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1、,雷达气象学,电子版（第二版）,目 录第一章 绪论 第二章 雷达探测大气的基础知识 第三章 雷达气象方程 第四章 多普勒天气雷达 第五章 天气雷达产品与算法 第六章 天气雷达回波的识别技术 第七章 中小尺度天气系统的回波特征 第八章 大尺度天气系统的回波特征,第一章 绪论,1.1 概述 1.2 天气雷达发展历史 1.3 天气雷达工作原理,第一节 概述,名字：“雷达”是Radio Detection And Ranging缩写Radar的音译,字面上含义是无线电探测和测距。雷达：是用无线电方法发现并测定空间目标的位置。 用途：从二次世界大战后雷达技术引用到气象部门至今已有50多年历史。用于探测云
2、、雨、降水、监测强对流天气的天气雷达已成为雷达技术中的一个分支，天气雷达是大气监测的重要手段之一，在突发性、灾害性的监测、预报和警报中具有极为重要的作用。目前约有1000部以上的天气雷达布设在世界各地，为人类造福。,1、雷达及其作用,雷达气象学利用天气雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，它是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。,2、雷达气象学研究的主要内容,2、雷达气象学研究的主要内容,包括基础理论、分析应用、探测方法与技术三部分。,基础理论方面包括云和降水粒子对雷达波的散射；微波经过大气、云和降水粒子时的衰减；气象条件对雷达波传播的影响，如大气折射、大气不均匀结构
3、的散射等。 分析应用方面包括雷达测量降水和云中的含水量；天气系统(特别是中小尺度系统)的雷达回波在天气分析预报上的应用，在云和降水物理探测研究上的应用；多普勒雷达和各种波长的新型雷达在风的水平结构和铅直结构、铅直气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等的探测研究中的应用。 探测方法与技术方面包括各种天气雷达资料的处理和传输等。,第二节 天气雷达发展历史,常规天气雷达：是一种模拟信号雷达、将云雨降水质点散射回的信号在模拟显示器上显示,给出降水及其云体的空间位置和范围。 数字化天气雷达：,雷达不仅观测降水的空间分布,进一步定量估测降水强度和雨量的分布,同时还提供给用户多种图像图形产品。获得的探测
4、信息少、技术性能偏低、可靠性和稳定差、组网能力弱等。 多普勒天气雷达：作为新一代天气雷达在气象业务探测中得到更多的应用,它不仅提供降水分布和定量估测,还提供了降水区内风场信息,增添了预示天气未来变化的信息。目前世界各国气象业务使用,50多年来,天气雷达的发展大致经历了3个阶段,常规天气雷达、数字化天气雷达和多普勒天气雷达。,1、雷达气象发展史,二十世纪40年代，雷达开始用于降水天气过程的探测，这一时期主要是建立雷达气象学的理论基础的阶段；50年代是从定性研究转入定量研究的阶段，其中包括定量测雨和定量显示反射率，以及对雷达信号脉动、偏振等现象的研究。50年代后期和60年代初期，许多国家建立了天气
5、雷达站网，促进了雷达气象学的进一步发展。二十世纪60年代及其以后，雷达气象学在多方面得到了新的发展：天气雷达方程精度的改进；晴空回波在理论研究和探测技术上得到新的进展；由湍流不均匀介质散射理论，给出了散射强度和湍流结构的关系，为大气结构、晴空湍流、大气波动、热对流、大气风场、铅直气流速度等的探测和研究开辟了新的途径。同时，天气雷达在资料的实时处理和观测结果的传输方面也取得了很大进展，并出现了定量探测的数字天气雷达网。近二十年来最突出的发展是，多普勒雷达在大气遥感探测和研究工作中的应用，如探测降水云内和晴空大气中水平风场和铅直风场、降水滴谱和大气湍流等。多普勒雷达还为龙卷的探测和短时间预报提供了
6、有效的工具。在完成多部雷达联合组网实时定量探测的基础上，可利用雷达测雨的观测资料，结合卫星观测，进行更大范围的降水预报。,1、雷达气象发展史,2、我国雷达气象发展历史,常规天气雷达 50年代开始使用军事雷达 58年引进第一部天气雷达 60年代末711X波段 数字化天气雷达 70年代自行生产711、712、713 80年代具有数字处理系统的714S波段，并引进多普勒雷达 多普勒天气雷达 90年代已生产出714CD、714SD型脉间相干 99年对WSR-88D进行改造，第一部先进的S波段全相干脉冲多普勒雷达CINRAD/CC 3824型,我国新一代天气雷达建设,中国气象局规划将雷达数量由原计划的1
7、26部调整为158部，其中S波段雷达87部，C波段雷达71部；因人工影响天气等需求，还打算开展X波段雷达建设。,到2008年，完成158部S波段和C波段新一代天气雷达系统的布点建设，形成基本覆盖全国的天气雷达监测网。到2015年，根据国家经济建设发展需求，在服务重点地区和经济发达地区建设30部左右 新一代天气雷达系统，再通过适当数量小型雷达实现对低层风、近地表降水和山区天气现象的地理覆盖，形成精细网格的雷达布局；形成完备的新一代天气雷达综合业务应用系统和支持保障体系，达到对中小尺度天气及暴雨雨量、雨区的定点、定量的预警功能；开展双偏振、相控阵、多基地、多波长、激光、毫米波等先进技术试验，对已建
8、雷达完成双线偏振功能升级改造，新建雷达应采用双线偏振技术。,天气雷达发展规划（20012015年）,一般，在沿海地区安装 S波段雷达，内陆地区安装 C波段雷达，这样可以减少衰减，成本也较小。 S波段雷达与 C波段雷达价格相差1倍。,天气雷达发展历史,中国气象局颁发了新一代多普勒天气雷达,统一型号命名规定：,国内独立研制 SC ( 714SDN ) CC ( 3830CD ) CD ( 714CDN ) CC J( 3830CD J) C波段移动型,CINRAD产品型号，分为两类八种型号,中美合资生产 SA S波段增强型 SB S波段标准型 CA C波段增强型 CB C波段标准型,合肥雷达楼,1
9、999年安装的第一部多普勒雷达。,天气雷达,云雨雷达 脉冲多普勒天气雷达 双偏振天气雷达 实现对降水进行分类与识别 双波长天气雷达 推测被测粒子的大小 多参数天气雷达 提供云及降水物的尺寸、相态和类型等信息 双/多基地天气雷达 能测出诸如风场的三维矢量、降雨粒子的垂直速 度等信息 机载天气雷达 雷达分辨力、精度和灵敏度好 相控阵天气雷达 优点很多，是天气雷达的发展方向,波长3.2cm 直径1.5m 增益38dB 功率75kW,波长3.2cm 直径5.5m,1.1m 功率180kW,波长5.6cm 直径3.7m 增益38dB 功率250kW,波长10.7cm 直径4m 增益36dB 功率600k
10、W,波长11.3cm 直径5.7m,2.2m 增益38dB 功率1MW,中国新一代天气雷达,一是降水粒子的后向散射形成的。二是由于晴空大气折射指数不均匀产生的后向“散射”或内反射而形成的。,3、雷达回波形成的机制,4、雷达气象方程,第三节 天气雷达工作原理,1、雷达工作原理,天气雷达的工作原理 雷达主要组成 与探测性能有关的一些雷达参数,基本原理同一般雷达：定向地向空中发射电磁波列(探测脉冲)，然后接收被气象目标散射回来的电磁波列（回波信号），并在荧光屏（或计算机系统）上显示出来，从而确定气象目标物的位置和特性。(C=3*108m,1sec=106s),天气雷达的工作原理,X,Y,Z,R雷达实
11、测距离, R=1/2Ct L雷达回波距离, L=Rcos( ) H雷达回波高度, H=Rsin( ) = 方位角，=仰角， t= 往返时间,H,L,R,雷达的测距原理,雷达根据从开始发射无线电波到接收到目标物回波的时间间隔，来测定目标与雷达之间的距离。,为了测定目标物的距离，一般雷达不是连续发射电磁波而是每隔一定的时间作一次短时间的发射。这种短时间发射的无线电波叫脉冲波或简称无线电脉冲。,测距公式,时间是秒,时间是微秒,公里,基本公式：,C=3*108m,1sec=106s,雷达的测角原理,雷达测量目标的方位角和仰角是依靠雷达天线的定向作用去完成的。定向天线的特点是它辐射的电磁波能量只集中在某
12、一个方向上，此时，其他的方向上没有或只有很少的发射能量。,要精确地测出目标的方位角和仰角，就要求发射天线和接收天线同时指向同一目标。因此，在雷达工作过程中，要求接收天线必须与发射天线严格地同步运行，所以天线的传动系统十分复杂。在现代的脉冲雷达系统中，实际上是用同一个定向天线完成发射和接收的双重任务的。,常规天气雷达的组成,雷达主要组成,现代天气雷达系统框图,定时器是雷达的“指挥中心。它实际上是一个频率稳定的脉冲信号发生器。定时器每隔一定的时间间隔发出一个脉冲信号，它触发发射机，使发射机定时地产生强大的高频振荡脉冲并使阴极射线管同时开始作时间扫描。,1、定时器,在定时器的控制下，发射机每隔一定的
13、时间产生一个很强的高频脉冲，通过天线发射出去。,、发射机,雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波和接收来自该方向的回波。气象上使用的雷达天线一般由两部分组成：,天线辐射喇叭，把发射机产生的高频脉冲能量向外辐射。天线反射器，把来自辐射喇叭的脉冲电波，以很小的张角高度定向地向外反射。,、雷达天线,、天线传动装置,天线传动装置主要包括两个部分，一部分是天线的转动系统，一部分是同步系统。天线转动系统的作用是：（1）使天线绕垂直轴转动，以便探测平面上的降水分布，或漏斗面上降水、云的分布；（2）使天线在某一方位上作上下俯仰，以便探测云和降水的垂直结构和演变。天线同步系统（也叫伺服系统）的作用是：使阴极射线管
14、上不同时刻时间扫描基线的方位、仰角和相应时间天线所指的方位、仰角一致（即同步），从而使雷达荧光屏上出现的目标标志（用亮点或垂直偏移表示）的方位、仰角就是目标相对于雷达的实际方位、仰角。,、天线转换开关,因为雷达发射和接受的都是持续时间极短（微秒量级）、间歇时间很长（千微秒量级）的高频脉冲波，这就有可能使发射和接收共用一根天线。天线转换开关的作用是：在发射机工作时，天线只和发射机接通，使发射机产生的巨大能量不能直接进入接收机，从而避免损坏接收机；当发射机停止工作时，天线立即和接收机接通，微弱的回波信号只进入接收机。,雷达接收机的作用是将天线接收回来的微弱回波信号放大并变换成足够强的视频信号送往显
15、示器产生回波标志。,、接收机,显示器是把雷达探测到的云、雨等目标及其相对于雷达的坐标位置(方位、距离、高度)、回波强度等显示出来的装置。由于需要重点了解的情况不同，天气雷达经常使用的显示器有： 平面位置显示器（PPI） 距离高度显示器（RHI） 等高平面位置显示器（CAPPI）,、显示器,平面位置显示器(PPI),平面位置显示器是天气雷达应用得最多显示器，简称平显，也叫PPI (Plan Position Indicator)。当天线仰角为，天线围绕铅直轴转动时，平面位置显水器表示的是波束扫描平面上的降水分析。,距离高度显示器(RHI),为了了解云、雨的形成和垂直结构情况，在天气雷达上还有一种
16、常用的显示器距离高度显示器。距离高度显示器简称高显或RHI(Rang Height Indicator)。在高显中，横坐标表示云、雨目标的斜距，纵坐标是云雨目标的高度。,距离仰角显示器(REl),距离仰角显示器是显示云和降水的垂直结构的显示器。由于距离高度显示器只能在低仰角下使用，如711雷达和7l3雷达在作距离仰角显示时，天线的最大仰角只分别为32和29，这样的仰角看不到近距离天顶附近的云雨情况，为了解近距离天顶附近的云雨情况和结构，某些天气雷达(国产713雷达)可以作“距离仰角显示”，这种显示器简称为REI (Rang Elevation Indicator),横坐标为距离，纵坐标为高度，垂直坐标尺度和水平坐标尺度一样，因此它没有距离高度显示器那样出于两个坐标尺度不一样而引起的失真。,
