雷达气象期末复习版.docx

1、雷达气象期末复习版 标准化工作室编码XX968T-XX89628-XJ668-XT689N雷达气象期末复习版雷达气象期末复习整理版雷达气象第一章第一节1 雷达的含义，雷达气象含义及其用处Radar ：通过无线电技术对目标物进行探测和定位，确定目标位置和强度的技术。气象雷达：是用于探测气象要素和各种天气现象的雷达，常称为“千里眼、顺风耳”。雷达气象：利用气象雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。雷达气象学在突发性、灾害性天气的监测、预报和警报中具有极为重要的作用。 2 气象雷达的特点气象雷达是雷达中的一个重要成员，探测的对象是覆盖整

2、个地球的大气，不受季节、昼夜和天气条件的影响，能全天时、全天候工作，不受能见度，探测条件的影响。采用大功率发射机、高增益天线、高灵敏接收机，可增加雷达威力，探测数百公里外的目标。现代化的雷达机，与计算机技术结合，使其数据处理技术进一步提高，测定目标的精度更高。3 我国雷达分布情况根据天气现象： 沿海地区：暴雨台风多，S波段（5cm）为主 内陆地区：一般性降水，C波段（10cm）为主电磁特性： 暴雨，S波段穿透能力强，衰减小；一般性降水，S波段反射弱，C波段反射强4 我国天气雷达的应用强对流天气的监测与预警：灾害性大风、冰雹和暴洪。天气尺度和次天气尺度降水系统的监测。应用：人工影响天气、降水测量

3、、风的测量、数据同化。第二节1 我国新一代雷达的组成部分-雷达的硬件系统新一代天气雷达系统的三个部分：（1）数据采集子系统（RDA）；定义：用户所使用雷达数据的采集系统。功能：产生和发射电磁波，接收目标物对这些电磁波的散射能量，并形成数字化的基数据。主要结构：发射机RDA是取得雷达数据的第一步发射电磁波信号。RDA主要是由放大器来完成，产生高功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位相，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。天线(天线沿一定的仰角，围绕自身旋转360，圆锥面扫描)将发射机产生的脉冲信号以波束的形式发送到大气，并接

4、收返回的能量，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。雷达天线仰角的变化范围：0 90。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式、体扫模式和天气模式。新一代多普勒雷达有3 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分钟）扫描方式2 ：6 分钟完成9 个不同仰角上的扫描（9/6分钟）（我国）扫描方式3 ：10分钟完成5 个不同仰角上的扫描（5/10分钟）新一代多普勒雷达的天气模式：(1)：降水模式，天线转动快，仰角多使用VCP11 和VCP21 ，扫描方式为14/5和9/6。(2)：晴空模式，天线转动慢，仰角少接收机当天线接收到返回的电磁波时，把信号

5、传送给接收机。由于接收到的电磁波能量很小，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。信号处理器功能：(1) 地物杂波消除：目标是否运动。(2) 模拟信号向数字化的基本数据转换。基数据：反射率因子R ，径向速度V ，谱宽W 。(3) 退距离折叠和速度模糊。（距离折叠：雷达接收到位于其最大距离之外较强的回波；速度模糊：环境风场超过雷达的最大速度）（2）产品生成子系统（RPG）-雷达软件系统或指令中心，控制RDA,PUP（雷达控制台UCP：RPG的操作界面）；工作任务：i 将雷达探测所得的原始基数据，采集下来，进行质量控制和预处理，形成原始数据文件。ii 生成雷达的物理量产品导

6、出产品；iii 对基数据和产品数据进行存档，并将产品下发给用户。（3）主用户处理器（PUP）；功能：获取、存贮和显示雷达数据产品。预报员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监视器上。(浏览雷达图像，保存、生成、分析天气)其次还包括：通讯线路、附属安装设备等。第二章第一节1 散射的定义当电磁波束在大气中传播，遇到空气介质或云滴、雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些介质或粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射现象。粒子产生散射的原因：粒子在入射电磁波极化下作强迫的多极振荡，从而发出次波，这就是散射波。粒子对入射电磁波的散射，只改变电磁波的传播方向，没有使电磁形式的能量转

7、化为别的形式的能量。但当入射电磁波在粒子介质内部传播时，有一部分电磁能会被吸收并转化为热能，这就是粒子对电磁波的吸收。粒子对入射电磁波的散射和吸收，其能量均取自于入射电磁波，故使原入射方向上的电磁波能量受到衰减。(散射波是全方位，是不均匀的）PS：能流密度：单位面积单位时间内接收或发射的能量。Si：入射电磁波能流密度；SS：散射电磁波能流密度散射总功率：单位时间散射波的总能量。2 散射的分类粒子散射电磁波的能力，除和电磁波的波长等因素有关外，和粒子的大小、形状、以及粒子的电学特性有关。当雷达波长确定后，球形粒子的散射情况主要取决于粒子直径d和入射波长的相对大小。瑞利散射：d瑞利散射的特征（当=

8、2r/ 时，瑞利公式计算会产生误差，随着增大，瑞利公式就不适用）粒子的散射能力与4成反比。波长越短，散射越强。粒子的散射能力与D6成正比。粒子半径越大，散射越强。粒子的前向散射和后向散射为最大，粒子无侧向散射。散射截面为纺锤形。米散射：d（1）散射波是以粒子为中心的球面发散波；（2）散射波是横波，且是椭圆偏振波；（3）散射波和入射波同频率；（4）散射波能流密度是各向异性的；大部分能量集中在=0附近的向前方向上，越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重越大。（5）散射波性质与入射波波长、散射粒子半径r、粒子周围环境的特性等有关。3 散射截面（雷达截面）的定义粒子总散射功率与入射波能流密度之比。与

9、粒子性质、大小以及入射波波长等有关。由于实际粒子不是理想的散射体，因此粒子后向散射截面不等于它的几何截面积，通常小于几何截面积。 意义：从粒子的雷达截面大小了解它所造成的后向散射能力的大小。后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同样条件下，它所产生的回波信号也越强。PS：后向散射能量：雷达天线接收到的只是粒子散射中返回雷达方向（）的那一部分能量，这部分能量称为后向散射能量。4 雷达反射率与反射率因子雷达反射率：单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。反映单位体积内一群云、雨滴在天线处造成的回波功率的大小。PS：回波功率不仅与单位体积内的云、雨粒子的数目有关，还与雷达本身的参数、粒子群离雷达

10、的距离等因子有关。因此，对同一群云滴或雨滴，使用不同波长的雷达，或在不同距离上进行观测，回波功率也将不同。故不能简单地通过回波功率的比较来了解云、雨的不同情况。为使不同波长雷达所观测到的云、雨等情况可以直接比较，因此引进雷达反射率因子。反射率因子：与反射率的关系：Z：与入射波波长无关，取决于云、雨滴谱分布（不同半径粒子数目的大小），还与粒子的直径有关，与粒子直径D6成正比。少数大水滴将提供散射回波功率的绝大部分，对Z值贡献大，即大雨滴对观测到的回波功率起主要作用。第二节1 衰减电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为电磁波的衰减。衰减是散射和吸收的总和，当电磁波投射到气体或云雨粒子上时，一部分能量被

11、散射，一部分能量被吸收，转变为热能或其它形式的能量，从而使电磁波能量减弱。 2 衰减的影响和规律衰减对气象雷达信号的不利影响：一、由于衰减的存在，同一方向上远处降雨的后向散射的定量测量比近处难得多。距离二、如果传输过程的衰减太大，则强吸收区后面的降雨单元的回波有可能被完全衰减掉。V缺口（PS：溶化的冰粒产生更强的后向散射，这一现象会导致在零度等温线附近出现雷达所发现的“亮带”，对C 波段的雷达会出现“V” 字型缺口。（层状云的零度层亮带）吸收电磁波的大气气体主要是水汽和氧气。第三节1 大气折射大气折射：电磁波在真空中以约速度3108m/s直线传播，但在大气中在远距离传播时，且当大气中气象要素有

12、异常的铅直分布时，电磁波会出现明显的曲线传播的现象，称为大气折射。(1)盛夏的中午：大气温度直减率有可能低于干绝热直减率，从而发生负折射，探测范围明显减少。(2)雨后晴朗的夜间：由于地面辐射，形成上干下湿的逆温层，发生超折射。当实际大气偏离标准折射形式时，就会产生测高误差。2 大气折射的形式标准大气折射 波束路径向下弯曲，这种折射称标准大气折射，亦称为正常折射。 标准大气折射时可能使最大探测距离增大了16。临界折射当波束路径的曲率与地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，电磁波将环绕地表面在一定高度上传播而不与地面接触，则称为临界折射。超折射 当波束路径曲率大于地球表面曲率时，雷达波

13、束在传播时将碰到地面，经地面反射后继续向前传播。然后再弯曲到地面，再经地面反射，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，与波导管中的微波传播相似，又称超折射。 超折射回波的影响：由于超折射的存在会导致产生超折射回波，使原来雷达探测不到的目标物在荧光屏上显示出来，增加了雷达探测的极限距离有利的一面。由于超折射的存在，会增加雷达的探测误差，特别是测高误差。 超折射形成的气象条件有利于产生超折射的条件：逆温显着；水汽压随高度随高度迅速减少，大气折射指数m随高度迅速减小。常说“暖干盖”的大气层结。大陆上晴朗夜晚，由于地面辐射，近地面降温强烈而形成辐射逆温。尤其是地面潮湿，逆温使

14、水汽不能向上输送，形成水汽压随高度急剧减少辐射超折射当暖而干的较干空气移到冷水面时使低层空气冷却，温度有所增加。平流超折射。雷暴消散期，其底部下沉气流造成近地面层几百米高度处逆温，形成超折射雷暴超折射大气层中，形成超折射的气层通常只是近地面很薄的气层（1km ），适当提高仰角，雷达波能穿透超折射层，超折射回波大大减少。负折射如果雷达波束不是向下弯曲，而向上弯曲，出现的折射现象称为负折射。这时K负折射现象出现在：湿度随高度增加而增加，温度随高度的递减率比干绝热递减率大时。当冷空气移到暖水域上空时，就有可能形成这种超干绝热而产生负折射现象。负折射发生时正常能观测到的目标看不到了。零折射对于均质大气

15、，雷达波束沿直线传播，没有折射现象发生时，称为零折射或无折射。在一般情况下，大气不会出现这种情况。3 雷达气象方程书P67 雷达回波：当雷达波束投射到云、降水粒子上时，云、降水粒子就会发生散射现象，其中向后方散射的一部分散射波重新返回到雷达天线处，并在雷达显示器上显示出的各种图像，称雷达回波。 雷达气象方程：根据所测定的回波强度去推断云、降水粒子的物理状况，将雷达的作用距离与发射机、接收机、天线、目标和环境的各种特性联系起来的方程。a 单个目标的雷达方程：（1）天线辐散强度在两半功率点间均匀分布： 假设：雷达波束的能量集中在以两个半功率点为界的狭窄波束照射体积中，做这样规定后的狭窄波束的横截面

16、内，天线辐射强度处处相同，都等于最大辐射方向上的能流度值Si max。 天线增益G天气雷达具有高度方向性的定向辐射天线，它使大部分能量集中在一个很窄的范围内朝一定的方向发射出去。若定向辐射天线和一个方向均匀辐射天线所辐射的总功率相同，把定向天线最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射天线的能流密度之比，称为天线增益。普通雷达方程：适用于飞机、船舶、单个雨滴等任何一个单个目标物。结论：雷达回波功率强弱取决于雷达参数（发射机功率Pt ，天线增益G，雷达机波长），目标距雷达站的距离R和目标物的雷达截面等。（2）天线辐射强度不均匀分布的雷达方程半功率点内天线辐射显然是不均匀的，而且半功率点外也有一部分辐射

17、能量。引入天线方向图函数f ( ,)。、是以天线最大辐射方向为基准的水平与垂直的角坐标。由于雷达波束的电场强度在各个方向上分布不一样。对一个单目标物，天线辐射不均匀时的雷达气象方程：b云及降水粒子的雷达气象方程假设：1）雷达波的能量完全集中在以两半功率点为界的狭窄照射体内，并假设横截面内的天线辐射强度处处相等，并等于最大辐射方向的能流出度值，G为常数。2）云及降水粒子的散射波是非相干波。3）在波束有效照射体内，粒子的尺度谱处处相等。波束有效照射深度和有效照射体积 P71 雷达波束所照射到的云及降水粒子都要产生回波，但并不是波束内所有降水粒子的回波都能同时到达天线。 雷达发射的脉冲具有一定的宽度

18、，定向发射到空间占有一定的长度h，只有在波束距离R到R h/2范围内的那些粒子散射的回拨，才能在同一时刻到达天线。称h/2为波束有效照射深度。 在两个半功率点内，水平波瓣宽度1，距离雷达天线为R 处散射回天线的有效照射体积为云及降水粒子的雷达气象方程瑞利散射条件下的雷达气象方程4 雷达气象方程的讨论P81雷达气象方程：雷达机各参数、气象因子、目标物和雷达机之间的距离，这三个方面的因子共同影响着雷达回波的强弱，或者相互促进，或者相互抑制。（1）雷达机参数：发射功率：增加发射功率通常可以提高信噪比，从而增大最大探测距离。但最大探测距离还取决于脉冲重复频率，目标物最大高度，雷达架设高度，以及地球曲率

19、等影响。3cm 和5cm 的测雨雷达：几十几百千瓦10cm的测雨雷达：几个兆瓦。雷达最大探测距离还与雷达机灵敏度以及电磁波在传播过程中衰减情况等有关。脉冲宽度和脉冲长度：当脉冲宽度（雷达发射电磁波信号，一个信号所占用的时间）和脉冲长度h （信号空间所占距离）两者增加时，雷达脉冲在空间的体积增加，同一时间里被电磁波所照射到的降水粒子数量增多，所以回波接收功率增大，使一些弱的雨区等容易发现。缺点：1 ）雷达的距离分辨率变低。2 ）雷达的盲区变大。波束宽度（雷达发射出的信号在圆锥空间里面最大的夹角）：水平波束宽度和垂直宽度愈大，天线发射的能量愈分散，入射能流密度将随距离增加而较快地减小，造成回波能量

20、变弱，并引起误差。一般测雨雷达希望两者尽可能小些。天线波束宽度：反映雷达探测的角度分辨率，会影响雷达的测量精度，一般在 之间。多普勒天气雷达的波束宽度为波束宽度与波长、天线尺寸、天线类型有关。有旁瓣影响。当气象目标离雷达较远时，由于雷达波束宽度的切向宽度增大，特别是由于地球曲率的影响使波束轴线离地面的高度越来越高，远距离的目标就很难充满雷达的有效照射体积。雷达波束越高，气象目标的距离愈远和尺度愈小，并且探测时天线的仰角愈大，波束愈不容易被气象目标所充满。波束宽度也能引起雷达的测高误差。天线增益G：天线增益增加时，回波功率以平方的倍数增大，可提高雷达的探测能力。提高G，必须增大圆抛物面口径的几何

21、面积，带来转动性能和抗风能力差的缺点。增大天线口径面积可以提高天线的增益和减小波束宽度，从而增大雷达的探测能力和探测的角分辨率。波长：雷达机最重要参数，云雨粒子对电磁波散射能力和衰减能力，都与波长有密切关系。S波段10cm ：反射率低、衰减小、天线大；C 波段5cm ：折衷；X波段3cm ：反射率高、衰减大、天线小。在降水强度较小的地区，常采用波长。在降水强度较大的地区，探测台风以及为了测定降水区内部结构，采用10cm的大功率雷达。(2)气象因子气象因子对回波功率的影响表现在：1 ）目标物的后向散射特性。反映在因子上，包括粒子的大小，相态，形状，温度等对散射的影响。 (2）波束路径上各种粒子对

22、雷达波的衰减作用。反映在因子冰雹等粒子在不同波长，不同温度时的衰减作用。（3）距离因子的影响 上，包括大气，云，雨，雪，雷达接收功率Pr 与距离R成反比，随距离的增加而减小，同样强度的降水出现在远距离处要比近距离处回波弱得多，且雷达只能显示Pr 大于某一定值的回波信号，在观测分析回波强弱以及移动情况时容易产生错觉。同一气象目标处在不同的距离时，回波亮度，尺度等也发生变化（对降水变化判断）。距离影响回波的原因是：当实际存在的云、降水粒子的数密度及谱特征不变时，在远距离处由于波束发散宽度增加，使发射能量分散，入射能流密度随距离增大而减小，造成回波能量的减弱。（4）影响雷达探测其它因素回波涨落现象空

23、气中降水粒子之间的距离比粒子本身的尺度大得多，可以认为彼此没有相互作用，是互相独立，无规则分布的粒子。但是各个粒子产生的回波有时相互加强，有时互相抵消，使得合成的回波呈现涨落现象。在平面和高度显示上，会使回波的边缘变得有些模糊。2来自粒子群的回波信号，虽然瞬时值随时间迅速脉动，但是对时间的平均值却是比较平稳的。在大量粒子彼此独立，并且在空间做无规则分布的情况下，只要测定的时间足够长，总的回波功率的时间平均值等于各个粒子的回波功率之和。衰减（见前）折射（见前）第四节1 多普勒效应与多普勒频率（雷达测速原理）多普勒效应：相对运动体之间有电波传输时，其传输频率随瞬时相对距离的缩短和增大而相应增高和降

24、低的现象。多普勒频率：当目标物与雷达之间存在相对运动时，接收到回波信号的频率相对于原来发射的频率产生一个频率偏移，在物理学上称之为多普勒频率。气象目标物的多普勒频移很小，但天气雷达还是能够测量到。这就要求雷达以一种非常稳定的方式发射脉冲，才能满足所需的精度。多普勒速度是径向速度，垂直于雷达波束的速度分量，即风场的切向速度，测量不到。PS：径向速度：物体（目标）在观察者视线方向的速度，或沿径向方向的速度。多普勒频率与径向速度的关系：若径向速度为0 ，则多普勒频率等于0；若径向速度不为0，多普勒频率与速度成正比；多普勒频率与雷达的波长成反比。通常规定：目标向着雷达运动，速度为正，远离雷达，速度为负

25、。2 多普勒两难对于实际工作的雷达，波长是固定的，当选定了最大不模糊距离（或脉冲重复频率）后，就存在一个最大不模糊速度，对每个特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度不能同时兼顾，称为“ 多普勒两难”。* 临界多普勒速度：当脉冲重复频率PRF（一个脉冲和下一个脉冲之间的时间间隔的倒数）等于多普勒频率时，或者目标径向速度VPRF/2时，就会因收发谱线相重叠产生测速模糊问题，V称为临界多普勒速度。例如：=10cm，PRF=1000/s得Vrmax = 25m/s ，实际的多普勒速度超出了25m/s这个范围，雷达所测多普勒速度将出现巨大误差，这种现象称为速度模糊。* 最大不模糊速度：雷

26、达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，称为最大不模糊速度Vmax，对应的脉冲对相移是180度。采用两个连续脉冲返回信号的相角差来估算多普勒频移。最大不模糊速度Vmax=(PRF)/4* 距离折叠：一个脉冲传播并且在下一个脉冲发射前回到雷达的最大距离，这个距离定义为最大不模糊距离，也是雷达的最大探测距离Rmax=C/(2*PRF)。距离折叠是雷达对雷达回波的一种辨认错误，当目标位于最大不模糊距离以外时，会发生距离折叠，雷达显示回波位置的方位角是正确的，但是距离是错误的。如果一个散射区在Rmax之外，那么回波只有在下一个脉冲发射之后才能收到，因为实际来回距离在Rmax和2Rmax 之间，这种回波被

27、称为第二区回波。最大不模糊距离是一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离。第三章第一节1 雷达资料显示的方式体积扫描VOL是雷达按不同的仰角全方位扫描方式。获取的数据可以用PPI、RHI、CR等方式显示。PPI：平面位置显示RHI：距离高度显示VCS、RCS：任意垂直剖面显示（MICAPS系统交互操作）CR：垂直最大回波显示CAPPI：等高平面位置显示2 基数据：反射率因子R，径向速度V，谱宽W；第二节:1 径向速度场的识别* 径向速度：即多普勒速度，用正弦曲线图来说明雷达径向风速随方位角的变化。规定：（1）朝向雷达的径向速度为负，远离雷达的径向速度为正。（2）向北的方位

28、角为0，向东为90，向西为270度。* 零径向速度及其意义等速度线：径向速度相同的点构成的线。零速度线：由雷达径向速度为零的点组成的线。通常可根据零等速度线来反推实际风。通过零径向速度确定风向和风速：假定在雷达探测范围内，同一高度层上的实际风向是均匀的。从雷达中心到零速度线上的任何一点，过该点的风向垂直于此半径，从负径向速度（入流）指向正径向速度（出流）。这种判断风向的方法只适用于风向均匀或风场连续变化的情况，对锋面等风向不连续面就不一定适用。因为在不连续面上的风向复杂，而且风速很小，有时显示出零速度色标（包含了绝对值较小的正负速度范围）。意义：1）该点处的真实风向与该点相对于雷达的径向互相垂

29、直。风向是由邻近的负速度区，垂直于该等速度点吹向正速度区。2）该点的真实风速为零，在那里的大气运动极小或处于静止状态。3）若零等速线为直线，且横跨整个PUP显示屏，则表示雷达所探测到的各高度层上，实际风向是均匀一致的。4）在探测采样较好的情况下，若某高度层出现最大入流或出流径向速度中心，这就是该高度层的实际风向。5）假定在均匀风场中，则某一高度上的最大多普勒径向速度值即为此高度的实际风向。最大的多普勒速度一般出现在距零等速线90的位置。识别：(_)我发现这个知识点还是看PPT比较好，所以详见PS:径向速度场识别的方法总结（抄袭08届的资料）（1）零径向速度线1是否与向径平行：若零径向速度线与向

30、径平行，则表示风向不随高度增加而变化，反之，即它是一条曲线，则表示风向随高度增加要变化。2走向有无显着折角：若零径向速度线走向有折角，反映了水平流场中有不同方向气流存在。大气中可能存在锋面、辐合线、槽线等流场系统，则配合正、负中心分布和回波强度分布特征，又可区分属什么天气系统。3走向是否和距离圈平行：若它们两者平行，这时可能会出现在远离中心(正)和朝向中心(负)沿径向排列的情形。风向和向径平行，零径向速度线即为辐合线或辐散线。有时零径向速度线为闭合曲线，则表征不同高度上存在风向辐合，即存在风的垂直切变。（2）正负速度区的分布特征1若大片正区和负区与原点对称，范围大致相等，说明不同高度上水平流场

31、的基本气流是一致的；反之，则说明不同高度上水平流场中存在着不同方向气流，甚至有中小尺度系统存在。2大片正区和负区是否与向径对称：这条规则在分析锋面和切变线位置时很有用。因为在锋面存在时，正负中心往往与向径对称排列。3有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心存在：当有成对沿向径排列的相距较近的(2050km)强多普勒速度中心或有成对强多普勒速度中心位于某一向径两侧，二个中心间相距很近，这就要分析有强中小尺度天气系统甚至飑线存在的可能。4有无多普勒径向速度等值线密集带存在通常在锋面和飑线附近存在径向速度等值线密集带。等值线愈密，锋面和飑线愈强，而且后者等值线更密。在分析时还要注意密集带走向是否与向径平行、是否与距离圈平行，这在确定锋面、飑线位置时很有用。（3）强多普勒径向速度梯度带径向速度切向梯度愈大，水平风速愈大，它往往与强对流天气，诸如快速移行冷锋、飑线、中尺度气旋相联系。当它