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《天氣雷達產(chǎn)品的識別及應(yīng)用》 教學(xué)內(nèi)容： 雷達簡介 天氣雷達探測的基本理論 天氣雷達產(chǎn)品簡介 天氣雷達產(chǎn)品的識別 對流性風(fēng)暴的回波特征 天氣雷達產(chǎn)品在災(zāi)害性天氣預(yù)測監(jiān)測中的應(yīng)用 雷達簡介 氣象雷達簡介 氣象雷達的應(yīng)用領(lǐng)域 多普勒雷達的基本構(gòu)成 多普勒雷達的顯示方式 一些重要的雷達參數(shù) 一、氣象雷達簡介 雷達 “Radar”是由詞組“Radio Detection and Ranging”縮寫而成，即無線電探測和測距的意思。 氣象雷達發(fā)展簡史：1941年在英國最早使用雷達探測風(fēng)暴。1942～1943年，美國麻省理工學(xué)院專門設(shè)計了為氣象目的使用的雷達。從50年開始一些國家先后建立了天氣雷達探測站網(wǎng)，主要用于警戒強對流災(zāi)害性天氣，同時，把它作為研究大氣物理的重要手段。在氣象雷達發(fā)展初期，一般都靠手工操作，回波資料只能作定性分析。到 60-70年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字技術(shù)以及計算機技術(shù)的引入，使它形成了一個系統(tǒng)，主要特征是信息數(shù)字化、控制自動化，專門設(shè)置了信號處理器和終端處理設(shè)備。80年代開始研制全相干脈沖多普勒雷達，美國于90年代正式進行業(yè)務(wù)布網(wǎng)。 我國氣象雷達簡介 我國在60年代末開始研制711型 - X波段測雨雷達，70年代生產(chǎn)713型- C波段測雨雷達作為正式布網(wǎng)，80年代研制出具有數(shù)字處理系統(tǒng)的714型 - S波段測雨雷達，90年代生產(chǎn)出714-CD， 714SD脈間相干多普勒雷達及C波段3824型全相干多普勒雷達。99年中美合資敏視達雷達有限公司在對美國WSR-88D進行改進的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)出第一步先進的S波段全相干脈沖多普勒雷達，它已作為我國新一代布網(wǎng)的天氣雷達。截止到2004年初，我國已經(jīng)有126部雷達參加全國聯(lián)網(wǎng)。各省、地、市都可以從氣象專線網(wǎng)上調(diào)用由國家氣象中心下發(fā)的全國雷達拼圖。從雷達拼圖中，不僅可以看到本省、本地區(qū)的降水情況，還可以根據(jù)上游省份降水的強弱和移動速度推測到達本地的時間和降水強度。 氣象雷達的種類 氣象雷達是專門用于大氣探測的雷達。氣象雷達的種類很多，其中是用來探測未形成降水的云層高度、厚度以及云內(nèi)物理特性的雷達叫測云雷達；用來探測高空不同大氣層的水平風(fēng)向、風(fēng)速以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素的雷達為測風(fēng)雷達；用來探測大氣中降水區(qū)的位置、分布、強弱及其變化的雷達稱為天氣雷達或 測雨雷達；在雷達的發(fā)射和接收部分采用多普勒體制，利用多普勒效應(yīng)測量降水粒子的運動信息的天氣雷達稱為多普勒天氣雷達。此外還有調(diào)頻連續(xù)波雷達，它是一種探測邊界層大氣的雷達，有極高的距離分辨率和靈敏度，主要用來測定邊界層晴空大氣的波動、風(fēng)和湍流 。 氣象雷達的工作波長 氣象雷達使用的無線電波長范圍很寬，從1厘米到1000厘米。常用的有1、3、5、10和 20厘米波長，各對應(yīng)于K波段（波長0.75～2.4厘米）、X波段（波長 2.4～3.75厘米）、C波段（波長3.75～7.5厘米）、S波段（波長7.5～15厘米）和 L波段（波長15～30厘米），超高頻和甚高頻雷達的波長范圍分別為10～100厘米和100～1000厘米。 雷達探測大氣目標的性能和其工作波長密切有關(guān)。 常用K波段雷達探測各種不產(chǎn)生降水的云，用X、C和S波段雷達探測降水，其中S波段最適用于探測暴雨和冰雹，用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達 探測對流層－平流層-中層的晴空流場。 二、氣象雷達的應(yīng)用領(lǐng)域 對強對流等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警 定量降水估計 提供風(fēng)場信息 數(shù)據(jù)同化 - 為高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報模式提供初始場 為機場氣象保障和氣象研究提供資料。 為火箭、導(dǎo)彈和航天器的發(fā)射與飛行提供必要的氣象資料 三、多普勒雷達的基本構(gòu)成 新一代天氣雷達系統(tǒng)由五個主要部分構(gòu)成：雷達數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（RDA）、寬/窄帶通訊子系統(tǒng)（WNC）、雷達產(chǎn)品生成子系統(tǒng)（RPG）、主用戶處理器（PUP）和附屬安裝設(shè)備。其中RDA產(chǎn)生和發(fā)射電磁脈沖，并將接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)化雷達資料，RPG通過寬帶通信從RDA獲取數(shù)據(jù)化雷達資料，通過一系列水文氣象算法生成雷達產(chǎn)品；PUP通過窄帶通信從RPG獲得氣象產(chǎn)品，進行顯示存檔，這里也是預(yù)報員的業(yè)務(wù)工作平臺。 新一代天氣雷達基本結(jié)構(gòu)框圖 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA由天線、發(fā)射機、接收機、信號處理器、系統(tǒng)監(jiān)控及通信等部分組成，該單元產(chǎn)生和發(fā)射電磁脈沖，并將接收到的脈沖信號處理生成數(shù)字化基本資料，在RDA單元還完成第一級和第二級資料存檔任務(wù)，RDA的上述功能是由RDA計算機監(jiān)視和控制的。 一、發(fā)射機（Transmitter） 多普勒天氣雷達通過速調(diào)管放大器產(chǎn)生一個相當穩(wěn)定的高功率射頻脈沖，然后通過天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到天線處向外輻射。為了保證多普勒資料能夠精確的從返回信號中提取，對所發(fā)射脈沖信號的穩(wěn)定度要求很高，產(chǎn)生的每個脈沖必須具有相同的初位相。 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA 二、天線（Antenna） 雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁脈沖（RF）通過天線發(fā)射到大氣中，并接收電磁脈沖遇到云雨目標物后返回的能量，WSR—88D多普勒天氣雷達天線掃描的仰角可從-1度到60度，主要取決于掃描策略 、體積覆蓋模式（VCP），操作模式三個要素。 1．掃描策略（Scan Strategy） 掃描策略決定一個體掃描包含多少個仰角，以及完成一次體掃描所需的時間，WSR—88D中有三個掃描策略： 1：一個體掃描包含14個仰角，用時5分鐘。 2：一個體掃描包含9個仰角，用時6分鐘。 3：一個體掃描包含5個仰角，用時10分鐘。 2．體積覆蓋模式（ VCP） 掃描策略決定了一個體掃描中包含多少個仰角，而體積覆蓋模式指定具體的仰角值（如0.5、1.5度等），WSR—88D可包含20個不同的VCP，但目前定義的僅為四個： VCP11：掃描策略1 版本1：指定在5分鐘完成的體掃中14個不同仰角 VCP21：掃描策略2 版本1： 指定在6分鐘完成的體掃中9個不同仰角 VCP31：10分鐘內(nèi)完成5個具體仰角的掃描 （使用長雷達脈沖） VCP32：10分鐘內(nèi)完成5個具體仰角的掃描（使用短雷達脈沖） 3．操作模式 操作模式?jīng)Q定使用哪一種體積覆蓋模式和掃描策略WSR—88D有兩個操作模式，降水模式（Mode A）和晴空模式（Mode B）。 Mode A： 降水模式，使用VCP11或VCP21，相應(yīng)的體掃描策略為Scan Strategy 1（14層/5分鐘）或Scan Strategy 2（9層/6分鐘）。 Mode B：晴空模式，使用VCP31或VCP32，相應(yīng)的體掃描策略為Scan Strategy 3（5層/10分鐘）。 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA 三、接收機（Receiver） 當天線接收到從云雨目標物返回的后向發(fā)射能量后，將信號傳遞到接收機，由于與發(fā)射的信號相比，接收到的信號是一個非常小的量，所以當接收信號被送到信號處理器之前，必須被放大。 四、信號處理器（Signal Processor） 信號處理器從接收機獲得模擬信號后，完成三個重要任務(wù)，地物雜波抑制，模數(shù)轉(zhuǎn)換和多普勒資料距離退折疊。 1. 地物雜波抑制 氣象回波和地物回波的主要區(qū)別是地物雜波很少或幾乎沒有運動，而氣象目標物返回的信號有明顯的運動。信號處理器利用目標物運動與否作為主要判據(jù)消除地物的回波。 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA 2．模數(shù)轉(zhuǎn)換 來自于接收機的模擬信號在信號處理器中被處理成三種基本類型的數(shù)字信號：基本反射率因子，基本平均徑向速度和基本譜寬。 3．距離退折疊 在基本速度和譜寬資料中由于不同氣象目標物傳輸路徑差異會引起距離折疊，WSR—88D通過與基本反射率因子資料對比對以上兩種資料進行距離退折疊。 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA 五．I、II級數(shù)據(jù)記錄存檔（ARCHIVE LEVEL I、II） 在RDA中包含最初的兩級數(shù)據(jù)記錄存檔。 1．存檔I（ARCHIVE LEVEL I） 這一級存檔設(shè)有存儲設(shè)備和介質(zhì)，在信號處理器中自動完成，搜集來自于接收機的模擬信號。 2．存檔Ⅱ（ARCHIVE LEVEL II） WSR—88D 存檔Ⅱ收集的資料為信號處理器產(chǎn)生的高分辨率數(shù)字基本資料，包括反射率因子、平均徑向速度和譜寬，這些資料未經(jīng)水文氣象算法處理，目前存儲的介質(zhì)為每盒4.77GB的8毫米磁帶。 雷達數(shù)據(jù)采集單元RDA 六、寬/窄帶通訊 寬帶通信提供了RDA和RPG之間一個高速的雙向資料傳送連接，RDA和RPG可同在一處，也可相距幾十km。依據(jù)RDA和RPG之間的距離以及當?shù)厍闆r，寬帶通信連接可采用直接電纜連接，光纖、微波通信（MLOS）和TI方式。上海WSR—88D采用的是直接的電纜連接。 窄帶通訊是指RPG與PUP之間的通訊傳輸。 雷達產(chǎn)品生成單元（RPG） 雷達產(chǎn)品生成單元（RPG）是一個多任務(wù)的單元，RPG的主要功能是產(chǎn)品生成、產(chǎn)品分發(fā)。它由寬帶通訊線路從RDA接受數(shù)字化的基數(shù)據(jù)，通過各種水文氣象算法處理和生成三十多類70多種氣象產(chǎn)品，經(jīng)窄帶通信發(fā)送到用戶。RPG還可以通過雷達控制臺（UCP）對RDA進行監(jiān)控 ，是整個雷達系統(tǒng)的控制中心，這里還提供第三級數(shù)據(jù)記錄存檔（ARCHIVE LEVEL III） 雷達控制臺（UCP） 雷達控制臺UCP是RPG的操作界面，可以實時地對RPG和RDA進行控制，UCP采用流行的窗口界面，主要的命令集成在菜單和工具欄中，使用這些命令可實現(xiàn)對RPG和RDA的有效控制，UCP為雷達操作員提供了一個可以與RPG和RDA系統(tǒng)人機交互的界面。它具有應(yīng)用終端和系統(tǒng)控制臺的雙重功能。應(yīng)用終端用來發(fā)布命令和修正參數(shù)。系統(tǒng)控制臺允許雷達操作員通過與RPG的操作系統(tǒng)的交互來達到文件維護、文件和數(shù)據(jù)的備份以及軟件安裝等。 主用戶處理單元（PUP） 主用戶處理單元（PUP）是收集、處理和存貯從RPG 獲得的氣象產(chǎn)品的軟硬件的總稱，由主用戶處理器和交互式用戶工作站兩部分組成。 PUP交互式用戶工作站由兩個高分辨圖形監(jiān)視器，圖像板，應(yīng)用終端和彩色打印機組成，是預(yù)報人員顯示和操作WSR—88D產(chǎn)品的工作平臺； 主用戶處理器連接一個系統(tǒng)終端，為操作者提供PUP軟件安裝、運行監(jiān)控等功能。為了方便操作人員異地了解雷達工作狀況，在主用戶處理單元還配有遠程單元控制面板（遠程UCP）。此外，PUP還提供第四級數(shù)據(jù)記錄存檔（ARCHIVE　LEVEL IV）。 主用戶處理單元（PUP） PUP的主要功能有：氣象產(chǎn)品的采集，操作人員通過在PUP上設(shè)置常規(guī)產(chǎn)品集（RPS）或通過一次性請求從RPG上采集氣象產(chǎn)品或信息，也可通過設(shè)置警報區(qū)域和警報閾值自動從RPG采集警報配對產(chǎn)品。氣象產(chǎn)品的處理和顯示，包括氣象產(chǎn)品的顯示、放大、動畫、產(chǎn)品疊加、地理信息的疊加以及強天氣的自動報警功能等。 PUP（CINRAD WSR-98D）的操作界面：主要分為4個區(qū)域：視窗、菜單、工具欄和狀態(tài)欄。視窗進一步分為3個子區(qū)域：圖象區(qū)、標注區(qū)和屬性表區(qū)。在產(chǎn)品有顯示狀態(tài)下菜單的種類有12個。工具欄有4種：常規(guī)工具欄、動畫工具欄、警報信息欄和編輯工具欄。 主用戶處理單元（PUP） 二、遠程雷達控制 為了方便操作人員在PUP工作單元了解整個雷達系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實施RPG遠程關(guān)閉、啟動操作、以及進行一些異地RDA、RPG故障的診斷、排除等，在PUP單元配置遠程單元控制面板，遠程UCP通過9.6K BPS DDN專線與RPG相連，其功能與本地UCP完全相同，但RPG本地UCP和遠程UCP只能選擇其中一個工作。  三、第四級數(shù)據(jù)記錄存檔（（ARCHIVE　LEVEL IV） 可以存儲任何多普勒天氣雷達產(chǎn)品和信息。 四、雷達資料的顯示方式 雷達的PPI掃描方式 在每個仰角，雷達天線繞垂直軸進行360°掃描，所采集到的圓錐面上的資料被投影到地面。 因此，在PPI上，以雷達為中心，沿著雷達波束向外，徑向距離的增加同時也表示距地面的高度增大。 等高平面位置顯示（CAPPI） 由計算機根據(jù)一系列不同高度角處的資料經(jīng)計算而得到的。按照用戶設(shè)置的高度，應(yīng)用測高公式，選取臨近該高度平面上的上下兩個仰角相應(yīng)雷達測距上的數(shù)據(jù)，然后用內(nèi)插方法得到該高度上的數(shù)據(jù)。 局部多層CAPPI顯示的處理原理類似于等高平面位置顯示（CAPPI），利用體積掃描獲取的三維數(shù)據(jù)，在任一PPI顯示的圖像中確定所選區(qū)域，經(jīng)處理得出多個不同高度上所選區(qū)域的CAPPI，然后構(gòu)成假三維結(jié)構(gòu)的圖像。 CAPPI數(shù)據(jù)獲取示意圖 距離高度顯示RHI 任意垂直剖面顯示（RCS） RCS產(chǎn)品一般用來分析降水云體的垂直結(jié)構(gòu)，它需要用體積掃描獲取的三維數(shù)據(jù)制作。根據(jù)用戶在任意仰角的PPI圖像上確定的兩點，以該兩點連線作為需分析的垂直剖面的基線，顯示出這垂直剖面與其它仰角的PPI相交的數(shù)據(jù)。由于體積掃描時，相鄰不同仰角之間的間隔不可能取得很小，所以在不同仰角之間的區(qū)域，仍采用雙線性插值及距離加權(quán)平均插值的方法予以彌補。 RCS產(chǎn)品與RHI產(chǎn)品不同，它不受必須固定方位角的限制，因此能分析回波區(qū)中任意方向的垂直結(jié)構(gòu)。 垂直最大回波強度顯示（CR） CR產(chǎn)品是應(yīng)用體積掃描獲取的回波強度數(shù)據(jù)，在以1km X 1km（或2km X 2km）為底面積，直到回波頂?shù)拇怪敝�體中，對所有位于該柱體中的回波強度資料進行比較，挑選出最大的回波強度。再用測高公式計算最大回波強度的所有高度。從而得到最大回波強度及其所在高度的兩幅分布圖像。為方便用戶分析，將這兩幅分布圖像作同屏顯示。 五、一些重要的雷達參數(shù) 當前常用的雷達大多數(shù)是脈沖雷達，常規(guī)的脈沖雷達周期性地發(fā)射高頻電磁波脈沖，相關(guān)的技術(shù)參數(shù)主要有脈沖寬度τ、脈沖重復(fù)頻率PRF、脈沖重復(fù)周期T、脈沖功率Pt 、天線增益G、天線波束寬度等 脈沖寬度τ：探測脈沖的振蕩持續(xù)時間。由于探測脈沖具有一定的持續(xù)時間，因而它在空間也有一定的長度h＝ cτ 。若脈沖寬度以s為單位，則上式可寫成h=300τ（m） 一些重要的雷達參數(shù) 我國新一代天氣雷達WSR-98D使用兩種脈沖寬度：短脈沖（1.57 s ）和長脈沖（4.71 s ）。對應(yīng)的空間寬度約為500米和1500米。 一些重要的雷達參數(shù) 脈沖重復(fù)頻率PRF：每秒產(chǎn)生的脈沖數(shù)目。 脈沖重復(fù)周期T：相鄰兩個脈沖之間的時間間隔 ，它等于脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)。 一些重要的雷達參數(shù) 脈沖功率Pt ：發(fā)射機發(fā)射脈沖的峰值功率。WSR-88D的脈沖峰值功率為475kw，我國天氣雷達WSR-98D的脈沖峰值功率在650-800kw之間。 天線增益G：輻射總功率相同時，定向天線在最大輻射方向的能流密度與各向均勻天線的能流密度之比。通常稱為放大倍數(shù)。 一些重要的雷達參數(shù) 天線的波束寬度：兩個半功率點方向的夾角稱波束寬度。通常所說的波束寬度指的是天線主瓣的寬度，在垂直面上用θ表示，在水平面上用Φ表示。波束寬度越小，角度的分辨率越高，探測精度也越高。我國新一代雷達的波束寬度約為1° 單元思考題 氣象雷達有哪些用途？ 新一代多普勒雷達主要由哪幾部分構(gòu)成？ 新一代雷達的體積覆蓋模式（VCP）有哪四種？ 新一代雷達的工作模式有哪兩種？它們分別采用怎樣的體掃方式 ？ 雷達PPI顯示方式與CAPPI顯示方式有何不同？ 雷達 VCS產(chǎn)品與RHI產(chǎn)品有何不同？ 什么是脈沖重復(fù)周期？什么是脈沖重復(fù)頻率？它們之間有何關(guān)系？ 什么是天線的波束寬度？3ID紅軟基地

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