雷达与卫星气象学

雷达与卫星气象学

第一部分

第一章

一、我国天气雷达的频率范围

1．S波段天气雷达的频率范围在2700MHz-2900MHz；C波段天气雷达的频率范围在5300MHz-5500MHz；X波段天气雷达的频率范围在8000MHz-12500MHz；

2．CINRAD-SA\CINRAD-SB\CINRAD-CB分别属于哪个波段。

二、天气雷达原理及组成：

1．常规天气雷达：天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射），在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。

2．多普勒天气雷达：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

3．天气雷达组成：主要由天线、馈线、伺服、发射机、接收机、信号处理、产品生成、显示终端等组成。

天线：发射/接收电磁波；馈线：传导电磁波；伺服：天线等的运转；发射机：产生电磁波；接收机：接收处理电磁波信号处理：处理回波信息；产品生成：根据算法，生成应用产品/控制雷达；显示终端：显示产品、控制雷达

4．新一代天气雷达的基本结构：主要由三大系统组成：RDA—雷达数据采集子系统；RPG—雷达产品生成子系统；PUP—主用户终端子系统。

5．RDA主要结构：天伺系统、发射机、接收机、信号处理；主要功能是产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据——反射率因子、平均径向速度和径向速度谱宽。

6．新一代天气雷达扫描方式：

扫描方式#1：5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5）

扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6）

扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）

7．新一代天气雷达的工作模式（天气模式）：两种工作模式，即降水模式和晴空模式。

工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5 和9/6。

工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。

8．雷达产品生成子系统RPG：RPG是一个多功能的单元。它由宽带通讯线路从RDA接收数字化的基数据，对其进行处理生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户。RPG是整个雷达系统的指令中心。

RPG的主要功能有两个，一个是作为整个雷达的控制中心，另一个是具有一系列算法，当接到来自PUP的请求后，生成相应的产品，然后传输给PUP。

产品分为基本产品和导出产品。基本产品：基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽产品。

9．天气雷达产品的显示方式：PPI（平面位置显示)、RHI (距离高度显示）、CAPPI （等高平面位置显示）

三、基本概念：

1．基本反射率：反射率产品，表示单位体积中降水粒子直径6次方的总合（单位mm6/m3）。他的值的大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和密度分布，用来表示气象目标的强度，产品上数据的单位用dBZ 表示。

2．基本径向速度：表示整个360度方位扫描径向速度数据，径向速度即物体运动速度平行与雷达径向的分量。径向速度有许多直接的应用，可以导出大气结构，风暴结构，可以帮助产生、调整和更新高空分析图等。平均径向速度产品有两点局限性：一是垂直于雷达波束的风的径向速度被表示为0；二是距离折叠和不正确的速度退模糊。

3．基本谱宽：表示在一个距离库内速度离散的程度，也就是距离库内速度估计方差的度量，它与距离库的各个反射率的运动速度和方向的差别成正比。

4．垂直累积液态水: 垂直累计液态水表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值，是假设所有反射率因子返回都是由液态水引起，通过经验关系得到的。它是判别强降水及其降水潜力、强对流天气造成的暴雨、暴雪和冰雹等灾害性天气的有效工具之一。

5．组合反射率：组合反射率产品（简称CR 产品）含有非常丰富的内容。是预报员常用且在PUP 例行请示表中的产品之一；它是雷达体积扫描中将最大反射率投影到笛卡尔格点上的产品，其上方有组合属性表（内含有龙卷涡旋特征、中尺度气旋、冰雹、风暴系列等相关判定或数据）。两者同屏显示方便了用户分析。

6．一小时降水：雷达在230km 范围内探测到的一小时降水量值。

7．雷达反射率:单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。

8．反射率因子：雷达反射率因子Z 和粒子直径的六次方成正比，这是一个重要的结论，说

明少数大水滴对观测到的回波功率起着主要作用。Z 单位常用mm6/m3

9．反射率因子：单位体积内降水粒子直径的6次方的总和。

在实际观测中常用它的分贝数表示，又称为dBz dBz ＝10LogZ

如果有超过瑞利散射条件的粒子存在，也可以定义一个z 值，这时的z 值称为等效反射率因子。此时

dBZ ＝10LogZe/ 1mm6·m-3

通常：

10⎰∞=06)(dD D D n Z 63

3/e Z mm m 取 =1 为标准值， 6363/110lg 1/Zmm m dBZ mm m =⨯63/mm m

0Z

K波段的雷达用来探测非降水的云，X、C和S波段的雷达用来探测降水，L波段测风,我国新一代天气雷达使用C和S波段。

11．脉冲宽度τ：探测脉冲的振荡持续时间，称为脉冲宽度τ。由于探测脉冲具有一定的持续时间，因而它在空间也有一定的长度h。h=τ c 。我国新一代天气雷达（S波段）有两个脉冲宽度：短脉冲（1μs）和长脉冲（4μs）。（原因？）

脉冲宽度与雷达的探测距离、距离分辨力等性能有关。雷达所发射的射频脉冲宽度较宽时，信号所包含的能量较多，因而回波能量较强。但是，脉冲宽度越宽，雷达的距离分辨力越差。因此，雷达在选择脉冲宽度时，是在最大探测距离和距离分辨力之间折衷的。在远距离时或晴空探测选用较宽的脉冲宽度，以使远距离目标回波具有足够的强度；在近距离时选用较窄的脉冲宽度，以保证近距离观察时的距离分辨力。

12．雷达的分辨率: 指两个目标物在雷达荧光屏上产生的回波，能够区分开来的最小实际距离。

影响因子：脉冲长度、水平和垂直波束宽度、接收机频带宽度。分类: 从产生回波畸变的不同,分为径向和切向分辨率两种。

四、雷达方程：

1．气象雷达方程是气象雷达工作的理论基础；通过气象雷达方程可以对雷达的各参数进行定性分析；在天气雷达的设计中，气象雷达方程具有指导性作用

2．方程的导出：（分贝）