天气雷达的基本工作原理和参数

第一章天气雷达基本工作原理及主要设备、参数第一章天气雷达的基本工作原理和主要设备、主要参数重点掌握：多普勒天气雷达最大不模糊速度及距离、多普勒频率参数：PRF、PRT、h、θ、Vr、Vrmax、Rmax、τ、fD及各计算公式一、天气雷达的基本工作原理二、天气雷达的组成和主要技术参数1、天气雷达的组成2、主要技术参数三、多普勒天气雷达工作原理1、多普勒天气雷达概述2、多普勒雷达探测原理1）、多普勒效应2）、多普勒频率3）、多普勒频率与目标物径向速度的关系4）、多普勒天气雷达原理方框图3、回波信号的多普勒频谱分析4、多普勒天气雷达的最大不模糊速度与最大不模糊距离（包括：Vr、VT互求）5、速度模糊现象的主观识别6、速度退模糊方法一、天气雷达工作原理•天气雷达间歇性地向空中发射电磁波列（称为探测脉冲），它以近似直线的路径和接近光速在大气中传播，在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射）在屏幕回波图上显示出气象目标的空间位置和特征天气雷达原理示意图天气雷达组成框图天气雷达主要技术参数1、波束宽度θ2、天线增益G3、天线有效面积Ac4、脉冲长度h、脉冲宽度τ5、脉冲重复周期T(PRT)6、脉冲重复频率PRF7、最大探测距离Rmax、天气雷达波段、频率、波长关系表波段频率(千兆赫)波长(厘米)备注K12-402.5-0.75测非降水云X8-124-2.5探测降水C4-88-4探测降水S2-415-8探测降水常用天气雷达的主要技术参数波束宽度天线增益G雷达的PPI扫描方式PPI显示结果的空间分布多普勒天气雷达工作原理多普勒天气雷达常规数字化天气雷达利用的是降水回波的幅度信息，即利用信号强度来探测雨区的分布、强度、垂直结构等。多普勒天气雷达除常规天气雷达功能之外，还可利用降水回波频率与发射频率之间变化的信息来测定降水粒子的径向速度，并通过此推断风速分布，垂直气流速度，大气湍流，降水粒子谱分布，降水中特别是强对流降水中风场结构特征。常规天气雷达仅能提供反射率因子资料。多普勒天气雷达将提供两种附加的基本资料，径向速度和速度谱宽，它们将增强对强风暴的探测能力，也能改进对中尺度和天气尺度系统的预报。多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，定义为“当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化”。一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。•相干波:两束振幅、频率和相位完全相同的电磁波称为相干波。•相干发射：发射出振幅、频率和相位完全一样的脉冲波，所以各个脉冲之间是相干的。•全相干多普勒天气雷达：它的发射主控信号频率由稳定的晶体振荡器产生，保证发射的高频相干。它的相干性能好，地物消除能力强。•半相干（伪相干）多普勒天气雷达：它是通过对发生信号采样，与本振混频以及锁相技术，以保证中频相干，达到测量频率变化，它的发射部分采用同轴磁控管。它的相干性能差，消除地物的能力较全相干多普勒天气雷达差。自相干多普勒天气雷达结构框图全相干多普勒天气雷达结构框图fo发射脉冲的载频fd多普勒频率发射频率多普勒频移发射频率Vs多普勒频移•1、雷达数据采集系统（RDA）•2、雷达产品生成子系统（RPG）•3、主用户处理器子系统（PUP）中国新一代天气雷达系统简介雷达的三部分RPGRDAPUP雷达站气象台值班室雷达数据采集系统（RDA）采用脉冲多普勒体制的全相干系统•速调管放大、高功率全相干发射机•窄波束低旁瓣的天线•低噪声宽动态范围的相干接收机•多参数的信号处理器•主要参数的自动检测发射机取得雷达数据的第一步是发射一个射频f0信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率750kw）非常稳定的10厘米的射频（f0）脉冲。在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦fd脉冲被产生，就被送到天线。全相干发射机天线天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的RF信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。WSR-88D雷达的天线仰角范围:-10~600。天线仰角的设置取决于天线的扫描策略（scanstrategy共有三种）、体扫模式（volumecoveragepattern：VCP）和工作模式（operationalmode分为晴空和降水两种模式）。雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。体扫模式(VCP:VolumeCoverPattern）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。WSR-88D可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个：VCP11--VCP11（scanstrategy#1，version1）规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。VCP21--VCP21（scanstrategy#2，version1）规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。VCP31---VCP31（scanstrategy#3，version1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。VCP32---VCP32（scanstrategy#3，version2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用短脉冲。WSR-98D未定义VCP32。WSR-88D工作模式（OperationalMode）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，而VCP又确定了具体的扫描方式。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。窄波束低旁瓣的天线相干接收机信号处理监控系统雷达产品生成子系统（RPG）具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通信等多种功能气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品•运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等功能•数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能•通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信等主用户处理器子系统（PUP）•多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能•具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能•通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生成新一代天气雷达系统的产品应用可分为四类：1.基本数据产品2.物理量产品3.风场反演产品4.强天气自动识别和跟踪产品多普勒天气雷达的产品介绍WSR-98D主要产品基本数据产品：是多普勒天气系统的基础，它主要将雷达以各种探测方式获取的数据，在不改变属性的前提下，在多种不同的坐标上显示出它们的分布情况。利用这些产品可以直接识别和分析出一些重要的的天气现象，如钩状回波、带状回波、中尺度气旋、锋面、下击暴流、大尺度的风向风速和冷暖平流。1、基本数据产品这类产品主要有：•平面位置显示(PPI)•垂直最大回波强度显示(CR)•等高平面位置显示(CAPPI)•距离高度显示(RHI)、•任意垂直剖面显示(VCS)WSR-88D产品生成器根据用户要求生成的基本产品有：基本反射率产品6种，平均径向速度产品6种，速度谱宽产品3种，共计3类15种气象产品，如下表WSR-88D基本数据产品相对于风暴的平均径向速度产品图(SRM)与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴跟踪信息(STI)识别的所有风暴的平均运动速度，或减去由操作员选定的风暴运动速度。（a）3.4度仰角（b）14.9度仰角(a)(b)2004年4月23日长沙12:37时风暴相对径向速度图(基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的)剖面产品•谱宽剖面(SCS)•速度剖面(VCS)•反射率剖面(RCS)长沙2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图2、物理量产品物理量产品：是指雷达以各种探测方式获取的回波强度、径向速度和速度谱宽数据，经过一定的计算和处理。转化为有明显气象意义的物理量，进而把这些物理量的分布显示出来的图像和图形产品。它有助于用户直接和某些天气现象联系起来进行分析和应用。这类产品主要有：1.回波顶高(ET)2.垂直累积液态含水量(VIL)3.风切系列产品(径向、方位、径向方位)4.分层湍流组合(CAT)5.雷达定量测量降水(1小时、3小时累积降水、风暴总降水)3、风场反演产品风场反演产品：多普勒雷达系统获取的径向速度分布数据，在某些假定的条件下通过反演可以获取某高度平面上的平均风向风速(VAD)、二维水平风场、垂直剖面二维风场及三维风场(VVP)等，除VAD技术比较成熟外，其余均在试验或试用阶段。二维、三维风场反演方法二维、三维风场反演方法二维、三维风场反演方法4、强天气自动识别和跟踪产品利用基本数据产品，应用各种算法生成自动报警的产品。如冰雹指数、中气旋、强天气概率等。短时预报常用的雷达产品•反射率产品(R，CR，VCS)•基本速度产品(V，SRM)•垂直液态含水量（VIL）•回波顶高产品（ET）•VAD风廓线•累积降水量2000年8月31日00:39,仰角为0.5度的基本反射率因子产品图(上海)2000年5月26日00:36仰角2.4度的平均径向速度图(上海)2000年8月30日23:41仰角为0.5度时的基本速度谱宽产品图(上海)1998年8月9日16时11分组合反射率因子产品图2002年2月14日17时43分组合反射率因子等值线产品图(CRC)2001年8月7日14:45反射率因子剖面产品(上海)组合反射率因子平均值产品图(LRA)2001年8月7日15:26中层（上图12~33千英尺）和低层（下图从地面到12千英尺）2010年8月7日15:02弱回波区产品图也称为反射率因子多层透视图(上海)风暴跟踪信息产品（STI）图中绿色三角形表示产生冰雹的可能性风暴跟踪信息文本产品（上海）风暴结构产品（SS）冰雹指数产品（HI）回波顶高产品（ET）回波顶高等值线产品（ETC）垂直液态水含量产品（VIL）强天气概率产品（SWP）一小时降水量产品（OHP）三小时降水量产品(THP)风暴总降水量产品（STP）多普勒频率fd与目标物径向速度Vr的关系多普勒频率fd定义：目标物相对于雷达作径向运动引起回波信号的频率变化，称多普勒频移，亦称多普勒频率，单位:赫兹（Hz）。多普勒频率fd与目标物径向速度Vr的关系（证明见P211-212))(:)/,()(2msmVrHzfVrfdd单位雷达波长单位也称多普勒速度为目标物的径向速度单位为多普勒频率其中：回波信号的多普勒频谱分析见书P212-216多普勒频率与回波功率波动频率)]exp()(Re[)(0titEitE某一雨滴后向散射电场为：其中：Ei为后向散射电场振幅值，002f雷达角频率，f0为雷达载波频率为讨论方便，设初相位为零若某一个雨滴以径向速度V1运动，产生多普勒频率f1，则该雨滴后向散射电场为：tffEtitiEtE)(2cos)]exp(Re[()(101011雷达测出E(t)后，从上式即可推出多普勒频率f1本节所需部分数学公式202*)sin()sin(21sincos)cos()cos(21coscos)sin(cossincosCQGGABABABABABABAyiyeeeexixeABABmxiyxiyxix振幅谱函数定义(同相谱)(8.18)若有两个雨滴，则后向散射电场为：tEtEeEeEeetEetEtEetEtEeEeEtEtitititititiititii)cos()cos(]Re[}])()(Re{[)(])(Re[)()(212101)(2)(121212010021021