雷达气象学复习重点

1、天气雷达工作原理
天气雷达工作原理:定向地向空中发射电磁波列(探测脉冲)，然后接收被气象目标散射回来的电磁波列（回波信号），并在荧光屏上显示出来，从而确定气象目标物的位置和特性
雷达的测距原理：雷达根据从开始发射无线电波到接收到目标物回波的时间间隔，来测定目标与雷达之间的距离
3、雷达主要组成:
RDA:雷达数据采集系统、RPG:雷达产品生成子系统、PUP:主用户处理系统
①定时器:定时器是雷达的“指挥中心”它实际上是一个频率稳定的脉冲信号
发生器。

定时器每隔一定的时间间隔发出一个脉冲信号，它触发发射机，使发射机定时地产生强大的高频振荡脉冲并使阴极射线管同时开始作时间扫描②发射机:在定时器的控制下,发射机每隔一定的时间产生一个很强的高频脉
冲,通过天线发射出去
③天线传动装置: 天线传动装置主要包括两个部分，一部分是天线的转动系统，
一部分是同步系统。

天线转动系统的作用是：（1）使天线绕垂直轴转动，以便探测平面上的降水分布，或漏斗面上降水、云的分布；（2）使天线在某一方位上作上下俯仰，以便探测云和降水的垂直结构和演变。

天线同步系统（也叫伺服系统）的作用是：使阴极射线管上不同时刻时间扫描基线的方位、仰角和相应时间天线所指的方位、仰角一致（即同步），从而使雷达荧光屏上出现的目标标志（用亮点或垂直偏移表示）的方位、仰角就是目标相对于雷达的实际方位、仰角
④天线转换开关: 因为雷达发射和接受的都是持续时间极短（微秒量级）、间歇
时间很长（千微秒量级）的高频脉冲波，这就有可能使发射和接收共用一根天线。

天线转换开关的作用是：在发射机工作时，天线只和发射机接通，使发射机产生的巨大能量不能直接进入接收机，从而避免损坏接收机；当发射机停止工作时，天线立即和接收机接通，微弱的回波信号只进入接收机
⑤接收机:雷达接收机的作用是将天线接收回来的微弱回波信号放大并变换成
足够强的视频信号送往显示器产生回波标志
⑥雷达天线:雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波和接收来自该方向的回
波。

气象上使用的雷达天线一般由两部分组成：一是天线辐射喇叭，把发射机产生的高频脉冲能量向外辐射。

二是天线反射器，把来自辐射喇叭的脉冲电波，以很小的张角高度定向地向外反射
②显示器:显示器是把雷达探测到的云、雨等目标及其相对于雷达的坐标位置(方
位、距离、高度)、回波强度等显示出来的装置。

由于需要重点了解的情况不同，天气雷达经常使用的显示器有：
①平面位置显示器（PPI）：仰角为0
②距离高度显示器（RHI）
③距离仰角显示器(REI)：低仰角下使用
④等高平面位置显示器（CAPPI）：不同高度平面上使用
4、与探测性能有关的一些雷达参数
①脉冲宽度和脉冲长度
脉冲宽度：发射无线电脉冲波的持续时间叫脉冲宽度。

脉冲长度：脉冲波在空间的长度叫脉冲长度。

用τ表示脉冲宽度，h 表示脉冲长度，仍用c 表示电波在空间的传播速度，则脉冲长度和脉冲宽度之间的关系是:h=τ c
②脉冲重复频率与脉冲重复周期
脉冲重复频率是每秒钟雷达发射脉冲波的次数。

两个相邻脉冲波之间的时间间隔叫做脉冲重复周期。

用F表示脉冲重复频率，T表示脉冲重复周期，它
们之间互为倒数关系：F=1
T
③脉冲功率和平均功率
脉冲功率：指发射机发射脉冲波期间产生的高频功率。

脉冲功率也叫峰值功率。

脉冲功率大，雷达接收到来自云雨的回波比较强，雷达可以探测比较远、比较弱的目标。

平均功率：指脉冲功率在其重复周期内的平均值。

用Pt表示脉冲功率，P t
表示平均功率，有：P t=P t╳τ
T
④方向性图与波束宽度
方向性图：表示天线向外辐射电波能量方向性情况的图叫方向性图
波束宽度：为了定量地表示天线辐射能量的定向程度，可以用方向性图上主波瓣最大辐射方向两侧，辐射能量为最大辐射能量一半的两个矢量之间的夹角的大小来表示，该角叫波束宽度
⑤天线增益
定义：定向天线最大辐射方向上的功率密度和天线各向均匀辐射能量时同一距离上功率密度的比值。

天线增益数值越大，表示天线定向辐射的能力越强。

5、散射和吸收
散射:只改变传播方向,不改变传播能量的形式
粒子对电磁波的散射:只改变电磁波的传播方向,不改变电磁波能量的大小吸收:改变传播能量的形式(能量转化)
粒子对电磁波的吸收:在粒子介质内部传播时,电磁波能量转化为热量,能量受到衰减
大气中引起雷达波散射的主要物质：大气介质、云、降水粒子
散射的分类:瑞利散射：d<<λ的小球形粒子的散射.
米散射： d≈λ的大球形质点的散射
瑞利散射的特征：
①粒子散射能力与λ的4次方成反比。

波长越短，散射越强
②粒子散射能力与D的6次方成正比。

粒子半径越大，散射越强
③粒子前向散射和后向散射为最大，粒子无侧向散射。

散射截面为纺锤形
6、散射截面
用来表示粒子的总散射能力的一个量。

表示：凡射到这个截面上的入射波能量都被散射掉了，入射波在原前进方向上的能量将因粒子散射而减少，单位时间内减少的能量是Q s ▪S i , 瑞利散射时，散射截面的大小与粒子的物理性质、半径、入射波波长有关
7、雷达截面
符号σ表示总散射功率与入射波能流密度之比，即雷达截面
散射截面和雷达截面的区别:
散射截面：散射总功率与入射能流密度之比，Qs ＝Ps/Si
雷达截面：假设各向同性散射，且都等于最大散射能流密度
σ=Ss(max)*4πR 2/Si 雷达截面对雷达探测更具有意义
8、雷达反射率
单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和. 反映了单位体积内一群云、雨滴在天线处造成的回波功率的大小。

用不同波长的雷达所取得的η值不能通过直接比较
9、雷达反射率因子
,Z 的大小只取决于云、雨滴谱的情况，与粒径的6次方成正比，说明少数大粒子将提供散射回波功率的绝大部分
10、等效反射率因子
反射率因子Z 是从用瑞利后向散射表示的反射率公式中引出的，当用3.2cm 或5.7cm 短波长雷达探测强降水或冰雹，以及用10cm 波长雷达探测大冰雹时，瑞利条件不成立，这时用雷达气象方程求得的Z 值就不能与代表降水的实际滴谱分布情况相对应，故只能说是等效的Z 值，以Ze 表示
直接计算Ze 值时,先测定实际粒子的滴谱，算出相对应的瑞利散射的雷达截面，通过瑞利散射和米散射的关系求出米散射的雷达截面，最后利用上式算出Ze 值。

等效反射率因子Ze 的意义：能够产生同样回波功率，与小球粒子的∑Di6 等效的Z 的数值。

引进Ze 值后．即使在米散射情况下．只要以Ze 值代替Z 值，雷达气象方程仍可保持瑞利散射时的简单形式
11、衰减
定义:吸收和散射两种所用的总和,电磁波能量沿传播路径减弱的现象. 衰减物:大气、云、降水粒子
12、电磁波衰减对雷达探测有哪些影响作用
由于衰减，使回波图像、定量测量情况与实际情况之间出现偏差，造成回波的失真 ①由于衰减的存在，同一方向上远处目标的后向散射的定量测量比近处难得多。

——探测距离.②如果传输过程的衰减太大，则强散射区后面的降雨单元的回波有可能被完全衰减掉。

——冰雹天气的V 缺口
60()Z n D D dD ∞
=⎰
13、雷达气象方程：集中反映雷达回波强弱与气象目标物、雷达的各参数以及距离等关系的数学表达式
p r =π31024ln 2p t hG 2θ1φ1λ21
R 2ψ|m 2−1m 2+2|2Z▪10−0.2∫kdR R 0
15、充塞程度：当雷达波束完全在降水或云体的上下边界以内时，可以认为充塞系数=1，当雷达波束只是部分地被降水或云滴充塞是，雷达观测到的回波功率必定比完全充塞时小，计算的Pr 值就偏大，因此必须乘上一个小于1的、取决于充塞程度的充塞系数
16、大气折射: 电磁波在大气中曲线传播的现象就是大气折射
大气折射起源于电磁波在大气中传播速度的变化,传播速度与大气折射指数和介电常数有关,大气折射指数与温压湿有关,随高度增加,大气折射指数减小
17、等效地球半径(Rm ’)
定义：设想地球半径加大到某一数值Rm ’时，使得Rm ’为半径的球面上沿直
线传播的超短波的最大探测距离和真实地球表面上沿折射曲线轨道传播的最大探测距离相同，则Rm ’就称为等效地球半径
引入的意义：用Rm ’来代替真实的地球半径Rm ，这样把超短波处理为直线传播、有利于计算
18、地球球面和大气折射对探测目标物的影响
①球形地面和大气折射使雷达波束偏离地面的情况
当探测距离较远时，即使地面雷达做水平探测，波速轴线的高度也会离开
地面数千米；对近距离降水云，探测到的是降水云的底部；对远距离的降水，探测到的是降水云的中部或顶部；若远处降水云发展高度较低，雷达可能探测不到，实际工作中对此予以注意
②球形地面造成回波分布的变形
19、折射指数随高度变化的几种形式
①标准大气折射
在标准大气情况下，Rm ’= 8500km ，为实际地球半径的4/3倍。

波束路径向
下弯曲，其曲率比地球曲率小，这种折射称为标准大气折射。

标准大气折射可以代表中纬度地区对流层中大气折射的一般情况，亦称为正常折射。

标准大气折射可以使最大探测距离增大16%。

②临界折射：当波束路径的曲率与地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射, 此时, K=15.7×10−8m −1等效地球半径→∞。

③超折射：当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向
ϕϕ
前传播，与波导管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超折射。

等效地球半径Rm’<0，这时K>15.7×10−8m−1
④正折射：标准大气折射、临界折射、超折射这三种情况，共同特点是：满
<0，这样一个公共条件。

所以统称为正折射。

n值随高度的增加而减足dn
dh
小，射线向地面方向弯曲，但弯曲程度不同。

超折射时弯曲最大；临界折射时射线的曲率与地面曲率相同；标准大气时曲率最小，在直线和地表面曲率之间
⑤零折射：如果雷达波束沿直线传播，无折射现象，称为零折射。

这时，K =Rm’
=Rm，绝对曲率等于零，大气是均质的。

在一般情况下，大气不会出现这种情况
⑥负折射：如果雷达波束不是向下弯曲，而是向上弯曲，出现这种折射时，
射线传播路径的绝对曲率小于零，称为负折射。

这时的K<0
定位误差和探测盲区
由于大气水平分布非均匀,使雷达波产生折射,会导致雷达水平探测定位误差和出现探测盲区
大气某些区域，如海陆交界处、海陆锋、锋面两侧气象要素的水平变化不能忽视，折射指数梯度可相差达到30N单位以上，水平均一的假设对高精度探测就不适用了。

由于大气水平分布不均匀，N单位梯度的存在会导致雷达水平探测定位存在误差
26、多普勒径向速度
径向速度：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：移向雷达为正，远离雷达为负；移向雷达为负，远离雷达为正
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
27、径向速度场分析技术与方法从三个方面进行分析
零径向速度线：①零径向速度线是否与向径平行②零径向速度线走向方无显著折角③零径向速度线走向是否和距离圈平行
朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心：①大片正区和负区是否和原点(测站)对称范围是否大致相等②大片正区和负区是否与向径对称③有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心存在④有无多普勒径向速度等值线密集带存在
强多普勒径向速度梯度带：径向速度切向梯度愈大，水平风速愈大，往往与强对流大气（快速移行冷锋、飑线、中尺度气旋）相联系。

成弧状排列时，可能存在强辐合带或飑线，近似圆形排列时，则可能存在强中尺度气旋28、多普勒雷达的径向速度模式
1、图像分析
（a）环境风场的平面图：固定风速为40海里/小时，风向在地面为南风（图像中心），均匀地经西南风变为图象边缘处的西风。

箭头长度正比于风速。

（b）相应的单多普勒速度图像。

颜色表示多普勒速度值：正值（红色，桔黄色）表示离开雷达，负值（绿色，兰色）表示朝向雷达。

零值区表明此地
的风向是与雷达径向相垂直的。

例如，在显示区的外缘，当雷达指向正北和正南时多普勒速度值为零，这意味着在相应的高度上风向要么是由西向东要么是由东向西的，由于在显示区的西部边缘多普勒速度值是负的（朝向雷达的分量），东部边缘的多普勒速度值是正的（离开雷达的分量），那么很明显在相识区边缘的高度上风向是由西向东的。

（c）说明如何利用多普勒零值曲线来解释水平均匀流场的风。

当雷达指向零值带上的点2时，其方位是330 °，那点上的风向是330°± 90°。

由于风从整体上是由西向东的，那么点2处的风向应是330 °-90 °=240 °，以此类推，点3,5和6上的风向分别是300°-90°=210 °，120° +90°=210°和150 °+90°=240°。

在地面雷达站处零值带是东西向的，因为地面风是由南面过来的，风向180 °
2、几种典型流场的PPI多普勒径向速度模式
一、风向不变、风速随高度变化的各种图像
风向若在所有高度上保持一致，那么多普勒速度图像总有一条直的零值带，图像的其他部分就反映了风速的垂直廓线。

（1）风向风速均不随高度变化：a、零径向速度线在PPI上是一条直线——风向在所有高度上保持一致。

b、所有径向风速线都是直线，而且所有直线均通过中心，收敛于雷达站——各高度上的风速与地面风速一样。

（2）风向不变，风速随高度增加而增大：a、零径向速度线在PPI上是一条直线——风向在所有高度上保持一致。

b、当地面风速为零时，它通过雷达站中心。

c、其它非零径向速度线即大小相等、符号相反的径向速度等直线对称的分布在零线两侧并收敛于图像中心但达不到图像中心。

（3）风向不变，风速随高度增加而减少：a、零径向速度线在PPI上是一条直线——风向在所有高度上保持一致。

b、其它非零径向速度线即大小相等、符号相反的径向速度等直线对称的分布在零线两侧。

c、在我们取地面风速为20m/s的情况下，径向速度在20m/s时就闭合。

（4）风向不变，随高度增加先增后减：a、零径向速度线在PPI上是一条直线——风向在所有高度上保持一致。

b、部分曲线闭合，另一部分曲线不闭合，以零径向速度为轴，两边对称排列。

c、当在显示区高度内存在一个风速的最大值时，那么图象上就会出现一对近似椭圆的牛眼，牛眼中心位于雷达的上风向（负值）和下风向（正值）处，对应着风速极大值所在高度的斜距上。

二、风速不变、风向随高度变化的各种图像
当风速随高度保持不变时，各种颜色的多普勒速度带都收敛于显示区的中心（即雷达所在处）。

多普勒速度零值带的曲率表明了风向随高度的变化。

（1）风向随高度逆转风产生一个反型S的零值带
（2）.风向随高度顺转风产生一个S型的零值带
（3）当风向随高度先顺转后逆转时，S型带随雷达距离的增加（高度增加）
而转变为反S带。

三、风速风向都随高度变化的各种图像
（1）风向随高度顺转、风速随高度增加。

（2）风向随高度顺转、风速随高度增加先增后减。

29、冷锋位置的识别
①开始有NE—SW走向，然后折向NW—SE方向的零线，零线附近等值线密集，
零线有明显折角。

②冷锋位于等值线密集带靠近远离（正值）速度中心一侧，并向零线折角方
向延伸。

③折角位于测站以北，冷锋未过境，折角位于测站以南，冷锋已过境。

④有NE—SW走向的雷达回波带与冷锋相配合。

30、中小尺度流场系统
一、中尺度气旋和反气旋
中尺度气旋多普勒径向速度的特征：1.气旋中心的径向速度为0.2.站在原点：面向系统，正值区在右，负值区在左，表示中尺度气旋
二、辐合与辐散
如果实际风向在各高度层上为大尺度的发散或汇合场，则在速度图上，零等径向速度线呈弓形，但弓的背面必在雷达中心
用正负速度区的面积判断辐合和辐散的类型：
S正>S负：辐散（流入少于流出）。

S正<S负：辐合（流入大于流出）。

轴对称辐散气流的多普乐径向速度图像
特点：站在图像中心,面对系统,负值区靠近雷达,正值区远离雷达，辐散系统三、辐合／辐散中尺度气旋图像
基本特点：1、多普勒径向速度零值线与距离圈斜交。

2、一对“牛眼”既不沿径向排列，也不沿距离圈对称排列，都有一个角度。

角度取决于两个流场分量的相对大小和强度
四、判断中小尺度天气系统中尺度气旋：暴雨、龙卷、冰雹、强风等剧烈天气
①确定雷达站位置。

②查找近邻的正负速度对，根据两个速度对相对雷达站的位置，确定是气旋
反气旋，还是辐合、辐散。

③根据正负速度区的中心数值识别其强弱。

④判断其发展：低层是辐合性气旋，高层是辐散性反气旋，则系统将发展。

如果气旋和反气旋无明显辐合，也无明显辐散，中尺度系统达到一个相对极值，未来在一个较短时间内将发生调整
33、旁瓣假回波
概念：一般情况下，旁瓣产生的回波太弱，以至于分辨不出来。

但是当遇上散射能力极高的目标物（如积雨云中柱状的冰雹和暴雨）时就能够出现旁瓣回波
34、旁瓣假回波的识别
RHI：表现为回波顶上出现一条细长的回波，并延伸很高。

在判断这类强降水回波的顶高时，需要除去旁瓣所造成的假回波。

测雨雷达旁瓣和尾瓣的辐射能量很小，只有在近距离目标物有强回波时，才会出现虚假回波现象，因此假回波就可判断出强烈天气即将出现
35、三体散射和旁瓣回波的定义,分别是怎么形成的,他们的出现说明大气中的
哪些天气现象?
旁瓣回波：雷达沿主波瓣传输能量,主波瓣的典型宽度是1°,此外还有一些能量沿偏离主波瓣中心线的旁瓣传输,由旁瓣产生的回波称为旁瓣回波.一般情况下，旁瓣产生的回波太弱，以至于分辨不出来。

但是当遇上散射能力极高的目标物（如积雨云中柱状的冰雹和暴雨）时就能够出现旁瓣回波. 是判断强对流天气的特殊回波
三体散射：雷达发射的电磁波在强降水中心和地面之间经过多次散射后，返回雷达。

而雷达在强回波区的半径延长线上定出一个弱回波区,三体散射的出现说明在探测范围内有强降水,是判断强对流天气的特殊回波
速度场:①速度模糊：最大正负速度区连接②风暴顶辐散。