新一代天气雷达复习笔记

目录

第一章引论 (2)

1.1 新一代天气雷达概述 (2)

1.2 天气雷达的局限性 (2)

第二章多普勒天气雷达原理 (3)

2.1 后向散射截面 (3)

2.2 球形粒子的散射 (3)

2.3 电磁波在大气中的衰减和折射 (3)

2.4 雷达气象方程 (4)

2.5 最大不模糊距离和距离折叠 (5)

2.6 多普勒效应 (5)

2.7 最大不模糊速度和速度模糊 (5)

2.8 谱宽 (5)

2.9 雷达取样技术 (6)

第三章多普勒雷达图识别基础 (6)

3.1 识别反射率基本知识 (7)

3.2 识别速度图的基本知识 (7)

第四章雷达数据质量控制 (11)

4.1 地物杂波抑制 (11)

第五章对流风暴及其雷达回波特征 (12)

5.1 普通风暴单体生命史： (12)

5.2 强风暴的雷达回波特征： (12)

5.3 弱垂直风切变中的强风暴——脉冲风暴的回波特征 (12)

5.4 中等到强垂直风切变环境中多单体风暴的雷达回波特征 (13)

5.5 超级单体 (13)

第六章灾害性对流天气的探测与预警 (15)

6.1 龙卷 (15)

6.2 大冰雹 (16)

6.3 灾害性大风 (16)

6.4 暴洪（短时强降水） (17)

6.5 强对流天气预报和预警的发布 (17)

第七章雷达产品与算法 (18)

7.1 产品概述 (18)

7.2 基本产品 (19)

7.3 一些算法简单的重要导出产品 (20)

7.4 风暴单体识别与跟踪算法及其产品 (24)

7.5 冰雹指数产品及其算法 (24)

7.6 中气旋（M）和龙卷涡旋特征（TVS）算法和产品 (25)

7.7 V AD风廓线算法 (25)

7.8 降水算法及其产品 (26)

参考文献： (29)

第一章引论

1.1 新一代天气雷达概述

CIRNAD/SA型雷达主要由RDA（Radar Data Acquisition）、RPG（Radar Product Generator）、PUP（Principal User Processor）三部分构成。

RDA（Radar Data Acquisition）由四个部分组成：发射机、天线、接收机、信号处理器。

发射机：产生高功率（峰值功率750KW）非常稳定的10cm的射频脉冲。

天线：

扫描方式：扫描方式告诉雷达在一次体积扫描中使用多少仰角和时间。CINRAD/SA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；

扫描方式2#：6分钟完成9个不同仰角上的扫描；

扫描方式3#：10分钟完成5个不同仰角上的扫描；

体扫模式：体扫模式规定使用哪个扫描方式，并且规定哪些具体的仰角。目前CINRAD/SA定义的体扫模式有4个：VCP11(扫描方式1# )、VCP21(扫描方式2# )、VCP31(扫描方式3# )、VCP32(扫描方式3# )。VCP31和VCP32的区别在与VCP31使用长脉冲而VCP32使用短脉冲。

最常用的VCP为VCP21

接收机：放大由天线接收的回波能量，以便模数转换和后续处理。

信号处理器完成三种重要功能：地物杂波消除、模数转换，以及退多普勒数据的距离折叠。

RPG（Radar Product Generator）主要任务是把RDA传来的基本数据，对其处理和生产各种产品分发给PUP。

产品分为基本产品和导出产品。

基本产品：指定仰角上的基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽产品。

导出产品：把体扫基数据经过特定算法而得到的产品。

PUP（Principal User Processor）获取、存储和显示产品。

主要功能包括：产品请求（获取）、产品数据存储和管理、状态监视、产品编辑注释

产品请求方式：常规产品列表（RPS）、一次性请求（OTR）、产品-预警配对（PAP）

1.2 天气雷达的局限性

（1）是波束中心的高度随距离的增加而增加；

（2）是波束宽度随距离的增加而展宽；

（3）是静静锥区的存在。

（4）探测能力和雷达周围净空环境有关，受地物阻挡的影响大。

前两点使得雷达对于远距离的目标的探测能力降低，而第三点使得雷达对于非常近的目标物的探测能力受限。

第二章多普勒天气雷达原理

2.1 后向散射截面

后向散射截面的定义是：设有一个理想的散射体，其截面面积为σ，它能全部接收射到其上的全部能量，并且均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射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面积

σ

2.3 电磁波在大气中的衰减和折射

衰减

电磁波在大气中的衰减是因为电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能量被散射，一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。

折射

标准大气折射、临界折射、超折射、无折射、负折射

标准大气折射：在标准大气情况下，Rm=8500Km（等效地球半径），为实际地球半径的4/3倍，波束路径向下弯曲，这种折射称为标准大气折射。可以代表中纬度地区对流层中

大气折射的一般情况，一般称为正常折射。

临界折射：当波束路径的曲率和地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射。

超折射：当波束路径大于地球表面的曲率时，即雷达波束在传播的过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，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，故称为大气波导传播，又称超折射。等效地球半径Rm<0。产生超折射地物回波，呈辐辏状排列的短线强回波（和当地地形地物十分一致）。产生的气象条件：气温向上递增，同时水汽压向上迅速递减，也就是常说的暖干盖的大气层结。

无直射：雷达波束沿直线传播。

负折射：雷达波束向上弯曲（湿度随高度增加，温度向上迅速递减）。（多产生在盛夏大陆的中午，大气底层温度的递减率有可能大于干绝热递减率，从而产生负折射）

2.4 雷达气象方程

参数

与发射机有关的参数

波长λ，决定气象雷达性能的一个重要参数。X、C、S波段，我国新一代天气雷达使用C、S波段（即5公分、10公分雷达）。

脉冲宽度τ：探测脉冲的持续振荡时间。所以，脉冲长度h=τc。因为雷达的收发特性，所以，有效照射深度为脉冲长度的一半τc/2（雷达径向的最小分辨率）。

脉冲功率Pt：雷达脉冲的峰值功率称为脉冲功率。为了增强雷达的探测能力，其脉冲功率常常很大。我国新一代天气雷达的Pt在650~800Kw之间。

脉冲重复频率：雷达每秒产生的触发脉冲的数目，PRF表示。我国新一代天气雷达的PRF在300~1300Hz之间。脉冲重复周期PRT为PRF的倒数。

与天线有关的参数

天线的方向图及波束宽度：在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。

CINRAD/SA的天线直径9米左右，波束宽度在1°左右。波束宽度越小，角分辨率越高，探测精度也越高，是雷达天线的重要技术参数。

天线增益G：定向天线在最大辐射方向的能流密度和各向均匀辐射的天线能流密度之比。CINRAD/SA的天线增益G≥44dB

与接收机有关参数

接收机灵敏度：接收机能分辨的最小可辨功率，P min表示。CINRAD/SA的P min短脉冲

(1.57μs)为-107dBm，对于长脉冲（4.71μs）为-113dBm

气象雷达方程

∑=单位体积i t r r h G P P σπθφλ2

222)2(ln 1024

气象目标强度的度量 反射率和反射率因子

反射率：单位体积中云雨粒子后向散射截面的总和称为反射率。（和雷达参数有关） 反射率因子：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子。（和雷达参数无关，不同雷达可以相互比较）

由于反射率因子Z 的变化区间很大（可以跨越几个数量级），为方便起见，采用dBZ

小 2.5 2.6

2.7 达重复频率。

速度模糊是指当多普勒速度大于V max 时，相继返回的两个脉冲之间的相位变化超过180°（π），而雷达却只能测量出小于180°（π）的值，相应的给出的多普勒速度值也是小于V max 的值，我们称这个现象就叫速度模糊。

2.8 谱宽

谱宽实际上是指速度谱宽数据，它是对一个距离库中速度离散度的度量，谱宽越大，速度估计的可靠性就减小。

些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，他们包括：（1）气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界；（2）雷暴；（3）切变区域；（4）湍流；（5）风切变；（6）降落速度不同的尺度不同的雨和雪。

一些非气象条件也可使谱宽增加，包括：（1）天线转速；（2）距离；（3）雷达的信噪比；

2.9 雷达取样技术

多普勒两难

和

CINRAD/SA SB雷达的基数据中的反射率因子是通过对沿着雷达径向的4个取样体积平均得到的，平均径向速度的分辨率和雷达的取样体积一致。基数据的反射率因子的分辨率为1km×1°，而径向速度和谱宽的分辨率为0.25km×1°

第三章多普勒雷达图识别基础

新一代天气雷达是在一系列固定仰角上扫描360°进行采样的，我们实际看到的雷达图实际上是在圆锥的俯视平面图上分析空间的雷达回波。

3.1 识别反射率基本知识

降水的反射率因子回波

降水的反射率因子回波大致可以分为三种类型：积云降水回波、层状云降水回波、积云层状云混合降水回波。

零度层亮带：

在0℃层上，冰晶和雪花在下降过程中开始融化时，表面上出现水膜，而尺寸变化不大，此时反射率因子因为水膜的出现而迅速增加，形成“零度层亮带”。

●利用雷达进行台风定位，精度高于气象卫星定位。

●“弓形回波”是地面大风的一个很好的指示。（飑线）

●超级单体风暴是对流风暴中最强烈的一种形式，可伴随强烈龙卷、大冰雹、灾害性

地面大风和暴洪。其地层反射率因子最明显的特征是钩状回波。

非降水回波

非降水回波主要包括：地物回波、海浪回波、昆虫和鸟的回波、超折射回波（大气折射指数脉动引起的回波）、云的回波等。

3.2 识别速度图的基本知识

雷达探测到的速度都是实际风在雷达径向上的投影。一般以离开雷达为正（暖色），吹向雷达为负（冷色）。

零速度：当实际风速为零或雷达波束与实际风向垂直时，径向速度为零，称为零速度；零速度线：是由沿雷达径向速度为零的点组成的线。它在速度图识别上有重要意义。

1、风向风速不随高度变化

2、风向不变，风速随高度线性增加

3、风速不变，风向随高度逆转（冷）

4、风速不变，风向随高度顺转（暖）

5、辐合

6、辐散

7、锋面过境前、中、后小尺度系统多普勒图像

均场

辐散

气旋

中气旋中的龙卷涡旋

多普勒速度图象分析步骤

●确定零速度线和速度的来去向区域；

●识别速度模糊，确定具体来去向速度值；

●注意仰角，计算各特征区对应的高度位置；

●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；

●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；

●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。第四章雷达数据质量控制

在雷达定标正确的情况下，新一代天气雷达基数据的质量主要受到三个因素的影响：地物杂波、距离折叠和速度模糊。

4.1 地物杂波抑制

普通地物杂波

主要影响最低仰角的产品；是指由山脉、高大建筑物等地物在雷达波束正常传播情况下造成的杂波，一般发生在离雷达较近的地方；

几个特点：

●一般影响最低仰角，离雷达较近的地方，和雷达站周围地形有关；

●从一个体扫到下一个体扫，地物回波位置、强度很少有变化，在一般折射条件下都

会出现；

●反射率因子较大，从一个距离库到下一个距离库有很大变化（反射率因子梯度不平

滑）。

●径向速度和谱宽为零（海浪回波除外）；

异常地物回波

有雷达超折射造成的回波一般叫异常地物回波。

几个特征：

●一般影响雷达的较低仰角，可发生在不同距离上，一般发生在逆温和/或湿度随高

度增加而迅速减小的大气层（暖干盖）。

●由于雷达异常传播取决与大气条件，所以显示在雷达产品上的相应的异常地物回波

有较大变化；

●在反射率产品上，表现为杂斑点，斑点值变化范围很宽，并可以扩展到很大范围。

反射率因子相当高，反射率因子梯度不如气象回波光滑；

●一般情况下速度和谱宽为零；

第五章对流风暴及其雷达回波特征

对流风暴都是有对流单体构成的，对流风暴可以划分为普通单体风暴、多单体风暴、线风暴（飑线）、超级单体风暴。

5.1 普通风暴单体生命史：

1）塔状积云阶段；

初始回波的水平尺度为1km左右，垂直尺度略大于水平尺度。

初始回波顶通常在-40C～-160C之间的高度上，回波底在00C高度附近。

初始回波形成后，回波向上向下同时增长，但是不及地，回波强度最强在云体的中上部。2）成熟阶段；

雷达回波及地是对流单体成熟阶段的开始。

云中上升气流达到最大。出现的冷性下沉气流在垂直和水平方向上扩展，与单体运动前方的低层暖湿空气交汇而形成飑锋，又称阵风锋，雷达回波表现为在风暴前方有一细条弱回波。

3）消亡阶段。

雷达回波强中心下降到地面附近，回波强度减弱；

5.2 强风暴的雷达回波特征：

产生普通单体风暴的风向随高度的分布杂乱无章，基本上是一种无序分布，而且风速随高度的变化也较小；而多单体风暴和超级单体风暴的风向风速随高度变化分布是有序的，风向随高度朝一致方向偏转，而且风速随高度的变化值也比普通单体风暴的大。

热力不稳定（浮力）和垂直风切变是影响风暴组织和种类的最重要因子。

浮力最好由CAPE来估计，CAPE与风暴中最强上升气流速度相关。

强垂直风切变的作用可以归纳为：

?能够产生强的风暴相对气流（storm-relative flow）；

?能够决定上升气流（加强辐合）附近阵风锋的位置；

?能够延长上升气流和下沉气流共存的时间；

?能够产生影响风暴的组织和发展的动力效应。

另外，风暴及其环境（地形、边界等）之间的相互作用对风暴的组织和种类也有重要影响。

5.3 弱垂直风切变中的强风暴——脉冲风暴的回波特征

脉冲风暴是发展迅速的强风暴，它产生于弱的垂直风切变环境中，同时环境具有较厚的低层湿层和高度的垂直不稳定性。这种出现于弱垂直风切变环境中的强风暴又称为“脉动风暴（pulse storm）”。

脉冲风暴的回波结构有三个特点：1）初始回波出现的高度，一般在6~9km之间；2）强回波中心值一般大于50dBZ；3）强中心高度比较高，一般能在-10℃等温线高度左右。