多普勒天气雷达原理与应用引论
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1. 引论 与原理 2. 雷达图基本识别 3. 质量控制 4. 强对流天气的雷达回波特征 5. 雷达算法与产品
1.引论
多普勒雷达原理简介
粒子对雷达波的散射
• 散射的概念 • 后向散射截面 • 瑞利散射和Mie散射（3.14D/波长）
雷达后向散射截面随粒子直径、相态和雷达波长的变化
主要雷达参数
产 品 数 据 和 算 法 应 用 的 范 围
WSR-98D未定义VCP32。
工作模式（Operational Mode）
WSR-88D使用两种工作模式，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。
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。
雷达控制台UCP是RPG的操作界面，可以实时地对RPG 和RDA进行控制。UCP采用流行的窗口界面。主要的命令集成 在菜单和工具栏中，使用这些命令可实现对RPG和RDA的有效 控制。UCP为雷达操作员提供了一个可以与RPG和RDA系统人 机交互的界面。
UCP 和 PUP
雷达探测范围和局限性
主要局限性：1）波束展宽 2）Overshooting
雷达的主要构成和数据流
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。
主要构成和数据流见下图。
雷达的主要构成
雷达数据流示意图
体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern）
雷达产品生成子系统RPG
RPG是一个多功能的单元。它由宽带通讯线路从RDA接 受数字化的基数据，对其进行处理生成各种产品，并将产品通 过窄带通讯线路传给用户。RPG还可以通过雷达控制台（UCP） 对RDA进行监控（遥控方式）。RPG是整个雷达系统的指令中 心。
CINRAD WSR-98D的RPG目前采用DELL公司生产的 PC机，最低配置内存为128MB，CPU采用奔腾III-500以上芯片。
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。
山东ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ州
安徽合肥
广 州 雷 达
龙岩雷达
南 昌 雷 达
天 津 雷 达
宜 昌 雷 达
建 阳 雷 达
阿克苏雷达
哈尔滨雷达
应用领域
•强对流天气的监测与预警
主要灾害：灾害性大风、冰雹和暴洪
•天气尺度和次天气尺度降水系统的监测 •降水测量 •风的测量 （VAD 风廓线） •数据同化
强 对 流 天 气 的 监 测 和 预 警
我国业务组网的新一代天气雷达(CINRAD）， 其主要性能已经专家讨论提出，确定采用WSR-88D 的指标。
中国新一代天气雷达的型号
S波段：
CINRAD-SA（ WSR-98D） CINRAD-SB CINRAD-SC
C波段：
CINRAD-CB CINRAD-CC CINRAD-CCJ CINRAD-CD
• 波长λ • 脉冲重复频率PRF • 脉冲持续时间（τ）和脉冲宽度（h） • 峰值功率 • 波束宽度
取样体积内包含大量散射粒子
反射率因子 Z
Pr
c r2
Z
c
3PtG 2h
1024 ln 22
K2
Z=∫N(D)D6dD
Z dBZ 10 • lg
Z0
Z0 1mm 6 / m3
平均径向速度和谱宽
• 多普勒效应 • 频率变化难以直接测量 • 脉冲对相移 • 全相干雷达：每个发射脉冲的位相相对于一个
内部参考信号而言是相同的。当脉冲返回时， 与参考信号做比较以确定信号位相。任何脉冲 到脉冲的位相变化可以被计算。 • 几十个脉冲对相差的平均值确定平均径向速度； 脉冲对相差的方差确定谱宽。
RDA线路示意图
一点说明
我国新一代天气雷达有两种波段（S波段 和C波段）七种型号，由不同厂家生产。中美 合资的敏视达公司生产的S波段CINRAD WSR-98D（SA）多普勒天气雷达基本上是仿 造美国的WSR-88D 。所以在本书的描述中以 WSR-88D为原型，在CINRAD WSR-98D与 WSR-88D不同的地方给以专门的补充说明。
雷达波在大气中的传输
• 折射 • 衰减－吸收和散射
K dnh
dh dn 0 波束向下弯曲 dh dn 0 波束向上弯曲 dh dn 0 波束直线传播 dh
nh
77.6
T h
Ph
4810
Pw h T h
•106
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。
对天气尺度和次天气尺度降水系统的监测
艾利台风
雷 达 降 水 估 计
提供风场信息
径向速度和反射率因子数据用于高分辨 率数值预报模式初始场的形成 -- 数据同化
Cpol
Kurnel l
径向速度和反射率因子数据用于高分辨 率数值预报模式初始场的形成 -- 数据同化
新一代天气雷达系统结构
1.引论
多普勒雷达原理简介
粒子对雷达波的散射
• 散射的概念 • 后向散射截面 • 瑞利散射和Mie散射（3.14D/波长）
雷达后向散射截面随粒子直径、相态和雷达波长的变化
主要雷达参数
产 品 数 据 和 算 法 应 用 的 范 围
WSR-98D未定义VCP32。
工作模式（Operational Mode）
WSR-88D使用两种工作模式，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。
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。
雷达控制台UCP是RPG的操作界面，可以实时地对RPG 和RDA进行控制。UCP采用流行的窗口界面。主要的命令集成 在菜单和工具栏中，使用这些命令可实现对RPG和RDA的有效 控制。UCP为雷达操作员提供了一个可以与RPG和RDA系统人 机交互的界面。
UCP 和 PUP
雷达探测范围和局限性
主要局限性：1）波束展宽 2）Overshooting
雷达的主要构成和数据流
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。
主要构成和数据流见下图。
雷达的主要构成
雷达数据流示意图
体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern）
雷达产品生成子系统RPG
RPG是一个多功能的单元。它由宽带通讯线路从RDA接 受数字化的基数据，对其进行处理生成各种产品，并将产品通 过窄带通讯线路传给用户。RPG还可以通过雷达控制台（UCP） 对RDA进行监控（遥控方式）。RPG是整个雷达系统的指令中 心。
CINRAD WSR-98D的RPG目前采用DELL公司生产的 PC机，最低配置内存为128MB，CPU采用奔腾III-500以上芯片。
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。
山东ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ州
安徽合肥
广 州 雷 达
龙岩雷达
南 昌 雷 达
天 津 雷 达
宜 昌 雷 达
建 阳 雷 达
阿克苏雷达
哈尔滨雷达
应用领域
•强对流天气的监测与预警
主要灾害：灾害性大风、冰雹和暴洪
•天气尺度和次天气尺度降水系统的监测 •降水测量 •风的测量 （VAD 风廓线） •数据同化
强 对 流 天 气 的 监 测 和 预 警
我国业务组网的新一代天气雷达(CINRAD）， 其主要性能已经专家讨论提出，确定采用WSR-88D 的指标。
中国新一代天气雷达的型号
S波段：
CINRAD-SA（ WSR-98D） CINRAD-SB CINRAD-SC
C波段：
CINRAD-CB CINRAD-CC CINRAD-CCJ CINRAD-CD
• 波长λ • 脉冲重复频率PRF • 脉冲持续时间（τ）和脉冲宽度（h） • 峰值功率 • 波束宽度
取样体积内包含大量散射粒子
反射率因子 Z
Pr
c r2
Z
c
3PtG 2h
1024 ln 22
K2
Z=∫N(D)D6dD
Z dBZ 10 • lg
Z0
Z0 1mm 6 / m3
平均径向速度和谱宽
• 多普勒效应 • 频率变化难以直接测量 • 脉冲对相移 • 全相干雷达：每个发射脉冲的位相相对于一个
内部参考信号而言是相同的。当脉冲返回时， 与参考信号做比较以确定信号位相。任何脉冲 到脉冲的位相变化可以被计算。 • 几十个脉冲对相差的平均值确定平均径向速度； 脉冲对相差的方差确定谱宽。
RDA线路示意图
一点说明
我国新一代天气雷达有两种波段（S波段 和C波段）七种型号，由不同厂家生产。中美 合资的敏视达公司生产的S波段CINRAD WSR-98D（SA）多普勒天气雷达基本上是仿 造美国的WSR-88D 。所以在本书的描述中以 WSR-88D为原型，在CINRAD WSR-98D与 WSR-88D不同的地方给以专门的补充说明。
雷达波在大气中的传输
• 折射 • 衰减－吸收和散射
K dnh
dh dn 0 波束向下弯曲 dh dn 0 波束向上弯曲 dh dn 0 波束直线传播 dh
nh
77.6
T h
Ph
4810
Pw h T h
•106
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。
对天气尺度和次天气尺度降水系统的监测
艾利台风
雷 达 降 水 估 计
提供风场信息
径向速度和反射率因子数据用于高分辨 率数值预报模式初始场的形成 -- 数据同化
Cpol
Kurnel l
径向速度和反射率因子数据用于高分辨 率数值预报模式初始场的形成 -- 数据同化
新一代天气雷达系统结构