雷达复习.docx

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雷达复习

雷达气象学

绪论&第一章雷达基本概念

1.常用的测雨雷达波段与波长

X波段——cm、C波段（反射强，内陆地区，一般性降水）——cm、S

波段（穿透能力强、衰减少，沿海地区，台风、暴雨）——cm

2.雷达主要由哪几部分组成

①雷达数据采集子系统（RDA）：

A.发射机：

RDA是取得雷达数据的第一步——发射电磁波信号。

RDA主要

是由放大器完成，产生高效率且非常稳定的电磁波信号。

稳定

是非常重要的，产生的每个信号必须具有相同的初相位，以保

证回波信号中的多普勒信息能够被提取。

一旦信号产生，就被

送到天线。

B.天线：

将发射机产生的信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量，

确定目标物的强度，同时确定目标物的仰角、方位角和斜距进行定位。

天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（共有三种）、体扫模式（

VCP）和工作模式（分为晴空和降水两种模式）。

使用三种扫描方式：

扫描方式#1：

5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5）

扫描方式#2：

6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6）（我国）

扫描方式#3：

10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）

体扫模式定义4个：

VCP11---VCP11规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。

VCP21---VCP21规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。

VCP31---VCP31规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。

VCP32---VCP32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。

工作模式：

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。

C.接收机：

当天线接收返回（后向散射）能量时，它把信号传送给接收机。

由于接收到的回波能量很小，所以在以模拟信号的形式传送给

信号处理器之前必须由接收机进行放大。

D.信号处理器：

完成三个重要的功能：

地物杂波消除，模拟信号向数字化

的基本数据的转换，以及多普勒数据的退距离折叠。

②雷达产品生成子系统（RPG）：

产品生成、产品分发、通过UCP（雷达控制台）

对整个雷达系统进行控制。

③主用户处理器（PUP）：

主要功能是获取、存储和显示产品。

预报员主要通过

这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的

形式显示在图形监视器上。

④宽/窄带通讯子系统（WNC）及附属安装设备

3.雷达的定位原理（距离、方位、仰角）

目标位置的确定——由于雷达收发共用天线，雷达的定位就是目标的定位

1、方位：

极坐标360度，正北方位0度，顺时针旋转

2、仰角：

地平为0度，向上为正

3、距离：

以雷达为中心，径向延伸R=C*dT/2,C：

光速；dT：

电磁波从发射

到接收的时间

4.常用的雷达参数是哪些

1、波长λ：

电磁波传播时，从一个周期的起点到下一个周期的起点之间的最短

距离。

波长反映了波在空间上的周期性。

2、脉冲宽度：

一个脉冲的持续时间

3、脉冲长度h=c：

一个脉冲在空间走过的长度

4、脉冲重复频率F（PRF）：

每秒钟发射脉冲的次数

5、脉冲重复周期T：

从一个脉冲前沿到下一个脉冲前沿所持续的时间，F与T

互为倒数

6、平均功率Pav与发射功率Pt

7、发射信号

8、回波信号

5.天气雷达常用的显示方式

PPI：

平面位置显示器，简称平显。

天线固定某仰角，以正北方向为起始方位

顺时针作全方位360度圆锥扫描，显示目标的距离与方位。

RHI：

距离高度显示器，简称高显。

天线固定某方位，做俯仰扫描，显示目标

的垂直剖面。

CAPPI：

等高平面位置显示器（PPI所显示的是锥面回波，当天线的仰角不是0°

时，并受地球曲率的影响，雷达天线的波束在不同距离上的高度不同。

实际工作中需要等高面的回波显示-等高位置平面显示器（CAPPI），用

体积扫描（不同仰角的一系列PPI扫描）资料经计算机插值处理而合成。

6.分贝的定义与应用。

分贝的定义：

P:

比较值P0:

基准值

表示电信号在传输过程中功率增加或减少的计算单位

第二章气象目标对雷达电磁波的散射

1.为何引进散射函数ββ在三维空间的图像及在三个坐标面上的图像

散射函数β（方向函数）——反映单位面积上入射波转化成散射波的能力，为

了定量地描述散射能量分布的方向性。

2.推导瑞利散射时散射截面的表达式Qs。

3.比较小粒子的散射截面、后向散射截面及几何截面的定义式、物理意义、大小

散射截面：

物理意义：

反映粒子的总散射能力

大小：

后向散射截面（雷达截面）：

意义：

以入射波能流密度Si乘上雷达截面σ，得到一个散射粒子的总散射功率，

当散射粒子以这个功率作各向同性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于

该粒子在天线处造成的实际的后向散射能流密度。

大小：

几何截面：

4.瑞利散射与米散射的主要区别与联系

联系：

均为球形粒子造成的散射。

区别：

瑞利散射：

d<<λ的小球型粒子散射。

Rayleigh散射的能流密度空间分

布是对称的，前后向相等且均为最大值。

米散射：

d≈λ的大球质点散射。

米散射的前向散射（0度）集中了大部

分能量。

5.在不同D/λ时，比较σ水与σ冰的大小。

瑞利区：

干冰粒的散射大约是同体积水球散射的1/5

米区：

随冰粒直径的增大，雷达截面也增大，最大达水滴的10倍。

6.非球形粒子如何出现正交偏振分量

当入射电场和椭球长轴既不平行也不正交时，会出现和入射电场向垂直的散射

分量，即正交偏振分量。

7.晴空回波的湍流散射机理可造成湍流散射的湍流尺度

机理：

在弹性散射中，入射光的能量没有损耗,但入射光的传播方向发生变化。

当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射。

物理实质：

不同尺度的湍块相当于具有不同间距的空间衍射光栅，而不同间距

的衍射光栅对于不同的、特定的散射角上的散射能量有明显的贡献，

也即恰巧可以在该方向上形成衍射的“亮点”。

能造成散射的湍流尺度为雷达的半波长:

L0=λ/2

第三章大气、云、降水粒子对雷达波的衰减

1.理解衰减因子K、衰减系数kL与分贝形式的衰减系数k的定义、量纲、物理意义及它们之间的关系。

衰减因子K:

假设没有考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率为1，则考虑大

气、云、降水等衰减时的平均回波率的数值大小称为衰减因子

物理意义：

平均回波率为1时的衰减后平均回波率

衰减系数kL:

接收功率随距离的衰减与接收功率本身的大小以及距离成正比，比

例系数kL即称为衰减系数

单位：

1/m

kL的物理意义：

由于衰减作用，单位接收功率在往返大气单位距离时所衰减掉的

能量。

分贝形式的衰减系数k:

单位:

dB/m

它们之间关系：

，

2.与衰减有关的几个截面是什么它们之间的关系

散射截面

、吸收截面

、衰减截面

单位时间内入射到该截面上的能量全部被散射、吸收和衰减掉了，是对粒子散

射、吸收和衰减能力的度量.

量纲：

Q为面积，P为能量/时间，S为能量/时间面积

3.雨强、波长与衰减的关系

雨强越大，衰减越大；（公式）

波长越大，衰减越小。

（图）

4.衰减可能造成的回波失真现象

①雨区面积变小（远处强回波已衰减，回波消失；衰减严重时，强雷暴后的

弱回波区不可见）

②雨区畸变（强回波中心减弱，次强中心成为强中心，靠近测站）

③冰雹的V形缺口

5.V型缺口的现象及成因

现象：

1、Ｖ形缺口顶端的强回波，即强降雹区的位置

2、Ｖ形缺口的中分线沿雷达的径向，而缺口两侧并不沿径向

3、缺口的尖头始终对准测站

雹暴的Ｖ形缺口成因：

由于较强的降雹区对电磁波产生强烈的衰减，在远离雷

达一侧出现呈Ｖ形的无回波缺口。

6.考虑散射与衰减，如何选择雷达波长

气体对电磁波的衰减以吸收为主，波长大于2cm的雷达，气体吸收可以忽略。

①对于3~10cm波长雷达，气体衰减一般可以忽略。

②云滴对厘米波段的雷达波可以看成是小球粒子，液态云滴对于3cm雷达波

在长距离时可造成几分贝的衰减。

冰云对厘米波段的雷达波的衰减可以忽略。

③雨滴对于小于10cm的雷达波一般可看做是大球粒子。

除特大暴雨外，10cm

雷达波在一般雨中的衰减可以忽略。

5cm雷达波在中小雨中的衰减也可以忽

略。

第四章雷达气象方程

1.目标雷达方程的推导思路，涉及哪些参数和公式

⑴天线辐射强度在波束内均匀分布

天线增益：

G=Smax/Sav（Sav：

平均能流密度）

各项同性辐射：

Sav=Pt/4πR2

定向辐射时：

σ=Ss（π）4πR2/Smax

雷达接收到的后向散射（反射）功率：

Pr=Ss（π）Ae

天线理论有Ae=λ2G/4π

雷达方程：

⑵天线辐射强度在波束内不均匀分布

天线增益为：

则雷达方程为：

2.有效照射深度和有效照射体积

有效照射深度：

雷达发射的脉冲具有一定的宽度τ，这个脉冲定向发射到空间

将占有一定的长度h。

只有在波束中距离R到R+h/2范围内的那些粒子散射的

回波才能在同一时刻到达天线，称h/2为波束有效照射深度。

有效照射体积：

（见补充中有效照射体积）

3.为什么方程中要考虑

雷达波束的电场强度在各个方向上分布不一样（天线辐射能量在各个方向上分

布不均匀）而电磁波理论中，S（θ,ϕ）正比于E2（θ,ϕ）,而|f（θ,ϕ）|=|E（θ,ϕ）|/|Emax|

4.考虑衰减和充塞程度后的雷达气象方程

5.请分析平均接收功率Pr与各因素的关系

①Pt增加可以提高最大可测距离

②脉冲宽度τ：

决定有效照射深度，有效照射体积，盲区，平均发射功率

τ增加，Pr增大，提高探测能力；有效照射体积增大，距离分辨能力下降。

τ的选取：

大范围监测时取大τ，低PRF；结构探测时取小τ，高PRF

③波束宽度：

抛物面天线，波束宽度与天线直径D有近似式：

θ=ϕ=73°λ/D

θ，ϕ增大，天线发射能力越分散，水平垂直分辨率下降，入射能流密度减

小很快，使有效探测距离变小，能量回波变弱，充塞难以保证。

④天线增益G增加时，Pr以平方的倍数增加。

Ap为天线截面积，λ不变，Ap越大，G越大；Ap不变，波长越长，增益越小，

为了保证达到一定增益，波长越长的雷达，使用天线越大

⑤气象因子的作用——目标物的后向散射特性|K|2Z:

与粒子的大小、形状、相

态、温度等有关；波束路径上各种粒子对雷达波的衰减作用。

⑥距离因子：

由于能流密度随距离增大而变小，使Pr与距离R2成正比。

第五章超短波在大气中的折射

1.产生折射的物理原因折射定律电磁波传播路径为何在分层大气中向下弯

曲

物理原理：

光波或电磁波在不同介质中传播速度不同所致

折射定律：

入射角i，折射角r，传播速度v

折射定律：

正弦定律：

大气密度-上疏下密，n1>n2>n3，从地面向上，折射角大于入射角

2.折射率n与P、e、T的关系

n主要随P减小而减小

3.熟悉5种典型折射的特点（定义、路径、判据、等效地球半径）

传射路径不是直线，而是微微向下弯曲

由于K值比地球曲率*10-8m-1要小，所以传播路径曲率在直线和地球曲率之间。

等效地球半径：

标准大气折射

临界折射：

射线相对于地表的曲率为0

电磁波绕地球表面一定高度传播而不与地面接触，等效地球半径

超折射：

射线曲率大于地球表面的绝对曲率时的折射

射线将弯向地球，经地面反射后继续向前传播，这种过程重复多次，使射线在

地面和某一大气层之间辗转的向前传播。

等效地球半径

负折射：

射线传播路径的绝对曲率小于零时的折射。

K<0,dn/dh>0

折射向上弯曲。

等效地球半径：

零折射：

射线的绝对曲率等于0的折射。

K=0

沿直线传播，

4.超折射产生的气象条件通常有哪几种超折射

易形成超折射的气象条件：

1）逆温2）上干下湿

1辐射超折射：

地面，晴夜，辐射降温，潮湿，早晨观测多见日出后消散

2平流超折射：

干、暖空气移过冷水面（大陆热空气吹向洋面）

3雷暴超折射：

雷暴消散期，降水使地面冷却，在雷暴下部形成下沉冷空气，

地面湿度增加。

5.为何引进等效地球半径其等效的条件

引入目的：

射线弯曲传播，为方便计算路径，引入等效地球半径。

假设条件：

1）射线直线传播；2）射线与地面相对曲率不变

6.大气折射和地球球面对探测目标物高度和Rmax的影响

无折射时距离高度关系:

标准大气折射：

折射使探测距离增加

7.测高公式如何定义的标准大气的测高公式

测高公式：

h是天线高度（海拔），ϕ是天线仰角，R是

斜距，H是波束中心轴线在斜距R处离地面的高度

标准大气测高公式：

第六章雷达定量测量降水

关系的理论推导有何假定

假定：

1）降水均匀分布，滴谱不随时间变（M-P分布）：

2）雨滴在静止大气中下落末速：

3）近地面垂直气流小，可略；

4）小雨滴，满足瑞利散射：

2.建立Z-I关系的基本原理

根据雷达气象方程

当衰减K=1，充塞系数Ψ=1时，令雷达常数=C

，则

，所以，若知Z-I，则可知Pr-I关系

3.为什么说Z-I关系是不稳定的，它受哪些因素影响

分布的形式M-P分布Z=具有普适性吗

形式：

，此公式适用的雨型是层状云稳定性降水。

5.零度层亮带如何影响降水估计的精度

若零度层亮带在有效照射体积内，由于雪片潮湿和下落速度较低等因素影响，将使亮带内的反射因子可能超过亮带以下的Z值5-10dB。

若有效照射体积在零度层亮带以上，由于体积内的水成物大都是干雪片和冰晶，其向后散射能力较弱，使得反射因子较小，从而会低估地面降水量。

第七章脉冲多普勒天气雷达探测

1.多普勒天气雷达与常规天气雷达的区别（基本信息，电磁波的振幅与相位）

多普勒雷达是相干雷达，能够提取降水目标的强度（反射率因子）和速度（径

向速度、速度谱宽）信息的天气雷达，相位、振幅是固定，时空分辨率高，同

时测量降水量的分布和流场结构，特别是比非相干的天气雷达更有效地识别龙

卷气旋的特性，增加龙卷的预警时间，大大改善了对强对流天气和强降水天气

的预警和短时预报能力；

常规雷达是非相干雷达，观测目标的回波位置和强度分布，相位、振幅是随机

的。

2.什么是运动目标的多普勒效应。

多普勒效应是指波源（目标物）相对于观测者运动时，观测者接收的信号频率

与波源发出的频率不同，而且发射频率和接收频率之间的差值与波源运动的速

度有关，这种现象称为多普勒效应。

3.相干与非相干及全相干与自相干概念。

相干与非相干：

1）相干——电磁波在传播时其相位在不同地点不同时间的相关性。

即电磁波的

相位是固定的，或按一定的方式变化。

相干波的总功率是各个波功率的矢量和。

2）非相干——波的相位是随机的，它在2π的间隔内均匀分布，是由目标中包

含的散射粒子的不同的运动速度而造成的。

非相干波的平均功率是各个波散

射功率的代数和。

全相干和自相干：

1）全相干多普勒雷达系统的特点——各个发射脉冲的载波相位不仅是相干的（相位固定），而且每个脉冲具有相同的高频初始相位。

发射波末级电路由速调

管组成。

锁住初相位。

亦称高频相干（高频锁相）。

2）自相干多普勒雷达系统的特点——初相位随机，发射波末级电路由多腔磁控

管组成，用中频锁相技术实现相位信号提取。

亦称中频相干（中频锁相）。

4.多普勒频率与径向速度的关系。

5.全相干工作原理与系统框图。

天线

使用主振功放式发射机，采用周期的视频脉冲作为波门，对一个稳定的射频连续振荡进行时间选通，产生周期性矩形包络的射频脉冲列，再经过功率放大。

全相干多普勒雷达结构框图：

fo-高频，fm-中频，fd-多普勒频移

6.多普勒谱矩（信号的统计特征：

平均功率，径向速度，速度谱宽）

多普勒谱矩：

通过多普勒雷达得到的功率谱资料，可计算出散射信号的平均功

率，散射粒子的平均多普勒速度和径向速度的方差。

多普勒谱的n阶矩：

平均功率

——多普勒谱的零阶矩：

在雷达的有效照射体积中，位于径向速度

V到V+dV间隔内的粒子散射到接收机的功率为S（V）dV，因此雷达

接收到的平均功率就是在所有上对S（V）的积分。

S（V）-功率谱密度

平均径向速度（平均多普勒频率）——多普勒谱的一阶矩：

径向速度的方差（谱宽、多普勒谱的方差）——多普勒谱的二阶矩

采样定理最大不模糊速度Vmax最大不模糊距离RmaxVmax与

Rmax之间的关系如何分析回波图像上的最大不模糊速度及最大不模糊距

离

Nyquist采样定理：

要使信号采样后能不失真还原，采样频率必须大于信号最

高频率的两倍。

（F≥2fd）采样频率F（PRF）——脉冲重

复频率；信号频率fd——多普勒频率

最大不模糊速度Vmax：

最大不模糊距离Rmax：

Vmax和Rmax之间的关系：

8.多普勒雷达如何测大气垂直速度

当多普勒雷达垂直指向天顶时，观测的平均多普勒速度Vr是大气垂直速度ω与粒子群在静止大气中的平均下落末速ω0之和，若能大致估计粒子的平均下落末速，则可根据实测的多普勒速度，算出大气的垂直速度。

9.多普勒雷达如何测大气湍流

影响速度谱宽的气象因子中垂直风切变、波束宽度、下落末速不均匀三个因素的影响很小，可以忽略。

所以，速度谱方差主要与大气的湍流（3）有关，由此可以测量大气湍流。

10.水平风场的VAD技术（均匀风场、线性风场）

VAD（速度方位显示）：

假设大范围降水区内的风场是水平均匀的，单多普勒

雷达以一个固定的天线仰角，令雷达波束绕垂直轴作

360度旋转，利用不同的距离库可反演出不同高度上

的平均水平风向风速和垂直方向的平均多普勒速度。

均匀流场的风向风速：

若流场均匀，当仰角不变时，雷达测到的某一固定距离上的VAD径向速

度呈余弦方式变化。

当雷达天线指向水平风来向时，β=β0+π，径向速度取

极大值：

V=V1=Vfsina+Vhcosa；当雷达天线指向水平风去向时，β=β0，径向速

度取极小值：

V=V2=Vfsina-Vhcosa

比较两式，得被测高度上的水平风速：

水平风向：

径向速度极小值时的方位角；垂直方向的多普勒速度：

非均匀流场的风向风速、辐散、形变：

当水平风场不均匀时，VAD曲线不是余弦曲线，而VAD曲线的非简谐震

荡提供了水平风场更多的信息。

对VAD曲线做作谐波分析，对傅里叶级数作0

次、1次、2次谐波展开，可获得水平风场的散度、风向风速及形变信息。

分析可知：

散度是零次谐波的振幅：

平均风速、风向是一阶谐波的振幅、相位：

变形场是二阶谐波的振幅、相位：

第八章多普勒径向速度回波的识别和分析

1.请熟悉各种风向风速垂直分布的理想多普勒速度分布特征。

（见ppt）

2.怎样判断零速度线的特征如何由它分析涡旋、辐合和切变

零速度线分布特征：

1.零速度线走向与向径平行—纯旋转气旋：

右正左负，反气旋：

左正右负2.零速度线走向与距圈平行—纯辐合、辐散辐合：

内正外负，辐散：

内负外正3.零速度线走向有明显折角—风向切变锋面过境：

雷达中心在锋前、锋线上、锋后

3.远离分量（+）和趋近分量（-）的分布特征它们与距离圈、向径、原点的对

称关系正负面积大小所对应的实际物理过程（辐合-发展，辐散-减弱）

4.锋面移向、移至、移出雷达中心的径向速度分布特征

移向：

开始有NE-SW走向然后折为NW-SE走向的零线，零线附近等值线密集，

零线有明显折角，折角在雷达中心北侧。

锋后西北风，锋前西南风。

移至：

折角位于雷达中心点

移出：

折角位于测站以南。

5.什么是蓝金复合速度剖面请根据它分析风暴从低层到高层的典型速度分布

特征。

蓝金复合速度剖面：

从环流中心（其速度为0）起，切向速度线性增加到核半

径处达到最大值，核半径以外切向速度以与距环流中心距

离成反比的方式递减。

a低层上升气流下面的辐合运动结合中气旋转动，形成辐合性气旋

b中下层为纯气旋运动

c中上层，风暴顶部的辐散运动与中下层纯气旋运动相结合，形成气旋性辐散

d中气旋顶以上的风暴顶部为纯辐散气流，注：

有的风暴回波顶较低、或中气旋向上伸展很高、或距雷达很近而探测仰角不高时，此特征可能探测不到

d高层-纯辐散

c中高层-辐散旋转

b中低层-纯旋转

a低层-辐合旋转

6.什么是TVS它在径向速度场的特征与中尺度气旋的关系

TVS：

中尺度气旋中的龙卷涡旋特征

TVS在径向速度场的特征：

正负径向速度峰值正好相距一个波束宽度。

与典型

中气旋速度回波相比，TVS的正负速度中心区更向

气旋中心靠近。

TVS都出现在已存在的中尺度气旋中。

第九章雷达回波的识别和分析

1.雷达回波有哪些探测内容

dBZ反射率因子——降水回波的位置、范围、高度、强度、强中心位置、回波形状、结构、性质（气象或非气象）、移向移速、演变趋势

Vr径向速度分布——零速线的分布、正负速度的面积、辐合辐散、涡旋、切变线、逆风区、锋区

2.旁瓣假回波的原理及探测意义

原因：

旁瓣、尾瓣在近距离处遇到强回波，也会产生一定的散射并显示。

由于

显示的扫描线主轴中的主轴同步，所以旁瓣回波在主轴方向显示出。

意义：

假回波的下方回波很强，常作为冰雹回波的识别依据之一

3.地物回波的特征，它与超折射回波的关系

4.什么是零度层亮带其形成原因及意义

零度层亮带（0℃层亮带，融化带，亮带——层状云降水中出现在零度层之下（几百米）的一个高强度回波带（厚度<1km）

亮带形成的原因：

1融化效应：

冰融化为水-介电常数增加-散射能力增强（小粒子时水滴比冰晶散

射强5倍）；

2碰并效应：

下落融化中-碰并聚合作用-粒子直径D增加-Z增加；

3速度效应：

冰粒融化后-球形水滴-降落速度增加-单位体积粒子个数减少-总散

射减少-亮带以下回波减弱-突出了亮带

4粒子形状效应：

冰雪粒子下降融化中-不是球形-散射能力增强（非球形粒子散

射大于球形粒子散射-书上图）

5粒子破碎效应：

大雨滴破碎为小雨滴-直径D小-Z降低-亮带下Z减小

亮带的意义：

1它是层状云连续性降水的一个重要特征；

2反映了此类降水中有明显的冰水转换区，利于探讨降水机制；

3表明层云降水中气流稳定，无明显对流活动；

4可由亮带位置，大致确定零度等温线高度。

5.晴空湍流回波的散射原理

Bragg散射，大气中温、压、湿梯度强

6.降水云回波

7.雷雨和阵雨的相同与区别

雷雨和阵雨的相同点：

皆为积云对流降水（PPI：

块状，RHI：

柱状）

区别：

雷雨

阵雨

有闪电

无闪电

结构密实，边缘清晰，尺度大， 10-20km

结构松散，边缘模糊，尺度小，10km

回波强度