4)第四章 多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达

第四章多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达目录4.1多普勒天气雷达•4.1.1多普勒频移•4.1.2多普勒谱的提取方法•4.1.3多普勒速度和多普勒速度谱•4.1.4距离折叠和速度折叠•4.1.5多普勒天气雷达的应用4.2偏振多普勒天气雷达•4.2.1偏振雷达•4.2.2双线偏振多普勒天气雷达的基本参量•4.2.3双线偏振多普勒天气雷达的应用4.1多普勒天气雷达常规数字化天气雷达利用的是降水回波的幅度信息，即利用信号强度来探测雨区的分布、强度、垂直结构等。多普勒天气雷达是基于物理学中的多普勒效应发展起来的，除常规天气雷达功能之外，还可利用降水回波频率与发射频率之间变化的信息来测定降水粒子的径向速度，并通过此推断风速分布，垂直气流速度，大气湍流，降水粒子谱分布，降水中特别是强对流降水中风场结构特征。常规天气雷达仅能提供反射率因子资料。多普勒天气雷达将提供两种附加的基本资料，径向速度和速度谱宽，它们将增强对强风暴的探测能力，也能改进对中尺度和天气尺度系统的预报。1.多普勒效应多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，定义为“当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化”。一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。发射频率多普勒频移发射频率Vs多普勒频移对于一个运动的目标，向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：①如果目标移向雷达为正；②如果目标远离雷达为负。假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f0，目标与雷达的距离为r，则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为2r。这个距离用波长来度量，相当个波长；用弧度来衡量相当于个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为，那么电磁波被散射回到天线时的相位应是r2r40r40位相的时间变化率rV4rdopVf2由于目标物的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，它就是多普勒频移或多普勒频率2.多普勒频率/频移1.目标移向雷达为正，远离雷达为负2.目标移向雷达为负，远离雷达为正径向速度简单地定义为目标运动平行于雷达径向的分量。它是目标运动沿雷达径向的分量，既可以向着雷达，也可以离开雷达。需要记住的是：①径向速度总是小于或等于实际目标速度；②由WSR-88D测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动；③当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零。3.径向速度方向定义有两种情形：目标的实际速度与WSR-88D描述的径向速度间的关系能用数学方法描述成径向速度方程│Vr│=│V│·cosβ其中Vr为径向速度，V为实际速度，β为实际速度V与雷达径向之间最小的夹角，cos为余弦函数。4.Pulse-PairMethod脉冲对方法取两个连续的脉冲然后测量接收脉冲的相位dΦ/dt实际上就是角速度=w=2πfd5.关于相干的几个概念6.最大不模糊距离与距离折叠•最大不模糊距离：最大不模糊距离是指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PRFcR2max其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，PRF为脉冲重复频率距离折叠（模糊）•雷达测距公式R=0.5ct，t为脉冲发出到返回的时间。•雷达测距按照最新发出的脉冲从发出到返回的时间来计算。•距离折叠是指雷达确定的目标物方位是正确的但距离是错误的。当目标物位于雷达最大不模糊距离之外时会发生这一现象，也就是说，目标物的定位是模糊的。换句话说，当目标物位于雷达的最大不模糊距离（Rmax）之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们形象地称之为‘距离折叠’。目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。距离折叠是如何发生的？雷达最大探测距离是250nmnm=1.852kmnauticalmile目标位于最大不模糊距离之外，距离折叠（模糊）发生。一个目标物位于nRmax之后若干海里的话（这里n是任意一个正整数），它将错误地出现在距雷达同一海里远的位置上。如果雷达的Rmax=250nm，那么位于0-250nm的目标物处于第一程；251-500nm的目标物处于第二程等等，以此类推。一个实际位于550nm（超过2Rmax）处的目标物，如果被Rmax=250nm雷达探测到，它在雷达上的显示位置是50nm；一个实际位于300nm（超过1Rmax）处的目标物，如果被Rmax=250nm雷达探测到，它在雷达上的显示位置也是50nm。距离折叠回波的特点：方位角是正确的强度较弱有时具有奇怪的多普勒速度怎样排除距离折叠回波？•改变雷达机的脉冲重复频率(PRF)UseadifferentPRFevery2-3pulses,iftheechomoves,itisbogus!7.最大径向速度与速度模糊•最大不模糊速度Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。4maxPRFV•速度模糊速度的可能值v-2nVmax或v+2nVmax速度折叠•Nyquist间隔–可分辨的速度范围–最大不模糊速度±Vmax之间•如果粒子的径向速度超过了Nyquist间隔，那么速度值就会aliased,orfolded.•这叫速度折叠/混淆(velocityfolding/aliasing).–例如:若nyquist速度是25m/s，粒子的radialvelocity是-30m/s,那么就会发生折叠，导致其值是+20m/s速度模糊的成因解决测速模糊的两种方法一、用双脉冲重复频率扩展多普勒雷达可测速区间标准化多普勒速度雷达交替发射两种脉冲重复频率F1和F2：最大不模糊速度多普勒速度：扩展？二、用退折叠技术消除多普勒速度的折叠(一)折叠成因当目标物的多普勒频移fd大于脉冲重复频率F的一半(相位大于1800)时，对fd的识别就会产生混淆。若则即(二)退折叠所依据的原理软件退折叠主要依据连续性原理，即在大气中风场的分布总是连续的．因此，只要雷达的分辨率足够高、保证风场的连续变化特征不会模糊掉，那么从理论上讲，在有回波之处运用连续性原理，总可以从—点推得整个回波区的速度值，因为速度的折叠总是使相邻库问的速度增加而呈现出明显的突变，选择适当的N，使该速度梯度明显减小时即可认为此时的速度值是实际速度。(三)退折叠的方法一旦反射率因子、速度和谱宽基本数据由RDA传输到RPG，则开始执行速度退模糊算法。该算法的可调参数设置（adaptableparametersettings）随所使用的脉冲长短而变化。不同的设置是为了减少VCP31中速度退模糊的失败率。由于在RDA中已经过距离去折叠处理，所以现在速度数据的距离（位置）是正确的，速度退模糊算法试图识别和校正模糊的速度。速度退模糊算法本质上是根据连续性原则将每个速度初猜值与它的周围的相临速度值相比较。如果一个速度初猜值与它的周围值显著不同，则该算法试图用另一个可能的值替换那个速度初猜值。由于PRF和Vmax是已知的，所以计算速度初猜值值的可能的替代值是直截了当的。由于算法依赖于周围的数据，因此它主要建立在连续性的基础上。8.多普勒两难(TheDopplerDilemma)•最大不模糊速度Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。•最大不模糊距离Rmax：最大不模糊距离是指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Vmax和Rmax都与PRF有关8;2;4maxmaxmaxmaxcVRPRFcRPRFV由于没有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能达到最大，所以要使用变化的PRF。每台WSR-88D使用不同的PRF，从一组8个PRF中选择。typicalexample1、回波功率谱2、平均多普勒速度及速度谱宽度9.降水回波信号的几个统计特征多普勒速度和速度谱宽度10.影响速度谱宽的气象因子•(1)垂直方向上的风切变；•(2)由波束宽度引起的横向风效应；•(3)大气的湍流运动；•(4)不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布谱宽数据指的是速度谱宽数据，它是对在一个距离库中速度分离度的测量。谱宽在数学上与一个距离库内的各个散射体的速率和速度方向的方差成正比例。谱宽可以用做速度估计质量控制的工具。当谱宽增加，速度估计的可靠性就减小。影响速度谱宽的气象因子若每项因子对速度谱宽的贡献近似看作相互独立，则速度谱方差为各因子造成的方差之和，即。四个因子中，不同降水粒子产生的下落末速度（4）对谱宽的影响一般较大（水平时探测没有影响，垂直影响最大），而湍流效应（3）产生的多普勒谱宽，既依赖于湍流强度本身，也依赖于粒子对大气湍流运动响应的灵敏程度，前两个因子（1）（2）对谱宽的影响一般可忽略。22222wTbsv各因子对速度谱宽的贡献一些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，它们包括：①气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等；②雷暴；③切变区域；④湍流；⑤风切变；⑥不同尺度的雨、雪，不同的降落速度。一些非气象条件也可使谱宽增加，包括：①天线运动；②WSR-88D的内部噪声。11.天气多普勒雷达的应用一、测量大气垂直速度当多普勒雷达垂直指向天顶时，所测量的平均多普勒速度实际上是有效照射体内粒子的平均下落木速度和大气垂直速度之和。若能近似估计某一直径粒子的下落末速度或所有粒子的平均下落末速度，则可根据实测的平均多普勒速度算出大气的垂直速度。目前主要有下三种测量方法。速度谱低端法w0-z关系法综合测量法二、测量滴的谱分布当降水中气流的垂直运动速度W已知时，从5.1式可由雷达测得的多普勒平均径向速度，计算出质点的下降末速度。由于质点的重力下降末速度与质点的直径之间存在着一定的关系，由此便可以导出雨滴滴谱分布N(D)。本方法对稳定性降水效果较好，而对于对流云降水效果则比较差。当质点大小不等，下降速度不等，而气流垂直运动已知时，则先求质点下降末速度，再求质点大小。三、VAD技术测量水平流场及降水量•什么是VAD技术？sin)(cos)cos()()(0fhRvvvVAD技术就是速度—方位显示方法、即让雷达天线以某一固定的仰角作方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距离和方位上的径向速度vR(β)记录并显示出来。（一)测量均匀流场的风向风速cos2)(21vvvh水平风的来向，就是径向速度最大时天线所指的方向。sin2)(21vvvf速度方位显示产品算法假定在某一高度上风场是均匀的。对于给定高度，算法根据用户设定的标准径向距离（缺省16.2海里），选定与给定高度最接近的仰角资料。然后将该仰角中给定高度上每个距离库上平均径向速度点绘在径向速度一方位图上，横坐标为方位角0°或360°为正北方向，180°朝向正南），纵坐标表示径向速度。假如有25个以上非零数据点（用户设定），算法用最小二乘法拟合这些点，可得到一条正弦波曲线，正弦曲线的振幅表示水平风速，正弦曲线上的波谷（负值最大点）所在方位角表示水平风向。(二)测量非均匀流场的风向、风速、辐散和形变(三)估计区域降水量(四)VAD作不均匀间隔采样时确定风场的方法•（自学）四、多部多普勒雷达联合探测风场•1．三部雷达方法探测风场•2．双多普勒雷达探测单部多普勒雷达只能探测大气目标物相对于雷达的径向运动速度，从径向速度分布特征再来推断大气流场的特点，因此，单部多普勒天气雷达探测能力是有限的，它不能直接探测空气运动的二维或三维的详细结构，为了能从单部多普勒天气雷达测得的径向速度分布，从而推断气流的空间情况，必须作出一些假定。Lhernitte方法：Lhernitte（1968年)提出了用三台多普勒天气雷达进行观测的方案.这种方法的原理比较清楚，但实际上很难做到同步同时对准空间某一点取样。切实可行的代替方案是三个波束独立地扫描，多距离同时取样、记录、