讲稿-风廓线雷达简介

国外风廓线雷达探测网
美国的NPN探测网
欧洲的WINPROF计划
日本的WINDAS探测网
• 美国 NPN(35部对流层)，间隔200公里， 每个站配有一套GPS水汽监测系统。 CAP(60多部各种型号)，由35个部 门建设的风廓线雷达组成。 探测数据和设备的状态信息一起 被发送到位于Bloulder的风廓线 雷达控制中（PCC）。经过数据处 理和质量控制，每小时平均风数 据和温度数据经过计算后发送给 NOAA风廓线雷达网（NPN）的用户
理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风廓线雷 达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监 测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。NOAA风 廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的 夜间雷暴非常重要。
• 日本
WINDAS(31部1.3G风廓线 雷达)，间隔130公里。 经过台站级处理的10分 钟平均的风数据传输到 风廓线雷达控制中心， 通过进一步的一致性检 验后用于数值天气预报。 WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引起 的强降水。
最大探测高度:3～5km 起始高度:60m 高度分辨率:60m
重点区域气体消 散过程监测
2.3 风廓线雷达测风原理
散射层和湍流随环境平均 气流运动都可造成返回电磁波 信号的多普勒频移。
通过进行多射向的速度测 量，在一定的假定条件下可估
测出回波信号所在高度上的风 向、风速和垂直运动。
回波信号经过相干积分、谱变换、谱平均处理之后，得到相对平 稳的功率谱密度函数。计算各谱矩参数，其中一阶矩代表了目标运动引 起的多普勒频移。
2. 涨落现象十分明显；
3. 伴随多种杂波
2.4 风廓线雷达数据
一致性风
估算的合成风 大尺度气象特征（几小时-数天） 中尺度的气象特征（一小时-数小时） 微/小尺度气象特征（几分钟-1小时） 飞机 谱变换后的功率谱 间歇性噪声源 鸟类、昆虫等点状目标物 非稳定的风场（大尺度湍流） 降水 （或有速度折叠）
各库上的谱参数
谱平均后的功率谱
持续性噪声源
背景噪声
地物杂波
3 风速计算方法
3.1 水平风场均匀假设下风的计算
由径向速度求解水平风，需要对水平风场的分布做一定的假设， 1）水平风均匀的假设，2）线性风场的假设
在直角坐标系中，将风速分解为u， v， w三个 分量，规定垂直风向上为正。分廓线雷达测得 的径向速度用Vr表示，规定径向速度远离雷达 方向为正，朝向雷达为负。为方便讨论，以指
网” 。
• • • •
我国从2004年开始建设风廓线雷达网。 目前国内约布设了十四部。 北京及其周边地区的风廓线雷达示范网已初具规模。 计划在2010年前再完成30部风廓线雷达的建设。
张北 延 庆 海 淀 南 郊 密 云
唐山
高对流层 风廓线雷达
低对流层 风廓线雷达
边界层 风廓线雷达
中电集团14所
CFL-16 （23所） Troposphere Wind Profiler I
Virtual Temperature
CFL-08 （23所） Troposphere Wind Profiler II
CFL-03B （23所） Boundary Layer Wind Profiler
SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler
风廓线雷达监测网将有助于：
1. 弥补常规高空探测网在时空密度上的不足； 2. 天气系统的识别； 3. 中小尺度灾害性天气的监测； 4. 减少数值预报模式中对短时风场预报误差。
1.2 国外风廓线雷达进展
1950和1960 年代：位于地面的雷达能够通过探测晴空湍流的后向散射信 号，测量包括风速在内的一些大气参数。 1974年，建立观测高层大气风的风廓线雷达模型。 1986年，美国海洋大气管理局（NOAA）率先在美国中部布设包括 31部风 廓线雷达的观测网，并在1992年最终完成了NPN（NOAA Profiler Network, NOAA风廓线网）。 1987年，欧盟委员会 COST－74 项目（ COST 表示由欧盟委员会支持的欧 洲国家间协调开展的科学技术领域合作研究项目）开始支持风廓线雷达的 开发和利用。 1988年，日本气象厅（JMA）下属的气象研究所建造了一台UHF风廓线雷达 1994年，欧盟委员会 COST－76 项目继续给予支持。 2001年，日本气象厅完成了25部风廓线雷达所组成的业务网WINDAS。
K/LLX802 （四创） Boundary Layer Wind profiler
Airda 3000 （爱尔达） Boundary Layer Windprofiler
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
1.4 风廓线雷达的探测优势
1. 自动化程度较高； 2. 全天候无人值守地长期连续运行； 3. 较高的可靠性和稳定性； 4. 探测资料种类多，分辨率高，精度高；
Vs AT
1/ 2
2.2 风廓线雷达分类
• 根据大气湍流散射理论，对雷达发射的电 磁波能够产生有效后向散射的湍流涡旋尺 度等于雷达波长的一半。 在风廓线雷达的探测高度确定之后，风廓 线雷达可使用的工作频段也就随之确定。 即探测高度达到对流层以上的风廓线雷达 选择VHF频段，典型工作频率约为45MHz。 对流层和低对流层风廓线雷达选择UHF(P 波段)频段，典型工作频率约在 450-900 MHz。 边界层风廓线雷达选择L波段，典型工作频 率在1200 MHz 左右。
• 风廓线雷达探测的主要对象是晴空或多云 大气，对降水天气也有一定的探测能力
风廓线雷达发射的电磁波在大气中传播过程
中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散
射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收，能实
时提供大气的三维风场信息。
增加无线电声学探测系统（RASS），与微波
辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大
风廓线雷达简介
魏鸣
2013-4-9
主要内容
1 2 3 4 风廓线雷达概述 探测原理 风速计算方法 风廓线雷达的应用
目的 • 掌握风廓线雷达探测原理 • 了解风廓线雷达应用现状
1 风廓线雷达概述
1.1 风廓线雷达的探测内容
• 风廓线雷达 (wind profiler radar，WPR) 是利用大气湍流对电磁波的散射作用进行 大气风场等物理量探测的遥感设备。风廓 线雷达常被称为风廓线仪，但从硬件系统 技术体制上它应当属于现代雷达的一种。
假设均匀风场的风矢量为
V [u, v, w]
eE, eN分别表示沿正东和东北波束的单位向量。
eE [sin ,0,cos ] eN [0,sin ,cos ]
由向量内积的物理意义，有
Vrx V * eE Vry V * eN
Vrx u sin w cos
湍流散射（Bragg散射）探测原理
0.39Cn
2 4/3
2 1 / 3
Cn a L0 M
2
Cn为大气折射率结构常数，M是水平折射率的垂直梯度，L0是 湍流外尺度
Bragg散射-在弹性散射(elastic scattering)中， 入射光的能量没有损耗,但入射光的传播 方向发生变化。 当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射 (Bragg scattering);布拉格父子1915年共同获诺贝尔物理学奖：William Henry Bragg & William Lawrence Bragg； 当入射光的波长远大于散射目标的直径时,为雷利散射 (Rayleigh scattering).
RASS（无线电声探测）系统
发射频率：404、449MHz,波长：74cm 发射脉宽：3.3(低),20(高)μs 数据处理：128点FFT 天线面积：144m2 声波频率：850~900Hz(~37cm) 测温原理：
静止大气，声波径向速度Vs: A仅依赖于相对湿度，其对径向速度的贡献小于1m/s
向东的波束方向为 x轴正方向，指向北的波束
方向为 y 轴正方向，建立直角坐标系；在球坐 标系下，雷达为坐标原点， r为空间点到原点 距离，φ表示天顶角，θ表方位角，由 x轴正
方向逆时针旋转。
在观测周期内，如果水平风场保持均匀，那么可以通过简单的几何 关系，由径向速度导出水平风。
3.1.1 三波束
一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；两个在方位上间隔 90°的倾斜波束，分别指向正北和正东，倾斜波束的天顶角是状态 量，以φ表示。假定Vrz，Vrx，Vry分别表示天顶、正东和正北三 个波束方向的径向速度的测量值。那么经过简单的几何投影，可以 根据以下方程计算出该高度上风矢量的三个分量。垂直风由垂直波 束直接测量得到。
• • •ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
风廓线雷达分类
100 000 m 60 000 m 16 000 m 12 000 m 8 000 m 6 000 m 5 000 m 3 000 m 300 m 50 m
46-68MHz
中层风廓线雷达 对流层风廓线雷达 低对流层风廓线雷达 边界层风廓线雷达
440-450MHz
440-450MHz
1 N 1 N f ( j )f ( f j )f 2 P r j 0
通过多普勒频移和多普勒速度 之间的关系得到多普勒速度。
fd
2Vr

经过计算，即可获得个高度层上的水平风向风速、垂直气 流速度、功率谱密度、大气折射率结构常数Cn2等各种数 据产品和图像产品
风廓线雷达回波信号的特点： 1. 微弱；
O
GLC-24
CLC-8
航天科工集团二院23所
CFL-16
CFL-08
CFL-03B
安徽四创电子股份有限公司
O
SCRTWP-01 Airda8000
TWP8
K/LLX802 Airda3000
O
爱尔达公司 敏视达雷达有限公司
Airda16000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
2 风廓线雷达探测原理
2.1 晴空的电磁波散射
1. Bragg 散射 —— 折射率空间分布周期性的变化引起对相
同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率 的空间涨落，也称作湍流散射； 2. Fresnal 散射 —— 折射率梯度很大的水平层状结构上对 电磁波的反射; 3. Thomson 散射 —— 电离层中的大量自由电子对入射电磁 波的散射。
1270-1375MHz
高对流层 风廓线雷达
最大探测高度:12～16km 起始高度:150m 高度分辨率:120m
边界层大气风场 观测
晴空局地空域气 流监测 中尺度灾害性天 气监测 边界层数值预报
低对流层 风廓线雷达
最大探测高度:6～8km 起始高度:300m 高度分辨率:240m
边界层 风廓线雷达
气风、温、湿等要素的连续遥感探测，是一种新 的高空大气探测系统。
多普勒天气雷达探测的局限性
• 以降水粒子为示踪物 • 对于无降水粒子的大气，测不出大气流场
风廓线雷达的探测优势
• 以大气折射指数起伏（湍流块）为示踪物
• 可以测量从边界层到中层大气的流场 • 对于较长波长的雷达，在有云或小雨天气 仍可观测
• 欧洲 已有约 28 部风廓线 雷达投入运行，并 将资料发送给英国 气象局，并通过因 特网实时显示获得 的探测数据。 欧洲的风廓线雷达 网采用的频段包括 50MHz 、 400MHz 及 1000MHz。
1.3 国内风廓线雷达发展现状
目前国内的风廓线雷达技术已趋于成熟，有能力立 足于国内技术组建适宜气象业务需求的风廓线雷达网。 《我国高空探测系统发展规划（1996-2010）》提出 “逐步发展风廓线雷达和 GPS探测系统”，“在中尺度天 气监测预报服务基地优先布设风廓线雷达，风廓线雷达 宜安插在常规探空测站之间或天气变化的敏感区；风廓 线雷达站间距以200-250公里为宜，建立风廓线雷达探测
即
Vry v sin w cos
V rz w
。
因此，可由以下方程组计算该高度的风矢量， Vrx Vrz cos u sin
Vry Vrz cos v sin
w V rz
。
3.1.2 五波束 采用五波束时，同样一个波束指向天顶，用于测量垂 直速度；四个倾斜波束在方位上均匀分布，天顶角是状态 量，均为φ ，先将两个相对方向的倾斜波束的径向速度进 行平均，如西波束VrW和东波束VrE，北波束VrN和南波束VrS， 方程如下所示