多普勒雷达复习提要19页word.docx

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多普勒天气雷达复习提要

一、多普勒天气雷达探测基本原理

（一）多普勒天气雷达主要参数

天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁脉冲遇到降水物质（雨滴、雪花和冰雹等）时，大部分能量继续前进，而少部分能量被降水物质向四面八方散射，其中向后散射的能量回到雷达天线，被雷达所接收。

根据雷达接收的降水系统回波特征可以判别降水系统的特性（降水强弱、有无冰雹、龙卷和大风等）。

多普勒天气雷达除了测量雷达的回波强度外，还测量降水目标物沿雷达径向的运动速度和速度脉动程度。

1、波长：

是雷达发射的电磁波波长。

天气雷达的波长通常为10公分、5公分、3公分三种，分别称为S波段、C波段、X波段。

2、脉冲重复频率PRF

天气雷达间歇地发射脉冲形式的电磁波，每秒钟发射脉冲的个数称为脉冲重复频率（PRF）。

两个相继脉冲之间的时间间隔称为脉冲重复周期（PRT）,他等于脉冲重复频率的倒数。

3、脉冲持续时间和脉冲长度

天气雷达脉冲持续时间一般为一到几个微米左右。

假设某部天气雷达的相继脉冲之间的间隔为1000微秒，其脉冲持续时间为2微秒左右，则剩余的998微秒是雷达接收来自目标物回波的时间。

发射脉冲的持续时间确定了脉冲在空间的长度。

例如CINRAD-SA型多普雷天气雷达的窄脉冲持续时间为1.57微秒，脉冲在空间的长度约为500m。

4、波束宽度

雷达发射的能量主要集中在主瓣内（图2.8a），其中主瓣内两个半功率点（及该处功率为最大的一半）之间角度大小称为波束宽度。

在垂直方向的波束宽度用θ表示，在水平方向的波束宽度用φ表示。

我国多普勒天气雷达的波束宽度大多为1°左右。

5、有效照射深度和有效照射体积

雷达发出的脉冲具有一定的持续时间τ，在空间的电磁波列就有一定的长度h=τc。

位于波束宽度和波束长度范围内的所有粒子都可以同时被雷达波束所照射。

但是其中所有粒子产生的回波并不是都能同时回到雷达天线。

在径向方向上，粒子的回波信号能同时返回雷达天线的空间长度为h/2，称为雷达的有效照射深度。

在波束宽度θ和φ的范围内，粒子产生的回波能同时到达雷达天线的空间体积，称为有效照射体积。

（二）粒子对电磁波的散射

1、用后向散射截面表示降水粒子后向散射能力。

图2.1所示，随着粒子直径的增大后向散射截面迅速增大。

2、瑞利散射：

当降水粒子直径远小于脉冲电磁波的波长（确切的说，降水粒子的6倍不超过入射电磁波的波长）时，满足此条件的粒子散射称为瑞利散射。

对于S波段雷达，几乎全部的雨滴和霰及部分小冰雹的散射可以作为瑞利散射处理，而大冰雹就不能作为瑞利散射处理。

对于C波段雷达，只有雨滴的散射可以作为瑞利散射处理。

对于不满足瑞刭散射条件的粒子散射，后向散射截面不存在简单的解析式。

（三）雷达气象方程与反射率因子

可以推得雷达平均回波功率可用下式表达：

其中

式中r为散射目标物到雷达的距离；

Z为单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子，

c只决定于雷达参数和降水相态。

式中pt为峰值发射功率，G为天线增益，h脉冲长度，λ为波长。

K为与构成散射粒子的物质的复折射指数有关。

在满足瑞利散射的条件下，水球｜k｜2的值对于S、C和X波段雷达均为0.93左右，冰球｜k｜2的值为0.197，也就是说冰球的后向散射截面大约只有同样大小的水球的1/5。

在雷达中，反射率因子是根据雷达方程有雷达测得的平均回波功率得到。

反射率因子变化区间很大，常用反射率因子的对数形式dBZ来表示反射率因子的大小。

（Z0=1mm6/m3）

（四）多普勒效应和径向速度

１、多普勒效应:

当声波的声源相对于观察者有相对运动时,观察者听到的声波的频率比声源静止时有所变化,如果发声源向着观察者运动,则频率增加,向着离开观察者方向运动,则频率降低。

电磁波同样也存在多普勒效应，对于天气雷达而言，当降水粒子向着雷达运动时，其产生的回波的频率略高于发射波的频率，而当降水粒子向着远离雷达方向运动时，产生的回波频率略低于发射波的频率（图2.13）。

这种所谓多普勒移频的大小与降水粒子沿雷达径向的速度成正比，通过多普勒移频的测定可以推断降水目标物沿着雷达径向的速度。

２、平均径向速度：

雷达最终给出的径向速度是多个脉冲对得到的径向速度的平均值，称为为平均径向速度，而相应的标准差称为谱宽。

通常采用几十对脉冲的统计得到平均径向速度和相应的谱宽。

（五）距离折叠与速度模糊

距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物的位置一种辨认错误。

当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置方位角是正确的，但距离是错误的。

当目标物位于最大不模糊距离Rmax以外时，雷达把目标物显示在Rmax以内的某个位置，形象称之为“距离折叠”。

多普勒雷达径向速度的测量也存在一个范围，即存在一个最大不模糊速度，其表达式为：

只有当径向速度在-Vmax到+Vmax范围时。

多普勒雷达在可以给出正确的速度值，当实际降水粒子的速度值在上述范围之外时，雷达将给出错误的速度值，这一现象称为速度模糊。

在同样的脉冲重复频率条件下，S波段优于C、X波段，C波段优于X波段。

“多普勒两难”

（六）雷达波在大气中传播

1、雷达波束的偏折和弯曲

大气中某高度折射指数取决于该高度上的气温、气压和水气压。

大气折射指数随高度递减，则水平射出的雷达波束向下弯曲，反之，如果大气折射指数随高度递增，则水平射出的雷达波束向上弯曲，如果大气折射指数随高度不变，则水平射出的雷达波束将沿直线传播。

超折射：

当波束路径的曲率大于地球表面曲率时，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，在经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前传播，称为大气波导传播，又称超折射。

形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反射波也沿同样路径返回雷达天线，所以在雷达屏上的地物回波增多，增强，通常称为超折射回波。

2、雷达波束在大气中的衰减

降水对不同波段的雷达波的衰减差异很大，随着波长的增加，雨对雷达波的衰减迅速减小；冰雹对C、X波段雷达衰减非常严重，特别是X波段雷达。

二、雷达基本图像识别基础

（一）雷达图像的PPI显示

在主用户处理器PUP屏幕上分析一张雷达图时，实际上是在圆锥的俯视平面图上分析空间的雷达回波。

这种固定仰角的雷达显示方式称为PPI显示。

PUP上显示的雷达回波高度是假定大气为标准情况下的高度，如果大气偏离标准状态较多根据公式测得的高度就会发生较大误差，如超折射。

PUP上显示的是波束的中心高度，如果回波距离雷达较远，波束宽度较宽，也会造成高度的估计误差。

（二）反射率因子

1、降水回波

①积云降水回波：

具有比较密实的结构，反射率因子空间梯度较大，其强中心反射率因子一般在35Dbz以上；

②层状云降水回波：

降水回波比较均匀，反射率因子空间梯度较小，反射率因子一般大于15Dbz（有些毛毛雨产生的反射率因子一般小于10Dbz）而小于35Dbz；

③层状云和积云混合降水回波：

以层状云降水为主的回波，在大片层状云降水中有少量对流云团；以积状云为主的回波的混合降水回波，降水中心集中在中尺度对流雨带内。

④零度层亮带：

层状云和积云混合降水回波另一个显著特征就是0℃等温层附近出现反射率因子较高的环形区域。

通常较高的仰角（2.4°）上比较明显。

2、非降水回波

①地物杂波：

地物回波包括固定地物回波和超折射地物回波。

②晴空回波：

Bragg散射：

水汽的脉动导致微尺度的大气折射指数梯度对雷达波的散射造成的，大气的折射指数梯度空间相当于雷达波长二分之一时散射最强，称为Bragg散射。

？

昆虫散射：

大气低层昆虫散射造成的。

特别是昆虫沿着边界层辐合线集中可以得到边界层辐合线以窄带回波的形式显示在雷达图上。

③非降水云的回波：

非降水云中零度层亮带回波。

④其他回波：

飞机、大火回波。

（三）径向速度图

1、大尺度连续风场的识别

（1）径向速度：

多普勒天气雷达在离开雷达的任何一点只能测量该处降水物质沿雷达的径向速度。

（2）在pup上，离开雷达的方向的径向速度为正，用暖色表示，称为出流速度；流向雷达的速度为负，用冷色表示，称为入流速度。

当实际风速为零或雷达波束与实际风向垂直时，径向速度为零，称为零速度。

（3）判断实际风

要判断某一高度的风向、风速，首先需要确定该高度与某一个仰角扫描成的圆锥相交得到的圆环，根据该圆环径向速度分布特征，确定该圆环所在高度的风向风速。

①风向的确定

首先确定径向速度零线与圆环的交点，由雷达中心沿径向划一直线到该点，从该点划一矢量垂直此直线，方向从入流径向速度一侧到出流径向速度一侧，此矢量即是该点所在高度的实际风向。

②风速的确定

沿着圆环寻找离开雷达和向着雷达速度旳极值，二者绝对值的平均值就是该高度上的平均值就是该高度上的平均风速。

（4）大尺度连续风场的识别

其中虚线代表向着雷达速度等值线，实线代表离开雷达速度等值线，粗实线代表径向速度零线。

速度方位显示风廓线的例子

（5）锋区的识别

2、中γ尺度速度图像特征

中γ尺度系统的速度图像特征不是在整个PUP显示屏范围内识别，而是在屏上选择包含整个中γ尺度系统的小区域，将其放大显示。

首先确定其相对雷达的方位，并近似认为选择的小区域在同一个高度层上。

三、雷暴的分类及其雷达回波特征

（一）雷暴的分类

1、对流单体：

通常以一块紧密的雷达反射率因子区或造成深对流的强上升气流区为标志。

2、对流风暴：

通常由一个和多个对流单体组成，风暴单体具有强烈的垂直运动并激发深对流的产生。

对流风暴通常分为普通单体风暴、多单体风暴、线风暴（飑线）和超级单体风暴四类。

（1）普通单体风暴的演化过程通常包括塔状积云阶段、成熟阶段和消亡阶段三个阶段。

①塔状积云阶段：

初始雷达回波的水平为1km左右，垂直尺度略大于水平尺度；初始回波形成后，随着水滴和雪花等水成物不断生成和增长，回波向上向下同时增长，但回波不及地，最强回波一般在云体中上部。

②成熟阶段：

雷达回波及地，云砧回波可延伸数十公里至上百公里，其实际水平尺度可达100～200km。

③消亡阶段：

回波强中心有较高高度迅速下降到地面附近，回波垂直高度迅速降低，回波强度减弱，并且分裂消失。

（2）多单体风暴和飑线

①多单体风暴：

不断有单体在多单体风暴固定一侧生成，然后增长、成熟、衰减，使得强烈多单体风暴持续数小时。

②飑线：

呈线状排列的对流单体族，其超过35dbz的部分长宽之比大于5：

1，构成飑线的各个单体之间有相互作用并产生大风，飑线经过时，常常伴有地面大风、气压涌升、气温陡降。

飑线前沿有强反射因子梯度区，相应经向速度呈现很强的辐合。

（3）超级单体风暴

①中气旋

中气旋是指尺度小于10km的涡旋，满足或超过一定的旋转（切变）、垂直伸展和持续性判据。

定义1：

垂直涡度大于等于10-2s-1，垂直伸展超过风暴垂直尺度的1/3，持续2个体扫。

定义2：

将中气旋分为弱、中、强三个等级，旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。

②经典超级单体风暴

　　深厚持续的中气旋是超级单体风暴最本质的特征，它产生在中等到强的垂直风切变（还有丰富底层水汽、大的垂直不稳定度、强的对流前暖盖）环境中。

当一个风暴加强到超级单体风暴阶段，其上升气流基本是竖直的，回波顶移过底层反射率因子的高梯度区而位于一个持续的有界弱回波区之上，在其生命期某些阶段，其右后方（相对于风暴的运动而言）的底层展现钩状回波。

其伴随的天气有各种级别的龙卷、冰雹、下击暴流、暴洪。

③强降水（HP）超级单体风暴

强降水超级单体风暴通常在底层有丰富的水汽、较低的LFC（自由对流高度）和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得以发展和维持。

强降水超级单体的中气旋常常被包裹在强降水区中，显示为或包含一个宽广的高反射率因子（>50dbz）的钩状回波，或包含一个与WER相联系的前侧“V”字缺口（FFN），