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 。 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r2 r40 r4 0 位 相 的 时 间 变 化 率 rV4 rdop Vf 2 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 = V cos 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 = 2 f d 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PRFcR 2max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 。4 max PRFV 速 度 模 糊 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 F 1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V max和 Rmax 都 与 PRF有 关 8;2 ;4maxmaxmaxmax cVR PRFcR PRFV 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 。 22222 wTbsv 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w 0-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 ？ sin)(cos)cos()()( 0 fhR vvv 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cos2 )( 21 vvvh 水 平 风 的 来 向 ， 就 是 径 向 速 度 最 大 时 天 线 所 指 的 方 向 。sin2 )( 21 vvv f 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 R max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 360 CS波 形 扫 描 ， 然 后 仍 在 这个 仰 角 进 行 完 整 的 360 CD波 形 扫 描 。 然 后 ， 天 线才 抬 升 到 第 2个 仰 角 ， 分 别 进 行 360 CS扫 描 和 360 CD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 。 u 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 。u 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 。u 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 。u 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 :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.双 线 偏 振 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 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 ：1. ZhI关 系 随 雨 滴 谱 型 变 化 较 大 ， 使 其 普 适性 及 稳 定 性 均 较 差2. 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 ：1. 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2. 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 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