1、第四章 多普勒天氣雷達(dá)和偏振多普勒天氣雷達(dá) 目 錄4.1多普勒天氣雷達(dá)4.1.1多普勒頻移4.1.2 多普勒譜的提取方法4.1.3 多普勒速度和多普勒速度譜4.1.4 距離折疊和速度折疊4.1.5 多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用4.2 偏振多普勒天氣雷達(dá)4.2.1 偏振雷達(dá)4.2.2 雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)的基本參量4.2.3 雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用4.1多普勒天氣雷達(dá)u 常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)利用的是降水回波的幅度信息，即利用信號(hào)強(qiáng)度來探測(cè)雨區(qū)的分布、強(qiáng)度、垂直結(jié)構(gòu)等。u 多普勒天氣雷達(dá)是基于物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)發(fā)展起來的，除常規(guī)天氣雷達(dá)功能之外，還可利用降水回波頻率與發(fā)射頻率之間變化的信息來測(cè)定降

2、水粒子的徑向速度，并通過此推斷風(fēng)速分布，垂直氣流速度，大氣湍流，降水粒子譜分布，降水中特別是強(qiáng)對(duì)流降水中風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。 常規(guī)天氣雷達(dá)僅能提供反射率因子資料。常規(guī)天氣雷達(dá)僅能提供反射率因子資料。多普勒天氣雷達(dá)將提供兩種附加的基本資料，多普勒天氣雷達(dá)將提供兩種附加的基本資料，徑向速度和速度譜寬，它們將增強(qiáng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴徑向速度和速度譜寬，它們將增強(qiáng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴的探測(cè)能力，也能改進(jìn)對(duì)中尺度和天氣尺度的探測(cè)能力，也能改進(jìn)對(duì)中尺度和天氣尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)。系統(tǒng)的預(yù)報(bào)。1.多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家奧地利物理學(xué)家J.Doppler1842年首先年首先從運(yùn)動(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)從運(yùn)動(dòng)

3、著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，定義為的現(xiàn)象，定義為“當(dāng)接收當(dāng)接收者或接收器與能量源處于者或接收器與能量源處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量到相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量到達(dá)接收者器時(shí)頻率的達(dá)接收者器時(shí)頻率的變化變化”。一個(gè)例子是：當(dāng)一輛緊急的火車汽車?guó)Q著喇叭以相當(dāng)高的速度向著一個(gè)例子是：當(dāng)一輛緊急的火車汽車?guó)Q著喇叭以相當(dāng)高的速度向著你駛來時(shí)，聲音的音調(diào)頻率由于波的壓縮較短波長(zhǎng)而增加。當(dāng)你駛來時(shí)，聲音的音調(diào)頻率由于波的壓縮較短波長(zhǎng)而增加。當(dāng)火車汽車遠(yuǎn)離你而去時(shí)，這聲音的音調(diào)頻率由于波的膨脹較火車汽車遠(yuǎn)離你而去時(shí)，這聲音的音調(diào)頻率由于波的膨脹較長(zhǎng)波長(zhǎng)而減低。長(zhǎng)波長(zhǎng)而減低。 發(fā)射頻率多普勒頻移發(fā)射頻率發(fā)射頻率 Vs Vs

4、多普勒頻移多普勒頻移對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，向著雷達(dá)運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的頻移對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，向著雷達(dá)運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的頻移量是相同的，但符號(hào)不同：如果目標(biāo)移向雷達(dá)為正；如果目標(biāo)量是相同的，但符號(hào)不同：如果目標(biāo)移向雷達(dá)為正；如果目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)為負(fù)。遠(yuǎn)離雷達(dá)為負(fù)。 假設(shè)多普勒雷達(dá)發(fā)射脈沖的工作頻率為假設(shè)多普勒雷達(dá)發(fā)射脈沖的工作頻率為f0f0，目標(biāo)與雷達(dá)的距離，目標(biāo)與雷達(dá)的距離為為r r，則雷達(dá)波發(fā)往目標(biāo)到返回天線所經(jīng)過的距離為，則雷達(dá)波發(fā)往目標(biāo)到返回天線所經(jīng)過的距離為2r2r。這個(gè)。這個(gè)距離用波長(zhǎng)來度量，相當(dāng)距離用波長(zhǎng)來度量，相當(dāng) 個(gè)波長(zhǎng)；用弧度來衡量相當(dāng)于個(gè)波長(zhǎng)；用弧度來衡量相當(dāng)于

5、個(gè)弧度。若所發(fā)射的電磁波在天線處的位相為個(gè)弧度。若所發(fā)射的電磁波在天線處的位相為 ，那么電磁，那么電磁波被散射回到天線時(shí)的相位應(yīng)是波被散射回到天線時(shí)的相位應(yīng)是r2r40r40位相的時(shí)間變化率位相的時(shí)間變化率 rV4rdopVf2由于目標(biāo)物的徑向運(yùn)動(dòng)引起的雷達(dá)由于目標(biāo)物的徑向運(yùn)動(dòng)引起的雷達(dá)回波信號(hào)的頻率變化，它就是多普回波信號(hào)的頻率變化，它就是多普勒頻移或多普勒頻率勒頻移或多普勒頻率 2. 2. 多普勒頻率多普勒頻率/ /頻移頻移1.1.目標(biāo)移向雷達(dá)為正，遠(yuǎn)離雷達(dá)為負(fù)目標(biāo)移向雷達(dá)為正，遠(yuǎn)離雷達(dá)為負(fù) 2.2.目標(biāo)移向雷達(dá)為負(fù)，遠(yuǎn)離雷達(dá)為正目標(biāo)移向雷達(dá)為負(fù)，遠(yuǎn)離雷達(dá)為正徑向速度簡(jiǎn)單地定義為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平

6、行于雷達(dá)徑向的分徑向速度簡(jiǎn)單地定義為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平行于雷達(dá)徑向的分量。它是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)沿雷達(dá)徑向的分量，既可以向著雷量。它是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)沿雷達(dá)徑向的分量，既可以向著雷達(dá)，也可以離開雷達(dá)。達(dá)，也可以離開雷達(dá)。需要記住的是：徑向速度總是小于或等于實(shí)際目標(biāo)需要記住的是：徑向速度總是小于或等于實(shí)際目標(biāo)速度；由速度；由WSR-88DWSR-88D測(cè)量的速度只是目標(biāo)向著或離開雷測(cè)量的速度只是目標(biāo)向著或離開雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)垂直于雷達(dá)徑向或靜止時(shí)徑達(dá)的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)垂直于雷達(dá)徑向或靜止時(shí)徑向速度為零。向速度為零。3. 徑向速度徑向速度方向定義有兩種情形： 目標(biāo)的實(shí)際速度與目標(biāo)的實(shí)際速度與WSR-88DWSR-88

7、D描述的徑向速度間的關(guān)描述的徑向速度間的關(guān)系能用數(shù)學(xué)方法描述成徑向速度方程系能用數(shù)學(xué)方法描述成徑向速度方程Vr=Vcos Vr=Vcos 其中其中VrVr為徑向速度，為徑向速度，V V為實(shí)際速度，為實(shí)際速度，為實(shí)際速度為實(shí)際速度V V與雷達(dá)徑向之間最小的夾角，與雷達(dá)徑向之間最小的夾角，coscos為余弦函數(shù)。為余弦函數(shù)。4. Pulse-Pair Method 4. Pulse-Pair Method 脈沖對(duì)方法脈沖對(duì)方法取兩個(gè)連續(xù)的脈沖然后測(cè)取兩個(gè)連續(xù)的脈沖然后測(cè)量接收脈沖的相位量接收脈沖的相位d/dt d/dt 實(shí)際上就是角實(shí)際上就是角速度速度 = w = 2fd = w = 2fd5.

8、5. 關(guān)于相干的幾個(gè)概念關(guān)于相干的幾個(gè)概念6. 6. 最大不模糊距離與距離折疊最大不模糊距離與距離折疊最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個(gè)發(fā)射脈沖在下一個(gè)最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個(gè)發(fā)射脈沖在下一個(gè)發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長(zhǎng)距離發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長(zhǎng)距離PRFcR2max其中，其中，RmaxRmax為最大不模糊距離，為最大不模糊距離，c c為光速，為光速，PRFPRF為脈沖重復(fù)頻率為脈沖重復(fù)頻率距離折疊模糊）距離折疊模糊） 雷達(dá)測(cè)距公式雷達(dá)測(cè)距公式 R=0.5ct R=0.5ct，t t為脈沖發(fā)出到返回的時(shí)間。為脈沖發(fā)出到返回的時(shí)間。 雷達(dá)測(cè)距按照最新發(fā)

9、出的脈沖從發(fā)出到返回的時(shí)間雷達(dá)測(cè)距按照最新發(fā)出的脈沖從發(fā)出到返回的時(shí)間來計(jì)算。來計(jì)算。 距離折疊是指雷達(dá)確定的目標(biāo)物方位是正確的但距距離折疊是指雷達(dá)確定的目標(biāo)物方位是正確的但距離是錯(cuò)誤的。當(dāng)目標(biāo)物位于雷達(dá)最大不模糊距離之離是錯(cuò)誤的。當(dāng)目標(biāo)物位于雷達(dá)最大不模糊距離之外時(shí)會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象，也就是說，目標(biāo)物的定位是外時(shí)會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象，也就是說，目標(biāo)物的定位是模糊的。換句話說，當(dāng)目標(biāo)物位于雷達(dá)的最大不模模糊的。換句話說，當(dāng)目標(biāo)物位于雷達(dá)的最大不模糊距離糊距離RmaxRmax之外時(shí)，雷達(dá)卻把目標(biāo)物顯示在之外時(shí)，雷達(dá)卻把目標(biāo)物顯示在RmaxRmax以內(nèi)的某個(gè)位置，我們形象地稱之為以內(nèi)的某個(gè)位置，我們形象地稱

10、之為距離折距離折疊疊。目標(biāo)位于最大不模糊距離之內(nèi)，沒有距離折疊模糊發(fā)生。目標(biāo)位于最大不模糊距離之內(nèi)，沒有距離折疊模糊發(fā)生。距離折疊是如何發(fā)生的？距離折疊是如何發(fā)生的？雷達(dá)最大探測(cè)距離是雷達(dá)最大探測(cè)距離是250nm 250nm nm=1.852km nautical mile 目標(biāo)位于最大不模糊距離之外，距離折疊模糊發(fā)生。目標(biāo)位于最大不模糊距離之外，距離折疊模糊發(fā)生。一個(gè)目標(biāo)物位于一個(gè)目標(biāo)物位于nRmaxnRmax之后若干海里的話這里之后若干海里的話這里n n是任意一個(gè)正整數(shù)），它將錯(cuò)誤地出現(xiàn)在距雷達(dá)同一海是任意一個(gè)正整數(shù)），它將錯(cuò)誤地出現(xiàn)在距雷達(dá)同一海里遠(yuǎn)的位置上。如果雷達(dá)的里遠(yuǎn)的位置上。如果

11、雷達(dá)的Rmax=250nmRmax=250nm，那么位于，那么位于0-250-250nm0nm的目標(biāo)物處于第一程；的目標(biāo)物處于第一程；251-500nm251-500nm的目標(biāo)物處于第二的目標(biāo)物處于第二程等等，以此類推。一個(gè)實(shí)際位于程等等，以此類推。一個(gè)實(shí)際位于550nm550nm超過超過2Rmax2Rmax處的目標(biāo)物，如果被處的目標(biāo)物，如果被Rmax=250nmRmax=250nm雷達(dá)探測(cè)到，它在雷達(dá)雷達(dá)探測(cè)到，它在雷達(dá)上的顯示位置是上的顯示位置是50nm50nm；一個(gè)實(shí)際位于；一個(gè)實(shí)際位于300nm300nm超過超過1Rmax1Rmax處的目標(biāo)物，如果被處的目標(biāo)物，如果被Rmax=250n

12、mRmax=250nm雷達(dá)探測(cè)到，它在雷達(dá)雷達(dá)探測(cè)到，它在雷達(dá)上的顯示位置也是上的顯示位置也是50nm50nm。 距離折疊回波的特點(diǎn)：距離折疊回波的特點(diǎn)： 方位角是正確的方位角是正確的 強(qiáng)度較弱強(qiáng)度較弱 有時(shí)具有奇怪的多普勒速度有時(shí)具有奇怪的多普勒速度怎樣排除距離折疊回波？怎樣排除距離折疊回波？ 改變雷達(dá)機(jī)的脈沖重復(fù)頻率改變雷達(dá)機(jī)的脈沖重復(fù)頻率(PRF)(PRF)Use a different PRF every 2-3 pulses, if Use a different PRF every 2-3 pulses, if the echo moves,it is bogus!the echo

13、 moves,it is bogus! 7. 7. 最大徑向速度與速度模糊最大徑向速度與速度模糊 最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷達(dá)能夠不模糊地測(cè)量的最大平均徑向速度，其對(duì)應(yīng)的相移是180度。4maxPRFV 速度模糊 速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax速度折疊 Nyquist 間隔 可分辨的速度范圍 最大不模糊速度Vmax之間 如果粒子的徑向速度超過了Nyquist 間隔，那么速度值就會(huì)aliased, or folded. 這叫速度折疊/混淆(velocity folding/aliasing). 例如: 若nyquist 速度是25 m/s ，粒子的radial

14、 velocity是-30 m/s, 那么 就會(huì)發(fā)生折疊，導(dǎo)致其值是+20 m/s速度模糊的成因速度模糊的成因解決測(cè)速模糊的兩種方法 一、用雙脈沖重復(fù)頻率擴(kuò)展多普勒雷達(dá)可測(cè)速區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化多普勒速度雷達(dá)交替發(fā)射兩種脈沖重復(fù)頻率F1和F2 ：最大不模糊速度多普勒速度：擴(kuò)展？擴(kuò)展？ 二、用退折疊技術(shù)消除多普勒速度的折疊(一)折疊成因 當(dāng)目標(biāo)物的多普勒頻移fd大于脈沖重復(fù)頻率F的一半(相位大于1800)時(shí)，對(duì)fd的識(shí)別就會(huì)產(chǎn)生混淆。假設(shè)那么即即(二)退折疊所依據(jù)的原理 軟件退折疊主要依據(jù)連續(xù)性原理，即在大氣中風(fēng)場(chǎng)的分布總是連續(xù)的因而，只要雷達(dá)的分辨率足夠高、保證風(fēng)場(chǎng)的連續(xù)變化特征不會(huì)模糊掉，那么從理論上

15、講，在有回波之處運(yùn)用連續(xù)性原理，總可以從點(diǎn)推得整個(gè)回波區(qū)的速度值，因?yàn)樗俣鹊恼郫B總是使相鄰庫(kù)問的速度增加而呈現(xiàn)出明顯的突變，選擇適當(dāng)?shù)腘，使該速度梯度明顯減小時(shí)即可認(rèn)為此時(shí)的速度值是實(shí)際速度。(三)退折疊的方法一旦反射率因子、速度和譜寬基本數(shù)據(jù)由一旦反射率因子、速度和譜寬基本數(shù)據(jù)由RDARDA傳輸?shù)絺鬏數(shù)絉PGRPG，則，則開始執(zhí)行速度退模糊算法。該算法的可調(diào)參數(shù)設(shè)置開始執(zhí)行速度退模糊算法。該算法的可調(diào)參數(shù)設(shè)置adaptabadaptable parameter settingsle parameter settings隨所使用的脈沖長(zhǎng)短而變化。不同隨所使用的脈沖長(zhǎng)短而變化。不同的設(shè)置是為了減

16、少的設(shè)置是為了減少VCP31VCP31中速度退模糊的失敗率。中速度退模糊的失敗率。由于在由于在RDARDA中已經(jīng)過距離去折疊處理，所以現(xiàn)在速度數(shù)據(jù)的距中已經(jīng)過距離去折疊處理，所以現(xiàn)在速度數(shù)據(jù)的距離位置是正確的，速度退模糊算法試圖識(shí)別和校正模糊離位置是正確的，速度退模糊算法試圖識(shí)別和校正模糊的速度。速度退模糊算法本質(zhì)上是根據(jù)連續(xù)性原則將每個(gè)速的速度。速度退模糊算法本質(zhì)上是根據(jù)連續(xù)性原則將每個(gè)速度初猜值與它的周圍的相臨速度值相比較。如果一個(gè)速度初度初猜值與它的周圍的相臨速度值相比較。如果一個(gè)速度初猜值與它的周圍值顯著不同，則該算法試圖用另一個(gè)可能的猜值與它的周圍值顯著不同，則該算法試圖用另一個(gè)可能

17、的值替換那個(gè)速度初猜值。由于值替換那個(gè)速度初猜值。由于PRFPRF和和VmaxVmax是已知的，所以計(jì)算是已知的，所以計(jì)算速度初猜值值的可能的替代值是直截了當(dāng)?shù)摹Ｓ捎谒惴ㄒ蕾囁俣瘸醪轮抵档目赡艿奶娲凳侵苯亓水?dāng)?shù)摹Ｓ捎谒惴ㄒ蕾囉谥車臄?shù)據(jù)，因此它主要建立在連續(xù)性的基礎(chǔ)上。于周圍的數(shù)據(jù)，因此它主要建立在連續(xù)性的基礎(chǔ)上。 8. 8.多普勒兩難多普勒兩難(The Doppler Dilemma)(The Doppler Dilemma) 最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷達(dá)能夠不模糊地測(cè)量的最大平均徑向速度，其對(duì)應(yīng)的相移是180度。最大不模糊距離Rmax：最大不模糊距離是指一個(gè)發(fā)射脈沖在下

18、一個(gè)發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達(dá)的最長(zhǎng)距離VmaxVmax和和Rmax Rmax 都與都與PRFPRF有關(guān)有關(guān)8;2;4maxmaxmaxmaxcVRPRFcRPRFV由于沒有唯一的由于沒有唯一的PRFPRF能使得能使得VmaxVmax和和RmaxRmax都能達(dá)到最大，都能達(dá)到最大，所以要使用變化的所以要使用變化的PRFPRF。每臺(tái)。每臺(tái)WSR-88DWSR-88D使用不同的使用不同的PRFPRF，從一組從一組8 8個(gè)個(gè)PRFPRF中選擇。中選擇。typical example typical example 1、回波功率譜2、平均多普勒速度及速度譜寬度9.降水回波信號(hào)的幾個(gè)統(tǒng)計(jì)特征多普勒

19、速度和速度譜寬度多普勒速度和速度譜寬度10. 10. 影響速度譜寬的氣象因子影響速度譜寬的氣象因子 (1)(1)垂直方向上的風(fēng)切變；垂直方向上的風(fēng)切變； (2)(2)由波束寬度引起的橫向風(fēng)效應(yīng)；由波束寬度引起的橫向風(fēng)效應(yīng)； (3)(3)大氣的湍流運(yùn)動(dòng)；大氣的湍流運(yùn)動(dòng)； (4)(4)不同直徑的降水粒子產(chǎn)生的下落末速度的不均勻分布不同直徑的降水粒子產(chǎn)生的下落末速度的不均勻分布譜寬數(shù)據(jù)指的是速度譜寬數(shù)據(jù)，它是對(duì)在一個(gè)距離庫(kù)中速度分離譜寬數(shù)據(jù)指的是速度譜寬數(shù)據(jù)，它是對(duì)在一個(gè)距離庫(kù)中速度分離度的測(cè)量。譜寬在數(shù)學(xué)上與一個(gè)距離庫(kù)內(nèi)的各個(gè)散射體的速率和度的測(cè)量。譜寬在數(shù)學(xué)上與一個(gè)距離庫(kù)內(nèi)的各個(gè)散射體的速率和速

20、度方向的方差成正比例。譜寬可以用做速度估計(jì)質(zhì)量控制的工速度方向的方差成正比例。譜寬可以用做速度估計(jì)質(zhì)量控制的工具。當(dāng)譜寬增加，速度估計(jì)的可靠性就減小。具。當(dāng)譜寬增加，速度估計(jì)的可靠性就減小。影響速度譜寬的氣象因子影響速度譜寬的氣象因子若每項(xiàng)因子對(duì)速度譜寬的貢獻(xiàn)近似看作相互獨(dú)立，則速度譜方差為各因子造成的方差之和，即 。四個(gè)因子中，不同降水粒子產(chǎn)生的下落末速度4對(duì)譜寬的影響一般較大水平時(shí)探測(cè)沒有影響，垂直影響最大），而湍流效應(yīng)3產(chǎn)生的多普勒譜寬，既依賴于湍流強(qiáng)度本身，也依賴于粒子對(duì)大氣湍流運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的靈敏程度，前兩個(gè)因子1）（2對(duì)譜寬的影響一般可忽略。22222wTbsv各因子對(duì)速度譜寬的貢獻(xiàn)一些

21、典型的氣象特征和條件可導(dǎo)致相對(duì)高的譜寬，它們包括：一些典型的氣象特征和條件可導(dǎo)致相對(duì)高的譜寬，它們包括： 氣團(tuán)的界面附近，如鋒面邊界和雷暴的出流邊界等；氣團(tuán)的界面附近，如鋒面邊界和雷暴的出流邊界等； 雷暴；雷暴； 切變區(qū)域；切變區(qū)域； 湍流；湍流； 風(fēng)切變；風(fēng)切變； 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。 一些非氣象條件也可使譜寬增加，包括：一些非氣象條件也可使譜寬增加，包括： 天線運(yùn)動(dòng)；天線運(yùn)動(dòng)； WSR-88DWSR-88D的內(nèi)部噪聲。的內(nèi)部噪聲。11.天氣多普勒雷達(dá)的應(yīng)用 一、測(cè)量大氣垂直速度當(dāng)多普勒雷達(dá)垂直指向天頂時(shí)，所測(cè)量的平均多普勒速度實(shí)際上是有效照射

22、體內(nèi)粒子的平均下落木速度和大氣垂直速度之和。若能近似估計(jì)某一直徑粒子的下落末速度或所有粒子的平均下落末速度，則可根據(jù)實(shí)測(cè)的平均多普勒速度算出大氣的垂直速度。目前主要有下三種測(cè)量方法。速度譜低端法w0-z關(guān)系法綜合測(cè)量法二、測(cè)量滴的譜分布當(dāng)降水中氣流的垂直運(yùn)動(dòng)速度W已知時(shí)，從5.1式可由雷達(dá)測(cè)得的多普勒平均徑向速度，計(jì)算出質(zhì)點(diǎn)的下降末速度。由于質(zhì)點(diǎn)的重力下降末速度與質(zhì)點(diǎn)的直徑之間存在著一定的關(guān)系，由此便可以導(dǎo)出雨滴滴譜分布N(D)。本方法對(duì)穩(wěn)定性降水效果較好，而對(duì)于對(duì)流云降水效果則比較差。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)大小不等，下降速度不等，而氣流垂直運(yùn)動(dòng)已知時(shí)，則先求質(zhì)點(diǎn)下降末速度，再求質(zhì)點(diǎn)大小。三、VAD技術(shù)測(cè)量水

23、平流場(chǎng)及降水量 什么是什么是VADVAD技術(shù)？技術(shù)？sin)(cos)cos()()(0fhRvvvVAD技術(shù)就是速度方位顯示方法、即讓雷達(dá)天線以某一固定的仰角作方位掃描，并把探測(cè)到的降水粒子在某一距離和方位上的徑向速度vR()記錄并顯示出來。（一)測(cè)量均勻流場(chǎng)的風(fēng)向風(fēng)速cos2)(21vvvh水平風(fēng)的來向，就是徑向速度最大時(shí)天線所指的方向。sin2)(21vvvf速度方位顯示產(chǎn)品速度方位顯示產(chǎn)品 算法假定在某一高度上風(fēng)場(chǎng)是均勻的。對(duì)于給定高度，算法根據(jù)用戶設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)徑向距離缺省16.2海里），選定與給定高度最接近的仰角資料。然后將該仰角中給定高度上每個(gè)距離庫(kù)上平均徑向速度點(diǎn)繪在徑向速度一方位

24、圖上，橫坐標(biāo)為方位角0或360為正北方向，180朝向正南），縱坐標(biāo)表示徑向速度。假如有25個(gè)以上非零數(shù)據(jù)點(diǎn)用戶設(shè)定），算法用最小二乘法擬合這些點(diǎn)，可得到一條正弦波曲線，正弦曲線的振幅表示水平風(fēng)速，正弦曲線上的波谷負(fù)值最大點(diǎn)所在方位角表示水平風(fēng)向。 (二)測(cè)量非均勻流場(chǎng)的風(fēng)向、風(fēng)速、輻散和形變(三)估計(jì)區(qū)域降水量(四)VAD作不均勻間隔采樣時(shí)確定風(fēng)場(chǎng)的方法 （自學(xué)）四、多部多普勒雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)風(fēng)場(chǎng) 1三部雷達(dá)方法探測(cè)風(fēng)場(chǎng) 2雙多普勒雷達(dá)探測(cè)單部多普勒雷達(dá)只能探測(cè)大氣目標(biāo)物相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度，從徑向速度分布特征再來推斷大氣流場(chǎng)的特點(diǎn)，因而，單部多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)能力是有限的，它不能直接探測(cè)空氣

25、運(yùn)動(dòng)的二維或三維的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，為了能從單部多普勒天氣雷達(dá)測(cè)得的徑向速度分布，從而推斷氣流的空間情況，必須作出一些假定。LhernitteLhernitte方法：方法：LhernitteLhernitte19681968年年) )提出了用三臺(tái)多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)提出了用三臺(tái)多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)的方案的方案. .這種方法的原理比較清楚，但這種方法的原理比較清楚，但實(shí)際上很難做到同步同時(shí)對(duì)準(zhǔn)空間某一實(shí)際上很難做到同步同時(shí)對(duì)準(zhǔn)空間某一點(diǎn)取樣。切實(shí)可行的代替方案是三個(gè)波點(diǎn)取樣。切實(shí)可行的代替方案是三個(gè)波束獨(dú)立地掃描，多距離同時(shí)取樣、記錄、束獨(dú)立地掃描，多距離同時(shí)取樣、記錄、然后用內(nèi)插方法計(jì)算各時(shí)刻、各

26、地點(diǎn)雷然后用內(nèi)插方法計(jì)算各時(shí)刻、各地點(diǎn)雷達(dá)的徑向速度。這樣做實(shí)際上隱含著整達(dá)的徑向速度。這樣做實(shí)際上隱含著整個(gè)測(cè)量過程中氣流分布是定常的假設(shè)，個(gè)測(cè)量過程中氣流分布是定常的假設(shè)，而且，資料處理程序非常復(fù)雜，運(yùn)用三而且，資料處理程序非常復(fù)雜，運(yùn)用三部雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)的實(shí)例還很少。而在部雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)的實(shí)例還很少。而在LhLhernitteernitte探測(cè)方案基礎(chǔ)上發(fā)展的幾種雙探測(cè)方案基礎(chǔ)上發(fā)展的幾種雙部天氣多普勒雷達(dá)探測(cè)的方法，已在一部天氣多普勒雷達(dá)探測(cè)的方法，已在一些探測(cè)試驗(yàn)中得到應(yīng)用。些探測(cè)試驗(yàn)中得到應(yīng)用。 1 1三部雷達(dá)方法探測(cè)風(fēng)場(chǎng)三部雷達(dá)方法探測(cè)風(fēng)場(chǎng) 2 2雙多普勒雷達(dá)探測(cè)雙多普勒雷達(dá)探測(cè)Br

27、owning等1968年提出，用一部雷達(dá)如圖作垂直指向，測(cè)量雷達(dá)的上空的云粒子的垂直運(yùn)動(dòng)徑向速度，另一部雷達(dá)設(shè)在距雷達(dá)一定距離，同時(shí)對(duì)垂直指向雷達(dá)的上空進(jìn)行探測(cè)。雷達(dá)的天線的方位角固定不變，改變仰角由1度到45度作多普勒徑向速度測(cè)量，這樣就可以得到點(diǎn)上空的垂直速度和水平風(fēng)速。這種方法仍然得不到對(duì)流云完整的三維結(jié)構(gòu)。Miller等人在年提出對(duì)兩部多普勒天氣雷達(dá)共面探測(cè)方案。該方案是、兩部雷達(dá)在同一個(gè)平面上掃描取樣。該平面與地平面的交線為、兩部雷達(dá)的基線。變化夾角對(duì)不同的平面共同取樣就可以得到三維流場(chǎng)資料。共面探測(cè)方案共面探測(cè)方案共面探測(cè)時(shí)兩部雷達(dá)天線掃描需要很好配合，才能系在同一面上掃描，操作仍

28、很困難。NSSL國(guó)家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室采用兩部雷達(dá)同時(shí)在、兩地各自進(jìn)行固定仰角的方位掃描，從仰角零度開始，每抬高度仰角進(jìn)行一次方位掃描，直到降水云頂為止，、兩個(gè)雷達(dá)站取得整個(gè)降水云體的多普勒速度資料 。資料處理步驟:對(duì)所得資料的處理方法是：先利用插值方法求出兩部雷達(dá)共面時(shí)的數(shù)據(jù)，再采用前述資料處理方法進(jìn)行處理。 為了能夠獲得最大不折疊距離探測(cè)范圍同時(shí)獲得最大為了能夠獲得最大不折疊距離探測(cè)范圍同時(shí)獲得最大的不模糊徑向速度，在雷達(dá)硬件工作模式方面，采用了連的不模糊徑向速度，在雷達(dá)硬件工作模式方面，采用了連續(xù)監(jiān)測(cè)模式續(xù)監(jiān)測(cè)模式CSCS、連續(xù)、連續(xù)DopplerDoppler模式模式CDCD和批模式和批模式

29、B B，對(duì)雷達(dá)脈，對(duì)雷達(dá)脈沖對(duì)數(shù)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行了組合，沖對(duì)數(shù)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行了組合，以適應(yīng)上述要求。以適應(yīng)上述要求。 在觀測(cè)模式方面，設(shè)有四種觀測(cè)模式，其中：降水模在觀測(cè)模式方面，設(shè)有四種觀測(cè)模式，其中：降水模式有式有VCP11VCP11模式和模式和VCP21VCP21模式兩種，以適應(yīng)不同降水類型的模式兩種，以適應(yīng)不同降水類型的需要。需要。CINRAD-SACINRAD-SA雷達(dá)由于發(fā)射機(jī)功率強(qiáng)大，接受機(jī)靈敏雷達(dá)由于發(fā)射機(jī)功率強(qiáng)大，接受機(jī)靈敏度高，還設(shè)有晴空模式：度高，還設(shè)有晴空模式：VCP31VCP31模式和模式和VCP32VCP32模式，用以探

30、模式，用以探測(cè)晴空湍流、風(fēng)切變等。在上述降水觀測(cè)模式中，為了達(dá)測(cè)晴空湍流、風(fēng)切變等。在上述降水觀測(cè)模式中，為了達(dá)到獲得最大探測(cè)不折疊距離和最大不模糊徑向速度，雷達(dá)到獲得最大探測(cè)不折疊距離和最大不模糊徑向速度，雷達(dá)采用了掃描方式與雷達(dá)參數(shù)相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。采用了掃描方式與雷達(dá)參數(shù)相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。12. WSR-88D12. WSR-88D取樣技術(shù)：取樣技術(shù)：硬件工作模式和觀測(cè)模式硬件工作模式和觀測(cè)模式WSR-88DWSR-88D硬件工作模式硬件工作模式WSR-88DWSR-88D使用不同的技術(shù)從大氣中搜集反射率因子和速度數(shù)據(jù)。使用不同的技術(shù)從大氣中搜集反射率因子和速度數(shù)據(jù)。這些

31、技術(shù)使用不同的這些技術(shù)使用不同的PRFPRF脈沖重復(fù)頻率測(cè)量反射率因子和脈沖重復(fù)頻率測(cè)量反射率因子和速度數(shù)據(jù)：用低速度數(shù)據(jù)：用低PRFPRF測(cè)反射率因子，用高測(cè)反射率因子，用高PRFPRF測(cè)速度。測(cè)速度。 1 1、連續(xù)監(jiān)測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)Contiguous SurillanceContiguous Surillance簡(jiǎn)簡(jiǎn)寫為寫為 CS CS方式方式, , 這是一個(gè)常定的低這是一個(gè)常定的低PRFPRF長(zhǎng)長(zhǎng)PRTPRT和長(zhǎng)和長(zhǎng)RmaxRmax模式），為確定準(zhǔn)確的目標(biāo)位模式），為確定準(zhǔn)確的目標(biāo)位置和強(qiáng)度。在置和強(qiáng)度。在VCP11VCP11、2121、3232中，它用于最中，它用于最低的兩個(gè)仰角；在低的

32、兩個(gè)仰角；在VCP31VCP31中，它用于最低的中，它用于最低的3 3個(gè)仰角。因?yàn)榇蟮膫€(gè)仰角。因?yàn)榇蟮腞maxRmax值低值低PRFPRF），所以），所以不需要使用距離去折疊算法。不需要使用距離去折疊算法。 2 2、連續(xù)多普勒、連續(xù)多普勒Contiguous DopplerContiguous Doppler簡(jiǎn)寫為簡(jiǎn)寫為 CDCD方式方式, , 這是一個(gè)常定的高這是一個(gè)常定的高PRFPRF短短PRTPRT、短、短RmaxRmax和高和高VmaxVmax形式，用它可以測(cè)量準(zhǔn)確的速形式，用它可以測(cè)量準(zhǔn)確的速度和譜寬數(shù)據(jù)。它用于度和譜寬數(shù)據(jù)。它用于VCP11VCP11、2121、3232中最低中最低

33、的兩個(gè)仰角；用于的兩個(gè)仰角；用于VCP31VCP31中最低的中最低的3 3個(gè)仰角。由個(gè)仰角。由于是短于是短RmaxRmax高高PRFPRF），所以必須使用距離去），所以必須使用距離去折疊算法。折疊算法。3 3、Batch(B) Batch(B) 方式方式 這種技術(shù)是在中間仰角這種技術(shù)是在中間仰角2.5-6.52.5-6.5）的每個(gè)仰角交替使用高低）的每個(gè)仰角交替使用高低PRFPRF。這技術(shù)只用于這技術(shù)只用于VCP11VCP11、2121、3232不用于不用于VCP3VCP31 1）。此時(shí)地物雜波不是個(gè)問題。低的）。此時(shí)地物雜波不是個(gè)問題。低的PRFPRF脈脈沖重復(fù)頻率可以得到長(zhǎng)的沖重復(fù)頻率可以

34、得到長(zhǎng)的RmaxRmax最大不模糊最大不模糊距離），同時(shí)高的距離），同時(shí)高的PRFPRF可以給出更精確的速度可以給出更精確的速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 4 4、連續(xù)多普勒、連續(xù)多普勒X XCDXCDX或沒有距離折疊的連續(xù)多普勒或沒有距離折疊的連續(xù)多普勒方式方式, , 這是一種在較高仰角（這是一種在較高仰角（77）使用高）使用高PRFPRF獲取速獲取速度數(shù)據(jù)的技術(shù)。度數(shù)據(jù)的技術(shù)。 數(shù)據(jù)沒經(jīng)過距離去折疊處理，因?yàn)闆]數(shù)據(jù)沒經(jīng)過距離去折疊處理，因?yàn)闆]有必要。例如：用有必要。例如：用7.57.5仰角時(shí)，仰角時(shí)，62 nm62 nm最短的最短的CDRmaCDRmax x處雷達(dá)波束的高度已達(dá)處雷達(dá)波束的高度已達(dá)50,

35、00050,000英尺，產(chǎn)生距離折疊英尺，產(chǎn)生距離折疊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的的所有仰角的掃描，用于所有仰角的掃描，用于VCP31 VCP31 中大于中大于3 3仰角的掃描，仰角的掃描，但不在但不在VCP32 VCP32 中使用。中使用。 5 5、分離掃描方式、分離掃描方式(split cut), (split cut), 雷達(dá)在最低雷達(dá)在最低的的2 2個(gè)仰角分別使用個(gè)仰角分別使用CSCS和和 CD CD進(jìn)行重復(fù)掃描。進(jìn)行重復(fù)掃描。從最低仰角開始一個(gè)完整的從最低仰角開始一個(gè)完整的360360CSCS波形掃波

36、形掃描，然后仍在這個(gè)仰角進(jìn)行完整的描，然后仍在這個(gè)仰角進(jìn)行完整的360360CDCD波形掃描。然后，天線才抬升到第波形掃描。然后，天線才抬升到第2 2個(gè)仰角，個(gè)仰角，分別進(jìn)行分別進(jìn)行360360CSCS掃描和掃描和360360CDCD掃描。掃描。 在在中仰角，雷達(dá)用中仰角，雷達(dá)用BatchBatch技術(shù)，每個(gè)仰角掃一技術(shù)，每個(gè)仰角掃一遍遍360360）。然后，雷達(dá)仰角進(jìn)一步抬高，）。然后，雷達(dá)仰角進(jìn)一步抬高，在每個(gè)仰角用在每個(gè)仰角用CDXCDX進(jìn)行進(jìn)行360360掃描。掃描。u VCP11 - VCP11 VCP11 - VCP11scan strategy #1scan strategy #

37、1，version 1version 1規(guī)規(guī)定定5 5分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)1414個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于測(cè)云和降雪。個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于測(cè)云和降雪。u VCP21 - VCP21 VCP21 - VCP21 （scan strategy #2scan strategy #2，version 1version 1規(guī)規(guī)定定6 6分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)9 9個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于較強(qiáng)的大氣個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于較強(qiáng)的大氣對(duì)流。對(duì)流。u VCP31 - VCP31 VCP31 - VCP31 （scan strategy #3scan strategy #3，version 1

38、version 1規(guī)規(guī)定定1010分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)5 5個(gè)具體仰角的掃描方式。主要用于低層晴空大個(gè)具體仰角的掃描方式。主要用于低層晴空大氣觀測(cè)。氣觀測(cè)。u VCP32 - VCP32 VCP32 - VCP32scan strategy #3scan strategy #3，version 2version 2確確定的定的1010分鐘完成的分鐘完成的5 5個(gè)具體仰角與個(gè)具體仰角與VCP31VCP31相同。不同之處在于相同。不同之處在于V VCP31CP31使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而VCP32VCP32使用短脈沖。使用短脈沖。WSR-88DWSR-88D觀測(cè)模式觀測(cè)模式VCP11 VCP1

39、1 規(guī)定規(guī)定5 5分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)1414個(gè)具體仰角的掃描方式。個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于測(cè)云和降雪。一般用于測(cè)云和降雪。VCP21 VCP21 規(guī)定規(guī)定6 6分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)9 9個(gè)具體仰角的掃描方式。個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于較強(qiáng)的大氣對(duì)流。一般用于較強(qiáng)的大氣對(duì)流。VCP31 VCP31 規(guī)定規(guī)定1010分鐘內(nèi)對(duì)分鐘內(nèi)對(duì)5 5個(gè)具體仰角的掃描方式。個(gè)具體仰角的掃描方式。主要用于低層晴空大氣觀測(cè)。主要用于低層晴空大氣觀測(cè)。VCP32 VCP32 確定的確定的1010分鐘完成的分鐘完成的5 5個(gè)具體仰角與個(gè)具體仰角與VCP31VCP31相同。不同之相同。不同之處在于處在于VCP31VC

40、P31使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而VCP32VCP32使用短脈沖。使用短脈沖。新一代多普勒雷達(dá)基本構(gòu)成新一代多普勒雷達(dá)基本構(gòu)成 WSR-88D 結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖 地物雜波抑制，模數(shù)轉(zhuǎn)換和多普勒資料距離退折疊。 基于電磁波的散射特性基于電磁波的散射特性, ,電磁波不僅有強(qiáng)度特性，電磁波不僅有強(qiáng)度特性，還有偏振特性。還有偏振特性。 通常用電場(chǎng)矢量在垂直于波傳播方向平面內(nèi)通常用電場(chǎng)矢量在垂直于波傳播方向平面內(nèi)的變化軌跡來描述偏振狀態(tài)。依其軌跡為線、圓的變化軌跡來描述偏振狀態(tài)。依其軌跡為線、圓和橢圓而分為線偏振、圓偏振和橢圓偏振波，且和橢圓而分為線偏振、圓偏振和橢圓偏振波，且發(fā)射相應(yīng)偏振波的雷達(dá)分

41、別叫線偏振、圓偏振和發(fā)射相應(yīng)偏振波的雷達(dá)分別叫線偏振、圓偏振和橢圓偏振雷達(dá)。橢圓偏振雷達(dá)。13.13.偏振雷達(dá)的探測(cè)原理偏振雷達(dá)的探測(cè)原理 根據(jù)散射理論,在忽略傳輸介質(zhì)的影響時(shí),球形散射體對(duì)給定偏振電磁波的后向散射電磁波仍然是單一偏振電磁波,即不產(chǎn)生退偏振效應(yīng)。但對(duì)于非球形粒子,其后向散射電磁波除了與入射波偏振狀態(tài)相關(guān)的主分量外,還有不同的正交分量,其大小反映了偏離球形狀態(tài)的程度,這就是退偏振效應(yīng)。由于云內(nèi)許多水成物粒子都不是理想的球體,而且粒子的軸在空間分布上存在優(yōu)勢(shì)取向,所以可用偏振技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研究,這就是偏振氣象雷達(dá)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。偏振雷達(dá)的探測(cè)原理偏振雷達(dá)的探測(cè)原理20世紀(jì)世紀(jì)50年代

42、年代,科學(xué)家就對(duì)水成物粒子對(duì)偏振波的后向散射效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)家就對(duì)水成物粒子對(duì)偏振波的后向散射效應(yīng)進(jìn)行了研究。了研究。60年代蘇聯(lián)科學(xué)家用偏振方法研究云和降水年代蘇聯(lián)科學(xué)家用偏振方法研究云和降水,試圖確定降水物相態(tài)和試圖確定降水物相態(tài)和評(píng)價(jià)人工影響天氣的效果。評(píng)價(jià)人工影響天氣的效果。60年代末年代末, 加拿大科學(xué)家研制成高精度雙通道圓偏振雷達(dá)起加拿大科學(xué)家研制成高精度雙通道圓偏振雷達(dá)起,偏振雷偏振雷達(dá)的氣象應(yīng)用研究才真正開展起來。達(dá)的氣象應(yīng)用研究才真正開展起來。到了到了70年代中期年代中期,美國(guó)科學(xué)家提出美國(guó)科學(xué)家提出了雙線偏振雷達(dá)的理論了雙線偏振雷達(dá)的理論,并在外場(chǎng)試驗(yàn)中取得成功后并在外場(chǎng)試驗(yàn)中取得成功后,偏振雷達(dá)才如雨偏振雷達(dá)才如雨后春筍般發(fā)展起來。后春筍般發(fā)展起來。80年代法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)都相繼發(fā)展了自己年代法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)都相繼發(fā)展了自己的偏振雷達(dá)。的偏振雷達(dá)。中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所(原蘭州高原大氣所原蘭州高原大氣所)也研制成也研制成功了我國(guó)第一部線圓偏振和功了我國(guó)第一部線圓偏振和5波長(zhǎng)雙線偏振雷達(dá)。并開展了雙