讲稿-风廓线雷达简介
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机场风廓线雷达建设
即:h<0.577x+y
机场风廓线雷达建设浅谈
5.1 行业规范对风廓线雷达选址的要求 根据《民用航空机场气象台建设指南
》中“以天线反射面中心点为基准点，反 射平面为基准平面”的规定，
假设风廓线雷达天线反射面海拔高度 为y，在距离天线反射面中心点距离为x的 范围内，障碍物海拔高度h应满足以下条 件：
3.1、风廓线雷达原理
机场风廓线雷达建设浅谈
3.2、 风廓线雷达分类
按照对风廓线雷达探测高度需求的不 同，风廓线雷达分为平流层风廓线雷达、 对流层风廓线雷达和边界层风廓线雷达三
种，每种所采用的工作频率也有所不同。
机场风廓线雷达建设浅谈
3.2、 风廓线雷达分类
国内风廓线雷达通常使用的电磁波频 率以及探测高度如下表所示：
机场风廓线雷达建设
机场风廓线雷达建设浅谈
1、摘要 2、引言 3、风廓线雷达介绍： 4、机场风廓线雷达现状 5、机场风廓线雷达的选址 6、机场风廓线雷达的建设
机场风廓线雷达建设浅谈
1、摘要：
本文根据作者实际工作经验，结合民 航气象领域相关规范标准和国内主流风廓 线雷达产品情况，对机场主要使用的边界 层风廓线雷达的选址和建设进行了探讨。
(h-y)/x<tg30⁰
即:h<0.577x+y
机场风廓线雷达建设浅谈
5.1 行业规范对风廓线雷达选址的要求
(h-y)/x<tg30⁰ 即:h<0.577x+y
h
y
x
机场风廓线雷达建设浅谈
5.2风廓线雷达选址探讨 从目前已建设的风廓线雷达选址情况
来看，主要有两种思路： 第一种思路主要考虑使用风廓线雷达
若安装有RASS，选址还应尽量远离居民 区，以免噪声扰民。
机场风廓线雷达建设浅谈
5.1 行业规范对风廓线雷达选址的要求 根据《民用航空机场气象台建设指南
》中“以天线反射面中心点为基准点，反 射平面为基准平面”的规定，
假设风廓线雷达天线反射面海拔高度 为y，在距离天线反射面中心点距离为x的 范围内，障碍物海拔高度h应满足以下条 件：
3.1、风廓线雷达原理
机场风廓线雷达建设浅谈
3.2、 风廓线雷达分类
按照对风廓线雷达探测高度需求的不 同，风廓线雷达分为平流层风廓线雷达、 对流层风廓线雷达和边界层风廓线雷达三
种，每种所采用的工作频率也有所不同。
机场风廓线雷达建设浅谈
3.2、 风廓线雷达分类
国内风廓线雷达通常使用的电磁波频 率以及探测高度如下表所示：
机场风廓线雷达建设
机场风廓线雷达建设浅谈
1、摘要 2、引言 3、风廓线雷达介绍： 4、机场风廓线雷达现状 5、机场风廓线雷达的选址 6、机场风廓线雷达的建设
机场风廓线雷达建设浅谈
1、摘要：
本文根据作者实际工作经验，结合民 航气象领域相关规范标准和国内主流风廓 线雷达产品情况，对机场主要使用的边界 层风廓线雷达的选址和建设进行了探讨。
(h-y)/x<tg30⁰
即:h<0.577x+y
机场风廓线雷达建设浅谈
5.1 行业规范对风廓线雷达选址的要求
(h-y)/x<tg30⁰ 即:h<0.577x+y
h
y
x
机场风廓线雷达建设浅谈
5.2风廓线雷达选址探讨 从目前已建设的风廓线雷达选址情况
来看，主要有两种思路： 第一种思路主要考虑使用风廓线雷达
若安装有RASS，选址还应尽量远离居民 区，以免噪声扰民。
风廓线雷达与及激光测风雷达
• 模块箱:内部有24个模块分别控制24组天线。 • 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信号,并对各
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
感谢您的聆听
THANK YOU FOR LISTENING
激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
感谢您的聆听
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激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
风廓线雷达——一种新型的测风雷达
动 使得大 气 的 折射 指数 在 不 断的 变 化 这 种变 化 也必 然与 各 种 尺 度 的大 气 湍 流有密 切关 系 当 地面辐射的 电磁 波 波长 的 一 半 以尽) 与这 些尺 度基 本 一 致时 将产生较 强的后 向 散 射 回
从 年 10 月 刀 日 本文于 1望 收封
, , ,
、
, , , ,
VAD
时 通 常 要 有 一 定 的假 设 即 认 为 大 气 变 化 在
时 间上 是 连 续 的
空间上 是规 律 3
对 设 备 的 要求
风廓线雷 达 与常 规的 天 气雷达 一 样 也 包
, 、 、
f 一
~
一 一 一
一~
一 -
自.
-
T
资料 表 明 讥蓬F 频 率适 合 于 作 同 温 层 / 对 流 层 雷 达 ( s
、
雷达) 到
北
2 ~
。
而 3 k
m
U HF
频 率适 合 于 对流 层 中 下层 和 大 气 边 界 层观 测 的 雷 达 特 别 是 在
,
AGL 1 0 Om
高度 上 线测 量
gl 5
Mz H 的 雷 达 能 有 效 的进 行 风 廓
,
卯 年第
期
现代 电子
落第粉 期
风
廓
线
雷
达
—
提要
一种新型 的 测 风雷达
离仲辉
:
(华东 电子丈程研 究所 合肥 力的 31 )
本 文介绍 了 风廓线雷 达的侧风 原理及这种 礴风方 式对 雷达设 备的姿 求 同时 也筒 要 介 绍 了
.
,
与风脚线 雷达祝 合使月的 R 叫沼 系统 原理 主题 询 侧风 风廉线
从 年 10 月 刀 日 本文于 1望 收封
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VAD
时 通 常 要 有 一 定 的假 设 即 认 为 大 气 变 化 在
时 间上 是 连 续 的
空间上 是规 律 3
对 设 备 的 要求
风廓线雷 达 与常 规的 天 气雷达 一 样 也 包
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资料 表 明 讥蓬F 频 率适 合 于 作 同 温 层 / 对 流 层 雷 达 ( s
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频 率适 合 于 对流 层 中 下层 和 大 气 边 界 层观 测 的 雷 达 特 别 是 在
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高度 上 线测 量
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Mz H 的 雷 达 能 有 效 的进 行 风 廓
,
卯 年第
期
现代 电子
落第粉 期
风
廓
线
雷
达
—
提要
一种新型 的 测 风雷达
离仲辉
:
(华东 电子丈程研 究所 合肥 力的 31 )
本 文介绍 了 风廓线雷 达的侧风 原理及这种 礴风方 式对 雷达设 备的姿 求 同时 也筒 要 介 绍 了
.
,
与风脚线 雷达祝 合使月的 R 叫沼 系统 原理 主题 询 侧风 风廉线
风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用
风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用1. 引言强对流天气是指发生在大气层中的强烈垂直运动，伴随着强风、大雨、冰雹、龙卷风等天气现象。
由于其突发性和破坏力，强对流天气对人类社会和经济活动造成了极大的威胁。
因此，准确预报强对流天气对于社会和经济的安全十分重要。
本文将探讨风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用。
2. 风廓线雷达技术简介风廓线雷达是一种利用雷达探测大气中散射物体（如悬浮在空气中的小颗粒）的运动信息的仪器。
通过测量散射物体的速度和方向，风廓线雷达可以提供大气中不同高度层的风场信息。
它的工作原理是利用雷达向大气中发射微波脉冲，当这些脉冲与散射物体相互作用时，一部分能量被散射回传到雷达接收器，从而获得风场信息。
3. 风廓线雷达资料的获取与分析风廓线雷达通过不断扫描天空，得到一系列垂直方向上的雷达回波，然后通过信号处理和算法分析，可以得到各个高度层的风速和风向资料。
这些资料可以进行可视化展示，如风廓线图，也可以转换为水平风场图和垂直风剖面图等形式。
在强对流天气预报中，通常会将这些资料与其他观测数据、模型预报等数据进行综合分析，以提高预报的准确性。
4. 风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用4.1 预测对流系统演化强对流天气的演化过程往往与形成对流云的热力学条件和上升运动有着密切的关系。
风廓线雷达可以提供对流云中的气旋度和辐合度等参数，通过分析这些参数的变化，可以预测对流系统的演化趋势。
例如，当气旋度增强和辐合度增大时，预示着对流云将继续发展并可能引发强对流天气。
4.2 定量降水预报强对流天气常常伴随着大雨和冰雹等降水现象。
风廓线雷达可以提供不同高度层的降水强度和降水型态信息，通过分析这些信息，可以定量预报降水的强度和分布范围。
同时，风廓线雷达还可以检测到雨滴的径向速度，通过测量径向速度的变化，可以判断降水颗粒的类型，从而更好地预测降水过程中的冰雹等极端天气。
风廓线雷达
信号处理：相参累积，非相参累积，傅里叶 分析，谱数据处理等
数据处理\显示系统：数据处理主要是进行矢 量合成, 得到每个距离单元上的合成风矢量, 并以一定方式显示在CRT上， 微机即可。
风廓线雷达的特点
（1）获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷 达的测量具有很高的时间和空间分辨率。从此意义 上讲风廓线雷达的测量具有连续和实时的特点。
指数产生相应的涨落会使波束的电磁信号被散射，
其后向散射将产生一定功率的回波信号，风廓线仪 就是通过接收处理这些回波信号来获取风场的信息。
实际仪器设计为三波束或五波束轮流发送，测出沿各波 束发射方向的径向风速，就可合成垂直运动速度、水平 风向和风速。就如图所示的为三波束，一束向上，两束 分别以α向东和向北倾斜。雷达在器探测周期信号束会 由垂直转向东，再转向北，最后又回到垂直位置，将会 得到不同方向的三组多普勒要素，根据矢量合成原理， 最终得到代表站上空的风向和风速。
（2）获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多 种气象信息。风廓线雷达在提供详细的风场结构及 其随时间演变的同时，还能够提供大量的可以用于 大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是，常 规探测手段很难获取这些资料。
（3）遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别 适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。
(2)模块箱:内部有24 个模块分别控制24 组天线。
(3) 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信 号,并对各波束进行控制。②从模块箱接收观测信号, 并检测出信号的相位。③在收发装置中还产生这个 系统的时间信号,用于系统的时序控制。
(4) 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送 来的数据,以图形方式将处理后的产品显示出来,同 时保存数据文件
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
浦东机场8月4日08:00-5日24:00期间风向、 风速和阵风，4日中午12:00以后，平均风速 稳定在10m/s以上并伴有阵风，平均风速最 大值为14m/s，主要出现在16:30-18：00， 阵风最大值为21m/s，阵风出现在4日12:005日07:14时段，约离台风距离浦东机场同纬 度前后9个小时，风向也在4日21:00以后东 南风转为偏南风
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
当1km以下高度层出现Cn2高值区，且在2-6km高度层出现次高值区时，对应着强降水，同 时，当高值区逐渐减弱时，也预示着强降水的减弱或终止； 在连续性强降水时段内， SNR最大值高度层稳定的位于5-6km之间
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感谢观看 不 忘 初 心 砥 砺 前 行 THANKS
出现了长时间的中到大阵雨，5日上午09:54到12:25浦 东机场以小阵雨为主，随后雨止转阴到多云天气。"黑 格比"对浦东机场造成了较为严重的降水影响：12小时 (4日21:00-5日09:00)累计降水量达57.9mm，达暴雨-大 暴雨级别，其中降水主要集中在5日01:00-09:00，而这 与之前研究的台风降水集中在台风登陆前基本一致
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
1 可以发现，在从4日21:30到5日12:30，5km以下出现大于4m/s的向下速度(对应图中黄色到红色回波)
2 5km以上垂直速度比较小(对应图中蓝色回波)
当出现明显降水过程时，5km以下高度层垂直速度都出现了相应的显著大值区，尤其是4日凌晨到5日上
3 午的强降水过程中，垂直速度大值区高度甚至可以达到5km以上，且垂直速度数值与降水强度基本成正
《风廓线雷达原理》课件
03
特点
接收系统的性能直接影响雷达的灵敏度和抗干扰能力， 因此需要具备高灵敏度和低噪声水平。
天线系统
功能
定向发射和接收电磁波信号。
组成
包括天线阵列和伺服系统等部件，用于控制天线 的方向和扫描范围。
特点
天线系统的性能直接影响雷达的扫描速度和覆盖 范围，因此需要具备高精度和快速响应能力。
信号处理系统
谢谢聆听
将雷达部署至不同地点，实地测量并与标准气 象观测数据进行比较，评估雷达性能。
实验室测试
在特定条件下，模拟雷达工作环境，进行 性能检测。
B
C
长期监测
长时间连续运行雷达，观察其性能变化，评 估其稳定性和可靠性。
与其他雷达比较
将新型雷达与现有雷达进行比较，评估其在 性能、精度和效率上的优势。
D
雷达性能评估方法
风廓线雷达技术发展趋势
探测精度提升
随着技术的不断进步，风廓线雷 达的探测精度将得到显著提高， 能够更准确地测量风速、风向等 气象参数。
多普勒频移技术应
用
多普勒频移技术在风廓线雷达中 的应用将进一步拓展，能够提供 更丰富的气象信息，如湍流、风 切变等。
智能化和自动化
风廓线雷达将朝着智能化和自动 化的方向发展，能够自动识别和 跟踪目标，减轻人工操作的负担 。
风向反演算法
根据雷达回波信号的相位差等信息，反演出 风向信息。
数据后处理
数据融合
将多个雷达站的数据进行融合，提高数据的准确性和 可靠性。
数据可视化
将处理后的数据以图表、图像等形式进行可视化展示 。
数据分析
对处理后的数据进行统计分析，提取有用的气象信息 。
04 风廓线雷达性能评估
《风廓线雷达原理》课件
雷达探测原理
风廓线雷达利用电磁波的传播和反射特性进行探测。它发射电磁波信号，接 收所反射回来的信号，并通过计算距离，得到目标的位置和速度信息。
风廓线雷达监测参数
风廓线雷达可以监测多个重要参数，包括风速和风向，反射率因子以及多普 勒频移。这些参数对于气象学和能源领域的应用具有重要意义。
风廓线雷达工作流程
风廓线雷达的优势和局限性
优势
• 多参数监测，提供全面的气象信息 • 具有强大的实时性，可实时监测天气变化
局限性
• 重构成本较高，要求专业技术支持 • 对电磁环境有一定要求，受到干扰的风
险较高
结语
风廓线雷达在气象学和能源领域中具有重要意义。展望未来，随着技术的不断发展，风廓线雷达将发挥 更大的作用，助力人们更好地理解和利用自然力量。
《风廓线雷达原理》PPT 课件
欢迎大家来到《风廓线雷达原理》的课程，本课程将带领您深入了解风廓线 雷达的原理和应用。让我们一起探索这个神奇的技术吧！
什么是风廓线雷达
风廓线雷达是一种用于监测大气风场和天气变化的先进技术。它能够通过探 测大气中的微弱电磁波信号，获取风速、风向、反射率因子和多普勒频移等 重要参数。
1
雷达发射电磁波
风廓线雷达通过发射电磁波信号来探测大气中的目标。
2
接收信号
风廓线雷达接收目标反射回来的信号。
3
信号处理
通过信号滤波、多普勒频移处理和数据处理等步骤，对接收到的信号进行处理泛应用于风场监测和天气预报， 为气象学提供关键数据。
能源领域
在风电场运维中，风廓线雷达可以提供风速 和风向等数据，帮助优化风力发电。
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• 风廓线雷达探测的主要对象是晴空或多云 大气，对降水天气也有一定的探测能力
风廓线雷达发射的电磁波在大气中传播过程
中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散
射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收，能实
时提供大气的三维风场信息。
增加无线电声学探测系统（RASS），与微波
辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大
2 风廓线雷达探测原理
2.1 晴空的电磁波散射
1. Bragg 散射 —— 折射率空间分布周期性的变化引起对相
同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率 的空间涨落，也称作湍流散射； 2. Fresnal 散射 —— 折射率梯度很大的水平层状结构上对 电磁波的反射; 3. Thomson 散射 —— 电离层中的大量自由电子对入射电磁 波的散射。
1270-1375MHz
高对流层 风廓线雷达
最大探测高度:12～16km 起始高度:150m 高度分辨率:120m
边界层大气风场 观测
晴空局地空域气 流监测 中尺度灾害性天 气监测 边界层数值预报
低对流层 风廓线雷达
最大探测高度:6～8km 起始高度:300m 高度分辨率:240m
边界层 风廓线雷达
理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风廓线雷 达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监 测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。NOAA风 廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的 夜间雷暴非常重要。
• 日本
WINDAS(31部1.3G风廓线 雷达)，间隔130公里。 经过台站级处理的10分 钟平均的风数据传输到 风廓线雷达控制中心， 通过进一步的一致性检 验后用于数值天气预报。 WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引起 的强降水。
1 N 1 N f ( j )f ( f j )f 2 P r j 0
通过多普勒频移和多普勒速度 之间的关系得到多普勒速度。
fd
2Vr
经过计算，即可获得个高度层上的水平风向风速、垂直气 流速度、功率谱密度、大气折射率结构常数Cn2等各种数 据产品和图像产品
风廓线雷达回波信号的特点： 1. 微弱；
向东的波束方向为 x轴正方向，指向北的波束
方向为 y 轴正方向，建立直角坐标系；在球坐 标系下，雷达为坐标原点， r为空间点到原点 距离，φ表示天顶角，θ表方位角，由 x轴正
方向逆时针旋转。
在观测周期内，如果水平风场保持均匀，那么可以通过简单的几何 关系，由径向速度导出水平风。
3.1.1 三波束
一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；两个在方位上间隔 90°的倾斜波束，分别指向正北和正东，倾斜波束的天顶角是状态 量，以φ表示。假定Vrz，Vrx，Vry分别表示天顶、正东和正北三 个波束方向的径向速度的测量值。那么经过简单的几何投影，可以 根据以下方程计算出该高度上风矢量的三个分量。垂直风由垂直波 束直接测量得到。
• • •
•
风廓线雷达分类
100 000 m 60 000 m 16 000 m 12 000 m 8 000 m 6 000 m 5 000 m 3 000 m 300 m 50 m
46-68MHz
中层风廓线雷达 对流层风廓线雷达 低对流层风廓线雷达 边界层风廓线雷达
440-450MHz
440-450MHz
O
GLC-24
CLC-8
航天科工集团二院23所
CFL-16
CFL-08
CFL-03B
安徽四创电子股份有限公司
O
SCRTWP-01 Airda8000
TWP8
K/LLX802 Airda3000
O
爱尔达公司 敏视达雷达有限公司
Airda16000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
假设均匀风场的风矢量为
V [u, v, w]
eE, eN分别表示沿正东和东北波束的单位向量。
eE [sin ,0,cos ] eN [0,sin ,cos ]
由向量内积的物理意义，有
Vrx V * eE Vry V * eN
Vrx u sin w cos
2. 涨落现象十分明显；
3. 伴随多种杂波
2.4 风廓线雷达数据
一致性风
估算的合成风 大尺度气象特征（几小时-数天） 中尺度的气象特征（一小时-数小时） 微/小尺度气象特征（几分钟-1小时） 飞机 谱变换后的功率谱 间歇性噪声源 鸟类、昆虫等点状目标物 非稳定的风场（大尺度湍流） 降水 （或有速度折叠）
各库上的谱参数
谱平均后的功率谱
持续性噪声源
背景噪声
地物杂波
3 风速计算方法
3.1 水平风场均匀假设下风的计算
由径向速度求解水平风，需要对水平风场的分布做一定的假设， 1）水平风均匀的假设，2）线性风场的假设
在直角坐标系中，将风速分解为u， v， w三个 分量，规定垂直风向上为正。分廓线雷达测得 的径向速度用Vr表示，规定径向速度远离雷达 方向为正，朝向雷达为负。为方便讨论，以指
风廓线雷达监测网将有助于：
1. 弥补常规高空探测网在时空密度上的不足； 2. 天气系统的识别； 3. 中小尺度灾害性天气的监测； 4. 减少数值预报模式中对短时风场预报误差。
1.2 国外风廓线雷达进展
1950和1960 年代：位于地面的雷达能够通过探测晴空湍流的后向散射信 号，测量包括风速在内的一些大气参数。 1974年，建立观测高层大气风的风廓线雷达模型。 1986年，美国海洋大气管理局（NOAA）率先在美国中部布设包括 31部风 廓线雷达的观测网，并在1992年最终完成了NPN（NOAA Profiler Network, NOAA风廓线网）。 1987年，欧盟委员会 COST－74 项目（ COST 表示由欧盟委员会支持的欧 洲国家间协调开展的科学技术领域合作研究项目）开始支持风廓线雷达的 开发和利用。 1988年，日本气象厅（JMA）下属的气象研究所建造了一台UHF风廓线雷达 1994年，欧盟委员会 COST－76 项目继续给予支持。 2001年，日本气象厅完成了25部风廓线雷达所组成的业务网WINDAS。
即
Vry v sin w cos
V rz w
。
因此，可由以下方程组计算该高度的风矢量， Vrx Vrz cos u sin
Vry Vrz cos v sin
w V rz
。
3.1.2 五波束 采用五波束时，同样一个波束指向天顶，用于测量垂 直速度；四个倾斜波束在方位上均匀分布，天顶角是状态 量，均为φ ，先将两个相对方向的倾斜波束的径向速度进 行平均，如西波束VrW和东波束VrE，北波束VrN和南波束VrS， 方程如下所示
Vs AT
1/ 2
2.2 风廓线雷达分类
• 根据大气湍流散射理论，对雷达发射的电 磁波能够产生有效后向散射的湍流涡旋尺 度等于雷达波长的一半。 在风廓线雷达的探测高度确定之后，风廓 线雷达可使用的工作频段也就随之确定。 即探测高度达到对流层以上的风廓线雷达 选择VHF频段，典型工作频率约为45MHz。 对流层和低对流层风廓线雷达选择UHF(P 波段)频段，典型工作频率约在 450-900 MHz。 边界层风廓线雷达选择L波段，典型工作频 率在1200 MHz 左右。
K/LLX802 （四创） Boundary Layer Wind profiler
Airda 3000 （爱尔达） Boundary Layer Windprofiler
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
1.4 风廓线雷达的探测优势
1. 自动化程度较高； 2. 全天候无人值守地长期连续运行； 3. 较高的可靠性和稳定性； 4. 探测资料种类多，分辨率高，精度高；
CFL-16 （23所） Troposphere Wind Profiler I
Virtual Temperature
CFL-08 （23所） Troposphere Wind Profiler II
CFL-03B （23所） Boundary Layer Wind Profiler
SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler
网” 。
• • • •
我国从2004年开始建设风廓线雷达网。 目前国内约布设了十四部。 北京及其周边地区的风廓线雷达示范网已初具规模。 计划在2010年前再完成30部风廓线雷达的建设。
张北 延 庆 海 淀 南 郊 密 云唐山高对流层 风廓来自雷达低对流层 风廓线雷达
边界层 风廓线雷达
中电集团14所
湍流散射（Bragg散射）探测原理
0.39Cn
2 4/3
2 1 / 3
Cn a L0 M
2
Cn为大气折射率结构常数，M是水平折射率的垂直梯度，L0是 湍流外尺度
Bragg散射-在弹性散射(elastic scattering)中， 入射光的能量没有损耗,但入射光的传播 方向发生变化。 当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射 (Bragg scattering);布拉格父子1915年共同获诺贝尔物理学奖：William Henry Bragg & William Lawrence Bragg； 当入射光的波长远大于散射目标的直径时,为雷利散射 (Rayleigh scattering).
• 欧洲 已有约 28 部风廓线 雷达投入运行，并 将资料发送给英国 气象局，并通过因 特网实时显示获得 的探测数据。 欧洲的风廓线雷达 网采用的频段包括 50MHz 、 400MHz 及 1000MHz。
1.3 国内风廓线雷达发展现状
目前国内的风廓线雷达技术已趋于成熟，有能力立 足于国内技术组建适宜气象业务需求的风廓线雷达网。 《我国高空探测系统发展规划（1996-2010）》提出 “逐步发展风廓线雷达和 GPS探测系统”，“在中尺度天 气监测预报服务基地优先布设风廓线雷达，风廓线雷达 宜安插在常规探空测站之间或天气变化的敏感区；风廓 线雷达站间距以200-250公里为宜，建立风廓线雷达探测
风廓线雷达发射的电磁波在大气中传播过程
中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散
射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收，能实
时提供大气的三维风场信息。
增加无线电声学探测系统（RASS），与微波
辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大
2 风廓线雷达探测原理
2.1 晴空的电磁波散射
1. Bragg 散射 —— 折射率空间分布周期性的变化引起对相
同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率 的空间涨落，也称作湍流散射； 2. Fresnal 散射 —— 折射率梯度很大的水平层状结构上对 电磁波的反射; 3. Thomson 散射 —— 电离层中的大量自由电子对入射电磁 波的散射。
1270-1375MHz
高对流层 风廓线雷达
最大探测高度:12～16km 起始高度:150m 高度分辨率:120m
边界层大气风场 观测
晴空局地空域气 流监测 中尺度灾害性天 气监测 边界层数值预报
低对流层 风廓线雷达
最大探测高度:6～8km 起始高度:300m 高度分辨率:240m
边界层 风廓线雷达
理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风廓线雷 达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监 测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。NOAA风 廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的 夜间雷暴非常重要。
• 日本
WINDAS(31部1.3G风廓线 雷达)，间隔130公里。 经过台站级处理的10分 钟平均的风数据传输到 风廓线雷达控制中心， 通过进一步的一致性检 验后用于数值天气预报。 WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引起 的强降水。
1 N 1 N f ( j )f ( f j )f 2 P r j 0
通过多普勒频移和多普勒速度 之间的关系得到多普勒速度。
fd
2Vr
经过计算，即可获得个高度层上的水平风向风速、垂直气 流速度、功率谱密度、大气折射率结构常数Cn2等各种数 据产品和图像产品
风廓线雷达回波信号的特点： 1. 微弱；
向东的波束方向为 x轴正方向，指向北的波束
方向为 y 轴正方向，建立直角坐标系；在球坐 标系下，雷达为坐标原点， r为空间点到原点 距离，φ表示天顶角，θ表方位角，由 x轴正
方向逆时针旋转。
在观测周期内，如果水平风场保持均匀，那么可以通过简单的几何 关系，由径向速度导出水平风。
3.1.1 三波束
一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；两个在方位上间隔 90°的倾斜波束，分别指向正北和正东，倾斜波束的天顶角是状态 量，以φ表示。假定Vrz，Vrx，Vry分别表示天顶、正东和正北三 个波束方向的径向速度的测量值。那么经过简单的几何投影，可以 根据以下方程计算出该高度上风矢量的三个分量。垂直风由垂直波 束直接测量得到。
• • •
•
风廓线雷达分类
100 000 m 60 000 m 16 000 m 12 000 m 8 000 m 6 000 m 5 000 m 3 000 m 300 m 50 m
46-68MHz
中层风廓线雷达 对流层风廓线雷达 低对流层风廓线雷达 边界层风廓线雷达
440-450MHz
440-450MHz
O
GLC-24
CLC-8
航天科工集团二院23所
CFL-16
CFL-08
CFL-03B
安徽四创电子股份有限公司
O
SCRTWP-01 Airda8000
TWP8
K/LLX802 Airda3000
O
爱尔达公司 敏视达雷达有限公司
Airda16000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
假设均匀风场的风矢量为
V [u, v, w]
eE, eN分别表示沿正东和东北波束的单位向量。
eE [sin ,0,cos ] eN [0,sin ,cos ]
由向量内积的物理意义，有
Vrx V * eE Vry V * eN
Vrx u sin w cos
2. 涨落现象十分明显；
3. 伴随多种杂波
2.4 风廓线雷达数据
一致性风
估算的合成风 大尺度气象特征（几小时-数天） 中尺度的气象特征（一小时-数小时） 微/小尺度气象特征（几分钟-1小时） 飞机 谱变换后的功率谱 间歇性噪声源 鸟类、昆虫等点状目标物 非稳定的风场（大尺度湍流） 降水 （或有速度折叠）
各库上的谱参数
谱平均后的功率谱
持续性噪声源
背景噪声
地物杂波
3 风速计算方法
3.1 水平风场均匀假设下风的计算
由径向速度求解水平风，需要对水平风场的分布做一定的假设， 1）水平风均匀的假设，2）线性风场的假设
在直角坐标系中，将风速分解为u， v， w三个 分量，规定垂直风向上为正。分廓线雷达测得 的径向速度用Vr表示，规定径向速度远离雷达 方向为正，朝向雷达为负。为方便讨论，以指
风廓线雷达监测网将有助于：
1. 弥补常规高空探测网在时空密度上的不足； 2. 天气系统的识别； 3. 中小尺度灾害性天气的监测； 4. 减少数值预报模式中对短时风场预报误差。
1.2 国外风廓线雷达进展
1950和1960 年代：位于地面的雷达能够通过探测晴空湍流的后向散射信 号，测量包括风速在内的一些大气参数。 1974年，建立观测高层大气风的风廓线雷达模型。 1986年，美国海洋大气管理局（NOAA）率先在美国中部布设包括 31部风 廓线雷达的观测网，并在1992年最终完成了NPN（NOAA Profiler Network, NOAA风廓线网）。 1987年，欧盟委员会 COST－74 项目（ COST 表示由欧盟委员会支持的欧 洲国家间协调开展的科学技术领域合作研究项目）开始支持风廓线雷达的 开发和利用。 1988年，日本气象厅（JMA）下属的气象研究所建造了一台UHF风廓线雷达 1994年，欧盟委员会 COST－76 项目继续给予支持。 2001年，日本气象厅完成了25部风廓线雷达所组成的业务网WINDAS。
即
Vry v sin w cos
V rz w
。
因此，可由以下方程组计算该高度的风矢量， Vrx Vrz cos u sin
Vry Vrz cos v sin
w V rz
。
3.1.2 五波束 采用五波束时，同样一个波束指向天顶，用于测量垂 直速度；四个倾斜波束在方位上均匀分布，天顶角是状态 量，均为φ ，先将两个相对方向的倾斜波束的径向速度进 行平均，如西波束VrW和东波束VrE，北波束VrN和南波束VrS， 方程如下所示
Vs AT
1/ 2
2.2 风廓线雷达分类
• 根据大气湍流散射理论，对雷达发射的电 磁波能够产生有效后向散射的湍流涡旋尺 度等于雷达波长的一半。 在风廓线雷达的探测高度确定之后，风廓 线雷达可使用的工作频段也就随之确定。 即探测高度达到对流层以上的风廓线雷达 选择VHF频段，典型工作频率约为45MHz。 对流层和低对流层风廓线雷达选择UHF(P 波段)频段，典型工作频率约在 450-900 MHz。 边界层风廓线雷达选择L波段，典型工作频 率在1200 MHz 左右。
K/LLX802 （四创） Boundary Layer Wind profiler
Airda 3000 （爱尔达） Boundary Layer Windprofiler
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
1.4 风廓线雷达的探测优势
1. 自动化程度较高； 2. 全天候无人值守地长期连续运行； 3. 较高的可靠性和稳定性； 4. 探测资料种类多，分辨率高，精度高；
CFL-16 （23所） Troposphere Wind Profiler I
Virtual Temperature
CFL-08 （23所） Troposphere Wind Profiler II
CFL-03B （23所） Boundary Layer Wind Profiler
SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler
网” 。
• • • •
我国从2004年开始建设风廓线雷达网。 目前国内约布设了十四部。 北京及其周边地区的风廓线雷达示范网已初具规模。 计划在2010年前再完成30部风廓线雷达的建设。
张北 延 庆 海 淀 南 郊 密 云唐山高对流层 风廓来自雷达低对流层 风廓线雷达
边界层 风廓线雷达
中电集团14所
湍流散射（Bragg散射）探测原理
0.39Cn
2 4/3
2 1 / 3
Cn a L0 M
2
Cn为大气折射率结构常数，M是水平折射率的垂直梯度，L0是 湍流外尺度
Bragg散射-在弹性散射(elastic scattering)中， 入射光的能量没有损耗,但入射光的传播 方向发生变化。 当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射 (Bragg scattering);布拉格父子1915年共同获诺贝尔物理学奖：William Henry Bragg & William Lawrence Bragg； 当入射光的波长远大于散射目标的直径时,为雷利散射 (Rayleigh scattering).
• 欧洲 已有约 28 部风廓线 雷达投入运行，并 将资料发送给英国 气象局，并通过因 特网实时显示获得 的探测数据。 欧洲的风廓线雷达 网采用的频段包括 50MHz 、 400MHz 及 1000MHz。
1.3 国内风廓线雷达发展现状
目前国内的风廓线雷达技术已趋于成熟，有能力立 足于国内技术组建适宜气象业务需求的风廓线雷达网。 《我国高空探测系统发展规划（1996-2010）》提出 “逐步发展风廓线雷达和 GPS探测系统”，“在中尺度天 气监测预报服务基地优先布设风廓线雷达，风廓线雷达 宜安插在常规探空测站之间或天气变化的敏感区；风廓 线雷达站间距以200-250公里为宜，建立风廓线雷达探测