最新1多普勒天气雷达原理与应用

1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。

2
/3730/776.0T e T P N +=波束直线传播
波束向上弯曲波束向下弯曲000=><dz dN dz
dN dz
dN
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，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ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）：
⎰=dD
D D N Z 6)(
3
60/1m mm Z =
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/λ代入,并把fDmax和Vrmax相对应,可得：
Vmax=±λ*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：
①用随机相位编码技术消除距离折叠。

②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。

③选择一个较高的仰角扫描能克服距离折叠问题。

④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：
①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。

②改变脉冲重频或交替使用双重频。

六、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
①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。

②S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。

③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ＲＤＡ，冷风逼近时，零等速区（线）有两个（条），一个通过ＲＤＡ呈S型结构，另一个未通过RDA呈反Ｓ型结构。

锋区位于东北－西南向零等速线，如下图。

当冷锋位于ＲＤＡ时，有三条零等速区（线），有一条零等速线通过ＲＤＡ中心，为锋区所在位置，如下图。

当冷锋通过ＲＤＡ后，有三条零等速区（线），在ＲＤＡ东南方呈西南－东北向的零等速线即为锋区，如下图。

五、理解γ中尺度系统的径向速度特征
①γ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γ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。

②γ中尺度辐合／辐散流场：由于γ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γ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。

③γ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。

④γ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
和反气旋式辐散。

第四章新一代天气雷达产品
一、理解对流单体的概念模型
根据积云中盛行的垂直速度的大小和方向，普通风暴单体的演化过程通常包括三个阶段：
①塔状积云阶段：由上升气流所控制，上升速度一般随高度增加，且主要由局地
暖空气的正浮力或者由低层辐合引起，上升速度一般为5~10m/s，个别达到25m/s。

在塔状积云的后期，降水能够引发下沉气流。

②成熟阶段：实际上是由上升气流和下沉气流共存的阶段。

成熟阶段开始于雨最
初从云底降落之时，可认为雷达回波接地是对流单体成熟阶段的开始。

此时，云中上升气流达到最大，随着降水过程的开始，由于降水粒子所产生的拖拽作用，形成了下沉气流。

然后，这种下沉气力在垂直和水平方向上扩展。

这种冷性下沉气流作为一股冷空气，在近地面的低层向外扩散，与单体运动前方的低层暖湿气流交汇而形成飑
锋，又称阵锋风。

成熟阶段的对流单体的中上部，仍为上升气流和过冷水滴及冰晶等水成物。

当云顶伸展到对流层顶附近时，不再向上发展，而向该处的环境风下风方向扩展，出现水平伸展的云砧。

③消亡阶段：为下沉气流所控制，此时降水发展到整个对流云体。

实际上，当下
沉气流扩展到整个单体，暖湿空气源被扩展的冷池切断时，风暴单体开始消亡。

二、了解对流风暴的分类
对流风暴可分为以下四类：①普通单体风暴，②多单体风暴，③线风暴（飚线），④超级单体风暴。

前三类可以是强风暴，也可以是非强风暴，而第四类一定是强风暴。

三、理解影响雷暴生成发展的主要因素及诊断方法
影响雷暴生成发展的主要因素有热力（浮力）不稳定、风的垂直切变和水汽的垂直分布三个因子。

另外，在对流不稳定条件下，还需要一定的抬升条件对流才能发生。

由于浮力决定了垂直方向上空气的加速程度，它与风暴强度直接相关。

垂直风切变有利于风暴发展、加强和维持，从而决定了风暴类型的演变和发展。

另外风暴和环境的相互作用也会影响风暴的强度和组织。

四、了解风暴相对螺旋度的概念和物理含义
风暴相对螺旋度是衡量风暴旋转潜势的具有明确意义的物理量，其取决于沿相对
风暴气流流线方向的水平涡度，而这些因子又取决于低层垂直风切变的强度和方向以及风暴的运动。

其表达式为： dz C V H H z
SR ω⋅-=⎰0)( 其几何意义为：它与速度矢端图中两个层次之间的相对风暴风矢量所扫过的区域
的面积成正比。

五、掌握脉冲风暴的雷达回波特征
脉冲风暴的雷达回波结构有三个特点：①初始回波出现的高度一般在6~9km 之间，②强回波中心值一般大于50dBZ ，③强中心所在的高度也比较高，一般在-10℃等温线的高度。

六、理解中气旋的定义
中气旋是与强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相连的小尺度（小于10km ）涡旋，该涡旋满足一定的切变、垂直伸展和持续性判据。

一般垂直涡度大于等于1210--S ，垂直伸展超过风暴垂直尺度的1/3，持续2个体扫即为中气旋。

七、掌握超级单体风暴的定义和雷达回波特征
超级单体风暴最本质的特征是具有深厚而持久的中气旋，且只产生在中等到强的垂直风切变环境中。

超级单体风暴的回波特征为：①持续有界弱回波区，②持久的中气旋，③低层钩状回波，④三体散射长钉，⑤悬垂状回波，⑥旁瓣回波，⑦“V ”型缺口，⑧上部呈现宽大而伸展的云砧，⑨雷达回波顶高度较高。

A：旁瓣回波 B：三体散射 C:弱回波区 D：云砧 E：回波墙 F：悬挂回波 G：雨幡八、掌握飑线的雷达回波特征
①有界弱回波区，②中高空的悬垂装回波，③径向速度剖面呈现低层辐散、中层
辐合和高层辐散。

九、理解基本反射率、平均径向速度、组合反射率、垂直累计液态水含量、回波顶高、1小时降水估测、中气旋、冰雹指数、龙卷涡旋特征等常用产品
基本反射率：代表降水回波的强度大小，最高显示分辨率为1km，是对来自4个相接的距离库（分辨率250m）的回波功率取平均值。

平均径向速度：表示探测的降水粒子的平均径向速度大小，为整个360°方位扫描的径向速度数据。

组合反射率：表示一个体扫内，将常定仰角方位扫描中的最大反射率因子投影到笛卡尔坐标格点上的产品。

垂直累计液态水含量：表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值，它假设所有的反射率因子返回都是由液态水滴引起的经验导出关系。

回波顶高：它是在 18dBZ（可调阈值）反射率因子被探测到时，显示以最高仰角为基础的回波顶高度（不进行内插和外插）。

1小时降水估测：为1小时累计雨量，到当前体扫为止的1小时连续累积，每个体扫更新一次。

中气旋产品：用来显示与三种方位切变类型的识别有关的信息，即非相关切变、三维的相关切变及中气旋，用深黄色的圆圈显示。

冰雹指数：老的冰雹指数产品对每个被识别的风暴单体，提供其风暴单体结构是否有助于冰雹形成的指示，新的冰雹指数产品可以在识别的风暴单体属性表中给出相应单体降冰雹的概率、降大冰雹的概率和预期的最大冰雹尺寸，并以图形的形式显示出来。

龙卷涡旋特征：同中气旋。

十、了解降水估测的原理
降水估测的基本原理是基于反射率因子和降水率之间的正相关关系。

反射率因子越大，降水率越大。

建立反射率因子和降水率之间的经验关系，在雷达测得降水回波
的反射率因子后根据相应的经验公式可以求得降水率，对时间累加可以得到一段时间内的累计降水量。

1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？
答：主要由雷达数据采集子系统（RDA），雷达产品生成子系统（RPG），主用户终端子系统（PUP）三部分构成。

RDA的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。

RPG的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。

PUP的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。

2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？
答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；
二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测；四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。

3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？
答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。

4 天气雷达有哪些固有的局限性？
答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。

5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。

答：
P t 为雷达发射功率(峰值功率)；
G 为天线增益；h 为脉冲长度；
、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度；
r 为降水目标到雷达的距离；
：波长； m ：复折射指数；
Z 雷达反射率因子。

6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。

答：∑=
单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总
和，与波长无关。

7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。

答：
定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为ơ，它能全部接收射到其
上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，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雷达天线的电Z R C Z m m r h G p p t r ⋅=⋅+-=22222223212ln 1024λθϕπθϕλi S s R S 2
4πσ=
磁波能流密度，则该理想散射体的截面面积ơ就称为实际散射体的后向散射截面。

物理意义：定量表示粒子后向散射能力的强弱，后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同等条件下，它所产生的回波信号也越强。

8 什么是天气雷达工作频率？什么是天气雷达脉冲重复频率？
答：工作频率——天气雷达发射的探测脉冲的震荡频率
脉冲重复频率——每秒产生的触发脉冲的数目
9 什么是波束的有效照射深度和有效照射体积？
答：有效照射深度——雷达发出的探测脉冲具有一定的持续时间τ，在空间的电磁波列就有一定的长度h=τc，在雷达波束径向方向上，粒子的回波信号能够同时返回雷达天线的空间长度为h/2，称为雷达的有效照射深度。

有效照射体积——在波束宽度θ和ϕ范围内，粒子所产生的回波能同时到达天线的空间体积，称为有效照射体积。

10 0 dBZ代表多少反射率因子单位？－10dBZ、30dBZ和40dBZ分别代表多少反射率因子单位？
答：0代表1，-10代表0.1，30代表1000，40代表10000
11 何谓多普勒效应？多普勒雷达测量回波径向速度的主要技术是什么？
答：多普勒效应——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。

多普勒雷达测量回波径向速度的主要技术是“脉冲对处理”，也就是利用相继返回的两个脉冲对之间的位相变化确定目标的径向速度。

12什么叫距离折叠？什么叫速度模糊？最大不模糊距离和最大不模糊速度的表达式是什么？多普勒两难指的是什么？
答：距离折叠——雷达对于产生雷达回波的目标物位置的判断有最大不模糊距离，最大不模糊距离就是当雷达发出的一个脉冲遇到该距离的目标物产生的后向散射波返回到雷达时，下一个雷达脉冲刚好发出。

而当目标物的距离超出最大不模糊距离时，雷达对产生雷达回波的目标物位置就会产生辨认错误，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，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，这种现象称为距离折叠。

速度模糊——因为多普勒雷达测速的主要技术是“脉冲对处理”，能够测量的一个脉冲到下一个脉冲的最大相移的上限是180°，与180°脉冲对相移所对应的目标物径向速度值称为最大不模糊速度。

如果目标运动的真实脉冲对相移小于180°，那么雷达对速度的第一猜值是正确的，或者叫做不模糊的，但如果一个目标在两个脉冲的时间间隔期间移动的太远了，它的真实相移超过180°，则将赋给它一个小于180°的相移值，那么速度的第一猜值是不正确的，或者说速度是模糊的。

最大不模糊距离的表达式：Rmax=C/(2*PRF)
最大不模糊速度的表达式：Vmax=λ*PRF/4。