1、第四章第四章 多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達第1頁/共34頁sin)(cos)cos()()(0fhRvvv VAD技術就是速度方位顯示方法、即讓雷達天線以某一固定的仰角作方位掃描，并把探測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。三、VAD技術測量水平流場及降水量第2頁/共34頁cos2)(21vvvh水平風的來向，就是徑向速度極小值時天線所指的方向。sin2)(21vvvf0當天線指向上風方向時avavvvhfcossin1（一)測量均勻流場的風向風速當天線指向下風方向時avavvvhfcossin20 所以可求得被探測高度上的水平風速：粒子的平均下落速度第3頁/共34

2、頁速度方位顯示產(chǎn)品 對于給定高度，根據(jù)標準徑向距離（缺省16.2海里），選定與給定高度最接近的仰角資料。然后將該仰角中給定高度上每個距離庫上平均徑向速度點繪在徑向速度一方位圖上，橫坐標為方位角0或360為正北方向，180朝向正南），縱坐標表示徑向速度。最小二乘法擬合這些點，可得到一條正弦波曲線，振幅表示水平風速，波谷（負值最大點）所在方位角表示水平風向。 第4頁/共34頁(二)測量非均勻流場的風向、風速、輻散和形變 VAD VAD曲線的非簡諧振蕩形式提供了水平風場更多的信息。對曲線的非簡諧振蕩形式提供了水平風場更多的信息。對VADVAD曲線作諧波分析，應用傅氏級數(shù)的零次，一次和二次諧波展開，可

3、曲線作諧波分析，應用傅氏級數(shù)的零次，一次和二次諧波展開，可以得到水平輻合、水平風向和風速以及水平風場的形變等信息。以得到水平輻合、水平風向和風速以及水平風場的形變等信息。 avavavvfyxRsincossincoscos)(yyvxxvvvxxxx0yyvxxvvvyyyy00fv 01cossin2coscoscossin1coscos221cossin22yxRfxoyoyxyxvvvRvxyvvvvRxyvvRxy 第5頁/共34頁將 按方位角 展成傅氏級數(shù) 10sincos21nnnRnbnaav Rvsin2cos00fyxvyvxvRacos01xvacos01yvbyvxvR

4、ayxcos21221cos2yxvvbRyx 0na2 , 1 , 0n 0nb2 , 1 , 0n可得到第6頁/共34頁第7頁/共34頁四、多部多普勒雷達聯(lián)合探測風場四、多部多普勒雷達聯(lián)合探測風場1三部雷達方法探測風場2雙多普勒雷達探測3. 單多普勒天氣雷達反演 單部多普勒雷達只能探測大氣目標物相對于雷達的徑向運動速度，從徑向速度分布特征再來推斷大氣流場的特點，因此，單部多普勒天氣雷達探測能力是有限的，它不能直接探測空氣運動的二維或三維的詳細結構，為了能從單部多普勒天氣雷達測得的徑向速度分布，從而推斷氣流的空間情況，必須作出一些假定。第8頁/共34頁 Lhernitte方法：Lhernit

5、te（1968年)提出了用三臺多普勒天氣雷達進行觀測的方案.這種方法的原理比較清楚，但實際上很難做到同步同時對準空間某一點取樣。切實可行的代替方案是三個波束獨立地掃描，多距離同時取樣、記錄、然后用內插方法計算各時刻、各地點雷達的徑向速度。這樣做實際上隱含著整個測量過程中氣流分布是定常的假設，而且，資料處理程序非常復雜，運用三部雷達進行探測的實例還很少。而在Lhernitte探測方案基礎上發(fā)展的幾種雙部天氣多普勒雷達探測的方法，已在一些探測試驗中得到應用。 1三部雷達方法探測風場第9頁/共34頁第10頁/共34頁 最佳布局是指三部雷達怎樣布局才能在給定的探測誤差范圍內,使它的探測空間最大,其含義

6、是:雷達如何布局,才能使各點的探測誤差最小 三部多普勒天氣雷達聯(lián)合探測大氣風場的最佳布局與各部雷達的最三部多普勒天氣雷達聯(lián)合探測大氣風場的最佳布局與各部雷達的最大探測距離和測速精度及要求的聯(lián)合探測精度有關大探測距離和測速精度及要求的聯(lián)合探測精度有關; ; 在三部雷達的最大探測距離和測速精度都相同且測速精度為在三部雷達的最大探測距離和測速精度都相同且測速精度為1 m/s1 m/s的情況下的情況下, ,三部雷達以等邊三角形布局為最佳三部雷達以等邊三角形布局為最佳, ,其邊長與雷達的最大探測其邊長與雷達的最大探測距離和希望的探測精度有關。距離和希望的探測精度有關。第11頁/共34頁 2雙多普勒雷達探

7、測 Browning等（1968年）提出，用一部雷達作垂直指向，測量雷達的上空的云粒子的垂直運動徑向速度，另一部雷達設在距雷達一定距離，同時對垂直指向雷達的上空進行探測。雷達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量，這樣就可以得到點上空的垂直速度和水平風速。 但是這種方法得不到對流云完整的三維結構。第12頁/共34頁 Miller等人在1974年提出對兩部多普勒天氣雷達共面探測方案。該方案是、兩部雷達在同一個平面上掃描取樣。該平面與地平面的交線為、兩部雷達的基線。變化夾角對不同的平面共同取樣就可以得到三維流場資料。共面探測方案 共面探測時兩部雷達天線掃描需要很好配合，

8、才能系在同一面上掃描， 操作仍很困難。NSSL（國家強風暴實驗室）采用兩部雷達同時在、兩地各自進行固定仰角的方位掃描，從仰角零度開始，每抬高度仰角進行一次方位掃描，直到降水云頂為止，、兩個雷達站取得整個降水云體的多普勒速度資料 。 2雙多普勒雷達探測第13頁/共34頁第14頁/共34頁共面探測方案資料處理步驟: 對所得資料的處理方法是：先利用插值方法求出兩部雷達共面時的數(shù)據(jù)，再采用前述資料處理方法進行處理。該資料處理步驟如下：該資料處理步驟如下：1 1：首先由兩部雷達在共同平面掃描中得到平均徑向速度：首先由兩部雷達在共同平面掃描中得到平均徑向速度 和和 及它們及它們之間的夾角之間的夾角 和和

9、, a, a,計算出平面上該點的速度計算出平面上該點的速度 2 2：根據(jù)兩部雷達測出該點的回波強度：根據(jù)兩部雷達測出該點的回波強度Z Z，根據(jù)雨點末速度和雨點直徑的平方根成，根據(jù)雨點末速度和雨點直徑的平方根成正比的條件下導出的正比的條件下導出的 （或（或 或或 ）關系式，估算出該處降水質點的下降末速度。）關系式，估算出該處降水質點的下降末速度。3 3：由于探測取樣的平面與地平面存有夾角：由于探測取樣的平面與地平面存有夾角 ，降水粒子下降的末速度，降水粒子下降的末速度 不垂直于不垂直于探測平面，必須求探測平面，必須求 在探測平面上的垂直分量。在探測平面上的垂直分量。4 4：運用邊續(xù)公式，在不可壓

10、縮的假設條件下，推算出該平面垂直方向的速度。：運用邊續(xù)公式，在不可壓縮的假設條件下，推算出該平面垂直方向的速度。5 5：斜面上的三維氣流通過坐標轉換到水平面坐標，轉換中采用線性插值。：斜面上的三維氣流通過坐標轉換到水平面坐標，轉換中采用線性插值。ArVBrVABV0072. 008 . 3 Z107. 006 . 2 Z052. 003 . 4 Z第15頁/共34頁973973“中國暴雨中國暴雨”雙多普勒雷達探測示意圖雙多普勒雷達探測示意圖S S波段波段C C波段波段第16頁/共34頁多普勒雷達系統(tǒng)主要參數(shù)多普勒雷達系統(tǒng)主要參數(shù)第17頁/共34頁多普勒雷達反演風場示意圖第18頁/共34頁 在實

11、際業(yè)務中，兩部雷達共同觀測區(qū)域一般相對較小，反演出的二維風在實際業(yè)務中，兩部雷達共同觀測區(qū)域一般相對較小，反演出的二維風場難以滿足實際業(yè)務的需要。因此人們便把目光投向用單多普勒天氣雷達反場難以滿足實際業(yè)務的需要。因此人們便把目光投向用單多普勒天氣雷達反演二維風場。如：演二維風場。如：u陶祖鈺陶祖鈺(1992)(1992)提出提出VAP (Velocity Azimuth Processing)VAP (Velocity Azimuth Processing)方法方法u姜海燕等姜海燕等(1995)(1995)提出渦度提出渦度- -散度方法散度方法一般來說，僅通過風場的一個方向的分量來反演實際二維

12、水平風場，必須對一般來說，僅通過風場的一個方向的分量來反演實際二維水平風場，必須對風場做某種假定，這種假定給風場反演帶來較大的不確定性，不過由于是單風場做某種假定，這種假定給風場反演帶來較大的不確定性，不過由于是單部雷達觀測，節(jié)省了人力、物力，便于在氣象業(yè)務中推廣使用，可在一定程部雷達觀測，節(jié)省了人力、物力，便于在氣象業(yè)務中推廣使用，可在一定程度上滿足人們對風場資料的需求。度上滿足人們對風場資料的需求。 但要想從根本上了解中小尺度天氣系統(tǒng)的結構，進而分析災害性天氣但要想從根本上了解中小尺度天氣系統(tǒng)的結構，進而分析災害性天氣發(fā)生的條件及其演變規(guī)律，需要得到這些天氣系統(tǒng)的三維風場結構。因此，發(fā)生的

13、條件及其演變規(guī)律，需要得到這些天氣系統(tǒng)的三維風場結構。因此，單部多普勒雷達三維風場反演技術應運而生。如單部多普勒雷達三維風場反演技術應運而生。如: :u Waldteufel and Corbin (1979)Waldteufel and Corbin (1979)提出提出VVP(Volume Velocity VVP(Volume Velocity Processing)Processing)u 邱崇踐等（邱崇踐等（19951995）提出變分反演方法）提出變分反演方法u 崔哲虎等（崔哲虎等（19961996）提出大氣動力學方法）提出大氣動力學方法3、單多普勒天氣雷達反演第19頁/共34頁VV

14、PVVP方法原理方法原理具體見具體見暴雨系統(tǒng)的多普勒雷達反演理論和方法暴雨系統(tǒng)的多普勒雷達反演理論和方法VIVVIVVIVVIV分析體積示意圖分析體積示意圖 VVP方法即速度體積處理方法（Volume Velocity Processing）,是由Waldteufel和Corbin(1979)最早提出的。它采取徑向、切向及垂直三方向構成的三維空間作為分析體積，如下圖所示。在分析體積中假設：第20頁/共34頁第21頁/共34頁第22頁/共34頁7 7月月2323日日0303：2323的風場對比的風場對比第23頁/共34頁1.1.用雙脈沖重復頻率擴展多普勒雷達可測速區(qū)間用雙脈沖重復頻率擴展多普勒雷

15、達可測速區(qū)間標準化多普勒速度雷達交替發(fā)射兩種脈沖重復頻率F1和F2 ：解決測速模糊的兩種方法)11(1212uuVVVTVu4uVV 第24頁/共34頁最大不模糊速度多普勒速度：擴展？擴展？ *14 1211*TVVVVuuuu*uVV第25頁/共34頁2.2.用退折疊技術消除多普勒速度的折疊用退折疊技術消除多普勒速度的折疊折疊成因 當目標物的多普勒頻移fd大于脈沖重復頻率F的一半(相位大于1800)時，對fd的識別就會產(chǎn)生混淆。若則即Ffd21FNfd)21(FFffdd)(FNfFNfdd) 1() 1(nmtNVVV2nVFV22第26頁/共34頁速度折疊速度折疊 Nyquist 間隔

16、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了Nyquist 間隔，那么速度值就會aliased (folded)aliased (folded)。這叫速度折疊/混淆(velocity velocity folding/aliasing).folding/aliasing). 例如: 若nyquist 速度是25 m/s ，粒子的radial velocity是0-3 m/s, 那么 就會發(fā)生折疊，導致其值是+20 m/s第27頁/共34頁p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，即在大氣中風場的分布總是連續(xù)的。因此，只要雷達的分辨率足夠高、保證風場的連續(xù)變化

17、特征不會模糊掉，那么從理論上講，在有回波之處運用連續(xù)性原理，總可以從點推得整個回波區(qū)的速度值，因為速度的折疊總是使相鄰庫問的速度增加而呈現(xiàn)出明顯的突變，選擇適當?shù)腘，使該速度梯度明顯減小時即可認為此時的速度值是實際速度。第28頁/共34頁p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。 由于在RDA中已經(jīng)過距離去折疊處理，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別和校正模糊的速度。 速度退模糊算法本質上是根據(jù)連續(xù)性原則將每個速度初猜值與它的周圍的相臨速度值相比較。如果一個速度初猜值與它的周圍值顯著不同，則該算法試圖用另一個可能的值替換那個速度初猜值。第29頁/共34頁 地物雜波抑制，模數(shù)轉換和多普勒資料距離退折疊。 新一代多普勒雷達基本構成第30頁/共34頁4.7 雷達數(shù)據(jù)質量控制 在雷達硬件標定正確的情況下，新代天氣雷達數(shù)據(jù)的質量主要受到三個因素的影響，分別是： 地物雜波 距離折疊 速度模糊第31頁/共34頁u名詞解釋：名詞解釋： 多普勒效應、多普勒頻率、相干波、非相干多普勒效應、多普勒頻率、相干波、非相干波、全相干多普勒天氣雷達、脈間相干多普勒天波、全相干多普勒天