雷达气象学考试复习文档格式.docx

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CAPPI

晴空条件下的测风雷达：

激光雷达测云、T、

机载多参数测雨雷达：

相控阵雷达PhaseArrayRadar：

天线，time，

风廓线雷达：

三维雷达回波图象

闪电定位系统

6.雷达气象业务涉及的软、硬件系统及内容：

1气象雷达系统（硬件部分）

2气象雷达系统（软件部分）

3雷达探测原理（距离、方位、强度、速度）

4雷达数字化系统及产品制作

5雷达图像的计算机显示实践

6典型雷达回波（强度、速度）

7雷达数据的压縮与保存

8雷达图像的平滑与锐化

9雷达图像杂波的滤除

10速度资料的提取（VAD和图像相关处理技术、含基本

退模糊技术）

11雷达测量降水及相关问题

12雷达探测灾害性天气（冰雹、台风、暴雨等）

13雷达拼图

14双波长、双极化雷达的优势及应用

7.球形粒子的散射

◆球形干冰粒对雷达波的散射:

Rayleigh：

所以雪和小冰粒回波弱；

Mie：

米3区，解释为何大冰雹的回波非常强。

8、9月Z>

50dBZ，大雨>

30dBZ

◆正在融化的球形粒子的散射:

1.外包水膜的融化冰球：

随着融化水膜厚度的增加，融化冰球的雷达截面增大。

Mie:

随着融化水膜厚度的增加，融化冰球的雷达截面减小.

解释冬天北方降雪（干雪）回波较弱，而南方降雪（湿雪，认为是外包水膜的冰球）回波较强。

形成0度层亮带的原因之一就是融化作用。

2.冰水均匀混合球：

Rayleigh:

冰水均匀混合球的雷达截面随着融化水量的增加而增加的速度要比外包水膜冰球时慢得多。

8.为什么降水雷达采用水平发射的水平偏振波？

因为抬高仰角，散射无变化，E//水平面，电偶极矩l＝2b长轴，不变。

球越扁，相对于同体积的球形粒子产生的后向散射越大，而且随天线仰角的太高，后向散射强度不会改变，而且不会产生正交偏振分量。

2．衰减

1.比尔-伯格-朗伯定律的积分式

2.用分贝数表示的衰减系数kt

3.云对雷达波衰减规律及ktc与含水量M的关系

◆云对雷达波的衰减规律：

①由液滴组成的云的衰减随波长的增大而迅速减小；

②液态云的衰减还随温度的降低而增大；

③对于波长较短的雷达（如3cm以下的雷达），要考虑云层的衰减作用；

对于雷达波长较长的雷达，可忽略云层对电磁波的衰减作用；

④冰云的衰减要比液态云的衰减小2~3个量级，原因在于冰晶的介电常数小于水。

◆ktc与云中的含水量M的关系：

（M单位体积内所有云质点的质量之和，（单位:

g/m3））

4.雨对雷达波衰减规律及ktr与雨强I的关系

◆雨对雷达波的衰减规律：

①雨对雷达波的衰减系数一般与降水强度成正比关系;

②雨的衰减系数在给定温度下还与波长有关系;

③由于雨滴谱的分布和降水强度经常随时空变化，所以在雷达波束所经过的路径上，各段的衰减情况往往不尽相同；

④由于衰减作用，对于同一降雨带波长较长的雷达能准确探测到，而波长较短的却不一定。

◆ktr与雨强I的关系：

（I降水强度（雨强）：

单位时间内降落到地面单位面积上的降水量。

◆衰减造成的影响：

1　造成回波偏弱、弱回波可能消失

2　减小回波区域面积

3　使回波分布情况失真

4　估测的雨强、雨量偏小

5　导致回波识别和跟踪的困难

5.kt与波长成反比的结论应用。

定性结论：

大面积小雨，3cm雷达，雨的衰减要考虑。

中雨，3cm和5cm，

大雨或冰雹，3cm，5cm和10cm均要考虑

综合考虑雷达截面/雷达反射率与波长成反比（波长越短散射能力越强），衰减和波长也成反比的关系（波长越短衰减也越强），我国雷达布网，对短时预报，东南沿海多暴雨和台风（大雨滴），采用10cm雷达，内陆西北5cm雷达。

人影作业的移动性决定其多采用3cm雷达。

PS:

“V”型缺口:

由于云中大冰雹、大水滴等大粒子对雷达波的强衰减作用，雷达波不能穿透主要的大粒子区，在大粒子区的后半部形成所谓的V字型缺口。

尖角对准测站。

3．雷达气象方程

1、概念：

◆波宽θ：

雷达主波束上两个半功率点之间的夹角，有水平波宽和垂直波宽。

雷达发射波能量越集中越好，波宽<

1°

◆脉冲宽度τ：

脉冲持续时间（711is1微秒）

◆脉冲长度h：

脉冲在空间的延伸距离h=ct

◆有效脉冲深度：

理论证明：

只有在波束中距离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为波束有效照射深度

◆有效照射体积：

有效照射体积的具体求法取决于波束的几何形状，也就是取决天线的形状:

◆天线增益：

假设在这个方向上的波束范围内，天线辐射的能流密度相同，这样，距离定向辐射天线R处的能流密度Smax与Sav的比值称为定向辐射天线的增益。

◆盲区：

离雷达站h/2的距离内产生的回波将收不到，称为盲区。

2、雷达气象方程（3.25）式，及对其的讨论。

要求掌握每项物理意义、各参数含义。

（3.25）

讨论：

◆气象因子的作用：

①目标物的后向散射特性--粒子大小、形状、相态、温度等对散射的影响。

②波束路径上各种粒子对雷达波的衰减作用--大气、云、雨滴、冰雹等粒子在不同波长、温度时的衰减。

◆雷达参数的选择：

①发射功率：

增加Pt，可提高雷达探测能力和探测距离。

但增加Pt受技术和经济条件限制。

测距的限制常常不是Pt不足，而是由于地物阻挡和地球曲率的影响。

②波长λ（或振荡频率f）:

同一目标物对不同波长的电磁波的散射和衰减特性有很大差别。

所以不同用途的气象雷达具有不同的波长。

③脉冲宽度:

增加脉冲宽度，V增大，有更多粒子产生的回波能同时到达天线，使Pr增大，从而增大雷达探测能力。

但有两个缺点:

（1）雷达距离分辨率（h/2）变低;

指空间径向上两个目标物在雷达屏幕上可区分的最小距离。

（2）雷达盲区变大:

离雷达站h/2的距离内。

④天线增益:

取决于天线口径面积：

增大Ap可以提高G和减小波宽，从而增大雷达探测能力和探测的角分辨率。

所以，天气雷达常采用较大的Ap。

但是如果Ap过大，转动性能、抗风能力和机动能力就差，制作和安装也困难。

⑤脉冲重复频率（PRF）:

PRF的选取决定了最大探测距离，实际的PRF选择取决于实际情况。

◆距离因子的作用：

①回波功率Pr与距离R的平方成反比，即同样强度的降水在远处要比近处弱的多

②最大不模糊距离Rmax:

PS：

多普勒两难：

最大不模糊距离：

Rmax是指在下一个脉冲发射出去之前，这个脉冲能向前走并返回雷达的最长距。

题目：

1.波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz的脉冲重复频率下，能否正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统？

如果不能探测，会出现什么结果？

（20分）

解：

150km;

12.5m/s

所以波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz的脉冲重复频率下，不能正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统，会有二次回波和速度模糊。

（5分）

画图分析，在距离雷达30Km出出现二次回波。

（2分）

若20m/s是远离雷达的径向速度，在速度图上显示的正的最大12.5m/s区域突变成负的最大且渐变为负的5m/s，表现为速度模糊现象，公式计算过程。

（3分）

2.为了正确测量180公里处、移速为15米/秒的雷暴系统，可否选用波长为5厘米的多普勒天气雷达？

如果再利用波长为10厘米的多普勒天气雷达，请设定合适PRF。

（Rmax*Vmax=180km*15m/s=2.7x106m2/s,（λC）/8=0.05*3.0*108/8≈2*106m2/s）

因为Rmax*Vmax>

（λC）/8，所以，不能正确测量（如果学生回答采用双PRF技术，则有可能实现，这时需要写出PRF的具体数据）

第二问的具体求解过程：

（1）Rmax=C/（2*PRF）>

180k,m,PRF<

C/（2*180km）=833Hz

（2）Vmax=（λ*PRF）/4>

15m/sPRF>

（4*15m/s）/λ=600Hz

因此任意介于600Hz和833Hz之间的PRF都符合要求。

可以设定PRF为800Hz。

3.波长为5厘米的天气雷达，工作在1000Hz的脉冲重复频率下，能否正确探测180公里处、移速为20米/秒的雷暴系统？

4．折射

1、折射过程及形成折射的物理原因。

过程：

电磁波在大气中曲线传播的现象。

物理原因：

电磁波在不均匀介质中传播速度变化而引起的传输方向的改变。

2、曲率、地球等效半径、M

=

单位弧长倾角的变化

等效地球半径R’m：

h高目标物的最大探测距离Rmax，在真实地球和真实射线的情况下与假想的地球和直线传播的情况下相同，称这时假想的地球半径为等效地球半径

订正折射指数M：

设地球是平面，来订正大气折射指数。

3、曲率与折射指数随高度变化的关系。

①N值随P，e的增大而增大，随T的减小而增大；

②在实际大气中，一般P、T、e都随高度的增大而减小，但P、e下降速度较快。

所以N的垂直变化中P、e起主导作用。

也就是说N随高度升高而减小。

即：

③可见，以一定仰角发射的电磁波的传播路径一般是略微向地球表面弯曲的。

4、五种折射现象,超折射气象条件及意义

1超折射时回波特点：

地物回波明显增多，且出现位置距离RDA明显增大。

2如何区分地物回波与降水回波？

与晴空日常地物回波分布对照，区分超折射时的地物回波；

地物回波是静止不动的，气象回波都是运动的，所以可以参看速度图；

抬高仰角，使电磁波穿过波导层。

◆超折射回波的气象意义：

辐射超折射：

发生大陆上晴朗的夜晚，由于地面辐射使近地层迅速降温而形成辐射逆温。

特别当地面潮湿时，水汽不能向上输送。

平流超折射：

干暖的空气移到较冷的水面时。

雷暴超折射：

超折射发生在消散期，强大的下沉气流造成逆温，逆温又抑制了水汽的向上输送，形成超折射。

5、折射对雷达探测距离的影响。

探测距离较远时，雷达波束偏离地面，一些低目标物观测不到；

当目标物移向雷达站，波束探测高度不断降低，出现回波新生的虚假现象；

当目标物远离雷达站，波束探测高度不断增加，出现回波减弱、消散的虚假现象；

球形地面造成回波的分布变形；

五、雷达探测能力和精度

1.测高公式：

2、测高误差：

1、雷达设计精度造成的测高误差：

高标线+-200m

2、测距误差dR引起的测高误差dH：

dR<

量程的2%,dH几百m.

3、天线高度h的误差引起测高误差：

忽略

4、仰角误差……：

查表

5、大气折射……：

6、波束的垂直波宽……：

7、旁瓣……：

强对流云时

8、距离衰减……：

7、雷达定量测量降水

1.基本原理，Z-I关系的确立

当M-P滴谱分布时常用的Z=200I1.6

2.Z-I关系的不稳定性，及其解决办法。

◆A，b为常数，因地区、季节、降水类型的不同而不同，甚至同一次降水过程中，由于滴谱的变化也会发生变化。

Z-I关系不稳定的原因：

1、雨滴谱随时间、空间和不同降水类型而变。

2、雨滴下落末速度的公式v（D）=1300*D^0.5仅适用于直径大于1mm的雨滴，小雨1mm的雨滴误差较大，另外还受到风场环境、气温条件等其它一些环境的影响。

◆解决办法：

1、统计实际的Z-I关系及其变化

2、概率配对的气候Z-I关系

3.雷达测雨误差因素

1、地物阻挡、部分阻挡或充塞系数小于1

2、旁瓣回波影响

3、衰减影响（主要是雨的衰减）

4、超折射-地物回波干扰

5、雨滴谱的变化

6、水汽蒸发

7、高度的影响：

近距离处-IZ一致性较好；

远距离-一致性差

8、风的影响-地面风：

影响滴谱蒸发，雨滴的降落位置

9、天线罩的衰减：

罩外结冰、水膜、积雪

10、雷达发射功率不稳定、硬件定标

4.雨量计实时订正

8、多普勒天气雷达探测原理

1、多普勒效应、多普勒频移（前面）

2、速度谱宽

多普勒速度谱宽表征着雷达有效照射体积内不同大小的多普勒速度偏离其平均值的程度，实际上它是由散射粒子具有不同的径向速度所引起的。

影响速度谱宽的主要因子有四个：

①垂直方向上的风切变；

②波束宽度引起的横向风效应；

③大气的湍流运动；

④不同直径的降水粒子下落末速度的不均匀分布。

3、最大不模糊距离与距离折叠

◆距离折叠（模糊）在产品中的表现形式

（1）距离模糊常见于速度和谱宽产品中

原因:

为了满足精确估算速度的需要,常采用高PRF的结果.

（2）距离模糊现象只是偶尔出现在反射率产品上

具有精确距离信息的反射率资料是用低PRF获得的.反射率产品不使用距离退模糊算法,也不用紫色作为距离模糊标志.

◆消除距离模糊的方法：

一、在低仰角先发射低PRF，获得较大Rmax的Z值和Z值的准确位置；

再发射高PRF，获得较小范围的Z，V，W。

真实回波和二次回波重叠，回波功率差不多而无法区分时，用紫色标表示。

二、随机相位编码器

4、最大不模糊速度与速度模糊

速度模糊的识别和退模糊方法（双脉冲方法）

风场反演方法（VADVVP）

九．双线偏振多普勒天气雷达探测技术

1.偏振雷达的作用

1、提高测雨的精度

2、提高识别冰雹的准确率

3、了解降水粒子的相态及形状

4、确定雨滴谱参数等

2.双线偏振多普勒天气雷达能测得的物理量

（一）雷达反射率因子ZH和ZV

（二）差分反射率因子ZDR

1、ZDR定义式

ZDR=10log（ZH/ZV）=10logZH-10logZV（8）

2、ZDR值的范围。

通常在-0.5——+6.0dB

（1）一般雨滴呈扁旋转椭球，ZHH＞ZVV，故经常为ZDR＞0。

（2）大雨滴时，呈更扁的椭球形，故ZDR值可达3~5dB。

（3）冰雹，由于翻转作用总体效果接近球形，ZDR值在零附近，可以是小的负值或小的正值。

（三）双程差分传播相位变化值φDP。

1、φDP的含义：

设水平及垂直偏振波通过相同长度的一个降水区（由非球形粒子组成）后，散射回天线处的相位分别为φHH及φVV，则定义：

φDP=φHH-φVV=δ+φDP

2、φDP值的大小：

它的值随着所通过的雨区增长而变大，当通过广大的（百公里以上）雨区时，φDP可达上XX。

（四）双程差分传播相位常数KDP

1、KDP的定义：

KDP是双程传播相位变化值φDP随距离的变化程度。

KDP值的大小：

一般KDP＜10/Km，但含有冰核的大雨滴时，KDP可达2.5°

/Km。

（五）双线偏振雷达的退极化因子LDR

1、LDR的定义为：

2、LDR的物理意义反映非球形粒子后向散射中，散射平行偏振分量与散射垂直偏振分量在散射能力之间的差异。

3、LDR值的大小，与非球形粒子的空间取向和入射波的入射方向等有关。

4、LDR值的范围，由于ZHV要比ZHH小2-3个量级，故：

（1）大部分雨滴区，LDR＜-25dB。

（2）非球形冰相粒子和翻转粒子，如软雹，LDR＞-20dB。

十、径向速度分析

气旋：

左负右正，正负速度区对称分布于某径向方向两侧

辐合：

外负内正，沿距离圈对称分布

11、雷达回波的识别与分析

1.非气象回波：

◆地物回波

特点：

块体小，强度大，回波边缘清晰，位置固定不变，且回波和地物所在的位置是一致的。

常用的识别方法：

比较法：

地物回波图像比较固定，而降水回波变化较大；

PPI探测时改变天线仰角识别法

RHI探测法识别

◆超折射回波

发生超折射现象时产生的回波，使得通常看不到地物回波的距离上也出现地物回波，实质是地物回波。

气象意义

预示着大气低层或中层存在逆温层，即大气比较稳定；

在降水过程中出现时预示着对流已减弱，降水即将中终止;

长期存在时需要发出环境污染预报；

当有强冷空气入侵时还可能出现强对流天气。

产生超折射回波的气象条件

辐射超折射

平流超折射

雷暴超折射

◆同波长干扰

当近距离有两部以上波长相同的雷达同时工作时，会出现特殊的回波，常表现为单条或多条线状，有时也呈点线状回波带，从中心以相等的间隔呈螺旋状向四周放射出来。

◆飞机、船只回波

在PPI上呈圆点状或“一”字形，移动速度快。

◆海浪回波

沿海地区的雷达在风力较大时，水平探测或者俯视探测时可能会出现，而且随着风力的增大，回波出现的距离和范围将有所增大；

针状回波体呈扇形向外辐射，强度较弱且均匀。

◆天线辐射特性引起的虚假回波

产生原因：

虽然旁瓣、尾瓣的能量分布非常小，但当旁瓣或尾瓣发射的电磁波在近距离遇到一些特别强的降水回波中心时，反射或散射回来的电磁波也可能被接收机接受到，从而产生虚假的回波。

尾瓣在PPI上的虚假回波——虚假回波与真实回波的强中心相似，关于雷达中心对称分布，并随着真实回波的移动而移动；

旁瓣在PPI上的虚假回波——“枝状回波”，分布在真实回波的两侧，并随着真实回波的移动而移动；

旁瓣在RHI上的虚假回波——“指状回波”，其形状与强回波中心相似；

2.降水回波

◆层状云连续性降水——片状回波

回波特征

PPI回波特征：

分布成片，面积较大，结构均匀，边缘模糊，强度较弱（一般在20－30dBZ）；

RHI回波特征：

结构均匀，顶部平整，相对起伏较小（相对于对流云降水），垂直厚度不大（一般5－6km，因地区、季节而不同），水平尺度要比垂直尺度大得多。

零度层亮带：

层状云降水的一个重要特征，通常出现在零度等温线以下几百米处的一个高回波强度带。

形成原因：

融化效应

碰并聚合效应

速度效应

粒子形状效应

◆对流云阵性降水——块状回波

通常由许多分散的单体组成，结构密实，边界清晰，回波强度大；

柱状，顶部常为云砧状或花菜状，结构中有强中心，厚度6-7km，夏天可大于10km。

◆积层混合云降水——絮状回波

分布范围大，边缘破碎，内夹结实的团块，结构不均匀，有时会出现不完整的零度层亮带；

回波顶高度起伏，共存对流云阵性降水回波特征和层状云连续降水回波特征。

3.非降水回波

◆云的回波

回波特征（层云，积云，混合云）：

类似于相应的降水回波

◆雾的回波

类似于层云，近地面1-2km，强度小于10dBZ，薄纱状

Ps:

1、比较降雪回波和降雨回波的差异（10分）

关于雨雪回波的差异：

雪的回波通常更弱，因为复折射指数项更小、雪花数浓度低

雪的回波高度更低，因为是弱降水系统，发展高度低，只适合低仰角探测和显示（PPI）

降雨可分成对流型、层状云或混合型降水系统，但降雪通常是层状云降水系统，回波的分布相当均匀

降雨回波中可能出现零度层亮带，但降雪回波中不会出现

十二、对流性天气的雷达回波特征

1.超级单体风暴

定义：

一种有特殊结构的强雷暴，高度组织化的内部环流

尺度和生命史：

水平尺度几十千米，生命史几小时，

天气现象：

强灾害天气，冰雹，龙卷（下击暴流），雷雨，大风

典型环境：

大气层结强烈不稳定；

云层有强风切变；

风随高度强烈顺转；

云下平均风强

风暴的结构：

PPI；

RHI（悬挂回波，无回波穹窿，回波墙）

风暴中的气流：

上升，下沉，环境风

雹块的增长：

多次托起，雹块大

◆冰雹云的典型回波特征：

PPI：

钩状回波；

V型缺口

RHI：

有界弱回波区（穹窿）；

强回波区伸展高度高（云砧）；

尖顶旁瓣假回波（辉斑回波）

强雷暴云的地面天气：

1.TBSS（即冰雹云的指状回波）及其成因

也称辉斑回波，雷达探测冰雹云时，由于冰雹强中心和地面多次反射使得电磁波传播距离变长，产生异常回波信号，回波返回所用的额外时间被雷达显示成更远处的回波，表现为从冰雹云中沿强回波中心径向方向延伸出去的尖峰，也称TBSS（Three-BodyScatteringSpike）。

2、说明和解释冰雹回波的主要特点（10分）。

回波强度特别强；

回波顶高高；

上升气流特别强。

PPI上，1、雷达与强回波的外延线上有“V”字形缺口，因为衰减；

2、在风暴的右侧有一个持久的有界弱回波区，表示风暴的强上升气流，它在底层有时被称为入流缺口。

最强的雷达回波出现在有界弱回波区的左侧。

在底层，有界弱回波区的右侧经常可看到一个钩状的附属物。

3、TBSSor辉斑回波，回波返回所用的额外时间被雷达显示成更远处的回波。

RHI上：

1、超级单体风暴中的穹窿、回波墙和悬挂回波。

3、旁瓣假回波。

5、在回波强中心的下游，有一个伸展达60-150km甚至更远的砧状回波

谱宽图上也有高值区。

3.比较层状云降水和对流型降水回波的特点。

A、PPI：

层状云降水的回波范围大，成片分布，大片的弱回波区中嵌着一些较强的回波，回波的边缘模糊，会出现一个环状或半环状的亮圈，它比周围回波强，称零度层亮带或融化