风廓线雷达原理

2010年3月浙江首个风廓线雷达在甬安装 完成试运营
2010年8月湖北省气象局安装的移动 方舱边界层 风廓线雷达
风廓线雷达网布局
风廓线雷达和探空站网布局
NO.3 风廓线雷达的探测原理
风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的 散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达的电磁波在大气传播工 程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均而产生散射，其中后散射能 量被风廓线雷达所接受。一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方 向的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确定回拨位置。
风廓线探测高度以及工作频率图如下
风廓线仪系统结构框图
风廓线仪主要由五部分组成:天馈﹑发射/接收机﹑信号处理器﹑数据处理及监控分 机。图中虚线部分为声发射器，与风廓线仪联合使用，构成无线电—声探测系统。
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风廓线基本概念
从遥感角度讲
风廓线雷达(wind profiler radar,WPR) 主要是利用 大气 湍流对电磁波的散 射作用对大气风场 等物理量进行探测 的一种主动式地基 遥感设备。
从测量角度讲 因为风廓线雷达同 时要完成测速与定 位功能，所以风廓 线雷达是是无线电 测距与多普勒测速 的结合。
国内外发展及应用
风廓线雷达诞生于20世纪80年代，近三十年已经在国 际气象组织得到认可和广泛使用。美国于1992年开始在美国 建成包括35部风廓线雷达的观测网，并进入业务运行，多年 来的运行结果表明，风廓线雷达网资料能满足观测精度的要 求，他的时空分辨率超过任何高空风测量系统。NOAA（美 国国家海洋和大气管理组织）在对风廓线雷达网进行评估时 指出: 6分钟的风廓线资料能显示出锋面，短波波动，气旋 和重力波等系统连续详实的演变过程，资料通话后，明显地 改善了3-6h临近数值预报结果，美国还计划研制是用于热带 海洋地区的太阳能自动风廓线系统。日本与2003年6月建成 包含31部风廓线来打的气象业务观测网，观测资料在多个领 域地得到广泛应用，芬兰，德国，瑞士，英国，法国都建早 有自主的风廓线雷达网
由于大气湍流折射率的不均匀性，会引起电磁波的散射。向空中发射电磁 波，即使在晴空大气中也会接受到大气的回波。大气湍流散射的雷达方程为:
其中Pr为雷达接收到的回拨功率，Pt为雷达发射的脉冲功率。 h为雷达的
取样长度，τ为雷达发射脉冲宽度，L是雷达天馈雄的损耗，R是回波所在距离。
基本工作原理
为了获取风廓线雷达上空的三维风速信息，至少需要三个不共面的波束 为此，一些风廓线雷达，特别是抛物面天线风廓线雷达 一般采用三个固定 指向波束。三个波束一般是：一个垂直波束，两个倾斜束。倾斜波束的天 顶角一般在十五度左右。但是为了提高高空探测精度相控阵风廓线雷达一 般会采用5个固定指向波束。
➢ WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引 起的强降水。
国内情形
中国气象局所属部门陆续 在北京、上海、唐山、张北、 青岛、深圳、大理、电白等 地布设了数十部风廓线雷达。
• 随着我国国民经济的发展。当前对气象保障工作的要求越来越高，各级气象 部门对风廓线雷达愈来愈迫切。在中国气象局完成多普勒天气雷达网的建设 后，预计风廓线雷达将是下一个重要的布网装备。
多波束工作方式：在多波束工作方式下，相控阵风廓线雷达可以近乎同时完成多个
波束方向的发射或接受任务。多波束是相控阵了雷达相对于机械扫描雷达所特有的技 术。
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风廓线基本原理
同轴共线线极化天线阵
五波束风廓线雷达指向示意图
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有三个波束即可计算出风向风速。设风矢量沿正东正北和垂直的分量为 UE,UN和Ud，矢量沿偏东和偏北，垂直三波束上的投影，各向速度分量计算公 式为：
▪LO美GO国
➢ NPN(35部对流层)，间隔200公里，每个站 配有一套GPS水汽监测系统。CAP(60多部 各种型号)，由35个部门建设的风廓线雷达 组成。
➢ 探测数据和设备的状态信息一起被发送到位 于Bloulder的风廓线雷达控制中（PCC）。 经过数据处理和质量控制，每小时平均的风 数据和温度数据经过计算后发送给NOAA风 廓线雷达网（NPN）的用户。
风廓线雷达可采用不同的模式工作，有发射脉冲宽度确定分层高度。边界层，对 流层和平流层风廓线雷达有不同的分层高度。
根据探测高度的不同，可以将风廓线雷达分为边界层风廓线雷达，对流层风廓线 雷达，以及中间层-平流层-对流层风廓线雷达（MST）.边界层风廓线雷达的探测高 度一般在3千米左右，对流层风廓线雷达的探测高度在12~16千米。MST雷达的探测 高度可以达到中间层高度。
➢ 理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风 廓线雷达网对于天气预报具有很重要的价值， 尤其是监测墨西哥湾水汽输送过程中的低空 急流。NOAA风廓线雷达网的数据对于预测
这种低空急流引起的夜间雷暴非常重要。
国内外发展及应用
▪ 日本
➢ WINDAS(31部1.3G风廓线雷达)，间 隔130公里。
➢ 经过站台处理的10分钟的平均风数 据传输到风廓线雷达控制中心，通过 进一步的一致性检验后用于数值天气 预报。
从应用系统讲
风廓线雷达以晴空大气作为 探测对象，利用大气对电磁 波的散射进行风场的测量， 能够实时提供大气的三维风 场信息，增加无线电声学探 测系统（RASS），与微波 辐射仪或GPS/MET水汽监 测系统配合，可实现对大气 风、温、湿等要素的连续遥 感探测，是一种新的高空大 气探测系统。
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径向速度以朝向天线运动为正，失量的分量取正直代表风向。水平风速 VH,风向由UE，UN导出：
垂直波束的径向速度URd与大气垂直速度一致。
由于倾斜波束偏离垂直方向的角度较小，取其水平方向的分量误差较大，因此， 垂直波束的测量误差要小于水平分量的误差，即风廓线雷达最适用于大气垂直的气流 测量
风廓线测风的分层高度
单波束工作方式：风廓线雷达在探测时，在某一时刻只有一个波束，雷达仅沿这一
个波束方向发射脉冲进行探测。完成一个波束方向的探测之后，将波束切换到下一个 方向，进行下一个波束方向的探测，直到完成所有波束方向的探测，便完成一个探测 Biblioteka Baidu期，再接着进行下一个周期的探测。因为技术条件的限制，抛物面天线雷达只能采 用单波束的工作方式。