多普勒天气雷达原理与应用6雷达探测算法(3)PPT课件
合集下载
多普勒效应的原理与应用PPT模板
这个方程可以进一步简化为
df(t)/dt = w + (2π/T)sin(wt) 其中T是周期，π是圆周率。这个方程可以描述一个信号的频率随着时间的 变化而变化。通过解这个微分方程，我们可以得到信号的频率随时间的变
化曲线。 其次，频移还可以用线性代数的矩阵运算来描述。假设我们有一个长度为 N的向量f(t)，其中每个元素都是一个时间点上的频率值。那么，对于一个 长度为N的向量Δf(t)，其中每个元素都是一个微小的频率值，我们可以使 用矩阵乘法来计算频移的影响。具体来说，我们可以将Δf(t)表示为一个矩
其次，无线电通信在企业中也非常重要。企业可以使用无线电通信 技术来连接其员工和设备。例如，公司可以使用Wi-Fi网络来连接员 工计算机和打印机，以便快速共享文件和通信。此外，企业还可以 使用无线电通信技术来监控其设施和设备，以确保它们正常运行。
医学诊断技术中的应用
Application in medical diagnostic technology
频移产生的原因
频移是指信号在传输过程中频率发生的变化。这种变化可能 是由于信号在传输过程中受到不同频率的干扰，或者由于信 号本身的频率不准确所导致的。频移可能会导致信号失真， 影响信号的质量和性能。
频移的数学描述
标题：《频移的数学描述》
在许多物理现象和工程应用中，频移是一个重要的概 念。频移指的是一个信号的频率相对于参考频率的变 化。在数学上，频移可以描述为频率的微小变化，这 种微小变化可以通过微积分和线性代数等数学工具进 行计算和分析。 首先，频移可以用频率的微分方程来描述。对于一个 周期函数f(t)，其频率为w，频移为Δf，那么它的微 分方程可以表示为： df(t)/dt = w + Δf
新一代天气雷达介绍wwwPPT课件
CINRAD雷达与常规 天气雷达相比的优势
1.灵敏度提高 2.分辨率提高 3.具有风场探测 4.具有三维数据的自动采集能力 5.具有一套科学的数据处理的能力
频率控制精 度10-9 ！
10
•较合理的硬件工作模式和观测模式
为了能够获得最大不折叠距离探测范围同时获得最大 的不模糊径向速度，在雷达硬件工作模式方面，采用了连 续监测模式CS、连续Doppler模式CD和批模式B，对雷达脉 冲对数、脉冲宽度、脉冲重复频率等雷达参数进行了组合 ，以适应上述要求。在观测模式方面，设有四种观测模式 ，其中：降水模式有VCP11模式和VCP21模式两种，以适应 不同降水类型的需要。CINRAD-SA雷达由于发射机功率强大 ，接受机灵敏度高，还设有晴空模式：VCP31模式和VCP32 模式，用以探测晴空湍流、风切变等。在上述降水观测模 式中，为了达到获得最大探测不折叠距离和最大不模糊径 向速度，雷达采用了扫描方式与雷达参数相结合的办法实 现上述目标。
水中风场结构特征。
目前我国共有130多部多普勒雷达，分为 10cm的s波段和5cm的c波段两种，南方为 s波段、北方为c波段。西安的雷达型号 为CINRA—CB型。我省内共有5部多普 勒雷达：延安、榆林、汉中、安康、宝 鸡。
应用领域：主要在强对流天气的监测和 预警，天气尺度和次天气尺度降水的监 测，降水的测量、风的测量以及数据的 同化应用等
雷达图上，一般用紫色时表示不能识别的 值，观测时通过调整要尽量使紫色最小。
什么是Doppler速度 风矢量的径？向分量
不完全是水平的径向分量 一个体积内的主要风矢量 （注意：不是平均风矢量） 不是同一水平面上的风矢量（ 仰角不是零度） 风矢量的代表性（多尺度性） 误差 （器差，信息提取误差） 云、雨粒子的三维运动矢量
雷达气象学之第三章(多普勒天气雷达探测原理和方法)
2、脉冲对处理法（PPP）
在一定假设条件下对每一个距离库内的连 续两个取样值作成对处理．从而获得平均 多普勒频率和频谱宽度。此法优点在于能 实时处理．并且有一定精度，但它不能得 到频率谱。
3、相干记忆滤波器（CMF）处理法
此法只需要一个线路，在不设置距离库的 情况下同时对雷达探测范围内各个距离上 作粗略的谱分析，并能用如PSI(平面切变 线是其)等直接显示出来。但它精度不高；
垂 直 风 廓 线
补充风符号
1.风向杆 表示风的 来向。 2.风羽每 条代表风 速4米/秒， 半条代表2 米/秒，三 角旗代表 20米/秒。
谱 宽
反 射 率
三、影响速度谱宽的气象因子
• 多普勒速度谱宽表征着有效照射体内不同 大小的多普勒速度偏离其平均值的程度， 实际上它是由散射粒子具有不同的径向速 度所引起的。对气象目标物而言，影响速 度谱宽的主要因子有四个：
• 显然，雷达有效照射体中粒子直径的差别 越大，由此造成的多普勒速度谱越宽。
• 因此速度的谱宽实际上也取决于降水粒子 的谱分布。
• 当雷达水平探测时，粒子的下落末速度在 雷达波轴上的径向分量为零，所以它对多 普勒速度谱宽没有任何影响。
• 而当雷达垂直指向探测时，粒子下落末速 度即为径向速度，故由此造成的谱曾宽作 用最大。
• 在实际工作中需要了解的是有效照射体内
平均的多普勒速度和速度谱宽度，根据以
上关系式，并注意到 f 2v 关系式，则平均
多普勒速度
v
,和速度谱方差
2 v
分别为：
v 1 v v dv
Pr
2 v
1 Pr
vv
2
v dv
径向速度谱密度、平均径向速度、径向速度 谱宽三者的关系示意图
多普勒天气雷达资料分析与应用
多普勒天气雷达资料分析与应用
引言
• RADAR
• RAdio Detecting And Ranging
• WSR－88D
• Weather Surveillance Radar 88 Doppler
• CINRDA/SA，SB，SC；
• S:10cm，A敏视达，B14所，C成都七八四厂
• CINRDA/CD，成都七八四厂生产 CINRDA/ CC，CCJ 安徽四创生产
0
5 4
m2 1 2 m2 2 Z
大粒子散射
对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象 方程求得的 Z 值就不能代表降水的实际谱分布情况， 只能是等效的 Z 值，记为 Ze ，称为等效雷达反射率 因子。
等效反射率因子Ze:
• 用瑞利散射公式计算大粒子的反射率因子
• 能够产生同样回波功iN1率PrM，i 与小球45粒mm子的22 反 射12 率2 Z因e子等效的Z值。
天气雷达的基本工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射脉冲式的电磁波，电 磁波在大气中以接近光波的速度、近似于直线的路 径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标物，脉 冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射，其中一 部分电磁波能被散射回雷达天线（称为后向散射）， 在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布 和强度等特征。
• C：5cm
Weather Radar in China
• 中国气象雷达的概况 • 711型测雨雷达 - X • 713型测雨雷达 - C • 714型测雨雷达 - S • 多普勒雷达(714-CD, 3830，敏视达雷
达）
多普勒天气雷达的组成和探测原理
•一、多普勒天气雷达的工作原理 •二、雷达的 PPI 扫描方式 •三、雷达的三部分 •四、多普勒天气雷达的产品介绍 •五、短时预报常用的雷达产品
引言
• RADAR
• RAdio Detecting And Ranging
• WSR－88D
• Weather Surveillance Radar 88 Doppler
• CINRDA/SA，SB，SC；
• S:10cm，A敏视达，B14所，C成都七八四厂
• CINRDA/CD，成都七八四厂生产 CINRDA/ CC，CCJ 安徽四创生产
0
5 4
m2 1 2 m2 2 Z
大粒子散射
对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象 方程求得的 Z 值就不能代表降水的实际谱分布情况， 只能是等效的 Z 值，记为 Ze ，称为等效雷达反射率 因子。
等效反射率因子Ze:
• 用瑞利散射公式计算大粒子的反射率因子
• 能够产生同样回波功iN1率PrM，i 与小球45粒mm子的22 反 射12 率2 Z因e子等效的Z值。
天气雷达的基本工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射脉冲式的电磁波，电 磁波在大气中以接近光波的速度、近似于直线的路 径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标物，脉 冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射，其中一 部分电磁波能被散射回雷达天线（称为后向散射）， 在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布 和强度等特征。
• C：5cm
Weather Radar in China
• 中国气象雷达的概况 • 711型测雨雷达 - X • 713型测雨雷达 - C • 714型测雨雷达 - S • 多普勒雷达(714-CD, 3830，敏视达雷
达）
多普勒天气雷达的组成和探测原理
•一、多普勒天气雷达的工作原理 •二、雷达的 PPI 扫描方式 •三、雷达的三部分 •四、多普勒天气雷达的产品介绍 •五、短时预报常用的雷达产品
2DU简介双偏振多普勒天气雷达原理与应用 PPT课件
② 需采用大功率微波转换开关，且要
4、交替发射工作方式时的回波采样情况。如图6所 示：
ZH1 ZH3 ZH2i-1
ZV2 ZV4 ZV2i
图6 交替发射方式的回波采样信号时间序列示意图
（二）、功分后双发双收双偏振体制（也 称同时单发、双收体制）
1、含义图3 2、同时发射方式示意图。
。
3、同时发射工作方式的回波采样情况，如4所示
波功率 （或 ），通过旋转小椭球粒子群时的雷达气象方 程经距离订正后获得， 2、非球形粒子，为什么会产生ZH与ZV的差异 （1）先从单个非球形（如椭球）粒子看，当满足瑞利条件 时，见下图所示的极化情况，就造成ZH≠ZV，ZDR≠0。
图7 圆球及扁旋转椭球极化示意图
（2）实际回波来自一个有效照射体V*内所有粒子的后向 散射产生的功率，这就要考虑一群粒子的数量、大小、 形状及取向等情况。故ZH与ZV的差异，是一群非球形粒子所造成 。 （3）要获得ZH与ZV，还必须先建立适用于非球形粒 子群、在不同偏振波照射下的雷达气象方程。并且还要 考虑非球形粒子群旋转轴在空间的不同取向。
里
即KDP是双程传播相位变化值φDP随距离的变化程度。 2、若 (rm) 与 (rn) 不是相邻两库的距离，而是相隔较远的两个库之
间的距离，则KDP代表该降水段上的平均值。 3、KDP值的大小：一般KDP＜1°/Km，但含有冰核的大雨滴，KDP
（五）双线偏振雷达的退极化因子LDR
1、LDR的定义为：
（三）双程差分传播相位变化值φDP
1、φDP的含义：设水平及垂直偏振波通过相同长度 的一个降水区（可包含非球形粒子组成），散射 回天线处的相位分别为φHH及φVV，则定义： φDP=φHH -φVV=δ+ ɸdp
4、交替发射工作方式时的回波采样情况。如图6所 示：
ZH1 ZH3 ZH2i-1
ZV2 ZV4 ZV2i
图6 交替发射方式的回波采样信号时间序列示意图
（二）、功分后双发双收双偏振体制（也 称同时单发、双收体制）
1、含义图3 2、同时发射方式示意图。
。
3、同时发射工作方式的回波采样情况，如4所示
波功率 （或 ），通过旋转小椭球粒子群时的雷达气象方 程经距离订正后获得， 2、非球形粒子，为什么会产生ZH与ZV的差异 （1）先从单个非球形（如椭球）粒子看，当满足瑞利条件 时，见下图所示的极化情况，就造成ZH≠ZV，ZDR≠0。
图7 圆球及扁旋转椭球极化示意图
（2）实际回波来自一个有效照射体V*内所有粒子的后向 散射产生的功率，这就要考虑一群粒子的数量、大小、 形状及取向等情况。故ZH与ZV的差异，是一群非球形粒子所造成 。 （3）要获得ZH与ZV，还必须先建立适用于非球形粒 子群、在不同偏振波照射下的雷达气象方程。并且还要 考虑非球形粒子群旋转轴在空间的不同取向。
里
即KDP是双程传播相位变化值φDP随距离的变化程度。 2、若 (rm) 与 (rn) 不是相邻两库的距离，而是相隔较远的两个库之
间的距离，则KDP代表该降水段上的平均值。 3、KDP值的大小：一般KDP＜1°/Km，但含有冰核的大雨滴，KDP
（五）双线偏振雷达的退极化因子LDR
1、LDR的定义为：
（三）双程差分传播相位变化值φDP
1、φDP的含义：设水平及垂直偏振波通过相同长度 的一个降水区（可包含非球形粒子组成），散射 回天线处的相位分别为φHH及φVV，则定义： φDP=φHH -φVV=δ+ ɸdp
多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法
精品文档
Z-R关系误差
①滴谱分布的变化: Z-R方程是在对滴谱分布形式做 了某种假定的条件下得到的。实际滴谱分布可以偏 离假定。 ②混合型降水与亮带: 混合型降水—雨与雹、雪或 是冻雨混合，会产生大的反射率因子值，引起降水 率的过高估计。 当冰晶下落通过溶化层时，它们的 外表面开始溶化。正好位于溶化层（0°层面）下面， 这些包着水外衣的冰晶反射率因子是高的，产生增 强的雷达信号，在PPI上象弧形结构，在常规天气雷 达上叫做“亮带”，亮带会造成降水率的过高估计。
雷达降水估计
精品文档
反射率因子Z和降水率R
反射率因子Ｚ： 反射率因子与滴谱分布和滴的尺 度有关。表示为：
Z=∫N(D)D6dD 这里，Z＝反射率因子 D＝滴直径 N（D）＝每立方米给定直径的滴数量
Z r 2 Pr c
精品文档
dB 1Z • 0 lg Z Z 0
Z 0 1 m6/m m 3
精品文档
精品文档
WSR-88D 降水处理子系统
WSR-88D 降水处理子系统（PPS）由五个主要算 法子程序和两个外部支持功能块构成。
五个子算法是：1）降水预处理；2）降水速率；3） 降水累加；4）降水调整；5） 降水产品。该算法包括46 个可调（适配）参数。通过调整这些参数，可以适应局地 气象条件。
R6NDD3wt DdD
这里 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
注意：R正比于滴直径的3次方。
精品文档
精品文档
精品文档
• R正比于滴直径的3次方； • Z正比于滴直径的6次方； • 改变滴直径会引起R的大变 化，Z会产生更大的变化。
精品文档
精品文档
Z-R关系误差
①滴谱分布的变化: Z-R方程是在对滴谱分布形式做 了某种假定的条件下得到的。实际滴谱分布可以偏 离假定。 ②混合型降水与亮带: 混合型降水—雨与雹、雪或 是冻雨混合，会产生大的反射率因子值，引起降水 率的过高估计。 当冰晶下落通过溶化层时，它们的 外表面开始溶化。正好位于溶化层（0°层面）下面， 这些包着水外衣的冰晶反射率因子是高的，产生增 强的雷达信号，在PPI上象弧形结构，在常规天气雷 达上叫做“亮带”，亮带会造成降水率的过高估计。
雷达降水估计
精品文档
反射率因子Z和降水率R
反射率因子Ｚ： 反射率因子与滴谱分布和滴的尺 度有关。表示为：
Z=∫N(D)D6dD 这里，Z＝反射率因子 D＝滴直径 N（D）＝每立方米给定直径的滴数量
Z r 2 Pr c
精品文档
dB 1Z • 0 lg Z Z 0
Z 0 1 m6/m m 3
精品文档
精品文档
WSR-88D 降水处理子系统
WSR-88D 降水处理子系统（PPS）由五个主要算 法子程序和两个外部支持功能块构成。
五个子算法是：1）降水预处理；2）降水速率；3） 降水累加；4）降水调整；5） 降水产品。该算法包括46 个可调（适配）参数。通过调整这些参数，可以适应局地 气象条件。
R6NDD3wt DdD
这里 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
注意：R正比于滴直径的3次方。
精品文档
精品文档
精品文档
• R正比于滴直径的3次方； • Z正比于滴直径的6次方； • 改变滴直径会引起R的大变 化，Z会产生更大的变化。
精品文档
精品文档
多普勒天气雷达原理与应用6-雷暴生成发展和衰亡的临近预报(3)
Beijing SA 20060807
0739-0952
Thunderstorm AutoNowCaster (ANC) System
Heuristic, fuzzy logic system that runs on the regional scale
Combines information from: 10-14 NEXRAD radars, geostationary satellite, RUC NWP output, surface stations, radiosondes, 4D-VAR retrieved wind fields, and forecaster-entered convergence boundaries
20090722 北京雷暴个例
0800 CAPE=2100
13:30 MODIS 250m
1.5度仰角 14:00
1400 CAPE=2900
20090603 河南强对流
订正后 CAPE 1400
20090603
1400
10:00
12:00
Beijing 20080808 0800订正 CAPE=1700
500hpa 20080808 20:00
2008年8月8日1300点MODIS云图
20080808 14:00
20080808 14:00
Beijing 080808 2000
CAPE=1700
20080808 20:00
• Cloud characteristics -cloud type -cloud growth -cloud top temperatures -new cloud motion
《雷达多普勒效应》课件
广泛应用于雷达、声呐、医学超声 等领域。
雷达多普勒效应的原理
雷达工作原理
雷达通过发射电磁波并接收目标反射回来的回波来探测目标。
雷达多普勒效应
当雷达与目标之间有相对运动时，接收到的回波频率会发生变化。
雷达多普勒效应的应用
用于测量目标的运动速度、距离和方位角等参数。
03 雷达多普勒效应的实现
雷达系统的组成
雷达多普勒效应的应用
速度测量
利用雷达多普勒效应可以测量 目标的运动速度，广泛应用于 交通监控、气象观测等领域。
距离测量
通过测量多普勒频移可以计算 出目标与雷达之间的距离，常 用于雷达测距、导航等领域。
运动轨迹跟踪
利用雷达多普勒效应可以实现 对运动目标的轨迹跟踪，用于 导弹制导、无人驾驶车辆等领 域。
02 雷达多普勒效应的基本原 理
声波与电磁波
声波与电磁波的传播方式
雷达多普勒效应涉及的波
声波通过介质振动传播，电磁波通过 空间传播。
雷达发射的电磁波与反射回来的目标 回波。
声波与电磁波的特性
声波速度受介质影响，电磁波速度为 光速。
波的传播速度
01
02
03
声波传播速度
声波在介质中的传播速度 取决于介质的密度和弹性 模量。
生物医学成像
在生物医学领域，雷达多普勒 效应可用于血流检测、心脏监
测等方面。
学习雷达多普勒效应的重要性
01
掌握雷达多普勒效应的基本原理 和应用，对于从事雷达技术、通 信工程、物理等专业的学生和研 究者来说是必备的知识。
02
了解雷达多普勒效应在各个领域 的应用情况，有助于更好地理解 和应用相关技术，提高解决实际 问题的能力。
电磁波传播速度
雷达多普勒效应的原理
雷达工作原理
雷达通过发射电磁波并接收目标反射回来的回波来探测目标。
雷达多普勒效应
当雷达与目标之间有相对运动时，接收到的回波频率会发生变化。
雷达多普勒效应的应用
用于测量目标的运动速度、距离和方位角等参数。
03 雷达多普勒效应的实现
雷达系统的组成
雷达多普勒效应的应用
速度测量
利用雷达多普勒效应可以测量 目标的运动速度，广泛应用于 交通监控、气象观测等领域。
距离测量
通过测量多普勒频移可以计算 出目标与雷达之间的距离，常 用于雷达测距、导航等领域。
运动轨迹跟踪
利用雷达多普勒效应可以实现 对运动目标的轨迹跟踪，用于 导弹制导、无人驾驶车辆等领 域。
02 雷达多普勒效应的基本原 理
声波与电磁波
声波与电磁波的传播方式
雷达多普勒效应涉及的波
声波通过介质振动传播，电磁波通过 空间传播。
雷达发射的电磁波与反射回来的目标 回波。
声波与电磁波的特性
声波速度受介质影响，电磁波速度为 光速。
波的传播速度
01
02
03
声波传播速度
声波在介质中的传播速度 取决于介质的密度和弹性 模量。
生物医学成像
在生物医学领域，雷达多普勒 效应可用于血流检测、心脏监
测等方面。
学习雷达多普勒效应的重要性
01
掌握雷达多普勒效应的基本原理 和应用，对于从事雷达技术、通 信工程、物理等专业的学生和研 究者来说是必备的知识。
02
了解雷达多普勒效应在各个领域 的应用情况，有助于更好地理解 和应用相关技术，提高解决实际 问题的能力。
电磁波传播速度
多普勒天气雷达原理与应用-雷达探测算法
阴影区：反射率≥ TZ
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
R [(
k
Z1 (k )
Z2
(k)
1 N
Z1 2 (k) N Z1 2 ) (
Z1(k) Z2 (k)
k
k
Z2 2 (k) N Z2 2 )]
k
k
其中Z1和Z2是分别是相继两个体扫t1和t2时刻的反射率因子， N是一个“区域”内数据点的数量（N=m2）。
14Байду номын сангаас雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型：
• 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍；
• 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二 维区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我 们下面给以重点介绍。
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
R [(
k
Z1 (k )
Z2
(k)
1 N
Z1 2 (k) N Z1 2 ) (
Z1(k) Z2 (k)
k
k
Z2 2 (k) N Z2 2 )]
k
k
其中Z1和Z2是分别是相继两个体扫t1和t2时刻的反射率因子， N是一个“区域”内数据点的数量（N=m2）。
14Байду номын сангаас雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型：
• 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍；
• 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二 维区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我 们下面给以重点介绍。
天气雷达的工作原理ppt课件
从而使雷达荧光屏上出现的目标标志（用亮点或垂
直偏移表示）的方位、仰角就是目标相对于雷达的
实际方位、仰角。
.
16
５、天线转换开关
因为雷达发射和接受的都是持续时间极短（微秒量 级）、间歇时间很长（千微秒量级）的高频脉冲波，这 就有可能使发射和接收共用一根天线。天线转换开关的 作用是：在发射机工作时，天线只和发射机接通，使发 射机产生的巨大能量不能直接进入接收机，从而避免损 坏接收机；当发射机停止工作时，天线立即和接收机接 通，微弱的回波信号只进入接收机。
距离仰角显示器是显示云 和降水的垂直结构的显示器。 由于距离高度显示器只能在低 仰角下使用，如711雷达和7l3 雷达在作距离仰角显示时，天 线的最大仰角只分别为32０和 29０，这样的仰角看不到近距 离天顶附近的云雨情况，为了 解近距离天顶附近的云雨情况 和结构，某些天气雷达(国产 713雷达)可以作“距离仰角显 示”，这种显示器简称为REI
线的转动系统，一部分是同步系统。天线转动系统
的作用是：（1）使天线绕垂直轴转动，以便探测
平面上的降水分布，或漏斗面上降水、云的分布；
（2）使天线在某一方位上作上下俯仰，以便探测
云和降水的垂直结构和演变。
天线同步系统（也叫伺服系统）的作用是：使
阴极射线管上不同时刻时间扫描基线的方位、仰角
和相应时间天线所指的方位、仰角一致（即同步），
(Rang Elevation Indicator) .
横坐标为距离，纵坐 标为高度，垂直坐标尺度 和水平坐标尺度一样，因 此它没有距离高度显示器 那样出于两个坐标尺度不 一样而引起的失真。 23
等高平面位置显示器(CAPPl)
平面位置显示器只是在仰角为０时得到降水目标 的平面分布，仰角大于０时得到的是一个远处高近 处低的漏斗面上的云雨分布。为了解不同高度上的 云和降水分布，了解降水发生发展的三度空间情况， 人们使用了 “等高平面位置显示器”，简称 CAPPI(Constant Altitude PPl)。等高平面位置显 示器能够显示不同高度平面上的云雨分布
6、多普勒天气雷达原理与应用
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。
《雷达多普勒效应》课件
多普勒效应在雷达技术中起到了至关重要的作用，包括目标速度测量、运动 目标检测、飞行器导航与控制等诸多方面。
多普勒效应的测量方法
1
连续波雷达
使用连续波雷达来测量多普勒效应，能够实时获取目标运动信息。
2
脉冲雷达
利用脉冲雷达的特点，通过测量回波的相位差来计算目标的多普勒频移。
3
多普勒频谱分析
通过对接收到的回波信号进行频谱分析，可以获取目标的速度和位置等信息。
算法和处理复杂性
多普勒效应的数据处理需要复 杂的算法和计算能力，增加了 系统的开发和维护难度。
结论和总结
雷达多普勒效应在现代科技中有着重要应用，尽管存在一些局限和挑战，但 其在目标运动测量和天气预报等领域仍发挥着巨大的作用。
多普勒雷达和普通雷达的区别
多普勒雷达
用于测量目标的速度和运动参数，主要应用于航空、 气象、交通等领域。
普通雷达
用于探测目标的位置和距离，广泛应用于军事、航海、 航空等领域。
多普勒效应在天气预报中的应用
1 气象雷达
2 风速监测
3 暴风雨预警
通过测量气象目标的多普勒 频移，可以预测风速、降水 强度和气象系统的演变趋势。
多普勒雷达可以准确测量风 速，为风能发电和气象研究 提供重要数据。
多普勒雷达可以探测风暴中 的强风和旋转流，提供准确 的暴风雨预警信息。
多普勒效应的局限和挑战
测量角度影响
多普勒效应对于目标的运动方 向和角度有一定限制，测量结 果会受到影响。
信号干扰
强信号和杂波可能导致多普勒 效应的测量误差或干扰。
《雷达多普勒效应》PPT 课件
雷达多普勒效应是一种广泛应用于雷达技术中的现象，通过检测目标散射波 的频率变化来获取目标的运动信息的是当信号源与观察者相对运动时，其频率会发生变化。该效应的原理是基于多普勒频移的概念 和相对运动的物理规律。
多普勒效应的测量方法
1
连续波雷达
使用连续波雷达来测量多普勒效应，能够实时获取目标运动信息。
2
脉冲雷达
利用脉冲雷达的特点，通过测量回波的相位差来计算目标的多普勒频移。
3
多普勒频谱分析
通过对接收到的回波信号进行频谱分析，可以获取目标的速度和位置等信息。
算法和处理复杂性
多普勒效应的数据处理需要复 杂的算法和计算能力，增加了 系统的开发和维护难度。
结论和总结
雷达多普勒效应在现代科技中有着重要应用，尽管存在一些局限和挑战，但 其在目标运动测量和天气预报等领域仍发挥着巨大的作用。
多普勒雷达和普通雷达的区别
多普勒雷达
用于测量目标的速度和运动参数，主要应用于航空、 气象、交通等领域。
普通雷达
用于探测目标的位置和距离，广泛应用于军事、航海、 航空等领域。
多普勒效应在天气预报中的应用
1 气象雷达
2 风速监测
3 暴风雨预警
通过测量气象目标的多普勒 频移，可以预测风速、降水 强度和气象系统的演变趋势。
多普勒雷达可以准确测量风 速，为风能发电和气象研究 提供重要数据。
多普勒雷达可以探测风暴中 的强风和旋转流，提供准确 的暴风雨预警信息。
多普勒效应的局限和挑战
测量角度影响
多普勒效应对于目标的运动方 向和角度有一定限制，测量结 果会受到影响。
信号干扰
强信号和杂波可能导致多普勒 效应的测量误差或干扰。
《雷达多普勒效应》PPT 课件
雷达多普勒效应是一种广泛应用于雷达技术中的现象，通过检测目标散射波 的频率变化来获取目标的运动信息的是当信号源与观察者相对运动时，其频率会发生变化。该效应的原理是基于多普勒频移的概念 和相对运动的物理规律。
多普勒天气雷达原理与应用6雷达探测算法3
TITAN
Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting 雷暴识别、追踪、分析和临近预报 一个基于雷达观测的雷暴临近预报系统
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
安徽2004年7月7日强对流 CTREC 3 0分钟预报与实况 绿色实线为12dbz的反射率因子实况的轮廓线。
安徽2004年7月7日强对流 CTREC 3 0分钟预报与实况 绿色实线为12dbz的反射率因子实况的轮廓线。
安徽2004年7月7日强对流 CTREC 3 0分钟预报与实况 绿色实线为12dbz的反射率因子实况的轮廓线。
• 相对于边界的低层切变
低层切变是一个垂直于边界的矢量差 用地面的风矢量减去2.5km 高处的风矢量。 .
该参数指示上升气流的倾斜程度 该参数< -8 m/s 有利于出现竖直 的上升气流，因此有利于更强和 长生命的雷暴。
雷暴生命史及其演化特征
Single cell storms live < 30 min Single cell storms live < 30 min
Multi-cell storm systems live > 30 min
(Henry 1993; Battan 1953; Foote and Mohr 1979)
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法(3)
第四十二页，共68页。
双扫描最大化（bi-scan maximization）：超过50km（27nm） 时，此技术选择最低2个仰角的较大反射率因子值（除非最低仰角在倾斜测试
3）异常传播和倾斜测试
第四个质量控制步骤是为了去除由异常传播造成的异常地 物杂波。虽然在RDA中使用了杂波抑制，一般能消除大部分异常地物 杂波，但需要进一步的质量控制以去除没有被抑制的杂波。根据气象 目标回波反射率因子一般在垂直方向连续的规律，算法检查每个体积 扫，以决定是否有特定百分率的在最低仰角的回波在下一个较高仰角
送实时雨量计报告。当PDF不再检测到降水，GDS计算机将从RGDAF接 收到一条停止传送雨量计数据的讯息。
第二十六页，共68页。
降水算法子程序1 ：反射率因子预处理
降水处理算法使用来自距雷达230km范围内分辨率为1km×1 º的四
个最低仰角（0.5 º，1.5 º，2.4 º和3.4 º）的基反射率因子作为输入（不依
第二十页，共68页。
第二十一页，共68页。
WSR-88D 降水处理子系统
WSR-88D 降水处理子系统（PPS）由五个主要算法子程 序和两个外部支持功能块构成。
五个子算法是：1）降水预处理；2）降水速率；3）降水累 加；4）降水调整；5） 降水产品。该算法包括46个可调（适配）
参数。通过调整这些参数，可以适应局地气象条件。
Z=300R1.4
第八页，共68页。
第九页，共68页。
第十页，共68页。
第十一页，共68页。
第十二页，共68页。
第十三页，共68页。
第十四页，共68页。
转换降水率的最大dBZ值
这个参数给出可转换成R的dBZ值的上限。 在这个特殊
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
9
雷暴分裂：对于在t1时 刻所有的风暴，预报它 们在t2时刻的椭圆投影 的位置、取向和尺寸， 然后根据t2时刻识别的 所有雷暴判断哪些是新史的雷暴的质心位于某 一个t1时刻雷暴的预报 的在t2时刻的投影椭圆 的区域范围内，则确认 发生了雷暴分裂。
10
雷暴移动的预报
在直角坐标系中的TREC称为CTREC。
33
CTREC中的跟踪方法
CTREC使用一定时间间隔内的雷达资料，将反射率因子 场分成若干个大小相当的“区域”，每个“区域”包含 m×m个像素。将这些在上一时刻的“区域”分别与下一 时刻的各个“区域”作空间交叉相关，以找出此刻与上一 个时刻的特定区域相关系数最大的“区域”，从而来确定 整个回波的移动矢量，实现回波的跟踪。
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 21
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 22
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 23
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 24
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 25
3
TITAN
Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting 雷暴识别、追踪、分析和临近预报 一个基于雷达观测的雷暴临近预报系统
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
4
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
14 雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
1
整体概述
概述一
点击此处输入
相关文本内容
概述二
点击此处输入
相关文本内容
概述三
点击此处输入
相关文本内容
2
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型： • 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍； • 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二维 区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我们 下面给以重点介绍。
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 16
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 17
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 18
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 19
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 20
主要思路：对于较短的时间间隔，1）一个雷暴倾向于 沿着一条直线运动；2）风暴的增长和衰减遵循线性趋 势；3）会出现对上述线性行为的随机偏差。
根据演变历史加权线性拟合外推：预报量包括以反射 率因子为权重的雷暴质心、体积、和投影椭圆的参数。
最近，改用多边形（原来为椭圆）对雷暴的水平投影 的面积和形状进行表达。
该项技术利用交叉相关方法跟踪雷达某一个仰角扫描构 成的锥面上某一个二维回波型。即初始的算法是在由某 一仰角扫描构成的2维圆锥面上进行回波的跟踪。后来， 将该技术应用于直角坐标情况，考虑在某一等高面上的 二维直角坐标系中进行回波跟踪。首先需要将雷达体扫 资料内插到某一等高面（如2.5km）上的直角坐标系中。
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 31
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 32
TREC
TREC 是Tracking of Radar Echo with Correlations 的缩 写，既“利用相关跟踪雷达回波”。
1978年由Rinehart和Garvey提出这项技术，用来反演雷 达回波区的气流流场。
7
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
将雷暴路径的确定作为一个最优化问题来处理 8
雷暴合并与分裂的处理
雷暴合并：t1时刻的 雷暴多余t2时刻雷暴 数，或者有雷暴消失， 或者有雷暴合并。如 果t1时刻的2个以上雷 暴质心的预报位置在 t2时刻识别的某个雷 暴范围内，可以判断 雷暴合并。
雷暴定义：反射率因子TZ ≥ 35dBZ；体积TV ≥ 50km3
5
雷暴识别
考虑二维格点，先识 别x方向，再识别y方 向， 再拓展到三维 识别z方向（之上或 者之下）
阴影区：反射率≥ TZ
6
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
34
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 26
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 27
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 28
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 29
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 30
11
12
TITAN分析和追踪预报的个例
2004 年 7 月 29 日 飑 线 的 60 分 钟 预报和实况检验
2004年“7.10”暴雨的30分钟预报 和实况检验
京津地区
13
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 14
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 15
雷暴分裂：对于在t1时 刻所有的风暴，预报它 们在t2时刻的椭圆投影 的位置、取向和尺寸， 然后根据t2时刻识别的 所有雷暴判断哪些是新史的雷暴的质心位于某 一个t1时刻雷暴的预报 的在t2时刻的投影椭圆 的区域范围内，则确认 发生了雷暴分裂。
10
雷暴移动的预报
在直角坐标系中的TREC称为CTREC。
33
CTREC中的跟踪方法
CTREC使用一定时间间隔内的雷达资料，将反射率因子 场分成若干个大小相当的“区域”，每个“区域”包含 m×m个像素。将这些在上一时刻的“区域”分别与下一 时刻的各个“区域”作空间交叉相关，以找出此刻与上一 个时刻的特定区域相关系数最大的“区域”，从而来确定 整个回波的移动矢量，实现回波的跟踪。
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 21
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 22
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 23
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 24
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 25
3
TITAN
Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting 雷暴识别、追踪、分析和临近预报 一个基于雷达观测的雷暴临近预报系统
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
4
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
14 雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
1
整体概述
概述一
点击此处输入
相关文本内容
概述二
点击此处输入
相关文本内容
概述三
点击此处输入
相关文本内容
2
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型： • 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍； • 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二维 区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我们 下面给以重点介绍。
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 16
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 17
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 18
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 19
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 20
主要思路：对于较短的时间间隔，1）一个雷暴倾向于 沿着一条直线运动；2）风暴的增长和衰减遵循线性趋 势；3）会出现对上述线性行为的随机偏差。
根据演变历史加权线性拟合外推：预报量包括以反射 率因子为权重的雷暴质心、体积、和投影椭圆的参数。
最近，改用多边形（原来为椭圆）对雷暴的水平投影 的面积和形状进行表达。
该项技术利用交叉相关方法跟踪雷达某一个仰角扫描构 成的锥面上某一个二维回波型。即初始的算法是在由某 一仰角扫描构成的2维圆锥面上进行回波的跟踪。后来， 将该技术应用于直角坐标情况，考虑在某一等高面上的 二维直角坐标系中进行回波跟踪。首先需要将雷达体扫 资料内插到某一等高面（如2.5km）上的直角坐标系中。
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 31
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 32
TREC
TREC 是Tracking of Radar Echo with Correlations 的缩 写，既“利用相关跟踪雷达回波”。
1978年由Rinehart和Garvey提出这项技术，用来反演雷 达回波区的气流流场。
7
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
将雷暴路径的确定作为一个最优化问题来处理 8
雷暴合并与分裂的处理
雷暴合并：t1时刻的 雷暴多余t2时刻雷暴 数，或者有雷暴消失， 或者有雷暴合并。如 果t1时刻的2个以上雷 暴质心的预报位置在 t2时刻识别的某个雷 暴范围内，可以判断 雷暴合并。
雷暴定义：反射率因子TZ ≥ 35dBZ；体积TV ≥ 50km3
5
雷暴识别
考虑二维格点，先识 别x方向，再识别y方 向， 再拓展到三维 识别z方向（之上或 者之下）
阴影区：反射率≥ TZ
6
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
34
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 26
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 27
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 28
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 29
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 30
11
12
TITAN分析和追踪预报的个例
2004 年 7 月 29 日 飑 线 的 60 分 钟 预报和实况检验
2004年“7.10”暴雨的30分钟预报 和实况检验
京津地区
13
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 14
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 15