多普勒天氣雷達(dá)和偏振多普勒天氣雷達(dá)

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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),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(lái)探測(cè)雨區(qū)的分布、強(qiáng)度、垂直結(jié)構(gòu)等。 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(lái)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

2、間變化的信息來(lái)測(cè)定降水粒子的徑向速度，并通過(guò)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。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)。,1.多普勒效應(yīng),多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家J.Doppler1842年首先從運(yùn)動(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，定義為“當(dāng)接收者或接收器與能量源處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量到達(dá)接收者（器）時(shí)頻率的變化”。,一個(gè)例子是：當(dāng)一輛緊急的火車（汽車）鳴著喇叭以相當(dāng)高的速度向著你駛來(lái)時(shí)，聲音的音調(diào)（頻率

3、）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（較長(zhǎng)波長(zhǎng)）而減低。,,發(fā)射頻率,多普勒頻移,發(fā)射頻率 Vs 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)。,假設(shè)多普勒雷達(dá)發(fā)射脈沖的工作頻率為f0，目標(biāo)與雷達(dá)的距離為r，則雷達(dá)波發(fā)往目標(biāo)到返回天線所經(jīng)過(guò)的距離為2r。這個(gè)距離用波長(zhǎng)來(lái)度量，相當(dāng) 個(gè)波長(zhǎng)；用弧度來(lái)衡量相當(dāng)于 個(gè)弧度。若所發(fā)射的電磁波在天線處的位相為 ，那么電磁波被散射回到天線時(shí)的相位應(yīng)是,,,,,位相的時(shí)間變化率,,,由于目標(biāo)物的徑向運(yùn)動(dòng)引起

4、的雷達(dá)回波信號(hào)的頻率變化，它就是多普勒頻移或多普勒頻率,2. 多普勒頻率/頻移,1.目標(biāo)移向雷達(dá)為正，遠(yuǎn)離雷達(dá)為負(fù),2.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)速度；由WSR-88D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)徑向速度為零。,3. 徑向速度,方向定義有兩種情形：,目標(biāo)的實(shí)際速度與WSR-88D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 Vr=Vcos 其中Vr為徑向速度，V為實(shí)際速度，

5、為實(shí)際速度V與雷達(dá)徑向之間最小的夾角，cos為余弦函數(shù)。,4. Pulse-Pair Method 脈沖對(duì)方法,取兩個(gè)連續(xù)的脈沖然后測(cè)量接收脈沖的相位,d/dt 實(shí)際上就是角速度 = w = 2fd,5. 關(guān)于相干的幾個(gè)概念,6. 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)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,其中，Rmax為最大不模糊距離，c為光速，PRF為脈沖重復(fù)頻率,距離折疊（模糊）,雷達(dá)測(cè)距公式 R=0.5ct，t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)出的脈沖從發(fā)出到返回的時(shí)間來(lái)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離是錯(cuò)

6、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(shuō)，目標(biāo)物的定位是模糊的。換句話說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)物位于雷達(dá)的最大不模糊距離（Rmax）之外時(shí)，雷達(dá)卻把目標(biāo)物顯示在Rmax以內(nèi)的某個(gè)位置，我們形象地稱之為距離折疊。,,目標(biāo)位于最大不模糊距離之內(nèi)，沒(méi)有距離折疊（模糊）發(fā)生。,距離折疊是如何發(fā)生的？,雷達(dá)最大探測(cè)距離是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。,一個(gè)目標(biāo)物位于nRmax之后若干海里的話（這里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)同一海里遠(yuǎn)的位置上。如果雷達(dá)的Rmax=250nm，那么位于0-250n

7、m的目標(biāo)物處于第一程；251-500nm的目標(biāo)物處于第二程等等，以此類推。一個(gè)實(shí)際位于550nm（超過(guò)2Rmax）處的目標(biāo)物，如果被Rmax=250nm雷達(dá)探測(cè)到，它在雷達(dá)上的顯示位置是50nm；一個(gè)實(shí)際位于300nm（超過(guò)1Rmax）處的目標(biāo)物，如果被Rmax=250nm雷達(dá)探測(cè)到，它在雷達(dá)上的顯示位置也是50nm。,距離折疊回波的特點(diǎn)： 方位角是正確的 強(qiáng)度較弱 有時(shí)具有奇怪的多普勒速度 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(PRF) Use a different PRF every 2-3 pulses, if the echo moves,it is bogus!

8、,7. 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。,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(guò)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 velocity是-30 m/s, 那么 就會(huì)發(fā)生折疊，導(dǎo)致其值是+20 m/

9、s,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？,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。,若,則,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)的因此，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?/p>

10、折疊總是使相鄰庫(kù)問(wèn)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RDA傳輸?shù)絉PG，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（adaptable parameter settings）隨所使用的脈沖長(zhǎng)短而變化。不同的設(shè)置是為了減少VCP31中速度退模糊的失敗率。,由于在RDA中已經(jīng)過(guò)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)速度初猜值與它

11、的周圍值顯著不同，則該算法試圖用另一個(gè)可能的值替換那個(gè)速度初猜值。由于PRF和Vmax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)?。由于算法依賴于周圍的?shù)據(jù)，因此它主要建立在連續(xù)性的基礎(chǔ)上。,8.多普勒兩難(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,Vmax和Rmax 都與PRF有關(guān),由于沒(méi)有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能達(dá)到最大，所以要使用變化的PRF。每臺(tái)W

12、SR-88D使用不同的PRF，從一組8個(gè)PRF中選擇。,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,多普勒速度和速度譜寬度,10. 影響速度譜寬的氣象因子,(1)垂直方向上的風(fēng)切變； (2)由波束寬度引起的橫向風(fēng)效應(yīng)； (3)大氣的湍流運(yùn)動(dòng)； (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,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。,影響速度譜寬的氣象因子,

13、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(méi)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。,,各因子對(duì)速度譜寬的貢獻(xiàn),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； 雷暴； 切變區(qū)域； 湍流； 風(fēng)切變； 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： 天線

14、運(yùn)動(dòng)； WSR-88D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

15、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)量水平流場(chǎng)及降水量,什么是VAD技術(shù)？,,,VAD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(lái)。,（一)測(cè)量均勻流場(chǎng)的風(fēng)向風(fēng)速,水平風(fēng)的來(lái)向，就是徑向速度最大時(shí)天線所指的方向。,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

16、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(lái)推斷大氣流

17、場(chǎng)的特點(diǎn)，因此，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。,Lhernitte方法：Lhernitte（1968年)提出了用三臺(tái)多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)的方案.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、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)際上隱含著整個(gè)測(cè)量過(guò)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)用三部雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)的實(shí)例還很少。而在Lhernitt

18、e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，已在一些探測(cè)試驗(yàn)中得到應(yīng)用。,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),Browning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

19、。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)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CS、連續(xù)Doppler模式CD和批模式

20、B，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，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：降水模式有VCP11模式和VCP21模式兩種，以適應(yīng)不同降水類型的需要。CINRAD-SA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：VCP31模式和VCP32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)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)。,12. WSR-88D取樣技術(shù)： 硬件工作模式和觀測(cè)模式,WSR-88D硬件工作模式,WSR-88D使用不同的技術(shù)從大氣中搜集反射率因子和速

21、度數(shù)據(jù)。這些技術(shù)使用不同的PRF（脈沖重復(fù)頻率）測(cè)量反射率因子和速度數(shù)據(jù)：用低PRF測(cè)反射率因子，用高PRF測(cè)速度。,1、連續(xù)監(jiān)測(cè)（Contiguous Surillance簡(jiǎn)寫為 CS）方式, 這是一個(gè)常定的低PRF（長(zhǎng)PRT和長(zhǎng)Rmax模式），為確定準(zhǔn)確的目標(biāo)位置和強(qiáng)度。在VCP11、21、32中，它用于最低的兩個(gè)仰角；在VCP31中，它用于最低的3個(gè)仰角。因?yàn)榇蟮腞max值（低PRF），所以不需要使用距離去折疊算法。,2、連續(xù)多普勒（Contiguous Doppler簡(jiǎn)寫為 CD）方式, 這是一個(gè)常定的高PRF（短PRT、短Rmax和高Vmax）模式，用它可以測(cè)量準(zhǔn)確的速度和譜寬數(shù)據(jù)。

22、它用于VCP11、21、32中最低的兩個(gè)仰角；用于VCP31中最低的3個(gè)仰角。由于是短Rmax（高PRF），所以必須使用距離去折疊算法。,3、Batch(B) 方式 這種技術(shù)是在中間仰角（2.5-6.5）的每個(gè)仰角交替使用高低PRF。這技術(shù)只用于VCP11、21、32（不用于VCP31）。此時(shí)地物雜波不是個(gè)問(wèn)題。低的PRF（脈沖重復(fù)頻率）可以得到長(zhǎng)的Rmax（最大不模糊距離），同時(shí)高的PRF可以給出更精確的速度數(shù)據(jù)。,4、連續(xù)多普勒X（CDX或沒(méi)有距離折疊的連續(xù)多普勒）方式, 這是一種在較高仰角（7）使用高PRF獲取速度數(shù)據(jù)的技術(shù)。 數(shù)據(jù)沒(méi)經(jīng)過(guò)距離去折疊處理，因?yàn)闆](méi)有必要。例如：用7.5仰角時(shí)

23、，62 nm（最短的CDRmax）處雷達(dá)波束的高度已達(dá)50,000英尺，產(chǎn)生距離折疊的回波是不太可能的。CDX用于VCP11和21中大于7的所有仰角的掃描，用于VCP31 中大于3仰角的掃描，但不在VCP32 中使用。,5、分離掃描方式(split cut), 雷達(dá)在最低的2個(gè)仰角分別使用CS和 CD進(jìn)行重復(fù)掃描。從最低仰角開始一個(gè)完整的360CS波形掃描，然后仍在這個(gè)仰角進(jìn)行完整的360CD波形掃描。然后，天線才抬升到第2個(gè)仰角，分別進(jìn)行360CS掃描和360CD掃描。 在中仰角，雷達(dá)用Batch技術(shù)，每個(gè)仰角掃一遍（360）。然后，雷達(dá)仰角進(jìn)一步抬高，在每個(gè)仰角用CDX進(jìn)行360掃描。,V

24、CP11 --- VCP11（scan strategy #1，version 1）規(guī)定5分鐘內(nèi)對(duì)14個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于測(cè)云和降雪。 VCP21 --- VCP21 （scan strategy #2，version 1）規(guī)定6分鐘內(nèi)對(duì)9個(gè)具體仰角的掃描方式。一般用于較強(qiáng)的大氣對(duì)流。 VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1）規(guī)定10分鐘內(nèi)對(duì)5個(gè)具體仰角的掃描方式。主要用于低層晴空大氣觀測(cè)。 VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2）確定的10分鐘完成的5個(gè)具體仰角與VCP31相同。不同之處在

25、于VCP31使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而VCP32使用短脈沖。,WSR-88D觀測(cè)模式,VCP11 規(guī)定5分鐘內(nèi)對(duì)14個(gè)具體仰角的掃描方式。 一般用于測(cè)云和降雪。,VCP21 規(guī)定6分鐘內(nèi)對(duì)9個(gè)具體仰角的掃描方式。 一般用于較強(qiáng)的大氣對(duì)流。,VCP31 規(guī)定10分鐘內(nèi)對(duì)5個(gè)具體仰角的掃描方式。 主要用于低層晴空大氣觀測(cè)。,VCP32 確定的10分鐘完成的5個(gè)具體仰角與VCP31相同。不同之處在于VCP31使用長(zhǎng)雷達(dá)脈沖而VCP32使用短脈沖。,新一代多普勒雷達(dá)基本構(gòu)成,WSR-88D 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,電磁波不僅有強(qiáng)度特性，還有偏振特性。 通

26、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(lái)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)。,13.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

27、論基礎(chǔ)。,偏振雷達(dá)的探測(cè)原理,20世紀(jì)50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)行了研究。 60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)和評(píng)價(jià)人工影響天氣的效果。 60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,偏振雷達(dá)的氣象應(yīng)用研究才真正開展起來(lái)。 到了70年代中期,美國(guó)科學(xué)家提出了雙線偏振雷達(dá)的理論,并在外場(chǎng)試驗(yàn)中取得成功后,偏振雷達(dá)才如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)。 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(原蘭州高原大氣所)也研制成功了我國(guó)第一部線圓偏振和5波長(zhǎng)雙線偏振雷達(dá)。并開展了雙線偏振

28、雷達(dá)在云和降水物理、遙測(cè)區(qū)域降雨量和人工影響天氣方面的應(yīng)用研究。,14.發(fā)展歷史,有水平和垂直2個(gè)偏振通道,可以同時(shí)或交替發(fā)射和接收水平和垂直2種線偏振波,有2種制式: 一種是工作時(shí)雷達(dá)同時(shí)發(fā)射和接收水平和垂直2種偏振信號(hào),其dr,它反映了探測(cè)目標(biāo)偏離球形的大小和在水平和垂直方向上的優(yōu)勢(shì)取向程度。如只發(fā)射水平線偏振波,而分別接收回波的水平線偏振和其正交分量,則回波的正交分量和水平線偏振分量之比的對(duì)數(shù)就是水平線性退偏振比LDR,也反映了探測(cè)目標(biāo)的形狀、大小、取向或傾斜角分布(均值和方差)以及濕度和成份。對(duì)于這種制式的雙線偏振雷達(dá),要求有性能完全相同的2個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī),技術(shù)相對(duì)復(fù)雜且造價(jià)高,它的

29、優(yōu)點(diǎn)是2通道的隔離度可以做得較高,相關(guān)性好,偏振性能優(yōu)越.,15.雙線偏振,還有一種制式是雷達(dá)只有1個(gè)發(fā)射和接收機(jī),工作時(shí)雷達(dá)以觸發(fā)脈沖為時(shí)間間隔,交替發(fā)射和接收水平和垂直兩種線偏振波,這樣得到的dr、dp和的相關(guān)性稍微差些,它要求雷達(dá)的觸發(fā)脈沖頻率較高。這種雷達(dá)相對(duì)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,在常規(guī)雷達(dá)上改裝較容易。各國(guó)在開始發(fā)展雙線偏振雷達(dá)技術(shù)時(shí)大都采用此種制式。,雙線偏振,16.偏振雷達(dá)在氣象中的應(yīng)用,1用于識(shí)別云中粒子的相態(tài)如把云中水成物粒子分成小雨、中雨、大雨、大粒子降雨、雨夾雹、冰雹、霰、干雪、濕雪、水平排列冰晶、垂直排列冰晶共11類。 2遙測(cè)區(qū)域降水量偏振雷達(dá)由于能以比常規(guī)雷達(dá)高得多的精度實(shí)時(shí)

30、快速獲取降雨量數(shù)據(jù),是防止局地暴洪較好的探測(cè)工具。 3 用于雷電探測(cè)冰相粒子和強(qiáng)烈上升氣流的存在,是云中粒子電荷產(chǎn)生的主要原因。 4 用于人工影響天氣工作偏振雷達(dá)(特別是短波長(zhǎng)云偏振雷達(dá))由于其固有的特性,能在了解云發(fā)展過(guò)程中一系列微物理變化特征方面發(fā)揮重要作用。,17.DLPDR能從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雙程差示傳播相位變量 5相關(guān)系數(shù) 6. 多普勒相移及多普勒勒速度 7多普勒速度譜寬,17.用雙線偏振變量估測(cè)降雨強(qiáng)度,常規(guī)單偏振天氣雷達(dá)測(cè)雨的缺點(diǎn)：,ZhI關(guān)系隨雨滴譜型變化較大，使其普適性及穩(wěn)定性均較差 假定雨滴是球形的，

31、忽略了大雨滴非球形帶來(lái)的影響,雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)：,采用ZDR、KDP等偏振變量建立的測(cè)雨方程，對(duì)雨滴譜的變化相對(duì)說(shuō)來(lái)較不敏感 考慮了雨滴非球形的影響,幾種測(cè)雨方程的形式,常規(guī)天氣雷達(dá),雙線偏振雷達(dá),雙線偏振多普勒雷達(dá),各測(cè)雨方程精度比較結(jié)果:,,測(cè)雨方程對(duì)雨滴譜變化的敏感性：,,18. 不同降水粒子時(shí)各偏振變量的情況,(1)對(duì)于純降雨區(qū) (2)對(duì)于雨和冰雹共存區(qū) (3)中等大小且方向性很好的融化冰雹 (4)大的冰雹,19.用偏振變量識(shí)別冰雹,,,,冰雹參量：HDR0有冰雹,雨區(qū)邊緣分布廓線,,,名詞解釋：多普勒效應(yīng)、多普勒頻率、相干波、非相干波、全相干多普勒天氣雷達(dá)、脈間相干多普勒天氣雷達(dá)、最大不模糊距離與距離折疊、最大徑向速度與速度模糊、多普勒兩難、回波功率譜、多普勒速度和速度譜寬度、Nyquist 間隔 新一代多普勒雷達(dá)的觀測(cè)模式有哪些？ 影響速度譜寬的氣象因子？ VAD技術(shù)及多普勒雷達(dá)測(cè)量均勻流場(chǎng)的風(fēng)向風(fēng)速？ 什么是雙線偏振多普勒雷達(dá)？ 差示反射率因子ZDR，KDP，DP 不同降水粒子偏振變量的狀態(tài),