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，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）：

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）