多普勒天气雷达原理与应用4-强对流风暴及其雷达回波特征
雷达气象学课件：第八章多普勒天气雷达资料在天气预警预报中
1、回波呈柱状(发展的阶段不同,柱状的高度不同),底 部及地，云顶高度较高，一般>6-7km，最高可达 20km，随季节差异大。 2、在高显上出现异常的高，是虚 假的旁瓣回波，出现此回波说明会 有冰雹云、甚至是大冰雹。 单体对流云内部只有一个强中心,而多单体组成的对流云 降水,往往具有不规则的外形和多个强度中心,强度也不一 定相同；
对流风暴云生命史的各阶段垂直剖面图
对流云风暴云降水生命史的回波特征：
1、积云阶段
PPI：抬高天线仰角才能观测到对流云回波,尺度很小,但边缘较清晰； RHI：回波位于中空,底部不及地,呈米粒状或倒梨状； 2、发展阶段 PPI：回波呈块状,内部结构密实,边缘较清晰,回波尺度和强度迅速增 大； RHI：回波呈柱状,底部及地,高度不断升高,且在接收机上进行衰减后 回波顶高度降落很少 3、成熟阶段 PPI：回波体大,内部结构密实,边缘清晰,局部有些发毛,回波强度很 大； RHI：回波高耸,加衰减后顶高降落很少,强回波区的高度也很高； 4、消散阶段 PPI：初期回波的尺度仍较大,但内部结构松散,边缘发毛,之后强度和 尺度都不断减小； RHI：初期顶高虽仍较高,但加衰减后顶高明显降落,强回波区位于回 波的中下部。之后,高度不断下降,后期显出零摄氏度层亮带。
图：典型单一单体对流云回波 强度图：云体高大，中心强度大 速度图：不同高度上有风切变。
单体风暴云的PPI回波图
多单体风暴云特征
多单体风暴云是强对流 风暴中出现机会最多的 一种，其实质是四个处 在不同发展阶段的对流 单体依序排列的集合体。 右图可看出：
1、外围的黑色波纹线:云的剖面边界，绿色:RHI上多单体风暴 云的回波,红色的强回波区:可能产生冰雹的区域； n+1：淡积云 n：浓积云（发展旺盛） n-1：发展成熟的积云 n-2：开始消亡的积云 2、左边的下沉气流和降水的拖制，可能产生层状云；右边的上 升气流使云不断发展、组织化的垂直运动使对流云的生命史比 单体对流云要长得多。
6、多普勒天气雷达原理与应用.doc
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。
2/3730/776.0T e T P N +=波束直线传播波束向上弯曲波束向下弯曲000=><dz dN dzdN dzdN三、了解雷达气象方程 在瑞利散射条件下，雷达气象方程为：()22232ln 1024K h G P c t λθϕπ=Z r c P r 2=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）。
强对流天气中多普勒天气雷达和闪电定位资料的应用分析
强对流天气中多普勒天气雷达和闪电定位资料的应用分析摘要利用近30年观测资料统计分析安徽强对流天气的气候分布特征。
分析多普勒天气雷达和闪电定位资料在安徽强对流天气中的应用。
最后介绍了目前较为先进的NCAR自动临近预报系统中区域追踪技术（CTREC）和雷暴识别、跟踪、分析和临近预报技术（TITAN）以及这二种技术的应用能力。
主要结果和创新点如下：1 安徽省雷暴、雷雨大风、冰雹的气候时空分布特征:安徽的雷暴分布在地理位置上呈现出随纬度增加雷暴减少和山区多平原少的特征，说明雷暴与纬度、地形这二个因素有关。
在季节上表现为冬季少，夏季多，7月是一年中雷暴最多的月份，但气温仍较高的9月其雷暴迅速减少，减到与3月相近，说明雷暴的产生和地面气温有关，但地面气温只是其中的一个影响因素，更多的影响因子是一个值得研究的问题。
雷雨大风和冰雹易出现在山区（皖南山区和大别山区）和沿淮东部。
雷雨大风主要出现在4～8月， 7月最多，其次是8月。
冰雹主要出现在3～8月， 3月最多，其次是5月，虽然7月最易出现雷暴，但冰雹不是最多，主要原因可能是0℃层太高，既不利于冰雹的形成，也使冰雹在下落过程中容易融化掉。
2 多普勒天气雷达在2002年8月24日飑线过程的分析应用结果：（1）多普勒雷达上飑线回波呈现弓形，伴有雷暴出流边界。
飑线前沿与强回波相对应处有辐合或伴有中气旋。
（2）飑线中的雷暴群其垂直结构基本是一致的，呈现前倾结构。
（3）边界层辐合线对飑线中的雷暴新生和演变有较好的指示性。
首先边界层辐合线与雷暴之间距离的变化一定程度上可以预示未来雷暴强弱的变化：边界层辐合线快速远离雷暴时，雷暴将迅速减弱；距离变化不大时，雷暴一般也基本维持原来的强度。
其次边界层辐合线相交处易新生雷暴或使移到此处的雷暴加强。
3 多普勒天气雷达和闪电定位资料分析2003年7月8日安徽无为龙卷表明：(1) 这次F3级龙卷在强度场上不同于经典结论，而类似于普通雷暴（雷达反射率因子35dBZ～50 dBZ，回波顶高6～9km，这一特征在雷暴的临近预报中值得警惕）。
一次强对流天气雷达回波分析
一次强对流天气雷达回波分析一、引言强对流天气是一种特殊的天气现象，其常伴随着暴雨、雷电、龙卷风等极端气象事件。
这些极端天气现象可能会给人民生命和财产带来重大威胁，因此强对流天气的警报和监测非常重要。
雷达是一种有效的气象监测工具，可以用于监测强对流天气的发生和发展，提供准确的预警信息。
本文将对强对流天气雷达回波分析的基本原理、技术方法和应用进行探讨，并结合实例进行分析。
二、强对流天气雷达回波的基本原理雷达回波是指雷达向大气中发射电磁波，当遇上雨滴、冰晶等介质时，会被反射回来并被雷达接收器接收到的信号。
雷达回波信号强度与回波信号的反射系数、降雨量、降雨密度、雷达波长和雨滴粒径等参数有关。
由于强对流天气的特殊性质，其回波信号在雷达接收端的表现较为突出，常常具有以下特征：1.回波强度突然增加。
2.回波垂直延伸范围大。
3.回波内深层反射面清晰。
4.回波内存在尖点或闪电现象。
5.回波呈现出多层回波结构。
三、强对流天气雷达回波分析的技术方法对于雷达回波信号的分析，目的是为了确定天气现象的类型、强度和轨迹，为预测和预警提供数据。
在强对流天气中，雷达回波的分析需要采用一些特殊的技术方法。
例如：1.雷达图像识别技术。
该技术基于雷达回波的分布图像，在灰度共生矩阵、纹理特征、图像熵等基础上，通过模板识别和分类算法来识别飑线、旋转风暴、高尺度回波等强对流天气类型。
2.反射率图解析技术。
该技术是指利用雷达返回强度与事先设定的标准强度比较，将雷达回波划分为几个等级。
通过比较反射率的大小，可以判断强对流天气的类型和强度。
3.体扫雷达技术。
体扫雷达是指利用雷达扫描一定方位角之间的所有角度，获取雷达回波立体数据的技术。
通过对立体数据的分析，可以获取强对流天气的三维体积信息，相对于面扫雷达有更好的预测能力。
四、强对流天气雷达回波分析的应用强对流天气雷达回波分析可以为天气预测、防灾减灾等方面提供有效的数据和技术支持。
例如：1.预警预报。
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：原理、应用与收获总结
多普勒天气雷达：原理、应用与收获总结以下是多普勒天气雷达原理与应用课程的总结：1.雷达基本原理与组成雷达是一种利用无线电波探测目标的电子设备。
它通过发射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波，根据反射回来的电磁波的特性，推断出目标的位置、速度、形状等信息。
雷达主要由发射机、接收机、天线和显示器等组成。
发射机产生高频电磁波，并通过天线向空间发射。
当电磁波遇到目标时，它会被反射回来并被天线接收。
接收机接收到反射回来的电磁波后，对其进行处理和分析，以推断出目标的位置、速度、形状等信息。
2.多普勒天气雷达原理多普勒天气雷达是一种专门用于探测天气目标的雷达。
它利用多普勒效应原理，测量目标的速度和方向。
当雷达发射的电磁波遇到运动目标时，反射回来的电磁波的频率会发生变化。
多普勒天气雷达通过测量这种频率变化，可以推断出目标的速度和方向。
同时，根据反射回来的电磁波的振幅和相位等信息，还可以推断出目标的形状和大小。
3.多普勒天气雷达的应用多普勒天气雷达在气象领域有着广泛的应用。
它主要用于探测台风、暴雨、冰雹等恶劣天气，为气象预报和灾害预警提供重要依据。
此外，多普勒天气雷达还可以用于空气质量监测、气候变化研究、航空航天等领域。
4.课程收获与总结通过学习多普勒天气雷达原理与应用课程，我们了解了雷达的基本原理和组成，以及多普勒天气雷达的工作原理和应用。
我们学会了如何利用雷达数据分析和推断天气信息，并掌握了雷达在气象领域中的应用方法和技巧。
在本课程中，我们学习了很多有用的知识和技能，包括：雷达方程和散射截面、电磁波的传播特性、多普勒频移和速度估计、气象目标的识别和处理等。
这些知识和技能不仅可以帮助我们更好地理解雷达的工作原理和应用，还可以为我们的后续学习和工作打下坚实的基础。
总之，学习多普勒天气雷达原理与应用课程，不仅让我们深入了解了雷达的工作原理和应用，还提高了我们的数据处理和分析能力，为我们的后续学习和工作打下了坚实的基础。
新一代天气雷达演示
雷达平均速度图
中尺度（2-20KM）系统的速度图像特征
不是在整个显示屏范围内识别，而是在其中选择一个小区域（包含了整个中尺度系统），将其放大显示。 首先确定所选择的小区域在雷达有效探测范围内的方位及小区域的方向，并近似的认为该小区域在同一高度层上
纯气旋式流场；纯反气旋式流场；纯辐合流场；纯辐散流场；气旋式辐合流场； 气旋式辐散流场；反气旋式辐合流场；反气旋式辐散流场
雷达的导出产品：有30多种。常用的包括组合反射率因子； 垂直累计液态水含量；回波顶；风暴路径信息；冰雹指数；中 气旋；速度方位显示风廓线；1小时累计雨量；3小时累计雨量； 相对风暴径向速度区。
雷达数据质量控制
雷达数据质量控制主要涉及地物杂波抑制；去距离折叠和退速度模糊。
地物杂波：包括固定地物杂波和超折射地物杂波（AP杂波）。
一般雷暴（单个单体雷暴）
单个单体雷暴—在其生命发展史中自始至终只有一个孤立单体的风暴。 水平尺度：5-10km； 生命史：<1小时；雷达回波特征：回波较垂直，单体对称，少移，冰 雹小，灾害小。回波强度相对较弱，回波面积小，发展高度低、生命史较短，上升与下沉气流 无明显的倾斜性，气流结构易受损坏，不易发展强盛。
雷达基本产品反射率因子，平均径向速度和径向速度谱宽三 种基数据。
SA和SB两种雷达，反射率因子基数据沿雷达径向的分 辨率为1km，沿方位角方向的分辨率为1°，即1km*1°，平均 径向速度和速度谱宽基数据的分辨率为0.25km*1°；扫描仰角 从0.5°到19.5°。
SA和SB两种雷达，反射率因子观测范围为460km，径 向速度和谱宽为230km；大部分算法适用的范围位于230km内。 CC和CD型雷达的观测范围只有150km。
在中等到高的CAPE和弱的深层垂直风切变情况下，可以出现的唯 一强风暴是脉冲风暴，其不是一种独立的对流风暴类型，是以多单体风暴 形态出现，含有一个或多个脉冲单体。
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
天气雷达
主要设备
1、触发信号发生器：触发信号发生器(控制钟)是整个雷达的控制系统，它周期性地产生一个脉冲式的触发信号，触发脉冲输送到调制解调器和显示器，指挥它们开始工作。每秒种产生的触发脉冲数目，称为脉冲重复频率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，用Ｔ表示，它等于脉冲重复频率的倒数。实际工作中，可用公式计算脉冲重复周期的数值。 2、调制解调器：在触发脉冲的触发作用下，调制解调器产生调制脉冲。调制脉冲具有两个特性： （１）具有固定的脉冲宽度（也称为脉冲持续时间），以微秒为单位，也可以以脉冲的空间距离h表示，脉冲宽度直接影响探测距离和距离分辨能力即雷达盲区大小。探测近目标采用窄的脉冲宽度，在探测远目标时，为了增大回波信号的强度采用宽的脉冲宽度。天气雷达的脉冲宽度一般取0.1--4微秒 ，随各种雷达探测目的不同而异。 （２）调制脉冲提供一个合适的视频波形具有足够的幅度，以便使下一级电路发射机正常工作 3、发射机：在调制脉冲的作用下，发射机产生短促又强大的特高频振荡，经天线向空间发射出去，即探测脉冲。发射机的主要技术参数有波长（或振荡频率F）和脉冲发射功率。 （１）波长：天气雷达通常使用的波长是厘米波，划分为K、X、C和S四个波段，K波段的雷达是用来探测非降水的云，X、C和S波段用于探测降水。 （２）脉冲发射功率：是指天线实际发射的峰值功率，如果忽略了波导管和天线的损耗，则脉冲发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。 4、 天线转换开关 、波导管：天线转换开关是将天线、发射机和接收机连接起来的一种装置。当天线和发射机接通时，发射机输出的特高频振荡脉冲电磁波顺利地到达天线，在这个时间内天线与接收机切断连通，电磁波不能进入接收机。在探测脉冲发射的间歇期，转换开关接通接收机，使天线接收到的回波信号能全部进入接收机。波导管是一种空心矩形金属管状导体，其内径大小随所携带信号的波长而异，脉冲信号经它传送到天线其损耗极小。 5、 天线： (1)波束的宽度：天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指的方向上，波束主轴附近能流密度大，波束的边缘能流密度小，能流密度的相对分布曲线，称为天线方向图，曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向相对能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣称为主波瓣，侧面和相反方向能流密度均小得多，分别称为旁瓣和尾瓣。在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。波束宽度越小，定向角度的分辨率越高，探测精度越高。天气雷达的波束宽度通常不超过2度，多普勒雷达的波束宽度一般不超过1度。波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径和雷达工作波长。 （２）天线增益：在相同辐射功率条件下，在波束方向上定向天线的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以G表示，天线增益与天线波束宽度具有一定的关系。天线增益以分贝（dB）表示：分贝（dB）=10log（定向天线的能流密度）/（各向均匀辐散天线的能流密度）。 6、 接收机和显示器 接收机:接收来自目标物的回波信号，经过放大后送往显示器进行显示。回波信号常常非常微弱，接收机必须具有接收微弱信号的能力，这种能力称为灵敏度。灵敏度用最小可辨功率表示。它是回波信号刚刚能从噪声信号中分辨出来时的回波功率。 显示器： （１）平面位置显示器（简称平显或PPI）是天气雷达中最常用的一种显示器。在这种显示器上，电子束一方面以脉冲重复频率自屏幕的中心向外作等速的径向扫描；另一方面通过天线传动装置，使径向扫描为同步地随天线绕垂直轴旋转，当有回波信号进入时，在相应的距离和方位上扫描线增亮，从而显示出回波，其亮度取决于回波信号的强度，近代采用了视频积分处理器，将回波信号按不同的强度用不同的灰度或彩色显示出来。当雷达天线扫描一周时，屏幕上显示出测站周围目标的分布和回波强度。 （２）距离高度显示器（简称高显或RHI） 也是天气雷达中最常用的一种显示器，用来显示垂直剖面，纵坐标是高度，横坐标为水平距离，高度坐标放大，所显示的回波在垂直方向被拉长了。
强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警
强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警俞小鼎【摘要】简要介绍了强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷雨大风和暴洪)的多普勒天气雷达识别和预警技术.【期刊名称】《气象科技进展》【年(卷),期】2011(001)003【总页数】11页(P31-41)【关键词】多普勒天气雷达;强对流;识别与预警【作者】俞小鼎【作者单位】中国气象局气象干部培训学院,北京100081【正文语种】中文强对流天气是造成气象灾害的主要天气类型之一，主要包括冰雹、龙卷、雷雨大风和暴洪。
天气雷达从它在半个多世纪前开始应用于气象领域开始，一直是监测和预警强对流天气的主要工具。
天气雷达发射一系列脉冲电磁波，电磁波遇到云雨等气象目标会向四面八方散射，其中后向散射波回到雷达被接收。
传统天气雷达只能提取回波中的强度（反射率因子）信息，而多普勒天气雷达除了提取反射率因子信息外，还可以从雷达回波中提取云雨目标沿雷达径向的运动速度和相应的谱宽信息，大大加强了天气雷达的监测和预警能力。
我国正在建设的新一代天气雷达网全部由多普勒天气雷达构成。
新一代天气雷达比传统雷达具有更高的空间分辨率和探测灵敏度，可以探测到传统雷达通常探测不到的晴空回波。
美国于1996年完成了150多部新一代天气雷达在全美国的布网工作。
中国气象局新一代天气雷达网将由216部多普勒天气雷达构成，到2011年6月底为止，已经完成156部新一代天气雷达的布网工作。
我国的新一代天气雷达共有S（10cm）和C（5cm）两个波段七种型号，其中CINRAD-SA型和SB型多普勒天气雷达与美国的WSR-88D在结构和应用软件方面几乎完全相同，是我国东部沿海地区、长江流域、淮河流域、黄河下游和珠江流域的主要布网雷达。
已布设的新一代天气雷达已发挥了明显效益。
新一代天气雷达的应用领域主要包括对流天气的探测和预警、降水估计、雷达上方大气垂直风廓线的估测和通过对雷达反射率因子和径向速度数据的同化为高分辨率数值预报模式提供初始场。
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。
新一代多普勒天气雷达简介
新⼀代多普勒天⽓雷达简介多普勒效应是澳⼤利亚物理学家J.Doppler1842年⾸先从运动着的发声源中发现的现象，多普勒天⽓雷达的⼯作原理即以多普勒效益为基础，具体表现为：当降⽔粒⼦相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的⾼频频率之间存在的差异，从⽽得出所需的信息。
运⽤这种原理，可以测定散射体相对于雷达的速度，在⼀定条件下反演出⼤⽓风场、⽓流垂直速度的分布以及湍流情况等。
这对研究降⽔的形成，分析中⼩尺度天⽓系统，警戒强对流天⽓等具有重要意义。
天⽓雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在⼤⽓中传播，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），在荧光屏上显⽰出⽓象⽬标的空间位置等的特征。
在雷达探测中，⽓象⽬标的空间位置是⽤雷达天线⾄⽬标物的直线距离Ｒ（亦称斜距）,雷达天线的仰⾓和⽅位⾓来表⽰。
斜距Ｒ可根据电磁波在⼤⽓中的传播速度Ｃ和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定。
电磁波在⼤⽓中传播速度是略⼩于它在真空中的传播速度，但对斜距精度影响不⼤，故近似⽤C来表⽰。
天⽓雷达的主要设备 1. 触发信号发⽣器 触发信号发⽣器(控制钟)是整个雷达的控制系统,它周期性地产⽣⼀个脉冲式的触发信号,触发脉冲输送到调制解调器和显⽰器,指挥它们开始⼯作。
每秒种产⽣的触发脉冲数⽬，称为脉冲重复频率,以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表⽰。
两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，⽤Ｔ表⽰，它等于脉冲重复频率的倒数。
实际⼯作中，可⽤公式计算脉冲重复周期的数值。
2. 调制解调器 在触发脉冲的触发作⽤下，调制解调器产⽣调制脉冲。
调制脉冲具有两个特性： （１）具有固定的脉冲宽度（也称为脉冲持续时间），以微秒为单位，也可以以脉冲的空间距离h表⽰，脉冲宽度直接影响探测距离和距离分辨能⼒即雷达盲区⼤⼩。
北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用
北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用强对流天气是一类具有极强能量释放的天气现象，如暴风雨、大风、雷暴等。
在北京地区，由于其地形和气候特点，强对流天气较为常见。
为了更好地预测和监测这些天气现象，X 波段双偏振雷达成为了一种重要的工具。
X波段双偏振雷达是一种使用X波段电磁波进行探测的雷达系统，它能够测量和分析目标的双偏振反射信号，从而获取目标的散射特性。
在强对流天气中，X波段双偏振雷达展现出了一些独特的特征和应用。
首先，X波段双偏振雷达能够提供更加准确的降水估计。
通过分析不同极化态的回波信号，可以确定目标颗粒的形状、大小和类型等信息，从而更准确地估计降水的强度和分布。
在强对流天气中，降水是一种重要的参考指标，能够反映出天气的强度和演变趋势。
因此，X波段双偏振雷达在强对流天气预警和监测中起到了关键作用。
其次，X波段双偏振雷达能够提供目标的颗粒特性信息。
在强对流天气中，目标的颗粒特性对于预测和评估天气现象的发展趋势至关重要。
X波段双偏振雷达通过分析目标回波信号的偏振特性，可以获得目标颗粒的形状、方向等信息，从而帮助确定天气现象的运动趋势和强度。
例如，在暴雨天气中，X 波段双偏振雷达可以识别出冰雹和雨滴，从而提前预警可能出现的冰雹灾害。
这对于城市防灾减灾工作具有重要意义。
此外，X波段双偏振雷达还能够提供目标的风场信息。
在强对流天气中，风场是一种关键的气象要素，对于预测和评估天气现象的演变和影响具有重要作用。
X波段双偏振雷达通过分析目标回波信号的相位差，可以获得目标散射体的速度和方向等信息，从而提供目标的风场情况。
这对于分析和预测强对流天气中的风暴演变趋势、风暴结构和风暴路径等方面具有重要意义。
总之，X波段双偏振雷达在北京强对流天气中展现出了一系列独特的特征和应用。
它能够提供准确的降水估计、目标的颗粒特性信息和风场信息，对于强对流天气的预测和监测具有重要意义。
多普勒天气雷达原理与业务应用--汇总
Pr .54
P P P P
r1 r2 r3 r4
4
3 根据雷达气象方程
2 P rr Z c
求出反射率因子 Z
4 用 dBZ=10lgZ 把 Z 转换成 dBZ 2.5.5.3 平均径向速度数据获取步骤 ①为了使对每个 0.13 海里的距离库的速度估计误差不大于 2 节（1 米/秒） ， 需要 40-50 个脉冲对。 ②求脉冲对位相矢和： 这一步使用位相矢来代表脉冲对。
多普勒天气雷达原理与业务应用
第一章 引论
1. 在我国东部和中部地区，装备先进的新一代 S 波段（10cm）和 C 波段（5cm） 多普勒天气雷达系统。沿海地区设（S 波段）雷达，内陆地区设（C 波段）雷达。 2. 计划在全国共布置（158）部新一代天气雷达。到 2005 年 5 月份为止，已布 设 80 余部新一代天气雷达。 3．新一代天气雷达系统的应用主要在于对灾害性天气，特别是与风害和冰雹相 伴的灾害性天气的监测和预警。 它还可以进行较大范围降水的定量估测，获取降 水和降水云体的风场结构。 4．新一代天气雷达的应用领域有哪些？ （1） 对灾害性天气的监测和预警。 （2） 定量估测大范围降水。 （3） 风场信息。 （4） 改善高分辨率数值天气预报模式的初值场 5．辐合（辐散）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个 极值中心的连线和雷达的射线（相一致） 。气流中的小尺度气旋（或反气旋）在 径向风场图像中也表现为一个最大和最小的径向速度对， 但中心连线走向则与雷 达射线（相垂直） 。 6．新一代天气雷达采用（全相干）体制，共有（7）种型号，其中 S 波段有(3) 种型号，称为（SA、SB、SC） ，C 波段有(4)种型号，分别为（CINRAD-CB、CC、 CCJ、CD） 。 7．新一代天气雷达的三个主要部分： （雷达数据采集子系统（RDA） 、雷达产品 生成子系统（RPG）和主用户终端子系统（PUP） ）以及连接它们的通信线路。 RDA 和 RPG 由一条（宽带）通讯线路连接，RPG 和 PUP 由一条（窄带）通讯 线路连接。由 RDA 的数字化基本数据经过(RPG)中的各种算法生成一系列的产
多普勒雷达回波在地面观测中应用
多普勒雷达回波在地面观测中应用
多普勒雷达是一种能够测量目标相对速度的雷达系统。
它广泛应用于气象预报、航空防务、海洋勘测等领域，也被应用于地面观测中。
多普勒雷达能够通过通过测量回波信号的频率变化来计算目标的速度及运动方向。
在地面观测中，多普勒雷达常用来探测和监测强风、雷暴、沙尘暴等极端天气现象。
例如，在风场观测中，多普勒雷达可以探测风场中的强风涡。
当强风涡经过雷达时，它会引起回波信号的频率变化。
多普勒雷达可以通过分析该变化来确定强风涡的位置、强度、速度和方向，这有助于及时预警和防范可能发生的风灾。
在雷暴监测中，通过多普勒雷达可以探测到气旋云的强度和速度等特征。
通过监测回波信号的速度变化，可以观测到云中强风系统的活动情况，实时掌握雷暴的发展趋势，为灾害预防和防护提供科学依据。
此外，在沙尘暴监测中，多普勒雷达也起着重要作用。
它可以通过测量回波信号的频率变化来探测沙尘暴中的风速和风向等特征，帮助预测沙尘暴的发生和发展趋势，为相关部门提供参考意见。
总之，多普勒雷达在地面观测中发挥着重要的作用。
它能够实现对极端天气现象的高精度监测和预测，对人类生命安全和财产安全具有重要意义。
随着科学技术的不断发展和完善，相信多普勒雷达在未来的应用领域中将继续走在前沿。
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2004年 2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达） 22日冷空气爆发 合肥雷达） 日冷空气爆发（
Examples - nontopographic
Ongoing MCS
Frontal boundary
Convective storm outflow boundaries
Organized or disorganized?
中气旋模拟图及实例
中气旋模型 -蓝金组合涡旋
对于识别中气旋，最好使用风暴相对速度图（右）而 对于识别中气旋，最好使用风暴相对速度图（ 不是基速度图（ 不是基速度图（左）。
超级单体风暴的分类
• 经典超级单体风暴 • 强降水超级单体风暴 • 弱降水超级单体风暴
经典超级单体
Classic Supercells
垂直风廓线及其对对流风暴的作用
垂直风切变、 垂直风切变、切变矢量和速度矢图
垂直风切变是指水 平方向的风速随高度 的变化。 的变化 。 在给定的层 次中， 次中 ， 切变风矢指的 是高层和底层风矢量 之差， 之差 ， 切变风矢可以 在所有风场资料层上 绘出。 绘出 。 速度矢图是由 切变风矢组成的。 切变风矢组成的。
对流有效位能CAPE 对流有效位能CAPE
对流有效位能CAPE 对流有效位能CAPE
指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力 所产生的能量的垂直积分， 所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的 一个重要指标。 logP图上 CAPE正比于 图上， 一个重要指标。在T-logP图上，CAPE正比于 气块上升曲线（状态曲线） 气块上升曲线（状态曲线）和环境温度曲线 层结曲线）从自由对流高度（LFC） （层结曲线）从自由对流高度（LFC）至平衡 高度（EL）所围成的区域的面积。 高度（EL）所围成的区域的面积。 CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流 CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流 发展的潜势增加 。
最大垂直速度
气块在特定环境中绝热上升的最大垂直速度 Wmax理论上取决于CAPE向动能的转换程度。 理论上取决于CAPE向动能的转换程度 向动能的转换程度。 CAPE和 CAPE和Wmax的关系表达式如下： 的关系表达式如下：
Wmax＝(2CAPE)1/2
抬升机制
短波槽、高空急流、锋面、干线等造成的 短波槽、高空急流、锋面、 中尺度垂直环流。雷暴出流边界（阵风锋）、 中尺度垂直环流。雷暴出流边界（阵风锋）、 海陆风边界和其他边界层辐合线 边界层辐合线， 海陆风边界和其他边界层辐合线，以及中尺度 地形和重力波等。 地形和重力波等。 雷暴倾向于在边界层辐合线附近， 雷暴倾向于在边界层辐合线附近，特别是 两条辐合线的相交处生成。 两条辐合线的相交处生成。
螺旋度的几何意义
它与速度矢图中两个层次之间的风暴相对风矢量所 扫过的区域的面积成正比，通常情况下， 扫过的区域的面积成正比，通常情况下，两个层次是指 地面和可观察到风暴入流的顶即LFC高度 高度， 地面和可观察到风暴入流的顶即LFC高度，实际应用时 气流的入流层大约是指0 2km或 3km间的层次 间的层次。 ，气流的入流层大约是指0-2km或0-3km间的层次。 0～3km高度内风 3km高度内风 暴相对螺旋度的 示意图。
After Lemon, 1980
钩状回波的各种变形
经典超级单体风暴
CL supercell - front flank
© 1999 C. Doswell
CL supercell - rear flank
A supercell storm
0.5
1.5
3.5
4.3
长沙（上）和常德（下）雷达径向速度图
充分挖掘现有设备潜力也应能改进预报效果
左图：08时， 左图：08时
右图：13时 右图：13时
时间：2005年8月17日，上海宝山探空站（58362) 17日 上海宝山探空站如K指数有 时和１３时相差很大， 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大 31.0增大到 31.0增大到38.0，SI指数有-0.3减小至-2.8，CAPE也由2967增大至5742， 增大到38.0，SI指数有 0.3减小至 2.8，CAPE也由 指数有- 减小至也由2967增大至 增大至5742， 对流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。 对流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。
其中ω 其中ωH3为3km高度上 3km高度上 的水平涡度矢，S 的水平涡度矢，S3为 3km高度上的风切变 3km高度上的风切变 矢，V 矢，VSRO为地面风暴 相对速度。
问题与挑战
全国只有124个探空站 每天观测两次（ 全国只有124个探空站，每天观测两次（ 个探空站， 08和20点），其时空分辨率远远不能满足强对 08和20点），其时空分辨率远远不能满足强对 流天气分析的需要。 流天气分析的需要。 解决办法： 解决办法： 1）增加14点探空； 增加14点探空 点探空； 2）快速数据融合系统
经典超级单体例子3 经典超级单体例子3
2007年 2007年7月27日反中气旋超级单体（常德SB雷达） 27日反中气旋超级单体 常德SB雷达 日反中气旋超级单体（ 雷达）
2007年 2007年7月27日反中气旋超级单体（常德SB雷达） 27日反中气旋超级单体 常德SB雷达 日反中气旋超级单体（ 雷达）
地形的抬升作用
垂直风切变
垂直风切变是指水平风速（ 垂直风切变是指水平风速（包括大小和 方向） 方向）随高度的变化 , 环境水平风向风速的 垂直切变的大小往往和形成风暴的强弱密切 相关。 相关。 一般来说，在一定的热力不稳定条件下， 一般来说，在一定的热力不稳定条件下， 垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和 发展。 发展。
Is this really “classic”?
Classic Supercells
Supercell airflow model
Lemon & Doswell, 1979
SUPERCELL
• The WER
– Is the region of weak echo beneath the sloping echo overhang (> 45 dBZ) – Persists longer than it would take for hydrometeors above the WER to fall to ground
0-2km水汽辐合通量
6 雷暴的分类
• 普通单体与超级单体 • 单单体风暴、多单体风暴、超级单体风 单单体风暴、多单体风暴、 暴、飑线
积 云 生 命 史 三 阶 段
A dissipating multicell storm
© 1996 C. Doswell
经典超级单体风暴
当环境为强气流控制时，风 当环境为强气流控制时， 暴运动主要取决于平流， 暴运动主要取决于平流， 而当环境气流较弱时，风暴 而当环境气流较弱时， 运动主要取决于传播。 运动主要取决于传播。
7 中气旋与超级单体风暴
• 中气旋 • 超级单体风暴的分类
中气旋定义
中气旋是指尺度小于10km的涡旋， 中气旋是指尺度小于10km的涡旋，满足或超过 10km的涡旋 一定的旋转（切变） 垂直伸展和持续性判据。 一定的旋转（切变） 、垂直伸展和持续性判据。 定义1 垂直涡度大于等于10 定义1：垂直涡度大于等于10-2s-1，垂直伸展超 过风暴垂直尺度的1/3 持续2个体扫。 1/3， 过风暴垂直尺度的1/3，持续2个体扫。 定义2 将中气旋分为弱、 定义2：将中气旋分为弱、中、强三个等级， 强三个等级， 旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。 旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。
风暴运动
风暴运动是平流和传播的合成运动
风暴的平流
由于风暴由流动的气流组成，因此， 由于风暴由流动的气流组成，因此，风暴 具有平流运动， 具有平流运动 ， 其中单个风暴单体是随着风 对流层中层） 暴承载层 （对流层中层）的平均风方向而平 流的。 流的。
风暴的传播
风暴的传播是指在风暴某侧由新生单体所 引发的风暴运动。 引发的风暴运动。传播常常为新上升气流发展 的方向。 的方向。 多单体风暴的传播是不连续的， 多单体风暴的传播是不连续的 ， 即新生单 体以一系列离散过程周期性地发展。 体以一系列离散过程周期性地发展。 超级单体风暴的传播可视为连续的（ 超级单体风暴的传播可视为连续的 （ 或者 可以认为上升气流泡连续脉动) 可以认为上升气流泡连续脉动)。
左图：08时， 左图：08时
右图：13时 右图：13时
时间：2005年9月21日，上海宝山探空站（58362) 21日 上海宝山探空站（ 时间：2005年 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大，如K指数有 时和１３时相差很大， 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大 25.0增大到 25.0增大到34.0，SI指数有2.9减小至0.8，CAPE也由332增大至6871， 对 增大到34.0，SI指数有 减小至 ，CAPE也由 指数有2.9减小至0.8 也由332增大至 增大至6871， 流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。 流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。
4.1.5.3 平流和传播的相对重要性
有组织的多单体 风暴的风暴平流、传播和风暴运动的关系示意图
风暴中的对流单体沿平均风方向向东北平移（V），风暴总体的运动方向（C 风暴中的对流单体沿平均风方向向东北平移（V），风暴总体的运动方向（C）向东， 因为新生单体周期性地出现于风暴的南侧（P 因为新生单体周期性地出现于风暴的南侧（P）。
风暴相对螺旋度 （storm-relative helicity） stormhelicity）
Brandes于 1989年提出风暴相对螺旋度 Brandes 于 1989 年提出风暴相对螺旋度 ， 它是衡量螺旋 年提出风暴相对螺旋度， 度的一个具有明确意义的物理量。 度的一个具有明确意义的物理量。 相对风暴螺旋度反映了 一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环 境涡度的多少，其量值反映了旋转沿运动方向运动的强弱。 境涡度的多少 ， 其量值反映了旋转沿运动方向运动的强弱。 风暴相对螺旋度取决于风暴相对气流沿流线方向的涡 度 ， 而这些因子又取决于低层垂直风切变的强度和方向以 及风暴的运动。其表达式为： 及风暴的运动。其表达式为：