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。
天气雷达的组成
天气雷达由发射系统、天线系统、接收系统和显 示系统等部分组成。 发射系统功能：产生某一功率电平的所需射频波 形。组成：射频功率源、调制器、电源。产生射频 功率的两种方法，功率振荡器发射机和主振功率放 大器发射机。发射机产生的射频信号可以是连续波 或脉冲波。
新一代多普勒天气雷达 在天气预报中的应用
咸阳市气象局
吴宇华
主要内容
新一代雷达简介 多普勒雷达的原理及基本识别
数据模糊的处理
多普勒雷达的基本产品 西安多普勒雷达产品的识别等
一、雷达的发展过程
雷达这个名词是美国海军在第二次世界大战的1940年 使用的一个保密代号。它是“无线电探测和测距”（Radio Detection and Ranging）缩写radar译音。雷达的基本任务是 探测感兴趣的目标，并从中提取诸如目标距离、角坐标、 速度和反射特征方面的信息。雷达有着广泛的用途，如航 空、航海、气象、测地学、天文、卫星通信、宇宙航行等。 尽管雷达是在第二次世界大战期间获得了广泛的应用和 发展，但在此之前，它却未得到应有的声誉，而雷达的工 作原理则是早在1900年便为科学家所知晓和提出来了。 从雷达出现的历史来看，雷达就是在第二次世界大战 前夕，为了防空的需要而研制发展起来。
CINRAD雷达与常规 天气雷达相比的优势
1.灵敏度提高 2.分辨率提高
3.具有风场探测
4.具有三维数据的自动采集能力 5.具有一套科学的数据处理的能力
频率控制精 度10-9 ！
•较合理的硬件工作模式和观测模式
为了能够获得最大不折叠距离探测范围同时获得最大 的不模糊径向速度，在雷达硬件工作模式方面，采用了连 续监测模式CS、连续Doppler模式CD和批模式B，对雷达脉 冲对数、脉冲宽度、脉冲重复频率等雷达参数进行了组合 ，以适应上述要求。在观测模式方面，设有四种观测模式 ，其中：降水模式有VCP11模式和VCP21模式两种，以适应 不同降水类型的需要。CINRAD-SA雷达由于发射机功率强大 ，接受机灵敏度高，还设有晴空模式：VCP31模式和VCP32 模式，用以探测晴空湍流、风切变等。在上述降水观测模 式中，为了达到获得最大探测不折叠距离和最大不模糊径 向速度，雷达采用了扫描方式与雷达参数相结合的办法实 现上述目标。
2
Z=∫N(D)D dD
Z dBZ 10 lg Z0
6
Z
0
1m m6 / m 3

3.1.2 径向速度和谱宽
多普勒效应 频率变化难以直接测量 脉冲对相移 全相干雷达：每个发射脉冲的位相相对于一个 内部参考信号而言是相同的。当脉冲返回时， 与参考信号做比较以确定信号位相。任何脉冲 到脉冲的位相变化可以被计算。
工作模式（Operational Mode）
CINRAD/CB雷达使用两种工作模式，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。 工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21， 相应的扫描方式分别为14/6 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。
C波段移动型
合肥雷达楼
我国1999年安 装的第一部多 普勒雷达
西 安 雷 达
2 0 0 4 年 8 月 正 式 使 用
二、多普勒天气雷达的原理
一般归定离开雷达方向的速度为正， 向着雷达的速度为负，一般在图上用暖色 表示正径向速度，冷色表示负径向速度。 因此在分析速度图时，应首先查看色标， 某些雷达的约定是相反的。 径向速度中的速度的分析有一定的限 制，两点的信息不在同心圆上，就代表所 处的高度不同，看图示不能仅从平面的角 度去理解，应由空间立体的概念。 雷达图上，一般用紫色时表示不能识别的 值，观测时通过调整要尽量使紫色最小。
雷达数据采集子系统
RDA 是用户所使用的雷达数据的采集单元。 RDA由四个部分构成：发射机，天线，接收机 和信号处理器。它的主要功能是产生和发射射 频脉冲，接收目标物对这些脉冲的反射能量， 并通过数字化形成基数据（base data）。RDA 的上述功能是由RDA计算机监视和控制的。
发射机 天线 接收机 信号处理器 RDA内的数 据记录 宽带通讯 雷达监控系统
中国气象局计划在全国范围内建设126部CINRAD多普勒天气雷达， 其中有66部S波段多普勒天气雷达，60部C波段多普勒天气雷达。图中 红色圆点表示S波段。兰色方块表示C波段雷达。
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10倍。
用于降雨模式， VCP21
扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10） 用于晴空模式， VCP31和VCP32
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。一般用于测云和降雪。 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。一般用于较强的大气对流。 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。主要用于低层晴空大气观 测。 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。

3.1.3 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 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 c Rmax 2 PRF
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）
距离折叠
雷达测距公式 R=0.5ct，t为脉冲发出到返回的 时间。 雷达测距按照最新发出的脉冲从发出到返回的 时间来计算。 距离折叠是指雷达确定的目标物方位是正确的 但距离是错误的。当目标物位于雷达最大不模 糊距离之外时会发生这一现象，也就是说，目 标物的定位是模糊的。
目前我国共有130多部多普勒雷达，分为
10cm的s波段和5cm的c波段两种，南方为 s波段、北方为c波段。西安的雷达型号 为CINRA—CB型。我省内共有5部多普 勒雷达：延安、榆林、汉中、安康、宝 鸡。 应用领域：主要在强对流天气的监测和 预警，天气尺度和次天气尺度降水的监 测，降水的测量、风的测量以及数据的 同化应用等
雷达产品生成子系统（RPG）

RPG是一个多功能的单元。它由宽带通讯线 路从RDA接受数字化的基数据，对其进行处理生 成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用 户。RPG还可以通过雷达控制台（UCP）对RDA 进行监控（遥控方式）。RPG是整个雷达系统的 指令中心。 雷达控制台UCP是RPG的操作界面，可以实 时地对RPG和RDA进行控制。UCP采用流行的窗 口界面。主要的命令集成在菜单和工具栏中，使 用这些命令可实现对RPG和RDA的有效控制。 UCP为雷达操作员提供了一个可以与RPG和RDA 系统人机交互的界面。
图1 多普勒雷达体扫描观测方式
常规雷达观测无法得到三维数据结构、 常用不同仰角的体扫，从0.5度低仰角到 19.5度高仰角14个角度进行。
3、雷达观测
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。CINRAD/CB 使用三种扫描方式： 扫描方式#1：6分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/6） 用于降雨模式，VCP11 扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6）

ห้องสมุดไป่ตู้
什么是Doppler速度 ？ 风矢量的径向分量
不完全是水平的径向分量 一个体积内的主要风矢量 （注意：不是平均风矢量） 不是同一水平面上的风矢量（ 仰角不是零度） 风矢量的代表性（多尺度性） 误差 （器差，信息提取误差） 云、雨粒子的三维运动矢量
1.单多普勒雷达测风
当大气中存在有移动的散射时,利 用多普勒频移效应,多普勒雷达可 以测出它们的瞬时径向速度。 所在地垂直上空不同高度的水平风向 风速及垂直运动; 并可反演出二维 风场。新一代天气雷达仍然是测雨 雷达，风是它的伴随产品。
4、气象产品
根据雷达操作员的输入指令，RPG在体积扫描的基础上产生 需要的产品。产品分为三大类：
1）基产品 根据从RDA接收到的数字化基数据，RPG可以生 成操作员指定仰角上的基反射率因子、基径向速度和基谱宽产品。
2）导出产品：RPG也生成导出产品。一个导出产品是由数 字化的基数据经过使用特定的算法而得到的。原则上说，除了上述 三个基本产品以外的产品都是导出产品。一个导出产品的例子是组 合反射率因子。它使用的算法是在所有仰角上挑选每个体积扫描中 每一地点上最大反射率因子，并把它们组合成一个联合产品。其它 类型的导出产品包括三种基本数据的垂直剖面，垂直累积液态含水 量VIL、冰雹指数、强天气发生概率、回波顶高、中气旋、龙卷特 征和降水量等共33个。 3）字符产品：提供处理过的雷达数据，有文本信息和编码 组成，可显示打印。
宽带通讯(WPC)
宽带通讯装臵提供RDA和RPG间的高速双向 （1.54兆/秒）数据传输。RDA 和RPG可同在一 处，也可相距几十公里。根据距离的不同，所 使用的通讯介质也有所不同，从用于短距离通 讯的导线到用于稍长距离通讯的光缆。
新一代天气雷达扫描示意图
兰色表示的平面即雷达图所在的平面雷达图上的 一点距离越远，高度越高
三、 数据模糊的处理
3.1 距离去折叠 3.2 退速度模糊 3.3 速度模糊和距离折叠最小化
3.1 多普勒天气雷达原理回顾
3.1.1 反射率因子 3.1.2 径向速度和谱宽 3.1.3 最大不模糊距离与距离折叠（模糊) 3.14 最大不模糊速度与速度模糊
3.1.1 反射率因子 Z
R Pr Z C