多普勒天气雷达原理与应用4-强对流风暴及其雷达回波特征

第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品第一章 我国新一代天气雷达原理一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。

二、了解电磁波的散射、衰减、折射散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。

衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。

折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。

2/3730/776.0T e T P N +=波束直线传播波束向上弯曲波束向下弯曲000=><dz dN dzdN dzdN三、了解雷达气象方程 在瑞利散射条件下，雷达气象方程为：()22232ln 1024K h G P c t λθϕπ=Z r c P r 2=其中Pr 表示雷达接收功率，Z 为雷达反射率，r 为目标物距雷达的距离。

Pt 表示雷达发射功率，h 为雷达照射深度，G 为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。

四、了解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，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。

距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。

当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。

强对流天气中多普勒天气雷达和闪电定位资料的应用分析摘要利用近30年观测资料统计分析安徽强对流天气的气候分布特征。

分析多普勒天气雷达和闪电定位资料在安徽强对流天气中的应用。

最后介绍了目前较为先进的NCAR自动临近预报系统中区域追踪技术（CTREC）和雷暴识别、跟踪、分析和临近预报技术（TITAN）以及这二种技术的应用能力。

主要结果和创新点如下：1 安徽省雷暴、雷雨大风、冰雹的气候时空分布特征:安徽的雷暴分布在地理位置上呈现出随纬度增加雷暴减少和山区多平原少的特征，说明雷暴与纬度、地形这二个因素有关。

在季节上表现为冬季少，夏季多，7月是一年中雷暴最多的月份，但气温仍较高的9月其雷暴迅速减少，减到与3月相近，说明雷暴的产生和地面气温有关，但地面气温只是其中的一个影响因素，更多的影响因子是一个值得研究的问题。

雷雨大风和冰雹易出现在山区（皖南山区和大别山区）和沿淮东部。

雷雨大风主要出现在4～8月， 7月最多，其次是8月。

冰雹主要出现在3～8月， 3月最多，其次是5月，虽然7月最易出现雷暴，但冰雹不是最多，主要原因可能是0℃层太高，既不利于冰雹的形成，也使冰雹在下落过程中容易融化掉。

2 多普勒天气雷达在2002年8月24日飑线过程的分析应用结果：（1）多普勒雷达上飑线回波呈现弓形，伴有雷暴出流边界。

飑线前沿与强回波相对应处有辐合或伴有中气旋。

（2）飑线中的雷暴群其垂直结构基本是一致的，呈现前倾结构。

（3）边界层辐合线对飑线中的雷暴新生和演变有较好的指示性。

首先边界层辐合线与雷暴之间距离的变化一定程度上可以预示未来雷暴强弱的变化：边界层辐合线快速远离雷暴时，雷暴将迅速减弱；距离变化不大时，雷暴一般也基本维持原来的强度。

其次边界层辐合线相交处易新生雷暴或使移到此处的雷暴加强。

3 多普勒天气雷达和闪电定位资料分析2003年7月8日安徽无为龙卷表明：(1) 这次F3级龙卷在强度场上不同于经典结论，而类似于普通雷暴（雷达反射率因子35dBZ～50 dBZ，回波顶高6～9km，这一特征在雷暴的临近预报中值得警惕）。

一次强对流天气雷达回波分析一、引言强对流天气是一种特殊的天气现象，其常伴随着暴雨、雷电、龙卷风等极端气象事件。

这些极端天气现象可能会给人民生命和财产带来重大威胁，因此强对流天气的警报和监测非常重要。

雷达是一种有效的气象监测工具，可以用于监测强对流天气的发生和发展，提供准确的预警信息。

本文将对强对流天气雷达回波分析的基本原理、技术方法和应用进行探讨，并结合实例进行分析。

二、强对流天气雷达回波的基本原理雷达回波是指雷达向大气中发射电磁波，当遇上雨滴、冰晶等介质时，会被反射回来并被雷达接收器接收到的信号。

雷达回波信号强度与回波信号的反射系数、降雨量、降雨密度、雷达波长和雨滴粒径等参数有关。

由于强对流天气的特殊性质，其回波信号在雷达接收端的表现较为突出，常常具有以下特征：1.回波强度突然增加。

2.回波垂直延伸范围大。

3.回波内深层反射面清晰。

4.回波内存在尖点或闪电现象。

5.回波呈现出多层回波结构。

三、强对流天气雷达回波分析的技术方法对于雷达回波信号的分析，目的是为了确定天气现象的类型、强度和轨迹，为预测和预警提供数据。

在强对流天气中，雷达回波的分析需要采用一些特殊的技术方法。

例如：1.雷达图像识别技术。

该技术基于雷达回波的分布图像，在灰度共生矩阵、纹理特征、图像熵等基础上，通过模板识别和分类算法来识别飑线、旋转风暴、高尺度回波等强对流天气类型。

2.反射率图解析技术。

该技术是指利用雷达返回强度与事先设定的标准强度比较，将雷达回波划分为几个等级。

通过比较反射率的大小，可以判断强对流天气的类型和强度。

3.体扫雷达技术。

体扫雷达是指利用雷达扫描一定方位角之间的所有角度，获取雷达回波立体数据的技术。

通过对立体数据的分析，可以获取强对流天气的三维体积信息，相对于面扫雷达有更好的预测能力。

四、强对流天气雷达回波分析的应用强对流天气雷达回波分析可以为天气预测、防灾减灾等方面提供有效的数据和技术支持。

例如：1.预警预报。

多普勒天气雷达：原理、应用与收获总结以下是多普勒天气雷达原理与应用课程的总结：1.雷达基本原理与组成雷达是一种利用无线电波探测目标的电子设备。

它通过发射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波，根据反射回来的电磁波的特性，推断出目标的位置、速度、形状等信息。

雷达主要由发射机、接收机、天线和显示器等组成。

发射机产生高频电磁波，并通过天线向空间发射。

当电磁波遇到目标时，它会被反射回来并被天线接收。

接收机接收到反射回来的电磁波后，对其进行处理和分析，以推断出目标的位置、速度、形状等信息。

2.多普勒天气雷达原理多普勒天气雷达是一种专门用于探测天气目标的雷达。

它利用多普勒效应原理，测量目标的速度和方向。

当雷达发射的电磁波遇到运动目标时，反射回来的电磁波的频率会发生变化。

多普勒天气雷达通过测量这种频率变化，可以推断出目标的速度和方向。

同时，根据反射回来的电磁波的振幅和相位等信息，还可以推断出目标的形状和大小。

3.多普勒天气雷达的应用多普勒天气雷达在气象领域有着广泛的应用。

它主要用于探测台风、暴雨、冰雹等恶劣天气，为气象预报和灾害预警提供重要依据。

此外，多普勒天气雷达还可以用于空气质量监测、气候变化研究、航空航天等领域。

4.课程收获与总结通过学习多普勒天气雷达原理与应用课程，我们了解了雷达的基本原理和组成，以及多普勒天气雷达的工作原理和应用。

我们学会了如何利用雷达数据分析和推断天气信息，并掌握了雷达在气象领域中的应用方法和技巧。

在本课程中，我们学习了很多有用的知识和技能，包括：雷达方程和散射截面、电磁波的传播特性、多普勒频移和速度估计、气象目标的识别和处理等。

这些知识和技能不仅可以帮助我们更好地理解雷达的工作原理和应用，还可以为我们的后续学习和工作打下坚实的基础。

总之，学习多普勒天气雷达原理与应用课程，不仅让我们深入了解了雷达的工作原理和应用，还提高了我们的数据处理和分析能力，为我们的后续学习和工作打下了坚实的基础。

强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警俞小鼎【摘要】简要介绍了强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷雨大风和暴洪)的多普勒天气雷达识别和预警技术.【期刊名称】《气象科技进展》【年(卷),期】2011(001)003【总页数】11页(P31-41)【关键词】多普勒天气雷达;强对流;识别与预警【作者】俞小鼎【作者单位】中国气象局气象干部培训学院,北京100081【正文语种】中文强对流天气是造成气象灾害的主要天气类型之一，主要包括冰雹、龙卷、雷雨大风和暴洪。

天气雷达从它在半个多世纪前开始应用于气象领域开始，一直是监测和预警强对流天气的主要工具。

天气雷达发射一系列脉冲电磁波，电磁波遇到云雨等气象目标会向四面八方散射，其中后向散射波回到雷达被接收。

传统天气雷达只能提取回波中的强度（反射率因子）信息，而多普勒天气雷达除了提取反射率因子信息外，还可以从雷达回波中提取云雨目标沿雷达径向的运动速度和相应的谱宽信息，大大加强了天气雷达的监测和预警能力。

我国正在建设的新一代天气雷达网全部由多普勒天气雷达构成。

新一代天气雷达比传统雷达具有更高的空间分辨率和探测灵敏度，可以探测到传统雷达通常探测不到的晴空回波。

美国于1996年完成了150多部新一代天气雷达在全美国的布网工作。

中国气象局新一代天气雷达网将由216部多普勒天气雷达构成，到2011年6月底为止，已经完成156部新一代天气雷达的布网工作。

我国的新一代天气雷达共有S（10cm）和C（5cm）两个波段七种型号，其中CINRAD-SA型和SB型多普勒天气雷达与美国的WSR-88D在结构和应用软件方面几乎完全相同，是我国东部沿海地区、长江流域、淮河流域、黄河下游和珠江流域的主要布网雷达。

已布设的新一代天气雷达已发挥了明显效益。

新一代天气雷达的应用领域主要包括对流天气的探测和预警、降水估计、雷达上方大气垂直风廓线的估测和通过对雷达反射率因子和径向速度数据的同化为高分辨率数值预报模式提供初始场。

6多普勒天气雷达原理与应用多普勒天气雷达是一种利用多普勒效应来探测降水、风速和风向等气象参数的雷达，广泛应用于气象预报、水资源管理、防灾减灾等领域。

下面将从多普勒天气雷达的原理和应用两个方面进行详细介绍。

一、多普勒天气雷达原理：多普勒天气雷达利用物体回波的多普勒频移来测量物体的运动状态。

其原理可以通过以下几个步骤来理解：1.信号发射与接收：雷达通过天线向大气中发射脉冲信号。

脉冲信号是一种特殊的波形，其特征是能够精确测量反射信号的时延。

雷达波束探测的范围称为体积样积分区（VCP）。

2.对流层的多次散射：当雷达脉冲信号遇到大气中的物质（如雨滴、冰晶等）时，部分能量会被这些物质散射反射回来，形成回波。

3.多普勒频移的测量：回波信号中包含了大气物质运动的信息。

相对于静止的物体而言，当物体以一定速度向雷达或远离雷达运动时，回波信号的频率会发生变化，这就是多普勒频移效应。

4.频谱分析与信号处理：雷达对回波信号进行频谱分析，可以得到回波信号频率的分布情况。

通过计算信号的频移量，可以得到大气物体沿径向的速度和方向。

二、多普勒天气雷达的应用：多普勒天气雷达主要应用于气象预测、水资源管理和防灾减灾等领域，具有以下几个方面的应用：1.气象预报：多普勒天气雷达可以精确测量降水的强度、区域分布和降雨类型（如雨、雪、冰雹等），有助于提高天气预报的准确性。

通过观测和分析雷达回波，可以及时预警并预测强降水、洪水、暴风雨等极端天气事件，为防范和减轻灾害提供重要数据支持。

2.水资源管理：多普勒天气雷达能够实时监测和测量降水的强度和分布，在水资源管理中起到重要作用。

通过对降水数据的分析，可以为城市供水、水库调度、灌溉农业等方面的决策提供准确的水资源量和雨量预测信息。

3.风速与风向测量：多普勒天气雷达还可以测量大气中的风速和风向。

利用雷达的多普勒频移原理，可以从回波中获取风场流场的信息，包括垂直风速的分布、风向的变化等，为气象、航空、海洋等领域提供有关风的数据。

新⼀代多普勒天⽓雷达简介多普勒效应是澳⼤利亚物理学家J.Doppler1842年⾸先从运动着的发声源中发现的现象，多普勒天⽓雷达的⼯作原理即以多普勒效益为基础，具体表现为：当降⽔粒⼦相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的⾼频频率之间存在的差异，从⽽得出所需的信息。

运⽤这种原理，可以测定散射体相对于雷达的速度，在⼀定条件下反演出⼤⽓风场、⽓流垂直速度的分布以及湍流情况等。

这对研究降⽔的形成，分析中⼩尺度天⽓系统，警戒强对流天⽓等具有重要意义。

天⽓雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在⼤⽓中传播，在传播的路径上，若遇到了⽓象⽬标物，脉冲电磁波被⽓象⽬标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射），在荧光屏上显⽰出⽓象⽬标的空间位置等的特征。

在雷达探测中，⽓象⽬标的空间位置是⽤雷达天线⾄⽬标物的直线距离Ｒ（亦称斜距）,雷达天线的仰⾓和⽅位⾓来表⽰。

斜距Ｒ可根据电磁波在⼤⽓中的传播速度Ｃ和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定。

电磁波在⼤⽓中传播速度是略⼩于它在真空中的传播速度，但对斜距精度影响不⼤，故近似⽤C来表⽰。

天⽓雷达的主要设备 1. 触发信号发⽣器 触发信号发⽣器(控制钟)是整个雷达的控制系统,它周期性地产⽣⼀个脉冲式的触发信号,触发脉冲输送到调制解调器和显⽰器,指挥它们开始⼯作。

每秒种产⽣的触发脉冲数⽬，称为脉冲重复频率,以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表⽰。

两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，⽤Ｔ表⽰，它等于脉冲重复频率的倒数。

实际⼯作中，可⽤公式计算脉冲重复周期的数值。

2. 调制解调器 在触发脉冲的触发作⽤下，调制解调器产⽣调制脉冲。

调制脉冲具有两个特性： （１）具有固定的脉冲宽度（也称为脉冲持续时间），以微秒为单位，也可以以脉冲的空间距离h表⽰，脉冲宽度直接影响探测距离和距离分辨能⼒即雷达盲区⼤⼩。

北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用强对流天气是一类具有极强能量释放的天气现象，如暴风雨、大风、雷暴等。

在北京地区，由于其地形和气候特点，强对流天气较为常见。

为了更好地预测和监测这些天气现象，X 波段双偏振雷达成为了一种重要的工具。

X波段双偏振雷达是一种使用X波段电磁波进行探测的雷达系统，它能够测量和分析目标的双偏振反射信号，从而获取目标的散射特性。

在强对流天气中，X波段双偏振雷达展现出了一些独特的特征和应用。

首先，X波段双偏振雷达能够提供更加准确的降水估计。

通过分析不同极化态的回波信号，可以确定目标颗粒的形状、大小和类型等信息，从而更准确地估计降水的强度和分布。

在强对流天气中，降水是一种重要的参考指标，能够反映出天气的强度和演变趋势。

因此，X波段双偏振雷达在强对流天气预警和监测中起到了关键作用。

其次，X波段双偏振雷达能够提供目标的颗粒特性信息。

在强对流天气中，目标的颗粒特性对于预测和评估天气现象的发展趋势至关重要。

X波段双偏振雷达通过分析目标回波信号的偏振特性，可以获得目标颗粒的形状、方向等信息，从而帮助确定天气现象的运动趋势和强度。

例如，在暴雨天气中，X 波段双偏振雷达可以识别出冰雹和雨滴，从而提前预警可能出现的冰雹灾害。

这对于城市防灾减灾工作具有重要意义。

此外，X波段双偏振雷达还能够提供目标的风场信息。

在强对流天气中，风场是一种关键的气象要素，对于预测和评估天气现象的演变和影响具有重要作用。

X波段双偏振雷达通过分析目标回波信号的相位差，可以获得目标散射体的速度和方向等信息，从而提供目标的风场情况。

这对于分析和预测强对流天气中的风暴演变趋势、风暴结构和风暴路径等方面具有重要意义。

总之，X波段双偏振雷达在北京强对流天气中展现出了一系列独特的特征和应用。

它能够提供准确的降水估计、目标的颗粒特性信息和风场信息，对于强对流天气的预测和监测具有重要意义。

多普勒雷达回波在地面观测中应用
多普勒雷达是一种能够测量目标相对速度的雷达系统。

它广泛应用于气象预报、航空防务、海洋勘测等领域，也被应用于地面观测中。

多普勒雷达能够通过通过测量回波信号的频率变化来计算目标的速度及运动方向。

在地面观测中，多普勒雷达常用来探测和监测强风、雷暴、沙尘暴等极端天气现象。

例如，在风场观测中，多普勒雷达可以探测风场中的强风涡。

当强风涡经过雷达时，它会引起回波信号的频率变化。

多普勒雷达可以通过分析该变化来确定强风涡的位置、强度、速度和方向，这有助于及时预警和防范可能发生的风灾。

在雷暴监测中，通过多普勒雷达可以探测到气旋云的强度和速度等特征。

通过监测回波信号的速度变化，可以观测到云中强风系统的活动情况，实时掌握雷暴的发展趋势，为灾害预防和防护提供科学依据。

此外，在沙尘暴监测中，多普勒雷达也起着重要作用。

它可以通过测量回波信号的频率变化来探测沙尘暴中的风速和风向等特征，帮助预测沙尘暴的发生和发展趋势，为相关部门提供参考意见。

总之，多普勒雷达在地面观测中发挥着重要的作用。

它能够实现对极端天气现象的高精度监测和预测，对人类生命安全和财产安全具有重要意义。

随着科学技术的不断发展和完善，相信多普勒雷达在未来的应用领域中将继续走在前沿。