雷达气象学
雷达气象学概述
o 二十世纪40年代，雷达开始用于降水天气过程的探测，这一 时期主要是建立雷达气象学的理论基础的阶段；50年代是从 定性研究转入定量研究的阶段，其中包括定量测雨和定量显示反射 率，以及对雷达信号脉动、偏振等现象的研究。50年代后期和60年 代初期，许多国家建立了天气雷达站网，促进了雷达气象学 的进一步发展。
度等信息
o 机载天气
雷达分辨力、精度和灵敏度好
o 相控阵天气雷达 优点很多，是天气雷达的发展方向
美国相控阵天气雷达
采用跳跃式电扫描波束和天线方向图形状的自适应控制，使 扫描和资料收集时间由6分钟降至1分钟以内；多波束可同时 追踪多目标，大大提高获取资料的时间分辨率，使探测能力 显著提高 。
价格昂贵！
我国雷达气象发展历史
1.常规天气雷达 50年代开始使用军事雷达 58年引进第一部天气雷达 60年代末711X波段
2.数字化天气雷达 70年代自行生产711、712、713 80年代具有数字处理系统的714S波段，并引进多普勒雷达
3.多普勒天气雷达 90年代已生产出714CD、714SD型脉间相干 99年对WSR-88D进行改造，第一部先进的S波段全相干脉 冲多普勒雷达CINRAD/CC 3824型
雷达气象学
Байду номын сангаас
1、绪 言
名字的由来及用途
名字：“雷达”是Radio Detection And
Ranging缩写Radar的音译,字面上含义是无 线电探测和测距。
用途：从二次世界大战后雷达技术引用到气象部门
至今已有50多年历史。用于探测云、雨、降水、监 测强对流天气的天气雷达已成为雷达技术中的一个 分支，气象雷达是大气监测的重要手段之一，在突 发性、灾害性的监测、预报和警报中具有极为重要 的作用。目前约有1000部以上的天气雷达布设在世 界各地，为人类造福。
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VCP21 2.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Plain Position Indicator) ：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 (Range Height Indicator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: vertical cross sectionCAPPI （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：d<<λ；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。
雷达气象学之第一章(天气雷达系统及探测理论)
天气雷达产品的显示方式2
• RHI (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）。
天气雷达产品的显示方式3
• CAPPI （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
• 基本径向速度：表示整个360度方位扫描径 向速度数据，径向速度即物体运动速度平 行与雷达径向的分量。径向速度有许多直 接的应用，可以导出大气结构，风暴结构， 可以帮助产生、调整和更新高空分析图等。 平均径向速度产品有两点局限性：一是垂 直于雷达波束的风的径向速度被表示为0； 二是距离折叠和不正确的速度退模糊。
• 散射开来的电磁波称 为散射波
入射波
散射波
• 雷达波束通过云、降水粒子时将被散射， 其中有一部分散射波要返回雷达方向，被 雷达天线接收，在雷达显示器上就反映有 回波信号。
二、散射成因
• 微粒——粒子在入射电磁波极化下作强迫 的多极振荡，从而发出次波（散射波）。
• 粒子对电磁波的散射只改变电磁波的传播 方向,没有改变能量大小。
• d≈λ的大球形质点的散射，称为米散射。
§3.2 球形水滴和冰粒的散射
• 雷达天线接收到的只是粒子散射中返回雷 达方向（即θ= 180º方向）的那一部分能量， 这部分能量称为后向散射能量。
在a 2 r 1时 的瑞利散射条件下
在a 2 r 复数1时模的平方
后(向) 散16射 44函r6数mm：22 12(2 代入 4 ( )中
• 产品生成：根据操作员的输入指令，RPG在 体积扫描的基础上产生所需产品。
《雷达气象方程》课件
雷达参数包括发射功率、波长、天线 增益等，这些参数决定了雷达的探测 能力和范围。
观测几何参数包括雷达与目标物的距 离、观测角度等，这些参数决定了雷 达接收到的回波信号的强度和特征。
03
CHAPTER
雷达气象方程的求解方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 05
CHAPTER
雷达气象方程的发展趋势与 展望
雷达气象方程的未来发展方向
精细化研究
随着观测技术的进步，雷达气象方程将进一步精细化，以提高对 气象要素的观测精度。
综合应用研究
雷达气象方程将与数值预报、遥感等其他气象技术相结合，形成综 合应用体系。
人工智能技术的应用
人工智能技术将在雷达气象方程中得到更广泛的应用，提高数据处 理和预测的智能化水平。
数值法求解雷达气象方程
数值法定义
数值法是一种通过数值逼近的方 式求解方程的方法。在雷达气象 方程中，数值法可用于求解近似
解。
应用场景
适用于方程形式复杂、变量较多或 无法得出解析解的情况。通过迭代 或插值等方法，可以得到近似解。
优点与局限
数值法适用范围广，可以处理复杂 问题，但可能存在误差或收敛性问 题。
迭代法求解雷达气象方程
迭代法定义
迭代法是一种通过不断逼近方程 解的方法。在雷达气象方程中， 迭代法可用于求解方程的近似解
。
应用场景
适用于需要反复迭代以逼近方程 解的情况。通过设置初始值，不 断迭代更新解的值，最终得到近
似解。
优点与局限
迭代法可以处理复杂问题，但需 要合适的初始值和迭代过程的设 计，否则可能陷入局部最优解或
《雷达气象学》课件
对原始数据进行筛选、分类和整理，去除无效和干扰 数据，提高数据质量。
数据分析
对预处理后的数据进行统计分析、模式识别等处理， 提取有用的气象信息。
数据可视化
将处理后的数据以图形、图像等形式呈现，便于分析 和理解。
04
雷达气象学中的天气现象分析
降水现象分析
1
降水现象的形成
降水现象是水汽在空气中凝结并降落到 地面的过程，包括雨、雪、冰雹等。雷 达气象学中主要通过分析降水回波来研 究其形成机制和演变过程。
01
天气预报
利用雷达观测数据，可以更准确 地监测和预报降水、风切变、雷 暴等天气现象，提高天气预报的 准确率和时效性。
02
03
灾害监测预警
利用雷达气象学技术，可以对暴 雨、洪涝、冰雹、台风等自然灾 害进行实时监测和预警，降低灾 害损失。
04
02
雷达气象学基础知识
电磁波传播原理
电磁波的传播速度等于光速 。
《雷达气象学》课件
目录
• 雷达气象学概述 • 雷达气象学基础知识 • 雷达气象学中的观测技术 • 雷达气象学中的天气现象分析 • 雷达气象学中的数值模拟技术 • 雷达气象学的未来发展与展望
01
雷达气象学概述
雷达气象学的定义与特点
雷达气象学定义
雷达气象学是一门研究如何利用雷达探测和监测气象要素和现象的学科。它利用雷达的发射波与大气中的目标 物相互作用，通过接收反射波来获取大气的状态和动态信息。
电磁波在传播过程中，电场 和磁场交替出现，且两者相 互垂直。
电磁波的传播方向与电场和 磁场的振动方向相互垂直。
电磁波的传播不受地球表面 曲率的影响，可以穿透电离 层和地表障碍物。
雷达工作原理
雷达气象学复习重点
雷达气象复习1 多普勒天气雷达可获取的基数据有反射率因子、平均径向速度和速度谱宽。
2天气雷达一般分为X 波段、 C 波段、 S 波段，波长分别是3厘米、5厘米、10厘米3目前我国 CINRAD-SA降水模式中使用的体扫模式为VCP11、VCP21、VCP31。
其中VCP11通常在强对流风暴出现的情况下使用，而VCP21在没有强对流单体有显著降水的情况下使用，晴空情况下使用VCP314目前我国 CINRAD-SA使用两种工作模式，即降水模式和晴空模式5我国新一代天气雷达的降水估测只使用最低的4个仰角：0.5°，1.5°，2.4°，3.4°，分别使用在50km以外，35-50km，20-35km和0-20km的距离范围内。
6我国新一代天气雷达系统主要由雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）、通讯线路。
7当波源和观测者做相对运动时，观测者接受到的频率和波源的频率不同，其频率变化量和相对运动速度大小有关，这种现象就叫做多普勒效应。
8天气雷达的局限性：波束中心的高度随距离增加而增加、波束宽度随距离的增加而展宽、静锥区的存在。
9获取雷达接收到的降水回波信号是降水粒子对雷达所发射电磁波的散射产生的，因此电磁波在降水粒子上的散射是天气雷达探测降水的基础。
10当雷达波长λ确定后，球形粒子的散射情况主要取决于粒子直径d 。
对于d<<λ的小球形粒子的散射，称为瑞利散射；d≈λ的大球形质点的散射称为米散射。
11反射率因子在瑞利散射条件下的定义：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子，用Z表示，其常用单位为mm6/m3，即∑=单位体积6 iDZ12后向散射截面的定义：设有一理想的散射体，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，若该理想散射体返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σ就称为实际散射体的后向散射截面。
雷达气象学之第三章(多普勒天气雷达探测原理和方法)
2、脉冲对处理法（PPP）
在一定假设条件下对每一个距离库内的连 续两个取样值作成对处理．从而获得平均 多普勒频率和频谱宽度。此法优点在于能 实时处理．并且有一定精度，但它不能得 到频率谱。
3、相干记忆滤波器（CMF）处理法
此法只需要一个线路，在不设置距离库的 情况下同时对雷达探测范围内各个距离上 作粗略的谱分析，并能用如PSI(平面切变 线是其)等直接显示出来。但它精度不高；
垂 直 风 廓 线
补充风符号
1.风向杆 表示风的 来向。 2.风羽每 条代表风 速4米/秒， 半条代表2 米/秒，三 角旗代表 20米/秒。
谱 宽
反 射 率
三、影响速度谱宽的气象因子
• 多普勒速度谱宽表征着有效照射体内不同 大小的多普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。对气象目标物而言，影响速 度谱宽的主要因子有四个：
• 显然，雷达有效照射体中粒子直径的差别 越大，由此造成的多普勒速度谱越宽。
• 因此速度的谱宽实际上也取决于降水粒子 的谱分布。
• 当雷达水平探测时，粒子的下落末速度在 雷达波轴上的径向分量为零，所以它对多 普勒速度谱宽没有任何影响。
• 而当雷达垂直指向探测时，粒子下落末速 度即为径向速度，故由此造成的谱曾宽作 用最大。
• 在实际工作中需要了解的是有效照射体内
平均的多普勒速度和速度谱宽度，根据以
上关系式，并注意到 f 2v 关系式，则平均
多普勒速度
v
,和速度谱方差
2 v
分别为：
v 1 v v dv
Pr
2 v
1 Pr
vv
2
v dv
径向速度谱密度、平均径向速度、径向速度 谱宽三者的关系示意图
雷达气象学 1-知识点综合
《雷达气象学》知识点----大探专业第一章前言1、天气雷达回波的形成有两种机制。
2、天气雷达系统的组成和主要参数（λ，PRF，τ）。
3、天气雷达基本工作原理4、天气雷达重要组成部分以及关键参数的介绍5、我国新一代天气雷达网的业务情况介绍脉冲重复频率（脉冲重复周期），脉冲宽度（脉冲长度），脉冲发射功率（平均功率），天线转换开关，天线方向图，波束宽度，天线增益，灵敏度。
天气雷达的主要功能天气雷达系统的主要组成天气雷达的波段和波长等主要参数第二章气象目标物对雷达电磁波的散射1、散射现象及特性；2、Rayleigh散射和Mie散射的定义、区别与联系（散射能量分布特征）；3、若干基本物理量（散射函数，散射截面，雷达截面，雷达反射率，雷达反射率因子，等效反射率因子）的概念、物理意义以及他们之间的联系。
4、dBZ的计算。
5、球形粒子标准化后向散射截面σb与无量纲尺度参量α的关系。
6、正在融化的球形粒子的散射。
7、介质小椭球体的散射1.Rayleigh散射和Mie散射的定义、分类及性质2.散射截面、雷达截面、雷达反射率、雷达反射率因子的推导、概念以及物理意义以及它们之间的联系3.等效反射率因子的定义及意义4.不同降水粒子的散射特性分析无量纲尺度参数α，Rayliegh散射，Mie散射，散射函数（方向函数），Rayleigh散射的方向函数和几何图象，Rayleigh散射的散射能流密度，Rayleigh散射的散射截面，Rayleigh散射和Mie散射的区别，雷达截面及物理意义，球形水滴和冰粒的雷达截面，外包水膜融化冰球的雷达截面，介质小椭球体散射的一些性质，雪和非球形冰晶的散射，退偏振比，雷达反射率，雷达反射率因子，等效反射率因子，湍流大气产生的晴空回波。
散射的物理本质小球粒子的含义Rayleigh散射的条件散射截面、吸收截面、衰减截面、雷达反射率、雷达反射率因子的定义及Rayleigh散射下的特点Mie散射、等效反射率因子第三章大气、云、降水粒子对雷达波的衰减1、雷达发射的电磁波在大气传输过程中的衰减规律。
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一、填空（30分，T14=2分）
1使用雷达的PPI资料时，不同R处回波处于不同高度上
2根据衰减理论，波长越短，衰减愈大；雷达波在大气中传播时受到衰减的原因是：（1）电磁波投射到气体分子或液态、固态的云和降水粒子上时一部分能量被粒子吸收，变成热能或其他形式的能量。
（2）另一部分能量将被粒子散射，使原来入射方向的电磁波能量受到削弱。
或者：大气对电磁波的吸收和衰减作用的总和（P33）
？3圆形的中气旋流场，在多普勒速度图上表示为零径向速度线穿过涡旋中心，一对左负右正，对称的正负速度中心，正负闭合等值线圈沿雷达距离圈排列（P289、407）
4大冰雹的后向散射截面比同体积的大水滴的后向散射截面大
5通常，超折射回波的本质是地物回波（ppt，P300）
6“V”型缺口通常表示冰雹云的回波（P381，ppt）
7 Z的物理意义是单位体积中降水离子直径6次方的总和，它与粒子大小有关（ppt）
8 以不同的仰角探测超级单体风暴云的回波特征，可能出现：钩状回波，
空洞回波（无回波穹窿），指状回波回波（ppt）
9层状云降水的雷达强度回波图上，经过加衰减后，其回波图上经常会出现零度层亮带，此现象在雷暴消散期也常常出现。
（P306、309）
10 非降水回波包括云的回波，闪电的回波，雾的回波，晴空大气回波等回波（P345）
？11 同一块雨云由远至近地性质不变地逼近雷达站，在强度回波图上显示的回波范围越来越大，强度越来越强，这是由于距离衰减的影响
12 波束宽度指的是在天线方向图上两个半功率点方向的夹角（单位：°），它决定雷达的切向分辨率。
（课堂笔记）
13 在雷达的速度回波图上若零速度带通过测站并呈一直线状，则表示测量范围内各高度层的风向不变（P278）
14 如果雷达发射功率很大，接收灵敏度也很高，那么天气雷达的探测能力的大小主要取决于：雷达电磁波束能否有效地照射到降水区中和反射率因子的大小（ppt习题）
15 多普勒天气雷达速度回波图中零速度带的意义是：实际风速为零或很小、实际风向与雷达探测波束相垂直（ppt）
16 层状云零度层亮带的成因主要是由于：融化作用，碰并聚合效应，速度效应，粒子形状的作用，（P308）二计算题
分别画出并计算图一、图二中1,2的真实风向
（画出！&计算！四个地方）
三、简答题（30分）
1用雷达资料判别冰雹云回波可以从哪些方面着手？（P380-385）
（1）冰雹云的雷达回波强度特别强
（2）
回波顶高度高 （3）
上升气流（下沉气流）特别强。
强度图上：阵风锋（外流边界），在速度图上的特征：一组方向相反的密集等风速线。
（4） PPI 上冰雹云的形态特征：
1）“V ”形缺口。
2）钩状回波
3）辉斑回波
（5）RHI 上冰雹云的回波特征：
1）超级单体风暴中的穹窿（弱回波区，BWER ）、回波墙和悬挂回波
2）“强回波高度”
3）旁瓣回波
4）辉斑回波
2试述速度模糊的概念，在多普勒天气雷达速度图中如何判断是否有速度模糊？
某一PRF 的采样频率，最多只能准确测量由 计算出的Vrmax(或-Vrmax)。
若VrT>Vrmax 或VrT<-Vrmax, 则多普勒雷达将给出错误的速度信息，称为速度模糊。
由零速度区（带）逐渐向邻近区域（径向）扩展，按风速连续性原则，除如小尺度的龙卷风等特强风切变情况外，径向速度Vr 一般逐渐增加（减少），当增加（减少）到超过Vrmax(-Vrmax)范围时，径向速度由正（负）的最大值突变为负（正）的最大值。
这种突变的边界就是速度模糊区的边界。
这种突变即是速度模糊。
3什么是下击暴流？微下击暴流是如何定义的？微下击暴流因为速度和尺度都很小，所以不会对飞机造成毁灭性的危害的说法是否正确？为什么？
下击暴流的定义：地面上或地面附近形成灾害性风（风速达17.9m/s 或以上）的向外暴发的强下沉气流称为下击暴流。
它是一股很强的从雷暴云或对流云下方向下冲出，到近地面处基本呈直线型的向外辐散的气流。
（ppt ）
或：能够产生近地面破坏性水平辐散出流的风暴下部强下沉气流。
（P402）
下击暴流的特征：辐散、尺度小、持续时间较短。
水平辐散尺度小于4KM ，持续时间2-10分钟的称微下击暴流(Microburst).（ppt ）
不正确，微下击暴流的的水平出流速度峰值可高达75m/s ，大于宏下击暴流的60m/s 。
而且由于微下击暴流水平尺度小，低层可出现相当大的水平风切变，这类下击暴流对飞行安全危害极大。
（P402）
PRF V r ⨯=λ4
1max。