多普勒天气雷达原理与应用2-数据质量控制
天气雷达观测资料质量控制方法研究及其应用
天气雷达观测资料质量控制方法探究及其应用摘要：随着气象科学的进步，天气雷达在气象观测中的应用越来越广泛。
然而，雷达观测资料中存在大量的噪声和假目标等问题，严峻影响了数据的准确性和可靠性。
因此，对天气雷达观测资料的质量进行控制是极其重要的。
本文探究了天气雷达观测资料的质量控制方法，并探讨了其在气象预报和灾难预警中的应用。
一、引言天气雷达是一种通过发射和接收电磁波来探测大气中的降水、差异回波等信息的仪器。
它具有高时间和空间区分率、能够提供连续观测数据等特点。
然而，由于各种因素的干扰，雷达观测资料中存在大量的噪声，导致数据质量低下。
因此，对雷达资料的质量进行控制和校正是必要的。
二、天气雷达观测资料的质量问题1. 信号衰减引起的误差在雷达观测中，信号传播过程中会发生衰减。
随着距离的增加，雷达接收到的信号强度会逐渐减弱。
这种衰减会导致目标的强度被低估，影响数据的准确性。
2. 地面回波干扰由于地面回波的存在，雷达在观测大气中的降水时可能会将地面的回波误判为降水回波。
这种干扰会导致数据中出现虚假的降水信号，使预报结果不准确。
3. 雷达故障雷达设备存在着各种故障，如空间区分率不匀称、接收机故障等。
这些故障会导致数据中出现异常值，影响了数据的可靠性和可用性。
三、天气雷达观测资料质量控制方法1. 数据质量检查通过对采集到的雷达数据进行质量检查，可以排除一些明显的数据异常。
常见的质量检查方法包括：检查无回波范围是否存在回波、检查数据是否存在明显的目标异常等。
2. 信号处理和噪声滤波对雷达接收到的信号进行处理是减小噪声的有效方法。
可以利用滤波算法对接收的雷达信号进行降噪处理，如中值滤波、加权平均滤波等。
3. 距离校正由于雷达信号衰减的影响，观测距离较遥的目标会出现强度低估的问题。
因此，需要进行距离校正，将观测信号的强度依据距离进行修正，提高数据的准确性。
4. 多普勒速度处理多普勒雷达可以通过测量回波的多普勒频移来获得目标运动的速度信息。
多普勒天气雷达原理与业务应用
多普勒天气雷达原理与业务应用摘要：多普勒雷达是世界上目前为止最先进的雷达，有“超级千里眼”之称。
相较于传统天气雷达，多普勒天气雷达能够监测到与地面垂直距离在8－12公里范围内的对流云层的产生和变化，能够判断云层的移动速度，对于天气的预报结果而言会极大的减小误差。
为了对天气进行精准预测，各类型的天气探测设备不断涌现，本文主要是对多普勒天气雷达的原理和应用范围进行简单分析。
关键词：多普勒天气雷达、原理、应用引言：随着科学技术的发展和社会的进步，人们对不可控事物的掌控欲望逐步增强。
天气的变化是影响人们劳作、改变人们生活规律的主要原因，以前天气的不可预测性使人们不能够根据天气进行合理的劳作安排。
因此人们开始向探测天气方面进行研究，多普勒天气雷达是目前为止最有效的天气探测设备。
其应用范围宽泛，探测效果优良。
天气雷达的工作原理和普通的雷达一样，通过定期向高空发射电磁脉冲，之后通过接收器接受被高空气象反射回来的电磁脉冲，并通过计算机进行处理和显示，达到探测天气的目的。
1842年，奥地利数学家多普勒在经过铁路交叉处时，发现了火车由远及近时汽笛声变响，反之亦然。
他对这种现象进行研究，研究表明这种现象时由于震源与观察者之间产生了相对运动。
后人为了纪念，将这种现象称之为多普勒现象。
二十世纪七十年代以来，多普勒效应被广泛用于武器火控和天气探测等方面。
多普勒天气雷达比一般天气雷达发射的电磁脉冲波长更短，并且能够在探测降雨位置、强弱基础上可以帮助分析天气的性质以及对流天气等[1]。
多普勒天气雷达的主要应用领域1.强对流天气的监测和预警强对流天气包括雷暴、雷暴大风、冰雹、暴雨和龙卷风等天气现象。
一般而言，强对流天气都是危险天气，对于人们的日常生活和社会生产会产生重大影响。
因此对于强对流天气的监测显得尤为重要，多普勒天气雷达对于研究强对流天气具有重要意义。
对于风暴的研究，不同的角度具有不同优劣性，从简单的二维回波区域到具备显示具有物理意义的三维虚拟体，为强对流天气的跟踪和提前预测展开了新的发展层面。
多普勒天气雷达回波数据质量检测及控制方法
２１ ０ ２年 ３月
气 象 水 文 海 洋 仪 器
．
ＮＯ ．１ Ｍａ． Ｏ ２ ｒ２ １
Ｉ ｔ ｏｒ ｏｇｃ ｌ Ｈ ｙ ｏ ｏ ｃ ｌａ ａ ｉ ｅ ｌ ｔｕｒ ｅ ｓ Ⅵｅ ｅ ｏｌ ｉａ ， ｄｒ ｌ ｇｉａ ｎｄ Ｍ ｒｎ ｎｓ ｒ ｎ ｎｔ
多 普 勒 天 气 雷 达 回波数 据 质 量 检 测及 控 制 方 法
彭 涛 ， 刘 娟 。 郑 伟 刘 兴 忠。 纪奎 秀ｚ ， ， ，
（． ￣ｇ Ｒ ￣ 学 通 信 与 信 息 工 程 学 院 ， 都 ６ ０ ５ ；． １ 电－ ４ 成 １０ ４ ２ 四川 省 大 气 探 测 技 术 中心 ， 都 ６ ０ ７ ） 成 １０ ２
摘 要 ： 文提 出 了一种基 于天 气 雷达 回波 强度 和 速度 数据 的质 量检 测 方 法 。通 过采 集天 气 本 雷达按 统 一 的参数 进行标 定 后 的 晴空标 准地 物 回波 强度 作 为 模版 ， 实 时采 集 的 回波强 度进 与 行 比较 和误 差分 析 ， 以及 通过 移相 来 自动检 测 速度 数据 理论 值和 实测 值 的误 差大小 ， 回波 强 对 度 数据 和速度 数 据质 量进 行检 测和 校 正 ， 以此 来 实现对 天 气雷达 回波 数据 的质 量控 制
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｐ ｏ ｏ ｅ ｕ ｌ ｙ ｉ ｓ ｅ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｃ ｏ ｉ ｔ ｎ ｉ ｎ ｐ ｅ ａ ａ ｏ ｓｒ ｃ ： ｉ ａ ｅ ｒ ｐ ｓ ｓａ ｑ ａｉ ｎ ｐ ｃｉ ｔ ｏ ａ ｅ ｎ ｅ ｈ ｎ ｅ ｓｔ ａ ｄ ｓ ｅ ｄ ｄ ｔ ｆ ｔ ｏ ｙ Ｄｏ ｐ ｅ ａ ｈ ｒ ｒ ｄ ｒ Ｔｈ ｅ ｌｔ ｅｅ ｈ ｎ ｅ ｓ ｔ ａ ａ ｉ ｃ ｍ ｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ａ ｓ ｅ ｃｌｔ ａ ｓｃ ｌ ｃ ｅ ｎ ｐ ｌｒ ｗｅ ｔ ｅ ａ ａ ． ｅｒ ａ —ｉ ｃ ｏ ｉ ｔ ｎ ｉｙ ｄ ｔ ｓ ｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｎ ｉ ｈ ｔｉ ｏ ｌ ｔ ｄ ｏ ｍ ｅ
多普勒天气雷达技术在天气预报中的应用研究
多普勒天气雷达技术在天气预报中的应用研究天气预报一直是人们非常关注的话题，预报准确度越高，对人们的生产、生活、出行等方面的影响也就越大。
随着科技的发展，多普勒天气雷达技术被广泛应用于天气预报中，它的出现大大提高了天气预报的准确性，对社会的发展产生了积极的影响。
一、多普勒天气雷达的基本原理多普勒天气雷达是一种测量降雨信息的设备，它主要是以微波的特性来进行信号扫描，可以在室内通过电脑来进行分析。
它的基本原理是利用雷达波束的频率差异，来确定降水粒子的速度以及其运动方向。
当雷达波经过降雨粒子时，粒子所带有的速度会对雷达波的频差造成影响，从而使得雷达信号出现了“频移”。
二、多普勒天气雷达在天气预报中的应用在天气预报中多普勒天气雷达技术的应用，主要是用来分析和预测降雨的状况。
通过多普勒雷达技术，天气预报人员可以更准确地测量降雨强度、降雨率和降雨的时间等信息，并且可以及时掌握风向、风速和预计的强度。
同时，还可以通过雷达数据的分析，了解冰雹、飞沫、雾霾等特殊降水情况。
1.实时更新天气数据多普勒天气雷达的优势在于数据的实时更新，能够相对准确预报未来的天气情况。
在多普勒天气雷达的帮助下，气象专家和相关部门能够更加及时地掌握到天气情况的变化。
2.提高天气预报的准确性利用多普勒天气雷达技术，天气预报可以更加精准逼真。
天气预报人员可以对降水强度、降雨率、降雨时间以及降雨位置进行精准掌握，使得天气预报的准确度得到了大幅提高。
三、多普勒天气雷达技术在不同场合下的应用1.气象预警和预报通过多普勒天气雷达技术，我们不仅可以及时得知降水情况，还能对强雷暴、龙卷风等极端天气进行预警，有效避免了因恶劣天气带来的不利影响。
2.水利灾害预测多普勒天气雷达技术还可广泛应用于水利灾害预测中，如山洪、泥石流等。
通过精准测量降雨信息，可以及时发布预警信息避免灾害的发生。
3.农业生产多普勒天气雷达技术还被广泛应用于农业生产中，通过及时地获取降雨情况，可以为农民们提供更加精准的农业气象服务，帮助农民制定农业生产计划。
第二章多普勒天气雷达原理
§ 在雷达波束中，与天线等距离的粒子同时被探 测脉冲所照射，同时开始产生回波，并同时回 到雷达天线。与天线距离不相等的回波信号， 也有可能同时回到雷达天线。这是因为探测脉 冲具有一定的宽度τ，因而在它通过粒子时产 生的回波信号也有宽度τ。这样，距离较近的 两个粒子虽然它们开始产生回波的时间并不相 同，但是，它们的回波信号仍然有一部分能够 同时回到雷达天线。
§ 可以证明，在径向方向上，粒子的回 波信号能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。
有效照射深度
§ 天线开始收到A粒子的回波信号的时间为
t1
2r1 c
§ 开始收到B粒子的回波信号的时间为
t2
2r2 c
§ 最后收到A粒子回波信号的时间为
t3
2r1 c
§ 若天线开始收到B粒子回波的时间恰好是 最后收到A粒子回波的时间
波束截面半径
§r100km=0.87km §r200km=1.745km §r300km=2.618km
与接收机有关的参数
§ 雷达天线所收到的回波信号是非常微弱的。所以， 雷达接收机必须具有接收微弱信号的能力。这种能 力常称为灵敏度，它用接收机的最小可辨功率Pmin来 表示。所谓最小可辨功率，就是回波信号刚刚能从 噪声信号中分辨出来时的回波功率。我国新一代天 气雷达（S波段）接收机的最小可测灵敏度对于短脉 冲(1.57μs)是-107dbm,对于长脉冲（4.71μs）是113dbm。
与发射机有关的参数
§ 发射机触发信号产生器周期性地产生一个触发 脉冲，输送到发射机，使发射机开始工作。
§ 在一个脉冲内信号的高频振荡频率叫工作频率 。
§ 每秒产生的触发脉冲的数目，称为脉冲重复频 率，用PRF表示。
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
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。
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：
C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析
C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参数应用分析一、引言雷达技术是现代气象学中非常重要的观测手段之一，可以提供大气中降水、风场以及悬浮颗粒物等信息。
而C波段双偏振多普勒天气雷达作为目前气象雷达中应用较多的类型之一，具备了高分辨率、高灵敏度等优势。
本文将详细介绍C波段双偏振多普勒天气雷达的原理及其主要偏振参数的应用分析。
二、C波段双偏振多普勒天气雷达原理C波段双偏振多普勒天气雷达是基于双偏振技术的，通过观测目标散射的双向偏振特性，来获得降水和颗粒物的物理参数。
其基本工作原理可以分为以下几个步骤：1. 天线发射和接收信号C波段双偏振多普勒天气雷达的天线首先发送一个具有一定频率和极化状态的微波波束，这个波束会与大气中的目标相互作用，然后被目标散射回来。
2. 接收信号的极化分离雷达接收到回波信号后，首先需要进行极化分离，将水平极化和垂直极化信号分离出来，以获得目标的双向极化特性。
3. 目标退偏振比计算在完成极化分离后，可以利用修正的双偏振天线系数，计算目标的退偏振比。
这个参数可以描述目标相对于水平和垂直方向的散射强度差别。
4. 目标的径向速度估计利用多普勒频移原理，可以根据接收到的回波信号的频率偏移，计算出目标在雷达天线方向上的径向速度。
通过多普勒频移，我们可以判断目标是否在向雷达靠近或远离。
5. 目标的径向散射强度估计利用雷达接收到的信号，可以计算出目标的径向散射强度。
这个参数可以反映目标散射微波的能力，从而进一步了解目标的强度和大小。
三、主要偏振参数应用分析C波段双偏振多普勒天气雷达的主要偏振参数包括退偏振比和线性偏振比。
这些参数在气象研究中有着广泛的应用。
1. 退偏振比的应用退偏振比是衡量目标散射极化特性的重要参数。
在气象雷达中，退偏振比常用于识别和区分不同种类的降水。
例如，在雷达图像中，雪花和冰雹的退偏振比可以有较大的差异，利用退偏振比可以准确区分这两种降水类型。
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。
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。
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。
2DU简介双偏振多普勒天气雷达原理与应用 PPT课件
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
雷达要点汇总二
2015年3月30日
多单体风暴回波移动是平流和传播的合成
由于风暴由流动的气流组成，因此，风暴 具有平流运动，其中单个风暴单体是随着 风暴承载层的平均气流方向而平流的。在传播效应，风暴整体运 动偏离风暴单体的运动方向。传播方向常 常是新上升气流发展的方向。通常情况下， 当环境为强气流所控制时，风暴运动主要 取决于平流，而当对流层环境风场较弱时， 传播对于风暴运动起着主导作用。
内蒙古气象台 10
2015年3月30日
速度矢端图是将风向、风速随高度变化 或风的垂直切变这一三维空间特征在一 个采用极坐标系的平面上表示出来，是 由各个层的切变风矢量组成的。极坐标 系中风矢量以大小和方向来表示。矢量 尾位于坐标原点，矢量上的箭头表示风 的去向，矢量的长度正比于风速的大小。
2015年3月30日
2015年3月30日
内蒙古气象台
19
中气旋
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涡旋，满足一定的切变、 垂直伸展和持续性判据。切向速度与半径成正 比，在中气旋核外，切向速度与半径成反比。 满足以下判据： 1）核区直径（最大入流速度和最大出流速度间 的距离）小于等于 10公里，转动速度（最大入 流速度和最大出流速度绝对值之和的二分之一 ） 超过所给的判据； 2）垂直延伸厚度大于等于风暴垂直尺度的三分 之一； 3）上述两类指标满足的持续时间至少两个体扫。
2015年3月30日 内蒙古气象台 20
雷达的两个固有局限性，即波束中心高度随距 离增加而增加以及波束宽度随距离增加而展宽， 对于探测中气旋有很大影响。第一个局限性使 得雷达无法探测到远距离处中气旋的下部甚至 完全探测不到中气旋。第二个局限性使得雷达 对中气旋识别的难度随着距离的增大而增加， 超过一定距离（比如200km 以外），基本无 法识别中气旋。 中气旋的生命史可分为生成阶段、成熟阶段和 消散阶段。各阶段的特征
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
天气雷达的基本工作原理和参数
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。
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。
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，
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。
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。
多普勒天气雷达原理
多普勒天气雷达原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊多普勒天气雷达原理。
你说这玩意儿就像一个超级厉害的“天气侦探”！想象一下，这天气就像个调皮的小孩子，一会儿哭一会儿笑，一会儿晴天一会儿下雨，可难捉摸啦！那多普勒天气雷达呢，就是专门来对付这个调皮鬼的。
它是怎么工作的呢？就好像它有一双特别厉害的眼睛，能发射出一种特殊的波，然后这些波碰到云层、雨滴啥的，就会反弹回来。
这雷达就根据这些反弹回来的波，来了解天气的各种情况。
你说神奇不神奇？它就像能看透天气的心思一样！比如说，它能知道云团移动的速度和方向，哇，这可太重要啦！要是能提前知道云团正快速朝我们这边移动，还带着大雨，那我们不就能提前做好准备啦，该收衣服的收衣服，该找地方躲雨的躲雨。
这还不算啥呢，它还能分辨出不同的天气现象。
就像我们能一眼认出苹果和香蕉一样，它也能分辨出是下雨、下雪还是刮大风。
这多厉害呀！而且啊，这多普勒天气雷达可不会偷懒，它一直坚守岗位，一刻不停地观察着天气。
它就像一个忠诚的卫士，默默地守护着我们的天空。
咱平时出门，要是有它帮忙，那可就方便多啦。
不用再担心突然被雨淋成落汤鸡，也不用害怕刮大风把我们吹得东倒西歪。
它就像我们的贴心小助手，随时给我们提醒。
你说，要是没有这多普勒天气雷达，我们的生活会变成啥样？那估计得经常被天气弄得措手不及吧！所以啊，我们得好好珍惜这个厉害的“天气侦探”，让它为我们的生活保驾护航。
总之呢，多普勒天气雷达原理就是这么神奇，这么重要。
它让我们能更好地了解天气，更好地应对各种天气变化。
咱可得感谢那些发明和使用它的人，让我们的生活变得更加有保障，更加美好呀！你们说是不是呢？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
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Problems with Legacy Technique
Applying Legacy Clutter Suppression
Filtering of normal vs. transient (AP) clutter Bypass Map for normal clutter
杂波过滤器旁路图。注意极坐标网格中标出了 那些需要实施抑制的库。
槽口宽度
1-- 3.4节；2 -- 4.8节；3 -- 6.8节
对杂波信号的去除过程。杂波信号最窄的位置有最大的信号衰减。
在雷达控制台（UCP）的杂波抑制区屏幕
当上图中的文件被下载时形成的滤波型。
2.5.1.5 残留杂波
距离折叠与速度模糊
最大不模糊距离与距离折叠 最大不模糊速度与速度模糊 多普勒两难
Notes
Note: there should be numbers along the color bar, but I did not allow enough space to plot the numbers out properly and so they appear as „*‟ Note: I will follow up on Jim‟s suggestion of doing only the lowest elevation angle and report later on that.
2）异常传播回波发生在距雷达不同的距离上
3）超折射一般发生在温度随高度升高而增加和（或） 湿度随高度增加而减少的大气层次内
地物残留
7月2日 01：12
郑州 20080519 0800
抑制地物杂波的基本思路
通过高通滤波实现地物杂波抑制
杂波抑制的实施
固定地物杂波的抑制：旁路图 异常地物杂波的抑制：操作员定义的杂波抑制区 杂波抑制强度：槽口宽度 操作员代码 0，1，2
Maps identify location of normal clutter targets and filtering performed on discrete bins
Local terrain
All Bins for AP clutter
Filtering performed on every bin within a designated area
BJ
Non QC
QC No hard boundary
TJ
Airplane Tracks
Much more uniform, effective removal
SJZ
Seems like significant bias Sharp boundaries removed
ZB
Interference artifacts removed
-8.0 dBZ (few days in August) -10dBZ (2 months) -1.0 dBZ -11.0 dBZ -5.0 dBZ -7.5 dBZ -8.5 dBZ
硬件定标误差的判定
相互比较（一对一） 相互比较（多个同时）
武汉
12 8 4
12 8 4
宜昌
(b)
0 0 20 40 60 80 100 120
BJ MDS VCP11
BJ MDS VCP21
BJ MDS VCP31
Comments
There seems to be a discontinuity at about 20 km range in the MDS-Range curve. This appears to be part of the receiver design or due to clutter filtering (a wild guess). Any better explanation? It is a loss of sensitivity near the radar but there may be enough sensitivity to see insects.
距离折叠与多程回波
雷达测距公式 R=0.5c∆t， ∆ t为脉冲发出到返回 的时间。 雷达测距按照最新发出的脉冲从发出到返回的时 间来计算。 距离折叠是指雷达确定的目标物方位是正确的但 距离是错误的。当目标物位于雷达最大不模糊距 离之外时会发生这一现象，也就是说，目标物的 定位是模糊的。
目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。
QC, Lowest Beam Algorithm 1.5o
TJ seems to be closer after QC than before, shows effectiveness of QC algorithms? ZB seems biased low compared to BJ. SJZ is definitely biased low compared to other radars.
All the artifacts are present.
Using lowest elevation tilt will produce strong radar biases in rainfall estimation
QC, Lowest Beam Algorithm 0.5o
Many of the artifacts are removed but maybe not completely.
MDS Comparison Limited 2006 Analysis Study
Radar
Beijing Tianjin King City CONVOL (2 us) King City DOPVOL (0.5 us) Twin Lakes, OK Lake Charles, LA
MDS at 50 km
Tianjin
1 month Only VCP21
I did not find any VCP11 or VCP31 scans
TJ MDS VCP21
Summary Notຫໍສະໝຸດ sI summarize the 2006 results in the following table. At the workshop, it was reported that a change in the signal processing board on the Tianjin radar resulted in a 6-7 dB improvement. So that brings it in line with the sensitivity of the Beijing radar. I plot the MDS from other radars (in Canada and U.S.) for comparison purposes. Note that I did not record the VCP for the US radars but believe that they were VCP 11. I will redo the analysis and record the VCP for the U.S. radars. Jenny Sun showed some MDS analysis for different VCP‟s in the U.S. They were for adjacent radars for the same time and there may be small inter-radar sensitivity differences. I will get some of that data and repeat this analysis. Note that the difference between VCP 11 and 21 is only 0.5 dB.
(b)
0 0 20 40 60 80 100 120
武汉
12 8 4
12 8 4
长沙
(c)
0 0 20 40 60
0 0
(c)
20 40 60
宜昌
12 8 4
12 8 4
长沙
(g)
0 0 20 40 60 80 100 120
(g)
0 0 20 40 60 80 100 120
NONQC, Lowest Beam Algorithm 0.5o
Vmax=60（节）
多普勒两难
解决办法：采用多种PRF，不同的取样方式
雷达体扫模式和取样策略
VCP11 VCP21 VCP31 VCP32
CS/CD
B
CDX
WSR-88D使用的一组PRF样本。
序号 1 2 3 4 5 6
PRF 322 446 644 857 1014 1095
目标位于最大不模糊距离之外，有距离折叠（模糊）发生。
湖北荆州下击 暴流个例 2002 年7月16日下午
16：50
16:50
最大径向速度与速度模糊
• 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。
Vmax
PRF
4
• 速度模糊 速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax
Note: the minimum reflectivity value at 50 and 100 km are reported as the last two numbers on the right side, in the text line at the bottom of the image.
Boundaries are still evident