6、多普勒天气雷达原理与应用

第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品第一章 我国新一代天气雷达原理一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）。二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。三、了解雷达气象方程在瑞利散射条件下，雷达气象方程为： 其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，、表示水平和垂直波宽，表示雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相态。四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为距离折叠。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。反射率因子（回波强度）：即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。意义：一般Z值与雨强I有以下关系：层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71雷阵雨 Z=486I1.37新一代天气雷达取值 Z=300I1.4六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。第二章 天气雷达图像识别一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成反比。二、了解多普勒天气雷达测量反射率因子、平均径向速度和速度谱宽的主要技术方法 多普勒雷达利用降水粒子的后向散射与多普勒效应来达到对其探测的目的。通过发射信号与接收信号的延迟来测量距离，通过降水粒子的多普勒频移来测量其速度。 反射率因子：雷达的反射率因子是降水粒子后向散射被雷达天线接收到的回波，为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和，反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多。 平均径向速度：由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成反比。径向速度则是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，而相应的标准差即为谱宽。 速度谱宽：径向速度则是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，而相应的标准差即为谱宽。三、理解距离折叠和速度模糊的概念最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。距离折叠：距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。即当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为距离折叠。 如果一个散射区在Rmax之外，那么回波只有在下一个脉冲发射之后才能收到， 因为实际的来回距离在Rmax和Rmax之间，因此这种回波被称为第二区回波。最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。按照Nyquist采样定理可知，雷达能够准确测量多普勒频率是PRF/2，即fDmax=PRF/2。考虑到多普勒频率实际上是频率漂移，可正可负,故fDmax=±PRF/2, 把关系式fD=2V/ 代入,并把fDmax和Vrmax相对应,可得： Vmax=±*PRF/4 对实际使用的雷达来说，波长是固定的，当选定了Rmax（或脉冲重复频率）后，就会存在一个Vmax。即，当目标的径向速度大于最大不模糊速度时，就会产生混淆。由雷达测得的径向速度将相差两倍最大不模糊速度（称Nyquist间隔或速度折叠）。当最大不模糊速度较小时，会产生多次速度折叠，此时：真实速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax n为1,2,3，···为Nyquist数或速度折叠次数 。四、了解新一代天气雷达工作方式 扫描方式告诉雷达在一次体积扫描中使用多少仰角和时间。WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三种扫描方式： 5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5） 6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6） 10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10） 体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern）：扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。目前只定义了其中的4个： VCP11：规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 VCP21：规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 VCP31：规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 VCP32：确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。 不同之处：VCP31使用长雷达脉冲 VCP32使用短脉冲。WSR-98D未定义VCP32。 工作模式（Operational Mode）：WSR-88D使用两种工作模式，即降水模式和晴空模式。雷达的工作模式决定了使用哪种VCP。 工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5 和9/6。 工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。五、了解数据的质量控制原理和方法 去除距离折叠的方法： 用随机相位编码技术消除距离折叠。 调节脉冲重复频率（PRF），这样便可以改变Rmax，并可能在所关心的区域将距离折叠退掉。 选择一个较高的仰角扫描能克服距离折叠问题。 采取变换探测地点的方式可以观察到同一个风暴的不同侧面。 去除速度模糊的方法： 目前最常见的客观速度退模糊的技术方法有下面几种： 主观识别和消除速度模糊影响，在使用速度回波的PPI或RHI等图像以前，应首先分析是否存在速度模糊现象，如存在，则在使用时排除其影响。 改变脉冲重频或交替使用双重频。6、 理解什么是多普勒两难 根据得知，对每个特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度不能同时兼顾。第三章 对流风暴的雷达回波特征一、了解层状云降水、积云降水和积云层状云混合降水的反射率因子图像主要特征 在常规雷达上，积状云降水回波被描述为具有密实的结构，而层状云降水回波具有均匀的纹理和结构，积状和层状混合降水回波具有絮状结构。积状云降水，反射率因子空间梯度较大，其强度中心的反射率因子通常在35dBZ以上，而层状云降水反射率因子空间梯度小，反射率因子一般大于15dBZ，小于35dBZ。层状云降水或层状-积云混合降水反射率因子回波的另一个特征是所谓的“零度层亮带”的存在。二、理解边界层辐合线的识别 边界层辐合线：边界层辐合线在新一代天气雷达反射率因子图上呈现为窄带回波，强度从几个dBZ到十几个dBZ。三、理解风随高度变化的径向速度图主要特征 等径向速度线为直线：零等速线呈直线，各高度层上的风为均匀风场。如果实际风速在某高度层上出现最大值，则在径向速度图上表现为被闭合等速区所包围的最大径向速度区。 S型和反S型径向速度图像：零等速线呈S型，表示实际风向随高度顺时针旋转，在雷达有效探测范围内有暖平流；同样，零等速线呈反S型，表示实际风向随高度逆时针旋转，在雷达有效探测范围内有冷平流。 汇合和发散流场的速度图像：如果实际风向在各高度层上为汇合或发散，则在速度图上零等速线呈弓形。四、了解锋面的径向速度图像特征 锋面从西北方向移向，冷风逼近时，零等速区（线）有两个（条），一个通过呈S型结构，另一个未通过RDA呈反型结构。锋区位于东北西南向零等速线，如下图。 当冷锋位于时，有三条零等速区（线），有一条零等速线通过中心，为锋区所在位置，如下图。 当冷锋通过后，有三条零等速区（线），在东南方呈西南东北向的零等速线即为锋区，如下图。五、理解中尺度系统的径向速度特征 中尺度气旋反气旋流场：在小区域内，当一对最大入流出流速度中心距雷达是等距离时，表示在该区域内有中尺度旋转存在，沿雷达径向方向，若最大入流速度中心位于左侧，表示为气旋性旋转，若最大入流速度中心位于右侧，则为反气旋性旋转。 中尺度辐合辐散流场：由于中尺度辐合辐散流场得尺度较小，其源点或汇点和整个流场均在雷达的有效探测范围内，在包含中尺度辐合辐散流场的小区域内，沿同一雷达径向方向有两个最大径向速度中心，若最大入流中心位于靠近雷达一侧，则该区域为径向辐散区，相反则为径向辐合区。 中尺度气旋式辐合辐散流场：当一对最大入流出流中心位于距雷达不是等距离且不在同一雷达径向时，若最大出流中心更靠近雷达且最大入流中心位于雷达径向左侧时，表示小区域内流场为气旋式辐合，相反，若最大入流中心更靠近雷达且且最大出流中心位于雷达径向左侧时，表示小区域内流场为气旋式辐散。 中尺度反气旋式辐合辐散流场：与上述情况类似，还可以有反气旋式辐合和反气旋