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新一代天气雷达复习笔记

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第 1 页 共 18 页 第一章 引论 1.1 新一代天气雷达概述 CIRNAD/SA型雷达主要由RDA（Radar Data Acquisition）、RPG（Radar Product Generator）、PUP（Principal User Processor）三部分构成。

RDA（Radar Data Acquisition）由四个部分组成：发射机、天线、接收机、信号处理器。

发射机：产生高功率（峰值功率750KW）非常稳定的10cm的射频脉冲。 天线： 扫描方式：扫描方式告诉雷达在一次体积扫描中使用多少仰角和时间。CINRAD/SA使用三种扫描方式： 扫描方式1#：5分钟完成14个不同仰角上的扫描； 扫描方式2#：6分钟完成9个不同仰角上的扫描； 扫描方式3#：10分钟完成5个不同仰角上的扫描；

体扫模式：体扫模式规定使用哪个扫描方式，并且规定哪些具体的仰角。目前CINRAD/SA定义的体扫模式有4个：VCP11(扫描方式1# )、VCP21(扫描方式2# )、VCP31(扫描方式3# )、VCP32(扫描方式3# )。VCP31和VCP32的区别在与VCP31使用长脉冲而VCP32使用短脉冲。 最常用的VCP为VCP21

接收机：放大由天线接收的回波能量，以便模数转换和后续处理。 信号处理器完成三种重要功能：地物杂波消除、模数转换，以及退多普勒数据的距离折叠。

RPG（Radar Product Generator）主要任务是把RDA传来的基本数据，对其处理和生产各种产品分发给PUP。 产品分为基本产品和导出产品。 基本产品：指定仰角上的基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽产品。 导出产品：把体扫基数据经过特定算法而得到的产品。

PUP（Principal User Processor）获取、存储和显示产品。 主要功能包括：产品请求（获取）、产品数据存储和管理、状态监视、产品编辑注释 产品请求方式：常规产品列表（RPS）、一次性请求（OTR）、产品-预警配对（PAP） 第 2 页 共 18 页

1.2 天气雷达的局限性 （1）是波束中心的高度随距离的增加而增加； （2）是波束宽度随距离的增加而展宽； （3）是静静锥区的存在。 （4）探测能力和雷达周围净空环境有关，受地物阻挡的影响大。 前两点使得雷达对于远距离的目标的探测能力降低，而第三点使得雷达对于非常近的目标物的探测能力受限。

第二章 多普勒天气雷达原理 2.1 后向散射截面 后向散射截面的定义是：设有一个理想的散射体，其截面面积为σ，它能全部接收射到其上的全部能量，并且均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面面积σ就称为实际散射体的后向散射截面。 后向散射截面是一个虚拟的面积，它可以用来定量地表示粒子后向散射能力的强弱。粒子的后向散射截面不等于它的几何截面。

2.2 球形粒子的散射 球形粒子的散射很大程度上依赖于粒子直径D和入射波长λ之比。对于D远小于λ的情况下的球形粒子的散射称为瑞利散射（雷利散射）；而对于D和λ相当的情况下的球形粒子的散射称为米散射。

雷利散射 D

，当α<<1时（α<0.13）， 6245DK，D为粒子直径，λ为入射波长，

2122mmK其中m为构成粒子介质的复折射指数。

有雷利散射的后向散射截面的公式可以看出：在雷利散射条件下，后向散射截面和粒子直径的6次方成正比和波长的4次方成反比。后向散射还和2K有关，水球的2K值对为0.93左右，冰球的2K为0.197，所以瑞利散射情况下冰球的后向散射截面大约只有同样大小水球的1/5。

米散射 无论是冰球或和水球，其后向散射截面都随着球形粒子直径的增加而迅速地呈波动性地增大，当D较大时，冰球后向散射截面随D的增加而增大的速度超过水球。

2.3 电磁波在大气中的衰减和折射 第 3 页 共 18 页

衰减 电磁波在大气中的衰减是因为电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能量被散射，一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射 标准大气折射、临界折射、超折射、无折射、负折射 标准大气折射：在标准大气情况下，Rm=8500Km（等效地球半径），为实际地球半径的4/3倍，波束路径向下弯曲，这种折射称为标准大气折射。可以代表中纬度地区对流层中大气折射的一般情况，一般称为正常折射。 临界折射：当波束路径的曲率和地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射。 超折射：当波束路径大于地球表面的曲率时，即雷达波束在传播的过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，再弯曲到地面，再经地面反射，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，与波导管中的微波传播相似，故称为大气波导传播，又称超折射。等效地球半径Rm<0。 产生超折射地物回波，呈辐辏状排列的短线强回波（和当地地形地物十分一致）。产生的气象条件：气温向上递增，同时水汽压向上迅速递减，也就是常说的暖干盖的大气层结。 无直射：雷达波束沿直线传播。 负折射：雷达波束向上弯曲（湿度随高度增加，温度向上迅速递减）。（多产生在盛夏大陆的中午，大气底层温度的递减率有可能大于干绝热递减率，从而产生负折射）

2.4 雷达气象方程 参数 与发射机有关的参数 波长λ，决定气象雷达性能的一个重要参数。X、C、S波段，我国新一代天气雷达使用C、S波段（即5公分、10公分雷达）。 脉冲宽度τ：探测脉冲的持续振荡时间。所以，脉冲长度 h=τc。因为雷达的收发特性，所以，有效照射深度为脉冲长度的一半τc/2（雷达径向的最小分辨率）。 脉冲功率Pt：雷达脉冲的峰值功率称为脉冲功率。为了增强雷达的探测能力，其第 4 页 共 18 页

脉冲功率常常很大。我国新一代天气雷达的Pt在650~800Kw之间。 脉冲重复频率：雷达每秒产生的触发脉冲的数目，PRF表示。我国新一代天气雷达的PRF在300~1300Hz之间。 脉冲重复周期PRT为PRF的倒数。 与天线有关的参数 天线的方向图及波束宽度：在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。CINRAD/SA的天线直径9米左右，波束宽度在1°左右。波束宽度越小，角分辨率越高，探测精度也越高，是雷达天线的重要技术参数。 天线增益G：定向天线在最大辐射方向的能流密度和各向均匀辐射的天线能流密度之比。CINRAD/SA的天线增益G≥44dB 与接收机有关参数 接收机灵敏度：接收机能分辨的最小可辨功率，Pmin表示。CINRAD/SA的Pmin

短脉冲(1.57μs)为-107dBm，对于长脉冲（4.71μs）为-113dBm

气象雷达方程

单位体积itrrhGPP



2222

)2(ln1024 气象目标强度的度量 反射率和反射率因子 反射率：单位体积中云雨粒子后向散射截面的总和称为反射率。（和雷达参数有关） 反射率因子：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子。（和雷达参数无关，不同雷达可以相互比较） 由于反射率因子Z的变化区间很大（可以跨越几个数量级），为方便起见，采用

dBZ来表示反射率因子的大小dBZ = 0Zlg10Z，其中360/1mmmZ。

在雷达上dB和dBZ是完全不同的两个概念。dB表示回波功率的大小

minlg10PPdBr。

2.5 最大不模糊距离和距离折叠 最大不模糊距离是这样一个距离，当雷达发出一个脉冲遇到该距离处的目标物产生的后向散射回波返回到雷达时，下一个脉冲刚好发出，也就是他等于说光速在

雷达两个脉冲之间的时间间隔所走距离的一半。PRFCCTr221max C是光速，T是雷达重复周期，PRF是雷达重复频率。 距离折叠是指雷达对产生雷达回波的目标位置的一种辨认错误，当目标物位于最大不模糊距离以外时，雷达却把目标物显示在最大不模糊距离以内的某个位置。一般形象地称为“距离折叠”

2.6 多普勒效应 第 5 页 共 18 页

多普勒天气雷达通常不是直接测量多普勒频移，而是通过测量相继返回的脉冲之间的位相差来确定目标物的径向速度的

2.7 最大不模糊速度和速度模糊 多普勒雷达测量多普勒速度的方法是利用相继返回的两个脉冲之间的相位变化来确定多普勒速度值的，而它们的最大相位相移的上限是180°（π），与180°

脉冲对相移所对应的目标物径向速度值称为最大不模糊速度，4maxPRFV ，其中λ是波长，PRF是雷达重复频率。 速度模糊是指当多普勒速度大于Vmax时，相继返回的两个脉冲之间的相位变化超过180°（π），而雷达却只能测量出小于180°（π）的值，相应的给出的多普勒速度值也是小于Vmax的值，我们称这个现象就叫速度模糊。

2.8 谱宽 谱宽实际上是指速度谱宽数据，它是对一个距离库中速度离散度的度量，谱宽越大，速度估计的可靠性就减小。 些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，他们包括：（1）气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界；（2）雷暴；（3）切变区域；（4）湍流；（5）风切变；（6）降落速度不同的尺度不同的雨和雪。 一些非气象条件也可使谱宽增加，包括：（1）天线转速；（2）距离；（3）雷达的信噪比；

2.9 雷达取样技术 多普勒两难 由“最大不模糊距离”和“最大不模糊速度”的公式：PRFCCTr221max 和

4maxPRFV

可知，当雷达波长λ一定时，rmax与PRF成反比，而Vmax与PRF

成正比，即不存在一个PRF，既使rmax较大，又使Vmax较大，我们称为“多普勒两难”。

由于“多普勒两难”，多普勒天气雷达常用不同的重复频率来测量反射率因子和径向速度数据。用低PRF测量反射率因子（得到大的Rmax），用高PRF测量径向速度（得到大的Vmax）。 VCP21模式的取样方式：

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雷达要点汇总二

雷达要点汇总二


内蒙古气象台
11
多单体风暴和超级单体风暴在速度矢端图上的特征



组织完善的多单体风暴的速度矢端图通常表现 为基本上单一方向的风切变，这种风切变能促 使新生单体在现存单体的有利一侧周期性地产 生和发展，如切变足够强，那么多单体风暴将 会发展成为超级单体风暴。 超级单体风暴速度矢端图有明显特征表现为低 层具有强的风切变和明显的速度矢端图曲率， 这有利于强风暴的旋转潜势。 多单体风暴和超级单体风暴在整个对流层中， 它们的风矢量的垂直切变没有明显的差别。它 们之间最大的差别在于云底以下低层中风矢量 随高度的变化。
2015年3月30日
内蒙古气象台
5
雷暴产生的环境条件


主要有: 环境的热力不稳定、风的垂直风切变、水汽的 垂直分布，触发机制（抬升条件）

对流有效位能（CAPE）是气块在给定的环境 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，是用来 衡量热力不稳定大小的最佳参量。
2015年3月30日
内蒙古气象台
6




在一定的热力不稳定的条件下，垂直风切变的 增强将导致风暴进一步加强和发展。 垂直风切变能够使上升气流倾斜，这使得上升 气流中形成的降水质点能够脱离上升气流，而 不会因拖曳作用减弱上升气流的浮力。 可以增强中层干冷空气的吸入，加强风暴中的 下沉气流和低层空气的外流。再通过强迫抬升 使得流入的暖湿气流更强烈地上升，从而加强 对流。 对流风暴的组织程度与强度与环境风的垂直切 变有很密切的关系。
多普勒天气雷达原理 与业务应用汇总
2011.06.17 李一平
主要内容



第一章 引论 第二章 多普勒天气雷达原理 第三章 多普勒雷达图识别基础 第四章 雷达数据质量控制 第五章 对流风暴及其雷达回波特征 第六章 灾害性对流天气的探测与预警 第七章 雷达产品与算法
雷达与卫星气象学期末复习

雷达与卫星气象学期末复习

名词解释雷达：能辐射电磁波并利用目标物对该电磁波的反射（散射）来发现目标物，并测定目标物位置的电子探测系统瑞利散射：一种光学现象，属于散射的一种情况。

又称“分子散射”。

粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。

a<<2。

雷达反射率η：描述粒子群后向散射能力的物理量∑==N i i1ση天线方向图：天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指方向上，在极坐标中绘出的通过天线水平和垂直面上的能流密度的相对分布曲线图称为天线方向图。

增益：接收机必须接受足够的放大倍数才能使回波信号在显示器显示，放大倍数用增益来表示雷达系统组成部件：同步脉冲,发射机，接收机，收发天线，伺服系统，显示器，计算机接口雷达工作原理：天气雷达间歇性向空中发射脉冲式电磁波，电磁波在大气中以接近光波的速度，近似与直线的路径传播，如果在传播路径遇到了气象目标物，脉冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线，在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布，和强度等特征有效照射深度：只有在波束中距离为R 到R+h/2范围内的那些粒子散射的回波，才能在同一时刻到达天线，称h/2这个量为波束有效照射深度有效照射体积：在波束宽度),(φθ范围内，粒子所产生的回波能同时到达天线的空间体积，称为有效照射体积径向速度：目标运动平行于雷达径向的分量。

速度模糊：表现为从正 负速度的最大值突变为负 正速度的最大值。

多普勒两难：根据最大不模糊距离与不模糊速度的表式知，PRF C R⨯=2max ，4max PRF V ⨯=λ对每个特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度不能同时兼顾。

二次回波：超过雷达脉冲间隔所能探测最远距离之外的目标物回波。

简答：雷达图显示方式：雷达回波图，从蓝色到紫色表示回波强度由小到大（10-70dBz ），从不同颜色回波可以判断降雨强度，雨区范围、未来降雨强度和移动。

2 雷达题库解析

2 雷达题库解析

1．业务运行的多普勒天气雷达通常采用体积扫描的方式观测。

我国业务运行多普勒雷达通常采用的体描模式（VCP11、VCP21、VCP31）2．多普勒天气雷达与常规天气雷达的主要区别在于：前者可以测量目标物（沿雷达径向速度），从而大大加强了天气雷达对各种天气系统特别是（强对流天气系统）的识别和预警能力。

3．新一代雷达系统对灾害天气有强的监测和预警能力。

对台风、暴雨等大范围降水天气的监测距离应不小于（400km）。

4．新一代雷达系统对灾害天气有强的监测和预警能力。

对雹云、中气旋等小尺度强对流现象的有效监测和识别距离应大于（150km）。

5．新一代雷达观测的实时的图像中，提供了丰富的有关（强对流天气）信息。

6．新一代雷达速度埸中，辐合（或辐散）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个极值中心连线和雷达射线（一致）。

7．新一代雷达速度埸中，气流中的小尺度气旋（或反气旋），在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，但中心连线走向则与雷达射线相（垂直）。

8．新一代天气雷达观测采用的是北京时。

计时方法采用24小时制，计时精度为秒。

9．速度场（零等值线）的走向不仅表示风向随高度的变化，同时表示雷达有效探测范围内的（冷、暖平流）。

10．在距离雷达一定距离的一个小区域内，通过对该区域内沿雷达径向速度特征的分析，可以确定该区域内的气流（辐合）、（辐散）和（旋转）等特征。

11．天气雷达是用来探测大气中降水区的（位置）、大小、强度及变化的12．气象目标对雷达电磁波的（散射）是雷达探测的基础。

13．气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地看作是圆球。

当雷达波长确定后，球形粒子的散射情况在很大程度上依赖于粒子直径D和入射波长λ之比。

对于（D远小于λ）情况下的球形粒子散射称为瑞利散射；而（D与λ尺度相当）情况下的球形粒子散射称为（Mie）米散射。

14．多普勒天气雷达使用低脉冲重复频率PRF测（反射率因子）,用高脉冲重复频率PRF 测（速度）。

雷达知识点总结

雷达知识点总结

雷达知识点总结一、雷达的基本原理雷达是利用无线电波进行探测的设备，其工作原理基于无线电波的发射和接收。

雷达基本原理包括以下几个关键环节：1. 无线电波的发射雷达发射机产生高频的无线电波，并将这些无线电波转化为一束射向待测目标的电磁波。

雷达发射机工作时，关键是通过天线把电能转换成电磁波，并辐射出去。

2. 无线电波的传播和反射发射出的无线电波在空间中传播，当遇到目标时部分被目标表面反射回来，这些反射回来的波被雷达的接收天线接收到。

3. 无线电波的接收和处理接收天线捕捉到反射回来的波，雷达接收机将这些波进行放大、滤波、解调处理，提取出有用的信息。

4. 目标信息的测量和分析通过分析接收到的信号的时间延迟、频率变化等信息，雷达系统可以确定目标的距离、速度、方位角等参数。

5. 显示和报警最后，雷达系统将分析得到的目标信息显示在操作员的监视屏幕上，同时进行报警和跟踪。

以上就是雷达基本的工作原理，根据这些原理，雷达系统可以实现对目标的探测和识别。

二、雷达的工作方式雷达可以根据工作方式的不同分为主动雷达和被动雷达两种类型。

1. 主动雷达主动雷达是指雷达发射机和接收机分开的雷达系统，发射机发射的信号由发送天线发射出去，接收机则由接收天线接收目标反射回来的信号，该方式下，雷达系统不需要等待传感器的使用权就能发射信号和接收目标信息。

2. 被动雷达被动雷达是指发射机和接收机是同一部分，这种雷达系统利用目标本身辐射的电磁波进行探测，通常是利用目标自身的雷达反射特性进行探测。

雷达的工作方式直接影响着其使用场景、性能和应用对象。

三、雷达系统的组成雷达系统是由多个部分组成的，主要包括以下几个组成部分：1. 发射和接收天线：发射和接收天线是雷达系统的核心部件，用于发射和接收电磁波。

2. 雷达发射机：雷达发射机负责产生和放大载频的高频信号，并将其送到发射天线。

3. 雷达接收机：雷达接收机负责接收目标反射回来的信号，并进行放大、解调、滤波等处理。