雷达气象学考试复习知识讲解

雷达气象学考试复习

1.说明和解释冰雹回波的主要特点（10分）。

答：冰雹云回波特征：回波强度特别强（地域、月份、>50dBZ ）；回波顶高高（>10km ）；上升（旋转）气流特别强(也有强下沉气流，)。

PPI 上，1、有“V ”字形缺口，衰减。2、钩状回波。3、TBSS or 辉斑回波。画图解释。

RHI 上：1、超级单体风暴中的穹窿（BWER ，∵上升气流）、回波墙和悬挂回波。2、强回波高度高。3、旁瓣回波。画图解释。4、辉斑回波。5、在回波强中心的下游，有一个伸展达60-150km 甚至更远的砧状回波。

速度图上可以看到正负速度中心分布在径线的两侧，有螺旋结构。有可能会出现速度模糊。

2.画出均匀西北风的VAD 图像

从VAD 图像上可以获得环境风速和风向的信息，西北风的风向对应7/4π(315°)如图所示，零速度线是从45°—225°方位的一条直线（可配图说明）。由此可绘出VAD 图像。

3.解释多普勒频移：

多普勒频移：由于相对运动造成的频率变化

设有一个运动目标相对于雷达的距离为r ，雷达波长为λ。

发射脉冲在雷达和目标之间的往返距离为2r ，用相位来度量为2π?2r/λ。若发射脉冲的初始相位为φ0，则散射波的相位为φ=φ0+4πr/λ。 目标物沿径向移动时，相位随时间的变化率（角频率）

44r d d r v d t d t ?ππλλ==

另一方面，角频率与频率的关系2D d f d t ?

ωπ==

则多普勒频率与目标运动速度的关系fD=2vr/λ

4.天线方向图：在极坐标中绘出的通过天线水平和垂直面上的能流密度的相对分

布曲线图。天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指

的方向上。

反映了雷达波束的电磁场强度及其能流密度在空间的分布；曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向上相对能流密度大小。

图中能流密度最大方向上的波瓣称为主瓣，侧面的称为旁瓣，相反方向的称为尾瓣。

5.天气雷达新技术：

多基地雷达系统

双偏振天气雷达（双极化）

双多普勒雷达观测阵

组网的多普勒雷达：难点共面显示。CAPPI

晴空条件下的测风雷达：激光雷达测云、T、

机载多参数测雨雷达：

相控阵雷达Phase Array Radar：天线，time，

风廓线雷达：

三维雷达回波图象

闪电定位系统

6.雷达气象业务涉及的软、硬件系统及内容：

1 气象雷达系统（硬件部分）

2 气象雷达系统（软件部分）

3 雷达探测原理（距离、方位、强度、速度）

4 雷达数字化系统及产品制作

5 雷达图像的计算机显示实践

6 典型雷达回波（强度、速度）

7 雷达数据的压縮与保存

8 雷达图像的平滑与锐化

9 雷达图像杂波的滤除

10 速度资料的提取（VAD和图像相关处理技术、含基本

退模糊技术）

11 雷达测量降水及相关问题

12 雷达探测灾害性天气(冰雹、台风、暴雨等)

13 雷达拼图

14 双波长、双极化雷达的优势及应用

7.球形粒子的散射

◆球形干冰粒对雷达波的散射:

Rayleigh：σσ

冰水所以雪和小冰粒回波弱；

<

冰>水米3区，解释为何大冰雹的回波非常强。8、9月 Mie：σσ

Z>50dBZ，大雨>30dBZ

◆正在融化的球形粒子的散射:

1.外包水膜的融化冰球：

Rayleigh：随着融化水膜厚度的增加，融化冰球的雷达截面增大。

Mie: 随着融化水膜厚度的增加，融化冰球的雷达截面减小.

解释冬天北方降雪（干雪）回波较弱，而南方降雪（湿雪，认为是外包水膜的冰球）回波较强。

形成0度层亮带的原因之一就是融化作用。

2.冰水均匀混合球：

Rayleigh:冰水均匀混合球的雷达截面随着融化水量的增加而增加的速度要比外包水膜冰球时慢得多。

8.为什么降水雷达采用水平发射的水平偏振波？

因为抬高仰角，散射无变化，E//水平面，电偶极矩l＝2b长轴，不变。

球越扁，相对于同体积的球形粒子产生的后向散射越大，而且随天线仰角的太高，后向散射

强度不会改变，而且不会产生正交偏振分量。 二．衰减

1.比尔-伯格-朗伯定律的积分式

00

00

000

22

22ln

2ln ln 2r

r

R

R

L L P R r

r

L L P r r

R R r

L r r L r k dS

k dS

r

r r r d P d P k dS k dS P P P k dS P P k dS P P e P P e

P --=-?=-?

=-?-=-???=?=??

???

2.用分贝数表示的衰减系数kt

3.云对雷达波衰减规律及ktc 与含水量M 的关系 ◆云对雷达波的衰减规律：

①由液滴组成的云的衰减随波长的增大而迅速减小； ②液态云的衰减还随温度的降低而增大；

③对于波长较短的雷达（如 3cm 以下的雷达），要考虑云层的衰减作用；对于雷达波长较长的雷达，可忽略云层对电磁波的衰减作用；

④冰云的衰减要比液态云的衰减小2~3个量级，原因在于冰晶的介电常数小于水。 ◆ktc 与云中的含水量M 的关系：(M 单位体积内所有云质点的质量之和，(单位:g/m3) )

4.雨对雷达波衰减规律及ktr与雨强I的关系

◆雨对雷达波的衰减规律：

①雨对雷达波的衰减系数一般与降水强度成正比关系;

②雨的衰减系数在给定温度下还与波长有关系;

③由于雨滴谱的分布和降水强度经常随时空变化，所以在雷达波束所经过的路径上，各段的衰减情况往往不尽相同；

④由于衰减作用，对于同一降雨带波长较长的雷达能准确探测到，而波长较短的却不一定。

◆ktr与雨强I的关系：(I 降水强度（雨强）：单位时间内降落到地面单位面积上的降水量。

◆衰减造成的影响：

①造成回波偏弱、弱回波可能消失

②减小回波区域面积

③使回波分布情况失真

④估测的雨强、雨量偏小

⑤导致回波识别和跟踪的困难

5.kt与波长成反比的结论应用。

定性结论：

大面积小雨，3cm 雷达，雨的衰减要考虑。 中雨，3cm 和5cm ，

大雨或冰雹，3cm ，5cm 和10cm 均要考虑

综合考虑雷达截面/雷达反射率与波长成反比（波长越短散射能力越强），衰减和波长也成反比的关系（波长越短衰减也越强），我国雷达布网，对短时预报，东南沿海多暴雨和台风(大雨滴)，采用10cm 雷达，内陆西北5cm 雷达。人影作业的移动性决定其多采用3cm 雷达。 PS:“V ”型缺口:

由于云中大冰雹、大水滴等大粒子对雷达波的强衰减作用，雷达波不能穿透主要的大粒子区，在大粒子区的后半部形成所谓的V 字型缺口。尖角对准测站。

三．雷达气象方程 1、概念：

◆波宽θ：雷达主波束上两个半功率点之间的夹角，有水平波宽和垂直波宽。 雷达发射波能量越集中越好，波宽<1° ◆脉冲宽度τ：脉冲持续时间(711 is 1微秒) ◆脉冲长度h ：脉冲在空间的延伸距离h=ct

◆有效脉冲深度：理论证明：只有在波束中距离R 到R+h/2范围内的那些粒子散射的回波，才能在同一时刻到达天线。称h/2为波束有效照射深度

◆有效照射体积：??

Ω

+Ω=

2

/2ct R R

dRd R V ,

有效照射体积的具体求法取决于波束的几何形状，也就是取决天线的形状:

◆天线增益：假设在这个方向上的波束范围内，天线辐射的能流密度相同，这样，距离定向辐射天线R 处的能流密度Smax 与Sav 的比值称为定向辐射天线的增益。 ◆盲区：离雷达站h/2的距离内产生的回波将收不到，称为盲区。 2、雷达气象方程（3.25）式，及对其的讨论。 要求掌握每项物理意义、各参数含义。

?+-ψ=-R

kdR t Z m m R h G P 02.02

2222

1123

10.2

1

..1..)2(ln 1024Pr λ?θπ (3.25) 讨论：?=-R

kdR Z R

C 0

2.0210.Pr

◆气象因子的作用：

①目标物的后向散射特性--粒子大小、形状、相态、温度等对散射的影响。

②波束路径上各种粒子对雷达波的衰减作用--大气、云、雨滴、冰雹等粒子在不同波长、温度时的衰减。 ◆雷达参数的选择：

①发射功率：增加Pt ，可提高雷达探测能力和探测距离。但增加Pt 受技术和经济条件限制。测距的限制常常不是Pt 不足，而是由于地物阻挡和地球曲率的影响。

②波长λ(或振荡频率f ):同一目标物对不同波长的电磁波的散射和衰减特性有很大差别。所以不同用途的气象雷达具有不同的波长。

③脉冲宽度:增加脉冲宽度，V 增大，有更多粒子产生的回波能同时到达天线，使Pr 增大，从而增大雷达探测能力。但有两个缺点: (1)雷达距离分辨率(h/2)变低; 指空间径向上两个目标物在雷达屏幕上可区分的最小距离。(2) 雷达盲区变大:离雷达站h/2的距离内。

④天线增益:取决于天线口径面积：增大Ap 可以提高G 和减小波宽，从而增大雷达探测能力和探测的角分辨率。所以，天气雷达常采用较大的Ap 。但是如果Ap 过大，转动性能、抗风能力和机动能力就差，制作和安装也困难。

⑤脉冲重复频率(PRF) : PRF 的选取决定了最大探测距离，实际的PRF 选择取决于实际情况。 ◆距离因子的作用：

①回波功率Pr 与距离R 的平方成反比，即同样强度的降水在远处要比近处弱的多

②最大不模糊距离Rmax: PRF

c

R 2max =

PS ：多普勒两难：

4

max PRF

V r ?±

=λ

最大不模糊距离：Rmax 是指在下一个脉冲发射出去之前，这个脉冲能向前走并返回雷达的最长距。 PRF

c

R 2max =

8

max max c

R V λ=

题目：

1.波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz 的脉冲重复频率下，能否正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统？如果不能探测，会出现什么结果？（20分） 解：150km;1

2.5m/s

所以波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz 的脉冲重复频率下，不能正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统，会有二次回波和速度模糊。（5分） 画图分析，在距离雷达30Km 出出现二次回波。（2分）

若20m/s 是远离雷达的径向速度，在速度图上显示的正的最大12.5m/s 区域突变成负的最大且渐变为负的5m/s ，表现为速度模糊现象，公式计算过程。（3分）

2.为了正确测量180公里处、移速为15米/秒的雷暴系统，可否选用波长为5厘米的多普勒天气雷达？如果再利用波长为10厘米的多普勒天气雷达，请设定合适PRF 。

（Rmax*Vmax = 180 km * 15 m/s =2.7x106 m2/s, (λC)/8 = 0.05*3.0*108 /8≈2*106

m2/s )

因为Rmax*Vmax > (λC)/8， 所以，不能正确测量 （如果学生回答采用双PRF 技术，则有可能实现， 这时需要写出PRF 的具体数据） 第二问的具体求解过程：

(1) Rmax= C/（2*PRF ）> 180 k,m, PRF < C/(2*180km) = 833 Hz (2) Vmax = (λ*PRF)/4 > 15m/s PRF > （4*15m/s ）/λ = 600Hz 因此任意介于600Hz 和833Hz 之间的PRF 都符合要求。 可以设定PRF 为800Hz 。

3.波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz 的脉冲重复频率下，能否正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统？如果不能探测，会出现什么结果？（20分） 150km;12.5m/s

所以波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz 的脉冲重复频率下，不能正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统，会有二次回波和速度模糊。（5分） 画图分析，在距离雷达30Km 出出现二次回波。（2分）

若20m/s 是远离雷达的径向速度，在速度图上显示的正的最大12.5m/s 区域突变成负的最大且渐变为负的5m/s ，表现为速度模糊现象，公式计算过程。（3分） 四．折射

1、折射过程及形成折射的物理原因。 过程：电磁波在大气中曲线传播的现象。

物理原因：电磁波在不均匀介质中传播速度变化而引起的传输方向的改变。 2、曲率、地球等效半径、M

ds d K α-

= =dh

dn

- 单位弧长倾角的变化 K

R n 1=

等效地球半径R ’m ：h 高目标物的最大探测距离Rmax ，在真实地球和真实射线的情况下与假想的地球和直线传播的情况下相同，称这时假想的地球半径为等效地球半径

11

0''1m m m m m R K R dn

R R R dh -

=-?=+

订正折射指数M ：设地球是平面，来订正大气折射指数。 3、曲率与折射指数随高度变化的关系。

()6110A Be N n P T T ??

=-?=

?+ ???

①N 值随 P ，e 的增大而增大，随 T 的减小而增大；

②在实际大气中，一般 P 、T 、e 都随高度的增大而减小，但P 、e 下降速度较快。所以N 的垂直变化中P 、e 起主导作用。也就是说N 随高度升高而减小。即：

0 or 0 dN dn

dh dh <<

③可见，以一定仰角发射的电磁波的传播路径一般是略微向地球表面弯曲的。 4、五种折射现象,超折射气象条件及意义

◆超折射回波的气象意义：

辐射超折射：发生大陆上晴朗的夜晚，由于地面辐射使近地层迅速降温而形成辐射逆温。特别当地面潮湿时，水汽不能向上输送。 平流超折射：干暖的空气移到较冷的水面时。

雷暴超折射：超折射发生在消散期，强大的下沉气流造成逆温，逆温又抑制了水汽的向上输送，形成超折射。

5、折射对雷达探测距离的影响。

探测距离较远时，雷达波束偏离地面，一些低目标物观测不到； 1超折射时回波特点：

地物回波明显增多，且出现位置距离RDA 明显增大。

2如何区分地物回波与降水回波？ 与晴空日常地物回波分布对照，区分超折射时的地物回波；