多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达课件

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 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多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达4.1多普勒天气雷达u 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。u 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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达 常规天气雷达仅能提供常规天气雷达仅能提供反射率因子反射率因子资料。资料。多普勒天气雷达将提供两种附加的基本资料，多普勒天气雷达将提供两种附加的基本资料，径向速度径向速度和和速度谱宽速度谱宽，它们将增强对强风暴，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的探测能力，也能改进对中尺度和天气尺度系统的预报。系统的预报。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达1.多普勒效应多普勒效应多普勒效应是多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家奥地利物理学家J.Doppler1842年首先年首先从运动着的发声源中发现从运动着的发声源中发现的现象，定义为的现象，定义为“当接收当接收者或接收器与能量源处于者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的达接收者（器）时频率的变化变化”。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达一个例子是：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。长波长）而减低。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达发射频率多普勒频移发射频率发射频率 Vs Vs 多普勒频移多普勒频移多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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：量是相同的，但符号不同：如果目标如果目标移向雷达为正移向雷达为正；如果目标如果目标远离雷达为负远离雷达为负。假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f f0 0，目标与雷达的距离，目标与雷达的距离为为r r，则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为，则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为2r2r。这个。这个距离用波长来度量，相当距离用波长来度量，相当 个波长；用弧度来衡量相当于个波长；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个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为 ，那么电磁，那么电磁波被散射回到天线时的相位应是波被散射回到天线时的相位应是r2r40r40位相的时间变化率位相的时间变化率 rV4rdopVf2由于目标物的径向运动引起的雷达由于目标物的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，它就是多普回波信号的频率变化，它就是多普勒频移或多普勒频率勒频移或多普勒频率 2.2.多普勒频率多普勒频率/频移频移多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达1.1.目标目标移向雷达为正，远离雷达为负移向雷达为正，远离雷达为负 2.2.目标目标移向雷达为负，远离雷达为正移向雷达为负，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。达，也可以离开雷达。需要记住的是：需要记住的是：径向速度总是小于或等于实际目标径向速度总是小于或等于实际目标速度；速度；由由WSR-88DWSR-88D测量的速度只是目标向着或离开雷测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动；达的运动；当目标运动垂直于雷达径向或静止时径当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零。向速度为零。3.径向速度径向速度方向定义有两种情形：多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达目标的实际速度与目标的实际速度与WSR-88DWSR-88D描述的径向速度间的关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系能用数学方法描述成径向速度方程VVr r=Vcos=Vcos 其中其中VrVr为径向速度，为径向速度，V V为实际速度，为实际速度，为实际速度为实际速度V V与雷达径向之间最小的夹角，与雷达径向之间最小的夹角，coscos为余弦函数。为余弦函数。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达4.Pulse-Pair Method 4.Pulse-Pair Method 脉冲对方法脉冲对方法取两个连续的脉冲然后测取两个连续的脉冲然后测量接收脉冲的相位量接收脉冲的相位d/dtd/dt 实际上就是角实际上就是角速度速度 =w=2fw=2fd d多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达5.5.关于相干的几个概念关于相干的几个概念多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达6.6.最大不模糊距离与距离折叠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发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离PRFcR2max其中，其中，RmaxRmax为最大不模糊距离，为最大不模糊距离，c c为光速，为光速，PRFPRF为脉冲重复频率为脉冲重复频率多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达距离折叠（模糊）距离折叠（模糊）雷达测距公式雷达测距公式 R=0.5ctR=0.5ct，t t为脉冲发出到返回的时间。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。来计算。距离折叠距离折叠是指雷达确定的目标物方位是正确的但距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模糊的。换句话说，当目标物位于雷达的最大不模糊距离（糊距离（RmaxRmax）之外时，雷达却把目标物显示在）之外时，雷达却把目标物显示在RmaxRmax以内的某个位置，我们形象地称之为以内的某个位置，我们形象地称之为距离折距离折叠叠。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。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距离折叠是如何发生的？雷达最大探测距离是雷达最大探测距离是250nm250nm 多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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。目标位于最大不模糊距离之外，距离折叠（模糊）发生。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达一个目标物位于一个目标物位于nRmaxnRmax之后若干海里的话（这里之后若干海里的话（这里n n是任意一个正整数），它将错误地出现在距雷达同一海是任意一个正整数），它将错误地出现在距雷达同一海里远的位置上。如果雷达的里远的位置上。如果雷达的Rmax=250nmRmax=250nm，那么位于，那么位于0-250-250nm0nm的目标物处于第一程；的目标物处于第一程；251-500nm251-500nm的目标物处于第二的目标物处于第二程等等，以此类推。一个实际位于程等等，以此类推。一个实际位于550nm550nm（超过（超过2Rmax2Rmax）处的目标物，如果被处的目标物，如果被Rmax=250nmRmax=250nm雷达探测到，它在雷达雷达探测到，它在雷达上的显示位置是上的显示位置是50nm50nm；一个实际位于；一个实际位于300nm300nm（超过（超过1Rmax1Rmax）处的目标物，如果被处的目标物，如果被Rmax=250nmRmax=250nm雷达探测到，它在雷达雷达探测到，它在雷达上的显示位置也是上的显示位置也是50nm50nm。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达距离折叠回波的特点：距离折叠回波的特点：方位角是正确的方位角是正确的 强度较弱强度较弱 有时具有奇怪的多普勒速度有时具有奇怪的多普勒速度怎样排除距离折叠回波？怎样排除距离折叠回波？改变雷达机的脉冲重复频率改变雷达机的脉冲重复频率(PRF)(PRF)Use a different PRF every 2-3 pulses,iUse a different PRF every 2-3 pulses,if the echo f the echo moves,itmoves,it is bogus!is bogus!多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达 7.7.最大径向速度与速度模糊最大径向速度与速度模糊 最大不模糊速度最大不模糊速度 VmaxVmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊：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，其对应的相移是地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180180度。度。4maxPRFV 速度模糊速度模糊多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达速度折叠 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 foldedaliased,or folded.这叫速度折叠/混淆(velocity folding/aliasing).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多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达速度模糊的成因速度模糊的成因多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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：多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达最大不模糊速度多普勒速度：扩展？扩展？多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达二、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。若则即即多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达(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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达(三)退折叠的方法一旦反射率因子、速度和谱宽基本数据由一旦反射率因子、速度和谱宽基本数据由RDARDA传输到传输到RPGRPG，则，则开始执行速度退模糊算法。该算法的可调参数设置（开始执行速度退模糊算法。该算法的可调参数设置（adaptabadaptable parameter settingsle parameter settings）随所使用的脉冲长短而变化。不同）随所使用的脉冲长短而变化。不同的设置是为了减少的设置是为了减少VCP31VCP31中速度退模糊的失败率。中速度退模糊的失败率。由于在由于在RDARDA中已经过距离去折叠处理，所以现在速度数据的距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。由于值替换那个速度初猜值。由于PRFPRF和和VmaxVmax是已知的，所以计算是已知的，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。于周围的数据，因此它主要建立在连续性的基础上。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达8.8.多普勒两难多普勒两难(The Doppler Dilemma)(The Doppler Dilemma)最大不模糊速度最大不模糊速度 V Vmaxmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊：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，其对应的相移是地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180180度。度。最大不模糊距离最大不模糊距离R Rmaxmax：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在：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下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离V Vmaxmax和和R Rmax max 都与都与PRFPRF有关有关8;2;4maxmaxmaxmaxcVRPRFcRPRFV多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达由于没有唯一的由于没有唯一的PRFPRF能使得能使得VmaxVmax和和RmaxRmax都能达到最大，都能达到最大，所以要使用变化的所以要使用变化的PRFPRF。每台。每台WSR-88DWSR-88D使用不同的使用不同的PRFPRF，从一组从一组8 8个个PRFPRF中选择。中选择。typical example typical example 多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒速度和速度谱宽度多普勒速度和速度谱宽度多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达10.10.影响速度谱宽的气象因子影响速度谱宽的气象因子(1)(1)垂直方向上的风切变；垂直方向上的风切变；(2)(2)由波束宽度引起的横向风效应；由波束宽度引起的横向风效应；(3)(3)大气的湍流运动；大气的湍流运动；(4)(4)不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布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。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影响速度谱宽的气象因子多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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。22222wTbsv各因子对速度谱宽的贡献多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达一些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽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：，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；气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等；雷暴；雷暴；切变区域；切变区域；湍流；湍流；风切变；风切变；不同尺度的雨、雪，不同的降落速度。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一些非气象条件也可使谱宽增加，包括：，包括：天线运动；天线运动；WSR-88DWSR-88D的内部噪声。的内部噪声。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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。速度谱低端法速度谱低端法w w0 0-z z关系法关系法综合测量法综合测量法多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达二、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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达三、VAD技术测量水平流场及降水量 什么是什么是VADVAD技术？技术？sin)(cos)cos()()(0fhRvvvVAD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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达（一)测量均匀流场的风向风速cos2)(21vvvh水平风的来向，就是径向速度最大时天线所指的方向。sin2)(21vvvf多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达速度方位显示产品速度方位显示产品 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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达(二)测量非均匀流场的风向、风速、辐散和形变多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达(三)估计区域降水量多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达(四)VAD作不均匀间隔采样时确定风场的方法（自学）多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达四、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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达LhernitteLhernitte方法：方法：LhernitteLhernitte（19681968年年)提出了用三台多普勒天气雷达进行观测提出了用三台多普勒天气雷达进行观测的方案的方案.这种方法的原理比较清楚，但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、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，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。而在部雷达进行探测的实例还很少。而在LhLhernitteernitte探测方案基础上发展的几种双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。些探测试验中得到应用。1 1三部雷达方法探测风场三部雷达方法探测风场多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达 2 2双多普勒雷达探测双多普勒雷达探测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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达资料处理步骤: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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达 为了能够获得最大不折叠距离探测范围同时获得最大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，采用了的不模糊径向速度，在雷达硬件工作模式方面，采用了连连续监测模式续监测模式CSCS、连续、连续DopplerDoppler模式模式CDCD和批模式和批模式B B，对雷达脉，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，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。以适应上述要求。在观测模式方面，设有四种观测模式，其中：在观测模式方面，设有四种观测模式，其中：降水模降水模式有式有VCP11VCP11模式和模式和VCP21VCP21模式两种模式两种，以适应不同降水类型的，以适应不同降水类型的需要。需要。CINRAD-SACINRAD-SA雷达由于发射机功率强大，接受机灵敏雷达由于发射机功率强大，接受机灵敏度高，还度高，还设有晴空模式：设有晴空模式：VCP31VCP31模式和模式和VCP32VCP32模式模式，用以探，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。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-88D12.WSR-88D取样技术：取样技术：硬件工作模式和观测模式硬件工作模式和观测模式多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达WSR-88DWSR-88D硬件工作模式硬件工作模式WSR-88DWSR-88D使用不同的技术从大气中搜集反射率因子和速度数据。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这些技术使用不同的PRFPRF（脉冲重复频率）测量反射率因子和（脉冲重复频率）测量反射率因子和速度数据：用低速度数据：用低PRFPRF测反射率因子，用高测反射率因子，用高PRFPRF测速度。测速度。1 1、连续监测（、连续监测（Contiguous SurillanceContiguous Surillance简简写为写为 CSCS）方式方式,这是一个常定的这是一个常定的低低PRFPRF（长（长PRTPRT和长和长R Rmaxmax模式），为确定准确的目标位置和强度。模式），为确定准确的目标位置和强度。在在VCP11VCP11、2121、3232中，它用于中，它用于最低的两个仰角最低的两个仰角；在；在V VCP31CP31中，它用于最低的中，它用于最低的3 3个仰角。因为大的个仰角。因为大的R Rmaxmax值值（低（低PRFPRF），所以不需要使用距离去折叠算法。），所以不需要使用距离去折叠算法。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达2 2、连续多普勒（、连续多普勒（Contiguous DopplerContiguous Doppler简写为简写为 CDCD）方式方式,这是一个常定的这是一个常定的高高PRFPRF（短（短PRTPRT、短、短RmaxRmax和和高高VmaxVmax）模式，用它可以测量准确的速度和谱宽数据。）模式，用它可以测量准确的速度和谱宽数据。它用于它用于VCP11VCP11、2121、3232中中最低的两个仰角最低的两个仰角；用于；用于VCP31VCP31中最低的中最低的3 3个仰角。由于是短个仰角。由于是短RmaxRmax（高（高PRFPRF），所以必），所以必须使用距离去折叠算法。须使用距离去折叠算法。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达3 3、Batch(B)Batch(B)方式方式 这种技术是在这种技术是在中间仰角中间仰角（2.5-2.5-6.56.5）的每个仰角交替使用高低）的每个仰角交替使用高低PRFPRF。这技术只用于。这技术只用于VCP11VCP11、2121、3232（不用于（不用于VCP31VCP31）。此时地物杂波不是）。此时地物杂波不是个问题。低的个问题。低的PRFPRF（脉冲重复频率）可以得到长的（脉冲重复频率）可以得到长的RmaRmax x（最大不模糊距离），同时高的（最大不模糊距离），同时高的PRFPRF可以给出更精确可以给出更精确的速度数据。的速度数据。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达4 4、连续多普勒、连续多普勒X X（CDXCDX或没有距离折叠的连续多普勒）或没有距离折叠的连续多普勒）方式方式,这是一种在这是一种在较高仰角（较高仰角（77）使用高）使用高PRFPRF获取速获取速度数据的技术。度数据的技术。数据没经过距离去折叠处理，因为没数据没经过距离去折叠处理，因为没有必要。例如：用有必要。例如：用7.57.5仰角时，仰角时，62 nm62 nm（最短的（最短的CDRmaCDRmax x）处雷达波束的高度已达）处雷达波束的高度已达50,00050,000英尺，产生距离折叠英尺，产生距离折叠的回波是不太可能的。的回波是不太可能的。CDXCDX用于用于VCP11VCP11和和2121中大于中大于7 7的的所有仰角的扫描，用于所有仰角的扫描，用于VCP31 VCP31 中大于中大于3 3仰角的扫描，仰角的扫描，但不在但不在VCP32 VCP32 中使用。中使用。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达5 5、分离扫描方式、分离扫描方式(split cut),(split cut),雷达在最低的雷达在最低的2 2个仰角分别使用个仰角分别使用CSCS和和 CDCD进行重复扫描。从最低仰进行重复扫描。从最低仰角开始一个完整的角开始一个完整的360360CSCS波形扫描，然后仍在这波形扫描，然后仍在这个仰角进行完整的个仰角进行完整的360360CDCD波形扫描。然后，天线波形扫描。然后，天线才抬升到第才抬升到第2 2个仰角，分别进行个仰角，分别进行360360CSCS扫描和扫描和360360CDCD扫描。扫描。在中仰角，雷达用在中仰角，雷达用BatchBatch技术，每个仰技术，每个仰角扫一遍（角扫一遍（360360）。然后，雷达仰角进一步抬高，）。然后，雷达仰角进一步抬高，在每个仰角用在每个仰角用CDXCDX进行进行360360扫描。扫描。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达u VCP11-VCP11 VCP11-VCP11（scan strategy#1scan strategy#1，version 1version 1）规）规定定5 5分钟内对分钟内对1414个具体仰角的扫描方式。一般用于测云和降雪。个具体仰角的扫描方式。一般用于测云和降雪。u VCP21-VCP21 VCP21-VCP21（scan strategy#2scan strategy#2，version 1version 1）规）规定定6 6分钟内对分钟内对9 9个具体仰角的扫描方式。一般用于较强的大气个具体仰角的扫描方式。一般用于较强的大气对流。对流。u VCP31-VCP31 VCP31-VCP31（scan strategy#3scan strategy#3，version 1version 1）规）规定定1010分钟内对分钟内对5 5个具体仰角的扫描方式。主要用于低层晴空大个具体仰角的扫描方式。主要用于低层晴空大气观测。气观测。u VCP32-VCP32VCP32-VCP32（scan strategy#3scan strategy#3，version 2version 2）确）确定的定的1010分钟完成的分钟完成的5 5个具体仰角与个具体仰角与VCP31VCP31相同。不同之处在于相同。不同之处在于V VCP31CP31使用长雷达脉冲而使用长雷达脉冲而VCP32VCP32使用短脉冲。使用短脉冲。WSR-88DWSR-88D观测模式观测模式多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达VCP11 VCP11 规定规定5 5分钟内对分钟内对1414个具体仰角的扫描方式。个具体仰角的扫描方式。一般用于测云和降雪。一般用于测云和降雪。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达VCP21 VCP21 规定规定6 6分钟内对分钟内对9 9个具体仰角的扫描方式。个具体仰角的扫描方式。一般用于较强的大气对流。一般用于较强的大气对流。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达VCP31 VCP31 规定规定1010分钟内对分钟内对5 5个具体仰角的扫描方式。个具体仰角的扫描方式。主要用于低层晴空大气观测。主要用于低层晴空大气观测。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达VCP32 VCP32 确定的确定的1010分钟完成的分钟完成的5 5个具体仰角与个具体仰角与VCP31VCP31相同。不同之相同。不同之处在于处在于VCP31VCP31使用长雷达脉冲而使用长雷达脉冲而VCP32VCP32使用短脉冲。使用短脉冲。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达新一代多普勒雷达基本构成新一代多普勒雷达基本构成 WSR-88D 结构框图结构框图 地物杂波抑制，模数转换和多普勒资料距离退折叠。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达基于电磁波的散射特性基于电磁波的散射特性,电磁波不仅有强度特性，电磁波不仅有强度特性，还有偏振特性。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、圆偏振和线偏振、圆偏振和椭圆偏振雷达椭圆偏振雷达。13.13.偏振雷达的探测原理偏振雷达的探测原理多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达 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偏振雷达的探测原理多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达20世纪世纪50年代年代,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。了研究。60年代苏联科学家用偏振方法研究云和降水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试图确定降水物相态和评价人工影响天气的效果。评价人工影响天气的效果。60年代末年代末,加拿大科学家研制成高精度双通道圆偏振雷达起加拿大科学家研制成高精度双通道圆偏振雷达起,偏振雷偏振雷达的气象应用研究才真正开展起来。达的气象应用研究才真正开展起来。到了到了70年代中期年代中期,美国科学家美国科学家提出提出了双线偏振雷达的理论了双线偏振雷达的理论,并在外场试验中取得成功后并在外场试验中取得成功后,偏振雷达才如雨偏振雷达才如雨后春笋般发展起来。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。的偏振雷达。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(原兰州高原大气所原兰州高原大气所)也研制成也研制成功了我国第一部线圆偏振和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。应用研究。14.14.发展历史发展历史多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达有水平和垂直2个偏振通道,可以同时或交替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:p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.15.15.双线偏振双线偏振多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达p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。双线偏振双线偏振多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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。多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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多普勒速度谱宽多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达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多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达各测雨方程精度比较结果:多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达测雨方程对雨滴谱变化的敏感性：多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达18.18.不同降水粒子时各偏振变量的情况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)大的冰雹多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达19.用偏振变量识别冰雹多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达冰雹参量冰雹参量：HDR0有冰雹雨区边缘分布廓线多普勒天气雷达和偏振多普勒天气雷达u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u 新一代多普勒雷达的观测模式有哪些？u影响速度谱宽的气象因子？uVAD技术及多普勒雷达测量均匀流场的风向风速？u什么是双线偏振多普勒雷达？u差示反射率因子ZDR，KDP，DPu不同降水粒子偏振变量的状态