多普勒天气雷达原理与应用3-雷达图象识别基础
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最新1多普勒天气雷达原理与应用
1多普勒天气雷达原理与应用第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品第一章 我国新一代天气雷达原理一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。
二、了解电磁波的散射、衰减、折射散射：当电磁波束在大气中传播，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。
衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。
折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。
2/3730/776.0T e T P N +=波束直线传播波束向上弯曲波束向下弯曲000=><dz dN dzdN dzdN三、了解雷达气象方程在瑞利散射条件下，雷达气象方程为：其中Pr 表示雷达接收功率，Z 为雷达反射率，r 为目标物距雷达的距离。
Pt 表示雷达发射功率，h 为雷达照射深度，G 为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。
四、了解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=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。
距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。
当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。
当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。
第二章多普勒天气雷达原理
§ 在雷达波束中，与天线等距离的粒子同时被探 测脉冲所照射，同时开始产生回波，并同时回 到雷达天线。与天线距离不相等的回波信号， 也有可能同时回到雷达天线。这是因为探测脉 冲具有一定的宽度τ，因而在它通过粒子时产 生的回波信号也有宽度τ。这样，距离较近的 两个粒子虽然它们开始产生回波的时间并不相 同，但是，它们的回波信号仍然有一部分能够 同时回到雷达天线。
§ 可以证明，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。
有效照射深度
§ 天线开始收到A粒子的回波信号的时间为
t1
2r1 c
§ 开始收到B粒子的回波信号的时间为
t2
2r2 c
§ 最后收到A粒子回波信号的时间为
t3
2r1 c
§ 若天线开始收到B粒子回波的时间恰好是 最后收到A粒子回波的时间
波束截面半径
§r100km=0.87km §r200km=1.745km §r300km=2.618km
与接收机有关的参数
§ 雷达天线所收到的回波信号是非常微弱的。所以， 雷达接收机必须具有接收微弱信号的能力。这种能 力常称为灵敏度，它用接收机的最小可辨功率Pmin来 表示。所谓最小可辨功率，就是回波信号刚刚能从 噪声信号中分辨出来时的回波功率。我国新一代天 气雷达（S波段）接收机的最小可测灵敏度对于短脉 冲(1.57μs)是-107dbm,对于长脉冲（4.71μs）是113dbm。
与发射机有关的参数
§ 发射机触发信号产生器周期性地产生一个触发 脉冲，输送到发射机，使发射机开始工作。
§ 在一个脉冲内信号的高频振荡频率叫工作频率 。
§ 每秒产生的触发脉冲的数目，称为脉冲重复频 率，用PRF表示。
天气雷达的基本工作原理和参数-168页文档资料
多普勒天气雷达除常规天气雷达功能 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。
常规天气雷达仅能提供反射率 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。
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： 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。 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。
自相干多普勒天气雷达结构框图
全相干多普勒天气雷达结构框图
fo 发射脉冲的载频 fd 多普勒频率
发射频率 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
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）
常规天气雷达仅能提供反射率 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。
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： 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。 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。
自相干多普勒天气雷达结构框图
全相干多普勒天气雷达结构框图
fo 发射脉冲的载频 fd 多普勒频率
发射频率 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
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）
2DU简介双偏振多普勒天气雷达原理与应用 PPT课件
（一）几种测雨方程的形式
1、常规天气雷达
（21）
2、双线偏振雷达
（22）
3、双线偏振多普勒雷达
（二）模拟雨滴谱资料的结果（参阅有关文献）
1、测雨方程形式与前面相同，但要确定方程中的一些系数。 2、不同测雨方程求得的雨强IDP、IDR、IDK，与雨滴谱确定的真值 雨强R之间的关系，见下面给出的图11 ―图14 。
（三）双程差分传播相位变化值φDP
1、φDP的含义：设水平及垂直偏振波通过相同长度 的一个降水区（可包含非球形粒子组成），散射 回天线处的相位分别为φHH及φVV，则定义： φDP=φHH -φVV=δ+ ɸdp
其中：
（1）δ为反射相位差。 对于同一粒子δ值是固定的。 对于S波段雷达，满足瑞利散射的粒子，δ是个小 量。但冰雹时δ值较大。
1、。ZDR定义式为 ：
ZDR=10log（ZHH/ZVV）=10log ZHH-10logZVV （8） 在信号处理器RVP8中用给出的求ZDR的公式为：
ZDR=10loS gHH=
S VV
2、ZDR值的范围：一般为-0.5—— +6.0dB （1）一般雨滴呈扁旋转椭球，ZHH＞ZVV，故常为ZDR＞0 。 （2）大雨滴时 ，呈更扁的椭球形，故ZDR值可达3~5dB。 （3）冰雹 ，由于翻转作用总体效果接近球形，ZDR值在零附近 ，可以是小的负值或小的正值。
里
即KDP是双程传播相位变化值φDP随距离的变化程度。 2、若 (rm) 与 (rn) 不是相邻两库的距离，而是相隔较远的两个库之
间的距离，则KDP代表该降水段上的平均值。 3、KDP值的大小：一般KDP＜1°/Km，但含有冰核的大雨滴，KDP
（五）双线偏振雷达的退极化因子LDR
多普勒雷达基础知识
主要厂家： 北京敏视达雷达有限公司 安徽四创电子股份有限公司 （38所） 南京恩瑞特实业有限公司（14所） 成都锦江电子系统工程有限公司
3
CINRAD/SA&SB
2020/2/26
❖ 工作频率 :
2700---3000MHz;
❖ 峰值发射功率: 650 KW ;
❖ 脉宽 :
1.57s / 4.71s ;
60 2020/2/26
风向不变，风速随高度增加
61 2020/2/26
风向不变，风速随高度增加
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
62 2020/2/26
风向不变，风速先增后减
84 2020/2/26
风速递增，风向顺转，地面风速不为零
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
85 2020/2/26
风速先增后减，风向顺转，地面风速不为零
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
56 2020/2/26
风向风速随高度都不变
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
57 2020/2/26
实例：风向风速不变
58 2020/2/26
59 2020/2/26
风向不变，风速随高度增加
多普勒雷达的应用原理
多普勒雷达的应用原理概述多普勒雷达是一种基于多普勒效应的雷达技术，它通过测量目标的运动速度来实现目标检测和速度测量。
多普勒雷达在军事、气象、交通等领域有着广泛的应用。
本文将介绍多普勒雷达的应用原理及其工作原理。
多普勒效应多普勒效应是指当光源与观察者之间有相对运动时，光的频率将发生变化。
这个现象也适用于雷达波。
当雷达波与运动的目标相互作用时，波的频率将发生变化，这一现象就被称为多普勒效应。
多普勒雷达的工作原理多普勒雷达主要通过测量电磁波的频率变化来获得目标的速度信息。
其工作原理可以分为两个主要步骤：发射和接收。
发射多普勒雷达会向目标发射一束电磁波，这个电磁波可以是微波或者射频信号。
发射的波束通常是一个连续的信号，而不是脉冲信号。
这是因为连续的信号可以提供更长的目标观测时间，从而获得更精确的速度测量结果。
接收目标接收到雷达发射的电磁波后，会对波进行回波。
当目标和雷达之间有相对运动时，回波的频率将发生变化。
多普勒雷达通过测量回波的频率变化来计算目标的速度。
信号处理与结果显示接收到回波后，多普勒雷达会将信号进行处理，通常会使用FFT（快速傅里叶变换）来分析波的频谱。
通过分析频谱，可以确定回波的频率变化，从而计算出目标的速度信息。
最后，多普勒雷达将速度信息以数字或图形的形式展示出来。
多普勒雷达的应用交通领域多普勒雷达在交通领域有着广泛的应用。
比如，在交通监控系统中，多普勒雷达可以用于测量车辆的速度和运动方向，从而实现交通流量统计、超速检测等功能。
此外，多普勒雷达还可以应用于自动驾驶系统中，帮助车辆实现定位和避障功能。
气象领域多普勒雷达在气象领域也有着重要的应用。
气象雷达可以利用多普勒效应测量云层中的降水速度和方向。
通过分析多普勒雷达的测量结果，可以预测暴雨、龙卷风等极端天气的发生。
军事领域多普勒雷达在军事领域有着广泛的应用。
它可以用于目标检测与识别、导弹预警系统等方面。
多普勒雷达可以检测到高速运动的目标，从而对敌方的机动部队进行监测和跟踪。
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
多普勒天气雷达PPT课件
它们相交时，将产生干涉现象。
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。
相干接收机————具有能测量频率变化的接收机。频率变化的测量是
通过接收到返回信号与原信号（即参考信号）比较而取得。
全相干多普勒天气雷达————它的发射部分采用完全放大链，保证发
射的高频相干。它的发射部分采用速调管或行波管。它相关性能好，地
全相干：第一个脉冲与第二个脉冲、与第三个脉冲到第n个脉冲的差异都在
。 允 许 误 差 范 围 内
第15页/共57页
4.3 影响速度谱宽的气象因子
1、回波功率谱
f＝2V／λ
2、平均多普勒频移及频谱宽度
第16页/共57页
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。
2cm
有效3照cm射体内存在落速差别较大的粒子，例如包含
雨滴和冰雹时，则测得的粒子下落末速度谱方差就较
大。
实际观测说明，若指向天顶的雷达实测谱方差大于 4m2/s2，则可能存在冰雹，或者存在强烈的湍流，或 两者兼有之。
第23页/共57页
4.4 距离折叠和速度折叠
最大不模糊距离
指一个发射脉冲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
第30页/共57页
Range Folding
Warning Forecaster’s Nightmare
第31页/共57页
Range Folding
Warning Forecaster’s Nightmare
第32页/共57页
最大不模糊速度与速度模糊
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
多普勒天气雷达识别方法
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。 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。
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 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 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。
象、高扫产品外，还有以下产品： 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。
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。
多普勒天气雷达资料分析与应用
多普勒天气雷达资料分析与应用
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
0
5 4
m2 1 2 m2 2 Z
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
• 能够产生同样回波功iN1率PrM，i 与小球45粒mm子的22 反 射12 率2 Z因e子等效的Z值。
天气雷达的基本工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射脉冲式的电磁波，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。
• C：5cm
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）
多普勒天气雷达的组成和探测原理
•一、多普勒天气雷达的工作原理 •二、雷达的 PPI 扫描方式 •三、雷达的三部分 •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
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
0
5 4
m2 1 2 m2 2 Z
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
• 能够产生同样回波功iN1率PrM，i 与小球45粒mm子的22 反 射12 率2 Z因e子等效的Z值。
天气雷达的基本工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射脉冲式的电磁波，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。
• C：5cm
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）
多普勒天气雷达的组成和探测原理
•一、多普勒天气雷达的工作原理 •二、雷达的 PPI 扫描方式 •三、雷达的三部分 •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
多普勒天气雷达PPT课件
.
波长11.3cm 直径5.7m,2.2m 增益38dB 功率1MW
21
中国新一代天气雷达
.
22
3、雷达回波形成的机制
一是降水粒子的后向散射形成的。 二是由于晴空大气折射指数不均匀产生 的后向“散射”或内反射而形成的。
.
23
4、雷达气象方程
Pபைடு நூலகம் 1Pt0G22l4n2h212R12
.
24
.
25
国内独立研制sc波段移动型cinrad产品型号分为两类八种型号中美合资生产sa波段增强型sb波段标准型ca波段增强型cb181999双偏振天气雷达实现对降水进行分类与识别双波长天气雷达推测被测粒子的大小多参数天气雷达提供云及降水物的尺寸相态和类型等信息多基地天气雷达能测出诸如风场的三维矢量降雨粒子的垂直速度等信息机载天气雷达雷达分辨力精度和灵敏度好相控阵天气雷达优点很多是天气雷达的发展方向20波长32cm直径15m增益38db功率75kw波长32cm直径55m11m功率180kw波长56cm直径37m增益38db功率250kw21波长107cm直径4m增益36db功率600kw波长113cm直径57m22m增益38db功率1mw22中国新一代天气雷达23一是降水粒子的后向散射形成的
.
15
天气雷达发展历史
一般，在沿海地区安装 S波段 雷达，内陆地区安装 C波段雷达， 这样可以减少衰减，成本也较小。 S波段雷达与 C波段雷达价格相差1 倍。
.
16
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
SA — S波段增强型 SB — S波段标准型
波段雷达建设。
.
波长11.3cm 直径5.7m,2.2m 增益38dB 功率1MW
21
中国新一代天气雷达
.
22
3、雷达回波形成的机制
一是降水粒子的后向散射形成的。 二是由于晴空大气折射指数不均匀产生 的后向“散射”或内反射而形成的。
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23
4、雷达气象方程
Pபைடு நூலகம் 1Pt0G22l4n2h212R12
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国内独立研制sc波段移动型cinrad产品型号分为两类八种型号中美合资生产sa波段增强型sb波段标准型ca波段增强型cb181999双偏振天气雷达实现对降水进行分类与识别双波长天气雷达推测被测粒子的大小多参数天气雷达提供云及降水物的尺寸相态和类型等信息多基地天气雷达能测出诸如风场的三维矢量降雨粒子的垂直速度等信息机载天气雷达雷达分辨力精度和灵敏度好相控阵天气雷达优点很多是天气雷达的发展方向20波长32cm直径15m增益38db功率75kw波长32cm直径55m11m功率180kw波长56cm直径37m增益38db功率250kw21波长107cm直径4m增益36db功率600kw波长113cm直径57m22m增益38db功率1mw22中国新一代天气雷达23一是降水粒子的后向散射形成的
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天气雷达发展历史
一般，在沿海地区安装 S波段 雷达，内陆地区安装 C波段雷达， 这样可以减少衰减，成本也较小。 S波段雷达与 C波段雷达价格相差1 倍。
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16
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
SA — S波段增强型 SB — S波段标准型
波段雷达建设。
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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。
(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。
天气雷达的基本工作原理和参数知识讲解
E(t)ReE1[e(xpi(1ti0t)] E1co2s(f0f1)t
性
风暴跟踪信息文本产品（上海）
风暴结构产品（SS）
冰雹指数产品（HI）
回波顶高产品（ET）
回波顶高等值线产品（ETC）
垂直液态水含量产品（VIL）
强天气概率产品（SWP）
一小时降水量产品（OHP）
三小时降水量产品(THP )
风暴总降水量产品（STP）
多普勒频率fd与目标物径向 速度Vr的关系
多普勒频率fd 定义： 目标物相对于雷达作径向运动
引起回波信号的频率变化，称 多普勒频移，亦称多普勒频率， 单位:赫兹（Hz）。
多普勒频率fd与目标物径向速度Vr 的关系（证明见P211-212)
fd
2Vr
其中： f d为多普勒频率
Vr 为目标物的径向速度
(单位 Hz )
(也称多普勒速度 , 单位 m / s)
这类产品主要有：
• 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产品生成器根据用户要求生成的基本产 品有：基本反射率产品6种，平均径向速度产品6 种，速度谱宽产品3种，共计3类15种气象产品， 如下表
组合反射率因子 平均值产品图 (LRA)
2001年8月7日 15:26
中层（上图12~33 千英尺）和低层 （下图从地面到 12千英尺）
2010年8月7日15:02弱回波区产品图也 称为反射率因子多层透视图(上海)
风暴跟踪信息产品（STI）
表
示 产 生 冰 雹 的 可 能
图 中 绿 色 三 角 形
性
风暴跟踪信息文本产品（上海）
风暴结构产品（SS）
冰雹指数产品（HI）
回波顶高产品（ET）
回波顶高等值线产品（ETC）
垂直液态水含量产品（VIL）
强天气概率产品（SWP）
一小时降水量产品（OHP）
三小时降水量产品(THP )
风暴总降水量产品（STP）
多普勒频率fd与目标物径向 速度Vr的关系
多普勒频率fd 定义： 目标物相对于雷达作径向运动
引起回波信号的频率变化，称 多普勒频移，亦称多普勒频率， 单位:赫兹（Hz）。
多普勒频率fd与目标物径向速度Vr 的关系（证明见P211-212)
fd
2Vr
其中： f d为多普勒频率
Vr 为目标物的径向速度
(单位 Hz )
(也称多普勒速度 , 单位 m / s)
这类产品主要有：
• 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产品生成器根据用户要求生成的基本产 品有：基本反射率产品6种，平均径向速度产品6 种，速度谱宽产品3种，共计3类15种气象产品， 如下表
组合反射率因子 平均值产品图 (LRA)
2001年8月7日 15:26
中层（上图12~33 千英尺）和低层 （下图从地面到 12千英尺）
2010年8月7日15:02弱回波区产品图也 称为反射率因子多层透视图(上海)
风暴跟踪信息产品（STI）
表
示 产 生 冰 雹 的 可 能
图 中 绿 色 三 角 形
天气雷达的基本工作原理和参数
雷达定量测量降水(1小时、3小时累积降水、风暴总降水)
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。
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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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.
18:18 9 July 2007, Hebei, anti-mesocyclone, 5cm Hail
Hurricane Bob
Max Range 300km
150km
Storm Relative Velocity
Storm Relative Velocity
a
b
c
d
辐合区
逆风区和负速度向正 速度伸展区
不同时间1.5°仰角径向速度PPI图 （a、b、c、d对应时间分别为01:33、03:29、04:54、05:55，每圈距离50 km）
Beijing雷达-22日02点冷锋已经移过雷达
中gama尺度（2-20km）流场特征的识别
Wood and Brown
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
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
雷达图识别基础
反射率因子图
积云和层云混合降水回波 积云降水回波 其他回波
积云和层状云混合降水回波
层状云降水回波< 35dBZ 成熟的充满波束的积云降水回波>35dBZ
零度层亮带
Brightband Contamination
Overestimate rainfall But rare to affect convective flash flooding events
Beijing CINRAD-SA 1.5°
海浪回波
Fig. 1. (top) Reflectivity and (bottom) Doppler velocity data collected on 2 Aug 2009 using the WSR -88D (KIN X) located near Tulsa, OK. The location of KIN X is indicated by the white circle. The departure of purple martins from a roosting site resulted in the ring-shaped region of echo located just west of Tulsa. The Doppler velocity data indicate radial motion outward from the roost at the center of the ring.
2005年3月22日 山东半岛上空有云覆盖，但没有降水
500－20050322 0800
烟台雷达
烟台雷达
烟台雷达
2005年3月25日 山东半岛上空为晴空
Ir 20050325 1500
烟台雷达
青岛雷达
2005年4月4日 山东半岛上空有少量云盖 没有降水
Ir20050404 1400
Basic Radar Signatures
Divergence
Convergence
Rotation
Qingdao 20090629 0758
V&R
0.5度仰角
15:17 29 April 2004, Hunan, 11cm Hail
钩状回波（上左和上中）、中气旋（上右）、有界弱回 波区（下左）、风暴顶辐散（下右）
烟台雷达
2011年10月12日金华雷达回波
大火的回波
白城市华金纸业位于白城市火车站东2.5公里处。 2007年3月24日当天，白城市刮起了7级左右的西 北风。12时05分，白城市华金纸业第二苇料堆放 场西北角突然燃起大火，有7垛芦苇起火，火势在 强风下燃烧猛烈并迅速向临近苇垛蔓延。瞬间， 第二苇料堆放场堆放的31垛芦苇全部过火。由于 苇垛较高，面积较大，风力又强，在很短时间内 就形成火烧连营之势。
Cyclonic Rotation (mesocyclone)
RADAR
Wood and Brown
Cyclonic Rotation changes with changing viewing angle
Wood and Brown
Convergent rotation
RADAR
多普勒径向速度场流型的识别
大尺度连续风场的识别 大尺度不连续风场（锋面）的识别 2-20公里中伽马尺度风场特征的识别
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
最大径向速度与速度模糊
Fig. 7. An example of roost rings resulting from the emergence of Brazilian free-tailed bats in south-central Texas as observed in the non-QC composite reflectivity data produced through NM Q. The image corresponds to observations made at 0125 UT C (2025 CDT ) 25 Jun 2009 as the bats were dispersing from their roosts at dusk to feed on insects. Since these data were collected at dusk, sun spurs can also be seen in the images. Also shown are the locations of WSR -88D sites and bat roosts.
2005年3月22－4月4日 山东半岛神秘回波
2005年3月22日、25日和4月4日烟台雷 达探测到的神秘回波大概有两种可能原因：一 种是大量的飞鸟，另一种是军事演习时从飞机 上释放的大量很轻的金属漂浮物，用来遮蔽飞 机，防止被雷达看到。大量飞鸟的情况有时可 以产生很强的50dbz以上的回波，而军事演习 时从飞机上释放的大量很轻的金属漂浮物通常 可以产生35dbz－45dbz的回波强度。
速度方位显示VAD
VAD是特定高度上平均径向速度与方位 角度的图形显示产品。 在产品的状态区中能发现下列数据： ALT-高度（MSL）、RMS误差（kts）、计 算的风速和风向、所用的仰角和斜距）。 对称性显示在图的底部，它是最小二乘 拟合方程的第一项。
速度方位显示(VAD)
速度方位显示风廓线VWP
在时间—高度图上显示平均水平风 (由VAD算法在每层计算而得)。 在VWP中，有三种情况出现“ND” （无资料）：1） 少于25个资料点；2） RMS误差大于4.8m/s；3）或对称性大 于7.3m/s。
风廓线(VWP)
提供大尺度不连续风场的识别
Radar Centered Arch of Higher Rainfall Accumulations on prouduct.
2007年3月3-4日北京雨转雪
20070304 北京降雪回波
非降水云的零度层亮带
积云对流降水回波
基 反 射 率 因 子
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
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