多普勒天气雷达原理与应用3-雷达图象识别基础
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最新1多普勒天气雷达原理与应用
1多普勒天气雷达原理与应用第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品第一章 我国新一代天气雷达原理一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：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 ）。
二、了解电磁波的散射、衰减、折射散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。
衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。
折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。
2/3730/776.0T e T P N +=波束直线传播波束向上弯曲波束向下弯曲000=><dz dN dzdN dzdN三、了解雷达气象方程在瑞利散射条件下，雷达气象方程为：其中Pr 表示雷达接收功率，Z 为雷达反射率，r 为目标物距雷达的距离。
Pt 表示雷达发射功率，h 为雷达照射深度，G 为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。
四、了解距离折叠最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。
距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。
当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。
当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。
第二章多普勒天气雷达原理
§ 在雷达波束中，与天线等距离的粒子同时被探 测脉冲所照射，同时开始产生回波，并同时回 到雷达天线。与天线距离不相等的回波信号， 也有可能同时回到雷达天线。这是因为探测脉 冲具有一定的宽度τ，因而在它通过粒子时产 生的回波信号也有宽度τ。这样，距离较近的 两个粒子虽然它们开始产生回波的时间并不相 同，但是，它们的回波信号仍然有一部分能够 同时回到雷达天线。
§ 可以证明，在径向方向上，粒子的回 波信号能同时返回雷达天线的空间长度
为 h/2，称为雷达的有效照射深度。
有效照射深度
§ 天线开始收到A粒子的回波信号的时间为
t1
2r1 c
§ 开始收到B粒子的回波信号的时间为
t2
2r2 c
§ 最后收到A粒子回波信号的时间为
t3
2r1 c
§ 若天线开始收到B粒子回波的时间恰好是 最后收到A粒子回波的时间
波束截面半径
§r100km=0.87km §r200km=1.745km §r300km=2.618km
与接收机有关的参数
§ 雷达天线所收到的回波信号是非常微弱的。所以， 雷达接收机必须具有接收微弱信号的能力。这种能 力常称为灵敏度，它用接收机的最小可辨功率Pmin来 表示。所谓最小可辨功率，就是回波信号刚刚能从 噪声信号中分辨出来时的回波功率。我国新一代天 气雷达（S波段）接收机的最小可测灵敏度对于短脉 冲(1.57μs)是-107dbm,对于长脉冲（4.71μs）是113dbm。
与发射机有关的参数
§ 发射机触发信号产生器周期性地产生一个触发 脉冲，输送到发射机，使发射机开始工作。
§ 在一个脉冲内信号的高频振荡频率叫工作频率 。
§ 每秒产生的触发脉冲的数目，称为脉冲重复频 率，用PRF表示。
天气雷达的基本工作原理和参数-168页文档资料
多普勒天气雷达除常规天气雷达功能 之外，还可利用降水回波频率与发射频率 之间变化的信息来测定降水粒子的径向速 度，并通过此推断风速分布，垂直气流速 度，大气湍流，降水粒子谱分布，降水中 特别是强对流降水中风场结构特征。
常规天气雷达仅能提供反射率 因子资料。多普勒天气雷达将提供 两种附加的基本资料，径向速度和 速度谱宽，它们将增强对强风暴的 探测能力，也能改进对中尺度和天 气尺度系统的预报。
体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern） 扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，
而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D 可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个： VCP11 -- VCP11（scan strategy #1，version 1） 规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 VCP21 -- VCP21（scan strategy #2，version 1） 规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。 不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用 短脉冲。 WSR-98D未定义VCP32。
自相干多普勒天气雷达结构框图
全相干多普勒天气雷达结构框图
fo 发射脉冲的载频 fd 多普勒频率
发射频率 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
中国新一代天气雷达系统简介
• 1、雷达数据采集系统（RDA） • 2、雷达产品生成子系统（RPG） • 3、主用户处理器子系统（PUP）
常规天气雷达仅能提供反射率 因子资料。多普勒天气雷达将提供 两种附加的基本资料，径向速度和 速度谱宽，它们将增强对强风暴的 探测能力，也能改进对中尺度和天 气尺度系统的预报。
体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern） 扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，
而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D 可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个： VCP11 -- VCP11（scan strategy #1，version 1） 规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 VCP21 -- VCP21（scan strategy #2，version 1） 规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。 不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用 短脉冲。 WSR-98D未定义VCP32。
自相干多普勒天气雷达结构框图
全相干多普勒天气雷达结构框图
fo 发射脉冲的载频 fd 多普勒频率
发射频率 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
中国新一代天气雷达系统简介
• 1、雷达数据采集系统（RDA） • 2、雷达产品生成子系统（RPG） • 3、主用户处理器子系统（PUP）
2DU简介双偏振多普勒天气雷达原理与应用 PPT课件
（一）几种测雨方程的形式
1、常规天气雷达
（21）
2、双线偏振雷达
（22）
3、双线偏振多普勒雷达
（二）模拟雨滴谱资料的结果（参阅有关文献）
1、测雨方程形式与前面相同，但要确定方程中的一些系数。 2、不同测雨方程求得的雨强IDP、IDR、IDK，与雨滴谱确定的真值 雨强R之间的关系，见下面给出的图11 ―图14 。
（三）双程差分传播相位变化值φDP
1、φDP的含义：设水平及垂直偏振波通过相同长度 的一个降水区（可包含非球形粒子组成），散射 回天线处的相位分别为φHH及φVV，则定义： φDP=φHH -φVV=δ+ ɸdp
其中：
（1）δ为反射相位差。 对于同一粒子δ值是固定的。 对于S波段雷达，满足瑞利散射的粒子，δ是个小 量。但冰雹时δ值较大。
1、。ZDR定义式为 ：
ZDR=10log（ZHH/ZVV）=10log ZHH-10logZVV （8） 在信号处理器RVP8中用给出的求ZDR的公式为：
ZDR=10loS gHH=
S VV
2、ZDR值的范围：一般为-0.5—— +6.0dB （1）一般雨滴呈扁旋转椭球，ZHH＞ZVV，故常为ZDR＞0 。 （2）大雨滴时 ，呈更扁的椭球形，故ZDR值可达3~5dB。 （3）冰雹 ，由于翻转作用总体效果接近球形，ZDR值在零附近 ，可以是小的负值或小的正值。
里
即KDP是双程传播相位变化值φDP随距离的变化程度。 2、若 (rm) 与 (rn) 不是相邻两库的距离，而是相隔较远的两个库之
间的距离，则KDP代表该降水段上的平均值。 3、KDP值的大小：一般KDP＜1°/Km，但含有冰核的大雨滴，KDP
（五）双线偏振雷达的退极化因子LDR
多普勒雷达基础知识
主要厂家： 北京敏视达雷达有限公司 安徽四创电子股份有限公司 （38所） 南京恩瑞特实业有限公司（14所） 成都锦江电子系统工程有限公司
3
CINRAD/SA&SB
2020/2/26
❖ 工作频率 :
2700---3000MHz;
❖ 峰值发射功率: 650 KW ;
❖ 脉宽 :
1.57s / 4.71s ;
60 2020/2/26
风向不变，风速随高度增加
61 2020/2/26
风向不变，风速随高度增加
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
62 2020/2/26
风向不变，风速先增后减
84 2020/2/26
风速递增，风向顺转，地面风速不为零
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
85 2020/2/26
风速先增后减，风向顺转，地面风速不为零
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
56 2020/2/26
风向风速随高度都不变
26 22.3 18.6 14.9 11.1 7.4 3.7 -00..44 -3.7 -7.4 -11.1 -14.9 -18.6 -22.3 -26
57 2020/2/26
实例：风向风速不变
58 2020/2/26
59 2020/2/26
风向不变，风速随高度增加
多普勒雷达的应用原理
多普勒雷达的应用原理概述多普勒雷达是一种基于多普勒效应的雷达技术，它通过测量目标的运动速度来实现目标检测和速度测量。
多普勒雷达在军事、气象、交通等领域有着广泛的应用。
本文将介绍多普勒雷达的应用原理及其工作原理。
多普勒效应多普勒效应是指当光源与观察者之间有相对运动时，光的频率将发生变化。
这个现象也适用于雷达波。
当雷达波与运动的目标相互作用时，波的频率将发生变化，这一现象就被称为多普勒效应。
多普勒雷达的工作原理多普勒雷达主要通过测量电磁波的频率变化来获得目标的速度信息。
其工作原理可以分为两个主要步骤：发射和接收。
发射多普勒雷达会向目标发射一束电磁波，这个电磁波可以是微波或者射频信号。
发射的波束通常是一个连续的信号，而不是脉冲信号。
这是因为连续的信号可以提供更长的目标观测时间，从而获得更精确的速度测量结果。
接收目标接收到雷达发射的电磁波后，会对波进行回波。
当目标和雷达之间有相对运动时，回波的频率将发生变化。
多普勒雷达通过测量回波的频率变化来计算目标的速度。
信号处理与结果显示接收到回波后，多普勒雷达会将信号进行处理，通常会使用FFT（快速傅里叶变换）来分析波的频谱。
通过分析频谱，可以确定回波的频率变化，从而计算出目标的速度信息。
最后，多普勒雷达将速度信息以数字或图形的形式展示出来。
多普勒雷达的应用交通领域多普勒雷达在交通领域有着广泛的应用。
比如，在交通监控系统中，多普勒雷达可以用于测量车辆的速度和运动方向，从而实现交通流量统计、超速检测等功能。
此外，多普勒雷达还可以应用于自动驾驶系统中，帮助车辆实现定位和避障功能。
气象领域多普勒雷达在气象领域也有着重要的应用。
气象雷达可以利用多普勒效应测量云层中的降水速度和方向。
通过分析多普勒雷达的测量结果，可以预测暴雨、龙卷风等极端天气的发生。
军事领域多普勒雷达在军事领域有着广泛的应用。
它可以用于目标检测与识别、导弹预警系统等方面。
多普勒雷达可以检测到高速运动的目标，从而对敌方的机动部队进行监测和跟踪。
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
多普勒天气雷达PPT课件
它们相交时，将产生干涉现象。
相干发射————发射出振幅、频率和相位完全一样的脉冲波，所以各
个脉冲之间是相干的。
相干接收机————具有能测量频率变化的接收机。频率变化的测量是
通过接收到返回信号与原信号（即参考信号）比较而取得。
全相干多普勒天气雷达————它的发射部分采用完全放大链，保证发
射的高频相干。它的发射部分采用速调管或行波管。它相关性能好，地
全相干：第一个脉冲与第二个脉冲、与第三个脉冲到第n个脉冲的差异都在
。 允 许 误 差 范 围 内
第15页/共57页
4.3 影响速度谱宽的气象因子
1、回波功率谱
f＝2V／λ
2、平均多普勒频移及频谱宽度
第16页/共57页
3、平均多普勒速度和速度谱宽度
注意：脉冲对方法并没有从回波信号中提取频谱或功率谱，从而 不能按以上公式计算和，而是直接对回波信号作简便计算求得。
2cm
有效3照cm射体内存在落速差别较大的粒子，例如包含
雨滴和冰雹时，则测得的粒子下落末速度谱方差就较
大。
实际观测说明，若指向天顶的雷达实测谱方差大于 4m2/s2，则可能存在冰雹，或者存在强烈的湍流，或 两者兼有之。
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4.4 距离折叠和速度折叠
最大不模糊距离
指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向 前走并返回雷达的最长距离
第30页/共57页
Range Folding
Warning Forecaster’s Nightmare
第31页/共57页
Range Folding
Warning Forecaster’s Nightmare
第32页/共57页
最大不模糊速度与速度模糊
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太阳的雷达显示
兰州CC 2011-11-26 09:17
兰州CC 2011-11-26 15:48
回波累加与平均
Reflectivity accumulations for the Tianjin radar for a one month period (August 2006) for the lowest two tilts of the volume scan. The lowest tilt (0.4º ) is on the left and the second tilt is on the right (1.4º )
• 最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊 地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。
Vmax
PRF
4
• 速度模糊 速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax
Vmax=60（节）
速度方位显示（VAD） 和速度 方位显示风廓线（VWP）
台风的回波
黑格比台风
边界层辐合线回波
海陆风环流
20070526 塘沽
雷州半岛海陆风辐合线
20050601 济南
2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达）
鸟的回波
飞机的回波
A single image (left) and a 10 hour accumulation (right) showing the impact of point targets on radar data quality. The white ellipses on the left shows the point targets which are presumably airplanes.
18:18 9 July 2007, Hebei, anti-mesocyclone, 5cm Hail
Hurricane Bob
Max Range 300km
150km
Storm Relative Velocity
Storm Relative Velocity
a
b
c
d
辐合区
逆风区和负速度向正 速度伸展区
不同时间1.5°仰角径向速度PPI图 （a、b、c、d对应时间分别为01:33、03:29、04:54、05:55，每圈距离50 km）
Beijing雷达-22日02点冷锋已经移过雷达
中gama尺度（2-20km）流场特征的识别
Wood and Brown
小 尺 度 风 场 特 征 的 识 别
图4a.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图0.5仰角 fig.4a May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 0.5deg
图4b. 2002年5月27日08:55(gmt)风暴相对速度图1.5仰角 fig.4b May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 1.5deg
雷达图识别基础
反射率因子图
积云和层云混合降水回波 积云降水回波 其他回波
积云和层状云混合降水回波
层状云降水回波< 35dBZ 成熟的充满波束的积云降水回波>35dBZ
零度层亮带
Brightband Contamination
Overestimate rainfall But rare to affect convective flash flooding events
Beijing CINRAD-SA 1.5°
海浪回波
Fig. 1. (top) Reflectivity and (bottom) Doppler velocity data collected on 2 Aug 2009 using the WSR -88D (KIN X) located near Tulsa, OK. The location of KIN X is indicated by the white circle. The departure of purple martins from a roosting site resulted in the ring-shaped region of echo located just west of Tulsa. The Doppler velocity data indicate radial motion outward from the roost at the center of the ring.
2005年3月22日 山东半岛上空有云覆盖，但没有降水
500－20050322 0800
烟台雷达
烟台雷达
烟台雷达
2005年3月25日 山东半岛上空为晴空
Ir 20050325 1500
烟台雷达
青岛雷达
2005年4月4日 山东半岛上空有少量云盖 没有降水
Ir20050404 1400
Basic Radar Signatures
Divergence
Convergence
Rotation
Qingdao 20090629 0758
V&R
0.5度仰角
15:17 29 April 2004, Hunan, 11cm Hail
钩状回波（上左和上中）、中气旋（上右）、有界弱回 波区（下左）、风暴顶辐散（下右）
烟台雷达
2011年10月12日金华雷达回波
大火的回波
白城市华金纸业位于白城市火车站东2.5公里处。 2007年3月24日当天，白城市刮起了7级左右的西 北风。12时05分，白城市华金纸业第二苇料堆放 场西北角突然燃起大火，有7垛芦苇起火，火势在 强风下燃烧猛烈并迅速向临近苇垛蔓延。瞬间， 第二苇料堆放场堆放的31垛芦苇全部过火。由于 苇垛较高，面积较大，风力又强，在很短时间内 就形成火烧连营之势。
Cyclonic Rotation (mesocyclone)
RADAR
Wood and Brown
Cyclonic Rotation changes with changing viewing angle
Wood and Brown
Convergent rotation
RADAR
多普勒径向速度场流型的识别
大尺度连续风场的识别 大尺度不连续风场（锋面）的识别 2-20公里中伽马尺度风场特征的识别
大尺度连续风场的识别
确 定 雷 达 上 空 大 尺 度 流 场 风 向 的 原 理
大 尺 度 连 续 风 场 的 识 别
最大径向速度与速度模糊
Fig. 7. An example of roost rings resulting from the emergence of Brazilian free-tailed bats in south-central Texas as observed in the non-QC composite reflectivity data produced through NM Q. The image corresponds to observations made at 0125 UT C (2025 CDT ) 25 Jun 2009 as the bats were dispersing from their roosts at dusk to feed on insects. Since these data were collected at dusk, sun spurs can also be seen in the images. Also shown are the locations of WSR -88D sites and bat roosts.
2005年3月22－4月4日 山东半岛神秘回波
2005年3月22日、25日和4月4日烟台雷 达探测到的神秘回波大概有两种可能原因：一 种是大量的飞鸟，另一种是军事演习时从飞机 上释放的大量很轻的金属漂浮物，用来遮蔽飞 机，防止被雷达看到。大量飞鸟的情况有时可 以产生很强的50dbz以上的回波，而军事演习 时从飞机上释放的大量很轻的金属漂浮物通常 可以产生35dbz－45dbz的回波强度。
速度方位显示VAD
VAD是特定高度上平均径向速度与方位 角度的图形显示产品。 在产品的状态区中能发现下列数据： ALT-高度（MSL）、RMS误差（kts）、计 算的风速和风向、所用的仰角和斜距）。 对称性显示在图的底部，它是最小二乘 拟合方程的第一项。
速度方位显示(VAD)
速度方位显示风廓线VWP
在时间—高度图上显示平均水平风 (由VAD算法在每层计算而得)。 在VWP中，有三种情况出现“ND” （无资料）：1） 少于25个资料点；2） RMS误差大于4.8m/s；3）或对称性大 于7.3m/s。
风廓线(VWP)
提供大尺度不连续风场的识别
Radar Centered Arch of Higher Rainfall Accumulations on prouduct.
2007年3月3-4日北京雨转雪
20070304 北京降雪回波
非降水云的零度层亮带
积云对流降水回波
基 反 射 率 因 子
2005年5月31日14点47分在北 京产生大冰雹的超级单体风暴
图4c.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图2.4仰角 fig.4c May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 2.4deg
图4d.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图3.4仰角 fig.4d May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 3.4deg