雷达讲座(邓志)

天气雷达业务技术讲座福建省气象局业务科技处邓志Tel:0591--83330346，13960789363E-mail：[e-mail]@sohu.com2004年9月讲座内容:1.天气雷达基本原理与概念2.天气雷达资料的几种主要显示方式3.天气雷达基本资料(Z/V)分析4.天气雷达的局限性5.天气雷达发展展望天气雷达业务技术讲座讲座目标:1、对天气雷达有一点新认识；2、对天气雷达资料应用提高兴趣；3、为大家应用好714SD资料有所帮助。说明:本讲座的内容是基于714SD和网上CINRAD/SA资料.天气雷达业务技术讲座第一讲天气雷达基本原理与概念1、天气雷达基本结构天气雷达基本结构：RDA、RPG、PUPRDA主要结构：天伺系统、发射机、接收机、信号处理2、天气雷达基本工作原理雷达工作过程：电磁波发射和接收的过程3、天气雷达常用的参数雷达工作频率f与波长λ（f=C/λ，C光速）雷达重复频率/重复周期（PRF/PRT）脉冲宽度（τ）与照射深度h（h=cτ/2）发射功率（Pt）接收机灵敏度（Pmin）天线增益（G）波束宽度(θ/Φ)4、雷达气象方程其中Pr表示雷达接收功率，Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，表示与复折射指数有关的系数，Z为雷达反射率，R为目标物距雷达的距离。5、雷达反射率因子---dBz雷达反射率因子Z（单位dBz）为单位体积内所有散射粒子直径六次方之和,反映了降水的强度，一般Z值与雨强I有以下关系：层状云降水Z=200I1.6地形雨Z=31I1.71雷阵雨Z=486I1.37对于热带风暴Z-I大致有以下对应关系：回波强度Z（dBz）＜1515～2425～3435～45＞45降水强度I（mm/h）0.54.48.612.125.1南非:回波强度Z（dBz）＜102030405060降水强度I（mm/h）0.21.03.010502006、多谱勒速度V正在移动之中的目标物，与静止目标物相比其回波信号的频率要发生漂移。回波信号频率上的变化叫多普勒频移，用fd表示。尽管气象目标物的多普勒频移量很小，但多普勒天气雷达还是能够测量到。这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要求。多普勒频移与目标物在雷达径向方向上的速度分量v有关，满足如下关系：fd=2v∕λ(式中λ是雷达波长，fd是多普勒频移)多谱勒速度是径向速度，垂直于雷达波束的速度分量（切向速度）不能直接测量。7、多谱勒速度谱宽W多谱勒速度谱宽表征着雷达有效照射体积内不同大小的多谱勒速度偏离其平均值的程度，实际上它是由散射粒子具有不同的径向速度所引起的。影响速度谱宽的主要因子有四个：1.垂直方向上的风切变；2.大气的湍流运动；3.不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布；4.由波束宽度引起的横向风效应。8、雷达仰角9、雷达方位角10、大气折射大气折射11、标准大气雷达测高公式H=h0+sinθ+R2/17000，单位：千米12、PPI图上距离与高度13.回波形态片状回波—层状云连续性降水块状回波(带状回波)—对流云阵性降水絮状回波—混合性降水亮带回波—层状云连续性降水的特征亮带回波(1.8—2.0千米)天气雷达业务技术讲座第二讲天气雷达资料的几种显示方式1、ＰＰＩ扫描显示2、ＲＨＩ扫描显示3、立体扫描显示CAＰＰＩCRVILOHP（THP、STP）VAD（VWP）VCS（RHI）ETHail、SRM、TVS、M、CS等CAＰＰＩ(等高平面位置显示)体扫描数据内插径向速度CAPPI分布的意义不够清晰,CMA只规定Z和W两种无方向性产品.优点:易与规定高度常规资料配合分析WER类似CR（组合反射率因子）CR：1．显示出整个可探测大气空间的最大反射率因子分布。2．比较于基本反射率因子，有助于探测风暴结构特征和强度等。VIL(垂直积分液态水含量)垂直液态水含量产品是假定反射率因子强度来自于液态水滴，定义为某底面积的垂直柱体中的总含水量。应用Z-M关系，通过垂直积分获得，单位千克/平方米。VIL是判断冰雹存在的很好指标。OHP（一小时累计降水）THP（三小时累计降水）STP（风暴总累计降水）VAD（VWP）曲线为用最小平方法拟合离散点所得曲线，曲线的表达式在图像下方，表达式第一项表示对称度，振幅表示水平风速大小，拟合曲线最底部（负速度）所对应的方位角为水平风向。通常代表30公里范围ET（回波顶高）把强度大于等于18.3dBZ的回波所在高度定义为回波顶高。（云区上部）产品不足1．产品网格点间常出现环形阶梯状不连续现象。2．对于发展较高的强风暴较难探测到其回波顶高。3．雷达旁瓣回波，可能导致过高估计回波顶高。4．距雷达近距离处，由于受最高仰角的限制而可能低估回波顶高。VCS（任意垂直剖面）与（RHI）其它产品Hail（冰雹指数）SRM（风暴相对平均速度）M（中尺度气旋）TVS（龙卷涡旋特征）CS（综合切变）天气雷达业务技术讲座第三讲天气雷达基本资料（Z/V）分析第三讲天气雷达基本资料（Z/V）分析1.雷达反射率因子Z（dBz）分析方法与福建雷达气候特征2.模拟多谱勒平均径向速度V（米/秒）分析1、雷达反射率因子Z（dBz）福建雷达反射率因子气候特征回波性质稳定性降水/层状云对流性降水混合性降水台风降水回波形态片状（近距离）块状（带、V、指、零散）絮状螺带回波强度小于30dBz，2030-65dBz20-45dBz30-45dBz，40回波顶高2-6千米6、7-20千米3-15千米8-12千米，10移动变化少变动移速快，45，100KM/h较慢，15KM/h变化趋势稳定生消变化快局部变化快天气背景锋后、静止锋锋面、暖区、副高边缘、台风外围静止锋、槽、切变台风回波强度（Z）图象分析步骤1.降水性质判断，回波形态；2.回波分布特征分析，主要分析回波的分布特征及移动特征。其中包括移向、移速及回波的相对变化；3.回波演变特征分析，主要分析回波的发展阶段和演变趋势。分析回波是处于初生阶段还是处于发展阶段或消散阶段,并预测回波未来的变化。2、多谱勒平均径向速度V（米/秒）多谱勒平均径向速度是实际风投影在雷达波束径向上的向量。H=h0+sinθ+R2/17000单位：千米环境风与多谱勒速度及解释风向、风速均不随高度变化风向不变，风速随高度线性增加风向不变，风速随高度先增后减风速不变，风向随高度逆转（冷）风速不变，风向随高度顺转（暖）辐合辐散锋面1锋面2锋面3小尺度现象均场辐散气旋环境风中的气旋中气旋中的龙卷涡旋多普勒速度（V）图象分析步骤（探讨）1.确定零速度线和速度的来去向区域；2.识别速度模糊，确定具体来去向速度值；3.注意仰角，计算各特征区对应的高度位置；4.掌握最近时次天气形势，结合中尺度概念模式的流场特征，分析多普勒速度资料的天气意义；5.配合反射率因子（回波强度）的观测情况，得出多普勒雷达观测分析意见；6.结合其他常规和非常规气象资料，分析未来天气演变趋势，做出短时天气预报。雷达资料分析前注意的两个问题查看图象文字区的各种参数，如站名、图象产品名称、时间、显示色标与单位、仰角或方位角、脉冲重复频率、显示距离等；检查回波强度（或速度）和范围分布的可靠性，如回波强度值、有否虚假回波、最大不模糊速度与脉冲重复频率是否一致、同时次的径向速度（V）图象与回波强度（Z）图象的范围等；天气雷达业务技术讲座第四讲天气雷达的局限性天气雷达的局限性1.虚假回波与地物回波对气象回波的识别的影响（大气折射、晴空回波、地物回波、旁瓣回波、二次回波）2.遮蔽物对降水的遮掩3.速度模糊与距离模糊4.不同距离的最小回波强度不同5.不同距离不同的切向分辨率6.不同位置、不同波长的雷达探测的结果可能不同1.虚假回波与地物回波对气象回波的识别的影响(大气折射、晴空回波、地物回波、旁瓣回波、二次回波）大气折射影响通过实验中发现在台海地区大气折射指数高度梯度（dn/dh）四季变化很大，对雷达探测的影响十分严重。长乐雷达在不同天候条件下，探测到台湾岛地物高度在6Km～14Km之间变化，多数情况为8Km，地物回波范围也响应有成倍的变化。厦门雷达探测的结果亦有同样的情况。当台湾岛地物范围变大，测高值大于9公里以上时，出现了超折射现象。这往往都发生在夏季和春末，主要天气背景有：潮湿而又晴朗的夏夜、副高北跳天气乍热和雷暴天气。当台湾岛地物范围变小，测高值小于7公里时，出现负折射现象。负折射基本发生在秋季和冬季冷空气活动频繁的日子。2.遮蔽物对降水的遮掩遮蔽物对降水的遮掩3.速度模糊与距离模糊Rmax=C/2F(C：光速；F：PRF)Vrmax=+（1/4）F（：雷达工作波长）Rmax·Vrmax=(1/8)C·最大不模糊速度与最大不模糊距离成反比关系，最大不模糊距离需要低PRF，而最大不模糊速度需要高PRF。实际观测分析中速度模糊可识别，距离模糊难识别注意区别速度模糊与非模糊情况多普勒天气雷达消除二次回波天气雷达最大不模糊速度和最大不模糊距离的关系PRF（Hz）S波段C波段RN（km）VN(m/s)RN（km）VN(m/s)130011533.811517.8710001502615013.760025015.62508.25500300133006.87由表可见，要满足测量较大的不模糊速度，最大不模糊距离的探测将减小，二次回波出现的概率将增加。解决速度和距离的办法X、C、S波段中选用S或C波段，波长长；用双PRF技术；用软件方法；采用脉冲相位编码技术。速度模糊----艾利台风二次回波的概念实际回波显示（视在回波）Rmax二次回波的危害150km020km0km2080造成测量误差Rmax17019080二次回波的危害150km52503005kmkm2550虚假回波Rmax180200PRF=1000HzRmax=150km随机相位编码×多普勒天气雷达消除二次回波PRF=1000HzRmax=150km随机相位编码√多普勒天气雷达消除二次回波4.不同距离的最小回波强度不同简化的雷达气象方程：Z（dBz）=20lgR+dB-A，式中右侧第一项（20lgR）称为距离订正项；第二项是雷达接收功率（也可称为回波功率）与雷达最小可测功率之比的分贝数，即dB；第三项是与雷达性能参数有关的常数项。对于714SD而言，在50、100、200和300公里处的最小可测dBz值分别为-3.3、2.8、8.8、12.3。所以，我们在714SD雷达上获得的回波分布范围不能错误地认为有0dBz回波廓线。对于弱的降水离雷达测站一定距离就无法探测到。714SD和CINRAD/SA雷达弱回波探测能力比较714SDCINRAD/SA（晴空模式）50公里（dBz）-3.3-22.6100公里（dBz）2.8-16.6200公里（dBz）8.8-10.6300公里（dBz）12.3-7.15.不同距离不同的切向分辨率图中R′为雷达切向分辨率，θ为雷达波束宽度（弧度），R为雷达探测距离。对R′有近似关系：R′≌θ·R，显然探测距离逾远切向分辨率逾大。对714SD雷达而言，波束宽为1.2度，当探测100公里距离上的目标时，其切向分辨率大于2公里。因此，雷达探测探测100公里以外象龙卷这样的小尺度天气是不利的，尤其是多普勒速度已不能准确反映此类天气的内部流场特征。6.不同位置、不同波长的雷达探测的结果可能不同不同位置、不同波长的雷达探测的结果可能不同为什么不同位置的雷达探测同一目标的结果并不相同？不同位置的相对探测方向上雷达电磁波在降水和大气中的衰减情况不同，造成探测到回波的形态、强度可能不同。雷达的探测能力除了受雷达性能和周遍遮挡物影响外，很大程度受到架设高度的影响。受架设高度影响的雷达视距R=4.15·（H1/2+h1/2），式中R是雷达视距，单位公里；H是雷达架设高度，单位米；h是目标物高度，单位米。在不考虑遮挡物影响的情况下，雷达要保证对1公里以下高度目标的探测能力有200公里，那么它的架设高度需要在275米以上。厦门雷