度災(zāi)害性天中尺度災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)氣監(jiān)測(cè)邊界層數(shù)值預(yù)報(bào)邊界層數(shù)值預(yù)報(bào)重點(diǎn)區(qū)域氣體消重點(diǎn)區(qū)域氣體消散過(guò)程監(jiān)測(cè)散過(guò)程監(jiān)測(cè)2.3 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理 散射層和湍流隨環(huán)境平均氣流運(yùn)動(dòng)都可造成返回電磁波信號(hào)的多普勒頻移。 通過(guò)進(jìn)行多射向的速度測(cè)量，在一定的假定條件下可估測(cè)出回波信號(hào)所在高度上的風(fēng)向、風(fēng)速和垂直運(yùn)動(dòng)。 回波信號(hào)經(jīng)過(guò)相干積分、譜變換、譜平均處理之后，得到相對(duì)平穩(wěn)的功率譜密度函數(shù)。計(jì)算各譜矩參數(shù)，其中一階矩代表了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移。2rdVf 101()( )2NjrjNfjfffP 通過(guò)多普勒

16、頻移和多普勒速度之間的關(guān)系得到多普勒速度。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，即可獲得個(gè)高度層上的水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直氣流速度、功率譜密度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等各種數(shù)據(jù)產(chǎn)品和圖像產(chǎn)品風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)回波信號(hào)的特點(diǎn)： 微弱； 漲落現(xiàn)象十分明顯；1. 伴隨多種雜波 2.4 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)一致性風(fēng)大尺度氣象特征（幾小時(shí)-數(shù)天）估算的合成風(fēng)各庫(kù)上的譜參數(shù)譜變換后的功率譜 微/小尺度氣象特征（幾分鐘-1小時(shí)）中尺度的氣象特征（一小時(shí)-數(shù)小時(shí)）間歇性噪聲源譜平均后的功率譜持續(xù)性噪聲源飛機(jī)鳥(niǎo)類(lèi)、昆蟲(chóng)等點(diǎn)狀目標(biāo)物地物雜波 背景噪聲 降水 （或有速度折疊） 非穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)（大尺度湍流）3 風(fēng)速計(jì)算方法3.1 水平風(fēng)場(chǎng)均勻假設(shè)下風(fēng)的計(jì)算 在

17、觀(guān)測(cè)周期內(nèi)，如果水平風(fēng)場(chǎng)保持均勻，那么可以通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系，由徑向速度導(dǎo)出水平風(fēng)。 由徑向速度求解水平風(fēng)，需要對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)的分布做一定的假設(shè)，1）水平風(fēng)均勻的假設(shè)，2）線(xiàn)性風(fēng)場(chǎng)的假設(shè)在直角坐標(biāo)系中，將風(fēng)速分解為u，v，w三個(gè)分量，規(guī)定垂直風(fēng)向上為正。分廓線(xiàn)雷達(dá)測(cè)得的徑向速度用Vr表示，規(guī)定徑向速度遠(yuǎn)離雷達(dá)方向?yàn)檎?，朝向雷達(dá)為負(fù)。為方便討論，以指向東的波束方向?yàn)閤軸正方向，指向北的波束方向?yàn)閥軸正方向，建立直角坐標(biāo)系；在球坐標(biāo)系下，雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，r為空間點(diǎn)到原點(diǎn)距離，表示天頂角，表方位角，由x軸正方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。3.1.1 3.1.1 三波束三波束 一個(gè)波束指向天頂，用于測(cè)量垂直速度；兩個(gè)在方

18、位上間隔90的傾斜波束，分別指向正北和正東，傾斜波束的天頂角是狀態(tài)量，以表示。假定Vrz，Vrx，Vry分別表示天頂、正東和正北三個(gè)波束方向的徑向速度的測(cè)量值。那么經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾何投影，可以根據(jù)以下方程計(jì)算出該高度上風(fēng)矢量的三個(gè)分量。垂直風(fēng)由垂直波束直接測(cè)量得到。sin ,0,cos Ee0,sin ,cos NeeE, eN分別表示沿正東和東北波束的單位向量。 , , Vu v w假設(shè)均勻風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)矢量為sincosrxVuwsincosryVvwrzVw*EV rxVe*NV ryVecossinrxrzVVucossinryrzVVvrzwV 因此，可由以下方程組計(jì)算該高度的風(fēng)矢量，。 由向

19、量?jī)?nèi)積的物理意義，有即 采用五波束時(shí)，同樣一個(gè)波束指向天頂，用于測(cè)量垂直速度；四個(gè)傾斜波束在方位上均勻分布，天頂角是狀態(tài)量，均為 ，先將兩個(gè)相對(duì)方向的傾斜波束的徑向速度進(jìn)行平均，如西波束VrW和東波束VrE，北波束VrN和南波束VrS，方程如下所示3.1.2 3.1.2 五波束五波束2rErWrxVVV2rNrSryVVV 對(duì)于五波束風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，當(dāng)個(gè)別波束的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差很大或缺測(cè)時(shí)，如果能滿(mǎn)足三波束的計(jì)算要求，可以舍棄個(gè)別波束的測(cè)量數(shù)據(jù)，按三波束進(jìn)行計(jì)算。 再按三波束風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)合成方法的計(jì)算方法計(jì)算。垂直速度可以由垂直波束直接測(cè)量，也可以由傾斜波束測(cè)量得的徑向速度計(jì)算。4cosrErWr

20、NrSVVVVw 均勻風(fēng)場(chǎng)假定限制較強(qiáng)，在中高層大氣中是合適的，但是在邊界層下部特別是湍流較強(qiáng)時(shí)，存在一定的差異；相比之下，線(xiàn)性風(fēng)場(chǎng)的假設(shè)更接近大氣風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)情況。 在經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元的質(zhì)量控制之后，仍然會(huì)有一些誤差被漏掉或不能完全消除，特別是一些外部或內(nèi)部的隨機(jī)誤差，以及由于氣象原因造成的較大偏差數(shù)據(jù)，因此在計(jì)算合成風(fēng)時(shí)需要進(jìn)一步質(zhì)量控制。 假設(shè)合理性合成風(fēng)計(jì)算過(guò)程中存在的問(wèn)題合成風(fēng)計(jì)算過(guò)程中存在的問(wèn)題2. 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制3.2 線(xiàn)性風(fēng)場(chǎng)假設(shè)下風(fēng)場(chǎng)模型0uuuuuxyzxyz0vvvvvxyzxyz0wwwwwxyzxyz在原點(diǎn)做線(xiàn)性風(fēng)場(chǎng)展開(kāi)，風(fēng)場(chǎng)可以表示為，xyzxyzxyzuuuAvvvw

21、ww那么，矩陣A在該局地線(xiàn)性模型中是常量。令3.2.1 VAD3.2.1 VAD技術(shù)技術(shù) 線(xiàn)性風(fēng)場(chǎng)假設(shè)下的VAD技術(shù)是多普勒天氣雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)的一項(xiàng)較成熟技術(shù)。如果假定在分析的薄氣層內(nèi)，風(fēng)速不隨高度變化，垂直風(fēng)速水平均勻。那么，可以通過(guò)直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，可以得到極坐標(biāo)徑向速度的表達(dá)式：2002021( )cos() sinsin sin21sin cos() sinsin221() sincos22rxyyxxyVwuu rvuvu rvu r可以看出某一徑向距離r徑向速度僅是方位的函數(shù)，如果將探測(cè)到的徑向速度按方位作傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，通過(guò)比較前幾項(xiàng)系數(shù)，可以確定水平風(fēng)、垂直風(fēng)、水平散度和變

22、形量。HxyVuu()xyvu()yxvu水平散度：變形量： 多波束風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)可以借鑒天氣雷達(dá)中的VAD技術(shù)，以獲取除風(fēng)場(chǎng)以外的水平散度、變形量等信息。沿每個(gè)波束方向，高度h范圍內(nèi)Vr也可以看作是局地線(xiàn)性變化的，一般取5個(gè)左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)，約300m。對(duì)某一波束的的徑向速度數(shù)據(jù)Vr用奇異值分解法進(jìn)行最優(yōu)化擬合，得到線(xiàn)性系數(shù)a，b。3.2.2 NCAR3.2.2 NCAR的風(fēng)估計(jì)算法的風(fēng)估計(jì)算法以東波束為例，由下標(biāo)E標(biāo)識(shí)，其他方向波束同理。( )( )*EEEV rV re0()EEEEuV rvw2200( )sincos sin()cos sincos()()EEExzzzEEV ruwuu

23、wwrrab rr得到東波束上徑向速度的線(xiàn)性模型，如下式，00(x)(x )(xx )VVA以待計(jì)算高度為x0點(diǎn)，應(yīng)用步驟一：步驟一：通過(guò)徑向速度擬合線(xiàn)性模型，得到關(guān)于傾斜波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)分量的方程組：sincosEEEuwa22sin()cos sincosxzzzEuuwwb其中a， b為線(xiàn)性模型的系數(shù)。類(lèi)似地，可以對(duì)其他三個(gè)傾斜波束做同樣處理。步驟二：步驟二： 由四個(gè)傾斜波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)估算該高度上的垂直波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)。2sinEWVaau2sinNSVaav2cosEWVaaw00(x)(x )(xx )VVA 水平面上五個(gè)點(diǎn)也滿(mǎn)足線(xiàn)性風(fēng)場(chǎng)模型，可由四個(gè)傾斜波束上的矢量風(fēng)計(jì)算垂直波束

24、上矢量風(fēng)。如果只附加垂直速度水平均勻假定，就可以得到垂直波束該點(diǎn)矢量風(fēng)各分量與傾斜波束上線(xiàn)性模型系數(shù)的關(guān)系如下4 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的應(yīng)用探測(cè)個(gè)例： 切變線(xiàn) 鋒區(qū) 雷暴 颮線(xiàn) 大氣邊界層 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率，能及時(shí)準(zhǔn)確地提供大氣流場(chǎng)和大氣湍流場(chǎng)的信息，識(shí)別易引發(fā)災(zāi)害性天氣的中小尺度系統(tǒng)。 探測(cè)風(fēng)切變探測(cè)風(fēng)切變風(fēng)切變線(xiàn)：風(fēng)向、風(fēng)速的不連續(xù)線(xiàn)。2.探測(cè)冷鋒冷鋒冷鋒：在鋒面移動(dòng)過(guò)程中，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，冷氣團(tuán)推動(dòng)鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。冷鋒天氣：分冷鋒天氣：分第一型冷鋒天氣和第二型冷鋒天氣第一型冷鋒天氣第一型冷鋒天氣：坡度小，在高空槽線(xiàn)前部并接近地面低壓中心附近的冷鋒段的天氣多為穩(wěn)定性的。降水區(qū)出現(xiàn)在

25、鋒后，多為穩(wěn)定性降水，當(dāng)鋒前暖空氣不穩(wěn)定時(shí)，地面鋒線(xiàn)附近常出現(xiàn)雷陣雨。第二型冷鋒天氣：第二型冷鋒天氣：坡度大，高空鋒區(qū)多為下沉運(yùn)動(dòng)，該冷鋒段上的天氣多為不穩(wěn)定天氣。狂風(fēng)暴雨，雷電交加，風(fēng)速迅速增大，常出現(xiàn)大風(fēng)天氣。探測(cè)暖鋒暖鋒暖鋒：由暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)形成的。在我國(guó)出現(xiàn)的機(jī)率比較小，秋季一般只在東北地區(qū)、江淮地區(qū)、江淮流域出現(xiàn)，夏季多出現(xiàn)在黃河流域、渤海地區(qū)的氣旋中。暖鋒天氣暖鋒天氣：在夏季，如暖空氣不穩(wěn)定，暖鋒上也可能出現(xiàn)積雨云、雷雨以及陣性降水等對(duì)流天氣。探測(cè)雷暴雷暴雷暴：在雷暴云中放電、雷鳴、狂風(fēng)暴雨的一種強(qiáng)對(duì)流天氣，多發(fā)生在夏季。云中盛行上升氣流，濕度高于周?chē)＠妆┨鞖饫妆┨鞖猓豪纂姟?/p>

26、狂風(fēng)、暴雨。探測(cè)颮線(xiàn)颮線(xiàn)颮線(xiàn)：由排列成帶狀的雷暴群的十分狹窄的對(duì)流性天氣帶。颮線(xiàn)天氣颮線(xiàn)天氣：風(fēng)向突變、風(fēng)速急增、氣壓驟降，并伴有雷暴、暴雨、冰雹等。2005.4.25 2005.8.17大氣邊界層的研究 V24m/s16m/s主要降雨出現(xiàn)在23:00以后，最大降雨出現(xiàn)在00:00以后。V20m/s分析強(qiáng)風(fēng)暴的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu) 東北風(fēng)偏東風(fēng)東南風(fēng)東南風(fēng)增大東南風(fēng)減小南風(fēng) 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)與無(wú)線(xiàn)電探空儀兩種測(cè)風(fēng)方法的比較風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)無(wú)線(xiàn)電探空儀探測(cè)原理 通過(guò)大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用，根據(jù)多普勒效應(yīng)獲取不同波束方向的徑向速度。在一定風(fēng)場(chǎng)假設(shè)條件下，利用處在同一高度面上的幾個(gè)點(diǎn)的徑向速度計(jì)算水平風(fēng)，垂直風(fēng)可由垂直

27、波束直接探測(cè)采用氣球作為示蹤物，根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)氣球飄移的距離計(jì)算水平風(fēng)探測(cè)方法 在確定的空間探測(cè)大氣的流動(dòng)情況，屬定點(diǎn)觀(guān)測(cè)探測(cè)的是個(gè)別流點(diǎn)在不同時(shí)刻位置的變化，屬流點(diǎn)觀(guān)測(cè)探測(cè)資料 可提供水平風(fēng)廓線(xiàn)、垂直風(fēng)廓線(xiàn)（垂直風(fēng)廓線(xiàn)可以直接測(cè)量，也可計(jì)算獲得）僅提供水平風(fēng)廓線(xiàn)，無(wú)法獲取垂直風(fēng)廓線(xiàn)數(shù)據(jù)分辨率測(cè)風(fēng)的時(shí)間分辨率取決于波束數(shù)、脈沖重復(fù)周期、脈沖積累次數(shù)以及算法，一般在幾分鐘左右業(yè)務(wù)應(yīng)用每天兩次定時(shí)觀(guān)測(cè)。每次觀(guān)測(cè)約需30min。每組數(shù)據(jù)是取樣時(shí)間點(diǎn)前后幾分鐘的平均值技術(shù)問(wèn)題 數(shù)據(jù)代表性隨高度不同因?yàn)闅馇蚱斤h，獲取的風(fēng)廓線(xiàn)不是嚴(yán)格的局地垂直廓線(xiàn)香河香河VHFVHFSTST雷達(dá)雷達(dá) 工作頻率：78MHz

28、 天線(xiàn)面積：10000m2 波束寬度：1.988.7，1.984.1，1.981.98 掃描角度：020(正交) 峰值功率：225kW，450kW，900kW可選 FFT點(diǎn)數(shù)：可控2N，N=110 最低測(cè)風(fēng)高度：1.5km 天饋1296*2振子收/發(fā)開(kāi)關(guān)發(fā)射機(jī)36臺(tái)頻率源接收機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相位調(diào)整雷達(dá)控制系統(tǒng)VHF脈沖雷達(dá)系統(tǒng)方框圖脈沖雷達(dá)系統(tǒng)方框圖051015202501020304050風(fēng) 速 （ 米/ 秒 ）高度 （公里） VHF雷達(dá) 香河探空 北京探空010203040500510152025VHF雷達(dá)、北京探空、香河探空風(fēng)速對(duì)比（2000年4月16日）風(fēng)廓線(xiàn)探測(cè)精度分析 數(shù)據(jù)使用北京延慶（115.96E，40.45N）CFL-08對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，海拔高度為487.90m，探測(cè)波長(zhǎng)為674mm，發(fā)射頻率445MHz，傾斜波束天頂角為14 。高模式距離庫(kù)長(zhǎng)240m，43個(gè)距離庫(kù)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為512，采樣起始高度為1950m，終止高度為12030m；低模式距離庫(kù)長(zhǎng)120m，27個(gè)距離庫(kù)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為256，采樣起始高度為150m，終止高度為3270m。 選擇2010年3、6、9、12四個(gè)典型代表月連續(xù)觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行分析，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)每小時(shí)大約觀(guān)測(cè)1214個(gè)時(shí)次，除去3月份6天數(shù)據(jù)缺測(cè)和其它月份個(gè)別時(shí)次缺測(cè)，共有115天約36960個(gè)時(shí)次觀(guān)