天气雷达的基本工作原理和参数

波段 K
X C
S
8-12 4-8
2-4
4-2.5 8-4
15-8
探测降水
探测降水
常用天气雷达的主要技术参数
波束宽 度
天线增益G
雷达的 PPI 扫描方式
PPI 显示结果的空间分布
多普勒天气雷达工作原理
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多普勒天气雷达
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。 多普勒天气雷达除常规天气雷达功能 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。
剖面产品
•谱宽剖面(SCS) •速度剖面(VCS)
•反射率剖面(RCS)
长沙 2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图
2、物理量产品
物理量产品：是指雷达以各种探测方式获取 的回波强度、径向速度和速度谱宽数据， 经过一定的计算和处理。转化为有明显气 象意义的物理量，进而把这些物理量的分 布显示出来的图像和图形产品。 它有助于用户直接和某些天气现象联系起来 进行分析和应用。
天气雷达原理示意图
天气雷达组成框图
天气雷达主要技术参数
1、波束宽度θ
2、天线增益G 3、天线有效面积Ac 4、脉冲长度h、脉冲宽度τ 5、脉冲重复周期T(PRT) 6、脉冲重复频率PRF 7、最大探测距离Rmax、
天气雷达波段、频率、波长关系表
频率(千兆 赫) 12-40 波长(厘 米) 2.5-0.75 备注 测非降水 云 探测降水
全相干发射机
天线
天线是 RDA 的一个部件，它将发射机产 生的 RF信号以波束的形式发射到大气并接受 返回的能量（粒子的后向散射能量）。
WSR-88D雷达的天线仰角范围 :-10~600。天 线仰角的设置取决于天线的 扫描策略 （ scan strategy 共 有 三 种 ） 、 体 扫 模 式 （ volume coverage pattern ： VCP ） 和 工 作 模 式 （ operational mode 分为晴空和降水两种模 式）。 雷达操作员不能手动调节天线仰角， 天线仰角只能通过上述三要素预设。
表 示 产 生 冰 雹 的 可 能 性
图 中 绿 色 三 角 形
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 )
WSR-88D工作模式（Operational Mode）
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 ，而 VCP 又确定了具体的扫描 方式。 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。
一、天气雷达工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射电磁
波列（称为探测脉冲），它以近似 直线的路径和接近光速在大气中传 播，在传播的路径上，若遇到了气 象目标物，脉冲电磁波被气象目标 物散射，其中散射返回雷达的电磁 波（称为回波信号，也称为后向散 射）在屏幕回波图上显示出气象目 标的空间位置和特征
RDA
RPG
PUP
雷达数据采集系统（RDA）
采用脉冲多普勒体制的全相干系统 • 速调管放大、高功率全相干发射机 • 窄波束低旁瓣的天线 • 低噪声宽动态范围的相干接收机 • 多参数的信号处理器 • 主要参数的自动检测
发射机
取得雷达数据的第一步是发射一个射频 f0信号。 这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁 控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功 率750kw）非常稳定的10厘米的射频（f0）脉冲。 在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲 必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒 信息能够被提取。一旦fd脉冲被产生，就被送到天 线。
WSR-98D 主要产品
1、基本数据产品 基本数据产品：是多普勒天气系统的 基础，它主要将雷达以各种探测方式获 取的数据，在不改变属性的前提下，在 多种不同的坐标上显示出它们的分布情 况。
利用这些产品可以直接识别和分析出 一些重要的的天气现象，如钩状回波、 带状回波、中尺度气旋、锋面、下击暴 流、大尺度的风向风速和冷暖平流。
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。
多普勒效应 多普勒效应是奥地利
物理学家 J.Doppler1842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”。
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）
雷达的三部分
雷达站 气象台值班室
: 雷达波长(单位m)
回波信号的多普勒频谱分析 见书P212-216
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(单位Hz) Vr 为目标物的径向速度 (也称多普勒速度 , 单位m / s )
第一章
天气雷达基本工作原理及 主要设备、参数
第一章 天气雷达的基本工作原理 和主要设备、主要参数
重点掌握：多普勒天气雷达最大不模糊速度及距离、多普勒频率 参数：PRF、PRT、h、θ、Vr、Vrmax、Rmax、τ、fD 及各计算公 式 一、天气雷达的基本工作原理 二、天气雷达的组成和主要技术参数 1、天气雷达的组成 2、主要技术参数 三、多普勒天气雷达工作原理 1、多普勒天气雷达概述 2、多普勒雷达探测原理 1）、多普勒效应 2）、多普勒频率 3）、多普勒频率与目标物径向速度的关系 4）、多普勒天气雷达原理方框图 3、回波信号的多普勒频谱分析 4、多普勒天气雷达的最大不模糊速度与最大不模糊距离（包括： Vr、VT互求） 5、速度模糊现象的主观识别 6、速度退模糊方法
这类产品主要有：
1. 回波顶高(ET)
2. 垂直累积液态含水量(VIL) 3. 风切系列产品(径向、方位、径向方位) 4. 分层湍流组合(CAT) 5. 雷达定量测量降水(1小时、3小时累积 降水、风暴总降水)
3、风场反演产品
风场反演产品： 多普勒雷达系统获取的径向速度分 布数据，在某些假定的条件下通过反演可 以获取某高度平面上的平均风向风速 (VAD)、二维水平风场、垂直剖面二维风 场及三维风场(VVP)等，除VAD技术比较成 熟外，其余均在试验或试用阶段。
2000年8月31日00:39,仰角为0.5 度的基本反射率因子产品图 (上海)
2000年5月26日00:36 仰角2.4 度的平均径向速度图 (上海)
2000年8月30日23:41仰角为0.5度 时的基本速度谱宽产品图(上海)
1998年8月9日16时11分组合反射 率因子产品图
2002年2月14日17时43分组合反 射率因子等值线产品图 (CRC)
WSR-
88
D
基 本 数 据 产 品
相对于风暴的 平均径向速度产品图(SRM)
与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴 跟踪信息(STI)识别的所有风暴的平均运动速 度， 或减去由操作员选定的风暴运动速度。
(a)
(b)
（a）3.4度仰角
（b）14.9度仰角
2004年4月23日 长沙12:37时风暴相对径向速度图 (基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的)
主用户处理器子系统（PUP）
• 多屏、多画面显示气象应用产品图形图 像功能 • 具有放大、动画、叠加等多种图像显示 功能 • 通过人机交互方式设置系统运行模式和 产品生成
多普勒天气雷达的产品介绍
新一代天气雷达系统的产品应用可 分为四类： 1. 基本数据产品 2. 物理量产品 3. 风场反演产品 4. 强天气自动识别和跟踪产品
二维、三维风场反演方法
二维、三维风场反演方法
二 维 、 三 维 风 场 反 演 方 法
4、强天气自动识别和跟踪产品
利用基本数据产品，应用各种算 法生成自动报警的产品。如冰雹指 数、中气旋、强天气概率等。
短时预报常用的雷达产品
• 反射率产品(R，CR，VCS) • 基本速度产品(V，SRM) • 垂直液态含水量（VIL） • 回波顶高产品（ET） • VAD风廓线 • 累积降水量
窄波束低旁瓣的天线
相干接收机
信号处理 监控系统
雷达产品生成子系统（RPG）
具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、 系统内通信等多种功能 气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品 • 运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动 报警等功能 • 数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发 等功能 • 通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽 带通信等
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。
• 相干波:两束振幅、频率和相位完全相同的电 磁波称为相干波。 • 相干发射：发射出振幅、频率和相位完全一样 的脉冲波，所以各个脉冲之间是相干的。 • 全相干多普勒天气雷达：它的发射主控信号频 率由稳定的晶体振荡器产生，保证发射的高频 相干。它的相干性能好，地物消除能力强。 • 半相干（伪相干）多普勒天气雷达：它是通过 对发生信号采样，与本振混频以及锁相技术， 以保证中频相干，达到测量频率变化，它的发 射部分采用同轴磁控管。它的相干性能差，消 除地物的能力较全相干多普勒天气雷达差。
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
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。
2001年8月7日14:45反射率因子剖 面产品 (上海)
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）