新一代天氣雷達(dá)原理與應(yīng)用

1、新一代天氣雷達(dá)原理與應(yīng)用 肖鵬達(dá)州市氣象臺(tái)Tel:1 目 錄 1. 引論 2. 基本原理 3. 速度圖識(shí)別 4.多普勒天氣雷達(dá)資料在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用21.1 中國新一代天氣雷達(dá)布網(wǎng)計(jì)劃我國新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)組網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)是：在我國東部和中部地區(qū)，裝備先進(jìn)的新一代S頻段和C頻段多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)，組成探測(cè)空間相互銜接覆蓋的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供降水強(qiáng)度、平均徑向速度和頻譜寬度等信息。對(duì)降水，特別是暴雨、熱帶氣旋、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣和重要天氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和警報(bào)。我國業(yè)務(wù)組網(wǎng)的新一代天氣雷達(dá)（CINRAD），其主要性能已經(jīng)專家討論提出，確定采用WSR-88D的指標(biāo)。1.引論3中國新一代天氣雷達(dá)的型號(hào)

2、S波段：CINRAD-SA（ WSR-98D）CINRAD-SBCINRAD-SCC波段：CINRAD-CB CINRAD-CCCINRAD-CCJCINRAD-CD4山東濱州安徽合肥5廣州雷達(dá)6龍巖雷達(dá)7南昌雷達(dá)8天津雷達(dá)9宜昌雷達(dá)10建陽雷達(dá)11阿克蘇雷達(dá)12哈爾濱雷達(dá)13昆明雷達(dá)14達(dá)州雷達(dá)151.2 應(yīng)用領(lǐng)域強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)警 主要災(zāi)害：災(zāi)害性大風(fēng)、冰雹和暴洪天氣尺度和次天氣尺度降水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)降水測(cè)量風(fēng)的測(cè)量 （VAD 風(fēng)廓線）數(shù)據(jù)同化16艾利臺(tái)風(fēng)17四川雷達(dá)拼圖181.3 新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 雷達(dá)的主要構(gòu)成和數(shù)據(jù)流雷達(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）雷

3、達(dá)產(chǎn)品的用戶主用戶處理器（PUP）雷達(dá)探測(cè)范圍與局限性19雷達(dá)的主要構(gòu)成和數(shù)據(jù)流新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)由五個(gè)主要部分構(gòu)成：雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（RDA）、寬/窄帶通訊子系統(tǒng)（WNC）、雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG）、主用戶處理器（PUP）和附屬安裝設(shè)備。 主要構(gòu)成和數(shù)據(jù)流見下圖。20雷達(dá)的主要構(gòu)成21雷達(dá)數(shù)據(jù)流示意圖22雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)RDARDA 是用戶所使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集單元。新一代天氣雷達(dá)的RDA由四個(gè)部分構(gòu)成：發(fā)射機(jī)，天線，接收機(jī)和信號(hào)處理器。它的主要功能是產(chǎn)生和發(fā)射射頻脈沖，接收目標(biāo)物對(duì)這些脈沖的反射能量，并通過數(shù)字化形成基數(shù)據(jù)。RDA的上述功能是由RDA計(jì)算機(jī)監(jiān)視和控制的。 發(fā)射機(jī) 天

4、線 接收機(jī) 信號(hào)處理器 RDA內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄 寬帶通訊 雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)23發(fā)射機(jī)取得雷達(dá)數(shù)據(jù)的第一步是發(fā)射一個(gè)射頻（rf）信號(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（峰值功率750kw）非常穩(wěn)定的10厘米的射頻（rf）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)中的多普勒信息能夠被提取。一旦rf脈沖被產(chǎn)生，就被送到天線。24天線天線是RDA的一個(gè)部件，它將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的rf 信號(hào)以波束的形式發(fā)射到大氣并接受返回的能量。天線仰角的變化范圍是從-1.0度到60度（CINRAD WSR98-D是從-1.2度到90.2度）。天線仰

5、角的設(shè)置取決于天線的掃描方式（scan strategy共有三種）、體掃模式（volume coverage pattern ：VCP）和工作模式（operational mode 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，天線仰角只能通過上述三要素預(yù)設(shè)。2526掃描方式（scan strategy）掃描方式告訴雷達(dá)在一次體積掃描（volume scan）中使用多少仰角和時(shí)間。WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三種掃描方式： 掃描方式#1：5分鐘完成14個(gè)不同仰角上的掃描（14/5） 掃描方式#2：6分鐘完成9個(gè)不同仰角上的掃描（9/6） 掃描方式#3：1

6、0分鐘完成5個(gè)不同仰角上的掃描（5/10）27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(gè)仰角，而具體是哪些仰角則由體掃模式來規(guī)定。WSR-88D 可有20個(gè)不同的VCP，目前只定義了其中的4個(gè)： VCP11 - VCP11（scan strategy #1，version 1）規(guī)定5分鐘內(nèi)對(duì)14個(gè)具體仰角的掃描方式。 VCP21 - VCP21 （scan strategy #2，version 1）規(guī)定6分鐘內(nèi)對(duì)9個(gè)具體仰角的掃描方式。 VCP31 - VCP31 （scan strategy #3，version 1）規(guī)定10分鐘內(nèi)對(duì)5

7、個(gè)具體仰角的掃描方式。 VCP32 - VCP32（scan strategy #3，version 2）確定的10分鐘完成的5個(gè)具體仰角與VCP31相同。不同之處在于VCP31使用長雷達(dá)脈沖而VCP32使用短脈沖。 WSR-98D未定義VCP32。28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，而VCP又確定了具體的掃描方式。工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相應(yīng)的掃描方式分別為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。29303132

8、33接收機(jī)當(dāng)天線接收返回（后向散射）能量時(shí)，它把信號(hào)傳送給接收機(jī)。由于接收到的回波能量很小，所以在以模擬信號(hào)的形式傳送給信號(hào)處理器之前必須由接收機(jī)進(jìn)行放大。34信號(hào)處理器當(dāng)接收到接收機(jī)傳來的模擬信號(hào)后，信號(hào)處理器完成三個(gè)重要的功能：地物雜波消除，模擬信號(hào)向數(shù)字化的基本數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以及退多譜勒數(shù)據(jù)的距離折疊。地物雜波消除：氣象目標(biāo)回波和地物回波的主要區(qū)別是地物目標(biāo)不運(yùn)動(dòng)。信號(hào)處理器利用目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)與否作為主要判據(jù)消除地物的回波。A/D變換：信號(hào)處理器的主要任務(wù)之一是將由接收機(jī)獲取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成三種數(shù)字化的基數(shù)據(jù)。它們是基反射率因子（base reflectivity），基速度（base velo

9、city）和基譜寬（base spectrum width）。退距離折疊（range unfolding）：為了精確地測(cè)量徑向速度，WSR-88D雷達(dá)有時(shí)采用較高的PRF（脈沖重復(fù)頻率）。此時(shí)，其最大不模糊距離較短。雷達(dá)可收到位于其最大不模糊距離之外的目標(biāo)物的較強(qiáng)回波，并將目標(biāo)物誤認(rèn)為是位于其最大不模糊距離之內(nèi)，從而產(chǎn)生距離折疊（range folding）。信號(hào)處理器的一個(gè)重要任務(wù)是消除這些折疊，這個(gè)處理過程稱為退距離折疊。35RDA內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄第一級(jí)數(shù)據(jù)：這是指原始的由接收機(jī)輸出的模擬數(shù)據(jù)，目前還沒有對(duì)這類數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。第二級(jí)數(shù)據(jù)（基數(shù)據(jù)）：WSR-88D二級(jí)數(shù)據(jù)是由信號(hào)處理器產(chǎn)生的WSR

10、-88D系統(tǒng)的最高時(shí)空精度的高分辨率基數(shù)據(jù)（反射率因子，平均徑向速度和速度譜寬）。這些數(shù)據(jù)在由各種氣象算法進(jìn)行處理前存儲(chǔ)下來。36寬帶通訊寬帶通訊裝置提供RDA和RPG間的高速雙向（1.54兆/秒）數(shù)據(jù)傳輸。RDA 和RPG可同在一處，也可相距幾十公里。根據(jù)距離的不同，所使用的通訊介質(zhì)也有所不同，從用于短距離通訊的導(dǎo)線到用于稍長距離通訊的光纜。37RDA監(jiān)控系統(tǒng)RDA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)由RDA監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行RDASC程序來完成。該程序的運(yùn)行即可以從位于RDA的操作維護(hù)控制臺(tái)進(jìn)行控制（稱為本控），也可以從位于RPG的雷達(dá)控制臺(tái)UCP進(jìn)行控制（稱為遙控）。本控可完成全部的RDA監(jiān)控任務(wù)，遙控可完成

11、大部分RDA監(jiān)控任務(wù)。RDA監(jiān)控的主要功能包括監(jiān)測(cè)和標(biāo)定RDA硬件、形成RDA基數(shù)據(jù)和信息頭數(shù)據(jù)（時(shí)間、仰角和標(biāo)定參數(shù)等）、管理寬帶通訊、控制RDA和控制信號(hào)處理。38RDA線路示意圖39雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)RPGRPG是一個(gè)多功能的單元。它由寬帶通訊線路從RDA接受數(shù)字化的基數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理生成各種產(chǎn)品，并將產(chǎn)品通過窄帶通訊線路傳給用戶。RPG還可以通過雷達(dá)控制臺(tái)（UCP）對(duì)RDA進(jìn)行監(jiān)控（遙控方式）。RPG是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的指令中心。CINRAD WSR-98D的RPG目前采用DELL公司生產(chǎn)的PC機(jī)，最低配置內(nèi)存為128MB，CPU采用奔騰III-500以上芯片。雷達(dá)控制臺(tái)UCP是RPG的

12、操作界面，可以實(shí)時(shí)地對(duì)RPG和RDA進(jìn)行控制。UCP采用流行的窗口界面。主要的命令集成在菜單和工具欄中，使用這些命令可實(shí)現(xiàn)對(duì)RPG和RDA的有效控制。UCP為雷達(dá)操作員提供了一個(gè)可以與RPG和RDA系統(tǒng)人機(jī)交互的界面。404142RPG的主要功能產(chǎn)品生成產(chǎn)品分發(fā)第三級(jí)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存（只儲(chǔ)存按有關(guān)規(guī)定事先選好的產(chǎn)品。該級(jí)別數(shù)據(jù)的記錄和儲(chǔ)存是必須的）通過UCP (雷達(dá)控制臺(tái)）對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行控制。43雷達(dá)（WSR-88D）產(chǎn)品的用戶主要用戶 主要用戶處理器（PUP） 關(guān)聯(lián)（APUP） 非關(guān)聯(lián)（NAPUP） 標(biāo)準(zhǔn)NAPUP 特殊應(yīng)用NAPUP 主要用戶外部系統(tǒng)（PUES）其它用戶44主用戶處理器 PU

13、P主用戶處理器PUP的主要功能是獲取、存儲(chǔ)和顯示產(chǎn)品。預(yù)報(bào)員主要通過這一界面獲取所需要的雷達(dá)產(chǎn)品，并將它們以適當(dāng)?shù)男问斤@示在圖形監(jiān)視器上。因此，預(yù)報(bào)員應(yīng)當(dāng)熟練掌握PUP的基本操作。PUP（CINRAD WSR-98D）的操作界面主要分為4個(gè)區(qū)域：視窗、菜單、工具欄和狀態(tài)欄。視窗進(jìn)一步分為3個(gè)子區(qū)域：圖象區(qū)、標(biāo)注區(qū)和屬性表區(qū)。在產(chǎn)品有顯示狀態(tài)下菜單的種類有12個(gè)。工具欄有4種：常規(guī)工具欄、動(dòng)畫工具欄、警報(bào)信息欄和編輯工具欄。狀態(tài)顯示欄的狀態(tài)信息有三種。45PUP的主要功能 產(chǎn)品請(qǐng)求（獲?。?產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理 產(chǎn)品顯示 產(chǎn)品編輯注釋 狀態(tài)監(jiān)視461.4 一些雷達(dá)圖象的例子4748基反射率因子49

14、基本徑向速度50組合反射率51回波頂高52垂直累積液態(tài)水含量53一小時(shí)累積雨量54三小時(shí)累積降水55垂直風(fēng)廓線圖56 2. 基本原理2.1 粒子對(duì)雷達(dá)波的散射2.2 回波信息的提?。↖和Q）2.3 距離折疊與速度模糊2.4 體掃方式（VCP11、VCP21、VCP31和VCP32）2.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善：地物雜波抑制、距離去折疊和 速度退模糊2.6 雷達(dá)的局限內(nèi)容略 詳見新一代天氣雷達(dá)復(fù)習(xí)筆記57 3. 多普勒徑向速度場(chǎng)流型的識(shí)別速度圖分析步驟：確定零速度線和速度來去向區(qū)域識(shí)別速度模糊，確定來去向速度值注意仰角，計(jì)算各特征區(qū)對(duì)應(yīng)的高度位置掌握最近時(shí)次天氣形勢(shì)，結(jié)合中尺度概念模式的流場(chǎng)特征，分析

15、多普勒速度資料的天氣意義配合反射率因子的觀測(cè)情況，得出綜合分析意見58大尺度連續(xù)風(fēng)場(chǎng)的識(shí)別59 3. 多普勒徑向速度場(chǎng)流型的識(shí)別3.1. 大中尺度風(fēng)場(chǎng)特征的識(shí)別 基本原則：根據(jù)徑向風(fēng)的分布反推實(shí)際風(fēng)，主要依據(jù)是零等速度線的分布 3.1.1 大中尺度連續(xù)風(fēng)場(chǎng)的識(shí)別 3.1.2 大中尺度不連續(xù)風(fēng)場(chǎng)的識(shí)別3.2. 2-20公里小尺度風(fēng)場(chǎng)特征的識(shí)別60確定雷達(dá)上空大尺度流場(chǎng)風(fēng)向的原理61大尺度連續(xù)風(fēng)場(chǎng)的識(shí)別62大尺度不連續(xù)風(fēng)場(chǎng)的識(shí)別6364中g(shù)ama尺度（2-20km）流場(chǎng)特征的識(shí)別65666768697071727374小尺度風(fēng)場(chǎng)特征的識(shí)別754. 多普勒天氣雷達(dá)在業(yè)務(wù)中的具體應(yīng)用我們?cè)诮鼛啄陮?duì)多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用總結(jié)出幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：1、多普勒天氣雷達(dá)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的“CT”，分辨率高，對(duì)降水，特別是暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣和重要天氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和警報(bào)。2、新一代多普勒天氣雷達(dá)的產(chǎn)品是反射率因子、徑向速度、譜寬，其衍生（經(jīng)RPG中的氣象算法得到）的產(chǎn)品也很多如組合反射率、回波頂高、垂直剖面等等。3、降水算法估