多普勒天气雷达原理与应用7-2-雷雨大风的雷达探测和预警(1)
多普勒天气雷达原理
多普勒天气雷达原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊多普勒天气雷达原理。
你说这玩意儿就像一个超级厉害的“天气侦探”！想象一下，这天气就像个调皮的小孩子，一会儿哭一会儿笑，一会儿晴天一会儿下雨，可难捉摸啦！那多普勒天气雷达呢，就是专门来对付这个调皮鬼的。
它是怎么工作的呢？就好像它有一双特别厉害的眼睛，能发射出一种特殊的波，然后这些波碰到云层、雨滴啥的，就会反弹回来。
这雷达就根据这些反弹回来的波，来了解天气的各种情况。
你说神奇不神奇？它就像能看透天气的心思一样！比如说，它能知道云团移动的速度和方向，哇，这可太重要啦！要是能提前知道云团正快速朝我们这边移动，还带着大雨，那我们不就能提前做好准备啦，该收衣服的收衣服，该找地方躲雨的躲雨。
这还不算啥呢，它还能分辨出不同的天气现象。
就像我们能一眼认出苹果和香蕉一样，它也能分辨出是下雨、下雪还是刮大风。
这多厉害呀！而且啊，这多普勒天气雷达可不会偷懒，它一直坚守岗位，一刻不停地观察着天气。
它就像一个忠诚的卫士，默默地守护着我们的天空。
咱平时出门，要是有它帮忙，那可就方便多啦。
不用再担心突然被雨淋成落汤鸡，也不用害怕刮大风把我们吹得东倒西歪。
它就像我们的贴心小助手，随时给我们提醒。
你说，要是没有这多普勒天气雷达，我们的生活会变成啥样？那估计得经常被天气弄得措手不及吧！所以啊，我们得好好珍惜这个厉害的“天气侦探”，让它为我们的生活保驾护航。
总之呢，多普勒天气雷达原理就是这么神奇，这么重要。
它让我们能更好地了解天气，更好地应对各种天气变化。
咱可得感谢那些发明和使用它的人，让我们的生活变得更加有保障，更加美好呀！你们说是不是呢？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
多普勒雷达在航空气象服务中的应用
多普勒雷达在航空气象服务中的应
用
多普勒雷达（Doppler radar）是一种高精度的雷达技术，
利用多普勒效应可以测量目标的相对速度。
在航空气象服务中，多普勒雷达可以被广泛应用于如下场景：
1. 检测和监测风切变
风切变是一种突然的气象现象，会导致飞机在飞行中的速度、高度、姿态等方面出现突然的变化，从而影响飞行安全。
多普勒雷达可以探测到风切变发生的地方，提前几分钟向飞行员提供警报和飞行建议，帮助他们避免危险。
2. 检测和监测降雨、雷暴等天气现象
多普勒雷达可以检测和监测降雨、雷暴等天气现象，提供更加精确的定量和定性预报结果。
在航空领域中，多普勒雷达可以协助飞行员选择更为安全的航路以及飞行高度，从而大幅降低事故风险。
3. 优化航班管理
多普勒雷达可以对大面积气象现象进行远程监测和跟踪，可以帮助航空公司进行航班管理和计划，并及时调整飞机航线和航速，避开天气不利区域，提高旅客舒适度和航班效率，降低航空公司的运营成本。
4. 参与空中交通管制
多普勒雷达可以在空中交通管制中发挥关键作用。
飞行员会根据多普勒雷达提供的气象信息选择更合适、更安全的航线和飞行高度，而管制人员则可以通过多普勒雷达提供的气象数据为飞行员提供降落和起飞时机的建议，以保障航班安全和准时性。
总之，多普勒雷达在航空气象服务中具有重要的应用意义。
它可以提供更加精准和知识的气象信息，为飞行员和管制人员提供详细的数据分析和预测，在保障航班安全、提高飞行效率和节约运营成本等方面发挥着重要的作用。
多普勒天气雷达产品应用
超级单体风暴属性特征统计表
风暴编 号 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
径向速度场上的辐 合
大的速度谱宽带
常德雷达10:23 0.5°仰角基本反射率因子、径向速度和谱宽图（红色方块为 安乡所在地）
安乡位于 中尺度低 压流场中。
南北65km距 离温差达6℃， 呈现出明显 的锋生现象。
2019年4月29日12:36-16:00常德多普勒天气雷达1.5°仰角基本反射率因 子图与14时地面天气图叠加图
5h49min 6h22min 3h56min 3h34min 2h39min 3h34min ＞1h09min 3h38min 3h56min 5h59min 4h15min 5h32min 5h01min ＞3h21min 2h31min 3h48min 3h29min 1h26min 2h58min 7h55min 4h22min 4h26min
（1）环境场 08时，500hPa、700hPa和
850hPa槽线基本重合。副热 带高空西南急流。
2019年4月29日08时500hPa风（红色）、20时500hPa高空图与15:27长沙多普 勒天气雷达0.5°仰角基本反射率因子叠加图（图中已过滤掉40dBZ以下强度的 回波）
与高空低槽相配合的 对流云回波带
风暴单体顶高
/km 6.4 6.8 7.0 6.1 12.0 12.3 9.4 11.9 14.9 14.0 11.9 13.4 14.6 14.6 11.7 >11.8 >11.5 11.6 13.2 14.3 10.6 11.1 6-15km
多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达(1)
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2
4.1多普勒天气雷达
常规数字化天气雷达利用的是降水回波的 幅度信息，即利用信号强度来探测雨区的分布、 强度、垂直结构等。
多普勒天气雷达是基于物理学中的多普勒 效应发展起来的，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。
第四章 多普勒天气雷达和偏振 多普勒天气雷达
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1
目录
4.1多普勒天气雷达 • 4.1.1多普勒频移 • 4.1.2 多普勒谱的提取方法 • 4.1.3 多普勒速度和多普勒速度谱 • 4.1.4 距离折叠和速度折叠 • 4.1.5 多普勒天气雷达的应用 4.2 偏振多普勒天气雷达 • 4.2.1 偏振雷达 • 4.2.2 双线偏振多普勒天气雷达的基本参量 • 4.2.3 双线偏振多普勒天气雷达的应用
1、回波功率谱 2、平均多普勒速度及速度谱宽度
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多普勒速度和速度谱宽度
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10. 影响速度谱宽的气象因子
谱宽数据指的是速度谱宽数据，它是对在一个距离库中速度分离度 的测量。谱宽在数学上与一个距离库内的各个散射体的速率和速度 方向的方差成正比例。谱宽可以用做速度估计质量控制的工具。当 谱宽增加，速度估计的可靠性就减小。
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（一)测量均匀流场的风向风速
vh
(v1 v2)
2cos
vf
(v1 v2)
2sin
水平风的来向，就是径向速度最大时天线所指的方向。
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速度方位显示产品
算法假定在某一高度上风场是均匀的。对于给定高度，算法根据用户设定的标准径 向距离（缺省16.2海里），选定与给定高度最接近的仰角资料。然后将该仰角中给 定高度上每个距离库上平均径向速度点绘在径向速度一方位图上，横坐标为方位角 0°或360°为正北方向，180°朝向正南），纵坐标表示径向速度。
多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用
多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用摘要：近年来，随着我国经济技术发展，民用飞行器的科技技术也发展迅速，进而现代相关民用航空技术发展越来越成熟，民用航空在新时代交通行业的作用逐渐凸显。
目前飞行器的发展趋势主要受到安全性的制约，而天气是影响着安全性的关键因素，因此，及时、准确的预测出天气状况，对民航领域的发展极其重要。
为此，本文从雷达原理以及多普勒雷达在监测天气的优势作为切入角度进行分析，不难发现多普勒雷达识别恶劣天气的前提是被检测区域内包含能够反射电磁波的物质；多普勒雷达与普通天气雷达相比较，具有分析辨别微弱信号的优点，为此多普勒雷达在民用航空气象服务中的应用前景广阔。
关键词：多普勒；天气雷达；航空气象服务引言一直以来，气象条件对于航空安全与航空行业的发展影响都是重大的。
即使在民用航空业较发达的西方国家，也有接近33%的航空事故是由于恶劣天气造成的。
机场是专门为航空器提供升降的场所，因此，机场相关气象部门时刻预测、掌握天气状况，为正在执行任务的航空器提供气象情报，对确保人员安全十分重要。
由于大自然的瞬息万变，空中的风力、温度等气象指数也都是时刻在变化，中国相关气象部门为保证飞机的安全，一直努力建立更完善的航空气象服务平台。
气象部门根据当前天气状况或者预测天气状况，与机场管制部门会商，根据已知和未来的气象条件来判断是否继续开放机场；同时管制部门根据目的地的气象条件进行流量控制来决定是否允许相关飞机的起飞；在执行飞行任务前，会向机组人员提供详细的气象情报，机组人员可以将其与多普勒雷达回波相结合，按照提前已知的气象情报，做出相关判断，决定飞机的最佳飞行高度、飞行速度等相关飞行参数，同时，基于此种情况，也可以避开雷电、强烈的空气对流等一些危险状况[1-2]。
由于多普勒雷达不仅可以在普通天气下对飞机的飞行轨迹进行准确测量，而且还可以对大气中空气湿度、风速等气象参数进行有效的测量，因此在航空领域的应用极其广泛。
雷达知识点汇总
88多普勒天气雷达探测的基本原理1.天气雷达是探测（降水系统）的主要手段，是对强对流天气（冰雹、大风、龙卷和暴洪）进行监测和预警的主要工具之一。
天气雷达发射（脉冲）形式的（电磁波）当电磁波脉冲遇到降水物质（雨滴、雪花、冰雹等）时，大部分会继续前进，而一部分能量被降水物质向西面八方散射，其中（后向散射）的能量回到雷达天线，被雷达所接收。
根据雷达接收的降水系统的（回波）特征可以判别降水系统的特性（降水强弱）（有无冰雹）（龙卷和大风等）。
2.在我国东部和中部地区，装备先进的新一代 S 波段（10cm）和 C 波段（5cm）多普勒天气雷达系统。
沿海地区设（S 波段）雷达，内陆地区设（C 波段）雷达。
3.新一代天气雷达系统的应用主要在于对（灾害性天气），特别是与（风害和冰雹）相伴的灾害性天气的监测和预警。
它还可以进行较大范围降水的（定量估测），获取（降水）和（降水云体）的风场结构。
4.新一代天气雷达系统的性能要求：对（台风）（暴雨）等大范围降水天气的监测距离应不小于（400km）。
对（雹云）、（中气旋）等小尺度强对流天气现象的有效监测和识别距离应大于（150km）。
雷达探测能力在50km处可探测到的最小回波强度应不大于（-7dBZ s波段）或（-3dBZ c波段）。
5、新一代天气雷达的应用领域：（对灾害性天气的监测和预警）(定量估测大范围降水) (风场信息)(改善高分辨率数值天气预报模式的初值场)6．新一代天气雷达采用（全相干）体制，共有（7）种型号，其中 S 波段有(3) 种型号，称为SA、SB、SC ，C 波段有(4)种型号，分别为CINRAD-CB、CC、CCJ、CD。
7.新一代天气雷达的三个主要部分：（雷达数据采集子系统RDA）、（雷达产品生成子系统RPG）和（主用户终端子系统PUP）以及连接它们的（通信线路）。
RDA 和 RPG 由一条（宽带）通讯线路连接，RPG 和 PUP 由一条（窄带）通讯线路连接。
多普勒天气雷达原理PPT教案学习
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后向散射截面是一个虚拟的面积，它可用来定量地表示粒子后向散射能力
的强弱。后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同样条件下，它所产
生的回波信号也越强。利用后向场散射截面的概念，可以对后向散射能流密度和
回波功率进行定量的计算。如以Si表示到达降水粒子的入射波能流密度，Ss(π)表 示粒子后向散射到雷达天线的能流密度，r表示粒子离雷达的距离，则有
Pr
PtG22
4 3r4
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根据目标的后向散射截面σ和离开雷达的距 离r以及雷达的参数P、G、λ，即可计算出其回 波功率。
从公式可看出：单个目标的雷达回波功率与 r4成反比，随着距离的增大，回波功率迅速减 小。
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（2）雷达气象方程
雷达探测云、雨时，所接收到的是大量云、雨的总的后向散射
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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。
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有效照射深度
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天线开始收到A粒子的回波信
号t1的时间2为cr1
开时t2间始为收到2Bcr粒2 子的回波信号的
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最后收到A粒子回波信号的时
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波束截面半径
r100km=0.87km r200km=1.745km r300km=2.618km
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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。
如何使用多普勒雷达进行洪水预警与水文监测的操作与应用指南
如何使用多普勒雷达进行洪水预警与水文监测的操作与应用指南随着气候变化的不断加剧，洪水等自然灾害频率和强度也在不断增加。
为了更好地应对洪水造成的破坏，科学家们研发了一系列的技术与设备，其中多普勒雷达被广泛用于洪水预警与水文监测。
本文将详细介绍如何使用多普勒雷达进行洪水预警与水文监测的操作与应用指南。
一、多普勒雷达的原理与工作原理多普勒雷达是一种利用多普勒效应测量目标相对于雷达的速度的雷达系统。
它通过发射出的电磁波与接收到的回波之间的频率差来计算目标物体的速度。
在洪水预警与水文监测中，多普勒雷达可以用来探测降雨强度、降雨类型、降雨的空间分布等信息，从而及时预警并提供水文数据，有助于指导相关灾害应对工作。
二、多普勒雷达的操作与使用步骤1. 安装与部署多普勒雷达的安装与部署至关重要。
首先，选定一个适合的架设位置，并确保无高层建筑或其他遮挡物会影响雷达的发射与接收效果。
其次，根据雷达的特性和使用要求，选择合适的辐射源和天线。
最后，进行相应的调试和测试，确保雷达工作正常。
2. 数据采集与处理多普勒雷达通过发射电磁波并接收回波来获取降雨信息。
数据采集主要包括接收与解调回波信号、整理与存储数据、生成雷达图像等过程。
在进行数据采集与处理时，需要注意相关的技术与算法，例如多普勒退模糊处理、雷达反演等。
3. 洪水预警与水文监测多普勒雷达可以提供实时降雨数据与图像，通过分析这些数据与图像，可以进行洪水预警与水文监测。
例如，根据雷达图像的反射率与降雨的空间分布，可以确定降雨带的位置和范围，从而提前预警可能发生的洪水。
另外，通过分析雷达图像的光斑形状和强度，可以估计降雨强度，为防灾抢险工作提供支持。
三、多普勒雷达在洪水预警与水文监测中的应用1. 实时监测降雨多普勒雷达可以提供实时的降雨数据与图像，能够准确测量降雨的时间、空间分布和强度等信息。
这对于洪水预警与水文监测非常重要，有助于及时掌握降雨情况并采取相应的防灾措施。
2. 预测洪水水位通过分析多普勒雷达所提供的降雨数据与图像，可以对洪水水位进行预测。
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亚利桑那州下击暴流最大反射率因子分布
亚利桑那州下击暴流尺度分布
亚利桑那州下击暴流低层辐散速度差值分布
亚利桑那州下击暴流和阵风锋最大风速比较
荆州下击暴流个例
宜昌 20020716 0800
湖北荆州下击 暴流个例 2002 年7月16日下午
16：50
16:50
17：02
Pulse Storm Downbursts
FIG. 11. After microburst B in Fig. 10, the microburst outflow transitioned to a gust front and propagated outward from the high-reflectivity core of the storm. Shown are three consecutive 22 Jul 2008 KIWA radar observations at 0.98 elevation angle of (a) reflectivity at 0236 UTC, (b) velocity at 0237 UTC, (c) reflectivity at 0241 UTC, (d) velocity at 0241 UTC, (e) reflectivity at 0245 UTC, and (f) velocity at 0246 UTC. Gust-front outflow boundaries are indicated by the blue front symbol.
美国下击暴流
2008年7月22日亚利桑那州下击暴流个例 特征统计
FIG. 3. The 22 Jul 2008KIWAradar observations at 0.98 elevation angle of (a) reflectivity at 0122 UTC; (b) velocity at 0123 UTC; (c) reflectivity at 0127 UTC; (d) velocity at 0127 UTC, where maximum outbound velocity was 10.5 m s21 and maximum inbound velocity was 218.5 m s21; (e) reflectivity at 0132 UTC; and (f) velocity at 0132 UTC. The 0.98 tilt was used here because the 0.58 tilt was mostly blocked by terrain. The 0.98 tilt was still partially blocked, as evidenced by the missing data (black patches) in the images. In the radial velocity images, red colors indicate inbound velocities and green colors indicate outbound velocities.
CAUTION: Radar may overshoot divergence signature
300 m
C Doswell
2007年8月3日上海下击暴流
当天15:00-19:00，上海大部分地区出现阵雨或雷 雨，局部地区暴雨并伴有大风天气。其中，上海 F1赛车场地出现了40.6m/s的阵风，其它地区也 出现了有17-24米/秒不等的大风。此外，共有8个 自动站的降水记录超过50毫米还出现了暴雨天气， 其中金山防汛办降水量为92.0毫米，宝山为90.1 毫米，松江九亭为79.1毫米。
FIG. 9. The 22 Jul 2008 KIWA radar observations at 0.98 elevation angle of a gust front moving north from the location of a previous microburst and initiating new convection, showing (a) reflectivity at 0141 UTC; (b) velocity at 0141 UTC; (c) reflectivity at 0159 UTC; (d) velocity at 0200 UTC; (e) reflectivity at 0218 UTC, where new convective development is indicated by the white arrows; and (f) velocity at 0218 UTC. Gust-front outflow boundaries are indicated by the blue front symbol, where the symbol orientation refers to the direction the gust front is moving. The gust-front boundary is easier to see in the 0.98 elevation angle than the 0.58.
Roberts和Wilson（1989）在研究了31个发生 在美国Colorado州的微下击暴流及其相应的风暴后， 发现下降的反射率因子核同时伴随雷暴云中某一高 度处（3-7公里）或云底附近不断增加的径向辐合是 重要的下击暴流预报线索；若同时伴有雷暴云的旋 转和侧向入流槽口，则可以更加肯定地预报下击暴 流，预报提前时间为0-10分钟。
下击暴流预警
Roberts和Wilson（1989）在研究了31个发生 在美国Colorado州的微下击暴流及其相应的风暴后， 发现下降的反射率因子核同时伴随雷暴云中某一高 度处（3-7公里）或云底附近不断增加的径向辐合是 重要的下击暴流预报线索；若同时伴有雷暴云的旋 转和侧向入流槽口，则可以更加肯定地预报下击暴 流，预报提前时间为0-10分钟。
湿微下击暴流
Wet microburst sounding
Wet microburst conceptual model
Southeast of Norman, Ok (Bill Bunting)
Southeast of Norman, Ok (Bill Bunting)
Southeast of Norman, Ok (Bill Bunting)
Ingredients for Strong wind gusts
Deep
moist convection Strong downdrafts Other?
© 1986 C. Doswell
© 1973 C. Doswell
© 2006 C. Doswell
Damaging Inflow Winds
此次强对流事件以坡度较大的低压槽为背景，有 较高的对流不稳定能量和充足的水汽，有利于对 流风暴的发展；地面风场辐合、边界层辐合线及 其与雷暴冷出流的碰撞是风暴不断新生的触发机 制；弱垂直风切变的环境条件下，使得过程中雷 暴都具有脉冲风暴特征，多个雷暴出现了三体散 射现象。 在弱垂直风切变环境下，前期脉冲风暴的强冷出 流与原边界层辐合线的交汇碰撞造成了局地的强 抬升，导致嘉定西北部强脉冲单体的发展和加强； 尽管处于前期雷暴的强冷出流中，低层的水汽输 送被切断，但是中低空切变使得水汽和动量辐合 仍然维持，强的不稳定条件使得该风暴强烈发展， 其爆发产生的强下沉气流造成了F1赛车场的13级 强风。
Pulse Storm Downbursts
Signature of a downburst is a divergent couplet near the surface But by the time you see this, it is already too late! Need to anticipate downbursts
Damaging Inflow Winds
下击暴流
1976 年， Fujita 等人把在地面上或地面附近形成 18m/s 以 上的灾害性风的向外暴发的强下沉气流称为下击暴流。它是 一股很强的从风暴云下方向下冲出，到近地面附近呈直线向 下辐散的气流。下击暴流的尺度很小，持续时间很短。 对大量观测事实研究表明，下击暴流按尺度可分为两种： （1）微下击暴流：水平辐散尺度小于4km，持续时间2-10 分钟；由于微下击暴流的尺度小，低层可出现相当大的水平 切变，因而这类下击暴流对飞行安全危害极大。 （2）宏下击暴流：水平辐散尺度大于等于4km，持续时间 5-20分钟，简称下击暴流。可在地面引起龙卷风状的破坏。
雷暴大风的雷达 探测和预警
2004-2009中国雷暴大风（大于等下沉气流； 下沉气流构成冷池前沿阵风锋； 快速移动对流系统中的动量下传； 低层强暖湿入流；
一般强风暴（超级单体或多单体风暴），或与 飑线强锋面有关的带状对流中处于成熟阶段的单体 中的下沉气流，在近地面处向水平方向扩散，常常 形成辐散性的阵风，即所谓雷暴大风；偶尔，雷暴 大风也可以由雷暴低层的强烈入流产生。
FIG. 10. The new convection from Fig. 9e produced two new microbursts. Shown are three consecutive 22 Jul 2008KIWAradar observations at 0.98 elevation angle of (a) reflectivity at 0222 UTC; (b) velocity at 0223 UTC, with microburst A circled; (c) reflectivity at 0227 UTC; (d) velocity at 0227 UTC; (e) reflectivity at 0232 UTC; and (f) velocity at 0232 UTC, with microburst B circled. Microburst B was severe, with a maximum radial velocity of 26 m s21.