第三章 雷达资料在雷电监测和预警中的 作用

《第三章 雷达资料在雷电监测和预警中的 作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 雷达资料在雷电监测和预警中的 作用（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一节 天气雷达基本原理与概念 第二节 对流风暴的雷达特征及识别 第三节 雷达资料在雷电监测预警中的应用 第三章 雷达资料在雷电监测预警 中的应用 天气雷达主要组成: 天线：发射/接收电磁波 馈线：传导电磁波 伺服：天线等的运转 发射机：产生电磁波 接收机：接收处理电磁波 信号处理：处理回波信息 产品生成：根据算法，生成应用产品/控制雷 达 显示终端：显示产品、控制雷达 第一节 天气雷达基本原理与概 念 1.1 基本工作原理 雷达工作过程： 电磁波发射和接收的过程 Radar 定向发射接收电磁波(EMW)， 在大气中近似光速(C)传播，遇到目标物 反射部分电磁波能量，这信号称回波。从 发射波束

2、的方向确定目标的方位，从发射 到接收回波的时间确定目标距离，由回波 的强度和变化确定目标物的的特性。 频率(MT/s)波长(cm)波段 300001.0K测云 100003.0X测雨 60005.0C测雨 300010.0S台风 150020.0L测天气 气象雷达有不同工作波长，探测不同对 象来获得不同信息。 1.2 1.2 天气雷达类型天气雷达类型 常规雷达 圆偏振雷达 线-圆偏振雷达 双线偏振(极化)雷达 Doppler雷达 偏振 Doppler雷达 LR, MR, HR :Light, medium or heavy rain; LD : large drops; R/H : hail-

3、rain mixture; GSH : graupel, small hail; HA : grle ; DS, WS : dry or wet snow; IH, IV : horizontal or vertical ice crystals 为了提高短时灾害天气的预警能力，中国 正在全国范围内建设新一代天气雷达观测 网( CIN2RAD) ，雷达是采用相干体制的 脉冲多普勒天气雷达，不仅能测定降水粒 子的反射率因子，还能测定降水粒子的径 向速度。我国新一代天气雷达有两种波段 （S波段和C波段）。 整个雷达系统由三部 分构成：（1）雷达数 据采集子系统（RDA ），（2）雷达产品生 成子系

4、统（RPG）， （3）主用户处理器（ PUP） RDA主要结构： 天伺系统、发射机、接 收机、信号处理 我国新一代天气雷达分布图 为C波段 为S波段 1.3 雷达反射率因子- dBz 雷达反射率因子Z（单位dBz）为单位体 积内所有散射粒子直径六次方之和,反映 了降水的强度，一般Z值与雨强I有以下关 系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 1.4 多谱勒速度V 正在移动之中的目标物，与静止目标物相比其回波 信号的频率要发生漂移。回波信号频率上的变化叫 多普勒频移，用fd表示。尽管气象目标物的多普勒 频移量很小，但多普勒天气雷达还是能够测量

5、到。 这要求雷达以一种非常稳定的方式发射脉冲，才能 满足所需的精度要求。 多普勒频移与目标物在雷达径向方向上的速度分量 v有关，满足如下关系： fd= 2v (式中是雷达波长，fd是多普勒频移) 多谱勒速度是径向速度，垂直于雷达波束的速度分 量（切向速度）不能直接测量。 1.5 多谱勒速度谱宽W 多谱勒速度谱宽表征着雷达有效照射体积内不同大小的 多谱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： l垂直方向上的风切变； l大气的湍流运动； l不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布； l由波束宽度引起的横向风效应。 雷达仰角

6、1.6 1.6 显示方式显示方式 雷达方位角 扫描显示 仰角固定，改变方位角 (0360)的扫描方式 PPI图上距离与高度 扫描显示 方位角固定，改变仰角 (090)的扫描方式 0.5 立体扫描显示 可得到三维空间目标物的特征，在此基础上可经过进 一步计算处理得到很多雷达产品，对云的宏微观特征 可更清楚的揭示。目前我国的业务雷达中自动运行模 式之一VCP11一般用于监测强降水天气，采用14层扫 描，各层的仰角为0.5，1.5，2.40，3.35，4.3，5.25 ，6.20，7.5，8.7，10.0，12.0，14.0，16.7，19.5度 ，可获得较精细的空间结构。完成一个体扫需56min

7、左右。 以最低仰角开始进行PPI 扫描，并依序增加仰角至 完成所有仰角的PPI扫描， 称为一个体扫。 1.7 主要产品 经过质量控制 和预处理后的原始数据，按设计 要求再经处理、变换及计算等步骤得到的数据 或图像称为气象产品。新一代多普勒天气雷达 产品主要分为两类：基本数据产品和导出产品 （应用产品）。应用产品的生成主要建立在雷 达观测的原始数据基础之上，其中导出产品又 可分为3类：物理量产品、强天气自动识别和跟 踪产品以及风场反演产品。 基本数据产品 指产品不变化雷达获取的基数据的属性， 仅将其数据的空间分布用多种不同的坐标 形式表现出来，主要包括：平面位置显示 （PPI），距离高度显示（R

8、HI），等高 平面位置显示（CAPPI），局部多层等高 平面位置显示，垂直最大回波强度显示（ CR），任意垂直剖面显示（VCS）等等 。 等高平面位置显示(CA) 体扫描数据内 插 优点:易与规定 高度常规资料 配合分析 WER类似 垂直最大回波强度显示（CR，即组合反 射率因子） 显示各层回波的最强 反射率, 它是雷达体积 扫描中将最大反射率 投影到一个平面上的 产品，基本反映了整 个可探测大气空间的 最大反射率因子的水 平分布，相邻格点是 不同高度。 任意垂直剖面（VCS） 是雷达探测空间内任意 位置、任意方向的雷达回 波垂直剖面产品。是显示 降水云体垂直结构的一种 产品。在任一PPI图象

9、确 定两点，以此两点的连线 作为所需获取垂直剖面的 基线，采用插值的方法从 三维数据中获得此剖面上 的数据分布得出回波图象 。 物理量产品 是指由Z、V、W数据转化成的气象物理量 ，并制成图像和图形产品，主要有回波顶 高显示（ET）、雨强显示（RZ）、降水 累积显示（PA）、垂直累积液态含水量 （VIL）、径向散度显示（RVD）、方位 涡度显示（ARD）、分层组合湍流（CTA ）等。 VIL(垂直积分液态水含量) 垂直液态水含量产品是假定反射率因子强度来自于液态 水滴，定义为某底面积的垂直柱体中的总含水量。 应用Z-M关系，通过垂直积分获得，单位千克/平方米。 VIL是判断冰雹存在的很好指标。

10、 ET（回波顶高） 把强度大于等于18.3dBZ 的回波所在高度定义为回 波顶高。（云区上部） 产品不足 1产品网格点间常出现环 形阶梯状不连续现象。 2对于发展较高的强风暴 较难探测到其回波顶高。 3雷达旁瓣回波，可能导 致过高估计回波顶高。 4距雷达近距离处，由于 受最高仰角的限制而可能 低估回波顶高。 因此通过雷达回波来确定云顶高度是相当困难的。 雨强显示（RZ） 是由回波强度(Z)经过ZR关系转化为雨 强(R)，给出雨强分布的图象产品，ZR 关系通常采用Z=ARb表示，A、b两系数可 由用户设置，缺省时A=200，b=1.6。用 户可根据当地降水中微物理特性确定A、b 系数。用户可以运

11、用当地雨量站资料对此 产品进行对比、验证，作出更符合当地使 用的修改。 VAD（VWP ） 曲线为用最小平方法拟合离散点所得曲线，曲 线的表达式在图像下方，表达式第一项表示对 称度，振幅表示水平风速大小，拟合曲线最底 部（负速度）所对应的方位角为水平风向。 通常代表30公里范围 强天气自动识别产品 是综合新一代天气雷达获取的回波强度、 径向速度、速度谱宽三种数据及其变化， 根据各种中、小尺度强天气的结构模型设 计制作的自动检测产品。主要包括中尺度 气旋自动识别、龙卷涡旋自动识别、雹云 自动识别、下击暴流自动识别、风暴路径 自动识别、局地暴雨自动识别等等。 2.1 不同天气系统的回波特征 回波性

12、质稳定性降水/ 层状云 对流性降水混合性降 水 台风降水 回波形态 片状（近距离 ） 块状（带、V 、指、零散） 絮状螺带 回波强度 小于30dBz，2030-65 dBz20-45dBz30-45dBz，40 回波顶高 2-6千米6、7-20千米3-15千米8-12千米，10 移动变化 少变动移速快，45， 100KM/h 较慢，15 KM/h 变化趋势 稳定生消变化快局部变化快 天气背景 锋后、静止锋锋面、暖区、 副高边缘、台 风外围 静止锋、槽 、切变 台风 第二节对流风暴的雷达特征及识 别 回波强度（Z）图象分析步骤 l 降水性质判断，回波形态； l 回波分布特征分析，主要分析回波的分

13、布 特征及移动特征。其中包括移向、移速及 回波的相对变化； l 回波演变特征分析，主要分析回波的发展 阶段和演变趋势。分析回波是处于初生阶 段还是处于发展阶段或消散阶段,并预测回 波未来的变化。 多普勒速度（V）图象分析步骤 l 确定零速度线和速度的来去向区域； l 识别速度模糊，确定具体来去向速度值； l 注意仰角，计算各特征区对应的高度位置； l 掌握最近时次天气形势，结合中尺度概念模式 的流场特征，分析多普勒速度资料的天气意义 ； l 配合反射率因子（回波强度）的观测情况，得 出多普勒雷达观测分析意见； l 结合其他常规和非常规气象资料，分析未来天 气演变趋势，做出短时天气预报。 2.2

14、 普通单体风暴的回波特征 生命史三阶段： 塔状积云期：回波顶较低，不断向上发展，整体回波较 弱，强回波在上升气流区的上部，范围较小，强度较弱 。 成熟期：强回波强度增加，范围增大，在上升气流区的 中下部到中上部。 消亡期：强回波的顶高降低，范围减小，强度减小。 各阶段约为710 min，整个生命史一般在2030min 左右。普通单体从最初产生雷达回波到地面产生降水大 约需要10-15min。对流单体的移动方向往往与对流层中 层的平均风向一致，而移速小于平均风速；中纬度地区 的对流云，零度层高度之上的大冰粒子是最早产生回波 的，而后降水发展，回波加厚，并出现一个标志着强降 水的强回波中心。 普通

15、雷暴单体回波示意图 2.3 超级单体风暴的回波特征 超级单体风暴RHI回波和不同高度上的PPI图 （1）在PPI上，超级单体呈圆形或椭圆形单泡结构，典型的水平尺 度是长20-30 km，宽12-15 km； （2）在风暴的右侧有一个持久的、经常呈圆锥状的有界弱回波区 （BWER），水平尺度约为5-12 km，延伸高度约为风暴高度的 1/21/3；低层时称为入流缺口，是由于冰雹云具有强的上升入流 气流，垂直速度可达25-40 m/s，在云下中部的倾斜上升区内缺少 大粒子，因而形成弱回波区，反映在低层PPI回波上出现一个向云 内凹入的缺口，缺口处具有最大的回波强度梯度，是云体具有强上 升气流达到雹

16、云阶段的一个标志。 （3）最强的回波出现在有界弱回波区的左侧，包括冰雹在内的强 降水就发生在靠近有界弱回波区的一侧； （4）在低层，有界弱回波区的右侧经常可以观测到一个钩状回波 （或指状回波）；常对应中等强度的降雹，尺度比主回波小，是主 回波的突出物，形如指头。从回波强度分布来看，指头或与主回波 连根处具有很大的反射率梯度值，是雹云局部突然强化的标志。 （5）在主要的强回波中心的下游，有一个伸展达60-150 km 甚至 更远的砧状回波，以及一长达100-300 km 的可见砧状云区。由远 至近为回波墙，弱回波穹隆，悬挂回波，砧状回波。 钩状回波：强冰雹云伴随着强的低层上升入流的进一步 发展，入流缺口会演变成钩状，常出现在回波移动方向 的右侧或后右侧