多普勒天气雷达资料分析
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2020/3/22
2020/3/22
天线
• 天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射
方向上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θ指定天的线关在系水平：方向的波束宽度；
G 2
φ指天线在垂直方向的波束宽度。
在超高频技术中，一般天线的增益在几千到几万。
2
1
m2 2 Ze
• 能够产生同样回波功率Pr，与小球粒子的反 射率因子等效的Z值。
2020/3/22
Z 的意义
❖ Z 值的大小只取决于云、雨滴谱的情况； ❖ Z 正比于 D6，一方面表明粒子越大，Z 越大，回波功率也
就越大，另一方面也表明少数大粒子将提供回波功率的绝
大部分。
❖
根据雷达方程： Pr 率了解云、雨情况。
功能 • 数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能 • 通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信
等
2020/3/22
2020/3/22
3、主用户处理器子系统（PUP ）
• 多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能 • 具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能 • 通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生
在其他仰角上只作一次扫描。在两次扫描中： 第一次发射低脉冲重复频率，观测范围大（
460km），为了避免速度模糊。 第二次发射高脉冲重复频率，观测的范围小（
230km），为了避免距离模糊。
2020/3/22
2020/3/22
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。
2
1
Z
4 m2 2
(1.30)
2020/3/22
大粒子散射
对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象 方程求得的 Z 值就不能代表降水的实际谱分布情
况，只能是等效的 Z 值，记为 Ze ，称为等效雷达
反射率因子。
等效反射率因子Ze:
– 用瑞利散射公式计算大粒子的反射率因子
iN 1Mi45
m2
4
2020/3/22
速度模糊示意图
VrT V Vrr 2 2n nV V rrm maax xV VrrTTV Vrrm maaxx
2020/3/22
2020/3/22
2020/3/22
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ20/3/22
三、雷达的 PPI 扫描方式
2020/3/22
PPI 显示结果的空间分布
2020/3/22
1dBZ10lg1Zm mm m66//m m33 1dBZe 10lgZ1em m m m 66//m m 33
dBZ -Z (dBZe - Ze)的对应关系
dBZ(dBZe)
35
40
45
50
Z(mm6 /m3) 3.2×103 104
3.2×104
105
2020/3/22
55 3.2×105
雷达气象方程
N
i
n(D)(D)dD 0
i1
• 物理意义：描述粒子群后向散射能力的大小
• 雷达反射率因子：单位体积内所有质点直径的六次方 之和。与波长无关的量。
Z n(D)D6dD 0
2020/3/22
小粒子散射
• 雷达反射率和反射率因子的关系：
4 5
m212 m22
n(D)D6dD
0
(1.28)
5
m2
2020/3/22
发射机
取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf）信 号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的 磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功 率750kw）非常稳定的10厘米的射频（rf）脉冲。
在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必 须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息 能够被提取。一旦rf脉冲被产生，就被送到天线。
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。
2020/3/22
窄波束低旁瓣的天线
2020/3/22
接收机
当天线接收返回（后向散射）能量时，它 把信号传送给接收机。由于接收到的回波能量 很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处 理器之前必须由接收机进行放大。
2020/3/22
SINGLE RADARS
2020/3/22
发射系统 天线系统 接收系统 信号处理系统 显示系统
2020/3/22
天气雷达的基本框图及其工作原理
二、多普勒天气雷达的工作原 理
• 电磁波的传输、反射和散射 1 、粒子的尺度和波长小于或接近时，遵循散射 2 、粒子很大时，遵循几何光学规律
C R2
Z
， 可以方便的通过雷达回波功
❖ Z e 的意义
❖ 能够产生同样回波功率的、与小球形粒子的 Di6 相当的
Z 的数值；
❖ 引入 Z e 后，即使是较为复杂的Mie 散射，仍然可以使雷
达气象方程保持Rayleigh 散射时较为简单的形式。
2020/3/22
雷达反射率因子的分贝表示形 式
取 Z 0 =1 mm6 /m3为标准值，则：
– 天线增益常以分贝(dB)形式表示：
分贝(dB) = 10×lg S 定向 S 各向均匀
S 定向—定向天线最大辐射方向上的能流密度； S 2020/3/22 各向均匀—各向均匀天线的能流密度；
天线扫描方式（scan strategy）
扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（volume scan） 中 使 用 多 少 仰 角 和 时 间 。 WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三种扫描方式：
2020/3/22
天线与伺服 发射机 卫星通讯
信号处理器
接收机
宽带传输
监控系统
基数据
数据采集RDA
产品生成
存档
局域网或广域网
产品生成RPG
主控台
2020/3/22
主用户工作站
辅助用户工作站
用户处理PUP
1、雷达数据采集系统（RDA）
采用脉冲多普勒体制的全相干系统 • 速调管放大、高功率全相干发射机 • 窄波束低旁瓣的天线 • 低噪声宽动态范围的相干接收机 • 多参数的信号处理器 • 主要参数的自动检测
常数 雷达参 距离因 充塞因 气象因 衰减因 项 数项 子项 子项 子项 子项
2020/3/22
距离折叠与速度模糊
1 最大不模糊距离与距离折叠 2 最大不模糊速度与速度模糊 3 多普勒两难
2020/3/22
2020/3/22
1 最大不模糊距离与距离折叠
• 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲
2020/3/22
引言
• RADAR
– RAdio Detecting And Ranging
• WSR－88D
– Weather Surveillance Radar 88 Doppler
• CINRDA/SA，SB，SC；
– S:10cm，A敏视达，B14所，C成都七八四厂
• CINRDA/CD，成都七八四厂生产 CINRDA/ CC，CCJ 安徽四创生产
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
c 2PRF
其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，PRF为脉冲重 复频率 • 距离折叠（模糊）：超过最大探测距离的探测回 波在屏幕上就会产生距离模糊。
2020/3/22
2 最大径向速度与速度模糊
• 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：表现为从正、负速度的最大值 突变 为负、 正速度的最大值。
2020/3/22
• 某一PRF最多只能测量12 PRF的多普勒频率，
f
Dmax
1 2
PRF
•
多普勒频率表达式为：f 代入上式，可得
D
2Vr
Vrmax
1*PRF
2020/3/22
天气雷达的基本工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射的脉冲式电磁波， 电磁波在大气中以接近光波的速度、近似于直线 的路径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标 物，脉冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射 ，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线（称为 后向散射），在雷达显示器上显示出气象目标物 的空间位置分布和强度等特征。
• 一、雷达的三部分 • 二、多普勒天气雷达的工作原理 • 三、雷达的 PPI 扫描方式 • 四、多普勒天气雷达的产品介绍 • 五、短时预报常用的雷达产品
2020/3/22
一、雷达的三部分
雷达站
气象台值班室
RDA
RPG
PUP
一、雷达的三部分
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）
Locating a Target
• The first piece of information is the angle of the radar beam with respect to north; called the "azimuth angle".
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。
2020/3/22
相干接收机
信号处理 监控系统
2020/3/22
2020/3/22
RDA监控计算机
2、雷达产品生成子系统（RPG ）
具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通 信等多种功能
• 气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品 • 运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等
• 扫描方式#1：5分钟完成14个不同仰角上的扫描 （14/5） • 扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描 （9/6） • 扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描 （5/10）
2020/3/22
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：
两类散射：Mie散射 (大粒子情况) Rayleigh散射（小粒子情况）
基本特点：Mie散射的前向散射较多 Rayleigh散射前后方向对称
2020/3/22
2020/3/22
2020/3/22
2020/3/22
描述单个粒子后向散射能力的大小
雷达反射率，雷达反射率因子（粒子群）
雷达反射率定义：定义单位体积内全部降水粒子的雷达 截面之和称为雷达反射率，以 表示，即：
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。
2020/3/22
• 值得注意的是： 雷达在0.5度和1.45度仰角上分别作两次扫描，
2020/3/22
全相干发射机
2020/3/22
天线
天线是RDA的一个部件，它将发射机产生 的rf 信号以波束的形式发射到大气并接受返回的 能量（粒子的后向散射能量）。SA雷达的天线仰 角变化范围是从0.5度到19.5度。天线仰角的设置 取 决 于 天 线 的 扫 描 方 式 （ scan strategy 共 有 三 种）、体扫模式（volume coverage pattern ： VCP）和工作模式（operational mode 分为晴空 和降水两种模式）。 雷达操作员不能手动调节天 线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。
成
2020/3/22
•
多屏、多画面显示
2020/3/22
2020/3/22
二、多普勒天气雷达的工作原 理
• 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、雨 区强度、垂直结构等情况。
• 同时，利用物理学上的多普勒效应来测定降水 粒子的径向(朝向雷达或远离雷达方向)运动速 度，并通过这种速度信息推断风速分布、垂直 气流速度、大气湍流、降水粒子分布、降水中 特别是强降水中的风场结构特征。
– C：5cm
2020/3/22
Weather Radar in China
• 中国气象雷达的概况 • 711型测雨雷达 - X • 713型测雨雷达 - C • 714型测雨雷达 - S • 多普勒雷达(714-CD,
3830，敏视达雷达）
2020/3/22
2020/3/22
多普勒天气雷达的组成和探测原理
2020/3/22
天线
• 天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射
方向上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θ指定天的线关在系水平：方向的波束宽度；
G 2
φ指天线在垂直方向的波束宽度。
在超高频技术中，一般天线的增益在几千到几万。
2
1
m2 2 Ze
• 能够产生同样回波功率Pr，与小球粒子的反 射率因子等效的Z值。
2020/3/22
Z 的意义
❖ Z 值的大小只取决于云、雨滴谱的情况； ❖ Z 正比于 D6，一方面表明粒子越大，Z 越大，回波功率也
就越大，另一方面也表明少数大粒子将提供回波功率的绝
大部分。
❖
根据雷达方程： Pr 率了解云、雨情况。
功能 • 数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能 • 通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信
等
2020/3/22
2020/3/22
3、主用户处理器子系统（PUP ）
• 多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能 • 具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能 • 通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生
在其他仰角上只作一次扫描。在两次扫描中： 第一次发射低脉冲重复频率，观测范围大（
460km），为了避免速度模糊。 第二次发射高脉冲重复频率，观测的范围小（
230km），为了避免距离模糊。
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2020/3/22
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。
2
1
Z
4 m2 2
(1.30)
2020/3/22
大粒子散射
对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象 方程求得的 Z 值就不能代表降水的实际谱分布情
况，只能是等效的 Z 值，记为 Ze ，称为等效雷达
反射率因子。
等效反射率因子Ze:
– 用瑞利散射公式计算大粒子的反射率因子
iN 1Mi45
m2
4
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速度模糊示意图
VrT V Vrr 2 2n nV V rrm maax xV VrrTTV Vrrm maaxx
2020/3/22
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2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ20/3/22
三、雷达的 PPI 扫描方式
2020/3/22
PPI 显示结果的空间分布
2020/3/22
1dBZ10lg1Zm mm m66//m m33 1dBZe 10lgZ1em m m m 66//m m 33
dBZ -Z (dBZe - Ze)的对应关系
dBZ(dBZe)
35
40
45
50
Z(mm6 /m3) 3.2×103 104
3.2×104
105
2020/3/22
55 3.2×105
雷达气象方程
N
i
n(D)(D)dD 0
i1
• 物理意义：描述粒子群后向散射能力的大小
• 雷达反射率因子：单位体积内所有质点直径的六次方 之和。与波长无关的量。
Z n(D)D6dD 0
2020/3/22
小粒子散射
• 雷达反射率和反射率因子的关系：
4 5
m212 m22
n(D)D6dD
0
(1.28)
5
m2
2020/3/22
发射机
取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf）信 号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的 磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功 率750kw）非常稳定的10厘米的射频（rf）脉冲。
在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必 须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息 能够被提取。一旦rf脉冲被产生，就被送到天线。
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。
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窄波束低旁瓣的天线
2020/3/22
接收机
当天线接收返回（后向散射）能量时，它 把信号传送给接收机。由于接收到的回波能量 很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处 理器之前必须由接收机进行放大。
2020/3/22
SINGLE RADARS
2020/3/22
发射系统 天线系统 接收系统 信号处理系统 显示系统
2020/3/22
天气雷达的基本框图及其工作原理
二、多普勒天气雷达的工作原 理
• 电磁波的传输、反射和散射 1 、粒子的尺度和波长小于或接近时，遵循散射 2 、粒子很大时，遵循几何光学规律
C R2
Z
， 可以方便的通过雷达回波功
❖ Z e 的意义
❖ 能够产生同样回波功率的、与小球形粒子的 Di6 相当的
Z 的数值；
❖ 引入 Z e 后，即使是较为复杂的Mie 散射，仍然可以使雷
达气象方程保持Rayleigh 散射时较为简单的形式。
2020/3/22
雷达反射率因子的分贝表示形 式
取 Z 0 =1 mm6 /m3为标准值，则：
– 天线增益常以分贝(dB)形式表示：
分贝(dB) = 10×lg S 定向 S 各向均匀
S 定向—定向天线最大辐射方向上的能流密度； S 2020/3/22 各向均匀—各向均匀天线的能流密度；
天线扫描方式（scan strategy）
扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（volume scan） 中 使 用 多 少 仰 角 和 时 间 。 WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三种扫描方式：
2020/3/22
天线与伺服 发射机 卫星通讯
信号处理器
接收机
宽带传输
监控系统
基数据
数据采集RDA
产品生成
存档
局域网或广域网
产品生成RPG
主控台
2020/3/22
主用户工作站
辅助用户工作站
用户处理PUP
1、雷达数据采集系统（RDA）
采用脉冲多普勒体制的全相干系统 • 速调管放大、高功率全相干发射机 • 窄波束低旁瓣的天线 • 低噪声宽动态范围的相干接收机 • 多参数的信号处理器 • 主要参数的自动检测
常数 雷达参 距离因 充塞因 气象因 衰减因 项 数项 子项 子项 子项 子项
2020/3/22
距离折叠与速度模糊
1 最大不模糊距离与距离折叠 2 最大不模糊速度与速度模糊 3 多普勒两难
2020/3/22
2020/3/22
1 最大不模糊距离与距离折叠
• 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲
2020/3/22
引言
• RADAR
– RAdio Detecting And Ranging
• WSR－88D
– Weather Surveillance Radar 88 Doppler
• CINRDA/SA，SB，SC；
– S:10cm，A敏视达，B14所，C成都七八四厂
• CINRDA/CD，成都七八四厂生产 CINRDA/ CC，CCJ 安徽四创生产
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
c 2PRF
其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，PRF为脉冲重 复频率 • 距离折叠（模糊）：超过最大探测距离的探测回 波在屏幕上就会产生距离模糊。
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2 最大径向速度与速度模糊
• 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：表现为从正、负速度的最大值 突变 为负、 正速度的最大值。
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• 某一PRF最多只能测量12 PRF的多普勒频率，
f
Dmax
1 2
PRF
•
多普勒频率表达式为：f 代入上式，可得
D
2Vr
Vrmax
1*PRF
2020/3/22
天气雷达的基本工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射的脉冲式电磁波， 电磁波在大气中以接近光波的速度、近似于直线 的路径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标 物，脉冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射 ，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线（称为 后向散射），在雷达显示器上显示出气象目标物 的空间位置分布和强度等特征。
• 一、雷达的三部分 • 二、多普勒天气雷达的工作原理 • 三、雷达的 PPI 扫描方式 • 四、多普勒天气雷达的产品介绍 • 五、短时预报常用的雷达产品
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一、雷达的三部分
雷达站
气象台值班室
RDA
RPG
PUP
一、雷达的三部分
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）
Locating a Target
• The first piece of information is the angle of the radar beam with respect to north; called the "azimuth angle".
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。
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相干接收机
信号处理 监控系统
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RDA监控计算机
2、雷达产品生成子系统（RPG ）
具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通 信等多种功能
• 气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品 • 运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等
• 扫描方式#1：5分钟完成14个不同仰角上的扫描 （14/5） • 扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描 （9/6） • 扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描 （5/10）
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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：
两类散射：Mie散射 (大粒子情况) Rayleigh散射（小粒子情况）
基本特点：Mie散射的前向散射较多 Rayleigh散射前后方向对称
2020/3/22
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描述单个粒子后向散射能力的大小
雷达反射率，雷达反射率因子（粒子群）
雷达反射率定义：定义单位体积内全部降水粒子的雷达 截面之和称为雷达反射率，以 表示，即：
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。
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• 值得注意的是： 雷达在0.5度和1.45度仰角上分别作两次扫描，
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全相干发射机
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天线
天线是RDA的一个部件，它将发射机产生 的rf 信号以波束的形式发射到大气并接受返回的 能量（粒子的后向散射能量）。SA雷达的天线仰 角变化范围是从0.5度到19.5度。天线仰角的设置 取 决 于 天 线 的 扫 描 方 式 （ scan strategy 共 有 三 种）、体扫模式（volume coverage pattern ： VCP）和工作模式（operational mode 分为晴空 和降水两种模式）。 雷达操作员不能手动调节天 线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。
成
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•
多屏、多画面显示
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二、多普勒天气雷达的工作原 理
• 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、雨 区强度、垂直结构等情况。
• 同时，利用物理学上的多普勒效应来测定降水 粒子的径向(朝向雷达或远离雷达方向)运动速 度，并通过这种速度信息推断风速分布、垂直 气流速度、大气湍流、降水粒子分布、降水中 特别是强降水中的风场结构特征。
– C：5cm
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Weather Radar in China
• 中国气象雷达的概况 • 711型测雨雷达 - X • 713型测雨雷达 - C • 714型测雨雷达 - S • 多普勒雷达(714-CD,
3830，敏视达雷达）
2020/3/22
2020/3/22
多普勒天气雷达的组成和探测原理