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(2)
多普勒雷达技术及其在气象预报与空管管理上应用
多普勒雷达技术及其在气象预报与空管管理上应用简介多普勒雷达技术是一种利用多普勒效应测量目标运动速度的无线电技术。
它可以有效地探测目标的速度、方向和位置，因此在气象预报和空管管理等领域广泛应用。
本文将介绍多普勒雷达技术的原理、应用以及其在气象预报与空管管理上的重要性。
多普勒雷达技术原理多普勒雷达技术基于多普勒效应，通过测量目标反射回来的电磁波频率的变化来计算目标的速度、方向和位置。
当雷达波束与运动目标相对运动时，反射回来的电磁波频率发生了变化。
根据多普勒效应的原理，目标向雷达靠近时回波频率增加，目标远离雷达时回波频率减小。
利用这种频率变化，可以计算出目标的运动速度和方向。
多普勒雷达技术应用于气象预报气象预报是多普勒雷达技术最常见的应用之一。
多普勒雷达可以探测并跟踪雷暴中的风暴系统，提供关键的数据用于预测天气变化。
它可以测量风暴云中降水的速度和方向，精确地确定降雨的位置、强度和移动轨迹。
通过分析多普勒雷达获取的数据，气象学家可以预测冰雹、风暴、龙卷风等极端天气事件的发生与发展趋势。
基于这些预测结果，相关部门可以针对性地发布预警信息，提醒民众采取适当的防护措施，减少灾害风险。
另外，多普勒雷达还可以用于检测大气中的微生物颗粒和花粉等物质，为花粉过敏患者提供准确的花粉浓度信息，帮助他们合理安排活动和用药。
多普勒雷达技术应用于空管管理空中交通管制是多普勒雷达技术的另一个重要应用领域。
监控飞行器的位置和速度对于确保航空安全至关重要。
多普勒雷达可以提供准确的飞行器速度和高度数据，帮助空管部门进行实时的飞行器跟踪和飞行路径规划。
通过多普勒雷达技术，空管部门可以及时发现和解决飞行器之间可能出现的冲突，确保航班的平稳运行。
同时，多普勒雷达还可以检测并预警可能出现的天气变化，提供天气信息给飞行员，帮助其做出合理的航线调整和决策。
多普勒雷达技术的重要性多普勒雷达技术在气象预报和空管管理上的应用，为我们提供了更准确、及时的信息，为人们的生命和财产安全提供了重要保障。
多普勒天气雷达原理与业务应用
多普勒天气雷达原理与业务应用摘要：多普勒雷达是世界上目前为止最先进的雷达，有“超级千里眼”之称。
相较于传统天气雷达，多普勒天气雷达能够监测到与地面垂直距离在8－12公里范围内的对流云层的产生和变化，能够判断云层的移动速度，对于天气的预报结果而言会极大的减小误差。
为了对天气进行精准预测，各类型的天气探测设备不断涌现，本文主要是对多普勒天气雷达的原理和应用范围进行简单分析。
关键词：多普勒天气雷达、原理、应用引言：随着科学技术的发展和社会的进步，人们对不可控事物的掌控欲望逐步增强。
天气的变化是影响人们劳作、改变人们生活规律的主要原因，以前天气的不可预测性使人们不能够根据天气进行合理的劳作安排。
因此人们开始向探测天气方面进行研究，多普勒天气雷达是目前为止最有效的天气探测设备。
其应用范围宽泛，探测效果优良。
天气雷达的工作原理和普通的雷达一样，通过定期向高空发射电磁脉冲，之后通过接收器接受被高空气象反射回来的电磁脉冲，并通过计算机进行处理和显示，达到探测天气的目的。
1842年，奥地利数学家多普勒在经过铁路交叉处时，发现了火车由远及近时汽笛声变响，反之亦然。
他对这种现象进行研究，研究表明这种现象时由于震源与观察者之间产生了相对运动。
后人为了纪念，将这种现象称之为多普勒现象。
二十世纪七十年代以来，多普勒效应被广泛用于武器火控和天气探测等方面。
多普勒天气雷达比一般天气雷达发射的电磁脉冲波长更短，并且能够在探测降雨位置、强弱基础上可以帮助分析天气的性质以及对流天气等[1]。
多普勒天气雷达的主要应用领域1.强对流天气的监测和预警强对流天气包括雷暴、雷暴大风、冰雹、暴雨和龙卷风等天气现象。
一般而言，强对流天气都是危险天气，对于人们的日常生活和社会生产会产生重大影响。
因此对于强对流天气的监测显得尤为重要，多普勒天气雷达对于研究强对流天气具有重要意义。
对于风暴的研究，不同的角度具有不同优劣性，从简单的二维回波区域到具备显示具有物理意义的三维虚拟体，为强对流天气的跟踪和提前预测展开了新的发展层面。
多普勒天气雷达技术在天气预报中的应用研究
多普勒天气雷达技术在天气预报中的应用研究天气预报一直是人们非常关注的话题，预报准确度越高，对人们的生产、生活、出行等方面的影响也就越大。
随着科技的发展，多普勒天气雷达技术被广泛应用于天气预报中，它的出现大大提高了天气预报的准确性，对社会的发展产生了积极的影响。
一、多普勒天气雷达的基本原理多普勒天气雷达是一种测量降雨信息的设备，它主要是以微波的特性来进行信号扫描，可以在室内通过电脑来进行分析。
它的基本原理是利用雷达波束的频率差异，来确定降水粒子的速度以及其运动方向。
当雷达波经过降雨粒子时，粒子所带有的速度会对雷达波的频差造成影响，从而使得雷达信号出现了“频移”。
二、多普勒天气雷达在天气预报中的应用在天气预报中多普勒天气雷达技术的应用，主要是用来分析和预测降雨的状况。
通过多普勒雷达技术，天气预报人员可以更准确地测量降雨强度、降雨率和降雨的时间等信息，并且可以及时掌握风向、风速和预计的强度。
同时，还可以通过雷达数据的分析，了解冰雹、飞沫、雾霾等特殊降水情况。
1.实时更新天气数据多普勒天气雷达的优势在于数据的实时更新，能够相对准确预报未来的天气情况。
在多普勒天气雷达的帮助下，气象专家和相关部门能够更加及时地掌握到天气情况的变化。
2.提高天气预报的准确性利用多普勒天气雷达技术，天气预报可以更加精准逼真。
天气预报人员可以对降水强度、降雨率、降雨时间以及降雨位置进行精准掌握，使得天气预报的准确度得到了大幅提高。
三、多普勒天气雷达技术在不同场合下的应用1.气象预警和预报通过多普勒天气雷达技术，我们不仅可以及时得知降水情况，还能对强雷暴、龙卷风等极端天气进行预警，有效避免了因恶劣天气带来的不利影响。
2.水利灾害预测多普勒天气雷达技术还可广泛应用于水利灾害预测中，如山洪、泥石流等。
通过精准测量降雨信息，可以及时发布预警信息避免灾害的发生。
3.农业生产多普勒天气雷达技术还被广泛应用于农业生产中，通过及时地获取降雨情况，可以为农民们提供更加精准的农业气象服务，帮助农民制定农业生产计划。
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。
多普勒雷达技术及其应用
多普勒雷达技术及其应用一、引言多普勒雷达技术是一种利用声波的回波来测量目标的速度的识别技术。
它已经被广泛应用于气象、交通、国防、环保、地震、钻探等领域。
本文将对多普勒雷达技术的原理、构成、应用进行系统介绍。
二、多普勒效应原理多普勒效应指的是一种物理现象，当发射器和接收器在相对运动时，回波的频率会因为目标的运动速度而发生变化。
这种现象被称为多普勒效应。
其实现原理在于目标的速度会改变回波的相位和频率，从而使回波波长发生变化。
三、多普勒雷达技术构成多普勒雷达技术主要包括发射机、天线、接收机、信号处理系统、控制系统等。
其中发射机和接收机都是由内部谐振器驱动，通过放大器进行功率放大，天线则负责将电磁波通过空气向目标传输和接收返回波信号。
信号处理系统则负责处理这些波信号的反射和散射。
控制系统则负责控制整个系统的运行，以及收集信息和进行处理和分析。
四、多普勒雷达技术应用利用多普勒雷达技术，可以对雷暴云的运动状态、内部结构、强度、水汽含量等进行预报和研究，对于气象行业来说，这种技术的应用十分重要。
多普勒雷达技术在气象预警、天气预报、暴雨监测等方面得到了广泛应用。
（二）航空领域在无人机、小型飞机、飞行器等航空器的航行和控制中，多普勒雷达技术可以提供精确的速度、风速、空气密度、高度等信息，以帮助飞行人员进行精细化的控制和管理。
多普勒雷达还可以被用来检测航空器的状况和维修需求。
（三）交通领域在交通领域，多普勒雷达可以帮助交通管理部门监测车辆的速度和密度，进行交通拥堵的预测和管理。
多普勒雷达系统还可以被集成到交通信号灯中，以帮助行人和汽车在道路上的方向和速度。
（四）国防领域在国防领域，多普勒雷达技术可以被用来进行侦察、监测、探测和指引导弹、炮弹、卫星等的轨道和目标。
多普勒雷达技术在常规和太空战争中都扮演着重要角色。
多普勒雷达技术还可以用来监测地震活动和地质灾害发生的位置和时间情况，以便对相关地区进行预防和应急处理。
该技术可以通过检测地下的地表运动，测得地震波的传播速度和传播方向，从而准确判断地震活动的强度和方向。
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：原理、应用与收获总结
多普勒天气雷达：原理、应用与收获总结以下是多普勒天气雷达原理与应用课程的总结：1.雷达基本原理与组成雷达是一种利用无线电波探测目标的电子设备。
它通过发射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波，根据反射回来的电磁波的特性，推断出目标的位置、速度、形状等信息。
雷达主要由发射机、接收机、天线和显示器等组成。
发射机产生高频电磁波，并通过天线向空间发射。
当电磁波遇到目标时，它会被反射回来并被天线接收。
接收机接收到反射回来的电磁波后，对其进行处理和分析，以推断出目标的位置、速度、形状等信息。
2.多普勒天气雷达原理多普勒天气雷达是一种专门用于探测天气目标的雷达。
它利用多普勒效应原理，测量目标的速度和方向。
当雷达发射的电磁波遇到运动目标时，反射回来的电磁波的频率会发生变化。
多普勒天气雷达通过测量这种频率变化，可以推断出目标的速度和方向。
同时，根据反射回来的电磁波的振幅和相位等信息，还可以推断出目标的形状和大小。
3.多普勒天气雷达的应用多普勒天气雷达在气象领域有着广泛的应用。
它主要用于探测台风、暴雨、冰雹等恶劣天气，为气象预报和灾害预警提供重要依据。
此外，多普勒天气雷达还可以用于空气质量监测、气候变化研究、航空航天等领域。
4.课程收获与总结通过学习多普勒天气雷达原理与应用课程，我们了解了雷达的基本原理和组成，以及多普勒天气雷达的工作原理和应用。
我们学会了如何利用雷达数据分析和推断天气信息，并掌握了雷达在气象领域中的应用方法和技巧。
在本课程中，我们学习了很多有用的知识和技能，包括：雷达方程和散射截面、电磁波的传播特性、多普勒频移和速度估计、气象目标的识别和处理等。
这些知识和技能不仅可以帮助我们更好地理解雷达的工作原理和应用，还可以为我们的后续学习和工作打下坚实的基础。
总之，学习多普勒天气雷达原理与应用课程，不仅让我们深入了解了雷达的工作原理和应用，还提高了我们的数据处理和分析能力，为我们的后续学习和工作打下了坚实的基础。
多普勒天气雷达
工作原理
多普勒雷达是世界上最先进的天气监测设备，并且已经在很多国家得到深入应用，因此，下面我们就多普勒 雷达的工作原理进行深入分析和研究，以便能够使人们对其工作原理有着更为清楚的认识。
1.1通过气象目标对雷达电磁波的散射和吸收
粒子能够对电磁波进行吸收和散射，这也是粒子对电磁波的两大基本形式。雷达探测大气的基础是由气象目 标对雷达电磁波的吸收和散射所得。如果电磁波的波束在大气传播途中遇到包括云滴、雨滴以及其他悬浮粒子和 空气分子，作为入射的电磁波波束中的有一部分会因为上述的粒子反射到不同地方，这类现象称之为散射。一部 分散射的电磁波波束会被粒子吸收，最终按照雷达的方向返回被雷达天线接收，多普勒天气雷达能够通过接收到 的电磁波束中自带的振幅和位相等数据，得出气象目标的平均速度以及发射率因子和速度谱宽等基本数据，进而 推断并计算出相对应的气象情况和其他内部结构特征。
重要意义
多普勒雷达是世界上最先进的雷达系统，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒雷达能够监 测到位于垂直地面8-12公里的高空中的对流云层的生成和变化，判断云的移动速度，其产品信息达72种，天气预 报的精确度比以前将会有较大提高。1991至1997年，美国在全国及海外布的165台NEXRDA被称为天气雷达系统的 典范，是世界上最先进的和最精确的天气雷达系统。它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性天气警报 的能力无与伦比。NEXRAD可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品，极大地提高了对超级单体、湖泊效应雪、成 层雪、雷暴、降水、风切变、下击暴流、龙卷、锋面、湍流、冰雹等重大灾害性天气的监测和预报能力。对强雷 暴的侦察率是96%，对龙卷的发现率是83%，对龙卷警告的平均预警时间是18分钟，而在未建NEXRDA络之前，美国 国家上述参数的平均值分别是60%，40%和2分钟。从中可以预料CINRDA将从根本上增强探测强雷暴的能力，能较 早地探测到晴空下威胁航行的大气湍流和发生灾害性洪水的可能，并为水资源的管理决策提供极有价值的信息。 新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的一项气象现代化工程，计划在全国建成S频段和C频段雷达 156部，该系统建成后，我国的气象现代化水平会上一个新的台阶。
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0.5、 1.5、2.4和 3.4 度仰角 反射率因子图
0.5 和2.4度仰角径向速度图
2002年8月24日 豫皖鄂苏浙沪飑线个例
2002年8月24日清晨至夜晚，一条 飑线从西北向东南和南的方向移动，影 响河南、安徽、湖北、江苏、浙江和上 海五省一市，在上述地区造成了广泛的 雷雨大风和短时强降水，部分地区出现 冰雹。
雷达回波演变
安徽地面大风 记录
20020824 11:00
20020824 11:13
20020824 11:24
20020824 11:36
20020824 11:48
20020824 12:00
20020824 12:00
20020824 12:12
20020824 12:24
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
飑 线 到 达 机 场 前 的 几 张 照 片
注意径向风不是实际风
Strong surface straight-line winds are well sampled when:
20020824 12:36
20020824 12:48
20020824 13:01
20020824 15:07
20020824 13:13
20020824 13:19
20020824 13:25
20020824 13:31
20020824 13:37
20020824 13:43
16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30
T(℃)
38 36 34 32 30 28 26 24 22 20
V(m/s)
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30
20020824 14:01
20020824 14:13
0824 14:13
20020824 14:25
20020824 14:38
20020824 14:50
20020824 15:02
20020824 15:38
20020824 15:38
Winds
are aligned parallel to the radar beam Winds are close to the radar, and sampled well at lowest beam
Strong surface straight-line winds are NOT well sampled when:
850 20020824 08:00
925 20020824 08:00
300 20020824 20:00
500 20020824 20:00
700 20020824 20:00
850 20020824 20:00
925 20020824 20:00
Surface 20020824 0200
20020824 0800－1400 期间发生在安徽北部的雷雨大风
20020824 1400－2000 期间发生在湖北东部的雷雨大风冰雹
20020824 1400－2000 期间发生在安徽南部的雷雨大风
20020824 1400－2000 期间发生在皖苏浙交界区域的雷雨大风
20020824 1400－2000 期间发生在皖苏浙沪的雷雨大风
Strong
convergence at 2-5 km AGL implies strong downdraft at lower altitudes
弓形回波
弓形回波种类 形成方式 例子
1994年6月14日弓形回波实例（
注意对应于弓形回波的突起部分速 度图上是一个尺度为15公里左右的 气旋式辐散流场，表明可能存在下 击暴流）
安庆 20020824 08:00
杭州 20020824 08:00
杭州 20020824 20:00
衢州 20020824 08:00
衢州 20020824 20:00
上海 20020824 08:00
上海 20020824 20:00
武汉 20020824 08:00
2002年8月24日08点对流有效位能（a）、K指数(b) 和抬升指数(c)
高空与地面天气图
300 20020823 20:00
500 20020823 20:00
700 20020823 20:00
850 20020823 20:00
925 20020823 20:00
300 20020824 08:00
500 20020824 08:00
700 20020824 08:00
Winds
are aligned perpendicular to the radar beam Winds occur at far ranges from the radar Winds obscured by “purple haze”
Damaging wind area
Weak Squall Lines
16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30
2002年8月24日16:30～18:30宣城气象站的风向、风速、气压 和温度的自记记录
天气背景
T-logP图 高空天气形势 地面图 云图演变
安徽地面大风 记录
2002年8月24日11、14和17时（从左到右）3小时变压 （单位：0.1hPa，实线为正变压，虚线为负变压）
P(hPa)
风向(°)
180 270 360 90 0 1004 1005 1006 1007
1001
1002
1003
16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30
Surface 20020824 0500
Surface 20020824 0800
Surface 20020824 1100
Surface 20020824 1400
Surface 20020824 1700
Surface 20020824 2000
Surface 20020824 2300
2002 0824 2000－0825 0200 期间发生在沪浙沿海的雷雨大风
08240800－08250800 24小时累积雨量
08240800－08250800 24小时累积雨量
安徽灾情
安徽全省79个测站先后有30个站出现17m/s 以上的瞬时大风， 09：56亳州最先出现大风，最 迟是绩溪，时间为19：26，其中最大风速达到 26m/s。与大风相伴的还有雷雨或冰雹，淮北有4 个站的降水超出50mm，其中利辛出现103mm的 大暴雨，桐城的部分乡镇出现了冰雹。
T-logP 图
阜阳 20020823 20:00
阜阳 20020824 08:00
南阳 20020823 20:00
南阳 20020824 08:00
徐州 20020823 20:00
郑州 20020823 20:00
郑州 20020824 08:00
南京 20020824 08:00
Strong Squall Lines
Strong environmental shear Gust Front stays close to precipitation Storm remains upright near deep gust front
Strong Squall Lines
Norman, Ok (Gene Rhoden)
Shelf Cloud
Victoria, Mn 7/24/93 Denise Floyd
Underside of Shelf Cloud
Roll Cloud
A horizontal cloud feature detached from the storms and rolling in the direction of the wind along a horizontal axis Roll clouds are not as common as shelf clouds
Line Echo Wave Patterns
弓形回波与后侧入流
2002年4月3日湘北地区 一次强对流风暴个例
2002年4月3日20时~4日08时雷雨大风、夹杂冰 雹、暴雨袭击了湘北，据气象站资料统计，3日08时 至4月08时有临澧、南县等7站降水量大于50mm, 其中南县104.8mm为最大。岳阳站02时00分出现了 瞬时风速达30m/s的11级大风，另有常德地区的临澧 、安乡、石门县及常德市的鼎城区，岳阳地区的华 容、汨罗、平江县及岳阳市区，长沙地区的金井乡 等均不同程度地遭受了雷雨、大风、冰雹袭击，尤 其是常德市的鼎城区还观测到龙卷。据不完全统计 ，强风暴导致了上述地（县）大量房屋、树木、电 杆倒塌农作物严重受损，多处电路因遭雷击而起 火，南县雷雨大风导致电视塔倒塌，总共有81人受 伤，1人死亡。过程造成的经济损失上千万元。
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