多普勒天气雷达资料分析与应用

多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用南京信息工程大学多普勒天气雷达资料分析与应用引言•RADAR–RAdioDetectingAndRanging•WSR－88D–WeatherSurveillanceRadar88Doppler•CINRDA/SA，SB，SC；–S:10cm，A敏视达，B14所，C成都七八四厂•CINRDA/CD，成都七八四厂生产CINRDA/CC，CCJ安徽四创生产–C：5cm多普勒天气雷达资料分析与应用WeatherRadarinChina•中国气象雷达的概况•711型测雨雷达-X•713型测雨雷达-C•714型测雨雷达-S•多普勒雷达(714-CD,3830，敏视达雷达）多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达的组成和探测原理•一、多普勒天气雷达的工作原理•二、雷达的PPI扫描方式•三、雷达的三部分•四、多普勒天气雷达的产品介绍•五、短时预报常用的雷达产品多普勒天气雷达资料分析与应用一、多普勒天气雷达的工作原理•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、雨区强度、垂直结构等情况。•同时，利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向(朝向雷达或远离雷达方向)运动速度，并通过这种速度信息推断风速分布、垂直气流速度、大气湍流、降水粒子分布、降水中特别是强降水中的风场结构特征。多普勒天气雷达资料分析与应用天气雷达的基本工作原理•天气雷达间歇性地向空中发射脉冲式的电磁波，电磁波在大气中以接近光波的速度、近似于直线的路径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标物，脉冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线（称为后向散射），在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布和强度等特征。多普勒天气雷达资料分析与应用SINGLERADARS多普勒天气雷达资料分析与应用发射系统天线系统接收系统信号处理系统显示系统天气雷达的基本框图及其工作原理多普勒天气雷达资料分析与应用一、多普勒天气雷达的工作原理•电磁波的传输、反射和散射1、粒子的尺度小于或接近波长时，遵循散射2、粒子很大时，遵循几何光学规律两类散射：Mie散射(大粒子情况)Rayleigh散射（小粒子情况）基本特点：Mie散射的前向散射较多Rayleigh散射前后方向对称多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用σ描述单个粒子后向散射能力的大小256242641:4()2rmRayleighm多普勒天气雷达资料分析与应用雷达反射率，雷达反射率因子（粒子群）雷达反射率定义：定义单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和称为雷达反射率，以η表示，即：•物理意义：描述粒子群后向散射能力的大小•雷达反射率因子：单位体积内所有质点直径的六次方之和。与波长无关的量。01)()(dDDDnNii06)(dDDDnZ单位？多普勒天气雷达资料分析与应用小粒子散射•雷达反射率和反射率因子的关系：25264201()2mnDDdDm2524212mZm即Rayleigh条件下多普勒天气雷达资料分析与应用大粒子散射对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象方程求得的Z值就不能代表降水的实际谱分布情况，只能是等效的Z值，记为Ze，称为等效雷达反射率因子。等效反射率因子Ze:–用瑞利散射公式计算大粒子的反射率因子•能够产生同样回波功率Pr，与小球粒子的反射率因子等效的Z值。ZemmNiMi22245121多普勒天气雷达资料分析与应用Z的意义Z值的大小只取决于云、雨滴谱的情况；Z正比于D6，一方面表明粒子越大，Z越大，回波功率也就越大，另一方面也表明少数大粒子将提供回波功率的绝大部分。根据雷达方程：，可以方便的通过雷达回波功率了解云、雨情况。的意义能够产生同样回波功率的、与小球形粒子的相当的Z的数值；引入后，即使是较为复杂的Mie散射，仍然可以使雷达气象方程保持Rayleigh散射时较为简单的形式。2rCPZReZ6iDeZ多普勒天气雷达资料分析与应用雷达反射率因子的分贝表示形式取=1为标准值，则：0Z63/mmm6363/110lg1/ZmmmdBZmmm63/mmmdBZ(dBZe)3540455055Z()3.2×1031043.2×1041053.2×105dBZ-Z(dBZe-Ze)的对应关系多普勒天气雷达资料分析与应用雷达气象方程常数项雷达参数项距离因子项充塞因子项气象因子项衰减因子项多普勒天气雷达资料分析与应用二、雷达的PPI扫描方式多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用PPI显示结果的空间分布多普勒天气雷达资料分析与应用LocatingaTarget•Thefirstpieceofinformationistheangleoftheradarbeamwithrespecttonorth;calledtheazimuthangle.多普勒天气雷达资料分析与应用Thesecondistheangleofthebeamwithrespecttotheground;calledtheelevationangle.多普勒天气雷达资料分析与应用Thethirdpieceofinformationneededisthedistance(D)fromradartotarget.•Distanceisdeterminedbymeasuringthetimeittakesforthepulsetomakearoundtripfromtheradartothetargetandbackusingtherelationdistance=(time)*(velocity).Thevelocityisthespeedoflight,thespeedatwhichthepulsetravels(c).Sincethepulsehastotraveltothetargetandback,thetotaldistanceis2D.Iftisthetimeittakes,then2D=ctorD=ct/2.Usingthecalculateddistance,azimuthangleandelevationangle,theexactlocationofthetargetcanbedetermined.三要素：R—斜距α—仰角β—方位角C≈3×108m/sΔt以“微秒”为单位，1微秒=10-6秒R=C×Δt21ZNEOCC’αβ多普勒天气雷达资料分析与应用中国新一代天气雷达系统简介•1、雷达数据采集系统（RDA）•2、雷达产品生成子系统（RPG）•3、主用户处理器子系统（PUP）三、雷达的三部分多普勒天气雷达资料分析与应用天线与伺服发射机接收机信号处理器监控系统卫星通讯产品生成主用户工作站辅助用户工作站主控台存档局域网或广域网宽带传输数据采集RDA产品生成RPG用户处理PUP基数据多普勒天气雷达资料分析与应用RDA监控计算机多普勒天气雷达资料分析与应用1、雷达数据采集系统（RDA）采用脉冲多普勒体制的全相干系统•速调管放大、高功率全相干发射机•窄波束低旁瓣的天线•低噪声宽动态范围的相干接收机•多参数的信号处理器•主要参数的自动检测多普勒天气雷达资料分析与应用发射机取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf）信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率750kw）非常稳定的10厘米的射频（rf）脉冲。在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲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rf脉冲被产生，就被送到天线。多普勒天气雷达资料分析与应用全相干发射机多普勒天气雷达资料分析与应用天线天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的rf信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。SA雷达的天线仰角变化范围是从0.5度到19.5度。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（scanstrategy共有三种）、体扫模式（volumecoveragepattern：VCP）和工作模式（operationalmode分为晴空和降水两种模式）。雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用天线•天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射方向上的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以G表示。–天线增益与天线波束宽度具有一定的关系：在超高频技术中，一般天线的增益在几千到几万。–天线增益常以分贝(dB)形式表示：分贝(dB)=10×lgS定向S各向均匀S定向—定向天线最大辐射方向上的能流密度；S各向均匀—各向均匀天线的能流密度；2G多普勒天气雷达资料分析与应用天线扫描方式（scanstrategy）扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（volumescan）中使用多少仰角和时间。WSR-88D和CINRADWSR-98D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）•扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）多普勒天气雷达资料分析与应用体扫模式(VCP:VolumeCoverPattern）扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个：VCP11---VCP11（scanstrategy#1，version1）规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。VCP21---VCP21（scanstrategy#2，version1）规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。VCP31---VCP31（scanstrategy#3，version1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。VCP32---VCP32（scanstrategy#3，version2）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。WSR-98D未定义VCP32。多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用工作模式（OperationalMode）WSR-88D使用两种工作模式，即降水模式和晴空模式。雷达的工作模式决定了使用哪种VCP，而VCP又确定了具体的扫描方式。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。多普勒天气雷达资料分析与应用窄波束低旁瓣的天线多普勒天气雷达资料分析与应用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。多普勒天气雷达资料分析与应用相干接收机信号处理监控系统多普勒天气雷达资料分析与应用2、雷达产品生成子系统（RPG）具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通信等多种功能•气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品•运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等功能•数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能•通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信等多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用3、主用户处理器子系统（PUP）•多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能•具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能•通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生成多普勒天气雷达资料分析与应用•多屏、多画面显示多普勒天气雷达资料分析与应用多普勒天气雷达资料分析与应用距离折叠与速度模糊1最大不模糊距离与距离折叠2最大不模糊速度与速度模糊3多普