第26章雷达测量(章)1.doc

第26章 雷达测量26.1概述本章主要讨论用于观测大气水凝物的气象微波雷达——天气雷达，特别着重于为支持气象和水文的服务，在规划、开发和操作雷达和雷达网时必须考虑的技术和业务性能章末列出了重要的参考文献本章还简要提到了用于海洋表面观测的高频雷达系统用于垂直廓线探测的雷达已在第5章中讨论26.1.1天气雷达气象雷达具有探测降水和由局部的温度和湿度变化所引起的大气折射指数改变的功能，雷达回波也可由于飞机、尘埃、飞鸟或昆虫产生本章只涉及世界上普遍进入业务应用的雷达最适合于大气探测和研究的气象雷达所发射的电磁脉冲位于3–10GHz频段（相应于波长3~10cm）这些雷达设计用于探测和确定降水的区域、测量降水的强度、移动和可能还包括降水类型较高的频率用于探测更小的水凝物如云滴，甚至是雾滴尽管这些频率在研究云物理方面具有应用价值，但由于这些频率的雷达信号经空间介质过分的衰减，一般不能应用于业务预报较低频率的雷达具有探测晴空折射指数变化的功能，可用于风廓线测量它们可以探测降水，但它们的扫描功能受到要求达到有效分辨率的天线尺寸的限制发射的脉冲遭遇天线目标后返回的讯号称为回波，它具有相应的振幅、相位和偏振。

全球范围内大多数业务雷达仍限于分析受雷达波束照射（脉冲）体积内与水凝物的尺度分布和数量有关的回波振幅特征此振幅用以确定称为反射率因子（Z）的参数，然后通过应用经验关系，估算单位体积的降水质量或降水强度主要应用于探测、勾画和估算近似连成片的大范围内的地面瞬时降水量有些研究性雷达采用在两个发射的偏振方向上所测得的反射率因子和接收的波形，持续探究以便对降水测量和目标状态决定其量值和偏振系统的潜势，但目前在业务系统中尚未出现多普勒雷达具有确定发射脉冲与接收脉冲之间相位差的功能，这种相位差可用来测量粒子的平均多普勒速度，它表示在脉冲体积内水凝物的径向位移速度分量的加权平均反射率多普勒谱宽是该速度空间变率的度量，据此可表示云中风切变和湍流的某些特征多普勒雷达比常规天气雷达观测增加了新的重要参量，大多数新的雷达系统均具有这种功能现代天气雷达必须使其性能最优化，以便为业务要求提供最佳资料，并应适宜于安装、运行和维护，充分利用系统的功能便于气象学家发挥其聪明才智26.1.2雷达特性，术语及单位雷达特性的选择，有关气候和应用的考虑，对于在降雨估值中确定合理的测量准确度是很重要的（表26.1，表26.2和表26.3）。

26.1.3 气象应用已发现雷达观测最大的作用在于：(a)强天气探测、跟踪和预警；(b)天气尺度和中尺度天气系统的监视；(c)降雨量估值任何一部雷达的特性不可能对所有的应用都是理想的雷达系统的选择标准通常在满足某几项应用中达到最优化，但也可以指定最佳满足于特定的最重要的应用波长、波束宽度、脉冲长度和脉冲重复频率（PRF）的选择尤其重要因此，用户在确定雷达指标之前应当在应用和气候学方面仔细地考虑强天气探测和预警雷达是一个在广阔区域内对强天气进行监测的惟一现实的地基监测手段雷达回波的强度、范围和特征可用来识别强天气区这些风暴包括可能伴随冰雹和破坏性风的雷暴多普勒雷达为识别和测量伴随的阵风锋、下击暴流和龙卷的强风增加了一个新的手段它标称的覆盖距离约200km，这一距离足够用于当地短距离内的预报和预警雷达网可以用于扩展覆盖范围（Browning等，1982）目前，在当地的自动化算法和风暴模式尚未建立起来之前，对天气现象的有效解释和预警需要敏锐的、受到过良好训练的工作人员天气尺度和中尺度系统的监视如果没有大山的遮挡，雷达可以在大面积区域内（例如距离220km，面积152000km2）对有关天气尺度和中尺度风暴的天气进行几乎连续的监视。

由于短距离内地面杂波和地球曲率的影响，实践中天气观测的最大距离约为200km在大面积的水域上，其它观测方法通常不适用或不可能实现雷达组网能够扩展覆盖面积而且也许更经济有效雷达提供了一个对降雨进行描述的较好方法在那些经常发生高强度和大范围降雨的地区，选择波长为10cm的雷达进行天气监视可以得到保障在其它一些区域、例如中纬度地区，波长为5cm的雷达可能非常有效而且造价大大降低除非在降雨和雪很少的情况下，否则波长为3cm的雷达因为在降水中产生强烈衰减，效果不会很好较窄的波束宽度可以提供更好的图象分辨率和在较远距离处发挥更高的功效表26.1 雷达频段雷达波段频率MHz波长标称值(cm)UHF300～10001～0.3m70L1000～20000.3～0.15m20S*2000～400015～7.5cm10C*4000～80007.5～3.75cm5X*8000～125003.75～2.4cm3KU12.5～182.4～1.66cm1.5K18～26.51.66～1.12cm1.25Ka26.5～401.13～0.75cm0.86W940.30cm0.30* 最常用的天气雷达波段表26.2 一些气象雷达的参数和单位符号参数单位Ze等效或有效雷达反射率（Equivalent or effective radar reflectivity）mm6m–3dBzVr平均径向速度(Mean radial velocity)ms–1σv谱宽ms–1Zdr差示反射率因子(Differential reflectivity)DBCDR圆退偏振比(Circular depolarization ratio)LDR线退偏振比(Linear depolarization ratio)Kdp差示传播相位(Differential propagation phase)*deg km–1ρ相关 *原文为Propagation phase——校注表26.3 物理雷达参数和单位符 号参 数单 位C光速ms–1F发射频率Hzfd多普勒频移HzPr接收功率mW或dBmPt发射功率kWPRF脉冲重复频率HzT脉冲重复时间（1/PRF）msΩ天线转速deg s–1 或rpmλ发射波长cmφ方位角degθ半功率点间的波束宽度degτ脉冲宽度μsγ仰角deg降雨估值雷达用于降雨强度估值有很长的历史，而且在时间和空间上对降水总量和分布具有较好的分辨率。

大多数的研究工作与降雨有关，但是如果对目标物的组成有适当考虑和允许误差的情况下，也可以进行雪的测量读者可以参考Joss和Waldvogel（1990）有关雷达降水测量的评述，以及Smith（1990）关于雷达测量降水当前的工艺、技术、问题与缺点，以及有效性和准确度的综合讨论由典型雷达系统的地基降水估值是在典型值为2km2的范围内，取5~10分钟时段，以1°的波束宽度利用低仰角平面位置显示进行扫描将雷达测量结果和现场雨量计的测值相比较，发现雷达估值的误差最大可能达到一倍雨量计和雷达均对连续变化的参数进行观测，其中雨量计是在相当小的面积（100cm2）内的采样，而雷达是对更大尺度的体积内的采样数据进行积分处理通过用仪器测值来调整雷达估值，可以增强二者之间的一致性26.1.4气象产品通过雷达观测可得出一系列气象产品，以支持各种应用由天气雷达观测构成的产品取决于雷达的类型、讯号处理特征以及相应的雷达控制和分析系统大多数现代雷达能自动实施体积扫描程序，即天线在几种仰角下进行数次全方位旋转扫描所有原生极面资料贮存在一3维列阵中，通常也称为体积数据库，作为进一步进行资料处理和归档的资料源，通过应用软件可生成各种各样的气象产品并在高分辨彩色显示控制器上显示。

用三维插值技术经过计算得出网格或像素的值和转换至x-y坐标平面对典型的多普勒天气雷达来说，显示的变量包括反射率因子、降雨率、径向速度和谱宽每一图象的像素代表所选变量的彩色编码值下面列出了在本章中将要讨论的雷达测量值及其气象产品：(a)平面位置显示器（PPI） 是在选择的高度上以极坐标的形式分别对全方位天线旋转中获取的变量进行显示这是传统的雷达显示方法，主要用于天气监视；(b)距离高度显示器（RHI） 是显示在某一方位上一定高度扫描中获取的变量，典型扫描仰角从0°到90°这也是传统的雷达显示方法，它能够显示详细的剖面结构信息，并且可以用来识别强风暴、冰雹和亮带；(c)等高平面位置指示器 是特定高度上可变的水平剖面显示，由体积扫描数据通过内插形成它用于强风暴的监视和识别对于航空应用中对特定飞行高度上的天气进行监测也是十分有用的；(d)垂直剖面 这是对由用户定义的表面矢量（不一定通过雷达）上方进行可变的显示它也通过体积扫描数据内插得到e)柱最大值 以平面的形式显示观测区域中每一点上变量的最大值f)回波顶 以平面形式显示所选反射率等值线的最高高度反射率等值线通过搜索体积扫描数据获得它是强天气和冰雹的指标。

g)垂直积分液态水（VIL） 可以在任何指定的大气层面上进行平面显示，它是强风暴强度的指标除这些标准的或基础的显示之外，也能够生成其它产品以满足用户的特殊需要，比如应水文学、临近预报、或航空的要求：(a)累积降水：对观测区域中的每一点随时间的累积降水进行估值；(b)降雨集水总量面积积分累积降水；(c)速度方位显示（VAD），有时也叫做速度体积处理（VVP），它对雷达上方的垂直风廓线进行估测，通过在某一固定仰角上的单次天线旋转一圈计算得出；(d)风暴跟踪来自复杂软件的产品，用于确定风暴单体的轨迹，并预测风暴质心的未来位置；(e)风切变对用户指定高度上的径向和切向的风切变进行估测26.1.5雷达准确度要求对准确度的要求取决于雷达观测的最重要的应用适当地安装、校准和维护的现代雷达，其性能都是相对稳定的，不会产生明显的测量误差但一些外部因素，例如地面杂波效应、异常传播、衰减和传播的效应、波束的影响、目标物的构成尤其是它在垂直方向上的变化以及降雨率－反射率因子关系的不确定，大多都会对准确度产生影响只考虑雷达系统的误差，可测量的雷达参数能够在可接受的准确度范围内予以确定（表26.4）表26.4 准确度要求参数定义可接受的准确度*φ方位角0.1°γ仰角0.1°Vr平均多普勒速度0.25ms–1Z反射率因子1dBzσ多普勒谱宽1ms–1*这些数字均为相对于方差小于4m2s–2 的高斯谱分布，当谱宽增长时，速度准确度变差，而反射率因子的准确度改善。

26.2雷达技术26.2.1雷达测量原理雷达及其对天气现象探测的原理早在20世纪40年代就已确立自从那时起，在改善设备、提高讯号和数据的处理以及解释说明方面均取得了长足的进展感兴趣的读者可以参考一些较详尽的文献，较好的参考资料有Skolnik（1970）在工程和设备方面的概述；Battan(1981)有关气象现象及其应用；Atlas（1964；1990），Sauvageot(1982)和WMO（1985）的综合评述；Rinehart（1991）对现代技术的论述；Doviak和Zrnic（1993）有关多普勒雷达原理和应用下面是原理的简要综述：大多数气象雷达是脉冲雷达从一个定向天线按照固定频率发射出的电磁波以快速连续短脉冲的形式进入大气中图26.1给出了定向雷。