雷达气象学总结

雷达气象学总结一、绪论雷达气象学：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，它是大气物理学、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。雷达机的主要构成：RDA-雷达数据采集子系统RPG-雷达产品生成子系统PUP-主用户处理器子系统其次包括：通讯子系统、附属安装设备RDA的扫描方式：雷达在一次体积扫描中使用多少角度和时间。RDA的天气模式：1.晴空模式：VCP11或VCP212.降水模式：VCP31或VCP32新一代雷达：降水模式VCP：雷达天线体扫模式雷达的显示方式：PPI（平面位置显示PlainPositionIndicator)：固定仰角，天线做0－360°顺时针扫描，显示回波分布；实际上显示的是圆锥面上的回波分布。按测距公式，R越大，回波高度越高。RHI(RangeHeightIndicator距离高度显示）：固定方位角，天线做俯仰扫描，探测某方位上回波垂直结构。坐标：R－最低仰角的斜距；H－按测高公式计算（标准大气折射）。Note：纵坐标尺度放大，使回波形态变型；VCS:verticalcrosssectionCAPPI（等高平面位置显示）：雷达以多个仰角（仰角逐渐抬高）做0－360°扫描，得到三维空间回波资料（体扫描），利用内插技术获得某高度的平面分布一些雷达参数的定义：如PRF，波长、雷达天线增益、脉冲宽度等二、散射散射：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。主要物质：大气介质、云滴、水滴，气溶胶等。其它散射现象：光波、声波等散射的类型：瑞利散射：dλ；米(Mie)散射：d≈λ瑞利散射散射函数或方向函数：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（θ＝π）的那一部分能量，这部分能量称为后向散射能量。瑞利散射性质①粒子的散射能力与波长的四次方成反比。波长越短，散射越强。②粒子的散射能力与直径的6次方成正比。粒子半径越大，散射越强。③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。瑞利散射和米散射的异同点？相同点：米散射包括了瑞利散射区别：1、α越大，前向散射的能量占全部散射能量的比重越大；2、米散射侧向散射能流密度不为0，瑞利散射侧向散射能流密度为0；3、米散射前后向散射不等，Ss前向Ss后向，但后向散射仍大于瑞利散射的后向散射，所以雷达仍能接收到足够大的散射。雷达截面或后向散射截面定义：设有一个理想的散射体，其截面为σ，它能全部接收射到其上的电磁波能量，并全部均匀地向四周散射，该理想散射体散射回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面σ就是实际散射体的后向散射截面。意义：用来表示粒子后向散射能力的强弱。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，所产生的回波信号也越强。雷达截面（后向散射截面）和散射截面的区别？画图表示，见讲义。反射率η：单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。反射率因子（Z）：60()ZnDDdD∞=∫雷达反射率因子Z和粒子直径的六次方成正比，说明少数大粒子提供散射回波功率的绝大部分，常以分贝表示Z的不同取值，意味着不同天气状况。通常Z的取值从0dBz~70dBz，因此要求天气雷达必需有非常大的检测范围。新一代天气多普勒雷达的接收机动态范围是90~100dBz以内。反射率因子与等效反射率因子的区别和联系：冰、水、以及冰水混合物散射特性的不同，冰、水折射指数的不同所造成的散射大小的不同。三、衰减衰减：入射和散射波通过大气时受到削弱的现象（衰减＝吸收＋散射）原因（1）吸收：入射（散射）波被质点吸收变成其它形式的能量；（2）散射：使入射方向的一部分能量向四面八方传播，使原方向的电磁波能量削弱衰减的一般规律和对雷达探测的影响：衰减系数kL：物理意义：由于衰减作用，单位接收功率在大气中往返单位距离时所衰减掉的能量（量纲为1/距离，1/m）1Niiησ==∑0()()nDDdDησ∞=∫6363/110lg1/ZmmmdBZmmm=×分贝/距离衰减系数k：（量纲为k=4.343kL,分贝/距离，dB/km）雨的衰减与雨强和波长的关系，以及测雨雷达波段的选择:V形缺口的认识及应用:四、折射折射的物理本质？折射、散射、吸收的异同点？不同点：折射：超短波在不同介质或不均匀介质中，由传播速度不同引起的传播方向改变的现象散射：仅改变电磁波传播方向，使电磁波向四面八方传播，没有使电磁波能量改变形式吸收：改变电磁波能量的形式相同点：同时发生等效地球半径，定义、公式？大气折射类型（画图以及产生条件）：标准大气折射、临界折射、超折射、零折射、负折射超折射回波的物理意义？辐射超折射：晴空晚上到清晨，由于地面的长波辐射，近地面产生逆温；特别地面潮湿时，对流在逆温层受抑止，产生超折射平流超折射：干暖空气移到冷水面上易产生超折射雷暴超折射：雷暴消散期，下沉气流有时导致逆温（下沉逆温），因下雨地面潮湿，对流受抑止，易产生雷暴超折射，是雷暴消散的指标。折射对测高的影响:五、雷达方程气象雷达方程：以数字表达式，定量表示气象目标雷达回波的强度（功率）与雷达技术参数、气象目标的性质、目标物距雷达的距离及其间介质传输衰减等主要影响因素之间的关系的方程式雷达气象方程的讨论：雷达气象方程：①雷达机各参数、②气象因子、③目标物和雷达机之间的距离雷达机参数：①发射功率，②脉冲宽度和脉冲长度，③波瓣宽度，④天线增益等发射功率：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，以及地球曲率等影响。脉冲宽度和脉冲长度:当两者增加时，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。0220.211222311101024(ln2)2RkdRtrPGhmPZRmθϕπψλ−−∫=×+波束宽度θ: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，造成回波能量变弱。天线增益也随之增加。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：雷达的最重要参数，云雨粒子对电磁波的散射能力和衰减能力，都与波长有密切关系。各气象因子的作用:1）目标物的后向散射特性。反映在因子Z上2）波束路径上各种粒子对雷达波的衰减作用。反映在因子00.210RkdR−∫上距离因子的影响:Pr与R平方成反比，气象目标随距离增加而减小，同样强度的降水出现在远距离处要比近距离处弱得多充塞系数：有效照射深度：在雷达脉冲发射发射的方向上，被照射的粒子的回波信号能够同时返回天线的空间长度，即h/2。有效照射体积：在波速宽度范围内，被照射粒子的回波信号能够同时返回天线的体积。画图表示有效照射深度和有效照射体积。会计算抛物面天线时有效照射体积的大小：具体见书上和讲义上的计算距离折叠和速度模糊：理解并能解释。六、雷达探测能力和精度测高公式：大气折射引起的测高误差：波束垂直方向的宽度引起的测高误差；由于仰角相差，可能引起云顶偏高，云底偏低；旁瓣引起的测高误差（指状回波）；距离衰减引起的测高误差。径向分辨率和切向分辨率：雷达在有衰减和无衰减时最大探测距离和降水强度以及波长的关系：七、定量测量降水原理：在不考虑衰减、充塞程度，并满足瑞利散射的条件下，知道Z-I关系，就可以直接根据雷达R处的平均回波功率来计算降水强度I.Z-I关系不确定性的思考：影响降水测量精度的各种因素：八、多普勒雷达原理多普勒频率（频移）：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的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移。径向速度：物体（目标）在观察者视线方向的速度。谱宽的影响因素：气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等；雷暴；切变区域；湍流；风切变；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：天线转速；距离；WSR-88D的内部噪声。多普勒两难的理解：VAD技术的原理与应用：九、雷达回波多普勒径向速度场分析技术与方法？1、多普勒零径向速度线特征（1）零径向速度线是否与径向平行（平行，表示风向不随高度增加而变化）；零径向速度线是一条曲线，则表示风向随高度增加变化）（2）零径向速度线走向有无显著折角（3）零径向速度线走向是否和距离圈平行（可能出现远离中心（正）和朝向中心（负）沿径向排列的情况）2、远离分量（正）和朝向分量（负）分布特征（1）大片正区和负区是否和原点（测站）对称，范围是否大致相等（2）大片正区和负区是否与径向对称（3）有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心存在（4）有无多普勒径向速度等值线密集带存在3、强多普勒径向速度梯度带（径向速度切向梯度越大，水平风速越大）多普勒零速度线：（1）此处的风向与雷达径向垂直；（2）风速为0（静风）正值：远离雷达站；负值：朝向雷达站一定要会画：根据多普勒速度图画出风向和风速随高度的变化均匀流场时的几种典型多普勒速度图：非均匀流场的典型速度图：气旋、反气旋、辐合、辐散的识别和分析：雷达回波的分析原则1、形态分析：块状、片状、絮状、带状、弓状、指状、钩状、LEWP（LineEchoWavePattern)、“V”型缺口2、结构分析：回波顶高（与对流强弱有关）；回波强中心所在高度（冰雹水份累积区）；回波强度梯度；0°层亮带（稳定性降水的标志）；高中低空回波强度之间相对位置的配置；3、统计分析：应用历史资料进行回归分析4、动态分析：雷达连续观测，前后对比，某块回波是否发展、消亡；回波合并、分裂、弥合；移向、移速（回波整体移动和其中强回波传播之间的区别）Note：PPI分析时回波距离和相应高度；途中质点的衰减辉斑回波（三体散射）：又称“冰雹尖峰”，雷达探测冰雹云时，由于冰雹（强回波中心）和地面的多次反射使电磁波传播距离变长，产生异常回波信号，回波所用的额外时间被雷达显示成更远处的回波，表现为从冰雹云中沿强回波中心径向方向延伸出去的尖峰旁瓣回波：由天线特性造成的虚假回波，在回波顶上出现一条细长的回波二次回波：由于距离折叠或者多层回波，当目标物位于最大不模糊距离之外时，就会产生距离折叠，而出现二次回波非气象回波如地物回波的特点等零度层亮带：在实际大气温度0℃以下300－500m形成一个回波强度强的亮带。是层状云续降水的标志。零度层亮带的成因及意义：冰雹云的雷达回波特征？1、冰雹云的雷达回波强度特别强Z≥53dBZ2、回波顶高度高3、上升（下沉）气流特别强4、PPI上冰雹云回波的形态特征（1）“V”型缺口;（2）钩状回波;（3）辉斑回波（三体散射）5、RHI上冰雹云的回波特征（1）超级单体风暴中的穹隆（弱回波区BWER）、回波墙和悬挂回波（2）强回波中心高（含水量累积区）（3）旁瓣回波（4）辉斑回波雪的散射，降雪回波的特点：雷达探测云回波：降水回波层状云连续性降水－片状回波，层状云降水（稳定性降水）零度层亮带是层状云连续性降水的一个重要特征强度回波具有较大水平范围、连绵成片、均匀幕状特征，强度均匀、边缘弥散，降水持续时间长层状云降水回波垂直剖面图中，回波通常占满对流层中下部，水平尺度要大于垂直尺度，高度一般在5－6km对流云阵性降水－块状回波（包括雷阵雨、冰雹和暴雨）几公里至几十公里不规则块状结构、边界清晰、结构紧密、回波强度强，对流云回波在RHI上通常呈柱状结构，高度较高，垂直伸展大于水平伸展。积层混合云降水－絮状回波PPI：比较大的范围内，回波边缘支离破碎，没有明显边界，层状云回波中镶嵌着以一个个密实的团块，强度可达40dBZ以上，有时强回