風(fēng)廓線雷達(dá)簡介魏鳴2013-4-9風(fēng)廓線雷達(dá)簡介魏鳴1主要內(nèi)容1風(fēng)廓線雷達(dá)概述2探測原理3風(fēng)速計(jì)算方法4風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用目的掌握風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理了解風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用現(xiàn)狀主要內(nèi)容1風(fēng)廓線雷達(dá)概述21風(fēng)廓線雷達(dá)概述1風(fēng)廓線雷達(dá)概述3風(fēng)廓線雷達(dá)(windprofilerradar，WPR)是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場等物理量探測的遙感設(shè)備。風(fēng)廓線雷達(dá)常被稱為風(fēng)廓線儀，但從硬件系統(tǒng)技術(shù)體制上它應(yīng)當(dāng)屬于現(xiàn)代雷達(dá)的一種。風(fēng)廓線雷達(dá)探測的主要對(duì)象是晴空或多云大氣，對(duì)降水天氣也有一定的探測能力1.1風(fēng)廓線雷達(dá)的探測內(nèi)容風(fēng)廓線雷達(dá)(windprofilerradar，WPR4

風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣中傳播過程中，由于大氣折射率的空間不均勻分布而產(chǎn)生散射，其后向散射能量被風(fēng)廓線雷達(dá)所接收，能實(shí)時(shí)提供大氣的三維風(fēng)場信息。增加無線電聲學(xué)探測系統(tǒng)（RASS），與微波輻射儀或GPS/MET水汽監(jiān)測系統(tǒng)配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)、溫、濕等要素的連續(xù)遙感探測，是一種新的高空大氣探測系統(tǒng)。風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣中傳播過程中5多普勒天氣雷達(dá)探測的局限性以降水粒子為示蹤物對(duì)于無降水粒子的大氣，測不出大氣流場多普勒天氣雷達(dá)探測的局限性以降水粒子為示蹤物6風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢以大氣折射指數(shù)起伏（湍流塊）為示蹤物可以測量從邊界層到中層大氣的流場對(duì)于較長波長的雷達(dá)，在有云或小雨天氣仍可觀測風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢以大氣折射指數(shù)起伏（湍流塊）為示蹤物7彌補(bǔ)常規(guī)高空探測網(wǎng)在時(shí)空密度上的不足；天氣系統(tǒng)的識(shí)別；中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測；減少數(shù)值預(yù)報(bào)模式中對(duì)短時(shí)風(fēng)場預(yù)報(bào)誤差。風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)將有助于：彌補(bǔ)常規(guī)高空探測網(wǎng)在時(shí)空密度上的不足；風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)將有助81.2國外風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)展1950和1960年代：位于地面的雷達(dá)能夠通過探測晴空湍流的后向散射信號(hào)，測量包括風(fēng)速在內(nèi)的一些大氣參數(shù)。1974年，建立觀測高層大氣風(fēng)的風(fēng)廓線雷達(dá)模型。1986年，美國海洋大氣管理局（NOAA）率先在美國中部布設(shè)包括31部風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測網(wǎng)，并在1992年最終完成了NPN（NOAAProfilerNetwork,NOAA風(fēng)廓線網(wǎng)）。1987年，歐盟委員會(huì)COST－74項(xiàng)目（COST表示由歐盟委員會(huì)支持的歐洲國家間協(xié)調(diào)開展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域合作研究項(xiàng)目）開始支持風(fēng)廓線雷達(dá)的開發(fā)和利用。1988年，日本氣象廳（JMA）下屬的氣象研究所建造了一臺(tái)UHF風(fēng)廓線雷達(dá)1994年，歐盟委員會(huì)COST－76項(xiàng)目繼續(xù)給予支持。2001年，日本氣象廳完成了25部風(fēng)廓線雷達(dá)所組成的業(yè)務(wù)網(wǎng)WINDAS。1.2國外風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)展1950和1960年代：位于地9講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件10國外風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)日本的WINDAS探測網(wǎng)美國的NPN探測網(wǎng)歐洲的WINPROF計(jì)劃國外風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)日本的WINDAS探測網(wǎng)美國的NPN探測11美國NPN(35部對(duì)流層)，間隔200公里，每個(gè)站配有一套GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)。CAP(60多部各種型號(hào))，由35個(gè)部門建設(shè)的風(fēng)廓線雷達(dá)組成。探測數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)信息一起被發(fā)送到位于Bloulder的風(fēng)廓線雷達(dá)控制中（PCC）。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制，每小時(shí)平均風(fēng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后發(fā)送給NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)（NPN）的用戶

美國12理論研究和實(shí)際使用的結(jié)果都表明NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)對(duì)于天氣預(yù)報(bào)具有很重要的價(jià)值，尤其是監(jiān)測墨西哥灣水汽輸送過程中的低空急流。NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測這種低空急流引起的夜間雷暴非常重要。理論研究和實(shí)際使用的結(jié)果都表明NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)對(duì)于天氣預(yù)13日本W(wǎng)INDAS(31部1.3G風(fēng)廓線雷達(dá))，間隔130公里。經(jīng)過臺(tái)站級(jí)處理的10分鐘平均的風(fēng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)廓線雷達(dá)控制中心，通過進(jìn)一步的一致性檢驗(yàn)后用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。WINDAS用于預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、梅雨和中緯度低壓引起的強(qiáng)降水。

日本14歐洲已有約28部風(fēng)廓線雷達(dá)投入運(yùn)行，并將資料發(fā)送給英國氣象局，并通過因特網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示獲得的探測數(shù)據(jù)。歐洲的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)采用的頻段包括50MHz、400MHz及1000MHz。

歐洲15

目前國內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)已趨于成熟，有能力立足于國內(nèi)技術(shù)組建適宜氣象業(yè)務(wù)需求的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)?！段覈呖仗綔y系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（1996-2010）》提出“逐步發(fā)展風(fēng)廓線雷達(dá)和GPS探測系統(tǒng)”，“在中尺度天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)服務(wù)基地優(yōu)先布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)宜安插在常規(guī)探空測站之間或天氣變化的敏感區(qū)；風(fēng)廓線雷達(dá)站間距以200-250公里為宜，建立風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)”。1.3國內(nèi)風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀目前國內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)已趨于成熟，有能力立16張北唐山南郊延慶密云海淀我國從2004年開始建設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)。目前國內(nèi)約布設(shè)了十四部。北京及其周邊地區(qū)的風(fēng)廓線雷達(dá)示范網(wǎng)已初具規(guī)模。計(jì)劃在2010年前再完成30部風(fēng)廓線雷達(dá)的建設(shè)。張北唐山南郊延慶密云海淀我國從2004年開始建設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)17高對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)中電集團(tuán)14所OGLC-24CLC-8航天科工集團(tuán)二院23所CFL-16CFL-08CFL-03B安徽四創(chuàng)電子股份有限公司OSCRTWP-01K/LLX802愛爾達(dá)公司Airda16000Airda8000Airda3000敏視達(dá)雷達(dá)有限公司OTWP8O高對(duì)流層邊界層中電集團(tuán)14所OGLC-24CLC-8航天科工18GLC-24（14所）TroposphereWindProfilerIIGLC-24（14所）19CFL-16（23所）TroposphereWindProfilerICFL-16（23所）20VirtualTemperatureCFL-08（23所）TroposphereWindProfilerIIVirtualTemperatureCFL-08（23所21CFL-03B（23所）BoundaryLayerWindProfilerCFL-03B（23所）22SCRTWP-01（四創(chuàng)）

TroposphereWindprofilerSCRTWP-01（四創(chuàng)）23K/LLX802（四創(chuàng)）BoundaryLayerWindprofilerK/LLX802（四創(chuàng)）24Airda3000（愛爾達(dá)）BoundaryLayerWindprofilerAirda3000（愛爾達(dá)）25TWP8（敏視達(dá)）TroposphereWindprofilerTWP8（敏視達(dá)）26自動(dòng)化程度較高；全天候無人值守地長期連續(xù)運(yùn)行；較高的可靠性和穩(wěn)定性；探測資料種類多，分辨率高，精度高；1.4風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢自動(dòng)化程度較高；1.4風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢272風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理2風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理28Bragg散射——折射率空間分布周期性的變化引起對(duì)相同波長電磁波造成散射。大氣中的湍流活動(dòng)造成折射率的空間漲落，也稱作湍流散射；Fresnal散射——折射率梯度很大的水平層狀結(jié)構(gòu)上對(duì)電磁波的反射;Thomson散射——電離層中的大量自由電子對(duì)入射電磁波的散射。

2.1

晴空的電磁波散射2.1晴空的電磁波散射29湍流散射（Bragg散射）探測原理Cn為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，M是水平折射率的垂直梯度，L0是湍流外尺度Bragg散射-在彈性散射(elasticscattering)中，入射光的能量沒有損耗,但入射光的傳播方向發(fā)生變化。當(dāng)入射光的波長與散射目標(biāo)的直徑接近時(shí),為布拉格散射(Braggscattering);布拉格父子1915年共同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：WilliamHenryBragg&WilliamLawrenceBragg；

當(dāng)入射光的波長遠(yuǎn)大于散射目標(biāo)的直徑時(shí),為雷利散射(Rayleighscattering).

湍流散射（Bragg散射）探測原理Cn為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，30RASS（無線電聲探測）系統(tǒng)發(fā)射頻率：404、449MHz,波長：74cm發(fā)射脈寬：3.3(低),20(高)μs數(shù)據(jù)處理：128點(diǎn)FFT天線面積：144m2聲波頻率：850~900Hz(~37cm)測溫原理：靜止大氣，聲波徑向速度Vs:A僅依賴于相對(duì)濕度，其對(duì)徑向速度的貢獻(xiàn)小于1m/sRASS（無線電聲探測）系統(tǒng)發(fā)射頻率：404、449MHz,312.2風(fēng)廓線雷達(dá)分類

根據(jù)大氣湍流散射理論，對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波能夠產(chǎn)生有效后向散射的湍流渦旋尺度等于雷達(dá)波長的一半。在風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度確定之后，風(fēng)廓線雷達(dá)可使用的工作頻段也就隨之確定。即探測高度達(dá)到對(duì)流層以上的風(fēng)廓線雷達(dá)選擇VHF頻段，典型工作頻率約為45MHz。對(duì)流層和低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)選擇UHF(P波段)頻段，典型工作頻率約在450-900MHz。邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)選擇L波段，典型工作頻率在1200MHz左右。2.2風(fēng)廓線雷達(dá)分類根據(jù)大氣湍流散射理論，對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電32講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件33風(fēng)廓線雷達(dá)分類6000m300m50m8000m3000m60000m12000m100000m46-68MHz中層風(fēng)廓線雷達(dá)5000m1270-1375MHz440-450MHz440-450MHz對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)16000m風(fēng)廓線雷達(dá)分類6000m300m50m8000m34最大探測高度:12～16km起始高度:150m高度分辨率:120m高對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測高度:6～8km起始高度:300m高度分辨率:240m最大探測高度:3～5km起始高度:60m高度分辨率:60m邊界層大氣風(fēng)場觀測晴空局地空域氣流監(jiān)測中尺度災(zāi)害性天氣監(jiān)測邊界層數(shù)值預(yù)報(bào)重點(diǎn)區(qū)域氣體消散過程監(jiān)測最大探測高度:12～16km高對(duì)流層低對(duì)流層邊界層最大探測高352.3風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)原理

散射層和湍流隨環(huán)境平均氣流運(yùn)動(dòng)都可造成返回電磁波信號(hào)的多普勒頻移。通過進(jìn)行多射向的速度測量，在一定的假定條件下可估測出回波信號(hào)所在高度上的風(fēng)向、風(fēng)速和垂直運(yùn)動(dòng)。2.3風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)原理散射層和湍流隨環(huán)境平均36

回波信號(hào)經(jīng)過相干積分、譜變換、譜平均處理之后，得到相對(duì)平穩(wěn)的功率譜密度函數(shù)。計(jì)算各譜矩參數(shù)，其中一階矩代表了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移。通過多普勒頻移和多普勒速度之間的關(guān)系得到多普勒速度。回波信號(hào)經(jīng)過相干積分、譜變換、譜平均處理之后37

經(jīng)過計(jì)算，即可獲得個(gè)高度層上的水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直氣流速度、功率譜密度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等各種數(shù)據(jù)產(chǎn)品和圖像產(chǎn)品風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)的特點(diǎn)：微弱；漲落現(xiàn)象十分明顯；伴隨多種雜波經(jīng)過計(jì)算，即可獲得個(gè)高度層上的水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直氣流速度38

2.4風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)一致性風(fēng)大尺度氣象特征（幾小時(shí)-數(shù)天）估算的合成風(fēng)各庫上的譜參數(shù)譜變換后的功率譜

微/小尺度氣象特征（幾分鐘-1小時(shí)）中尺度的氣象特征（一小時(shí)-數(shù)小時(shí)）間歇性噪聲源譜平均后的功率譜持續(xù)性噪聲源飛機(jī)鳥類、昆蟲等點(diǎn)狀目標(biāo)物地物雜波

背景噪聲

降水（或有速度折疊）

非穩(wěn)定的風(fēng)場（大尺度湍流）2.4風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)一致性風(fēng)大尺度氣象特征（幾小時(shí)-數(shù)393風(fēng)速計(jì)算方法3風(fēng)速計(jì)算方法403.1水平風(fēng)場均勻假設(shè)下風(fēng)的計(jì)算

在觀測周期內(nèi)，如果水平風(fēng)場保持均勻，那么可以通過簡單的幾何關(guān)系，由徑向速度導(dǎo)出水平風(fēng)。

由徑向速度求解水平風(fēng)，需要對(duì)水平風(fēng)場的分布做一定的假設(shè)，1）水平風(fēng)均勻的假設(shè)，2）線性風(fēng)場的假設(shè)在直角坐標(biāo)系中，將風(fēng)速分解為u，v，w三個(gè)分量，規(guī)定垂直風(fēng)向上為正。分廓線雷達(dá)測得的徑向速度用Vr表示，規(guī)定徑向速度遠(yuǎn)離雷達(dá)方向?yàn)檎?，朝向雷達(dá)為負(fù)。為方便討論，以指向東的波束方向?yàn)閤軸正方向，指向北的波束方向?yàn)閥軸正方向，建立直角坐標(biāo)系；在球坐標(biāo)系下，雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，r為空間點(diǎn)到原點(diǎn)距離，φ表示天頂角，θ表方位角，由x軸正方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。3.1水平風(fēng)場均勻假設(shè)下風(fēng)的計(jì)算在觀測周期內(nèi)413.1.1三波束

一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂直速度；兩個(gè)在方位上間隔90°的傾斜波束，分別指向正北和正東，傾斜波束的天頂角是狀態(tài)量，以φ表示。假定Vrz，Vrx，Vry分別表示天頂、正東和正北三個(gè)波束方向的徑向速度的測量值。那么經(jīng)過簡單的幾何投影，可以根據(jù)以下方程計(jì)算出該高度上風(fēng)矢量的三個(gè)分量。垂直風(fēng)由垂直波束直接測量得到。eE,eN分別表示沿正東和東北波束的單位向量。假設(shè)均勻風(fēng)場的風(fēng)矢量為3.1.1三波束一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂直速42

因此，可由以下方程組計(jì)算該高度的風(fēng)矢量，。。

由向量內(nèi)積的物理意義，有即因此，可由以下方程組計(jì)算該高度的風(fēng)矢量，。。43

采用五波束時(shí)，同樣一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂直速度；四個(gè)傾斜波束在方位上均勻分布，天頂角是狀態(tài)量，均為φ，先將兩個(gè)相對(duì)方向的傾斜波束的徑向速度進(jìn)行平均，如西波束VrW和東波束VrE，北波束VrN和南波束VrS，方程如下所示3.1.2五波束采用五波束時(shí)，同樣一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂44

對(duì)于五波束風(fēng)廓線雷達(dá)，當(dāng)個(gè)別波束的測量數(shù)據(jù)誤差很大或缺測時(shí)，如果能滿足三波束的計(jì)算要求，可以舍棄個(gè)別波束的測量數(shù)據(jù)，按三波束進(jìn)行計(jì)算。

再按三波束風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)合成方法的計(jì)算方法計(jì)算。垂直速度可以由垂直波束直接測量，也可以由傾斜波束測量得的徑向速度計(jì)算。對(duì)于五波束風(fēng)廓線雷達(dá)，當(dāng)個(gè)別波束的測量數(shù)據(jù)誤差很45

均勻風(fēng)場假定限制較強(qiáng)，在中高層大氣中是合適的，但是在邊界層下部特別是湍流較強(qiáng)時(shí)，存在一定的差異；相比之下，線性風(fēng)場的假設(shè)更接近大氣風(fēng)場的真實(shí)情況。

在經(jīng)過信號(hào)處理單元的質(zhì)量控制之后，仍然會(huì)有一些誤差被漏掉或不能完全消除，特別是一些外部或內(nèi)部的隨機(jī)誤差，以及由于氣象原因造成的較大偏差數(shù)據(jù)，因此在計(jì)算合成風(fēng)時(shí)需要進(jìn)一步質(zhì)量控制。假設(shè)合理性合成風(fēng)計(jì)算過程中存在的問題2.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制均勻風(fēng)場假定限制較強(qiáng)，在中高層大氣中是合適的，463.2線性風(fēng)場假設(shè)下風(fēng)場模型在原點(diǎn)做線性風(fēng)場展開，風(fēng)場可以表示為，那么，矩陣A在該局地線性模型中是常量。令3.2線性風(fēng)場假設(shè)下風(fēng)場模型在原點(diǎn)做線性風(fēng)場展開，風(fēng)場可473.2.1VAD技術(shù)

線性風(fēng)場假設(shè)下的VAD技術(shù)是多普勒天氣雷達(dá)反演風(fēng)場的一項(xiàng)較成熟技術(shù)。如果假定在分析的薄氣層內(nèi)，風(fēng)速不隨高度變化，垂直風(fēng)速水平均勻。那么，可以通過直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，可以得到極坐標(biāo)徑向速度的表達(dá)式：3.2.1VAD技術(shù)線性風(fēng)場假設(shè)下的VAD技48可以看出某一徑向距離r徑向速度僅是方位θ的函數(shù)，如果將探測到的徑向速度按方位作傅立葉級(jí)數(shù)展開，通過比較前幾項(xiàng)系數(shù)，可以確定水平風(fēng)、垂直風(fēng)、水平散度和變形量。水平散度：變形量：

多波束風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)可以借鑒天氣雷達(dá)中的VAD技術(shù)，以獲取除風(fēng)場以外的水平散度、變形量等信息?？梢钥闯瞿骋粡较蚓嚯xr徑向速度僅是方位θ的函數(shù)，如果將探測到49沿每個(gè)波束方向，高度h范圍內(nèi)Vr也可以看作是局地線性變化的，一般取5個(gè)左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)，約300m。對(duì)某一波束的的徑向速度數(shù)據(jù)Vr用奇異值分解法進(jìn)行最優(yōu)化擬合，得到線性系數(shù)a，b。3.2.2NCAR的風(fēng)估計(jì)算法沿每個(gè)波束方向，高度h范圍內(nèi)Vr也可以看作是局地線性變化的，50以東波束為例，由下標(biāo)E標(biāo)識(shí)，其他方向波束同理。得到東波束上徑向速度的線性模型，如下式，以待計(jì)算高度為x0點(diǎn)，應(yīng)用以東波束為例，由下標(biāo)E標(biāo)識(shí)，其他方向波束同理。得到東波束上徑51步驟一：通過徑向速度擬合線性模型，得到關(guān)于傾斜波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)分量的方程組：其中a，b為線性模型的系數(shù)。類似地，可以對(duì)其他三個(gè)傾斜波束做同樣處理。步驟一：其中a，b為線性模型的系數(shù)。類似地，可以對(duì)其他三個(gè)52步驟二：由四個(gè)傾斜波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)估算該高度上的垂直波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)。

水平面上五個(gè)點(diǎn)也滿足線性風(fēng)場模型，可由四個(gè)傾斜波束上的矢量風(fēng)計(jì)算垂直波束上矢量風(fēng)。如果只附加垂直速度水平均勻假定，就可以得到垂直波束該點(diǎn)矢量風(fēng)各分量與傾斜波束上線性模型系數(shù)的關(guān)系如下步驟二：水平面上五個(gè)點(diǎn)也滿足線性風(fēng)場模型，可534風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用4風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用54探測個(gè)例：切變線鋒區(qū)雷暴颮線大氣邊界層

風(fēng)廓線雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率，能及時(shí)準(zhǔn)確地提供大氣流場和大氣湍流場的信息，識(shí)別易引發(fā)災(zāi)害性天氣的中小尺度系統(tǒng)。探測個(gè)例：風(fēng)廓線雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率，能及時(shí)準(zhǔn)55探測風(fēng)切變風(fēng)切變線：風(fēng)向、風(fēng)速的不連續(xù)線。探測風(fēng)切變風(fēng)切變線：風(fēng)向、風(fēng)速的不連續(xù)線。562.探測冷鋒冷鋒：在鋒面移動(dòng)過程中，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，冷氣團(tuán)推動(dòng)鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。冷鋒天氣：分第一型冷鋒天氣和第二型冷鋒天氣2.探測冷鋒冷鋒：在鋒面移動(dòng)過程中，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，冷氣團(tuán)57第一型冷鋒天氣：坡度小，在高空槽線前部并接近地面低壓中心附近的冷鋒段的天氣多為穩(wěn)定性的。降水區(qū)出現(xiàn)在鋒后，多為穩(wěn)定性降水，當(dāng)鋒前暖空氣不穩(wěn)定時(shí)，地面鋒線附近常出現(xiàn)雷陣雨。第一型冷鋒天氣：坡度小，在高空槽線前部并接近地面低壓中心附近58第二型冷鋒天氣：坡度大，高空鋒區(qū)多為下沉運(yùn)動(dòng)，該冷鋒段上的天氣多為不穩(wěn)定天氣?？耧L(fēng)暴雨，雷電交加，風(fēng)速迅速增大，常出現(xiàn)大風(fēng)天氣。第二型冷鋒天氣：坡度大，高空鋒區(qū)多為下沉運(yùn)動(dòng)，該冷鋒段上的天59探測暖鋒暖鋒：由暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)形成的。在我國出現(xiàn)的機(jī)率比較小，秋季一般只在東北地區(qū)、江淮地區(qū)、江淮流域出現(xiàn)，夏季多出現(xiàn)在黃河流域、渤海地區(qū)的氣旋中。暖鋒天氣：在夏季，如暖空氣不穩(wěn)定，暖鋒上也可能出現(xiàn)積雨云、雷雨以及陣性降水等對(duì)流天氣。探測暖鋒暖鋒：由暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)形成的。在我國出現(xiàn)的機(jī)率比60探測雷暴雷暴：在雷暴云中放電、雷鳴、狂風(fēng)暴雨的一種強(qiáng)對(duì)流天氣，多發(fā)生在夏季。云中盛行上升氣流，濕度高于周圍。雷暴天氣：雷電、狂風(fēng)、暴雨。探測雷暴雷暴：在雷暴云中放電、雷鳴、狂風(fēng)暴雨的一種強(qiáng)對(duì)流天氣61探測颮線颮線：由排列成帶狀的雷暴群的十分狹窄的對(duì)流性天氣帶。颮線天氣：風(fēng)向突變、風(fēng)速急增、氣壓驟降，并伴有雷暴、暴雨、冰雹等。2005.4.252005.8.17探測颮線颮線：由排列成帶狀的雷暴群的十分狹窄的對(duì)流性天氣帶。62大氣邊界層的研究

V≥24m/s16m/s主要降雨出現(xiàn)在23:00以后，最大降雨出現(xiàn)在00:00以后。V≥20m/s大氣邊界層的研究V≥24m/s16m/63分析強(qiáng)風(fēng)暴的風(fēng)場結(jié)構(gòu)

東北風(fēng)→偏東風(fēng)→東南風(fēng)→東南風(fēng)增大→東南風(fēng)減小→南風(fēng)分析強(qiáng)風(fēng)暴的風(fēng)場結(jié)構(gòu)東北風(fēng)→偏東風(fēng)→東64

風(fēng)廓線雷達(dá)與無線電探空儀兩種測風(fēng)方法的比較風(fēng)廓線雷達(dá)無線電探空儀探測原理通過大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用，根據(jù)多普勒效應(yīng)獲取不同波束方向的徑向速度。在一定風(fēng)場假設(shè)條件下，利用處在同一高度面上的幾個(gè)點(diǎn)的徑向速度計(jì)算水平風(fēng)，垂直風(fēng)可由垂直波束直接探測采用氣球作為示蹤物，根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)氣球飄移的距離計(jì)算水平風(fēng)探測方法在確定的空間探測大氣的流動(dòng)情況，屬定點(diǎn)觀測探測的是個(gè)別流點(diǎn)在不同時(shí)刻位置的變化，屬流點(diǎn)觀測探測資料可提供水平風(fēng)廓線、垂直風(fēng)廓線（垂直風(fēng)廓線可以直接測量，也可計(jì)算獲得）僅提供水平風(fēng)廓線，無法獲取垂直風(fēng)廓線數(shù)據(jù)分辨率測風(fēng)的時(shí)間分辨率取決于波束數(shù)、脈沖重復(fù)周期、脈沖積累次數(shù)以及算法，一般在幾分鐘左右業(yè)務(wù)應(yīng)用每天兩次定時(shí)觀測。每次觀測約需30min。每組數(shù)據(jù)是取樣時(shí)間點(diǎn)前后幾分鐘的平均值技術(shù)問題數(shù)據(jù)代表性隨高度不同因?yàn)闅馇蚱斤h，獲取的風(fēng)廓線不是嚴(yán)格的局地垂直廓線風(fēng)廓線雷達(dá)與無線電探空儀兩種測風(fēng)方法的比較風(fēng)廓線雷達(dá)無線電65講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件66講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件67香河VHF—ST雷達(dá)

工作頻率：78MHz天線面積：10000m2波束寬度：1.98°×8.7°，1.98°×4.1°，1.98°×1.98°

掃描角度：0°～±20°(正交)

峰值功率：225kW，450kW，900kW可選

FFT點(diǎn)數(shù)：可控2N，N=1～10

最低測風(fēng)高度：1.5km

香河VHF—ST雷達(dá)工作頻率：78MHz68講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件69講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件70講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件71講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件72講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件73VHF雷達(dá)、北京探空、香河探空風(fēng)速對(duì)比（2000年4月16日）VHF雷達(dá)、北京探空、香河探空風(fēng)速對(duì)比（2000年4月16日74風(fēng)廓線探測精度分析數(shù)據(jù)使用北京延慶（115.96°E，40.45°N）CFL-08對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，海拔高度為487.90m，探測波長為674mm，發(fā)射頻率445MHz，傾斜波束天頂角為14。高模式距離庫長240m，43個(gè)距離庫，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為512，采樣起始高度為1950m，終止高度為12030m；低模式距離庫長120m，27個(gè)距離庫，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為256，采樣起始高度為150m，終止高度為3270m。選擇2010年3、6、9、12四個(gè)典型代表月連續(xù)觀測資料進(jìn)行分析，風(fēng)廓線雷達(dá)每小時(shí)大約觀測12－14個(gè)時(shí)次，除去3月份6天數(shù)據(jù)缺測和其它月份個(gè)別時(shí)次缺測，共有115天約36960個(gè)時(shí)次觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)地面逐小時(shí)降水資料將數(shù)據(jù)分為兩大類：晴空和降水，降水?dāng)?shù)據(jù)樣本延伸至降水前后5小時(shí)，延慶位于北京的北部山區(qū)，在風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)出現(xiàn)的降水日數(shù)相對(duì)較少，共觀測到15次降水過程，文中對(duì)共計(jì)34380個(gè)時(shí)次的晴空、2580個(gè)時(shí)次的降水資料分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。風(fēng)廓線探測精度分析數(shù)據(jù)使用北京延慶（115.75結(jié)果分析測風(fēng)可信度數(shù)據(jù)可信度區(qū)域最大高度6月最高為8km，9月為7km，3月、12月較低為5km,6、9月份測風(fēng)質(zhì)量優(yōu)秀區(qū)域較大，而3、12月份則較少。結(jié)果分析測風(fēng)可信度數(shù)據(jù)可信度區(qū)域最大高度6月最高為8km，76降水分析a.層狀云降水圖中可以看出，相對(duì)于晴空大氣，降水過程中風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)精度較好的區(qū)域在高度上有所增加，范圍有所擴(kuò)大，水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差較大值出現(xiàn)在降水前1-2小時(shí)，而在降水過程中水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差有所減小，在降水期間大氣較為平穩(wěn)，垂直波束的徑向速度代表性較好，基本符合均勻風(fēng)場假定。降水分析a.層狀云降水圖中可以看出，相對(duì)于晴空大氣，降水過程77降水分析a.層狀云降水圖中可以看出，相對(duì)于晴空大氣，降水過程中風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)精度較好的區(qū)域在高度上有所增加，范圍有所擴(kuò)大，水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差較大值出現(xiàn)在降水前1-2小時(shí)，而在降水過程中水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差有所減小，在降水期間大氣較為平穩(wěn)，垂直波束的徑向速度代表性較好，基本符合均勻風(fēng)場假定。降水分析a.層狀云降水圖中可以看出，相對(duì)于晴空大氣，降水過程78降水分析b.對(duì)流性降水相對(duì)于層狀云降水，對(duì)流性降水時(shí)間短、雨量大，大氣運(yùn)動(dòng)劇烈，風(fēng)場變化復(fù)雜，降水前1－2小時(shí)水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差變化相當(dāng)明顯，在圖中呈現(xiàn)‘柱狀’區(qū)域，水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差偏大，甚至達(dá)到4m/s，表明在強(qiáng)降水出現(xiàn)前的1-2小時(shí)，測站上空垂直方向上的大氣風(fēng)場呈現(xiàn)較強(qiáng)的局地不穩(wěn)定，這種‘柱狀’的區(qū)域可以作為強(qiáng)降水的一個(gè)預(yù)警指標(biāo)。在降水過程中，雷達(dá)探測的高度基本達(dá)到最大設(shè)計(jì)探測高度12km，探測高度高，即使在高空，水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差也基本不超過1.5m/s。降水分析b.對(duì)流性降水相對(duì)于層狀云降水，對(duì)流性降水時(shí)間短、雨79風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用中存在的問題頻率問題設(shè)備型號(hào)不統(tǒng)一信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制方法不統(tǒng)一缺乏一些相應(yīng)的規(guī)范風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的布局風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用

風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用中存在的問題頻率問題80謝謝！謝謝！81風(fēng)廓線雷達(dá)簡介魏鳴2013-4-9風(fēng)廓線雷達(dá)簡介魏鳴82主要內(nèi)容1風(fēng)廓線雷達(dá)概述2探測原理3風(fēng)速計(jì)算方法4風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用目的掌握風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理了解風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用現(xiàn)狀主要內(nèi)容1風(fēng)廓線雷達(dá)概述831風(fēng)廓線雷達(dá)概述1風(fēng)廓線雷達(dá)概述84風(fēng)廓線雷達(dá)(windprofilerradar，WPR)是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場等物理量探測的遙感設(shè)備。風(fēng)廓線雷達(dá)常被稱為風(fēng)廓線儀，但從硬件系統(tǒng)技術(shù)體制上它應(yīng)當(dāng)屬于現(xiàn)代雷達(dá)的一種。風(fēng)廓線雷達(dá)探測的主要對(duì)象是晴空或多云大氣，對(duì)降水天氣也有一定的探測能力1.1風(fēng)廓線雷達(dá)的探測內(nèi)容風(fēng)廓線雷達(dá)(windprofilerradar，WPR85

風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣中傳播過程中，由于大氣折射率的空間不均勻分布而產(chǎn)生散射，其后向散射能量被風(fēng)廓線雷達(dá)所接收，能實(shí)時(shí)提供大氣的三維風(fēng)場信息。增加無線電聲學(xué)探測系統(tǒng)（RASS），與微波輻射儀或GPS/MET水汽監(jiān)測系統(tǒng)配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)、溫、濕等要素的連續(xù)遙感探測，是一種新的高空大氣探測系統(tǒng)。風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣中傳播過程中86多普勒天氣雷達(dá)探測的局限性以降水粒子為示蹤物對(duì)于無降水粒子的大氣，測不出大氣流場多普勒天氣雷達(dá)探測的局限性以降水粒子為示蹤物87風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢以大氣折射指數(shù)起伏（湍流塊）為示蹤物可以測量從邊界層到中層大氣的流場對(duì)于較長波長的雷達(dá)，在有云或小雨天氣仍可觀測風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢以大氣折射指數(shù)起伏（湍流塊）為示蹤物88彌補(bǔ)常規(guī)高空探測網(wǎng)在時(shí)空密度上的不足；天氣系統(tǒng)的識(shí)別；中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測；減少數(shù)值預(yù)報(bào)模式中對(duì)短時(shí)風(fēng)場預(yù)報(bào)誤差。風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)將有助于：彌補(bǔ)常規(guī)高空探測網(wǎng)在時(shí)空密度上的不足；風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)將有助891.2國外風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)展1950和1960年代：位于地面的雷達(dá)能夠通過探測晴空湍流的后向散射信號(hào)，測量包括風(fēng)速在內(nèi)的一些大氣參數(shù)。1974年，建立觀測高層大氣風(fēng)的風(fēng)廓線雷達(dá)模型。1986年，美國海洋大氣管理局（NOAA）率先在美國中部布設(shè)包括31部風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測網(wǎng)，并在1992年最終完成了NPN（NOAAProfilerNetwork,NOAA風(fēng)廓線網(wǎng)）。1987年，歐盟委員會(huì)COST－74項(xiàng)目（COST表示由歐盟委員會(huì)支持的歐洲國家間協(xié)調(diào)開展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域合作研究項(xiàng)目）開始支持風(fēng)廓線雷達(dá)的開發(fā)和利用。1988年，日本氣象廳（JMA）下屬的氣象研究所建造了一臺(tái)UHF風(fēng)廓線雷達(dá)1994年，歐盟委員會(huì)COST－76項(xiàng)目繼續(xù)給予支持。2001年，日本氣象廳完成了25部風(fēng)廓線雷達(dá)所組成的業(yè)務(wù)網(wǎng)WINDAS。1.2國外風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)展1950和1960年代：位于地90講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件91國外風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)日本的WINDAS探測網(wǎng)美國的NPN探測網(wǎng)歐洲的WINPROF計(jì)劃國外風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)日本的WINDAS探測網(wǎng)美國的NPN探測92美國NPN(35部對(duì)流層)，間隔200公里，每個(gè)站配有一套GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)。CAP(60多部各種型號(hào))，由35個(gè)部門建設(shè)的風(fēng)廓線雷達(dá)組成。探測數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)信息一起被發(fā)送到位于Bloulder的風(fēng)廓線雷達(dá)控制中（PCC）。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制，每小時(shí)平均風(fēng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后發(fā)送給NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)（NPN）的用戶

美國93理論研究和實(shí)際使用的結(jié)果都表明NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)對(duì)于天氣預(yù)報(bào)具有很重要的價(jià)值，尤其是監(jiān)測墨西哥灣水汽輸送過程中的低空急流。NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測這種低空急流引起的夜間雷暴非常重要。理論研究和實(shí)際使用的結(jié)果都表明NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)對(duì)于天氣預(yù)94日本W(wǎng)INDAS(31部1.3G風(fēng)廓線雷達(dá))，間隔130公里。經(jīng)過臺(tái)站級(jí)處理的10分鐘平均的風(fēng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)廓線雷達(dá)控制中心，通過進(jìn)一步的一致性檢驗(yàn)后用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。WINDAS用于預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、梅雨和中緯度低壓引起的強(qiáng)降水。

日本95歐洲已有約28部風(fēng)廓線雷達(dá)投入運(yùn)行，并將資料發(fā)送給英國氣象局，并通過因特網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示獲得的探測數(shù)據(jù)。歐洲的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)采用的頻段包括50MHz、400MHz及1000MHz。

歐洲96

目前國內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)已趨于成熟，有能力立足于國內(nèi)技術(shù)組建適宜氣象業(yè)務(wù)需求的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)?！段覈呖仗綔y系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（1996-2010）》提出“逐步發(fā)展風(fēng)廓線雷達(dá)和GPS探測系統(tǒng)”，“在中尺度天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)服務(wù)基地優(yōu)先布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)宜安插在常規(guī)探空測站之間或天氣變化的敏感區(qū)；風(fēng)廓線雷達(dá)站間距以200-250公里為宜，建立風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)”。1.3國內(nèi)風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀目前國內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)已趨于成熟，有能力立97張北唐山南郊延慶密云海淀我國從2004年開始建設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)。目前國內(nèi)約布設(shè)了十四部。北京及其周邊地區(qū)的風(fēng)廓線雷達(dá)示范網(wǎng)已初具規(guī)模。計(jì)劃在2010年前再完成30部風(fēng)廓線雷達(dá)的建設(shè)。張北唐山南郊延慶密云海淀我國從2004年開始建設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)98高對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)中電集團(tuán)14所OGLC-24CLC-8航天科工集團(tuán)二院23所CFL-16CFL-08CFL-03B安徽四創(chuàng)電子股份有限公司OSCRTWP-01K/LLX802愛爾達(dá)公司Airda16000Airda8000Airda3000敏視達(dá)雷達(dá)有限公司OTWP8O高對(duì)流層邊界層中電集團(tuán)14所OGLC-24CLC-8航天科工99GLC-24（14所）TroposphereWindProfilerIIGLC-24（14所）100CFL-16（23所）TroposphereWindProfilerICFL-16（23所）101VirtualTemperatureCFL-08（23所）TroposphereWindProfilerIIVirtualTemperatureCFL-08（23所102CFL-03B（23所）BoundaryLayerWindProfilerCFL-03B（23所）103SCRTWP-01（四創(chuàng)）

TroposphereWindprofilerSCRTWP-01（四創(chuàng)）104K/LLX802（四創(chuàng)）BoundaryLayerWindprofilerK/LLX802（四創(chuàng)）105Airda3000（愛爾達(dá)）BoundaryLayerWindprofilerAirda3000（愛爾達(dá)）106TWP8（敏視達(dá)）TroposphereWindprofilerTWP8（敏視達(dá)）107自動(dòng)化程度較高；全天候無人值守地長期連續(xù)運(yùn)行；較高的可靠性和穩(wěn)定性；探測資料種類多，分辨率高，精度高；1.4風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢自動(dòng)化程度較高；1.4風(fēng)廓線雷達(dá)的探測優(yōu)勢1082風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理2風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理109Bragg散射——折射率空間分布周期性的變化引起對(duì)相同波長電磁波造成散射。大氣中的湍流活動(dòng)造成折射率的空間漲落，也稱作湍流散射；Fresnal散射——折射率梯度很大的水平層狀結(jié)構(gòu)上對(duì)電磁波的反射;Thomson散射——電離層中的大量自由電子對(duì)入射電磁波的散射。

2.1

晴空的電磁波散射2.1晴空的電磁波散射110湍流散射（Bragg散射）探測原理Cn為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，M是水平折射率的垂直梯度，L0是湍流外尺度Bragg散射-在彈性散射(elasticscattering)中，入射光的能量沒有損耗,但入射光的傳播方向發(fā)生變化。當(dāng)入射光的波長與散射目標(biāo)的直徑接近時(shí),為布拉格散射(Braggscattering);布拉格父子1915年共同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：WilliamHenryBragg&WilliamLawrenceBragg；

當(dāng)入射光的波長遠(yuǎn)大于散射目標(biāo)的直徑時(shí),為雷利散射(Rayleighscattering).

湍流散射（Bragg散射）探測原理Cn為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，111RASS（無線電聲探測）系統(tǒng)發(fā)射頻率：404、449MHz,波長：74cm發(fā)射脈寬：3.3(低),20(高)μs數(shù)據(jù)處理：128點(diǎn)FFT天線面積：144m2聲波頻率：850~900Hz(~37cm)測溫原理：靜止大氣，聲波徑向速度Vs:A僅依賴于相對(duì)濕度，其對(duì)徑向速度的貢獻(xiàn)小于1m/sRASS（無線電聲探測）系統(tǒng)發(fā)射頻率：404、449MHz,1122.2風(fēng)廓線雷達(dá)分類

根據(jù)大氣湍流散射理論，對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波能夠產(chǎn)生有效后向散射的湍流渦旋尺度等于雷達(dá)波長的一半。在風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度確定之后，風(fēng)廓線雷達(dá)可使用的工作頻段也就隨之確定。即探測高度達(dá)到對(duì)流層以上的風(fēng)廓線雷達(dá)選擇VHF頻段，典型工作頻率約為45MHz。對(duì)流層和低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)選擇UHF(P波段)頻段，典型工作頻率約在450-900MHz。邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)選擇L波段，典型工作頻率在1200MHz左右。2.2風(fēng)廓線雷達(dá)分類根據(jù)大氣湍流散射理論，對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電113講稿-風(fēng)廓線雷達(dá)簡介課件114風(fēng)廓線雷達(dá)分類6000m300m50m8000m3000m60000m12000m100000m46-68MHz中層風(fēng)廓線雷達(dá)5000m1270-1375MHz440-450MHz440-450MHz對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)16000m風(fēng)廓線雷達(dá)分類6000m300m50m8000m115最大探測高度:12～16km起始高度:150m高度分辨率:120m高對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測高度:6～8km起始高度:300m高度分辨率:240m最大探測高度:3～5km起始高度:60m高度分辨率:60m邊界層大氣風(fēng)場觀測晴空局地空域氣流監(jiān)測中尺度災(zāi)害性天氣監(jiān)測邊界層數(shù)值預(yù)報(bào)重點(diǎn)區(qū)域氣體消散過程監(jiān)測最大探測高度:12～16km高對(duì)流層低對(duì)流層邊界層最大探測高1162.3風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)原理

散射層和湍流隨環(huán)境平均氣流運(yùn)動(dòng)都可造成返回電磁波信號(hào)的多普勒頻移。通過進(jìn)行多射向的速度測量，在一定的假定條件下可估測出回波信號(hào)所在高度上的風(fēng)向、風(fēng)速和垂直運(yùn)動(dòng)。2.3風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)原理散射層和湍流隨環(huán)境平均117

回波信號(hào)經(jīng)過相干積分、譜變換、譜平均處理之后，得到相對(duì)平穩(wěn)的功率譜密度函數(shù)。計(jì)算各譜矩參數(shù)，其中一階矩代表了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移。通過多普勒頻移和多普勒速度之間的關(guān)系得到多普勒速度?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過相干積分、譜變換、譜平均處理之后118

經(jīng)過計(jì)算，即可獲得個(gè)高度層上的水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直氣流速度、功率譜密度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等各種數(shù)據(jù)產(chǎn)品和圖像產(chǎn)品風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)的特點(diǎn)：微弱；漲落現(xiàn)象十分明顯；伴隨多種雜波經(jīng)過計(jì)算，即可獲得個(gè)高度層上的水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直氣流速度119

2.4風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)一致性風(fēng)大尺度氣象特征（幾小時(shí)-數(shù)天）估算的合成風(fēng)各庫上的譜參數(shù)譜變換后的功率譜

微/小尺度氣象特征（幾分鐘-1小時(shí)）中尺度的氣象特征（一小時(shí)-數(shù)小時(shí)）間歇性噪聲源譜平均后的功率譜持續(xù)性噪聲源飛機(jī)鳥類、昆蟲等點(diǎn)狀目標(biāo)物地物雜波

背景噪聲

降水（或有速度折疊）

非穩(wěn)定的風(fēng)場（大尺度湍流）2.4風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)一致性風(fēng)大尺度氣象特征（幾小時(shí)-數(shù)1203風(fēng)速計(jì)算方法3風(fēng)速計(jì)算方法1213.1水平風(fēng)場均勻假設(shè)下風(fēng)的計(jì)算

在觀測周期內(nèi)，如果水平風(fēng)場保持均勻，那么可以通過簡單的幾何關(guān)系，由徑向速度導(dǎo)出水平風(fēng)。

由徑向速度求解水平風(fēng)，需要對(duì)水平風(fēng)場的分布做一定的假設(shè)，1）水平風(fēng)均勻的假設(shè)，2）線性風(fēng)場的假設(shè)在直角坐標(biāo)系中，將風(fēng)速分解為u，v，w三個(gè)分量，規(guī)定垂直風(fēng)向上為正。分廓線雷達(dá)測得的徑向速度用Vr表示，規(guī)定徑向速度遠(yuǎn)離雷達(dá)方向?yàn)檎?，朝向雷達(dá)為負(fù)。為方便討論，以指向東的波束方向?yàn)閤軸正方向，指向北的波束方向?yàn)閥軸正方向，建立直角坐標(biāo)系；在球坐標(biāo)系下，雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，r為空間點(diǎn)到原點(diǎn)距離，φ表示天頂角，θ表方位角，由x軸正方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。3.1水平風(fēng)場均勻假設(shè)下風(fēng)的計(jì)算在觀測周期內(nèi)1223.1.1三波束

一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂直速度；兩個(gè)在方位上間隔90°的傾斜波束，分別指向正北和正東，傾斜波束的天頂角是狀態(tài)量，以φ表示。假定Vrz，Vrx，Vry分別表示天頂、正東和正北三個(gè)波束方向的徑向速度的測量值。那么經(jīng)過簡單的幾何投影，可以根據(jù)以下方程計(jì)算出該高度上風(fēng)矢量的三個(gè)分量。垂直風(fēng)由垂直波束直接測量得到。eE,eN分別表示沿正東和東北波束的單位向量。假設(shè)均勻風(fēng)場的風(fēng)矢量為3.1.1三波束一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂直速123

因此，可由以下方程組計(jì)算該高度的風(fēng)矢量，。。

由向量內(nèi)積的物理意義，有即因此，可由以下方程組計(jì)算該高度的風(fēng)矢量，。。124

采用五波束時(shí)，同樣一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂直速度；四個(gè)傾斜波束在方位上均勻分布，天頂角是狀態(tài)量，均為φ，先將兩個(gè)相對(duì)方向的傾斜波束的徑向速度進(jìn)行平均，如西波束VrW和東波束VrE，北波束VrN和南波束VrS，方程如下所示3.1.2五波束采用五波束時(shí)，同樣一個(gè)波束指向天頂，用于測量垂125

對(duì)于五波束風(fēng)廓線雷達(dá)，當(dāng)個(gè)別波束的測量數(shù)據(jù)誤差很大或缺測時(shí)，如果能滿足三波束的計(jì)算要求，可以舍棄個(gè)別波束的測量數(shù)據(jù)，按三波束進(jìn)行計(jì)算。

再按三波束風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)合成方法的計(jì)算方法計(jì)算。垂直速度可以由垂直波束直接測量，也可以由傾斜波束測量得的徑向速度計(jì)算。對(duì)于五波束風(fēng)廓線雷達(dá)，當(dāng)個(gè)別波束的測量數(shù)據(jù)誤差很126

均勻風(fēng)場假定限制較強(qiáng)，在中高層大氣中是合適的，但是在邊界層下部特別是湍流較強(qiáng)時(shí)，存在一定的差異；相比之下，線性風(fēng)場的假設(shè)更接近大氣風(fēng)場的真實(shí)情況。

在經(jīng)過信號(hào)處理單元的質(zhì)量控制之后，仍然會(huì)有一些誤差被漏掉或不能完全消除，特別是一些外部或內(nèi)部的隨機(jī)誤差，以及由于氣象原因造成的較大偏差數(shù)據(jù)，因此在計(jì)算合成風(fēng)時(shí)需要進(jìn)一步質(zhì)量控制。假設(shè)合理性合成風(fēng)計(jì)算過程中存在的問題2.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制均勻風(fēng)場假定限制較強(qiáng)，在中高層大氣中是合適的，1273.2線性風(fēng)場假設(shè)下風(fēng)場模型在原點(diǎn)做線性風(fēng)場展開，風(fēng)場可以表示為，那么，矩陣A在該局地線性模型中是常量。令3.2線性風(fēng)場假設(shè)下風(fēng)場模型在原點(diǎn)做線性風(fēng)場展開，風(fēng)場可1283.2.1VAD技術(shù)

線性風(fēng)場假設(shè)下的VAD技術(shù)是多普勒天氣雷達(dá)反演風(fēng)場的一項(xiàng)較成熟技術(shù)。如果假定在分析的薄氣層內(nèi)，風(fēng)速不隨高度變化，垂直風(fēng)速水平均勻。那么，可以通過直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，可以得到極坐標(biāo)徑向速度的表達(dá)式：3.2.1VAD技術(shù)線性風(fēng)場假設(shè)下的VAD技129可以看出某一徑向距離r徑向速度僅是方位θ的函數(shù)，如果將探測到的徑向速度按方位作傅立葉級(jí)數(shù)展開，通過比較前幾項(xiàng)系數(shù)，可以確定水平風(fēng)、垂直風(fēng)、水平散度和變形量。水平散度：變形量：

多波束風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)可以借鑒天氣雷達(dá)中的VAD技術(shù)，以獲取除風(fēng)場以外的水平散度、變形量等信息?？梢钥闯瞿骋粡较蚓嚯xr徑向速度僅是方位θ的函數(shù)，如果將探測到130沿每個(gè)波束方向，高度h范圍內(nèi)Vr也可以看作是局地線性變化的，一般取5個(gè)左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)，約300m。對(duì)某一波束的的徑向速度數(shù)據(jù)Vr用奇異值分解法進(jìn)行最優(yōu)化擬合，得到線性系數(shù)a，b。3.2.2NCAR的風(fēng)估計(jì)算法沿每個(gè)波束方向，高度h范圍內(nèi)Vr也可以看作是局地線性變化的，131以東波束為例，由下標(biāo)E標(biāo)識(shí)，其他方向波束同理。得到東波束上徑向速度的線性模型，如下式，以待計(jì)算高度為x0點(diǎn)，應(yīng)用以東波束為例，由下標(biāo)E標(biāo)識(shí)，其他方向波束同理。得到東波束上徑132步驟一：通過徑向速度擬合線性模型，得到關(guān)于傾斜波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)分量的方程組：其中a，b為線性模型的系數(shù)。類似地，可以對(duì)其他三個(gè)傾斜波束做同樣處理。步驟一：其中a，b為線性模型的系數(shù)。類似地，可以對(duì)其他三個(gè)133步驟二：由四個(gè)傾斜波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)估算該高度上的垂直波束上點(diǎn)的矢量風(fēng)。

水平面上五個(gè)點(diǎn)也滿足線性風(fēng)場模型，可由四個(gè)傾斜波束上的矢量風(fēng)計(jì)算垂直波束上矢量風(fēng)。如果只附加垂直速度水平均勻假定，就可以得到垂直波束該點(diǎn)矢量風(fēng)各分量與傾斜波束上線性模型系數(shù)的關(guān)系如下步驟二：水平面上五個(gè)點(diǎn)也滿足線性風(fēng)場模型，可1344風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用4風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用135探測個(gè)例：切變線鋒區(qū)雷暴颮線大氣邊界層

風(fēng)廓線雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率，能及時(shí)準(zhǔn)確地提供大氣流場和大氣湍流場的信息，識(shí)別易引發(fā)災(zāi)害性天氣的中小尺度系統(tǒng)。探測個(gè)例：風(fēng)廓線雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率，能及時(shí)準(zhǔn)136探測風(fēng)切變風(fēng)切變線：風(fēng)向、風(fēng)速的不連續(xù)線。探測風(fēng)切變風(fēng)切變線：風(fēng)向、風(fēng)速的不連續(xù)線。1372.探測冷鋒冷鋒：在鋒面移動(dòng)過程中，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，冷氣團(tuán)推動(dòng)鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。冷鋒天氣：分第一型冷鋒天氣和第二型冷鋒天氣2.探測冷鋒冷鋒：在鋒面移動(dòng)過程中，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，冷氣團(tuán)138第一型冷鋒天氣：坡度小，在高空槽線前部并接近地面低壓中心附近的冷鋒段的天氣多為穩(wěn)定性的。降水區(qū)出現(xiàn)在鋒后，多為穩(wěn)定性降水，當(dāng)鋒前暖空氣不穩(wěn)定時(shí)，地面鋒線附近常出現(xiàn)雷陣雨。第一型冷鋒天氣：坡度小，在高空槽線前部并接近地面低壓中心附近139第二型冷鋒天氣：坡度大，高空鋒區(qū)多為下沉運(yùn)動(dòng)，該冷鋒段上的天氣多為不穩(wěn)定天氣。狂風(fēng)暴雨，雷電交加，風(fēng)速迅速增大，常出現(xiàn)大風(fēng)天氣。第二型冷鋒天氣：坡度大，高空鋒區(qū)多為下沉運(yùn)動(dòng)，該冷鋒段上的天140探測暖鋒暖鋒：由暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)形成的。在我國出現(xiàn)的機(jī)率比較小，秋季一般只在東北地區(qū)、江淮地區(qū)、江淮流域出現(xiàn)，夏季多出現(xiàn)在黃河流域、渤海地區(qū)的氣旋中。暖鋒天氣：在夏季，如暖空氣不穩(wěn)定，暖鋒上也可能出現(xiàn)積雨云、雷雨以及陣性降水等對(duì)流天氣。探測暖鋒暖鋒：由暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)形成的。在我國出現(xiàn)的機(jī)率比141探測雷暴雷暴：在雷暴云中放電、雷鳴、狂風(fēng)暴雨的一種強(qiáng)對(duì)流天氣，多發(fā)生在夏季。云中盛行上升氣流，濕度高于周圍。雷暴天氣：雷電、狂風(fēng)、暴雨。探測雷暴雷暴：在雷暴云中放電、雷鳴、狂風(fēng)暴雨的一種強(qiáng)對(duì)流天氣142探測颮線颮線：由排列成帶狀的雷暴群的十分狹窄的對(duì)流性天氣帶。颮線天氣：風(fēng)向突變、風(fēng)速急增、氣壓驟降，并伴有雷暴、暴雨、冰雹等。2005.4.252005.8.17探測颮線颮線：由排列成帶狀的雷暴群的十分狹窄的對(duì)流性天氣帶。143大氣邊界層的研究

V≥24m/s16m/s主要降雨出現(xiàn)在23:00以后，最大降雨出現(xiàn)在00:00以后。V≥20m/s大氣邊界層的研究V≥24m/s16m/144分析強(qiáng)風(fēng)暴的風(fēng)場結(jié)構(gòu)

東北風(fēng)→偏東風(fēng)→東南風(fēng)→東南風(fēng)增大→東南風(fēng)減小→南風(fēng)分析強(qiáng)風(fēng)暴的風(fēng)場結(jié)構(gòu)東北風(fēng)→偏東風(fēng)→東145

風(fēng)廓線雷達(dá)與無線電探空儀兩種測風(fēng)方法的比較