雷達(dá)氣象學(xué)42PPT課件

1、第四章第四章 多普勒天氣雷達(dá)多普勒天氣雷達(dá)第1頁(yè)/共34頁(yè)sin)(cos)cos()()(0fhRvvv VAD技術(shù)就是速度方位顯示方法、即讓雷達(dá)天線以某一固定的仰角作方位掃描，并把探測(cè)到的降水粒子在某一距離和方位上的徑向速度VR()記錄并顯示出來(lái)。三、VAD技術(shù)測(cè)量水平流場(chǎng)及降水量第2頁(yè)/共34頁(yè)cos2)(21vvvh水平風(fēng)的來(lái)向，就是徑向速度極小值時(shí)天線所指的方向。sin2)(21vvvf0當(dāng)天線指向上風(fēng)方向時(shí)avavvvhfcossin1（一)測(cè)量均勻流場(chǎng)的風(fēng)向風(fēng)速當(dāng)天線指向下風(fēng)方向時(shí)avavvvhfcossin20 所以可求得被探測(cè)高度上的水平風(fēng)速：粒子的平均下落速度第3頁(yè)/共34

2、頁(yè)速度方位顯示產(chǎn)品 對(duì)于給定高度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)徑向距離（缺省16.2海里），選定與給定高度最接近的仰角資料。然后將該仰角中給定高度上每個(gè)距離庫(kù)上平均徑向速度點(diǎn)繪在徑向速度一方位圖上，橫坐標(biāo)為方位角0或360為正北方向，180朝向正南），縱坐標(biāo)表示徑向速度。最小二乘法擬合這些點(diǎn)，可得到一條正弦波曲線，振幅表示水平風(fēng)速，波谷（負(fù)值最大點(diǎn)）所在方位角表示水平風(fēng)向。 第4頁(yè)/共34頁(yè)(二)測(cè)量非均勻流場(chǎng)的風(fēng)向、風(fēng)速、輻散和形變 VAD VAD曲線的非簡(jiǎn)諧振蕩形式提供了水平風(fēng)場(chǎng)更多的信息。對(duì)曲線的非簡(jiǎn)諧振蕩形式提供了水平風(fēng)場(chǎng)更多的信息。對(duì)VADVAD曲線作諧波分析，應(yīng)用傅氏級(jí)數(shù)的零次，一次和二次諧波展開(kāi)，可

3、曲線作諧波分析，應(yīng)用傅氏級(jí)數(shù)的零次，一次和二次諧波展開(kāi)，可以得到水平輻合、水平風(fēng)向和風(fēng)速以及水平風(fēng)場(chǎng)的形變等信息。以得到水平輻合、水平風(fēng)向和風(fēng)速以及水平風(fēng)場(chǎng)的形變等信息。 avavavvfyxRsincossincoscos)(yyvxxvvvxxxx0yyvxxvvvyyyy00fv 01cossin2coscoscossin1coscos221cossin22yxRfxoyoyxyxvvvRvxyvvvvRxyvvRxy 第5頁(yè)/共34頁(yè)將 按方位角 展成傅氏級(jí)數(shù) 10sincos21nnnRnbnaav Rvsin2cos00fyxvyvxvRacos01xvacos01yvbyvxvR

4、ayxcos21221cos2yxvvbRyx 0na2 , 1 , 0n 0nb2 , 1 , 0n可得到第6頁(yè)/共34頁(yè)第7頁(yè)/共34頁(yè)四、多部多普勒雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)風(fēng)場(chǎng)四、多部多普勒雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)風(fēng)場(chǎng)1三部雷達(dá)方法探測(cè)風(fēng)場(chǎng)2雙多普勒雷達(dá)探測(cè)3. 單多普勒天氣雷達(dá)反演 單部多普勒雷達(dá)只能探測(cè)大氣目標(biāo)物相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度，從徑向速度分布特征再來(lái)推斷大氣流場(chǎng)的特點(diǎn)，因此，單部多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)能力是有限的，它不能直接探測(cè)空氣運(yùn)動(dòng)的二維或三維的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，為了能從單部多普勒天氣雷達(dá)測(cè)得的徑向速度分布，從而推斷氣流的空間情況，必須作出一些假定。第8頁(yè)/共34頁(yè) Lhernitte方法：Lhernit

5、te（1968年)提出了用三臺(tái)多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)的方案.這種方法的原理比較清楚，但實(shí)際上很難做到同步同時(shí)對(duì)準(zhǔn)空間某一點(diǎn)取樣。切實(shí)可行的代替方案是三個(gè)波束獨(dú)立地掃描，多距離同時(shí)取樣、記錄、然后用內(nèi)插方法計(jì)算各時(shí)刻、各地點(diǎn)雷達(dá)的徑向速度。這樣做實(shí)際上隱含著整個(gè)測(cè)量過(guò)程中氣流分布是定常的假設(shè)，而且，資料處理程序非常復(fù)雜，運(yùn)用三部雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)的實(shí)例還很少。而在Lhernitte探測(cè)方案基礎(chǔ)上發(fā)展的幾種雙部天氣多普勒雷達(dá)探測(cè)的方法，已在一些探測(cè)試驗(yàn)中得到應(yīng)用。 1三部雷達(dá)方法探測(cè)風(fēng)場(chǎng)第9頁(yè)/共34頁(yè)第10頁(yè)/共34頁(yè) 最佳布局是指三部雷達(dá)怎樣布局才能在給定的探測(cè)誤差范圍內(nèi),使它的探測(cè)空間最大,其含義

6、是:雷達(dá)如何布局,才能使各點(diǎn)的探測(cè)誤差最小 三部多普勒天氣雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的最佳布局與各部雷達(dá)的最三部多普勒天氣雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的最佳布局與各部雷達(dá)的最大探測(cè)距離和測(cè)速精度及要求的聯(lián)合探測(cè)精度有關(guān)大探測(cè)距離和測(cè)速精度及要求的聯(lián)合探測(cè)精度有關(guān); ; 在三部雷達(dá)的最大探測(cè)距離和測(cè)速精度都相同且測(cè)速精度為在三部雷達(dá)的最大探測(cè)距離和測(cè)速精度都相同且測(cè)速精度為1 m/s1 m/s的情況下的情況下, ,三部雷達(dá)以等邊三角形布局為最佳三部雷達(dá)以等邊三角形布局為最佳, ,其邊長(zhǎng)與雷達(dá)的最大探測(cè)其邊長(zhǎng)與雷達(dá)的最大探測(cè)距離和希望的探測(cè)精度有關(guān)。距離和希望的探測(cè)精度有關(guān)。第11頁(yè)/共34頁(yè) 2雙多普勒雷達(dá)探

7、測(cè) Browning等（1968年）提出，用一部雷達(dá)作垂直指向，測(cè)量雷達(dá)的上空的云粒子的垂直運(yùn)動(dòng)徑向速度，另一部雷達(dá)設(shè)在距雷達(dá)一定距離，同時(shí)對(duì)垂直指向雷達(dá)的上空進(jìn)行探測(cè)。雷達(dá)的天線的方位角固定不變，改變仰角由1度到45度作多普勒徑向速度測(cè)量，這樣就可以得到點(diǎn)上空的垂直速度和水平風(fēng)速。 但是這種方法得不到對(duì)流云完整的三維結(jié)構(gòu)。第12頁(yè)/共34頁(yè) Miller等人在1974年提出對(duì)兩部多普勒天氣雷達(dá)共面探測(cè)方案。該方案是、兩部雷達(dá)在同一個(gè)平面上掃描取樣。該平面與地平面的交線為、兩部雷達(dá)的基線。變化夾角對(duì)不同的平面共同取樣就可以得到三維流場(chǎng)資料。共面探測(cè)方案 共面探測(cè)時(shí)兩部雷達(dá)天線掃描需要很好配合，

8、才能系在同一面上掃描， 操作仍很困難。NSSL（國(guó)家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室）采用兩部雷達(dá)同時(shí)在、兩地各自進(jìn)行固定仰角的方位掃描，從仰角零度開(kāi)始，每抬高度仰角進(jìn)行一次方位掃描，直到降水云頂為止，、兩個(gè)雷達(dá)站取得整個(gè)降水云體的多普勒速度資料 。 2雙多普勒雷達(dá)探測(cè)第13頁(yè)/共34頁(yè)第14頁(yè)/共34頁(yè)共面探測(cè)方案資料處理步驟: 對(duì)所得資料的處理方法是：先利用插值方法求出兩部雷達(dá)共面時(shí)的數(shù)據(jù)，再采用前述資料處理方法進(jìn)行處理。該資料處理步驟如下：該資料處理步驟如下：1 1：首先由兩部雷達(dá)在共同平面掃描中得到平均徑向速度：首先由兩部雷達(dá)在共同平面掃描中得到平均徑向速度 和和 及它們及它們之間的夾角之間的夾角 和和

9、, a, a,計(jì)算出平面上該點(diǎn)的速度計(jì)算出平面上該點(diǎn)的速度 2 2：根據(jù)兩部雷達(dá)測(cè)出該點(diǎn)的回波強(qiáng)度：根據(jù)兩部雷達(dá)測(cè)出該點(diǎn)的回波強(qiáng)度Z Z，根據(jù)雨點(diǎn)末速度和雨點(diǎn)直徑的平方根成，根據(jù)雨點(diǎn)末速度和雨點(diǎn)直徑的平方根成正比的條件下導(dǎo)出的正比的條件下導(dǎo)出的 （或（或 或或 ）關(guān)系式，估算出該處降水質(zhì)點(diǎn)的下降末速度。）關(guān)系式，估算出該處降水質(zhì)點(diǎn)的下降末速度。3 3：由于探測(cè)取樣的平面與地平面存有夾角：由于探測(cè)取樣的平面與地平面存有夾角 ，降水粒子下降的末速度，降水粒子下降的末速度 不垂直于不垂直于探測(cè)平面，必須求探測(cè)平面，必須求 在探測(cè)平面上的垂直分量。在探測(cè)平面上的垂直分量。4 4：運(yùn)用邊續(xù)公式，在不可壓

10、縮的假設(shè)條件下，推算出該平面垂直方向的速度。：運(yùn)用邊續(xù)公式，在不可壓縮的假設(shè)條件下，推算出該平面垂直方向的速度。5 5：斜面上的三維氣流通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到水平面坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換中采用線性插值。：斜面上的三維氣流通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到水平面坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換中采用線性插值。ArVBrVABV0072. 008 . 3 Z107. 006 . 2 Z052. 003 . 4 Z第15頁(yè)/共34頁(yè)973973“中國(guó)暴雨中國(guó)暴雨”雙多普勒雷達(dá)探測(cè)示意圖雙多普勒雷達(dá)探測(cè)示意圖S S波段波段C C波段波段第16頁(yè)/共34頁(yè)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)第17頁(yè)/共34頁(yè)多普勒雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)示意圖第18頁(yè)/共34頁(yè) 在實(shí)

11、際業(yè)務(wù)中，兩部雷達(dá)共同觀測(cè)區(qū)域一般相對(duì)較小，反演出的二維風(fēng)在實(shí)際業(yè)務(wù)中，兩部雷達(dá)共同觀測(cè)區(qū)域一般相對(duì)較小，反演出的二維風(fēng)場(chǎng)難以滿足實(shí)際業(yè)務(wù)的需要。因此人們便把目光投向用單多普勒天氣雷達(dá)反場(chǎng)難以滿足實(shí)際業(yè)務(wù)的需要。因此人們便把目光投向用單多普勒天氣雷達(dá)反演二維風(fēng)場(chǎng)。如：演二維風(fēng)場(chǎng)。如：u陶祖鈺陶祖鈺(1992)(1992)提出提出VAP (Velocity Azimuth Processing)VAP (Velocity Azimuth Processing)方法方法u姜海燕等姜海燕等(1995)(1995)提出渦度提出渦度- -散度方法散度方法一般來(lái)說(shuō)，僅通過(guò)風(fēng)場(chǎng)的一個(gè)方向的分量來(lái)反演實(shí)際二維

12、水平風(fēng)場(chǎng)，必須對(duì)一般來(lái)說(shuō)，僅通過(guò)風(fēng)場(chǎng)的一個(gè)方向的分量來(lái)反演實(shí)際二維水平風(fēng)場(chǎng)，必須對(duì)風(fēng)場(chǎng)做某種假定，這種假定給風(fēng)場(chǎng)反演帶來(lái)較大的不確定性，不過(guò)由于是單風(fēng)場(chǎng)做某種假定，這種假定給風(fēng)場(chǎng)反演帶來(lái)較大的不確定性，不過(guò)由于是單部雷達(dá)觀測(cè)，節(jié)省了人力、物力，便于在氣象業(yè)務(wù)中推廣使用，可在一定程部雷達(dá)觀測(cè)，節(jié)省了人力、物力，便于在氣象業(yè)務(wù)中推廣使用，可在一定程度上滿足人們對(duì)風(fēng)場(chǎng)資料的需求。度上滿足人們對(duì)風(fēng)場(chǎng)資料的需求。 但要想從根本上了解中小尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析災(zāi)害性天氣但要想從根本上了解中小尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析災(zāi)害性天氣發(fā)生的條件及其演變規(guī)律，需要得到這些天氣系統(tǒng)的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。因此，發(fā)生的

13、條件及其演變規(guī)律，需要得到這些天氣系統(tǒng)的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。因此，單部多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如單部多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如: :u Waldteufel and Corbin (1979)Waldteufel and Corbin (1979)提出提出VVP(Volume Velocity VVP(Volume Velocity Processing)Processing)u 邱崇踐等（邱崇踐等（19951995）提出變分反演方法）提出變分反演方法u 崔哲虎等（崔哲虎等（19961996）提出大氣動(dòng)力學(xué)方法）提出大氣動(dòng)力學(xué)方法3、單多普勒天氣雷達(dá)反演第19頁(yè)/共34頁(yè)VV

14、PVVP方法原理方法原理具體見(jiàn)具體見(jiàn)暴雨系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)反演理論和方法暴雨系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)反演理論和方法VIVVIVVIVVIV分析體積示意圖分析體積示意圖 VVP方法即速度體積處理方法（Volume Velocity Processing）,是由Waldteufel和Corbin(1979)最早提出的。它采取徑向、切向及垂直三方向構(gòu)成的三維空間作為分析體積，如下圖所示。在分析體積中假設(shè)：第20頁(yè)/共34頁(yè)第21頁(yè)/共34頁(yè)第22頁(yè)/共34頁(yè)7 7月月2323日日0303：2323的風(fēng)場(chǎng)對(duì)比的風(fēng)場(chǎng)對(duì)比第23頁(yè)/共34頁(yè)1.1.用雙脈沖重復(fù)頻率擴(kuò)展多普勒雷達(dá)可測(cè)速區(qū)間用雙脈沖重復(fù)頻率擴(kuò)展多普勒雷

15、達(dá)可測(cè)速區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化多普勒速度雷達(dá)交替發(fā)射兩種脈沖重復(fù)頻率F1和F2 ：解決測(cè)速模糊的兩種方法)11(1212uuVVVTVu4uVV 第24頁(yè)/共34頁(yè)最大不模糊速度多普勒速度：擴(kuò)展？擴(kuò)展？ *14 1211*TVVVVuuuu*uVV第25頁(yè)/共34頁(yè)2.2.用退折疊技術(shù)消除多普勒速度的折疊用退折疊技術(shù)消除多普勒速度的折疊折疊成因 當(dāng)目標(biāo)物的多普勒頻移fd大于脈沖重復(fù)頻率F的一半(相位大于1800)時(shí)，對(duì)fd的識(shí)別就會(huì)產(chǎn)生混淆。若則即Ffd21FNfd)21(FFffdd)(FNfFNfdd) 1() 1(nmtNVVV2nVFV22第26頁(yè)/共34頁(yè)速度折疊速度折疊 Nyquist 間隔

16、可分辨的速度范圍 最大不模糊速度Vmax之間 如果粒子的徑向速度超過(guò)了Nyquist 間隔，那么速度值就會(huì)aliased (folded)aliased (folded)。這叫速度折疊/混淆(velocity velocity folding/aliasing).folding/aliasing). 例如: 若nyquist 速度是25 m/s ，粒子的radial velocity是0-3 m/s, 那么 就會(huì)發(fā)生折疊，導(dǎo)致其值是+20 m/s第27頁(yè)/共34頁(yè)p退折疊所依據(jù)的原理 軟件退折疊主要依據(jù)連續(xù)性原理，即在大氣中風(fēng)場(chǎng)的分布總是連續(xù)的。因此，只要雷達(dá)的分辨率足夠高、保證風(fēng)場(chǎng)的連續(xù)變化

17、特征不會(huì)模糊掉，那么從理論上講，在有回波之處運(yùn)用連續(xù)性原理，總可以從點(diǎn)推得整個(gè)回波區(qū)的速度值，因?yàn)樗俣鹊恼郫B總是使相鄰庫(kù)問(wèn)的速度增加而呈現(xiàn)出明顯的突變，選擇適當(dāng)?shù)腘，使該速度梯度明顯減小時(shí)即可認(rèn)為此時(shí)的速度值是實(shí)際速度。第28頁(yè)/共34頁(yè)p退折疊的方法 一旦反射率因子、速度和譜寬基本數(shù)據(jù)由RDA傳輸?shù)絉PG，則開(kāi)始執(zhí)行速度退模糊算法。 由于在RDA中已經(jīng)過(guò)距離去折疊處理，所以現(xiàn)在速度數(shù)據(jù)的距離（位置）是正確的，速度退模糊算法試圖識(shí)別和校正模糊的速度。 速度退模糊算法本質(zhì)上是根據(jù)連續(xù)性原則將每個(gè)速度初猜值與它的周圍的相臨速度值相比較。如果一個(gè)速度初猜值與它的周圍值顯著不同，則該算法試圖用另一個(gè)可能的值替換那個(gè)速度初猜值。第29頁(yè)/共34頁(yè) 地物雜波抑制，模數(shù)轉(zhuǎn)換和多普勒資料距離退折疊。 新一代多普勒雷達(dá)基本構(gòu)成第30頁(yè)/共34頁(yè)4.7 雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 在雷達(dá)硬件標(biāo)定正確的情況下，新代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量主要受到三個(gè)因素的影響，分別是： 地物雜波 距離折疊 速度模糊第31頁(yè)/共34頁(yè)u名詞解釋：名詞解釋： 多普勒效應(yīng)、多普勒頻率、相干波、非相干多普勒效應(yīng)、多普勒頻率、相干波、非相干波、全相干多普勒天氣雷達(dá)、脈間相干多普勒天波、全相干多普勒天