第二章多普勒天气雷达原理
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第二章 多普勒天气雷达原理
第二章 多普勒天气雷达原理
电磁波及其在大气中的传播
电磁波在大气中的衰减
电磁波在大气中的折射
雷达气象方程
一、电磁波及其在大气中的传播
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的 基础。雷达波速通过云和降水粒子时被散射，其中 有一部分向后的散射波要返回雷达方向，被雷达天 线接收。雷达接收的向后的散射可用振幅和位相来 表示，就可以提取气象目标物的反射率因子、径向 速度和速度谱宽等三种基本产品。
米散射
二、电磁波在大气中的衰减
•电磁波在大气中的衰减
电磁波能量沿传播路径由于部分能量被粒子 吸收而转变为热量或者其他形式的能量而使 电磁波减弱的现象，成为衰减。由于衰减会 造成雷达回波功率减小和雷达回波失真。
衰减系数：通过单位距离电磁波能流密度减少的 分贝数。
P k 10lg P0
雷达回波功率的衰减： 波长增加，衰减迅速减小，云的衰减主要靠吸收，冰云 的衰减系数比水云小2个量级
降水率与dBZ
雷达估计降水错误的来源之一 Z估计错误
①地物杂波 ②非正常传播（AP） ③波束部分充塞 ④湿的天线罩
雷达估计降水错误的来源之二 Z-R关系误差
滴谱分布的变化 混合型降水与亮带
雷达估计降水错误的来源之三
位于波束以下的影响带来的误差
强水平风 雷达波束下面的蒸发 在雷达波束下的并合
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
云和降水粒子散射的能量在各方向上不一致，而向后方（即 向雷达方向）散射的能量（回波功率）是雷达所关心的，因此 引入后向散射截面的概念。 散射截面的概念：假设一个理想的散射体，其截面积为σ，它 能把全部接收射到其上的电磁波能量，并能全部均匀地向四周 散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度恰好 等于同距离上实际散射体返回天线的电磁波能流密度，则该理 想散射体的截面积σ就称为实际散射体的向四周散射截面。
10 lg
Pr Pr0
2 kdr
0
r
Pr P r0 10
0.2 kdr
0
r
衰 减 造 成 回 波 失 真
回 波 失 真 图
回波失真图
10cm 5cm
二、电磁波在大气中的折射
电磁波在水平分层介质中传播
电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大 气中由于折射指数分布不均匀，就会产生 折射，是电磁波的传播路径发生弯曲。电 磁波的折射对天气雷达的探测影响非常大。
其与脉冲重复周期和脉冲重复频率的关系： rmax：=CT/2=C/2PRF
距离折叠
五、回波信号中信息提取
涉及多普勒效应、速度探测方法等等
最大不模糊速度和速度模糊
与180 º 脉冲对相移所对应的径向速度值 称为最大不模糊速度Vmax。
Vmax=λ ×PRF/4
速度退模糊算法
雷利散射
在降水球形粒子直径远小于入射波长时，满足雷利散射， 对于大多数降水粒子对于10cm和5cm雷达都能满雷利散射。 后向散射截面公式：
2 6 i 4 K Di
5
K=m2-1/m2+2，K为粒子介质的复折射指数。
雷利散射的后向散射截面与︱K︳2 有关，其 值对于S、C和X波段雷达均为0.93，冰球 ︱K︳2 其值为0.197，因此冰球的后向散射截面只有 同样大小水球的1/5
旁瓣回波
RHI上的假尖顶回波
雷达气象方程
当雷达发出的电磁波投射到云雨粒子上时， 它们就散射电磁波，其中向后的散射电磁波 被雷达天线所接收，这就是雷达回波。雷达 回波的强度除取决于雷达的参数外，还取决 于云雨的物理特性，以及它们离开雷达的距 离，雷达气象方程用来表示回波强度与哪些 因子有关，以及呈何种关系。
表明暖干盖的气象条件存在：气温向上递增，水汽 压向上迅速递减。
超 折 射 回 波
四、雷达气象方程
一些重要的雷达参数
发射机的主要技术参数：波长λ（振荡频率f）、脉 冲宽度ｔ、发射机功率Ｐ和脉冲重复频率PRF
波段、频率和波长关系表
频率(MHz) 30000 10000 6000 3000 1500
超折射回波
当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，雷达波 束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传 播，再弯向地面，再经过地面反射，如此多次重复，与 波道管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超 折射。 形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反 射波也沿同样的路径返回天线。所以雷达显示屏上地物 回波增多增强，通常成为超折射回波。超折射回波常呈 辐砧状排列的短线，较大时也会呈片状。
波长(cm) 1 3 5 10 20
波段 K X C S L
脉冲宽度ｔ：探测脉冲的振荡持续时间 脉冲宽度Pt ：发射机发出的脉冲峰值功率
脉冲重复频率PRF ：每秒产生的脉冲数目
脉冲宽度τ 探测脉冲的振荡持续时间，称为脉冲宽 度 τ 。由于探测脉冲具有一定的持续时 间，因而它在空间也有一定的长度h。 h=τc 若脉冲宽度以μs为单位，则上式可以写 成 h=300τ(m) 我国新一代天气雷达（ S 波段）有两个 脉 冲 宽 度 ： 短 脉 冲 （ 1μs ） 和 长 脉 冲 （4μs）。
c Pr 2 Z r
雷利散射的雷达气象方程
在米散射的情况下，用等效反射率因 子（Ze）取代反射率因子（Z）
回波功率、反射率因子与距离订正
回波功率Pr、反射率因子、最小可测功率Pmin dB=10lg (Pr/ Pmin) dBZ=10lg (Z/Z0) Pr=CZ/r2
由上面三式可以推导出： dBZ=20lgr+dB-r（包括距离订正、回波功率与 最小可测功率之比的分贝数以及雷达性能有关 的参数）
天线方向图
天线方向图：天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布 图（主瓣、旁瓣和未瓣） 波束宽度（θ 和Ф ）：两个半功率点方向之间的夹角。波束宽度 越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。 天气增益G:辐射总能量相同时，定向天线在最大辐射方向的能流 密度与各项均匀辐射的天线的能流密度之比。
雷达气象方程
Pt G h Pr i 2 2 ln 2 r 单位体积 1024
2 2
假设条件：在波束宽度范围内，雷达的辐射强度是均匀 的；在有效照射体积内降水粒子大小的分布是均匀的。 上式中是对有效照射体积内所有降水粒子后向散射截面 求和而得到的
气象目标强度的雷达度量
气象目标对雷达后向散射能力的强弱通 常称为气象目标强度，参量为反射率和 反射因子
四、距 离 折 叠
距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物位置的一种辨 识错误。 当目标位于最大不模糊距离rmax以外时，雷达却把目标 物显示在rmax以内，称之为距离折叠
最大不模糊距离rmax：当雷达发出的一个脉冲遇到该距 离处的目标物产生的后向散射返回到雷达时，下一个 雷达脉冲刚好发出，这个目标物距离雷达的距离成为 最大不模糊距离。
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
S i S s 2 4r
后向散射截面是一个虚拟的面积，表示降水粒子后向散射 的能力。越大表示粒子的后向散射能力越强，产生的回波 信号也越强。
圆球形粒子的散射
气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地 看着是圆球形。当雷达波长确定后，球形粒子 的散射情况取决于粒子直径与入射波长之比。 在粒子直径D远小于入射波长λ 时，满足雷利 散射；在直径D与电磁波波长入相当情况下的 球形粒子散射称为米散射。
V= Vfirst-2n Vmax
六、降水估计
样本Z的计算
6 Z=∫N(D)D dD Z＝(729滴/m3)(1mm)6+(1滴/m3)(3mm)6
＝729mm６m－３＋729mm６m－３ ＝1458mm６m－３
样本R的计算
R
6
N D D w D dD t
反射率：
单位体积内云雨粒子后向散射截面的求和（单 位：cm2/m3）。
单位体积
i
反射率越大，说明单位体积内降水粒子尺度越大和多， 表明气象目标强度强。后向散射截面仅与波长和降水粒 子特性有关。
反射率因子： 单位体积内降水粒子直径的6次方的总和
Z
单位体积
D
6 i
单位体积内降水粒子直径的6次方的总和。反射率因子 Z大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度， 常用来表示气象目标的强度，仅取决于气象目标本身。
谢
谢！
Pt G Pr 3 4 4 r
雷达气象方程（单目标）
2 2
单目标雷达气象方程，与雷达本身参数、气象目标物特性 （后向散射截面）和离开雷达的距离有关
有效照射深度和体积
有效照射深度：在雷达波束径向方向上，粒子的回波信 号能同时返回雷达天线的空间长度，h/2=ｔc/2； 有效照射体积：在波束宽度为θ和Ф范围内，粒子的回波 信号能同时返回雷达天线的空间体积。
3
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
Z相同
Βιβλιοθήκη Baidu
R不相同
R相同
Z不相同
b Z=AR
层状云降雨 地形雨 雷阵雨 WSR-88D
Z=200R1.6 Z=31R1.71 Z=486R1.37 Z=300R1.4
比 较 Z-R 关 系
第二章 多普勒天气雷达原理
电磁波及其在大气中的传播
电磁波在大气中的衰减
电磁波在大气中的折射
雷达气象方程
一、电磁波及其在大气中的传播
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的 基础。雷达波速通过云和降水粒子时被散射，其中 有一部分向后的散射波要返回雷达方向，被雷达天 线接收。雷达接收的向后的散射可用振幅和位相来 表示，就可以提取气象目标物的反射率因子、径向 速度和速度谱宽等三种基本产品。
米散射
二、电磁波在大气中的衰减
•电磁波在大气中的衰减
电磁波能量沿传播路径由于部分能量被粒子 吸收而转变为热量或者其他形式的能量而使 电磁波减弱的现象，成为衰减。由于衰减会 造成雷达回波功率减小和雷达回波失真。
衰减系数：通过单位距离电磁波能流密度减少的 分贝数。
P k 10lg P0
雷达回波功率的衰减： 波长增加，衰减迅速减小，云的衰减主要靠吸收，冰云 的衰减系数比水云小2个量级
降水率与dBZ
雷达估计降水错误的来源之一 Z估计错误
①地物杂波 ②非正常传播（AP） ③波束部分充塞 ④湿的天线罩
雷达估计降水错误的来源之二 Z-R关系误差
滴谱分布的变化 混合型降水与亮带
雷达估计降水错误的来源之三
位于波束以下的影响带来的误差
强水平风 雷达波束下面的蒸发 在雷达波束下的并合
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
云和降水粒子散射的能量在各方向上不一致，而向后方（即 向雷达方向）散射的能量（回波功率）是雷达所关心的，因此 引入后向散射截面的概念。 散射截面的概念：假设一个理想的散射体，其截面积为σ，它 能把全部接收射到其上的电磁波能量，并能全部均匀地向四周 散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度恰好 等于同距离上实际散射体返回天线的电磁波能流密度，则该理 想散射体的截面积σ就称为实际散射体的向四周散射截面。
10 lg
Pr Pr0
2 kdr
0
r
Pr P r0 10
0.2 kdr
0
r
衰 减 造 成 回 波 失 真
回 波 失 真 图
回波失真图
10cm 5cm
二、电磁波在大气中的折射
电磁波在水平分层介质中传播
电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大 气中由于折射指数分布不均匀，就会产生 折射，是电磁波的传播路径发生弯曲。电 磁波的折射对天气雷达的探测影响非常大。
其与脉冲重复周期和脉冲重复频率的关系： rmax：=CT/2=C/2PRF
距离折叠
五、回波信号中信息提取
涉及多普勒效应、速度探测方法等等
最大不模糊速度和速度模糊
与180 º 脉冲对相移所对应的径向速度值 称为最大不模糊速度Vmax。
Vmax=λ ×PRF/4
速度退模糊算法
雷利散射
在降水球形粒子直径远小于入射波长时，满足雷利散射， 对于大多数降水粒子对于10cm和5cm雷达都能满雷利散射。 后向散射截面公式：
2 6 i 4 K Di
5
K=m2-1/m2+2，K为粒子介质的复折射指数。
雷利散射的后向散射截面与︱K︳2 有关，其 值对于S、C和X波段雷达均为0.93，冰球 ︱K︳2 其值为0.197，因此冰球的后向散射截面只有 同样大小水球的1/5
旁瓣回波
RHI上的假尖顶回波
雷达气象方程
当雷达发出的电磁波投射到云雨粒子上时， 它们就散射电磁波，其中向后的散射电磁波 被雷达天线所接收，这就是雷达回波。雷达 回波的强度除取决于雷达的参数外，还取决 于云雨的物理特性，以及它们离开雷达的距 离，雷达气象方程用来表示回波强度与哪些 因子有关，以及呈何种关系。
表明暖干盖的气象条件存在：气温向上递增，水汽 压向上迅速递减。
超 折 射 回 波
四、雷达气象方程
一些重要的雷达参数
发射机的主要技术参数：波长λ（振荡频率f）、脉 冲宽度ｔ、发射机功率Ｐ和脉冲重复频率PRF
波段、频率和波长关系表
频率(MHz) 30000 10000 6000 3000 1500
超折射回波
当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，雷达波 束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传 播，再弯向地面，再经过地面反射，如此多次重复，与 波道管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超 折射。 形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反 射波也沿同样的路径返回天线。所以雷达显示屏上地物 回波增多增强，通常成为超折射回波。超折射回波常呈 辐砧状排列的短线，较大时也会呈片状。
波长(cm) 1 3 5 10 20
波段 K X C S L
脉冲宽度ｔ：探测脉冲的振荡持续时间 脉冲宽度Pt ：发射机发出的脉冲峰值功率
脉冲重复频率PRF ：每秒产生的脉冲数目
脉冲宽度τ 探测脉冲的振荡持续时间，称为脉冲宽 度 τ 。由于探测脉冲具有一定的持续时 间，因而它在空间也有一定的长度h。 h=τc 若脉冲宽度以μs为单位，则上式可以写 成 h=300τ(m) 我国新一代天气雷达（ S 波段）有两个 脉 冲 宽 度 ： 短 脉 冲 （ 1μs ） 和 长 脉 冲 （4μs）。
c Pr 2 Z r
雷利散射的雷达气象方程
在米散射的情况下，用等效反射率因 子（Ze）取代反射率因子（Z）
回波功率、反射率因子与距离订正
回波功率Pr、反射率因子、最小可测功率Pmin dB=10lg (Pr/ Pmin) dBZ=10lg (Z/Z0) Pr=CZ/r2
由上面三式可以推导出： dBZ=20lgr+dB-r（包括距离订正、回波功率与 最小可测功率之比的分贝数以及雷达性能有关 的参数）
天线方向图
天线方向图：天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布 图（主瓣、旁瓣和未瓣） 波束宽度（θ 和Ф ）：两个半功率点方向之间的夹角。波束宽度 越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。 天气增益G:辐射总能量相同时，定向天线在最大辐射方向的能流 密度与各项均匀辐射的天线的能流密度之比。
雷达气象方程
Pt G h Pr i 2 2 ln 2 r 单位体积 1024
2 2
假设条件：在波束宽度范围内，雷达的辐射强度是均匀 的；在有效照射体积内降水粒子大小的分布是均匀的。 上式中是对有效照射体积内所有降水粒子后向散射截面 求和而得到的
气象目标强度的雷达度量
气象目标对雷达后向散射能力的强弱通 常称为气象目标强度，参量为反射率和 反射因子
四、距 离 折 叠
距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物位置的一种辨 识错误。 当目标位于最大不模糊距离rmax以外时，雷达却把目标 物显示在rmax以内，称之为距离折叠
最大不模糊距离rmax：当雷达发出的一个脉冲遇到该距 离处的目标物产生的后向散射返回到雷达时，下一个 雷达脉冲刚好发出，这个目标物距离雷达的距离成为 最大不模糊距离。
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
S i S s 2 4r
后向散射截面是一个虚拟的面积，表示降水粒子后向散射 的能力。越大表示粒子的后向散射能力越强，产生的回波 信号也越强。
圆球形粒子的散射
气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地 看着是圆球形。当雷达波长确定后，球形粒子 的散射情况取决于粒子直径与入射波长之比。 在粒子直径D远小于入射波长λ 时，满足雷利 散射；在直径D与电磁波波长入相当情况下的 球形粒子散射称为米散射。
V= Vfirst-2n Vmax
六、降水估计
样本Z的计算
6 Z=∫N(D)D dD Z＝(729滴/m3)(1mm)6+(1滴/m3)(3mm)6
＝729mm６m－３＋729mm６m－３ ＝1458mm６m－３
样本R的计算
R
6
N D D w D dD t
反射率：
单位体积内云雨粒子后向散射截面的求和（单 位：cm2/m3）。
单位体积
i
反射率越大，说明单位体积内降水粒子尺度越大和多， 表明气象目标强度强。后向散射截面仅与波长和降水粒 子特性有关。
反射率因子： 单位体积内降水粒子直径的6次方的总和
Z
单位体积
D
6 i
单位体积内降水粒子直径的6次方的总和。反射率因子 Z大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度， 常用来表示气象目标的强度，仅取决于气象目标本身。
谢
谢！
Pt G Pr 3 4 4 r
雷达气象方程（单目标）
2 2
单目标雷达气象方程，与雷达本身参数、气象目标物特性 （后向散射截面）和离开雷达的距离有关
有效照射深度和体积
有效照射深度：在雷达波束径向方向上，粒子的回波信 号能同时返回雷达天线的空间长度，h/2=ｔc/2； 有效照射体积：在波束宽度为θ和Ф范围内，粒子的回波 信号能同时返回雷达天线的空间体积。
3
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
Z相同
Βιβλιοθήκη Baidu
R不相同
R相同
Z不相同
b Z=AR
层状云降雨 地形雨 雷阵雨 WSR-88D
Z=200R1.6 Z=31R1.71 Z=486R1.37 Z=300R1.4
比 较 Z-R 关 系