第二章多普勒天气雷达原理

第二章多普勒天气雷达原理第二章多普勒天气雷达原理电磁波及其在大气中的传播电磁波在大气中的衰减电磁波在大气中的折射雷达气象方程一、电磁波及其在大气中的传播电磁波及其在大气中的传播•气象目标对电磁波的散射气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的基础。雷达波速通过云和降水粒子时被散射，其中有一部分向后的散射波要返回雷达方向，被雷达天线接收。雷达接收的向后的散射可用振幅和位相来表示，就可以提取气象目标物的反射率因子、径向速度和速度谱宽等三种基本产品。电磁波及其在大气中的传播•气象目标对电磁波的散射云和降水粒子散射的能量在各方向上不一致，而向后方（即向雷达方向）散射的能量（回波功率）是雷达所关心的，因此引入后向散射截面的概念。散射截面的概念：假设一个理想的散射体，其截面积为σ，它能把全部接收射到其上的电磁波能量，并能全部均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度恰好等于同距离上实际散射体返回天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面积σ就称为实际散射体的向四周散射截面。电磁波及其在大气中的传播•气象目标对电磁波的散射24rSSis后向散射截面是一个虚拟的面积，表示降水粒子后向散射的能力。越大表示粒子的后向散射能力越强，产生的回波信号也越强。圆球形粒子的散射气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地看着是圆球形。当雷达波长确定后，球形粒子的散射情况取决于粒子直径与入射波长之比。在粒子直径D远小于入射波长λ时，满足雷利散射；在直径D与电磁波波长入相当情况下的球形粒子散射称为米散射。雷利散射在降水球形粒子直径远小于入射波长时，满足雷利散射，对于大多数降水粒子对于10cm和5cm雷达都能满雷利散射。后向散射截面公式：6245iiDKK=m2-1/m2+2，K为粒子介质的复折射指数。雷利散射的后向散射截面与有关，其值对于S、C和X波段雷达均为0.93，冰球其值为0.197，因此冰球的后向散射截面只有同样大小水球的1/5︱K︳2︱K︳2米散射二、电磁波在大气中的衰减•电磁波在大气中的衰减电磁波能量沿传播路径由于部分能量被粒子吸收而转变为热量或者其他形式的能量而使电磁波减弱的现象，成为衰减。由于衰减会造成雷达回波功率减小和雷达回波失真。0lg10PPk衰减系数：通过单位距离电磁波能流密度减少的分贝数。雷达回波功率的衰减：波长增加，衰减迅速减小，云的衰减主要靠吸收，冰云的衰减系数比水云小2个量级rrrkdrPP02lg100rkdrrrPP002.010衰减造成回波失真回波失真图回波失真图10cm5cm二、电磁波在大气中的折射电磁波在水平分层介质中传播电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射指数分布不均匀，就会产生折射，是电磁波的传播路径发生弯曲。电磁波的折射对天气雷达的探测影响非常大。超折射回波当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，再弯向地面，再经过地面反射，如此多次重复，与波道管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超折射。形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反射波也沿同样的路径返回天线。所以雷达显示屏上地物回波增多增强，通常成为超折射回波。超折射回波常呈辐砧状排列的短线，较大时也会呈片状。表明暖干盖的气象条件存在：气温向上递增，水汽压向上迅速递减。超折射回波四、雷达气象方程一些重要的雷达参数发射机的主要技术参数：波长λ（振荡频率f）、脉冲宽度ｔ、发射机功率Ｐ和脉冲重复频率PRF波段、频率和波长关系表频率(MHz)波长(cm)波段300001K100003X60005C300010S150020L脉冲宽度ｔ：探测脉冲的振荡持续时间脉冲宽度Pt：发射机发出的脉冲峰值功率脉冲重复频率PRF：每秒产生的脉冲数目脉冲宽度τ探测脉冲的振荡持续时间，称为脉冲宽度τ。由于探测脉冲具有一定的持续时间，因而它在空间也有一定的长度h。h=τc若脉冲宽度以μs为单位，则上式可以写成h=300τ(m)我国新一代天气雷达（S波段）有两个脉冲宽度：短脉冲（1μs）和长脉冲（4μs）。天线方向图天线方向图：天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布图（主瓣、旁瓣和未瓣）波束宽度（θ和Ф）：两个半功率点方向之间的夹角。波束宽度越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。天气增益G:辐射总能量相同时，定向天线在最大辐射方向的能流密度与各项均匀辐射的天线的能流密度之比。旁瓣回波RHI上的假尖顶回波当雷达发出的电磁波投射到云雨粒子上时，它们就散射电磁波，其中向后的散射电磁波被雷达天线所接收，这就是雷达回波。雷达回波的强度除取决于雷达的参数外，还取决于云雨的物理特性，以及它们离开雷达的距离，雷达气象方程用来表示回波强度与哪些因子有关，以及呈何种关系。雷达气象方程43224rGPPtr雷达气象方程（单目标）单目标雷达气象方程，与雷达本身参数、气象目标物特性（后向散射截面）和离开雷达的距离有关有效照射深度和体积有效照射深度：在雷达波束径向方向上，粒子的回波信号能同时返回雷达天线的空间长度，h/2=ｔc/2；有效照射体积：在波束宽度为θ和Ф范围内，粒子的回波信号能同时返回雷达天线的空间体积。单位体积itrrhGPP22222ln1024雷达气象方程假设条件：在波束宽度范围内，雷达的辐射强度是均匀的；在有效照射体积内降水粒子大小的分布是均匀的。上式中是对有效照射体积内所有降水粒子后向散射截面求和而得到的气象目标强度的雷达度量气象目标对雷达后向散射能力的强弱通常称为气象目标强度，参量为反射率和反射因子反射率：单位体积内云雨粒子后向散射截面的求和（单位：cm2/m3）。单位体积i反射率越大，说明单位体积内降水粒子尺度越大和多，表明气象目标强度强。后向散射截面仅与波长和降水粒子特性有关。反射率因子：单位体积内降水粒子直径的6次方的总和单位体积6iDZ单位体积内降水粒子直径的6次方的总和。反射率因子Z大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，常用来表示气象目标的强度，仅取决于气象目标本身。ZrcPr2雷利散射的雷达气象方程在米散射的情况下，用等效反射率因子（Ze）取代反射率因子（Z）回波功率、反射率因子与距离订正回波功率Pr、反射率因子、最小可测功率PmindB=10lg(Pr/Pmin)dBZ=10lg(Z/Z0)Pr=CZ/r2由上面三式可以推导出：dBZ=20lgr+dB-r（包括距离订正、回波功率与最小可测功率之比的分贝数以及雷达性能有关的参数）四、距离折叠距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物位置的一种辨识错误。当目标位于最大不模糊距离rmax以外时，雷达却把目标物显示在rmax以内，称之为距离折叠最大不模糊距离rmax：当雷达发出的一个脉冲遇到该距离处的目标物产生的后向散射返回到雷达时，下一个雷达脉冲刚好发出，这个目标物距离雷达的距离成为最大不模糊距离。其与脉冲重复周期和脉冲重复频率的关系：rmax：=CT/2=C/2PRF距离折叠五、回波信号中信息提取涉及多普勒效应、速度探测方法等等最大不模糊速度和速度模糊与180º脉冲对相移所对应的径向速度值称为最大不模糊速度Vmax。Vmax=λ×PRF/4速度退模糊算法V=Vfirst-2nVmax六、降水估计样本Z的计算Z=∫N(D)D6dDZ＝(729滴/m3)(1mm)6+(1滴/m3)(3mm)6＝729mm６m－３＋729mm６m－３＝1458mm６m－３样本R的计算dDDwDDNRt36R＝降水率D＝滴直径N(D)＝给定直径的滴数目／立方米Wt(D)=给定直径滴的下落速度Z相同R不相同R相同Z不相同Z=ARb层状云降雨Z=200R1.6地形雨Z=31R1.71雷阵雨Z=486R1.37WSR-88DZ=300R1.4比较Z-R关系降水率与dBZ雷达估计降水错误的来源之一Z估计错误①地物杂波②非正常传播（AP）③波束部分充塞④湿的天线罩雷达估计降水错误的来源之二Z-R关系误差滴谱分布的变化混合型降水与亮带雷达估计降水错误的来源之三位于波束以下的影响带来的误差强水平风雷达波束下面的蒸发在雷达波束下的并合谢谢！