多普勒雷达复习提要.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多普勒雷达复习提要.精品文档.多普勒天气雷达复习提要一、多普勒天气雷达探测基本原理（一）多普勒天气雷达主要参数天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁脉冲遇到降水物质（雨滴、雪花和冰雹等）时，大部分能量继续前进，而少部分能量被降水物质向四面八方散射，其中向后散射的能量回到雷达天线，被雷达所接收。根据雷达接收的降水系统回波特征可以判别降水系统的特性(降水强弱、有无冰雹、龙卷和大风等)。多普勒天气雷达除了测量雷达的回波强度外，还测量降水目标物沿雷达径向的运动速度和速度脉动程度。1、波长：是雷达发射的电磁波波长。天气雷达的波长通常为10公分、5公分、3

2、公分三种，分别称为S波段、C波段、X波段。2、脉冲重复频率PRF 天气雷达间歇地发射脉冲形式的电磁波，每秒钟发射脉冲的个数称为脉冲重复频率（PRF）。两个相继脉冲之间的时间间隔称为脉冲重复周期（PRT）,他等于脉冲重复频率的倒数。3、脉冲持续时间和脉冲长度 天气雷达脉冲持续时间一般为一到几个微米左右。假设某部天气雷达的相继脉冲之间的间隔为1000微秒，其脉冲持续时间为2微秒左右，则剩余的998微秒是雷达接收来自目标物回波的时间。发射脉冲的持续时间确定了脉冲在空间的长度。例如CINRAD-SA型多普雷天气雷达的窄脉冲持续时间为1.57微秒，脉冲在空间的长度约为500m。4、波束宽度雷达发射的能量

3、主要集中在主瓣内(图2.8a)，其中主瓣内两个半功率点（及该处功率为最大的一半）之间角度大小称为波束宽度。在垂直方向的波束宽度用表示，在水平方向的波束宽度用表示。我国多普勒天气雷达的波束宽度大多为1左右。5、有效照射深度和有效照射体积雷达发出的脉冲具有一定的持续时间，在空间的电磁波列就有一定的长度h=c。位于波束宽度和波束长度范围内的所有粒子都可以同时被雷达波束所照射。但是其中所有粒子产生的回波并不是都能同时回到雷达天线。在径向方向上，粒子的回波信号能同时返回雷达天线的空间长度为h/2，称为雷达的有效照射深度。在波束宽度和的范围内，粒子产生的回波能同时到达雷达天线的空间体积，称为有效照射体积。

4、（二）粒子对电磁波的散射1、用后向散射截面表示降水粒子后向散射能力。图2.1所示，随着粒子直径的增大后向散射截面迅速增大。2、瑞利散射：当降水粒子直径远小于脉冲电磁波的波长（确切的说，降水粒子的6倍不超过入射电磁波的波长）时，满足此条件的粒子散射称为瑞利散射。对于S波段雷达，几乎全部的雨滴和霰及部分小冰雹的散射可以作为瑞利散射处理，而大冰雹就不能作为瑞利散射处理。对于C波段雷达，只有雨滴的散射可以作为瑞利散射处理。对于不满足瑞刭散射条件的粒子散射，后向散射截面不存在简单的解析式。（三）雷达气象方程与反射率因子可以推得雷达平均回波功率可用下式表达： 其中式中r为散射目标物到雷达的距离；Z为单位体

5、积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子，c只决定于雷达参数和降水相态。式中pt为峰值发射功率，G为天线增益，h脉冲长度，为波长。K为与构成散射粒子的物质的复折射指数有关。在满足瑞利散射的条件下，水球k2的值对于S、C和X波段雷达均为0.93左右，冰球k2的值为0.197，也就是说冰球的后向散射截面大约只有同样大小的水球的1/5。在雷达中，反射率因子是根据雷达方程有雷达测得的平均回波功率得到。反射率因子变化区间很大，常用反射率因子的对数形式dBZ来表示反射率因子的大小。 (Z0=1mm6/m3)（四）多普勒效应和径向速度 、多普勒效应:当声波的声源相对于观察者有相对运动时,观察者听到的声波的

6、频率比声源静止时有所变化,如果发声源向着观察者运动,则频率增加,向着离开观察者方向运动,则频率降低。电磁波同样也存在多普勒效应，对于天气雷达而言，当降水粒子向着雷达运动时，其产生的回波的频率略高于发射波的频率，而当降水粒子向着远离雷达方向运动时，产生的回波频率略低于发射波的频率（图2.13）。这种所谓多普勒移频的大小与降水粒子沿雷达径向的速度成正比，通过多普勒移频的测定可以推断降水目标物沿着雷达径向的速度。、平均径向速度：雷达最终给出的径向速度是多个脉冲对得到的径向速度的平均值，称为为平均径向速度，而相应的标准差称为谱宽。通常采用几十对脉冲的统计得到平均径向速度和相应的谱宽。（五）距离折叠与速

7、度模糊距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物的位置一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置方位角是正确的，但距离是错误的。当目标物位于最大不模糊距离Rmax以外时，雷达把目标物显示在Rmax以内的某个位置，形象称之为“距离折叠”。多普勒雷达径向速度的测量也存在一个范围，即存在一个最大不模糊速度，其表达式为：只有当径向速度在-Vmax到+Vmax范围时。多普勒雷达在可以给出正确的速度值，当实际降水粒子的速度值在上述范围之外时，雷达将给出错误的速度值，这一现象称为速度模糊。在同样的脉冲重复频率条件下，S波段优于C、X波段，C波段优于X波段。“多普勒两难”（六）雷达波在大气中传播1、雷达波束

8、的偏折和弯曲大气中某高度折射指数取决于该高度上的气温、气压和水气压。大气折射指数随高度递减，则水平射出的雷达波束向下弯曲，反之，如果大气折射指数随高度递增，则水平射出的雷达波束向上弯曲，如果大气折射指数随高度不变，则水平射出的雷达波束将沿直线传播。 超折射：当波束路径的曲率大于地球表面曲率时，即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，然后再弯曲到地面，在经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前传播，称为大气波导传播，又称超折射。 形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反射波也沿同样路径返回雷达天线，所以在雷达屏上的地物回波增多，增强，通常称为

9、超折射回波。2、雷达波束在大气中的衰减 降水对不同波段的雷达波的衰减差异很大，随着波长的增加，雨对雷达波的衰减迅速减小；冰雹对C、X波段雷达衰减非常严重，特别是X波段雷达。二、雷达基本图像识别基础 （一）雷达图像的PPI显示在主用户处理器PUP屏幕上分析一张雷达图时，实际上是在圆锥的俯视平面图上分析空间的雷达回波。这种固定仰角的雷达显示方式称为PPI显示。PUP上显示的雷达回波高度是假定大气为标准情况下的高度，如果大气偏离标准状态较多根据公式测得的高度就会发生较大误差，如超折射。PUP上显示的是波束的中心高度，如果回波距离雷达较远，波束宽度较宽，也会造成高度的估计误差。（二）反射率因子1、降水

10、回波积云降水回波：具有比较密实的结构，反射率因子空间梯度较大，其强中心反射率因子一般在35Dbz以上；层状云降水回波：降水回波比较均匀，反射率因子空间梯度较小，反射率因子一般大于15 Dbz（有些毛毛雨产生的反射率因子一般小于10 Dbz）而小于35Dbz；层状云和积云混合降水回波：以层状云降水为主的回波，在大片层状云降水中有少量对流云团；以积状云为主的回波的混合降水回波，降水中心集中在中尺度对流雨带内。零度层亮带：层状云和积云混合降水回波另一个显著特征就是0等温层附近出现反射率因子较高的环形区域。通常较高的仰角(2.4)上比较明显。2、非降水回波地物杂波：地物回波包括固定地物回波和超折射地物

11、回波。晴空回波： Bragg散射：水汽的脉动导致微尺度的大气折射指数梯度对雷达波的散射造成的，大气的折射指数梯度空间相当于雷达波长二分之一时散射最强，称为Bragg散射。？昆虫散射：大气低层昆虫散射造成的。特别是昆虫沿着边界层辐合线集中可以得到边界层辐合线以窄带回波的形式显示在雷达图上。非降水云的回波：非降水云中零度层亮带回波。其他回波： 飞机、大火回波。（三）径向速度图1、大尺度连续风场的识别（1）径向速度：多普勒天气雷达在离开雷达的任何一点只能测量该处降水物质沿雷达的径向速度。（2）在pup上，离开雷达的方向的径向速度为正，用暖色表示，称为出流速度；流向雷达的速度为负，用冷色表示，称为入流

12、速度。当实际风速为零或雷达波束与实际风向垂直时，径向速度为零，称为零速度。（3）判断实际风要判断某一高度的风向、风速，首先需要确定该高度与某一个仰角扫描成的圆锥相交得到的圆环，根据该圆环径向速度分布特征，确定该圆环所在高度的风向风速。风向的确定首先确定径向速度零线与圆环的交点，由雷达中心沿径向划一直线到该点，从该点划一矢量垂直此直线，方向从入流径向速度一侧到出流径向速度一侧，此矢量即是该点所在高度的实际风向。风速的确定沿着圆环寻找离开雷达和向着雷达速度旳极值，二者绝对值的平均值就是该高度上的平均值就是该高度上的平均风速。（4）大尺度连续风场的识别其中虚线代表向着雷达速度等值线，实线代表离开雷达

13、速度等值线，粗实线代表径向速度零线。速度方位显示风廓线的例子（5）锋区的识别2、中尺度速度图像特征 中尺度系统的速度图像特征不是在整个PUP显示屏范围内识别，而是在屏上选择包含整个中尺度系统的小区域，将其放大显示。首先确定其相对雷达的方位，并近似认为选择的小区域在同一个高度层上。三、雷暴的分类及其雷达回波特征（一）雷暴的分类1、对流单体：通常以一块紧密的雷达反射率因子区或造成深对流的强上升气流区为标志。2、对流风暴：通常由一个和多个对流单体组成，风暴单体具有强烈的垂直运动并激发深对流的产生。对流风暴通常分为普通单体风暴、多单体风暴、线风暴（飑线）和超级单体风暴四类。（1）普通单体风暴的演化过程

14、通常包括塔状积云阶段、成熟阶段和消亡阶段三个阶段。塔状积云阶段：初始雷达回波的水平为1km左右，垂直尺度略大于水平尺度；初始回波形成后，随着水滴和雪花等水成物不断生成和增长，回波向上向下同时增长，但回波不及地，最强回波一般在云体中上部。成熟阶段：雷达回波及地，云砧回波可延伸数十公里至上百公里，其实际水平尺度可达100200km。消亡阶段：回波强中心有较高高度迅速下降到地面附近，回波垂直高度迅速降低，回波强度减弱，并且分裂消失。（2）多单体风暴和飑线多单体风暴：不断有单体在多单体风暴固定一侧生成，然后增长、成熟、衰减，使得强烈多单体风暴持续数小时。飑线：呈线状排列的对流单体族，其超过35dbz的

15、部分长宽之比大于5：1，构成飑线的各个单体之间有相互作用并产生大风，飑线经过时，常常伴有地面大风、气压涌升、气温陡降。飑线前沿有强反射因子梯度区，相应经向速度呈现很强的辐合。（3）超级单体风暴中气旋中气旋是指尺度小于10km的涡旋，满足或超过一定的旋转（切变） 、垂直伸展和持续性判据。 定义1：垂直涡度大于等于10-2s-1，垂直伸展超过风暴垂直尺度的1/3，持续2个体扫。 定义2：将中气旋分为弱、中、强三个等级，旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。经典超级单体风暴深厚持续的中气旋是超级单体风暴最本质的特征，它产生在中等到强的垂直风切变（还有丰富底层水汽、大的垂直不稳定度、强的对流前暖盖）环

16、境中。当一个风暴加强到超级单体风暴阶段，其上升气流基本是竖直的，回波顶移过底层反射率因子的高梯度区而位于一个持续的有界弱回波区之上，在其生命期某些阶段，其右后方（相对于风暴的运动而言）的底层展现钩状回波。其伴随的天气有各种级别的龙卷、冰雹、下击暴流、暴洪。强降水（HP）超级单体风暴强降水超级单体风暴通常在底层有丰富的水汽、较低的LFC(自由对流高度)和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得以发展和维持。强降水超级单体的中气旋常常被包裹在强降水区中，显示为或包含一个宽广的高反射率因子（50dbz）的钩状回波，或包含一个与WER相联系的前侧“V”字缺口（FFN），表明前侧有一个中气旋存在，其伴随的天气有各

17、种级别的龙卷、冰雹、下击暴流、暴洪。强降水超级单体风暴在底层反射率因子回波特征及其意义：1）宽广的钩状、逗点状和螺旋状的回波表明强降水包裹着中气旋；2）前侧V型缺口回波表明强的入流气流进入上升气流；3）后侧V型缺口回波表明强的入流气流进入上升气流；弱降水超级单体风暴 弱降水（LP）超级单体风暴出现的环境低层具有较低的湿度和较高的LFC(自由对流高度)，几乎所有的弱降水超级单体都出现在干线（露点锋）附近。其反射因子相对较小，有时在风暴后侧可探测到一个与中气旋相联系的弱回波区WER，其伴随的天气现象主要是大冰雹，有时也会产生龙卷。同时弱降水超级单体风暴会演变成经典或强降水超级单体风暴。（）风暴的移

18、动风暴回波移动是平流和传播的合成风暴的平流：由于风暴由流动的气流组成，因此，风暴具有平流运动，其中单个风暴单体是随着风暴承载层 （对流层中层）的平均风方向而平流的。风暴的传播风暴的传播是指在风暴某侧由新生单体所引发的风暴运动。传播常常为新上升气流发展的方向。多单体风暴的传播是不连续的，即新生单体以一系列离散过程周期性地发展。超级单体风暴的传播可视为连续的（或者可以认为上升气流泡连续脉动)。当环境为强气流控制时，风暴运动主要取决于平流；而当环境气流较弱时，风暴运动主要取决于传播。 四、雷暴和强对流的环境背景（一）雷暴形成的三个要素（大气层结不稳定、水汽、抬升触发）强冰雹、强龙卷和区域性雷暴大风还

19、需要有较强的垂直风切变。1、大气层结不稳定大气垂直层结稳定度 T-lnP图上正负能量区和CAPE、CIN 对流有效位能CAPE（J/kg）： CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流发展的潜势增加 。指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。在T-logP图上，CAPE正比于气块上升曲线（状态曲线）和环境温度曲线（层结曲线）从自由对流高度（LFC）至平衡高度（EL）所围成的区域的面积。对流抑制CIN。气块在特定环境中绝热上升的最大垂直速度W max理论上取决于CAPE向动能的转换程度。CAPE和W max的关系表达式如下：W max(2CAPE)

20、 1/2 实际最大速度只能达到上述值的一般左右，最大不会超过2/3。探空订正：早上08点的探空通常需要订正才能使用，主要是近地层温度和露点订正；两种订正方法：连续监视地面露点和温度，进行连续订正；CAPE订正 I ： 原地订正预报午后地面温度或露点；CAPE订正 II：对流温度方法；CAPE订正 III：上游探空积云的存在指示不稳定的存在，尽管无法判断不稳定的程度和不稳定层的深厚程度。利用可见和红外云图上积云的位置和发展推断大气稳定度。雷达估计的过去1小时雨量，它可以用来指示哪些地方降水引起局地冷却。因此降水区更稳定，进一步发生雷暴的可能性减小。这个场在天气尺度强迫较弱的情况下更有指示性，此时

21、边界层不稳定起主要作用。从水汽图判断系统演变和高空干冷平流。数值预报模式探空预报。2、水汽 雷暴的发展要求低层有足够的水汽供应。雷暴常形成于低层有湿舌或强水汽辐合的地区。水汽条件通常用低层露点或比湿（混合比）表示。3、抬升触发天气尺度上升运动往往不足以触发雷暴或DMC，其作用主要是使大气稳定度降低。 雷暴多数由中尺度系统的上升运动触发：雷暴触发的主要机制包括边界层辐合线（冷锋、干线、雷暴出流、海风锋、水平对流卷（HCRs）、其他类型辐合线）、地形抬升和中尺度重力波。（二）垂直风切变垂直风切变的作用： 上升与下沉气流分开； 出流边界不远离雷暴主体； 增加低层相对风暴入流； 产生水平涡度，扭曲成为

22、垂直涡度； 垂直涡度与风切变相互作用产生向上垂直气压梯度力，增加上升气流强度和导致雷暴右移。一般用地面到地面以上6km高度（500hpa）的风矢量差来表示深层垂直风切变。20 m/s，强垂直风切变：五、灾害性对流天气多普勒天气雷达主要回波特征和临近预报方法（一）冰雹1、环境条件(1)-10-20有效位能CAPE;(2) 0-6km垂直风切变；(3) 湿球温度0C层的高度离地面不宜太高求某一气压层对应的湿球温度：从该气压层的温度出发，让气块从该气压层沿着干绝热曲线上升直到与该气压层露点对应的等饱和比湿线相交；然后从两线交点处沿着湿绝热线下降到气块的起始气压高度，所对应的温度即为该气压层的湿球温度

23、。对不同气压层重复上述过程，则得到不同气压层的湿球温度；将不同气压层的湿球温度点连接起来，则得到湿球温度垂直廓线，而该垂直廓线与0C等温线的交点对应高度即为湿球温度零度（WBZ）高度。在实际过程中，可以只在T-LogP图上垂直温度坐标0C附近求得两个湿球温度的点，将这两个点用直线连在一起，该直线段与T-LogP图上垂直温度坐标0C等值线的交点所对应的高度即是湿球温度0C（WBZ）高度。2、雷达回波特征（1）反射率因子特征高悬的强回波：50dBZ的反射率因子垂直扩展到-20等温线以上；低层弱回波区WER和中高层回波悬垂；低层反射率因子强梯度和回波顶偏移；有界弱回波区BWER；三体散射长钉（TBS

24、S）C波段雷达强冰雹的附加特征：“V”形缺口（2）径向速度：风暴顶辐散，中气旋（二）雷暴大风1、环境条件(1)对流层中层存在干层；(2)对流层中下层温度直减率较大；(3)对流有效位能CAPE、下沉对流有效位能DCAPE2、弱垂直切变条件下的孤立下击暴流(1)下击暴流定义(2)干下击暴流(3)湿下击暴流3、中等以上风切变条件下的雷暴大风（1）弓形回波：在弓形回波前沿（入流一侧）存在着高反射率因子梯度区；在弓形回波的入流一侧存在着弱回波区WER(早期阶段)； 回波顶位于WER或高反射因子之上；弓形回波后侧存在着弱回波通道或RIN,表明存在强的下沉后侧入流急流。（2）中层径向辐合MARC：代表由前向

25、后的强上升气流和后侧入流急流之间的过渡区，如果在37km的范围内速度差值达到2050m/s，则MARC特征被认为是显著的。(3)低层径向速度大值区（距地面1km内径向速度20m/s以上）（三）短时强降水1、环境条件（1）低层露点较大，温度露点较小；（2）整层相对湿度可以很大，也可以不大；（3）深层垂直风切变可以较弱，也可以较强；（4）暖云层厚度较大；2、雷达回波特征（1）雨强估计（Z-R关系）中高纬度大陆性强对流降水型 Z=300R1.4热带降水型 Z=230R1.2540dBZ45dBZ50dBZ大陆强对流降水型12mm/h28mm/h62mm/h热带降水型20mm/h50mm/h130mm

26、/h（2）低空急流的识别（3）降水持续时间的估计（四）各类强对流天气的环境背景异同1、分类纯粹短时强降水短时强降水、冰雹或/和雷暴大风共存以冰雹为主以雷暴大风为主2、主要区别可以从T-LogP图温湿曲线形态，500-700hPa和850-500hPa温差，地面和地面以上1.5km处的露点温度，地面以上1.5km差温度露点差、对流有效位能CAPE和0-6km垂直风切变诸方面来对有效区分上述四种类型强对流天气的环境背景。纯粹的短时强降水天气（包括I、II型）与以冰雹为主的天气、以雷暴大风为主的天气的环境背景的区别是比较显著的，前者与后两者相比主要表现在比较小的500-700hPa和850-500h

27、Pa温差，比较小的垂直风切变，比较大的地面和地面以上1.5km处的露点温度，其中纯短时强降水I型（占了纯短时强降水的大多数）以其整层相对比较高的相对湿度与其他类型强对流的背景差异最为明显；短时强降水伴随冰雹和/或雷暴大风天气与以冰雹为主天气、以雷暴大风为主天气在T-LogP图温湿曲线形态、对流有效位能CAPE、0-6km垂直风切变诸方面特征相似，表现为对流层中层存在明显干层、比较大的对流有效位能CAPE和0-6km垂直风切变，但其在相对较高地面露点和地面以上1.5km处露点、以及较小的850-500hPa温差诸方面与纯短时强降水更为接近，同时低层存在明显湿层（至少扩展到地面以上1.5km)。四

28、种强对流天气部分参数表类型0层高度（km）-20层高度（km）LCL（km）EL（km）LFC（km）Tsd（）T75（）T85（）Shear(10-3 s-1)Td1.5（）T-Td1.5（）强降水I5.08.60.4312.51.324.114.823.42.117.02.1强降水II4.98.40.7613.31.522.715242.016.32.8共存4.57.60.7212.01.822.416.827.02.914.25.2雷雨大风4.06.81.310.62.516.018.330.53.37.311.3冰雹4.37.01.310.92.618.618.729.03.010.97.8（四）雷暴和强对流天气预报流程是否会出现对流性天气？雷暴生成三要素；如果会有对流性天气，会不会有强对流？如果有强对流，是那种和哪几种类型？对流风暴的主要形态是什么？松散的多单体风暴, 高度组织化的多单体风暴？超级单体风暴？会不会出现飑线？风切变矢量与地面边界交角大小。