第七章 脉冲多普勒天气雷达探测
脉冲多普勒天气雷达发射功率测量技术
脉冲多普勒天气雷达发射功率测量技术秦建峰;王建华【摘要】通过分析目前国内脉冲多普勒天气雷达发射功率的测量原理和方法,总结得到测量中的计量依据、关键因子及其影响,结合在S波段脉冲多普勒天气雷达测量工作中的实际应用情况,研究科学规范且适合台站应用的雷达发射功率测量方法、技巧和关键技术.影响雷达发射功率测量准确性的因素很多,不规范的测量方法会导致较大的功率测量误差,影响雷达探测精度.研究与掌握科学规范的雷达发射功率测量技术与方法,对保证雷达检查、测试与定标的准确性有十分重要的意义.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2010(038)003【总页数】4页(P340-343)【关键词】多普勒天气雷达;功率测量;机外仪表【作者】秦建峰;王建华【作者单位】湖北省气象局气象信息与技术保障中心,武汉,430074;湖北省恩施州气象局,恩施,445000【正文语种】中文脉冲多普勒天气雷达发射功率测量的方法与精确度直接影响雷达反射率强度测量与定标的准确性,在利用机外仪表检测与标定雷达系统的工作中,对雷达发射功率的测量十分频繁且重要[1]。
目前,脉冲多普勒天气雷达发射功率测量广泛采用数字示波器与小功率计相结合的机外仪表测量方法,由于没有统一规范的测量标准和计量依据,导致在实际发射功率测量中的精确性无法保证。
国内已有文献论述雷达系统自动标校技术[2]和雷达回波强度标定误差因素[3]等,但是针对利用机外仪表测量、标定雷达发射功率的论述文献较少。
本文旨在介绍雷达发射功率测量原理,分析关键量、不精确因素及影响,结合实际研究科学规范且适合台站应用的雷达发射功率测量方法与关键技术。
脉冲多普勒天气雷达采用脉冲发射体制,所发射脉冲峰值平均功率大(SA型雷达大于650 kW),相对于大功率计直接测量发射功率而言,目前雷达站广泛采用数字示波器与小功率计相结合的间接测量方式,即将雷达发射大功率信号进行分量耦合和有效衰减后用小功率计测量小功率信号的平均功率,测量示意如图1。
多普勒天气雷达原理与应用7-3-龙卷的雷达探测和预警
第一个台风螺旋雨带内微型超级单体演变过
20070818 20:15 - 21:35 程
第一个台风螺旋雨带内微型超级单体演变过
20070818 20:27 - 20:46 V：0.5 R：0.5 2.4 6.0 第二个台风螺旋雨带内微型超级单体演变过程
20070818 20:27 - 20:46 V：0.5 R：0.5 2.4 6.0 第二个台风螺旋雨带内微型超级单体演变过程
F5级（117－142m/s）：非常结实的房屋被推离地基并被带到相当距离 之外碎成几块。汽车大小的物体以超过100m/s的速度被抛入空中，会 发生难以置信的现象。
F-Scale Images
F1
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F3
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NWS Photo by Mike Branick
F5
F4级龙卷的一个例子
Roanoke, IL Tornado Path ~ 19:36 – 19:43 UTC
surface－ 20070819 02：00
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Vapor 18 00:00 – 19 08:00
IR 20070818 23：30
雷达回波演变
时间标注为世界时
20070818
20:15 - 21:35
V：0.5 R：0.5 2.4 4.3
Roanoke, IL Parsons Plant
Roanoke, IL Parsons Plant
July 13, 2004 Roanoke IL Tornado
7/13/2004 19:46 UTC Roanoke IL Tornado
超级单体强龙卷的有利环境条件
• 低层（0-1km）的强烈垂直风切变 • 低的抬生凝结高度
民用机场多普勒天气雷达系统技术规范
中国民用航空局空管行业管理办公室编 号：AP-117-TM-2012-02部门代号：TM日 期：2012年11月5日关于下发《民用机场多普勒天气雷达系统技术规范》的通知民航各地区管理局、监管局，各地区空管局、空管分局（站），各机场公司,各运输（通用）航空公司，飞行学院：为了规范民用机场多普勒天气雷达的建设和运行，我办组织制定了《民用机场多普勒天气雷达系统技术规范》，现下发你们，请遵照执行。
民航局空管办二〇一二年十一月五日1目 录第一章总则 (3)第二章系统构成 (3)第三章总体要求 (3)第四章系统功能 (4)第一节一般规定 (4)第二节产品 (5)第三节显示 (7)第五章系统性能 (7)第一节整体性能 (7)第二节各子系统性能 (8)第六章环境适应性 (11)第七章附则 (12)附录一天气雷达图像回波强度彩色色标 (13)附录二雷达生成数据及产品文件格式 (14)2民用机场多普勒天气雷达系统技术规范第一章总则第一条为了规范民用机场多普勒天气雷达系统的建设和运行，依据《中国民用航空气象工作规则》制定本技术规范。
第二条本规范适用于中华人民共和国境内民用机场和军民合用机场民用部分（以下简称民用机场）机场多普勒天气雷达系统的建设和运行。
第三条民用机场多普勒天气雷达系统的构成、总体要求、功能、性能和环境适应性等技术要求应当符合本规范。
第二章系统构成第四条多普勒天气雷达系统主要由天线罩、天线、伺服驱动、发射机、接收机、信号处理器、内设监控、数据处理、数据传输、用户终端、供配电、防雷设施等硬件和相关的系统软件、应用软件构成。
第五条多普勒天气雷达系统按照工作频段分为X波段、C波段和S波段三种。
第六条多普勒天气雷达系统用户终端包括：预报用户终端、其它用户终端（包括观测用户、空中交通服务部门、机场运行管理部门和航空运营人等用户）和系统监控终端等。
第三章总体要求第七条多普勒天气雷达系统应当采用全相干体制。
第八条多普勒天气雷达系统天线罩应当采用刚性结构，应当具有良好的抗风、防水、防潮、防腐蚀能力，应当具有良好的罩内通风及便于维护的照明环境。
多普勒天气雷达原理与应用雷达探测算法
1）雷达波束阻碍
第一个质量控制步骤是纠正雷达波束的物理阻碍， 否则将导致对降水的过低估计。
如果对每个体积扫，雷达波束的阻碍低于60%，预置 的dBZ值被添加到被部分阻碍的距离库中。
如果超过60%的波束被阻碍，那么采取下列二种步骤之一：如果阻碍 物的方位伸展是2或更小，则在相应仰角紧挨阻碍物的其它距离库上 的平均值被指定为被阻碍物所阻碍的样本体积的距离库的值。如果阻 碍物的方位伸展大于2，则不做修正，对那个扇面，将使用邻接的的 较高仰角上的值。
第二类阈值确定算法的处理方式：PDF使用另一 组反射率因子强度和面积阈值（称作小雨阈值或第二类 阈值）来确定PPS的处理方式。它们比第一类阈值小， 对应PPS算法中能够分辨的降水强度的下限。如果第二 类阈值被超过，则不论目前的扫描模态是降水还是晴空， PDF将指示PPS算法从一个初始的零值场开始累加降水。 如果第二类阈值不被超过，则对应于没有降水，PPS将 以一个简化的方式运行以大大减少计算机处理时间。
双扫描最大化（bi-scan maximization）：超 过50km（27nm）时，此技术选择最低2个仰角的较大 反射率因子值（除非最低仰角在倾斜测试中被丢弃）。 这主要是弥补波束障碍造成的对降水的过低估计，但同 时带来亮带污染的问题。自96年起，双扫描最大化被取 消。
分区混合扫描（sectorized hybrid scan）： 分区混合扫描是缺省混合扫描和波束障碍要求所定义的 较高高度的联合。其结果对每个雷达站形成一个图形化 的分区混合扫描查询表，如下图所示。
③波束部分充塞： 波束部分充塞一般对距离雷达较远的气 象目标是个问题。WSR-88D的波束宽度是1。在距雷达100 海里远处，1宽的波束是近似2海里尺度的截面。雷达必须 做的假定之一就是所有的目标完全充满波束，因为它没有别 的确定方法。因此，在这个距离上比波束窄的目标物会显示 得比真实情况大。来自小目标物的能量被平均到整个宽的波 束上，结果是低估了降水量（整个区域范围是高估的）。 ④湿的天线罩： 如果天线罩被大雨或部分冻雨弄湿，雷达 会低估较远处目标物的降水率，因为波束能量在接近雷达时 被消弱。目标物的较少返回能量就意味着较小的反射率因子 和降水率。 ⑤不正确的硬件定标： 不正确的硬件定标会影响降水估计 的准确性。WSR-88D对每一次体积扫描进行自动标校，所 以能得到更准确的反射率因子，因而得到较准确的降水估计。
2014脉冲多普勒雷达
中 晰 糊 单 单 低 模 模 复 复 高 中 良 中 良 糊 糊 杂 杂 模 清 复 复 最
高 糊 晰 杂 杂 高 高 优 大 优
清 模 简 简 很 低 差 小 差
4
脉冲多普勒雷达的杂波
研究PD雷达的杂波的重要意义
脉冲多普勒杂波
① PD雷达的基本特点之一：在频域-时域分布相当广 且功率相当强的背景杂波中检测出有用信号。 ② 杂波频谱的形状和强度决定了雷达对具有不同多 普勒频率的目标的检测能力。
脉冲多普勒雷达
本章内容
脉冲多普勒(PD)雷达基本概念 脉冲多普勒雷达的杂波 PD雷达典型框图与原理 PD雷达的距离性能
1
脉冲多普勒雷达基本概念
20世纪60年代，为了解决机载下视雷达强地杂波的干扰， 研制了脉冲多普勒体制雷达，即PD雷达。
脉冲多普勒雷达(Pulse Doppler Radar, PD Radar) 在动目标显示雷达基础上发展的新体制雷达。具 有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分 辨力，有更强的抑制杂波的能力，能在较强的杂 波背景中分辨出动目标回波。
脉冲多普勒雷达基本概念
PD雷达的特点
利用多普勒效 应检测目标信 息
具有足够高的脉冲重复频率，没有速度模糊； 能对脉冲串频谱单根谱线作多普勒滤波； 高PRF导致目标距离模糊。
广义定义：
能实现对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波（频
域滤波），具有对目标的速度分辨能力的雷达。
脉冲多普勒雷达基本概念
2
PD雷达的应用
脉冲多普勒雷达的杂波
9
高度线杂波
机载下视PD雷达地杂波中 f d 0 位置上的杂波 高度线杂波与发射机泄漏相重合，高度线杂波距离雷达最 近，加之垂直反射强。所以在任何时候，在零多普勒频率 位置处总有一个较强的“杂波”。
多普勒雷达探测原理
多普勒雷达探测原理8.1.1 多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler 1842年⾸先从运动着的发声源中发现的现象，定义为"当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化"。
⼀个例⼦是：当⼀辆紧急的⽕车（汽车）鸣着喇叭以相当⾼的速度向着你驶来时，声⾳的⾳调（频率）由于波的压缩（较短波长）⽽增加。
当⽕车（汽车）远离你⽽去时，这声⾳的⾳调（频率）由于波的膨胀（较长波长）⽽减低。
多普勒频率(多普勒频移)：对于⼀个运动的⽬标，向着雷达运动或远离雷达运动所产⽣的频移量是相同的，但符号不同：①如果⽬标移向雷达频移为正；②如果⽬标远离雷达频移为负。
8.1.2 径向速度径向速度简单地定义为⽬标运动平⾏于雷达径向的分量。
它是⽬标运动沿雷达径向的分量，既可以向着雷达，也可以离开雷达。
需要注意：①径向速度总是⼩于或等于实际⽬标速度；②由WSR-88D测量的速度只是⽬标向着或离开雷达的运动；③当⽬标运动垂直于雷达径向或静⽌时径向速度为零。
⽬标的实际速度与WSR-88D描述的径向速度间的关系能⽤数学⽅法描述成径向速度⽅程│Vr│=│V│•cosβ其中Vr为径向速度，V为实际速度，β为实际速度V与雷达径向之间最⼩的夹⾓。
8.1.3 多普勒天⽓雷达测速由于多普勒频移(Hz)相对发射频率(MHz)很⼩，故多普勒天⽓雷达通常不是直接测量多普勒频移，⽽是通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定⽬标物的径向速度，这种脉冲位相的变化可以⽐较容易并且⽐较准确的测量。
这种测速技术叫做"脉冲对处理"。
脉冲对处理 Pulse-Pair Method要使多普勒雷达能够提取⽬标的多普勒运动信息，必须知道每个发射波的初相位，这样就可以⽐较相继返回信号的位相。
如果每个发射波的初位相不知道，那么将⽆法知道相继返回的两个脉冲间的相移，也就⽆法对⽬标物沿雷达径向做出估计。
多普勒天气雷达产品的识别与分析(天气雷达基础知识)
3.2 强对流天气发生的背景环境
• 大气垂直稳定度 • 水汽条件 • 抬升 • 垂直风切变
3.3 垂直风廓线及其对对流风暴的作用
• 普通单体风暴的风向随高度的分布杂乱无章，基本上是一 种无序分布，而且风速随高度的变化也较小；
• 多单体强风暴和超级单体风暴的风向风速随高度变化分布 是有序的，风向随高度朝一致方向偏转，而且风速随高度 的变化值也比普通单体风暴的大。
• 影响速度谱宽的主要因子有四个： 1. 垂直方向上的风切变； 2. 大气的湍流运动； 3. 不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布； 4. 由波束宽度引起的横向风效应。
1.8 标准大气雷达测高公式 • H=h0+R*sinθ+R2/17000，单位：千米
1.9 PPI图上距离与高度
1.10 天气雷达的局限性
衰减的暂时的解决办法
• 结合S波段雷达使用 波长:10cm, 强天气的衰减不明显
衰减的暂时的解决办法
课间休 息
3、多普勒天气雷达识别对流风暴及其强烈天气
单元重难点： • 1、风暴的运动 • 2、对流风暴的模型 • 3、个例分析
3.1 对流风暴的分类
普通单体风暴 多单体风暴 超级单体风暴 线风暴（飑线）
• 多普勒频移与目标物在雷达径向方向上的速度分量v有关，满足如下 关系： fd= 2v∕λ (式中λ是雷达波长，fd是多普勒频移)
• 多谱勒速度是径向速度，垂直于雷达波束的速度分量（切向速度）不 能直接测量。
1.7 多谱勒速度谱宽W
• 多谱勒速度谱宽 表征着雷达有效照射体积内不同大小的多谱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。
1.1 天气雷达基本结构
多普勒天气雷达探测与临近预报
雷达常用产品
• 基本反射率（R）:回波强度dBz。 基本反射率（ 回波强度dBz。 dBz • 平均径向速度（V）:粒子运动的径向分量。 平均径向速度（ 粒子运动的径向分量。 风速风向、辅合辅散、涡旋切变等 风速风向、辅合辅散、 • 组合反射率（CR）、剖面（RCS)（VCS)、回 组合反射率（CR）、剖面（RCS)（VCS)、 ）、剖面 波顶高（ET)、冰雹指数（HI)、 波顶高（ET)、冰雹指数（HI)、中尺度气旋 ）、1小时累积降水量（OHP)、 （M）、1小时累积降水量（OHP)、风暴相对 平均径向速度(SRM)、速度方位显示的风廓 平均径向速度(SRM)、 VWP）、垂直液态水含量（VIL）。 ）、垂直液态水含量 线（VWP）、垂直液态水含量（VIL）。
中气旋的三种分类
根据中气旋不同阶段的特征分类 非相关切变： 非相关切变：二维特征是对称的但不能与另 一个垂直相关 三维切变：二个或以上二维特征垂直相关， 三维切变：二个或以上二维特征垂直相关， 但少于二个二维特征是对称的 中气旋： 中气旋：二个以上垂直相关的特征是对称的
2 中气旋算法的阈值设置
• 在模式矢量、角动量和切变、二维特 在模式矢量、角动量和切变、 对称性、垂直相关的判别中有15 征、对称性、垂直相关的判别中有 个阈值。 个阈值。算法缺省值适合美国俄克拉 荷马州的超级单体。 荷马州的超级单体。根据本地的气候 条件和天气系统的规律以及业务应用 要求等，可进行部分阈值的调整， 要求等，可进行部分阈值的调整，以 优化产品， 优化产品，提高雷达预报中尺度强风 的能力 。
＊不赞成对阈值的随意调整
中气旋特征参数的统计分析
• 特征值（识别三种分类）：旋转速度、特征中心 识别三种分类） 旋转速度、 最低高度、特征厚度、切变强度、 最低高度、特征厚度、切变强度、最大切变 及其位置。 及其位置。 • 资料：从5年间探测到的93个中气旋产品 资料： 年间探测到的93个中气旋产品 93 非相关切变45 45个 （非相关切变45个，三维切变和中气旋共 48个 48个 ） 。 • 目的：获取一些与预报强风有关的信息 目的：
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强对流天气是指暴雨、龙卷风、冰雹等极端天气事件，它们给人们的生命和财产造成了巨大的威胁。
在强对流天气预警中，多普勒天气雷达被广泛应用于探测和预测。
本文将讨论多普勒天气雷达在强对流天气下的探测和预警方面的研究进展。
多普勒天气雷达是一种利用多普勒效应来测量降水颗粒运动速度和方向的雷达。
它能够提供更为详细的降水立体结构信息，通过分析和解释天气雷达回波，可以获取到强对流天气发展的预警信息。
多普勒雷达通过测量回波的频移来得到降水颗粒的径向速度。
在强对流天气中，空气流动剧烈，降水颗粒的径向速度存在较大的变化，而且还有可能存在强风剪切等复杂环境因素。
因此，多普勒雷达对于强对流天气下的探测和预警具有重要意义。
多普勒雷达探测强对流天气主要通过以下几个方面的研究：首先，多普勒雷达需要提高分辨率，以便更准确地观测降水颗粒的运动。
其次，多普勒雷达需要开发新的算法和模型，用于解释和预测强对流天气的发展趋势。
此外，还需要对多普勒雷达数据进行质量控制和校正，以提高数据的可靠性和准确性。
在强对流天气的预警方面，多普勒雷达可以通过计算前沿降水特征，如强风、龙卷风和冰雹，来提供预警信息。
基于多普勒雷达数据的预警系统可以实时监测遭受暴雨、雷暴等极端天气威胁的区域，并及时发出预警信号，以便人们做好防护措施。
目前，对多普勒天气雷达在强对流天气下的探测和预警的研究正在不断进行。
其中一个重要的任务是进一步提高多普勒雷达的探测能力。
通过增加雷达站点和优化雷达布网，可以提高雷达数据的时空分辨率，增加雷达测量的范围和精度。
此外，还可以使用先进的算法和模型来实现更准确的天气预测，从而提高强对流天气的预警能力。
综上所述，多普勒天气雷达在强对流天气探测和预警方面起着重要的作用。
目前的研究主要侧重于提高多普勒雷达的探测能力和预测准确性。
随着科技的进步和研究的深入，相信多普勒天气雷达会在未来的强对流天气预警中发挥更加重要和有效的作用，为人们的生命和财产提供更好的保护综上所述，多普勒天气雷达在强对流天气探测和预警方面具有重要的作用。
多普勒天气雷达原理与应用7-2-雷雨大风的雷达探测和预警(2)
0.5、 1.5、2.4和 3.4 度仰角 反射率因子图
0.5 和2.4度仰角径向速度图
2002年8月24日 豫皖鄂苏浙沪飑线个例
2002年8月24日清晨至夜晚，一条 飑线从西北向东南和南的方向移动，影 响河南、安徽、湖北、江苏、浙江和上 海五省一市，在上述地区造成了广泛的 雷雨大风和短时强降水，部分地区出现 冰雹。
雷达回波演变
安徽地面大风 记录
20020824 11:00
20020824 11:13
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飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
注意径向风不是实际风
Strong surface straight-line winds are well sampled when:
20020824 12:36
20020824 12:48
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16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30
多普勒天气雷达原理与应用7-2-雷雨大风的雷达探测和预警(1)
亚利桑那州下击暴流最大反射率因子分布
亚利桑那州下击暴流尺度分布
亚利桑那州下击暴流低层辐散速度差值分布
亚利桑那州下击暴流和阵风锋最大风速比较
荆州下击暴流个例
宜昌 20020716 0800
湖北荆州下击 暴流个例 2002 年7月16日下午
16：50
16:50
17：02
Pulse Storm Downbursts
FIG. 11. After microburst B in Fig. 10, the microburst outflow transitioned to a gust front and propagated outward from the high-reflectivity core of the storm. Shown are three consecutive 22 Jul 2008 KIWA radar observations at 0.98 elevation angle of (a) reflectivity at 0236 UTC, (b) velocity at 0237 UTC, (c) reflectivity at 0241 UTC, (d) velocity at 0241 UTC, (e) reflectivity at 0245 UTC, and (f) velocity at 0246 UTC. Gust-front outflow boundaries are indicated by the blue front symbol.
美国下击暴流
2008年7月22日亚利桑那州下击暴流个例 特征统计
FIG. 3. The 22 Jul 2008KIWAradar observations at 0.98 elevation angle of (a) reflectivity at 0122 UTC; (b) velocity at 0123 UTC; (c) reflectivity at 0127 UTC; (d) velocity at 0127 UTC, where maximum outbound velocity was 10.5 m s21 and maximum inbound velocity was 218.5 m s21; (e) reflectivity at 0132 UTC; and (f) velocity at 0132 UTC. The 0.98 tilt was used here because the 0.58 tilt was mostly blocked by terrain. The 0.98 tilt was still partially blocked, as evidenced by the missing data (black patches) in the images. In the radial velocity images, red colors indicate inbound velocities and green colors indicate outbound velocities.
(整理)多普勒雷达复习提要.
多普勒天气雷达复习提要一、多普勒天气雷达探测基本原理（一）多普勒天气雷达主要参数天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁脉冲遇到降水物质（雨滴、雪花和冰雹等）时，大部分能量继续前进，而少部分能量被降水物质向四面八方散射，其中向后散射的能量回到雷达天线，被雷达所接收。
根据雷达接收的降水系统回波特征可以判别降水系统的特性(降水强弱、有无冰雹、龙卷和大风等)。
多普勒天气雷达除了测量雷达的回波强度外，还测量降水目标物沿雷达径向的运动速度和速度脉动程度。
1、波长：是雷达发射的电磁波波长。
天气雷达的波长通常为10公分、5公分、3公分三种，分别称为S波段、C波段、X波段。
2、脉冲重复频率PRF天气雷达间歇地发射脉冲形式的电磁波，每秒钟发射脉冲的个数称为脉冲重复频率（PRF）。
两个相继脉冲之间的时间间隔称为脉冲重复周期（PRT）,他等于脉冲重复频率的倒数。
3、脉冲持续时间和脉冲长度天气雷达脉冲持续时间一般为一到几个微米左右。
假设某部天气雷达的相继脉冲之间的间隔为1000微秒，其脉冲持续时间为2微秒左右，则剩余的998微秒是雷达接收来自目标物回波的时间。
发射脉冲的持续时间确定了脉冲在空间的长度。
例如CINRAD-SA型多普雷天气雷达的窄脉冲持续时间为1.57微秒，脉冲在空间的长度约为500m。
4、波束宽度雷达发射的能量主要集中在主瓣内(图2.8a)，其中主瓣内两个半功率点（及该处功率为最大的一半）之间角度大小称为波束宽度。
在垂直方向的波束宽度用θ表示，在水平方向的波束宽度用φ表示。
我国多普勒天气雷达的波束宽度大多为1°左右。
5、有效照射深度和有效照射体积雷达发出的脉冲具有一定的持续时间τ，在空间的电磁波列就有一定的长度h=τc 。
位于波束宽度和波束长度范围内的所有粒子都可以同时被雷达波束所照射。
但是其中所有粒子产生的回波并不是都能同时回到雷达天线。
在径向方向上，粒子的回波信号能同时返回雷达天线的空间长度为h/2，称为雷达的有效照射深度。
多普勒天气雷达原理与应用7-2-雷雨大风的雷达探测和预警(3)
MODIS VIS
20070707
11:15
MODIS VIS
20070707
12:50
surface－20070707 1400
surface－20070707 1400
水汽图 ： 2007 0706 1400 – 0707 2000
Vis 20070707
雷达回波
2006年6月25日陕西中部 弓形回波雷暴大风
2005年3月22日08时梧州TlogP图
Surface 20050322 1100
Surface 20050322 1400
Surface 20050322 1700
Surface 20050322 2000
Surface 20050323 0200
大气层结和稳定度的分析
- -3月21日08时大于30的K指数范围
Surface 20050322 1400 zoom1
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福建灾情
从下午14时至17时一南北向的飑线袭击了龙岩、漳州、 泉州的部分县市，飑线经过的地方都出现了6级以上大风， 多个县市出现10-12级的雷雨大风，其中永春县风力达40 米/秒。此次灾害持续时间虽短，但风力大，突发性强， 造成的破坏性极大，特别是农村房屋损坏特别严重。 据福建省民政厅统计，截至3月25日，此次受灾人口达 211万人，因灾死亡6人，因灾受伤5032人，造成直接经 济损失11.6亿元，其中农业损失5.13亿元。
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天气雷达的基本工作原理和参数
3、风场反演产品
风场反演产品：
多普勒雷达系统获取的径向速度分布数据，在某些假定的条件下通过反演可以 获取某高度平面上的平均风向风速(VAD)、二维水平风场、垂直剖面二维风场 及三维风场(VVP)等，除VAD技术比较成熟外，其余均在试验或试用阶段。
一个例子是：当一辆紧急 的火车（汽车）鸣着喇叭 以相当高的速度向着你驶 来时，声音的音调（频率） 由于波的压缩（较短波长） 而增加。当火车（汽车） 远离你而去时，这声音的 音调（频率）由于波的膨 胀（较长波长）而减低。
相干波:两束振幅、频率和相位完全相同的电磁波称为相干波。
相干发射：发射出振幅、频率和相位完全一样的脉冲波，所以各 个脉冲之间是相干的。
平面位置显示(PPI) 垂直最大回波强度显示 (CR) 等高平面位置显示(CAPPI) 距离高度显示(RHI)、 任意垂直剖面显示(VCS)
WSR-88D基本 数据产品
相对于风暴的
平均径向速度产 品图(SRM)
与基本速度产品类似，只不过减去了由风 暴
跟踪信息(STI)识别的所有风暴的平均运 动速度，
WSR-88D工作模式（Operational Mode）
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。
全相干多普勒天气雷达：它的发射主控信号频率由稳定的晶体振 荡器产生，保证发射的高频相干。它的相干性能好，地物消除能 力强。
半相干（伪相干）多普勒天气雷达：它是通过对发生信号采样， 与本振混频以及锁相技术，以保证中频相干，达到测量频率变化， 它的发射部分采用同轴磁控管。它的相干性能差，消除地物的能 力较全相干多普勒天气雷达差。
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最大不模糊速度与速度模糊
速度模糊示意图
VrT
VVrr
2nVr max 2nVr max
VrT Vr max VrT Vr max
最大不模糊距离与不模糊速度
多普勒雷达两难
根据最大不模糊距离与不模糊速度的表式知，
Vmax Rmax
c
8
对每个特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大
距离和最大速度不能同时兼顾。
其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，T为脉冲重复周期， PRF为脉冲重复频率。
距离折叠（模糊）：超过最大不模糊距离的探测回波
在屏幕上会产生距离模糊。当目标物位于Rmax之外时， 雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，目标物方
位是正确的但距离是错误的。
最大不模糊距离与距离折叠
目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。
最大不模糊距离与距离折叠
目标位于最大不模糊距离之外，有距离折叠（模糊）发生。
最大不模糊距离与距离折叠
最大不模糊速度与速度模糊
径向速度和初位相的关系
假设每个脉冲在发射时的初位相都为φ0。 第一个脉冲遇到目标物时，目标相对于雷达的距离为r， 回波到达雷达时的位相φ1=φ0+2π•2r/λ。
第二个脉冲遇到目标物时，目标相对于雷达的距离为 r+Δr，回波达到雷达时的位相φ2=φ0+2π•2(r+Δr)/λ。 两脉冲的位相差Δφ=φ2-φ1=2π•2Δr/λ=4πΔr/λ。 目标物径向速度Vr=Δr/T=Δr•PRF=λ/4π•PRF•Δφ。
最大不模糊距离与不模糊速度
最大不模糊距离与最大不模糊速度
• 多普勒天气雷达使用不同的脉冲重复频率测量反射率因子 和速度数据。用低PRF测反射率因子，用高PRF测速度。
速度模糊的识别
速度模糊的识别
速度模糊的识别
退模糊方法
• 径向连续性检查
风场反演
• 鉴于单多普勒雷达仅能获取风 场的径向分量，不能直接反映 真实风场，因此需要进行风场 反演还原。
影响速度谱宽的主要因子有四个：
垂直方向上的风切变； 波束宽度； 大气的湍流运动； 不同直径的降水粒子下落末速度的不均匀分布。
多普勒速度谱宽
最大不模糊距离与距离折叠
最大不模糊距离Rmax：一个雷达脉冲在下一个脉冲发 射之前遇到目标物并且其回波能够返回雷达的最大距
离。
1
c
Rmax 2 cT 2 PRF
应用：火车的汽笛声，恒星的 移动
多普勒效应
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
当天线指向水平风的去向（背风），θ=θ0，此 时的径向速度为Vr2=Vhcos(α)-Vfsin(α)
水平风速：Vh=(Vr2-Vr1)/(2cos(α)) 垂直风速：Vf=-(Vr1+Vr2)/(2sin(α))
VAD方法反演风场
• VAD显示
VAD方法反演风场
• 请粗略描绘以下速度图对应的VAD图像（内圈， 令 Vmax=25m/s）
• 风场反演方法分类： 1.三部多普勒雷达反演 2.双部多普勒雷达反演 3.单多普勒雷达反演
VAD方法反演风场
• VAD方法利用天线以某 一固定仰角作360゜方位 扫描，可反演出降水区 不同高度上的平均风向 风速和平均散度等。
某方位角θ上的径向速度 Vr(θ)=Vh(θ)cos(α)cos(θ-θ0)-Vf(θ)sin(α) 其中：Vr(θ)是方位角θ上的径向风速；Vh水平风速；Vf垂直 风速；α天线仰角；θ0为水平风向与y轴的夹角；r是探测点 距离雷达的水平距离
最大不模糊速度与速度模糊
最大不模糊速度：多普勒雷达能够测量的一个脉冲到 下一个脉冲的最大相移是180°（π弧度）。与180°相 移对应的目标物的径向速度称为最大不模糊速度。
Vr max
PRF 4
速度模糊：如果目标真实的径向速度大于（小于） Vrmax（-Vrmax），则多普勒雷达将给出错误的速度信息。 真实速度的可能值Vr-2nVrmax或Vr+2nVrmax。
最大不模糊速度与速度模糊
PRF(Hz)
波长(cm) 200
3
1.5
5
2.5
10
5.0
500
1000 2000
3.75
7.5
15
6.25
12.5
25
12.5
25.0
50
最大不模糊速度与PRF的关系
最大不模糊速度与速度模糊
速度模糊的原因
如果目标运动的真实脉冲对相移小于180°，雷达对 速度的测量是正确的；如果目标运动的真实脉冲对 相移超过180°，则将赋给它一个小于180°的相移 值，那么速度的测量是不正确的，或者说速度是模 糊的。
•
率）
d
dt
4
dr dt
4
vr
另一方面，角频率与频率的关系
d
dt
2
fD
• 则多普勒频率与目标运动速度的关系fD=2vr/λ
多普勒频移
雷达波长，径向速度以及多普勒频移的关系
多普勒速度
多普勒速度谱宽
多普勒速度谱宽表征着雷达有效照射体积内不同大 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。
多普勒天气雷达探测原理
➢多普勒雷达的工作原理
➢多普勒效应 ➢多普勒频移
➢最大不模糊距离与距离折叠 ➢最大不模糊速度与速度模糊 ➢多普勒雷达两难
➢退模糊方法 ➢风场反演方法
多普勒效应
多普勒效应：物体辐射的波长 因为波源和观测者的相对运动 而产生变化。在运动的波源前 面，波被压缩，波长变得较短， 频率变得较高 ；当运动在波 源后面时，会产生相反的效应。 波长变得较长，频率变得较 低 。波源的速度越高，所产 生的效应越大。根据频率变化 的程度，可以计算出波源沿着 观测方向运动的速度。
VAD方法反演风场
均匀风场的风向风速
Vh， Vf，θ0为常量，不随方位角θ变化， 由上 式可知，某一径向距离r上的径向速度Vr(θ)将按 余弦方式变化，并叠加了常量Vf(θ)sin(α)。
当天线指向水平风的来向（迎风），θ=θ0+π， 此时的径向速度为Vr1=-Vhcos(α)-Vfsin(α)
VAD方法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ演风场
• 水平风速随高度的变化--垂直廓线显示