6多普勒天氣雷達原理與應(yīng)用

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第六部分多普勒天氣雷達原理與應(yīng)用（周長青）

我國新一代天氣雷達原理；天氣雷達圖像識別；對流風暴的雷達回波特征；新一代天氣雷達產(chǎn)品

第一章我國新一代天氣雷達原理

一、了解新一代天氣雷達的三個組成部分和功能

新一代天氣雷達系統(tǒng)由三個主要部分構(gòu)成：雷達數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（RDA）、雷達產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG）、主用戶處理器（PUP）。二、了解電磁波的散射、衰減、折射

散射：當電磁波束在大氣中傳播，遇到空氣分子、大氣氣溶膠、云滴和雨滴等懸浮粒子時，入射電磁波會從這些粒子上向周邊八方傳播開來，這種現(xiàn)象稱為散射。衰減：電磁波能量沿傳播路徑減弱的現(xiàn)象稱為衰減，造成衰減的物理原因是當電磁波投射到氣體分子或云雨粒子時，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰俊?/p>

折射：電磁波在真空中是沿直線傳播的，而在大氣中由于折射率分布的不均勻性

（密度不同、介質(zhì)不同），使電磁波傳播路徑發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為折射。三、了解雷達氣象方程

在瑞利散射條件下，雷達氣象方程為：

其中Pr表示雷達接收功率，Z為雷達反射率，r為目標物距雷達的距離。Pt表示雷達發(fā)射功率，h為雷達照射深度，G為天線增益，θ、φ表示水平和垂直波寬，λ表示雷達波長，K表示與復(fù)折射指數(shù)有關(guān)的系數(shù)，C為常數(shù)，之決定于雷達參數(shù)和降水相態(tài)。

四、了解距離折疊

最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達的最長距離，Rmax=0.5c/PRF,c為光速，PRF為脈沖重復(fù)頻率。距離折疊是指雷達對雷達回波位置的一種鑒別錯誤。當距離折疊發(fā)生時，雷達所顯示的回波位置的方位角是正確的，但距離是錯誤的（但是可預(yù)計它的正確位置）。當目標位于最大不模糊距離（Rmax）以外時，會發(fā)生距離折疊。換句話說，當目標物位于Rmax之外時，雷達卻把目標物顯示在Rmax以內(nèi)的某個位置，我們稱之為‘距離折疊’。

五、理解雷達探測原理。

反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標內(nèi)部降水粒子的尺度和數(shù)密度，反射率越大，說明單位體積中，降水粒子的尺度大或數(shù)量多，亦即反映了氣象目標強度大。反射率因子（回波強度）：

即反射率因子為單位體積內(nèi)中降水粒子直徑6次方的總和。意義：一般Z值與雨強I有以下關(guān)系：層狀云降水Z=200I1.6地形雨Z=31I1.71雷陣雨Z=486I1.37新一代天氣雷達取值Z=300I1.4

六、了解雷達資料確鑿的局限性、資料誤差和資料的代表性

由于雷達在探測降水粒子時，以大氣符合標準大氣狀況為假定，與實際大氣存在一定的區(qū)別，使雷達資料的確鑿度具有一定的局限性，且由于雷達本身性能差異及探測方法的固有局限，對探測目標存在距離折疊及速度模糊現(xiàn)象，對距離模糊和速度模

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糊的處理等，均增大了雷達資料的誤差。雖然如此，由于徑向速度是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，雷達反射率因子通過對沿徑向上的四個取樣體積平均得到的，其徑向分辯率相當于四個取樣體積的長度，這也使雷達探測的資料具有一定的代表性。

其次章天氣雷達圖像識別

一、把握多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)為，當接收者或接受器與能量源處于相對運動狀態(tài)時，能量到達接受

者或接收器時頻率的變化。多普勒頻率，是由于降水粒子等目標的徑向運動引起的雷達回波信號的頻率變化，也稱為多普勒頻移，其與目標的徑向運動速度成正比，與多普勒天氣雷達波長成反比。

二、了解多普勒天氣雷達測量反射率因子、平均徑向速度和速度譜寬的主要技術(shù)方法

多普勒雷達利用降水粒子的后向散射與多普勒效應(yīng)來達到對其探測的目的。通過發(fā)射信號與接收信號的延遲來測量距離，通過降水粒子的多普勒頻移來測量其速度。反射率因子：雷達的反射率因子是降水粒子后向散射被雷達天線接收到的回波，為單位體積內(nèi)中降水粒子直徑6次方的總和，反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標內(nèi)部降水粒子的尺度和數(shù)密度，反射率越大，說明單位體積中，降水粒子的尺度大或數(shù)量多。

平均徑向速度：由于降水粒子等目標的徑向運動引起的雷達回波信號的頻率變化，也稱為多普勒頻移，其與目標的徑向運動速度成正比，與多普勒天氣雷達波長成反比。徑向速度則是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，而相應(yīng)的標準差即為譜寬。

速度譜寬：徑向速度則是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，而相應(yīng)的標準差即為譜寬。三、理解距離折疊和速度模糊的概念

最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達的最長距離，Rmax=0.5c/PRF,c為光速，PRF為脈沖重復(fù)頻率。

距離折疊：距離折疊是指雷達對雷達回波位置的一種鑒別錯誤。當距離折疊發(fā)生時，雷達所顯示的回波位置的方位角是正確的，但距離是錯誤的（但是可預(yù)計它的正確位置）。當目標位于最大不模糊距離（Rmax）以外時，會發(fā)生距離折疊。即當目標物位于Rmax之外時，雷達卻把目標物顯示在Rmax以內(nèi)的某個位置，我們稱之為‘距離折疊’。假使一個散射區(qū)在Rmax之外，那么回波只有在下一個脈沖發(fā)射之后才能收到，由于實際的來回距離在Rmax和Rmax之間，因此這種回波被稱為其次區(qū)回波。

最大不模糊速度Vmax：最大不模糊速度是雷達能夠不模糊地測量的最大平均徑向速度，其對應(yīng)的相移是180度。依照Nyquist采樣定理可知，雷達能夠確鑿測量多普勒頻率是PRF/2，即fDmax=PRF/2?？紤]到多普勒頻率實際上是頻率漂移，可正可負,故fDmax=±PRF/2,把關(guān)系式fD=2V/λ代入,并把fDmax和Vrmax相對應(yīng),可得：Vmax=±λ*PRF/4

對實際使用的雷達來說，波長是固定的，選中定了Rmax（或脈沖重復(fù)頻率）后，

就會存在一個Vmax。即，當目標的徑向速度大于最大不模糊速度時，就會產(chǎn)生混淆。由雷達測得的徑向速度將相差兩倍最大不模糊速度（稱Nyquist間隔或速度折疊）。當最大不模糊速度較小時，會產(chǎn)生屢屢速度折疊，此時：真實速度的可能值v-2nVmax或v+2nVmaxn為1,2,3，···為Nyquist數(shù)或速度折疊次數(shù)。四、了解新一代天氣雷達工作方式

掃描方式告訴雷達在一次體積掃描中使用多少仰角和時間。WSR-88D和CINRADWSR-98D使用三種掃描方式：

5分鐘完成14個不同仰角上的掃描（14/5）

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6分鐘完成9個不同仰角上的掃描（9/6）10分鐘完成5個不同仰角上的掃描（5/10）

體掃模式(VCP:VolumeCoverPattern）：掃描方式確定一次體積掃中使用多少個仰角，而具體是哪些仰角則由體掃模式來規(guī)定。目前只定義了其中的4個：

VCP11：規(guī)定5分鐘內(nèi)對14個具體仰角的掃描方式。VCP21：規(guī)定6分鐘內(nèi)對9個具體仰角的掃描方式。VCP31：規(guī)定10分鐘內(nèi)對5個具體仰角的掃描方式。

VCP32：確定的10分鐘完成的5個具體仰角與VCP31一致。

不同之處：VCP31使用長雷達脈沖VCP32使用短脈沖。WSR-98D未定義VCP32。

工作模式（OperationalMode）：WSR-88D使用兩種工作模式，即降水模式和晴空模式。雷達的工作模式?jīng)Q定了使用哪種VCP。

工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相應(yīng)的掃描方式分別為14/5和9/6。工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，兩者都使用掃描方式5/10。五、了解數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制原理和方法去除距離折疊的方法：

①用隨機相位編碼技術(shù)消除距離折疊。

②調(diào)理脈沖重復(fù)頻率（PRF），這樣便可以改變Rmax，并可能在所關(guān)心的區(qū)域?qū)⒕?/p>

離折疊退掉。

③選擇一個較高的仰角掃描能戰(zhàn)勝距離折疊問題。

④采取變換探測地點的方式可以觀測到同一個風暴的不同側(cè)面。去除速度模糊的方法：

目前最常見的客觀速度退模糊的技術(shù)方法有下面幾種：

①主觀識別和消除速度模糊影響，在使用速度回波的PPI或RHI等圖像以前，應(yīng)首先分析是否存在速度模糊現(xiàn)象，如存在，則在使用時排除其影響。②改變脈沖重頻或交替使用雙重頻。六、理解什么是多普勒兩難

根據(jù)得知，對每個特定雷達而言，在確定的頻率下，探測的最大距離和最大速度不能同時兼顧。

第三章對流風暴的雷達回波特征

一、了解層狀云降水、積云降水和積云層狀云混合降水的反射率因子圖像主要特征

在常規(guī)雷達上，積狀云降水回波被描述為具有密實的結(jié)構(gòu)，而層狀云降水回波具有均勻的紋理和結(jié)構(gòu)，積狀和層狀混合降水回波具有絮狀結(jié)構(gòu)。積狀云降水，反射率因子空間梯度較大，其強度中心的反射率因子尋常在35dBZ以上，而層狀云降水反射率因子空間梯度小，反射率因子一般大于15dBZ，小于35dBZ。層狀云降水或?qū)訝?積云混合降水反射率因子回波的另一個特征是所謂的“零度層亮帶〞的存在。二、理解邊界層輻合線的識別

邊界層輻合線：邊界層輻合線在新一代天氣雷達反射率因子圖上浮現(xiàn)為窄帶回波，強度從幾個dBZ到十幾個dBZ。

三、理解風隨高度變化的徑向速度圖主要特征

①等徑向速度線為直線：零等速線呈直線，各高度層上的風為均勻風場。假使實

際風速在某高度層上出現(xiàn)最大值，則在徑向速度圖上表現(xiàn)為被閉合等速區(qū)所包圍的最大徑向速度區(qū)。

②S型和反S型徑向速度圖像：零等速線呈S型，表示實際風向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，在雷達有效探測范圍內(nèi)有暖平流；同樣，零等速線呈反S型，表示實際風向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)，在雷達有效探測范圍內(nèi)有冷平流。

③會集和發(fā)散流場的速度圖像：假使實際風向在各高度層上為會集或發(fā)散，則在速度圖上零等速線呈弓形。

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四、了解鋒面的徑向速度圖像特征

鋒面從西北方向移向ＲＤＡ，冷風迫近時，零等速區(qū)（線）有兩個（條），一個通過ＲＤＡ呈S型結(jié)構(gòu)，另一個未通過RDA呈反Ｓ型結(jié)構(gòu)。鋒區(qū)位于東北－西南向零等速線，如下圖。

當冷鋒位于ＲＤＡ時，有三條零等速區(qū)（線），有一條零等速線通過ＲＤＡ中心，為鋒區(qū)所在位置，如下圖。

當冷鋒通過ＲＤＡ后，有三條零等速區(qū)（線），在ＲＤＡ東南方呈西南－東北向的零等速線即為鋒區(qū)，如下圖。五、理解γ中尺度系統(tǒng)的徑向速度特征

①γ中尺度氣旋／反氣旋流場：在小區(qū)域內(nèi)，當一對最大入流／出流速度中心距雷達是等距離時，表示在該區(qū)域內(nèi)有中γ尺度旋轉(zhuǎn)存在，沿雷達徑向方向，若最大入流速度中心位于左側(cè)，表示為氣旋性旋轉(zhuǎn)，若最大入流速度中心位于右側(cè)，則為反氣旋性旋轉(zhuǎn)。

②γ中尺度輻合／輻散流場：由于γ中尺度輻合／輻散流場得尺度較小，其源點或匯點和整個流場均在雷達的有效探測范圍內(nèi)，在包含γ中尺度輻合／輻散流場的小區(qū)域內(nèi)，沿同一雷達徑向方向有兩個最大徑向速度中心，若最大入流中心位于靠近雷達一側(cè)，則該區(qū)域為徑向輻散區(qū)，相反則為徑向輻合區(qū)。

③γ中尺度氣旋式輻合／輻散流場：當一對最大入流／出流中心位于距雷達不是

等距離且不在同一雷達徑向時，若最大出流中心更靠近雷達且最大入流中心位于雷達徑向左側(cè)時，表示小區(qū)域內(nèi)流場為氣旋式輻合，相反，若最大入流中心更靠近雷達且且最大出流中心位于雷達徑向左側(cè)時，表示小區(qū)域內(nèi)流場為氣旋式輻散。

④γ中尺度反氣旋式輻合／輻散流場：與上述狀況類似，還可以有反氣旋式輻合

和反氣旋式輻散。

第四章新一代天氣雷達產(chǎn)品

一、理解對流單體的概念模型

根據(jù)積云中盛行的垂直速度的大小和方向，普通風暴單體的演化過程尋常包括三個階段：

①塔狀積云階段：由上升氣流所控制，上升速度一般隨高度增加，且主要由局地暖空氣的正浮力或者由低層輻合引起，上升速度一般為5~10m/s，個別達到25m/s。在塔狀積云的后期，降水能夠引發(fā)下沉氣流。

②成熟階段：實際上是由上升氣流和下沉氣流共存的階段。成熟階段開始于雨最初從云底下降之時，可認為雷達回波接地是對流單體成熟階段的開始。此時，云中上升氣流達到最大，隨著降水過程的開始，由于降水粒子所產(chǎn)生的拖拽作用，形成了下沉氣流。然后，這種下沉氣力在垂直和水平方向上擴展。這種冷性下沉氣流作為一股冷空氣，在近地面的低層向外擴散，與單體運動前方的低層暖濕氣流交匯而形成颮鋒，又稱陣鋒風。成熟階段的對流單體的中上部，仍為上升氣流和過冷水滴及冰晶等水成物。當云頂伸展到對流層頂附近時，不再向上發(fā)展，而向該處的環(huán)境風下風方向擴展，出現(xiàn)水平伸展的云砧。

③消亡階段：為下沉氣流所控制，此時降水發(fā)展到整個對流云體。實際上，當下

沉氣流擴展到整個單體，暖濕空氣源被擴展的冷池切斷時，風暴單體開始消亡。二、了解對流風暴的分類

對流風暴可分為以下四類：①普通單體風暴，②多單體風暴，③線風暴（飚線），④超級單體風暴。前三類可以是強風暴，也可以是非強風暴，而第四類一定是強風暴。

三、理解影響雷暴生成發(fā)展的主要因素及診斷方法

影響雷暴生成發(fā)展的主要因素有熱力（浮力）不穩(wěn)定、風的垂直切變和水汽的垂直分布三個因子。另外，在對流不穩(wěn)定條件下，還需要一定的抬升條件對流才能發(fā)生。由于浮力決定了垂直方向上空氣的加速程度，它與風暴強度直接相關(guān)。垂直風切

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變有利于風迸發(fā)展、加強和維持，從而決定了風暴類型的蛻變和發(fā)展。另外風暴和環(huán)境的相互作用也會影響風暴的強度和組織。四、了解風暴相對螺旋度的概念和物理含義

風暴相對螺旋度是衡量風暴旋轉(zhuǎn)潛勢的具有明確意義的物理量，其取決于沿相對

風暴氣流流線方向的水平渦度，而這些因子又取決于低層垂直風切變的強度和方向以及風暴的運動。其表達式為：

其幾何意義為：它與速度矢端圖中兩個層次之間的相對風暴風矢量所掃過的區(qū)域

的面積成正比。

五、把握脈沖風暴的雷達回波特征

脈沖風暴的雷達回波結(jié)構(gòu)有三個特點：①初始回波出現(xiàn)的高度一般在6~9km之間，②強回波中心值一般大于50dBZ，③強中心所在的高度也比較高，一般在-10℃等溫線的高度。六、理解中氣旋的定義

中氣旋是與強對流風暴的上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊湊相連的小尺度（小于10km）渦旋，該渦旋滿足一定的切變、垂直伸展和持續(xù)性判據(jù)。一般垂直渦度大于等于10?2S?1，垂直伸展超過風暴垂直尺度的1/3，持續(xù)2個體掃即為中氣旋。

七、把握超級單體風暴的定義和雷達回波特征

超級單體風暴最本質(zhì)的特征是具有深厚而持久的中氣旋，且只產(chǎn)生在中等到強的垂直風切變環(huán)境中。超級單體風暴的回波特征為：①持續(xù)有界弱回波區(qū)，②持久的中氣旋，③低層鉤狀回波，④三體散射長釘，⑤懸垂狀回波，⑥旁瓣回波，⑦“V〞型缺口，⑧上部浮現(xiàn)寬大而伸展的云砧，⑨雷達回波頂高度較高。

A：旁瓣回波B：三體散射C:弱回波區(qū)D：云砧E：回波墻F：懸掛回波G：雨幡八、把握颮線的雷達回波特征

①有界弱回波區(qū)，②中高空的懸垂裝回波，③徑向速度剖面浮現(xiàn)低層輻散、中層輻合和高層輻散。

九、理解基本反射率、平均徑向速度、組合反射率、垂直累計液態(tài)水含量、回波頂高、1小時降水估測、中氣旋、冰雹指數(shù)、龍卷渦旋特征等常用產(chǎn)品