天气雷达的基本工作原理和参数知识讲解

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利用基本数据产品,应用各种算 法生成自动报警的产品。如冰雹指 数、中气旋、强天气概率等。
短时预报常用的雷达产品
• 反射率产品(R,CR,VCS) • 基本速度产品(V,SRM) • 垂直液态含水量(VIL) • 回波顶高产品(ET) • VAD风廓线 • 累积降水量
2000年8月31日00:39,仰角为0.5 度的基本反射率因子产品图 (上海)
WSR- D
88 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, 或减去由操作员选定的风暴运动速度。
(a)
(b)
(a)3.4度仰角
(b)14.9度仰角
2004年4月23日 长沙12:37时风暴相对径向速度 图 (基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的)
频率(千兆 波长(厘
赫)
米)
备注
12-40
8-12 4-8 2-4
2.5-0.75
4-2.5 8-4 15-8
测非降水 云
探测降水
探测降水
探测降水
常用天气雷达的主要技术参数
波束宽 度
天线增益G
雷达的 PPI 扫描方式
PPI 显示结果的空间分布
多普勒天气雷达工作原理
多普勒天气雷达
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。
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fd脉冲被产生,就被送到天 线。
全相干发射机
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)。
WSR-88D雷达的天线仰角范围:-10~600。天 线仰角的设置取决于天线的扫描策略(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。
2000年5月26日00:36 仰角2.4 度的平均径向速度图 (上海)
2000年8月30日23:41仰角为0.5度 时的基本速度谱宽产品图(上海)
1998年8月9日16时11分组合反射 率因子产品图
2002年2月14日17时43分组合反 射率因子等值线产品图 (CRC)
2001年8月7日14:45反射率因子剖 面产品 (上海)
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。
• 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。
• 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。
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
多普勒效应是奥地利 多普勒效应
物理学家 J.Doppler1842年 首先从运动着的发声 源中发现的现象,定 义为“当接收者或接 收器与能量源处于相 对运动状态时,能量 到达接收者(器)时 频率的变化”。
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。

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
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 产品生成
多普勒天气雷达的产品介绍
新一代天气雷达系统的产品应用可 分为四类:
1. 基本数据产品 2. 物理量产品 3. 风场反演产品 4. 强天气自动识别和跟踪产品
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)

示 产 生 冰 雹 的 可 能
图 中 绿 色 三 角 形
E(t)ReE1[e(xpi(1ti0t)] E1co2s(f0f1)t
气象台值班室
RDA
RPG
PUP
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
发射机
取得雷达数据的第一步是发射一个射频f0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(f0)脉冲。
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。
二维、三维风场反演方法
二维、三维风场反演方法
二 维 、 三 维 风 场 反 演 方 法
4、强天气自动识别和跟踪产品
: 雷达波长 (单位 m )
回波信号的多普勒频谱分析 见书P212-216
多普勒频率与回波功率波动频率
某一雨滴后向散射电场为:
E (t) RE e (t)i[ ex ip 0 t)(]
其中:Ei为后向散射电场振幅值,
0 2f0
雷达角频率, f0为雷达载波频率
为讨论方便,设初相位为零
若某一个雨滴以径向速度V1运动,产 生多普勒频率f1,则该雨滴后向散射 电场为:
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。
它有助于用户直接和某些天气现象联系起来 进行分析和应用。
这类产品主要有: 1. 回波顶高(ET) 2. 垂直累积液态含水量(VIL) 3. 风切系列产品(径向、方位、径向方位) 4. 分层湍流组合(CAT) 5. 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
WSR-98D 主要产品
Biblioteka Baidu
1、基本数据产品
基本数据产品:是多普勒天气系统的 基础,它主要将雷达以各种探测方式获 取的数据,在不改变属性的前提下,在 多种不同的坐标上显示出它们的分布情 况。
利用这些产品可以直接识别和分析出 一些重要的的天气现象,如钩状回波、 带状回波、中尺度气旋、锋面、下击暴 流、大尺度的风向风速和冷暖平流。
剖面产品
•谱宽剖面(SCS) •速度剖面(VCS) •反射率剖面(RCS)
长沙 2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图
2、物理量产品
物理量产品:是指雷达以各种探测方式获取 的回波强度、径向速度和速度谱宽数据, 经过一定的计算和处理。转化为有明显气 象意义的物理量,进而把这些物理量的分 布显示出来的图像和图形产品。
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)
雷达的三部分
雷达站
一、天气雷达工作原理
天气雷达原理示意图
天气雷达组成框图
天气雷达主要技术参数
1、波束宽度θ 2、天线增益G 3、天线有效面积Ac 4、脉冲长度h、脉冲宽度τ 5、脉冲重复周期T(PRT) 6、脉冲重复频率PRF 7、最大探测距离Rmax、
天气雷达波段、频率、波长关系表
波段 K
X C S
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。
窄波束低旁瓣的天线
相干接收机
信号处理 监控系统
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
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)
第一章
天气雷达基本工作原理及 主要设备、参数
第一章 天气雷达的基本工作原理
和主要设备、主要参数
重点掌握:多普勒天气雷达最大不模糊速度及距离、多普勒频率 参数:PRF、PRT、h、θ、Vr、Vrmax、Rmax、τ、fD 及各计算公 式
一、天气雷达的基本工作原理 二、天气雷达的组成和主要技术参数 1、天气雷达的组成 2、主要技术参数 三、多普勒天气雷达工作原理 1、多普勒天气雷达概述 2、多普勒雷达探测原理 1)、多普勒效应 2)、多普勒频率 3)、多普勒频率与目标物径向速度的关系 4)、多普勒天气雷达原理方框图 3、回波信号的多普勒频谱分析 4、多普勒天气雷达的最大不模糊速度与最大不模糊距离(包括: Vr、VT互求) 5、速度模糊现象的主观识别 6、速度退模糊方法
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