1、,LOGO,風(fēng)廓線雷達(dá)原理,中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心 2011年11月5日,NO.1,風(fēng)廓線基本概念,風(fēng)廓線雷達(dá)(wind profiler radar,WPR)主要是利用 大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量進(jìn)行探測(cè)的一種主動(dòng)式地基遙感設(shè)備。,因?yàn)轱L(fēng)廓線雷達(dá)同時(shí)要完成測(cè)速與定位功能，所以風(fēng)廓線雷達(dá)是是無(wú)線電測(cè)距與多普勒測(cè)速的結(jié)合。,風(fēng)廓線雷達(dá)以晴空大氣作為探測(cè)對(duì)象，利用大氣對(duì)電磁波的散射進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)提供大氣的三維風(fēng)場(chǎng)信息，增加無(wú)線電聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)（RASS），與微波輻射儀或GPS/MET水汽監(jiān)測(cè)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(cè)，是一種新的高空大氣探測(cè)系統(tǒng)。

2、,NO.2,國(guó)內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用,風(fēng)廓線雷達(dá)誕生于20世紀(jì)80年代，近三十年已經(jīng)在國(guó)際氣象組織得到認(rèn)可和廣泛使用。美國(guó)于1992年開(kāi)始在美國(guó)建成包括35部風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)網(wǎng)，并進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行，多年來(lái)的運(yùn)行結(jié)果表明，風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)資料能滿足觀測(cè)精度的要求，他的時(shí)空分辨率超過(guò)任何高空風(fēng)測(cè)量系統(tǒng)。NOAA（美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理組織）在對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)指出: 6分鐘的風(fēng)廓線資料能顯示出鋒面，短波波動(dòng)，氣旋和重力波等系統(tǒng)連續(xù)詳實(shí)的演變過(guò)程，資料通話后，明顯地改善了3-6h臨近數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，美國(guó)還計(jì)劃研制是用于熱帶海洋地區(qū)的太陽(yáng)能自動(dòng)風(fēng)廓線系統(tǒng)。日本與2003年6月建成包含31部風(fēng)廓線來(lái)打的氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)

3、網(wǎng)，觀測(cè)資料在多個(gè)領(lǐng)域地得到廣泛應(yīng)用，芬蘭，德國(guó)，瑞士，英國(guó)，法國(guó)都建早有自主的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng),LOGO,美國(guó) 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(cè)系統(tǒng)。CAP(60多部各種型號(hào))，由35個(gè)部門(mén)建設(shè)的風(fēng)廓線雷達(dá)組成。 探測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制，每小時(shí)平均的風(fēng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)送給NOAA風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)（NPN）的用戶。 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(cè)墨西哥灣水汽輸送過(guò)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(cè)

4、這種低空急流引起的夜間雷暴非常重要。,國(guó)內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用,日本 WINDAS(31部1.3G風(fēng)廓線雷達(dá))，間隔130公里。 經(jīng)過(guò)站臺(tái)處理的10分鐘的平均風(fēng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)廓線雷達(dá)控制中心，通過(guò)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。,中國(guó)氣象局所屬部門(mén)陸續(xù)在北京、上海、唐山、張北、青島、深圳、大理、電白等地布設(shè)了數(shù)十部風(fēng)廓線雷達(dá)。,國(guó)內(nèi)情形,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。當(dāng)前對(duì)氣象保障工作的要求越來(lái)越高，各級(jí)氣象部門(mén)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)愈來(lái)愈迫切。在中國(guó)氣象局完成多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)后，預(yù)計(jì)風(fēng)廓線雷達(dá)將是下一個(gè)重要的布網(wǎng)裝備。,2010年3月浙江首個(gè)風(fēng)

5、廓線雷達(dá)在甬安裝完成試運(yùn)營(yíng),2010年8月湖北省氣象局安裝的移動(dòng)方艙邊界層 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)布局,風(fēng)廓線雷達(dá)和探空站網(wǎng)布局,NO.3,風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)原理,風(fēng)廓線雷達(dá)主要以晴空大氣作為探測(cè)對(duì)象，利用大氣湍流對(duì)電磁波的 散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)等要素的探測(cè)。風(fēng)廓線雷達(dá)的電磁波在大氣傳播工 程中，因?yàn)榇髿馔牧髟斐傻恼凵渎史植疾痪a(chǎn)生散射，其中后散射能 量被風(fēng)廓線雷達(dá)所接受。一方面，根據(jù)多普勒效應(yīng)確定氣流沿雷達(dá)波束方 向的速度分量；另一方面，根據(jù)回波信號(hào)往返時(shí)間確定回?fù)芪恢谩?由于大氣湍流折射率的不均勻性，會(huì)引起電磁波的散射。向空中發(fā)射電磁 波，即使在晴空大氣中也會(huì)接受到大氣的回波。大氣湍流散

6、射的雷達(dá)方程為:,其中Pr為雷達(dá)接收到的回?fù)芄β?，Pt為雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率。 h為雷達(dá)的 取樣長(zhǎng)度，為雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度，L是雷達(dá)天饋雄的損耗，R是回波所在距離。,為了獲取風(fēng)廓線雷達(dá)上空的三維風(fēng)速信息，至少需要三個(gè)不共面的波束為此，一些風(fēng)廓線雷達(dá)，特別是拋物面天線風(fēng)廓線雷達(dá) 一般采用三個(gè)固定指向波束。三個(gè)波束一般是：一個(gè)垂直波束，兩個(gè)傾斜束。傾斜波束的天頂角一般在十五度左右。但是為了提高高空探測(cè)精度相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)一般會(huì)采用5個(gè)固定指向波束。,單波束工作方式：風(fēng)廓線雷達(dá)在探測(cè)時(shí)，在某一時(shí)刻只有一個(gè)波束，雷達(dá)僅沿這一個(gè)波束方向發(fā)射脈沖進(jìn)行探測(cè)。完成一個(gè)波束方向的探測(cè)之后，將波束切換到下一個(gè)方向，進(jìn)

7、行下一個(gè)波束方向的探測(cè)，直到完成所有波束方向的探測(cè)，便完成一個(gè)探測(cè)周期，再接著進(jìn)行下一個(gè)周期的探測(cè)。因?yàn)榧夹g(shù)條件的限制，拋物面天線雷達(dá)只能采用單波束的工作方式。,多波束工作方式：在多波束工作方式下，相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)可以近乎同時(shí)完成多個(gè)波束方向的發(fā)射或接受任務(wù)。多波束是相控陣了雷達(dá)相對(duì)于機(jī)械掃描雷達(dá)所特有的技術(shù)。,基本工作原理,NO.3,風(fēng)廓線基本原理,五波束風(fēng)廓線雷達(dá)指向示意圖,同軸共線線極化天線陣,NO.3,有三個(gè)波束即可計(jì)算出風(fēng)向風(fēng)速。設(shè)風(fēng)矢量沿正東正北和垂直的分量為 UE,UN和Ud，矢量沿偏東和偏北，垂直三波束上的投影，各向速度分量計(jì)算公式為：,徑向速度以朝向天線運(yùn)動(dòng)為正，失量的分量取

8、正直代表風(fēng)向。水平風(fēng)速VH,風(fēng)向由UE，UN導(dǎo)出：,垂直波束的徑向速度URd與大氣垂直速度一致。,由于傾斜波束偏離垂直方向的角度較小，取其水平方向的分量誤差較大，因此， 垂直波束的測(cè)量誤差要小于水平分量的誤差，即風(fēng)廓線雷達(dá)最適用于大氣垂直的氣流 測(cè)量,風(fēng)廓線測(cè)風(fēng)的分層高度,風(fēng)廓線雷達(dá)可采用不同的模式工作，有發(fā)射脈沖寬度確定分層高度。邊界層，對(duì) 流層和平流層風(fēng)廓線雷達(dá)有不同的分層高度。 根據(jù)探測(cè)高度的不同，可以將風(fēng)廓線雷達(dá)分為邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，對(duì)流層風(fēng)廓線 雷達(dá)，以及中間層-平流層-對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)（MST）.邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)高 度一般在3千米左右，對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)高度在1216千米

9、。MST雷達(dá)的探測(cè) 高度可以達(dá)到中間層高度。,風(fēng)廓線探測(cè)高度以及工作頻率圖如下,風(fēng)廓線儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,風(fēng)廓線儀主要由五部分組成:天饋發(fā)射/接收機(jī)信號(hào)處理器數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控分機(jī)。圖中虛線部分為聲發(fā)射器，與風(fēng)廓線儀聯(lián)合使用，構(gòu)成無(wú)線電聲探測(cè)系統(tǒng)。,NO.4,風(fēng)廓線雷達(dá)的分類,根據(jù)天線制式的不同，風(fēng)廓線雷達(dá)可分為兩大類：一類是采用相控陣天線 的相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)；另一類是采用拋物面天線的風(fēng)廓線雷達(dá)。,根據(jù)探測(cè)高度的不同，風(fēng)廓線雷達(dá)又分為邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)和中間層-平流層-對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)（MST）。邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)高度一般在3千米左右，對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)高度一般在12-16千米，其中探測(cè)高度在8千米以下的低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)。MST雷達(dá)的探測(cè)高度可達(dá)到中間層高度。,根據(jù)雷達(dá)工作頻率的不同，可將風(fēng)廓線雷達(dá)分為甚高頻（VHF），超高頻 （UHF）和L波段三類。一般情況下邊界層風(fēng)廓線用的是L波段，對(duì)流層風(fēng) 廓線雷達(dá)選用超高頻（P波段），探測(cè)高度在平流層上的風(fēng)廓線雷達(dá)大致 選用甚高頻。,4.分類,NO.5,顯示的圖形產(chǎn)品,風(fēng)廓線儀的數(shù)據(jù)處理由一臺(tái)高性能的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它與信號(hào)處理器通過(guò)DMA相 聯(lián)接，實(shí)時(shí)采集信號(hào)處理器輸出的各波束射向上每個(gè)距離庫(kù)的信號(hào)功率譜密度分布 ，經(jīng)處理估算出各高度上水平風(fēng)向風(fēng)速垂直運(yùn)動(dòng)速度和各高度上cn2值，將處 理結(jié)果形成各類圖形產(chǎn)品