多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达

第四章 多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达,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,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。,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。,1.多普勒效应,多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，定义为“当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化”。,一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。,发射频率,多普勒频移,发射频率 Vs 多普勒频移,对于一个运动的目标，向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：如果目标移向雷达为正；如果目标远离雷达为负。,假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f0，目标与雷达的距离为r，则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为2r。这个距离用波长来度量，相当 个波长；用弧度来衡量相当于 个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为 ，那么电磁波被散射回到天线时的相位应是,位相的时间变化率,由于目标物的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，它就是多普勒频移或多普勒频率,2. 多普勒频率/频移,1.目标移向雷达为正，远离雷达为负,2.目标移向雷达为负，远离雷达为正,径向速度简单地定义为目标运动平行于雷达径向的分量。它是目标运动沿雷达径向的分量，既可以向着雷达，也可以离开雷达。 需要记住的是：径向速度总是小于或等于实际目标速度；由WSR-88D测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动；当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零。,3. 径向速度,方向定义有两种情形：,目标的实际速度与WSR-88D描述的径向速度间的关系能用数学方法描述成径向速度方程 Vr=Vcos 其中Vr为径向速度，V为实际速度，为实际速度V与雷达径向之间最小的夹角，cos为余弦函数。,4. Pulse-Pair Method 脉冲对方法,取两个连续的脉冲然后测量接收脉冲的相位,d/dt 实际上就是角速度 = w = 2fd,5. 关于相干的几个概念,6. 最大不模糊距离与距离折叠,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,其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，PRF为脉冲重复频率,距离折叠（模糊）,雷达测距公式 R=0.5ct，t为脉冲发出到返回的时间。 雷达测距按照最新发出的脉冲从发出到返回的时间来计算。 距离折叠是指雷达确定的目标物方位是正确的但距离是错误的。当目标物位于雷达最大不模糊距离之外时会发生这一现象，也就是说，目标物的定位是模糊的。换句话说，当目标物位于雷达的最大不模糊距离（Rmax）之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们形象地称之为距离折叠。,目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。,距离折叠是如何发生的？,雷达最大探测距离是250nm,nm=1.852km nautical mile,目标位于最大不模糊距离之外，距离折叠（模糊）发生。,一个目标物位于nRmax之后若干海里的话（这里n是任意一个正整数），它将错误地出现在距雷达同一海里远的位置上。如果雷达的Rmax=250nm，那么位于0-250nm的目标物处于第一程；251-500nm的目标物处于第二程等等，以此类推。一个实际位于550nm（超过2Rmax）处的目标物，如果被Rmax=250nm雷达探测到，它在雷达上的显示位置是50nm；一个实际位于300nm（超过1Rmax）处的目标物，如果被Rmax=250nm雷达探测到，它在雷达上的显示位置也是50nm。,距离折叠回波的特点： 方位角是正确的 强度较弱 有时具有奇怪的多普勒速度 怎样排除距离折叠回波？ 改变雷达机的脉冲重复频率(PRF) Use a different PRF every 2-3 pulses, if the echo moves,it is bogus!,7. 最大径向速度与速度模糊,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。,速度模糊 速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax,速度折叠,Nyquist 间隔 可分辨的速度范围 最大不模糊速度Vmax之间 如果粒子的径向速度超过了Nyquist 间隔，那么速度值就会aliased, or folded. 这叫速度折叠/混淆(velocity folding/aliasing). 例如: 若nyquist 速度是25 m/s ，粒子的radial velocity是-30 m/s, 那么 就会发生折叠，导致其值是+20 m/s,速度模糊的成因,解决测速模糊的两种方法,一、用双脉冲重复频率扩展多普勒雷达可测速区间,标准化多普勒速度,雷达交替发射两种脉冲重复频率F1和F2 ：,最大不模糊速度,多普勒速度：,扩展？,二、用退折叠技术消除多普勒速度的折叠,(一)折叠成因,当目标物的多普勒频移fd大于脉冲重复频率F的一半(相位大于1800)时，对fd的识别就会产生混淆。,若,则,即,(二)退折叠所依据的原理,软件退折叠主要依据连续性原理，即在大气中风场的 分布总是连续的因此，只要雷达的分辨率足够高、保证风场的连续变化特征不会模糊掉，那么从理论上讲，在有回波之处运用连续性原理，总可以从点推得整个回波区的速度值，因为速度的折叠总是使相邻库问的速度增加而呈现出明显的突变，选择适当的N，使该速度梯度明显减小时即可认为此时的速度值是实际速度。,(三)退折叠的方法,一旦反射率因子、速度和谱宽基本数据由RDA传输到RPG，则开始执行速度退模糊算法。该算法的可调参数设置（adaptable parameter settings）随所使用的脉冲长短而变化。不同的设置是为了减少VCP31中速度退模糊的失败率。,由于在RDA中已经过距离去折叠处理，所以现在速度数据的距离（位置）是正确的，速度退模糊算法试图识别和校正模糊的速度。速度退模糊算法本质上是根据连续性原则将每个速度初猜值与它的周围的相临速度值相比较。如果一个速度初猜值与它的周围值显著不同，则该算法试图用另一个可能的值替换那个速度初猜值。由于PRF和Vmax是已知的，所以计算速度初猜值值的可能的替代值是直截了当的。由于算法依赖于周围的数据，因此它主要建立在连续性的基础上。,8.多普勒两难(The Doppler Dilemma),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。 最大不模糊距离Rmax：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,Vmax和Rmax 都与PRF有关,由于没有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能达到最大，所以要使用变化的PRF。每台WSR-88D使用不同的PRF，从一组8个PRF中选择。,typical example,1、回波功率谱,2、平均多普勒速度及速度谱宽度,9.降水回波信号的几个统计特征,多普勒速度和速度谱宽度,10. 影响速度谱宽的气象因子,(1)垂直方向上的风切变； (2)由波束宽度引起的横向风效应； (3)大气的湍流运动； (4)不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布,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。,影响速度谱宽的气象因子,若每项因子对速度谱宽的贡献近似看作相互独立，则速度谱方差为各因子造成的方差之和，即 。四个因子中，不同降水粒子产生的下落末速度（4）对谱宽的影响一般较大（水平时探测没有影响，垂直影响最大），而湍流效应（3）产生的多普勒谱宽，既依赖于湍流强度本身，也依赖于粒子对大气湍流运动响应的灵敏程度，前两个因子（1）（2）对谱宽的影响一般可忽略。,各因子对速度谱宽的贡献,一些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，它们包括： 气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等； 雷暴； 切变区域； 湍流； 风切变； 不同尺度的雨、雪，不同的降落速度。 一些非气象条件也可使谱宽增加，包括： 天线运动； WSR-88D的内部噪声。,11.天气多普勒雷达的应用,一、测量大气垂直速度,当多普勒雷达垂直指向天顶时，所测量的平均多普勒速度实际上是有效照射体内粒子的平均下落木速度和大气垂直速度之和。若能近似估计某一直径粒子的下落末速度或所有粒子的平均下落末速度，则可根据实测的平均多普勒速度算出大气的垂直速度。目前主要有下三种测量方法。 速度谱低端法 w0-z关系法 综合测量法,二、测量滴的谱分布,当降水中气流的垂直运动速度W已知时，从5.1式可由雷达测得的多普勒平均径向速度，计算出质点的下降末速度。由于质点的重力下降末速度与质点的直径之间存在着一定的关系，由此便可以导出雨滴滴谱分布N(D)。本方法对稳定性降水效果较好，而对于对流云降水效果则比较差。 当质点大小不等，下降速度不等，而气流垂直运动已知时，则先求质点下降末速度，再求质点大小。,三、VAD技术测量水平流场及降水量,什么是VAD技术？,VAD技术就是速度方位显示方法、即让雷达天线以某一固定的仰角作方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距离和方位上的径向速度vR()记录并显示出来。,（一)测量均匀流场的风向风速,水平风的来向，就是径向速度最大时天线所指的方向。,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。 假如有25个以上非零数据点（用户设定），算法用最小二乘法拟合这些点，可得到一条正弦波曲线，正弦曲线的振幅表示水平风速，正弦曲线上的波谷（负值最大点）所在方位角表示水平风向。,(二)测量非均匀流场的风向、风速、辐散和形变,(三)估计区域降水量,(四)VAD作不均匀间隔采样时确定风场的方法,（自学）,四、多部多普勒雷达联合探测风场,1三部雷达方法探测风场 2双多普勒雷达探测,单部多普勒雷达只能探测大气目标物相对于雷达的径向运动速度，从径向速度分布特征再来推断大气流场的特点，因此，单部多普勒天气雷达探测能力是有限的，它不能直接探测空气运动的二维或三维的详细结构，为了能从单部多普勒天气雷达测得的径向速度分布，从而推断气流的空间情况，必须作出一些假定。,Lhernitte方法：Lhernitte（1968年)提出了用三台多普勒天气雷达进行观测的方案.这种方法的原理比较清楚，但实际上很难做到同步同时对准空间某一点取样。切实可行的代替方案是三个波束独立地扫描，多距离同时取样、记录、然后用内插方法计算各时刻、各地点雷达的径向速度。这样做实际上隐含着整个测量过程中气流分布是定常的假设，而且，资料处理程序非常复杂，运用三部雷达进行探测的实例还很少。而在Lhernitte探测方案基础上发展的几种双部天气多普勒雷达探测的方法，已在一些探测试验中得到应用。,1三部雷达方法探测风场,2双多普勒雷达探测,Browning等（1968年）提出，用一部雷达（如图）作垂直指向，测量雷达的上空的云粒子的垂直运动径向速度，另一部雷达设在距雷达一定距离，同时对垂直指向雷达的上空进行探测。雷达的天线的方位角固定不变，改变仰角由1度到45度作多普勒径向速度测量，这样就可以得到点上空的垂直速度和水平风速。 这种方法仍然得不到对流云完整的三维结构。,Miller等人在年提出对两部多普勒天气雷达共面探测方案。该方案是、两部雷达在同一个平面上扫描取样。该平面与地平面的交线为、两部雷达的基线。变化夹角对不同的平面共同取样就可以得到三维流场资料。,共面探测方案,共面探测时两部雷达天线扫描需要很好配合，才能系在同一面上扫描，操作仍很困难。NSSL（国家强风暴实验室）采用两部雷达同时在、两地各自进行固定仰角的方位扫描，从仰角零度开始，每抬高度仰角进行一次方位扫描，直到降水云顶为止，、两个雷达站取得整个降水云体的多普勒速度资料 。,资料处理步骤:,对所得资料的处理方法是：先利用插值方法求出两部雷达共面时的数据，再采用前述资料处理方法进行处理。,为了能够获得最大不折叠距离探测范围同时获得最大的不模糊径向速度，在雷达硬件工作模式方面，采用了连续监测模式CS、连续Doppler模式CD和批模式B，对雷达脉冲对数、脉冲宽度、脉冲重复频率等雷达参数进行了组合，以适应上述要求。 在观测模式方面，设有四种观测模式，其中：降水模式有VCP11模式和VCP21模式两种，以适应不同降水类型的需要。CINRAD-SA雷达由于发射机功率强大，接受机灵敏度高，还设有晴空模式：VCP31模式和VCP32模式，用以探测晴空湍流、风切变等。在上述降水观测模式中，为了达到获得最大探测不折叠距离和最大不模糊径向速度，雷达采用了扫描方式与雷达参数相结合的办法实现上述目标。,12. WSR-88D取样技术： 硬件工作模式和观测模式,WSR-88D硬件工作模式,WSR-88D使用不同的技术从大气中搜集反射率因子和速度数据。这些技术使用不同的PRF（脉冲重复频率）测量反射率因子和速度数据：用低PRF测反射率因子，用高PRF测速度。,1、连续监测（Contiguous Surillance简写为 CS）方式, 这是一个常定的低PRF（长PRT和长Rmax模式），为确定准确的目标位置和强度。在VCP11、21、32中，它用于最低的两个仰角；在VCP31中，它用于最低的3个仰角。因为大的Rmax值（低PRF），所以不需要使用距离去折叠算法。,2、连续多普勒（Contiguous Doppler简写为 CD）方式, 这是一个常定的高PRF（短PRT、短Rmax和高Vmax）模式，用它可以测量准确的速度和谱宽数据。它用于VCP11、21、32中最低的两个仰角；用于VCP31中最低的3个仰角。由于是短Rmax（高PRF），所以必须使用距离去折叠算法。,3、Batch(B) 方式 这种技术是在中间仰角（2.5-6.5）的每个仰角交替使用高低PRF。这技术只用于VCP11、21、32（不用于VCP31）。此时地物杂波不是个问题。低的PRF（脉冲重复频率）可以得到长的Rmax（最大不模糊距离），同时高的PRF可以给出更精确的速度数据。,4、连续多普勒X（CDX或没有距离折叠的连续多普勒）方式, 这是一种在较高仰角（7）使用高PRF获取速度数据的技术。 数据没经过距离去折叠处理，因为没有必要。例如：用7.5仰角时，62 nm（最短的CDRmax）处雷达波束的高度已达50,000英尺，产生距离折叠的回波是不太可能的。CDX用于VCP11和21中大于7的所有仰角的扫描，用于VCP31 中大于3仰角的扫描，但不在VCP32 中使用。,5、分离扫描方式(split cut), 雷达在最低的2个仰角分别使用CS和 CD进行重复扫描。从最低仰角开始一个完整的360CS波形扫描，然后仍在这个仰角进行完整的360CD波形扫描。然后，天线才抬升到第2个仰角，分别进行360CS扫描和360CD扫描。 在中仰角，雷达用Batch技术，每个仰角扫一遍（360）。然后，雷达仰角进一步抬高，在每个仰角用CDX进行360扫描。,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。一般用于测云和降雪。 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。一般用于较强的大气对流。 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。主要用于低层晴空大气观测。 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-88D观测模式,VCP11 规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 一般用于测云和降雪。,VCP21 规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 一般用于较强的大气对流。,VCP31 规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 主要用于低层晴空大气观测。,VCP32 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。,新一代多普勒雷达基本构成,WSR-88D 结构框图,地物杂波抑制，模数转换和多普勒资料距离退折叠。,基于电磁波的散射特性,电磁波不仅有强度特性，还有偏振特性。 通常用电场矢量在垂直于波传播方向平面内的变化轨迹来描述偏振状态。依其轨迹为线、圆和椭圆而分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振波，且发射相应偏振波的雷达分别叫线偏振、圆偏振和椭圆偏振雷达。,13.偏振雷达的探测原理,根据散射理论,在忽略传输介质的影响时,球形散射体对给定偏振电磁波的后向散射电磁波仍然是单一偏振电磁波,即不产生退偏振效应。但对于非球形粒子,其后向散射电磁波除了与入射波偏振状态相关的主分量外,还有不同的正交分量,其大小反映了偏离球形状态的程度,这就是退偏振效应。由于云内许多水成物粒子都不是理想的球体,而且粒子的轴在空间分布上存在优势取向,所以可用偏振技术对其进行研究,这就是偏振气象雷达发展的理论基础。,偏振雷达的探测原理,20世纪50年代,科学家就对水成物粒子对偏振波的后向散射效应进行了研究。 60年代苏联科学家用偏振方法研究云和降水,试图确定降水物相态和评价人工影响天气的效果。 60年代末, 加拿大科学家研制成高精度双通道圆偏振雷达起,偏振雷达的气象应用研究才真正开展起来。 到了70年代中期,美国科学家提出了双线偏振雷达的理论,并在外场试验中取得成功后,偏振雷达才如雨后春笋般发展起来。 80年代法国、德国、英国、澳大利亚、日本等国都相继发展了自己的偏振雷达。 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(原兰州高原大气所)也研制成功了我国第一部线圆偏振和5波长双线偏振雷达。并开展了双线偏振雷达在云和降水物理、遥测区域降雨量和人工影响天气方面的应用研究。,14.发展历史,有水平和垂直2个偏振通道,可以同时或交替发射和接收水平和垂直2种线偏振波,有2种制式: 一种是工作时雷达同时发射和接收水平和垂直2种偏振信号,其dr,它反映了探测目标偏离球形的大小和在水平和垂直方向上的优势取向程度。如只发射水平线偏振波,而分别接收回波的水平线偏振和其正交分量,则回波的正交分量和水平线偏振分量之比的对数就是水平线性退偏振比LDR,也反映了探测目标的形状、大小、取向或倾斜角分布(均值和方差)以及湿度和成份。对于这种制式的双线偏振雷达,要求有性能完全相同的2个发射机和接收机,技术相对复杂且造价高,它的优点是2通道的隔离度可以做得较高,相关性好,偏振性能优越.,15.双线偏振,还有一种制式是雷达只有1个发射和接收机,工作时雷达以触发脉冲为时间间隔,交替发射和接收水平和垂直两种线偏振波,这样得到的dr、dp和的相关性稍微差些,它要求雷达的触发脉冲频率较高。这种雷达相对简单,造价低,在常规雷达上改装较容易。各国在开始发展双线偏振雷达技术时大都采用此种制式。,双线偏振,16.偏振雷达在气象中的应用,1用于识别云中粒子的相态如把云中水成物粒子分成小雨、中雨、大雨、大粒子降雨、雨夹雹、冰雹、霰、干雪、湿雪、水平排列冰晶、垂直排列冰晶共11类。 2遥测区域降水量偏振雷达由于能以比常规雷达高得多的精度实时快速获取降雨量数据,是防止局地暴洪较好的探测工具。 3 用于雷电探测冰相粒子和强烈上升气流的存在,是云中粒子电荷产生的主要原因。 4 用于人工影响天气工作偏振雷达(特别是短波长云偏振雷达)由于其固有的特性,能在了解云发展过程中一系列微物理变化特征方面发挥重要作用。,17.DLPDR能从降水云中提取的物理量,1水平偏振的反射率因子 2垂直偏振的反射率因子 3差示反射率因子 4双程差示传播相位变量 5相关系数 6. 多普勒相移及多普勒勒速度 7多普勒速度谱宽,17.用双线偏振变量估测降雨强度,常规单偏振天气雷达测雨的缺点：,ZhI关系随雨滴谱型变化较大，使其普适性及稳定性均较差 假定雨滴是球形的，忽略了大雨滴非球形带来的影响,双线偏振多普勒天气雷达的优点：,采用ZDR、KDP等偏振变量建立的测雨方程，对雨滴谱的变化相对说来较不敏感 考虑了雨滴非球形的影响,几种测雨方程的形式,常规天气雷达,双线偏振雷达,双线偏振多普勒雷达,各测雨方程精度比较结果:,测雨方程对雨滴谱变化的敏感性：,18. 不同降水粒子时各偏振变量的情况,(1)对于纯降雨区 (2)对于雨和冰雹共存区 (3)中等大小且方向性很好的融化冰雹 (4)大的冰雹,19.用偏振变量识别冰雹,冰雹参量：HDR0有冰雹,雨区边缘分布廓线,名词解释：多普勒效应、多普勒频率、相干波、非相干波、全相干多普勒天气雷达、脉间相干多普勒天气雷达、最大不模糊距离与距离折叠、最大径向速度与速度模糊、多普勒两难、回波功率谱、多普勒速度和速度谱宽度、Nyquist 间隔 新一代多普勒雷达的观测模式有哪些？ 影响速度谱宽的气象因子？ VAD技术及多普勒雷达测量均匀流场的风向风速？ 什么是双线偏振多普勒雷达？ 差示反射率因子ZDR，KDP，DP 不同降水粒子偏振变量的状态,