多普勒天气雷达识别方法
多普勒天气雷达回波识别及解析总结计划之降水回波
多普勒天气雷达回波辨别和剖析之降水回波1.层状云降水雷达回波特色——片状回波层状云是水平尺度远远大于垂直尺度云团，由这种云团所产生的降水称之为稳固性层状云降水。
降水区拥有水平范围较大、连续时间较长、强度比较均匀和连续时间较长等特色。
⑴回波强度特色：①在 PPI 上，层状云降水回波表现出范围比较大、呈片状、边沿零落不规则、强度不大但散布均匀、无显然的强中心等特色。
回波强度一般在 20-30dBz，最强的为45dBz。
②在 RHI 上，层状云降水回波顶部比较平坦，没有显然的对流单体崛起，底部及地，强度散布比较均匀，所以色彩差别比较小。
一个显然的特色是常常能够看到在其内部有一条与地面大概平行的相对强的回波带。
进一步的观察还发现这条亮带位于大气温度层结0 度层以下几百米处。
因为使用早起的模拟天气雷达探测时，回波较强则显示越亮，所以称之为零度层亮带。
回波高度一般在 8 公里以下，自然会跟着纬度，季节的不一样有所变化。
⑵回波径向速度特色：因为层状云降水范围较大，强度与气流相对照较均匀，所以相应其径向速度散布范围也较大，径向速度等值线散布比较稀少，切向梯度不大。
在零径向速度型双侧常散布着范围不大的正、负径向速度中心，此外还常存在着流场辐合或辐散区。
⑶零度层亮带：如前所述，在 PPI 仰角较高或许 RHI 扫面时，总能在零度层以下几百米处看到一圈亮环或许亮带回波，亮带内的回波比上下两个层面都强。
因为亮带回波老是陪伴层状云降水出现，所以是层状云降水的一个重要特色。
（零度层亮带形成的原由：冰晶、雪花着落的过程中，经过零度层时，表示开始消融，一方面介电常数增大，另一方面出现碰并聚合作用，使粒子尺寸增大，散射能力加强，所以回波强度增大。
当冰晶雪花完整消融后，快速变为球形雨滴，受雨滴破裂和下降速度的影响，回波强度减小。
这样就存在一个强回波带，说明层状云降水中存在显然的冰水变换区，也表示层状云降水中气流稳固，无显然的对流活动。
S波段多普勒天气雷达非降水气象回波识别
１ Ｂ 以下 。虽 然 回波 的 最大 强 度可 达 到 ２ Ｂ ５ｄ Ｚ ０ｄ Ｚ
本 文所 选数 据 为 北 京 Ｓ 雷达 观 测 的基 数 据 。 Ａ 为 了减小 雷达估 测 降 水 的误 差 ， 文 主要 目的是 识 本 别非 降水 回波 。非 降水 回波 的定 义是 在地 面没 有观
再 根据 这个 阈值 ， 每个格 点 回波进 行判 断 ， 对 最后 将 每个格 点 回波识 别 为 降 水 回波 或 者 是 非 降 水 回波 。 而逻辑识 别 用 的隶属 函数 是根 据 降水 回波 和非 降水 回波 的特性 差 异 得 到 的 。另 外 ， 识 别 方 法 主要 考 本 虑的是对非 降水 回波采取严 格 的识 别标 准 ， 要是 防 主 止降水 回波被误 判为非 降水 回波 ， 而造 成雷 达资 料 从
构 常数 估 算 模式 研 究 ； 鸣 等＿ 分 析 了南 京 地 区 晴 魏 ５ 空 回波 的演 变特 征 ， 为南 京 地 区 的晴 空 回波 主要 认
由布 拉格 散射 引起 。 在不 同 的 回波 分类 方 法方 面 ， ｔｉｅ 等 从 回 Ｓｅｎ ｒ
流造 成 的折 射指 数起 伏 引起 的散 射 及 气 溶胶 、 虫 昆
的 阈值设 为 ０ ５ ． 。④ 对 于 面 积 在 ２ ０ ｍ 以上 的 ００ｋ
ｔ ｒ） ｕ ｅ 温度 高 于 ２ ３Ｋ， 为该 回波 为 晴 空 回波 。经 ７ 认 过 对数 据 的分 析 ， 晴 空 时 出现 的 回波 与有 云 但 无 在 降水 时 的回波在 特 征 上 较 为相 似 ， 故将 这 两 类 回波 作 为一 类 ， 统归 为 非 降 水 气 象 回波 进 行 分 析 。本 文
多普勒天气雷达原理与应用2-雷达图象识别基础
图4c.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图2.4仰角 fig.4c May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 2.4deg
图4d.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图3.4仰角 fig.4d May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 3.4deg
图4a.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图0.5仰角 fig.4a May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 0.5deg
图4b. 2002年5月27日08:55(gmt)风暴相对速度图1.5仰角 fig.4b May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 1.5deg
7月2日 01：12
太阳的雷达显示
2.2 多普勒径向速度场流型的识别
2.2.1 大中尺度风场特征的识别
基本原则：根据径向风的分布反推实际 风，主要依据是零等速度线的分布 2.2.1.1 大中尺度连续风场的识别
2.2.1.2 大中尺度不连续风场的识别
2.2.2 2-20公里小尺度风场特征的识别
2. 雷达图基本识别
2.1 反射率因子图 2.2 速度图
2.1 反射率因子图
• PPI
• 垂直剖面
• CAPPI
2005年5月31日14点47分在北 京产生大冰雹的超级单体风暴
黑格比台风
2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达）
基 反 射 率 因 子
大尺度连续风场的识别
确 定 雷 达 上 空 大 尺 度 流 场 风 向 的 原 理
大 尺 度 连 续 风 场 的 识 别
提供风场信息
大尺度不连续风场的识）流场特征的识别
民用航空气象地面观测规范第14章 多普勒天气雷达知识
第十四章多普勒天气雷达知识第一节引言RADAR（Radio Detection and Ranging）是一个利用电磁波进行探测、定位的仪器。
最早用于军事目的，后来在气象部门也逐渐得到使用。
它具有准确、客观和实时的特点。
近年来，多普勒雷达的技术也逐渐成熟，它除了保持常规天气雷达的特点外，还通过计算频率（相位）的变化，提取风场的一些特征，因而更具有使用价值。
我国新一代天气雷达建设是我国20世纪末、21世纪初的一项跨世纪气象现代化工程。
我国新一代天气雷达组网的目标和原则是：在我国东部沿海和多强降水地区和四川盆地的大部分地区，布设S波段（波长10cm）新一代天气雷达；在我国强对流天气发生和活动比较频繁、经济比较发达的中部地区，布设C波段（波长5cm）新一代天气雷达；其它地区，即我国第一地形阶梯地域的青、新、藏等流域暂不布设全国组网的站点；但省（区）会所在地和重要地区根据气象服务工作的需要和可能，按统一业务布点要求设置新一代C波段天气雷达，作为局地监测和服务使用。
计划在全国部署158部新一代天气雷达。
图14-1为其中的126部的站点示意图。
截止到2005年5月份为止，已布设80余部新一代天气雷达。
图14－1我国新一代天气雷达网站新一代天气雷达将全部选用Ｓ和Ｃ两种波段，选取全相干体制，其主要探测和测量对象，包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍流、龙卷、冰雹、融化层等，并具备一定的晴空回波的探测能力。
第二节多普勒天气雷达的基本工作原理粒子对电磁波作用的两种基本形式是散射和吸收。
气象目标对雷达电磁波的散射作用是雷达探测大气的基础。
当天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波）时，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。
粒子产生散射的原因是：粒子在入射电磁波的作用下被极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，它们也要以同样的频率发生变化，这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外辐射的电磁波，就是散射波。
多普勒天气雷达速度图的分析
大 尺 度 连 续 风 场 的 识 别
大尺度不连续风场的识别
中gama尺度（2-20km）流场特征的识别
小 尺 度 风 场 特 征 的 识 别
图4a.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图0.5仰角 fig.4a May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 0.5deg
16:36 3 July 2007
16:42 3 July 2007
16:48 3 July 2007
16:54 3 July 2007
中尺度气旋（无环境风场）
中尺度气旋叠加南风
中尺度辐散（无环境风场）
中尺度辐散叠加南风
中尺度辐合（靠近雷达）
双中尺度气旋
双中尺度气旋
双中尺度气旋
双中尺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ气旋
双中尺度气旋
双中尺度辐散
双中尺度辐散
谱宽的分析
• 目前应用很少 • 谱宽有局限性，谱宽值与重复频率和雷达
波长有关。 • 谱宽大表征着湍流强 • 层状云回波中，谱宽相对大的区域表示有
相对较强降水。 • 对流云回波中，谱宽大的区域，表示对流
云中气流比较混乱，有利于对流云的发展。
逆风区
图4d.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图3.4仰角 fig.4d May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 3.4deg
20070703龙卷风个例
• 16:48在安徽和江苏交界处 • 14人死147人伤
16:30 3 July 2007
速度图的分析
中尺度划分
• 中—γ. (2-20km) • 中— β. (20-200km) • 中— α. (200-2000km)
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。
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：
多普勒天气雷达原理与应用3-雷达图象识别基础
太阳的雷达显示
兰州CC 2011-11-26 09:17
兰州CC 2011-11-26 15:48
回波累加与平均
Reflectivity accumulations for the Tianjin radar for a one month period (August 2006) for the lowest two tilts of the volume scan. The lowest tilt (0.4º ) is on the left and the second tilt is on the right (1.4º )
• 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
Vmax=60（节）
速度方位显示（VAD） 和速度 方位显示风廓线（VWP）
台风的回波
黑格比台风
边界层辐合线回波
海陆风环流
20070526 塘沽
雷州半岛海陆风辐合线
20050601 济南
2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达）
鸟的回波
飞机的回波
A single image (left) and a 10 hour accumulation (right) showing the impact of point targets on radar data quality. The white ellipses on the left shows the point targets which are presumably airplanes.
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。
C波段多普勒天气雷达地物识别方法
C波段多普勒天气雷达地物识别方法李丰;刘黎平;王红艳;杨川【摘要】地物回波对雷达数据应用会造成负面影响,是影响定量降水估测等产品精度的重要因素,识别并剔除地物回波是雷达基数据质量控制的一个重要内容.该文在现有S波段雷达地物识别方法的基础上,使用长治、哈尔滨两部CINRAD/CC雷达2011年观测数据,对C波段雷达地物回波特征进行分析,改进识别参量的隶属函数,建立适合C波段多普勒天气雷达的地物识别方法(MCC方法),并对该方法进行效果检验.结果表明:S波段及C波段雷达地物回波与回波强度有关的参量分布较为相近,与降水回波的参量分布有明显区别;S波段雷达地物识别方法中与回波强度有关的参量可用于C波段雷达地物的识别,与速度有关的参量中仅中值速度可用于C波段雷达.通过统计分析与个例分析,相对于现有S波段雷达识别方法,MCC方法可显著提高C波段雷达地物回波的识别正确率,并可减少层状云降水回波的误判.【期刊名称】《应用气象学报》【年(卷),期】2014(025)002【总页数】10页(P158-167)【关键词】地物回波;模糊逻辑;质量控制【作者】李丰;刘黎平;王红艳;杨川【作者单位】中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国航天科工集团第二十三研究所,北京100854【正文语种】中文地物回波对雷达数据应用会造成负面影响，是影响定量降水估测等产品精度的重要因素，识别并剔除地物回波是雷达基数据质量控制的一个重要内容。
该文在现有S 波段雷达地物识别方法的基础上，使用长治、哈尔滨两部CINRAD/CC雷达2011年观测数据，对C波段雷达地物回波特征进行分析，改进识别参量的隶属函数，建立适合C波段多普勒天气雷达的地物识别方法（MCC方法），并对该方法进行效果检验。
结果表明：S波段及C波段雷达地物回波与回波强度有关的参量分布较为相近，与降水回波的参量分布有明显区别；S波段雷达地物识别方法中与回波强度有关的参量可用于C波段雷达地物的识别，与速度有关的参量中仅中值速度可用于C波段雷达。
强对流天气下对多普勒天气雷达探测和预警的研究
强对流天气下对多普勒天气雷达探测和预警的研究强对流天气下对多普勒天气雷达探测和预警的研究引言：强对流天气是一种极端天气现象，具有剧烈的降雨、风暴、冰雹等特征。
这些天气现象不仅给人们的生活带来了不便，还对农业、交通运输等行业造成了严重的损失。
因此，对强对流天气进行及时准确的探测和预警具有重要的意义。
多普勒天气雷达作为一种高效的探测工具，在强对流天气监测和预警中发挥着重要作用。
本文将对多普勒天气雷达在强对流天气探测和预警中的研究进行详细介绍。
一、多普勒天气雷达的原理多普勒天气雷达是一种基于多普勒效应原理的探测仪器。
多普勒效应是指当物体相对探测器静止或以一定速度运动时，会引起探测器接收到的物体反射波的频率发生变化。
多普勒天气雷达通过接收天空中的微波信号，并利用多普勒效应测量大气中雨滴或冰晶的速度，并进而推算出对流云中水滴或冰晶的运动状态。
多普勒雷达能够提供目标的速度、位移和方向信息，这对于对强对流天气的探测和预警非常重要。
二、多普勒天气雷达的探测和预警方法1. 多普勒雷达的强回波探测强对流天气的主要表现是强降水和强风，因此我们可以通过解析多普勒雷达接收到的回波信号，找到其中的强回波区域，进一步预测和预警强降水带来的洪水或水灾。
通过多普勒雷达扫描回波，我们可以确定降雨带的位置、范围和强度，从而及时发布相应的预警信息，引导人们做好防范措施。
2. 雷暴风暴识别与跟踪雷暴风暴是强对流天气的典型表现之一。
多普勒雷达可以测量风暴区域中风和颗粒物的速度和方向，通过计算这些数据可以识别并跟踪风暴的动态发展过程，确定其移动路径和速度，为预测和预警雷暴风暴提供重要数据支持。
3. 雹暴监测与预警冰雹是一种具有破坏性的天气现象，可以对农作物和建筑物造成严重损害。
多普勒雷达可以识别冰雹云的运动特征，通过分析冰雹云内部冰雹粒子的反射和多普勒频移数据，可以预测冰雹的大小、数量和降雹区域，及时发布冰雹预警，提醒人们做好防雹措施。
三、多普勒天气雷达预警系统的建设多普勒雷达与其他气象观测设备相结合，构成完整的强对流天气监测和预警系统。
多普勒天气雷达原理与应用6-雷达探测算法
Z-R关系误差
①滴谱分布的变化: Z-R方程是在对滴谱分布形式做 了某种假定的条件下得到的。实际滴谱分布可以偏 离假定。 ②混合型降水与亮带: 混合型降水—雨与雹、雪或 是冻雨混合，会产生大的反射率因子值，引起降水 率的过高估计。 当冰晶下落通过溶化层时，它们的 外表面开始溶化。正好位于溶化层（0°层面）下面， 这些包着水外衣的冰晶反射率因子是高的，产生增 强的雷达信号，在PPI上象弧形结构，在常规天气雷 达上叫做“亮带”，亮带会造成降水率的过高估计。
雷达降水估计
精品文档
反射率因子Z和降水率R
反射率因子Ｚ： 反射率因子与滴谱分布和滴的尺 度有关。表示为：
Z=∫N(D)D6dD 这里，Z＝反射率因子 D＝滴直径 N（D）＝每立方米给定直径的滴数量
Z r 2 Pr c
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dB 1Z • 0 lg Z Z 0
Z 0 1 m6/m m 3
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WSR-88D 降水处理子系统
WSR-88D 降水处理子系统（PPS）由五个主要算 法子程序和两个外部支持功能块构成。
五个子算法是：1）降水预处理；2）降水速率；3） 降水累加；4）降水调整；5） 降水产品。该算法包括46 个可调（适配）参数。通过调整这些参数，可以适应局地 气象条件。
R6NDD3wt DdD
这里 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
注意：R正比于滴直径的3次方。
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• R正比于滴直径的3次方； • Z正比于滴直径的6次方； • 改变滴直径会引起R的大变 化，Z会产生更大的变化。
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多普勒天气雷达原理与应用8-雷达探测算法(1)
表6-8 旧的冰雹探测算法HDA的评分，利用“probable”作警报阈值 （即“probable”和“positive”指示都作为有强冰雹的预报） WT H M FA （Jｍ-1s-1） POD（%） FAR（%） probable 0 19 0 0 probable 6 18 4 25 40 probable 25 14 24 64 49 probable 24 3 78 89 76 probable 103 26 43 80 29 probable 5 0 37 100 88 probable 3 3 28 50 90 probable 0 0 81 100 probable 0 0 21 probable 53 7 204 88 79 219 90 520 71 70
SHI 0.1 WT EdH
H0
HT
对于
H H0
对于
WT ( H ) 0
H 0 H H m 20 H H m 20
H H0 WT ( H ) H m 20 H 0
WT ( H ) 1
（6-4-2）
对于
E 5 10 10
对于 Z Z L
6
垂直累积液态水（VIL）算法
液态水混合比的经验公式：
M 3.4410 Z
3
4/7
这里M =液态水混合比，Z=雷达反射率因子。从每个4 ×4KM 网格里导出值M，然后再垂直积分得到VIL。 算法假定反射率因子是由液态水滴散射得到的。Z值的 上限取为55dBZ以减少冰雹污染。
计算步骤
1）把每个仰角的极坐标形式转换成直角坐 标。 2）把回波强度dbz转换成反射率因子Z值。 3）计算第I层的PPI资料中位于4 ×4KM底面 积的垂直柱体内的所有资料的算术平均值。 4）计算每一个底面积的柱体内的累积液态 水含量。
多普勒天气雷达原理与应用-雷达探测算法
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
R [(
k
Z1 (k )
Z2
(k)
1 N
Z1 2 (k) N Z1 2 ) (
Z1(k) Z2 (k)
k
k
Z2 2 (k) N Z2 2 )]
k
k
其中Z1和Z2是分别是相继两个体扫t1和t2时刻的反射率因子， N是一个“区域”内数据点的数量（N=m2）。
14Байду номын сангаас雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型：
• 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍；
• 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二 维区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我 们下面给以重点介绍。
多普勒天气雷达下击暴流图像识别
多普勒天气雷达下击暴流图像识别杜牧云;肖艳娇;吴涛【摘要】以下击暴流具有的低层显著辐散特征为基础,引入图像识别中的连通区识别技术,开发出了应用于多普勒天气雷达的下击暴流图像识别算法.首先通过设置的速度阈值将径向速度进行二值化处理,然后运用8邻域法寻找速度大值区,并采用距离、夹角和正、负速度差值等条件进行约束对正、负速度大值区进行配对,最后对未成功配对的速度大值区进行邻近区域的二次匹配,从而识别出下击暴流区域.利用多个下击暴流个例实测的多普勒雷达数据对该算法进行了测试,结果表明该算法对一些较小尺度的下击暴流,尤其对受环境风场影响而具有不对称辐散特征的下击暴流有良好的识别效果.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2015(043)003【总页数】5页(P368-372)【关键词】多普勒天气雷达;下击暴流;图像识别【作者】杜牧云;肖艳娇;吴涛【作者单位】中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉430074;武汉中心气象台,武汉430074;中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉430074;武汉中心气象台,武汉430074【正文语种】中文对流风暴发展到成熟阶段后，其中雷暴云中冷性下降气流达到相当大的强度，到达地面形成外流，并带来雷暴大风。
这种在地面引起灾害性大风的局地强下降气流称为下击暴流[1]。
Fujita[2]在对1975年6月24日发生在美国纽约肯尼迪国际机场的一次坠机事件进行调查后首次提出了“下击暴流”的概念，即：能在地面产生17.9 m/s以上辐散风的一种强烈的下沉气流。
通过对下击暴流的深入研究，Fujita[3-4]进一步将下击暴流分为微下击暴流(水平尺度小于4 km)和宏下击暴流(水平尺度大于4 km)。
Wislon等[5]对微下击暴流的定义做了进一步的补充：凡在径向上具有辐散速度特征，且正负速度差达到10 m/s或以上、尺度小于4 km 即为微下击暴流。
第七章 脉冲多普勒天气雷达探测(南京信息工程大学 雷达气象学)
N U IS T
dt = λ dt
20
= λ vr
13
• 另一方面，角频率与频率的关系 • 则多普勒频率与目标运动速度的关系fD=2vr/λ
11
dϕ = ω = 2π f D dt
多普勒频移
思考
n
n
n
N U IS T
20
当粒子以速度V垂直于雷达径向运动时，散射回波的频率 变化是多少？ 当粒子以速度V与雷达径向成θ角度运动时，散射回波的 频率变化是多少？ 基于多普勒效应的多普勒雷达能准确测量三维风速吗？
退速度模糊个例，仰角=1.5度 退模糊前 退模糊后
20
13
11
• 径向连续性检查
N U IS T 20
13
11
多普勒两难
根据最大不模糊距离与不模糊速度的表式知，
Vmax Rmax λc = 8
l思考：
提高最大探测速度的方法 n 简单提高PRF n 选择波长更长的雷达 n 双PRF技术
N U IS T
l 全相干多普勒雷达和自相干多普勒雷达
– 全相干多普勒雷达晶体振荡器频率十分稳定，发射的各脉冲 间有确定的相位关系 – 自相干多普勒雷达初位相和频率不确定，但采用锁相技术和 相干振荡器，使每个发射脉冲及其回波之间的位相能够进行 比较。
N U IS T
20
l 相干（相参，相关，coherence）和非相干
N U IS T
20
13
11
N U IS T 20
多普勒效应
13
11
多普勒频移
多普勒频移：由于相对运动造成的频率变化 • 设有一个运动目标相对于雷达的距离为r，雷达波 长为λ。 • 发射脉冲在雷达和目标之间的往返距离为2r，用相 位来度量为2r/λ•2π。若发射脉冲的初始相位为 φ0，则散射波的相位为φ=φ0+4πr/λ。 • 目标物沿径向移动时，相位随时间的变化率（角频 率） dϕ 4π dr 4π
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多普勒天气雷达和常规雷达的不同之处 一幅回波图上显示的信息 几种不同类型的云在雷达回波上的表现特
征 对流性云的分类及各自特征 雷暴中飞行的主要危险 低空风切变对飞行的影响
多普勒天气雷达和常规雷达 的不同之处
1、产品种类丰富：除常规雷达的强度回波图 象、高扫产品外，还有以下产品：
回波顶高 2-6千米 移动变化 少变动
变化趋势 稳定 天气背景 锋后、静止锋
6、7-20千米
移速快，45， 100KM/h 生消变化快
锋面、暖区、 副高边缘、台 风外围
3-15千米
较慢，15 KM/h 局部变化快
静止锋、 槽、切变
8-12千米，10 台风
对流性云的分类及各自特征
对流性云主要分为以下四类：普通单体 风暴、多单体风暴、线风暴（飑线）、 超级单体风暴。
速度图、CAＰＰＩ(等高平面位置显示)、 CR（组合反射率因子）、ET（回波顶高）、 VCS（任意垂直剖面）、Hail （冰雹指数）、 M（中尺度气旋）、TVS（龙卷涡旋特征）、 CS（综合切变）、冰雹告警、OHP（一小时 累计降水）等。
对管制员来说，掌握好强度回波图象的识别 就够用了。其他产品的解读更复杂。
8点半左右，一航班在郑州起飞过程中水平尾翼被 雷击出一A3纸大的洞； 5）冰雹和龙卷对飞机的毁坏以及停场未入库飞机和 机场设备的损坏。
低空风切变对飞行的影响
风切变在任何高度上都可能发生，对飞行威胁 最大的是发生在近地面层的低空风切变，空 间尺度在几百米～几十公里，时间尺度在几 分钟至几十小时。其中雷暴是产生风切变的 重要天气条件。由于风切变表现为气流运动 速度和方向的突然改变，飞机在这种环境中 飞行就会发生空速相应的迅速改变，一旦采 取措施不及时，很容易造成飞机事故。
动方向
雷暴中飞行的主要危险
1）云中强烈湍流和阵性垂直气流，引起飞机的强烈 颠簸，使飞机偏离航向，不能保持飞行高度，使飞 机的操纵性能恶化；
2）在云内温度低于0°C部位出现强烈的飞机积冰； 3）云下阵风和强烈的风切变，可造成飞机失速、倾
斜、严重偏离下滑道而失事； 4）飞机易遭雷击、干忧无线电通讯；2009年2月14日
“身份证” 主要有以下信息：
产品名称：强度回波为：Base Reflectivity
扫描半径：Rang 日期 时间 雷达天线高度和地理位置 扫描模式 天线仰角 色标：颜色越重回波越强，不同雷达色标
不同。
几种不同类型的云在雷达回波上的表 现特征
大范围强对流 孤立的强对流 局部地区中等对流 大范围阵性降水 反射率因子气候
2、新一带多普勒天气雷达的应用领域
灾害性天气的监测和预警：龙卷、气 旋、下击暴流等
定量估测大范围降水：可提供1小时和 3小时的累积雨量分布，还可以提供更 长时间的累积雨量和过程总降水量分 布。
风场信息
一幅回波图上显示的信息
左边圆形区域为 回波图象区，
右边区域是这幅并不多见， 多数情况下是一个对流风暴包含了几个 单体。
飑线
是多单体风暴的一种特殊形式，回波特 征是：呈线状排列，其长宽之比大于5:1， 有的组织性很好构成一个整体，有的组 织松散，每个对流单体有自己独立的环 流系统。其结构越均匀越不易产生灾害 性天气，在断裂处甚至可能产生超级单 体风暴。
自然界中，孤立的对流单体并不多见， 多数情况下是一个对流风暴包含了几个 单体。
普通单体风暴
回波水平尺度 只有1公里左右， 在回波图象上 就是一小点， 色标可达黄色， 会发生降水和 下沉气流。整 个生命史约 25～45分钟。
超级单体风暴
多单体风暴
由多个处于不同发展阶段的单体风暴组 成，整体水平尺度可达几百公里，其内 部的单体有的较弱，有的可达超级单体 程度，且互有消长。
大范围的强对流
孤立的强对流
局部地区的中等对流
大范围阵性降水
福建雷达反射率因子气候特征
回波性质 回波形态
稳定性降水/ 层状云
片状（近距 离）
对流性降水 混合性降 水
块状（带、V、 絮状 指、零散）
台风降水
螺带
回波强度 小于30dBz，20 30-65 dBz
20-45dBz 30-45dBz，40
下击暴流
下击暴流在地面附近造成的辐散性的阵 风，有时风速很大，可以造成龙卷那样 的严重灾害；有时虽然风速不大，但由 于这种辐散性气流的尺度小，可以产生 很强的水平风切变，很多在机场附近发 生的飞行事故都是由下击暴流造成的。
图象识别基本要领
确定图象时间 确认产品类别 判别回波类型：是否对流、对流强度 估计回波变化趋势：加强或减弱，移