雷达回波识别与分析
5第五章雷达回波的识别技术
风向随高度先顺转后逆转
(三)风速风向都随高度变化的各种图象
当风速和风向都随高度变化时，可以得到许多不同的多普勒速度 图象。由于地面上风速为零，因此只有零值带穿过图象的中心。 图象边缘的多普勒速度出现了混淆，这是因为在那些高度上的风 速超出了50海里/小时的奈科斯特间隔（这是下一代天气雷达采用 的一种间隔）。从速度间隔一端到另一端色彩上的突变很清楚得 显示了速度混淆效应。
一、回波强度分析技术
由雷达反射率因子Z值大小即可判别回波强弱．
瑞利散射
另外，回波形态特征、回波特殊结构和形态、 回波移动特点可知回波强度
二、脉冲多普勒天气雷达径向速度场分析技术与方法
对多普勒径向速度场基本特征的研究，可按
•零径向速度线； •朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心； •强多普勒径向速度梯度带
Single Doppler Interpretation
• Things to remember:
The Zero Isodop “Problem”
当径向垂直于风速时, 雷达
显示零速 - This “zero
zone” is called the
0%
“Zero Isodop”.
100%
当径向平行于风速时, 雷达显示最大风速
一、几种典型流场的PPI多普勒径向速度模式
雷达作低仰角探测：
取径向速度Vr(r)为常数c:
天线
风向
方位
(一)风向不变,风速随高度变化的各种图象
风向若在所有高度上保持一致，那么其多普勒速度图象中就总有一条直
的零值带，图象的其他部分就反映了风速的垂直廓线。 风速若不随高度变化，是个非零常数，那么多普勒速度的极值便由
雷达地物回波系统分析
雷达地物回波系统分析计算多普勒频率是求衰减落速率（Fading rate ）最容易的方法。
为了在一个特定的多普勒频移范围内计算回波信号的幅度，务必将所有具有这些频移的信号相加。
这就需要熟悉散射面上的多普勒频移等值线（等值多普勒频移）。
关于每一种特殊形状的几何体都务必建立起这种多普勒频移等值线。
下面用一个沿地球表面水平运动的简单例子来说明。
它是普通巡航飞行飞机的一个典型实例。
假定飞机沿y 方向飞行，z 代表垂直方向，高度（固定）z = h 。
因此有v =1v vh y x z y x 111R -+=式中，1x ,1y ,1z 为单位矢量。
因而 h y x vy R v r 222++==•R v式中，v r 是相对速度。
等相对速度曲线也就是等多普勒频移曲线。
该曲线的方程为0222222=+--h v v v y x rr 这是双曲线方程。
零相对速度的极限曲线是一条垂直于速度矢量的直线。
图12.7示出这样一组等多普勒频移曲线。
只要把雷达式（12.1）略加整理就可用来计算衰落回波的频谱。
这样，假如W r (f d )是频率f d 与f d +d f d 之间接收到的功率，则雷达方程变为⎰π=积分区R A A G P f f W r t t d d r 402d )4(1d )(σ ⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-π=d r t t df A R A G P f d d )4(d 402σ （12.12）图12.7 在地球平面做水平运动时的多普勒频移等值线 图12.8 计算复数衰落的几何关系图 （引自Ulaby,Moore 与Fung [21]） 上式的积分区是频率f d 与f d +d f d 间被雷达照射到的区域。
在此积分式中，f d 与f d +d f d 之间的面积元用沿着等值多普勒频移曲线的坐标与垂直于等值多普勒频移曲线的坐标来表示。
对每一种特定情况都务必建立这两个坐标。
图12.8示出水平传播的几何形状。
雷达回波识别
7月2日 01：12
2.3同波长干扰
产生原因：近距离有两部以上波长相同的雷达同时工作,一 部雷达发射出来的电磁波能量通过地物或降水的散射，进 入另一部雷达接收机。 特点：单条或多条线状，点线状回波带，从中心以等间隔 呈螺旋状向四周放射。
(/groups/birdrad/COMMENT.HTM)
Laughlin, TX (KDLF) Precipitation Mode Bat Roost Rings
(/groups/birdrad/COMMENT.HTM)
Class 1 雷达回波的识别和分析
内容
回波探测 非气象回波 降水回波 非降水回波
1.回波探测
h h 0 rsi n r 2 /2 ( R m ')
1.1探测内容
1、回波位置(PPI、RHI对应地理位置) 2、回波高度 (1)PPI测高公式(2)RHI直接计算 注：a无回波！=无降水（衰减）b地物遮挡 影响最大探测距离 3、回波强度(Z)显示方式色阶 4、回波形状 a均匀片状;b孤立块状;c涡旋结 构;带状 5、回波性质 a气象目标物 b非气象目标物 6、回波移向、移速 7、回波演变趋势(新生->成熟->消亡(强度、 范围、高度）
台湾气象 部门有四部S 波段多普勒天 气雷达，均设 置在沿海，常 年易覌测到海 浪回波，给出 典型的回波图 像。
34
0311 号热带风暴“环高”
2.6天线辐射特性造成的虚假回波
形成原因：天线旁瓣、尾瓣发射的电磁波在近距离遇到特别强的降 雨中心，产生回波，此外主瓣的宽度也会造成虚假回波。
多普勒天气雷达回波识别和分析之降水回波
多普勒天气雷达回波识别和分析之降水回波1.层状云降水雷达回波特征——片状回波层状云是水平尺度远远大于垂直尺度云团，由这种云团所产生的降水称之为稳定性层状云降水。
降水区具有水平范围较大、持续时间较长、强度比拟均匀和持续时间较长等特点。
⑴回波强度特征：①在PPI上，层状云降水回波表现出范围比拟大、呈片状、边缘零散不规那么、强度不大但分布均匀、无明显的强中心等特点。
回波强度一般在20-30dBz，最强的为45dBz。
②在RHI上，层状云降水回波顶部比拟平整，没有明显的对流单体突起，底部及地，强度分布比拟均匀，因此色彩差异比拟小。
一个明显的特征是经常可以看到在其内部有一条与地面大致平行的相对强的回波带。
进一步的观测还发现这条亮带位于大气温度层结0度层以下几百米处。
由于使用早起的模拟天气雷达探测时，回波较强那么显示越亮，因此称之为零度层亮带。
回波高度一般在8公里以下，当然会随着纬度，季节的不同有所变化。
⑵回波径向速度特征：由于层状云降水范围较大，强度与气流相比照拟均匀，因此相应其径向速度分布范围也较大，径向速度等值线分布比拟稀疏，切向梯度不大。
在零径向速度型两侧常分布着范围不大的正、负径向速度中心，另外还常存在着流场辐合或辐散区。
⑶零度层亮带：如前所述，在PPI仰角较高或者RHI扫面时，总能在零度层以下几百米处看到一圈亮环或者亮带回波，亮带内的回波比上下两个层面都强。
由于亮带回波总是伴随层状云降水出现，因此是层状云降水的一个重要特征。
〔零度层亮带形成的原因：冰晶、雪花下落的过程中，通过零度层时，说明开始融化，一方面介电常数增大，另一方面出现碰并聚合作用，使粒子尺寸增大，散射能力增强，所以回波强度增大。
当冰晶雪花完全融化后，迅速变成球形雨滴，受雨滴破裂和降落速度的影响，回波强度减小。
这样就存在一个强回波带，说明层状云降水中存在明显的冰水转换区，也说明层状云降水中气流稳定，无明显的对流活动。
〕2.对流云降水雷达回波特征——块状回波对流云往往对应着阵雨、雷雨、冰雹、大风、暴雨等天气。
《雷达回波识别分析》课件
03
雷达回波分析应用
天气预报
天气预报是雷达回波分析的重要应用领域之一。通过分析雷 达回波数据，气象学家可以监测和预测天气系统的移动、发 展和消亡，从而为公众提供准确的天气预报和预警信息。
雷达回波分析可以帮助气象学家识别降水系统，如暴雨、冰 雹、龙卷风等，并预测其可能的影响范围和强度。这有助于 提前采取措施，减少灾害损失。
，需要深入研究其传播规律和特性。
多模式、多频段雷达数据融合算法
02
多模式、多频段雷达数据的融合需要发展高效、可靠的算法和
技术，以提高数据融合的准确性和实时性。
雷达回波信号处理和目标识别技术
03
雷达回波信号处理和目标识别技术是雷达回波技术的核心，需
要不断研究和改进，以提高其准确性和可靠性。
雷达回波技术未来发展方向
带宽和存储空间。
03
复原处理
对失真或损坏的回波信号进行 复原，提高信号的可识别性。
雷达回波特征提取
03
幅度特征
频率特征
波形特征
提取回波信号的幅度信息，如峰值、平均 值、方差等，用于描述目标的大小和强度 。
分析回波信号的频率成分，提取出与目标 特性相关的频率特征，如多普勒频移。
描述回波信号的波形形状，如周期、相位 、波形变化等，用于区分不同类型目标。
雷达回波模式识别算法
01
02
03
统计模式识别
基于统计学原理，对提取 的特征进行分类和识别， 如支持向量机、朴素贝叶 斯等。
神经网络模式识别
利用神经网络的自学习能 力，对回波信号进行分类 和识别，如卷积神经网络 、循环神经网络等。
模糊模式识别
利用模糊逻辑和模糊集合 理论，对回波信号进行分 类和识别，如模糊K近邻 、模糊聚类等。
雷达回波处理
雷达回波处理
雷达回波处理是指对雷达接收到的回波信号进行处理和分析的过程。
雷达回波是由雷达发射的微波信号在遇到目标后被目标反射回来的信号，包含了目标的位置、速度、形状等信息。
雷达回波处理的主要目标是提取有用的目标信息并进行分析。
处理方法一般包括以下几个步骤：
1. 接收信号预处理：包括滤波、放大、调整信号幅度和相位等操作，以保证接收到的信号能够准确反映目标的特征。
2. 目标检测与跟踪：利用信号处理算法对接收到的回波信号进行目标的检测和跟踪。
常用的目标检测算法包括常规阈值检测、自适应阈值检测、多普勒频谱检测等。
3. 目标参数估计：通过对目标回波信号进行频谱分析、时频分析等处理，估计出目标的位置、速度、形状等参数。
常用的目标参数估计方法包括快速傅里叶变换（FFT）、波束形成（Beamforming）等。
4. 目标识别与分类：对目标的回波信号进行特征提取和分析，根据目标的特征进行分类和识别。
常用的目标识别和分类方法包括时域特征提取、频域特征提取、波段特征提取等。
5. 数据显示与分析：将处理得到的目标信息进行显示和分析，以便对目标进行进一步的研究和理解。
常用的数据显示与分析方法包括目标散射截面显示、目标动态轨迹显示、遥感图像分
析等。
雷达回波处理是雷达技术中非常重要的一环，它对于提高雷达系统的性能和功能具有重要意义。
航空气象 10.2雷达回波的识别
雷暴区降水平面和高度显示图
方位角55.5度
4.强风暴
与飑线相连的强风暴对应着一 条强降水线，这时几个雷暴排 成一排，降水区连在一起，强 回波形成一个个分离的红色区 域。有时有辉斑回波，表明可 能有冰雹出现。
飑线风暴的平面显示
雷达平面显示图上的“钩状”回波
雾的回波
三、雷达图上的雨带分析
1.暖锋雨带 2.冷锋雨带 3.对流云降水带
1.暖 锋 雨 带
带状结构，宽约100千 米，与地面锋线平行， 随时间缓慢移动。
暖锋雨 带
2.冷 锋 雨 带
窄雨带比较连续，宽雨带沿活跃 的冷锋分布，都与地面锋线平行
窄的冷锋雨带
宽的冷锋雨带
3.对流云降水带
（1） 零 散 阵 雨 （2）阵 雨 线 （3）雷 暴 区 （4）强 风 暴
3.混合性降水──絮Байду номын сангаас回波
在平显上，回波范围较大，边缘支离破 碎，没有明显的边界，回波中夹有一个 结实的团块，为黄色和红色。有时呈片 状、有时呈带状或块状。
1996年7月4日北京地区对流云降水回波
混合性降水
混合性降水
混合型降水的两种图像
方位角38.1度
4.雹云回波特征
在平显上表现为强度大 ，边缘 分明的块状回波。有时出现 “ U” 形 的 无 回 波 缺 口 指 状 或 钩状回波
（1）零散阵雨
零散阵雨
方位角58.3度
(2)阵雨线
雷达图上的阵雨线
方位角195.6度
3.雷暴区
雷暴区是由对流单体群组 成的， 在雷达网的图象分辨 率条件下， 雷暴尺度表现为 10～15km，作为这种雷暴活动 的特点是降水强度较大。
1200时(UTC)
雷达回波的判断与分析
雷达回波的判断与分析作者：黄强张金凤张会贞来源：《农业与技术》2019年第11期摘要：本文针对不同回波特征进行分析，探讨不同降水系统下雷达回波特征，区分气象回波和非气象回波的差异，以精确分析判断气象雷达回波，为夏季灾害性天气和短视天气预报提供可靠数据资料。
关键词：雷达回波;降水系统;判断分析中图分类号：S163文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.201906150631不同回波特征分析1.1层状云回波在平显上通常要适当抬高仰角才看得到层状云回波，呈均匀片状，回波暗淡、强度弱、边缘模糊犹如薄纱，探测距离约几十公里。
在高显上看回波呈一水平带，底部较平整、不接地，高度为1.4～8.7km（常反映阴天无降水）。
1.2层（波）状云降水回波在平显上，层（波）状云降水回波呈均匀片状，强度弱到中等，范围大，内部没有明显块体结构，边缘发毛，破碎模糊。
在高显上回波顶部平坦，且较均匀常看到0℃层300～1000m 的亮带，高度为3.6～8km（常反映大范围稳定性持续降水）。
1.3对流云回波在平显上回波呈小块状，有时零散孤立，有时排列成带状和不规则形状。
高显上常呈柱状、针状，底部不接地，强度为中等，高度为2.2～4.9km（为无降水）。
1.4阵雨回波在平显上回波呈孤立分散的小块单体或回波群，结构较松，边缘不清晰，单体水平尺度在10km以下，强度中等。
高显上回波呈针状顶部发毛，结构松散，回波高度在7～8km以下，回波底部接地（常反映短阵雨）。
1.5雷雨回波在平显上回波块体结识、肥大、紧密、轮廓清晰、边缘多折，单体水平尺度在10km以上，强度特强，很明亮。
在高显上呈柱状，低的仅5～6km，高的可达17～18km（常反映短暂雷雨）。
1.6雹云回波在平显上块体较大，结构紧密，发展急剧、多棱角、突起或小切口，移动迅速，强度特强，回波单块体范围小于10km。
在高显上强度最大值常出现在高于0℃等温线2～3km以上，云顶很高常在12～13km以上.通常呈针状接地的是阵雨回波，不接地的是对流云回波，平显上看单块体回波范围>10km、高显呈柱状，此回波可判定为雷雨回波。
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射引起的回波。 降水回波 非降水回波
非气象回波(1)
➢ 地物回波
特点：回波边缘特别清晰，位置固定不变，且回 波和地物所在的位置是一致的。
常用的识别方法
• 比较法：地物回波强度很大，位源自固定不变，而降水回 波则不是；• PPI探测时改变天线仰角识别法 • RHI探测法识别
RHI回波特征：结构均匀，顶部虽有起伏，但相对起伏较 小（相对于对流云降水），比较平整，垂直厚度不大（一 般5－6Km，因地区、季节而不同），水平尺度要比垂直尺 度大得多；
零度层亮带：又称融化带，是层状云降水的一个重要特征 ，通常出现在零度等温线以下几百米的地方。
径向速度特征：由于降水范围大，因而径向速度场范围分 布的范围也大，等值线分布比较稀疏，切向梯度不大，在 零径向速度线两侧分布着范围较大且数值不大的正负中心 ，另外还常存在流场符合或辐散区。
尾瓣在PPI上的虚假回波（P. 313 图 10.35）——关于雷达站中心对称 ，虚假回波正好与真实回波的强中心相似，且随着真实回波的移动而 移动；
旁瓣在PPI上的虚假回波（P. 313 图 10.36）——又称“枝状回波” ， 分布在真实回波的两侧，且随着真实回波的移动而移动；
旁瓣在RHI上的虚假回波
对流云阵性降水——块状回波(1)
➢ 对流云阵性降水包括阵雨、雷雨、冰雹、暴雨等； ➢ 一般出现在快速移行锋面上、冷锋前暖区、气团内部、副高
在测战附近有高大建筑物、降水或超折射等现象 的情况下容易出现，一般仍能探测到降水回波。
非气象回波(4)
➢ 飞机、船只回波
特点：在PPI上呈圆点状或“一”字形，移动速度 快。
➢ 海浪回波
特点
• 沿海地区的雷达在风力较大时，水平探测或者俯视探测 时可能会出现，而且随着风力的增大，回波出现的距离 和范围将有所增大；
相同 • 曲线（与向径不平行）：风向随高度发生变化
走向是否有显著折角
• 有显著折角：水平流场中有不同方向气流存在，可能存 在锋面、辐合线、槽线等流场
• 配合正负中心的分布情况合回波强度可以分析出天气系 统形势
多普勒天气雷达 径向速度场分析技术与方法(2)
➢ 多普勒零径向速度线特征
走向是否与距离圈平行
回波形成的物理解释及其天气和气象意义 根据识别的回波特征，结合接续的观测资料，分析回波的
演变和移动规律，用作天气预报。
多普勒径向速度 的识别与分析
多普勒天气雷达 径向速度场分析技术与方法(1)
➢ 多普勒零径向速度线特征
是否与向径平行
• 平行：在不同高度上的风向相同 • 平行并通过原点（即测站）：从地面到高空的风向完全
产生超折射回波的气象条件
• 辐射逆温 • 平流超折射 • 雷暴超折射
非气象回波(3)
➢ 同波长干扰回波
当近距离有两部以上波长相同的雷达同时工作时 ，就会在荧光屏上出现特殊的回波，常表现为单 条或多条线状，有时也呈点线状回波带，从中心 以相等的间隔呈螺旋状向四周放射出来（详见教 材P. 310 图10.33 ）。
• 针状回波体呈扇形向外辐射，强度较弱且均匀。
非气象回波(5)
➢ 天线辐射特性引起的虚假回波
产生原因：天线有主瓣、旁瓣、尾瓣，且存在着一定的宽度，虽然旁 瓣、尾瓣的能量分布非常小，但当旁瓣或尾瓣发射的电磁波在近距离 遇到一些特别强的降水回波中心时，反射或散射回来的电磁波也可能 被接收机接受到，从而产生虚假的回波。
有无多普勒径向速度等值线密集带存在
• 通常存在锋面或飑线 • 等值线的走向对于确定锋面、飑线的位置非常重要
多普勒天气雷达 径向速度场分析技术与方法 (4)
➢ 强多普勒径向速度梯度带
若成弧状排列，可能存在强辐合带或飑线； 若成近似圆形排列，可能存在中尺度气旋。
图10.3
图10.4
图10.6
图10.8
图10.9
图10.22 b
图10.22 a
图10.16
图10.16-1
图10.16-2
图10.10
雷达回波强度 的识别与分析
雷达回波的类型
➢ 非气象回波——主要是地物、飞机等非气象目标物
对雷达电磁波的散射或反射而引起的，或者是由于 雷达的性能引起的虚假回波。
非气象回波(2)
➢ 超折射回波
特点：发生超折射现象时产生的回波，使得通常看不到地 物回波的距离上也出现地物回波，其实质是地物回波。
气象意义
• 预示着大气低层或中层存在逆温层，即大气比较稳定； • 在降水过程中出现时预示着对流已减弱，降水即将中终止; • 长期存在时需要发出环境污染预报； • 当有强冷空气入侵时还可能出现强对流天气。
• 平行且正负中心沿径向排列：零径向速度线为辐合线或 辐散线
• 是否为闭合曲线：不同高度上存在风向辐合，即垂直切 变
➢ 朝向雷达分量（负）和远离雷达分量（正）
分布特征
范围是否大致相同，且关于原点对称
• 是：不同高度上水平流场的基本气流一致； • 否：不同高度上水平流场中存在着不同的气流方向，甚
至有中小尺度系统存在。
Ch. 10 多普勒天气雷达 回波的识别和分析
主要内容
➢ 多普勒雷达可测量的基本参数
雷达回波强度（反射率因子） 雷达取样体积内的平均多普勒速度 雷达取样体积内的平均多普勒速度谱宽
➢ 主要识别与分析内容
各种雷达回波特征的识别
• 强度分布特征——了解回波的类型和性质 • 径向速度特征——了解大气流场、气流垂直速度分布等
• “指状回波” （P. 313 图 10.37）——其形状与强回波中心相似； • 降水回波延伸到地平线以下。
气象回波
——降水回 波
层状云连续降水回波
——片状回波
➢ 特点
PPI回波特征：成片分布，面积较大，回波边缘模糊发毛 ，在大片弱回波中偶有个别强度较强的回波团（强度一般 在20－30dBz）；
多普勒天气雷达
径向速度场分析技术与方法(3)
➢朝向雷达分量（负）和离开雷达分量（正
）分布特征
大片正区和负区是否与向径对称
• 可以分析锋面和切变线的位置，因为锋面存在时正负中 心通常关于向径对称
有无紧密相邻的成对强小尺度正负中心存在
• 排列较近（20－50Km）的强正负中心存在时要注意是 否存在强中小尺度系统甚至飑线存在