多普勒天气雷达原理与应用6雷达探测算法3
天气雷达的基本工作原理和参数-168页文档资料
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。
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。WSR-88D 可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个： VCP11 -- VCP11（scan strategy #1，version 1） 规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 VCP21 -- VCP21（scan strategy #2，version 1） 规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2）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。
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 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
中国新一代天气雷达系统简介
• 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）
多普勒天气雷达应用研究
多普勒天气雷达应用研究【摘要】本文简要介绍了多普勒天气雷达的相关原理，并结合典型个例，应用多普勒天气雷达回波资料及常规天气资料，阐述了多普勒图像在气象保障中的应用，简要论述复杂海岸地形产生的气流在对流降水过程中的影响。
【关键词】多普勒天气雷达；闪电强度；地形1 多普勒天气雷达的相关原理1.1 PPI显示方式雷达图像的PPI显示，是指雷达天线在一系列固定仰角上扫描360。
进行取样，并经过对目标物的数据进行分析、处理而得出的结果。
在每个仰角上，沿雷达波束向外径向距离增加，离地高度也增加。
因此，当环境风场只随高度变化时，雷达扫描一周便能揭示出从地面到雷达显示范围边缘高度上所有风的信息。
1.2 零值线的意义在分析多普勒图像时.关键是要寻找到零值线，然后围绕零线进行大气流场的分析。
零值线一种情况表明此处的风向与雷达探测的径向是垂直的；另一种情况是该处真实风速为零（也可能是速度极小或处于静止状态）。
当所有高度上的风速都一样，风向从地面上（雷达站）的南风均匀地改变到显示边缘高度上的正南风。
环境风场平面图：风速固定，在地面为南风（图像中心），均匀地经西南风变为图像边缘处的西风。
在显示区的外缘，当雷达指向正北和正南时，多普勒速度值为零，这意味着在相应高度不是正西风就是正东风。
由于在显示区的西部边缘多普勒速度值是正的（朝向雷达的分量），东部边缘的多普勒速度值是负的（离开雷达的分量），那么很明显.在雷达图像显示区边缘高度上风向是由西向东的。
1.3 典型流场的多普勒模式掌握典型流场的多普勒模式，对于分析复杂天气系统的流场结构有着重要的意义，下面主要介绍基本气流模式、暖切变流场模式和冷锋（冷切变）流场模式。
1.3.1 基本气流模式基本气流（水平面上风向风速一致、风速随高度先增加后减小的西南气流）的方向是从趋近（正值）中心吹向远离（负值）中心，并和零值线所在的向径方向垂直，这就是基本气流径向速度分布模式。
其它方向的基本气流的趋近区、远离区和零值线也随之而变，但图形一样。
2DU简介双偏振多普勒天气雷达原理与应用 PPT课件
（一）几种测雨方程的形式
1、常规天气雷达
（21）
2、双线偏振雷达
（22）
3、双线偏振多普勒雷达
（二）模拟雨滴谱资料的结果（参阅有关文献）
1、测雨方程形式与前面相同，但要确定方程中的一些系数。 2、不同测雨方程求得的雨强IDP、IDR、IDK，与雨滴谱确定的真值 雨强R之间的关系，见下面给出的图11 ―图14 。
（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
其中：
（1）δ为反射相位差。 对于同一粒子δ值是固定的。 对于S波段雷达，满足瑞利散射的粒子，δ是个小 量。但冰雹时δ值较大。
1、。ZDR定义式为 ：
ZDR=10log（ZHH/ZVV）=10log ZHH-10logZVV （8） 在信号处理器RVP8中用给出的求ZDR的公式为：
ZDR=10loS gHH=
S VV
2、ZDR值的范围：一般为-0.5—— +6.0dB （1）一般雨滴呈扁旋转椭球，ZHH＞ZVV，故常为ZDR＞0 。 （2）大雨滴时 ，呈更扁的椭球形，故ZDR值可达3~5dB。 （3）冰雹 ，由于翻转作用总体效果接近球形，ZDR值在零附近 ，可以是小的负值或小的正值。
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
多普勒天气雷达
工作原理
多普勒雷达是世界上最先进的天气监测设备，并且已经在很多国家得到深入应用，因此，下面我们就多普勒 雷达的工作原理进行深入分析和研究，以便能够使人们对其工作原理有着更为清楚的认识。
1.1通过气象目标对雷达电磁波的散射和吸收
粒子能够对电磁波进行吸收和散射，这也是粒子对电磁波的两大基本形式。雷达探测大气的基础是由气象目 标对雷达电磁波的吸收和散射所得。如果电磁波的波束在大气传播途中遇到包括云滴、雨滴以及其他悬浮粒子和 空气分子，作为入射的电磁波波束中的有一部分会因为上述的粒子反射到不同地方，这类现象称之为散射。一部 分散射的电磁波波束会被粒子吸收，最终按照雷达的方向返回被雷达天线接收，多普勒天气雷达能够通过接收到 的电磁波束中自带的振幅和位相等数据，得出气象目标的平均速度以及发射率因子和速度谱宽等基本数据，进而 推断并计算出相对应的气象情况和其他内部结构特征。
重要意义
多普勒雷达是世界上最先进的雷达系统，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒雷达能够监 测到位于垂直地面8-12公里的高空中的对流云层的生成和变化，判断云的移动速度，其产品信息达72种，天气预 报的精确度比以前将会有较大提高。1991至1997年，美国在全国及海外布的165台NEXRDA被称为天气雷达系统的 典范，是世界上最先进的和最精确的天气雷达系统。它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性天气警报 的能力无与伦比。NEXRAD可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品，极大地提高了对超级单体、湖泊效应雪、成 层雪、雷暴、降水、风切变、下击暴流、龙卷、锋面、湍流、冰雹等重大灾害性天气的监测和预报能力。对强雷 暴的侦察率是96%，对龙卷的发现率是83%，对龙卷警告的平均预警时间是18分钟，而在未建NEXRDA络之前，美国 国家上述参数的平均值分别是60%，40%和2分钟。从中可以预料CINRDA将从根本上增强探测强雷暴的能力，能较 早地探测到晴空下威胁航行的大气湍流和发生灾害性洪水的可能，并为水资源的管理决策提供极有价值的信息。 新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的一项气象现代化工程，计划在全国建成S频段和C频段雷达 156部，该系统建成后，我国的气象现代化水平会上一个新的台阶。
多普勒雷达探测原理
多普勒雷达探测原理8.1.1 多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler 1842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。
多普勒频率(多普勒频移)：对于⼀个运动的⽬标，向着雷达运动或远离雷达运动所产⽣的频移量是相同的，但符号不同：①如果⽬标移向雷达频移为正；②如果⽬标远离雷达频移为负。
8.1.2 径向速度径向速度简单地定义为⽬标运动平⾏于雷达径向的分量。
它是⽬标运动沿雷达径向的分量，既可以向着雷达，也可以离开雷达。
需要注意：①径向速度总是⼩于或等于实际⽬标速度；②由WSR-88D测量的速度只是⽬标向着或离开雷达的运动；③当⽬标运动垂直于雷达径向或静⽌时径向速度为零。
⽬标的实际速度与WSR-88D描述的径向速度间的关系能⽤数学⽅法描述成径向速度⽅程│Vr│=│V│•cosβ其中Vr为径向速度，V为实际速度，β为实际速度V与雷达径向之间最⼩的夹⾓。
8.1.3 多普勒天⽓雷达测速由于多普勒频移(Hz)相对发射频率(MHz)很⼩，故多普勒天⽓雷达通常不是直接测量多普勒频移，⽽是通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定⽬标物的径向速度，这种脉冲位相的变化可以⽐较容易并且⽐较准确的测量。
这种测速技术叫做"脉冲对处理"。
脉冲对处理 Pulse-Pair Method要使多普勒雷达能够提取⽬标的多普勒运动信息，必须知道每个发射波的初相位，这样就可以⽐较相继返回信号的位相。
如果每个发射波的初位相不知道，那么将⽆法知道相继返回的两个脉冲间的相移，也就⽆法对⽬标物沿雷达径向做出估计。
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
雷达气象学原理多普勒天气雷达
多普勒天气雷达除此之外，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。
以前，用常规天气雷达进行的天气预报 仅仅使用反射率因子资料。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。
多普勒频率与径向速度的关系
假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f0，目标与雷达的距
离为r，则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为2r。这 个距离用波长来度量，相当 个波长；用弧度来衡量相当于 个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为 ，那么电磁波 被散射回到天线时的相位应是
位相的时间变化率
由于目标物的径向运动引起 的雷达回波信号的频率变化，它 就是多普频移或多普勒频率。
多普勒雷达是通过直接测量多普勒 频率来得到径向速度的吗?
4.2 多普勒雷达径向速度探测方法
Pulse-Pair Method 脉冲对方法
取两个连续的脉冲然 后测量接收脉冲的相位， 这种脉冲对位相变化可以 比较容易并且比较准确地 测量
DΦ/dt 实际上就是角 速度 = w = 2πfd
假定当第一个脉冲遇到目标物时，该目标物距雷达的距离为r，则该目标物 产生的回波到达雷达时的位相为：
2、平均多普勒频移及频谱宽度
3、平均多普勒速度和速度谱宽度
注意：脉冲对方法并没有从回波信号中提取频谱或功率谱，从而 不能按以上公式计算和，而是直接对回波信号作简便计算求得。
(8.43)
影响速度谱宽的气象因子
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。谱宽可以用做速度估计质量控制的工具：当谱宽 增加，速度估计的可靠性就减小。对气象目标物而言，影响谱 宽的主要因子有四个：
多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法(1)
中气旋（M）与龙卷涡旋特 征（TVS）产品和算法
步骤1 1D中气旋处理：识别1D 型矢量并测试它们是 否满足切变（THS, TLS）和角动量（THM，TLM） 阈值。 步骤2 2D中气旋处理：1）将1D型矢量组成2D特征， 组成2D特征的最小型矢量的个数为可调参数TPV；2） 确定2D特征的对称性；3）计算2D特征的属性；4） 去掉在高度TFM以上的2D特征。 步骤3 3D中气旋处理：1）将2D特征组成3D特征；2） 丢弃不能组成3D特征的非对称的2D特征；3）不能组 成3D特征的2D特征归类为“非相关切变”；4）包含 少于2个对称2D特征的3D特征归类为“3D相关切变”； 5）包含2个或更多对称2D特征的三维特征归类为“中 气旋”。
表6-7 新的冰雹探测算法HDA的评分 日期 11/02/1992 17/02/1992 25/03/1992 19/04/1992 28/04/1992 28/05/1992 02/06/1992 12/06/1992 09/06/1992 01/09/1989 总体 WT （Jｍ-1s-1） 20 26 63 66 74 97 100 120 126 134 H 16 13 30 16 94 5 3 0 0 40 217 M 1 10 9 12 39 0 3 0 0 20 94 FA 33 11 18 21 32 10 6 5 0 71 207 POD（%） 94 57 77 57 71 100 50 67 70 FAR（%） 67 46 38 59 25 67 67 100 64 49 CSI（%） 32 38 53 31 57 33 25 0 31 42
6
0.084 z
W (Z )
W (Z ) 0
对于 Z L Z Z U 对于 Z Z U
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。
新一代天气雷达介绍www
中国气象局颁发了新一代多普勒天气雷达 统一型号命名规定： CINRAD产品型号，分为两类八种型号 中美合资生产 国内独立研制 SC ( 714SDN ) CC ( 3830CD ) CD ( 714CDN ) CC J( 3830CD J)
SA — S波段增强型 SB — S波段标准型 CA — C波段增强型 CB — C波段标准型
多普勒天气雷达也是基于物理学中的多 普勒效应发展起来的，它可用来测量降水 区域内风场结构，大气垂直速度和某些强 对流天气的风场特征。它探测的是云、雨 、冰雹等弥散的群目标物。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，多普勒除此之外，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， 降水离子谱分布，降水中特别是强对流降 水中风场结构特征。
主用户处理器 PUP
主用户处理器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图形监视器上。因 此，预报员应当熟练掌握PUP的基本操作。 PUP（CINRAD WSR-98D）的操作界面主要分为 4个区域：视窗、菜单、工具栏和状态栏。视窗进一步 分为3个子区域：图象区、标注区和属性表区。在产品 有显示状态下菜单的种类有12个。工具栏有4种：常规 工具栏、动画工具栏、警报信息栏和编辑工具栏。状 态显示栏的状态信息有三种。
2、CINRAD/CB组成:
新一代天气雷达系统由五个主要部分构成：雷达数据采 集子系统（RDA）、宽/窄带通讯子系统（WNC）、雷达产 品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）和附属安装 设备。
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
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多普勒天气雷达是一种利用多普勒效应来探测降水、风速和风向等气象参数的雷达，广泛应用于气象预报、水资源管理、防灾减灾等领域。
下面将从多普勒天气雷达的原理和应用两个方面进行详细介绍。
一、多普勒天气雷达原理：多普勒天气雷达利用物体回波的多普勒频移来测量物体的运动状态。
其原理可以通过以下几个步骤来理解：1.信号发射与接收：雷达通过天线向大气中发射脉冲信号。
脉冲信号是一种特殊的波形，其特征是能够精确测量反射信号的时延。
雷达波束探测的范围称为体积样积分区（VCP）。
2.对流层的多次散射：当雷达脉冲信号遇到大气中的物质（如雨滴、冰晶等）时，部分能量会被这些物质散射反射回来，形成回波。
3.多普勒频移的测量：回波信号中包含了大气物质运动的信息。
相对于静止的物体而言，当物体以一定速度向雷达或远离雷达运动时，回波信号的频率会发生变化，这就是多普勒频移效应。
4.频谱分析与信号处理：雷达对回波信号进行频谱分析，可以得到回波信号频率的分布情况。
通过计算信号的频移量，可以得到大气物体沿径向的速度和方向。
二、多普勒天气雷达的应用：多普勒天气雷达主要应用于气象预测、水资源管理和防灾减灾等领域，具有以下几个方面的应用：1.气象预报：多普勒天气雷达可以精确测量降水的强度、区域分布和降雨类型（如雨、雪、冰雹等），有助于提高天气预报的准确性。
通过观测和分析雷达回波，可以及时预警并预测强降水、洪水、暴风雨等极端天气事件，为防范和减轻灾害提供重要数据支持。
2.水资源管理：多普勒天气雷达能够实时监测和测量降水的强度和分布，在水资源管理中起到重要作用。
通过对降水数据的分析，可以为城市供水、水库调度、灌溉农业等方面的决策提供准确的水资源量和雨量预测信息。
3.风速与风向测量：多普勒天气雷达还可以测量大气中的风速和风向。
利用雷达的多普勒频移原理，可以从回波中获取风场流场的信息，包括垂直风速的分布、风向的变化等，为气象、航空、海洋等领域提供有关风的数据。
多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法
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
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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
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dB 1Z • 0 lg Z Z 0
Z 0 1 m6/m m 3
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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。
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• 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。
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多普勒雷达工作原理
多普勒雷达工作原理多普勒雷达是一种利用多普勒效应来探测目标运动状态的雷达系统。
多普勒效应是指当发射器和接收器相对于目标运动时，接收到的频率会发生变化的现象。
多普勒雷达利用这一原理，可以通过分析接收到的信号频率的变化来判断目标的运动状态，包括速度和方向。
下面将详细介绍多普勒雷达的工作原理。
首先，多普勒雷达系统由发射器、接收器和信号处理器组成。
发射器会发射一束电磁波，这些波会被目标反射回来并被接收器接收。
接收器会记录下接收到的信号，并将其传送给信号处理器进行分析。
当目标静止时，接收到的信号频率不会发生变化。
但当目标运动时，由于多普勒效应的影响，接收到的信号频率会发生变化。
如果目标向雷达系统靠近，接收到的信号频率会变高；如果目标远离雷达系统，接收到的信号频率会变低。
通过分析这些频率的变化，多普勒雷达系统可以计算出目标的速度和方向。
多普勒雷达系统还可以利用这些频率的变化来区分目标和杂波。
由于目标和杂波的运动状态不同，它们反射回来的信号频率也会有所不同。
通过对接收到的信号进行频谱分析，多普勒雷达系统可以将目标和杂波进行有效区分，从而提高了系统的探测精度。
除了用于目标探测和跟踪，多普勒雷达系统还被广泛应用于气象雷达、交通监控和医学诊断等领域。
在气象雷达中，多普勒雷达可以探测大气中的降水粒子的运动状态，从而预测降水的强度和路径。
在交通监控中，多普勒雷达可以用于测速和交通流量的监测。
在医学诊断中，多普勒雷达可以通过探测人体血液流动的频率来诊断心脏病和血管疾病。
总的来说，多普勒雷达是一种利用多普勒效应来探测目标运动状态的高精度雷达系统。
通过分析接收到的信号频率的变化，多普勒雷达系统可以计算出目标的速度和方向，从而在军事、气象、交通和医学等领域发挥着重要作用。
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
天气雷达的基本工作原理和参数知识讲解
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)
fd
2Vr
其中： f d为多普勒频率
Vr 为目标物的径向速度
(单位 Hz )
(也称多普勒速度 , 单位 m / s)
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
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）
表
示 产 生 冰 雹 的 可 能
图 中 绿 色 三 角 形
新一代天气雷达原理与应用
VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1） 规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。
VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2） 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。
接收机
当天线接收返回（后向散射）能量时，它 把信号传送给接收机。由于接收到的回波能量 很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处 理器之前必须由接收机进行放大。
信号处理器
当接收到接收机传来的模拟信号后，信号处理器完成三个重要的功 能：地物杂波消除，模拟信号向数字化的基本数据的转换，以及退多谱勒数 据的距离折叠。
新一代天气雷达原理与应用
肖鹏
达州市气象台
Tel:0818-2651099
目录
1. 引论 2. 基本原理 3. 速度图识别 4.多普勒天气雷达资料在业务中的应用
1.引论
1.1 中国新一代天气雷达布网计划
我国新一代天气雷达业务组网的建设目标是： 在我国东部和中部地区，装备先进的新一代S频段和 C频段多普勒天气雷达系统，组成探测空间相互衔接 覆盖的监测网，实时监测提供降水强度、平均径向 速度和频谱宽度等信息。对降水，特别是暴雨、热 带气旋、强对流等灾害性天气和重要天气系统进行 有效的监测和警报。
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。WSR-88D 可有20 个不同的VCP，目前只定义了其中的4个：
多普勒天气雷达原理与应用-雷达探测算法
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。
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)
R=
π
6
N (D )D 3 wt (D )dD ∫
这里 R＝降水率 ＝ ＝ D＝滴直径 N(D)＝给定直径的滴数目／立方米 ＝给定直径的滴数目／ Wt(D)=给定直径滴的下落速度 给定直径滴的下落速度 注意： 次方。 注意：R 正比于滴直径的 3 次方。
• R正比于滴直径的3次方； 正比于滴直径的3次方； • Z正比于滴直径的6次方； 正比于滴直径的6次方； • 改变滴直径会引起 R 的大变 改变滴直径会引起R 会产生更大的变化。 化，Z会产生更大的变化。
参数A 参数A、b与地区及降水的类型有关，在较大的范围内变 与地区及降水的类型有关， 这是因为在不同的地区和不同类型的降雨中， 动。这是因为在不同的地区和不同类型的降雨中，滴谱 是不同的。 对于WSR-88D，一般取： 是不同的。 对于WSR-88D，一般取：
Z=300R1.4
转换降水率的最大dBZ值 转换降水率的最大dBZ值
Z-R关系
降水率R和反射率因子Z都和雨滴谱有关， 降水率R和反射率因子Z都和雨滴谱有关，因而可 建立某种关系。根据实测雨强和雨滴谱资料统计的结果， 建立某种关系。根据实测雨强和雨滴谱资料统计的结果 ， 得到如下的经验公式，它既是数学的又是经验的： 得到如下的经验公式，它既是数学的又是经验的：
Z=ARb
WSRWSR-88D 降水处理子系统
WSRWSR-88D 降水处理子系统（PPS）由五个主要算 降水处理子系统（PPS） 法子程序和两个外部支持功能块构成。 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） 降水预处理； 降水速率； 五个子算法是： 降水累加； 降水调整； 降水产品。该算法包括46 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， 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。 气象条件。 两个外部支持功能块是： 降水检测； 两个外部支持功能块是：1）降水检测；2）雨量计 数据获取。这两个功能块独立于算法运行， 数据获取。这两个功能块独立于算法运行，为算法提供附 加的重要输入信息。 加的重要输入信息。 整个系统的框图如下图所示。 整个系统的框图如下图所示。
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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 )
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。
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。
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 的路径，即没有历史的 雷暴。如果这些没有历 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。
雷暴移动的预报
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2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实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）。
为了避免搜索所有的数据以寻找匹配的“区域”，确 定从初始区域找相关的搜索半径为r=VΔt，其中V为 可能的最大移动速度， Δt是两个体扫之间的时间间隔。
雷暴定义：反射率因子TZ ≥ 35dBZ；体积TV ≥ 50km3
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
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）
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
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。
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2002年8月24日飑线 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
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
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
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
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
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。
在直角坐标系中的TREC称为CTREC。
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
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