雷达气象学原理多普勒天气雷达课件.ppt
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- 雷达 气象学 原理 多普勒 天气 课件
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1、 多普勒天气雷达除此之外,还可利用降水回波频率与发射频率之间变化的信息来测定降水粒子的径向速度,并通过此推断风速分布,垂直气流速度,大气湍流,降水粒子谱分布,降水中特别是强对流降水中风场结构特征。 以前,用常规天气雷达进行的天气预以前,用常规天气雷达进行的天气预报仅仅使用报仅仅使用反射率因子反射率因子资料。多普勒天气雷资料。多普勒天气雷达将提供两种附加的基本资料,达将提供两种附加的基本资料,径向速度径向速度和和速度谱宽速度谱宽,它们将增强对强风暴的探测能力,它们将增强对强风暴的探测能力,也能改进对中尺度和天气尺度系统的预报。也能改进对中尺度和天气尺度系统的预报。4.14.1多普勒效应与多普勒频
2、移多普勒效应与多普勒频移4.2 4.2 多普勒雷达径向速度探测方法多普勒雷达径向速度探测方法4.3 4.3 影响速度谱宽的气象因子影响速度谱宽的气象因子4.4 4.4 距离折叠和速度折叠距离折叠和速度折叠4.5 4.5 多普勒雷达的取样技术多普勒雷达的取样技术4.6 4.6 多普勒天气雷达的应用多普勒天气雷达的应用4.7 4.7 雷达数据质量控制雷达数据质量控制多普勒效应多普勒效应( ( Doppler effect/Doppler shift), Doppler effect/Doppler shift), 1842 1842年奥地利物理学家年奥地利物理学家Christian Doppler
3、 Christian Doppler 首先发现并加首先发现并加以研究而得名的,内容为:由于波以研究而得名的,内容为:由于波源和接收者之间存在着相互运动而源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发造成接收者接收到的频率与波源发出的频率之间发生变化。出的频率之间发生变化。4.1 4.1 多普勒效应与多普勒频移多普勒效应与多普勒频移 多普勒频移(多普勒频移(Doppler ShiftDoppler Shift)是多普勒效)是多普勒效应在无线电领域的一种体现。其定义为:由于发应在无线电领域的一种体现。其定义为:由于发射机和接收机间的相对运动,接收机接收到的信射机和接收机间的相对运动,
4、接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值,该差值就是差值,该差值就是Doppler ShiftDoppler Shift。 一个例子是:当一辆紧急的火车(汽车)鸣着喇一个例子是:当一辆紧急的火车(汽车)鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时,声音的音调(频率)叭以相当高的速度向着你驶来时,声音的音调(频率)由于波的压缩(较短波长)而增加。当火车(汽车)由于波的压缩(较短波长)而增加。当火车(汽车)远离你而去时,这声音的音调(频率)由于波的膨胀远离你而去时,这声音的音调(频率)由于波的膨胀(较长波长)而减低。(较长波长)而减低。 发射频
5、率发射频率多普勒频移多普勒频移发射频率发射频率VsVs多普勒频移多普勒频移 对于一个采用10.5cm波长的多普勒天气雷达,传播频率是2,85109H z(2.85GHz)。一个以50kn速度运动的目标将产生487Hz的多普勒频移,是原始传播频率的210-5。 假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f f0 0,目标与雷达的,目标与雷达的距离为距离为r r,则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为,则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为2r2r。这个距离用波长来度量,相当这个距离用波长来度量,相当 个波长;用弧度来衡量相个波长;用弧度来衡量相当于当于 个弧度。若所
6、发射的电磁波在天线处的位相为个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为 ,那么电磁波被散射回到天线时的相位应是那么电磁波被散射回到天线时的相位应是r2r40r40位相的时间变化率位相的时间变化率 rV4rdopVf2 由于目标物的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化,它就是多普勒频移或多普勒频率。 多普勒频率与径向速度的关系多普勒频率与径向速度的关系移向雷达为正,远离雷达为负移向雷达为正,远离雷达为负 径向速度简单地定义为目标运动平行于雷达径径向速度简单地定义为目标运动平行于雷达径向的分量。它是目标运动沿雷达径向的分量,既可以向的分量。它是目标运动沿雷达径向的分量,既可以向着雷达,也可以离开雷达
7、。需要记住的是:向着雷达,也可以离开雷达。需要记住的是:径向速度总是小于或等于实际目标速度;径向速度总是小于或等于实际目标速度;由由WSR-88DWSR-88D测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动;测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动;当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零。当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零。 对于一个运动的目标,向着雷达运动或远离雷达对于一个运动的目标,向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的,但符号不同:运动所产生的频移量是相同的,但符号不同:径向速度径向速度移向雷达为负,远离雷达为正移向雷达为负,远离雷达为正 多普勒雷达是通过直接测量多普勒多
8、普勒雷达是通过直接测量多普勒频率来得到径向速度的吗频率来得到径向速度的吗? ? 取两个连续的脉冲然取两个连续的脉冲然后测量接收脉冲的相位,后测量接收脉冲的相位,这种这种脉冲对位相变化脉冲对位相变化可以可以比较容易并且比较准确地比较容易并且比较准确地测量测量 D D/dt/dt 实际上就是实际上就是角速度角速度 = = w = 2w = 2f fd d4.2 4.2 多普勒雷达径向速度探测方法多普勒雷达径向速度探测方法Pulse-Pair Method Pulse-Pair Method 脉冲对方法脉冲对方法 假定当第一个脉冲遇到目标物时,该目标物距雷达的距离为假定当第一个脉冲遇到目标物时,该目
9、标物距雷达的距离为r r,则该目标,则该目标物产生的回波到达雷达时的位相为:物产生的回波到达雷达时的位相为: 一个脉冲重复周期一个脉冲重复周期PRTPRT之后,第二个脉冲发出,当第二个脉冲遇到上述目之后,第二个脉冲发出,当第二个脉冲遇到上述目标物时,该目标物距雷达的距离为标物时,该目标物距雷达的距离为r+rr+r,则该目标物对于第二个脉冲的回波,则该目标物对于第二个脉冲的回波到达雷达时的位相为:到达雷达时的位相为: 于是,相继返回的两个脉冲之间的位相差为:于是,相继返回的两个脉冲之间的位相差为: 最终得到的目标物沿雷达波束径向速度的表达式:最终得到的目标物沿雷达波束径向速度的表达式: 事实上,
10、雷达最终给出的径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均事实上,雷达最终给出的径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值,称为平均径向速度,而相应的标准差称为谱宽。通常采用几十对脉冲的平值,称为平均径向速度,而相应的标准差称为谱宽。通常采用几十对脉冲的平均得到平均径向速度。均得到平均径向速度。r2201)(2202rrrr4221244PRFPRTPRTrVv相干的几个概念相干的几个概念 相干波相干波两束振幅、频率和相位完全相同的电磁波称为相干波。两束振幅、频率和相位完全相同的电磁波称为相干波。它们相交时,将产生干涉现象。它们相交时,将产生干涉现象。 相干发射相干发射发射出振幅、频率和相位完
11、全一样的脉冲波,所以发射出振幅、频率和相位完全一样的脉冲波,所以各个脉冲之间是相干的。各个脉冲之间是相干的。相干接收机相干接收机具有能测量频率变化的接收机。频率变化的测量是具有能测量频率变化的接收机。频率变化的测量是通过接收到返回信号与原信号(即参考信号)比较而取得。通过接收到返回信号与原信号(即参考信号)比较而取得。全相干多普勒天气雷达全相干多普勒天气雷达它的发射部分采用完全放大链,保证发它的发射部分采用完全放大链,保证发射的高频相干。它的发射部分采用速调管或行波管。它相关性能好,地射的高频相干。它的发射部分采用速调管或行波管。它相关性能好,地物消除能力强。物消除能力强。脉间相干(也称为半相
12、干或伪相干)多普勒天气雷达脉间相干(也称为半相干或伪相干)多普勒天气雷达它是通过它是通过对发射信号采样,与本振混频以及锁相技术,以保证中频相干,达到测对发射信号采样,与本振混频以及锁相技术,以保证中频相干,达到测量频率变化。它的发射部分采用同轴磁控管。它的相干性能差,消除地量频率变化。它的发射部分采用同轴磁控管。它的相干性能差,消除地物的能力也差些。物的能力也差些。 脉间相干:第一个脉冲与第二个脉冲的振幅、频率、初位相和偏振方向在允许的误差范围内,而第一个脉冲与第三个脉冲的差异己大于允许范围。 全相干:第一个脉冲与第二个脉冲、与第三个脉冲到第n个脉冲的差异都在允许误差范围内。1、回波功率谱2、
13、平均多普勒频移及频谱宽度 4.3 4.3 影响速度谱宽的气象因子影响速度谱宽的气象因子dffP)(dvvPr)(f2VdfffPdffdffff)(1)()(22() ( )1()( )( )frfff dffff dfPf df3 3、平均多普勒速度和速度谱宽度、平均多普勒速度和速度谱宽度1( )rvvv dvPdvvvvPrv)()(122 (8.43) 注意:脉冲对方法并没有从回波信号中提取频谱或功率谱,从注意:脉冲对方法并没有从回波信号中提取频谱或功率谱,从而不能按以上公式计算和,而是直接对回波信号作简便计算求得。而不能按以上公式计算和,而是直接对回波信号作简便计算求得。 (1)(1)
14、垂直方向上的风切变;垂直方向上的风切变;(2)(2)波束宽度引起的横向风效应;波束宽度引起的横向风效应;(3)(3)大气湍流运动;大气湍流运动;(4)(4)不同直径降水粒子产生下落末速度的不均匀分布不同直径降水粒子产生下落末速度的不均匀分布22222wTbsv 若每项因子对速度谱宽的贡献近似看作相互独立,则速度谱方差为各因子造成的方差之和,即: 分别为上述第分别为上述第(1)(1)、(2)(2)、(3)(3)和和(4)(4)项因子造成的方差。项因子造成的方差。 2222,wTbs 谱宽表征着有效照射体内不同大小的多普勒速度偏离谱宽表征着有效照射体内不同大小的多普勒速度偏离其平均值的程度。谱宽可
15、以用做速度估计质量控制的工具:当其平均值的程度。谱宽可以用做速度估计质量控制的工具:当谱宽增加,速度估计的可靠性就减小。对气象目标物而言,影谱宽增加,速度估计的可靠性就减小。对气象目标物而言,影响谱宽的主要因子有四个:响谱宽的主要因子有四个:半功率波束宽度下界:半功率波束宽度下界:半功率波束宽度上界:半功率波束宽度上界:径向风速分量之差径向风速分量之差22/cos()2rhvv11/cos()2rhkRvvvvvhhrrr2121 如果用窄波束雷达,以较高仰角探测不很远的距离如果用窄波束雷达,以较高仰角探测不很远的距离时,则由风切变产生的多普勒速度谱宽可以忽略不计时,则由风切变产生的多普勒速度
16、谱宽可以忽略不计 。(1)(1)垂直方向上的风切变垂直方向上的风切变风切变造成的径向速度差风切变造成的径向速度差仰角较小、波束宽度较窄仰角较小、波束宽度较窄(2)(2)波束宽度引起的横向风效应波束宽度引起的横向风效应 当风速为当风速为300m300ms s,波束宽度,波束宽度2 20 0为时,则由此造成为时,则由此造成的谱宽最大也只有的谱宽最大也只有0.4m0.4ms s,因此这一项的贡献较小。,因此这一项的贡献较小。 当天线具有高斯型方向当天线具有高斯型方向图时,可以导出波束宽图时,可以导出波束宽度产生的谱宽为度产生的谱宽为 sin42. 0vbsinv由横向风分量贡献的径由横向风分量贡献的
17、径向风速分量之差为向风速分量之差为横向风分里为横向风分量横向风分量波宽对径向速度谱宽的影响波宽对径向速度谱宽的影响(3)(3)大气湍流运动大气湍流运动 在湍流大气中,有效照射体内一定直径的粒子除了具有在湍流大气中,有效照射体内一定直径的粒子除了具有环境风环境风场的平均速度场的平均速度和它本身和它本身重力引起的下落速度重力引起的下落速度外,还外,还随周围大气的湍随周围大气的湍流脉动而运动流脉动而运动。大一些的粒子,由于其惯性作用,对大气脉动的响。大一些的粒子,由于其惯性作用,对大气脉动的响应不如小粒子那样灵敏。在脉动速度为高斯分布的大气中,直径为应不如小粒子那样灵敏。在脉动速度为高斯分布的大气中
18、,直径为D D的粒子的速度概率分布为的粒子的速度概率分布为 )(2)(exp2)(1)(22DvvDvPDD 式中为式中为 直径为直径为D D的粒子的平均运动速度的粒子的平均运动速度, , 为它的瞬时速度,为它的瞬时速度, 是该粒子的速度方差。由于粒子的惯性,同一有效照射体内不是该粒子的速度方差。由于粒子的惯性,同一有效照射体内不同大小粒子具有不同的速度方差。因此,同大小粒子具有不同的速度方差。因此,由湍流效应产生的多普勒谱由湍流效应产生的多普勒谱宽,既依赖于湍流强度本身,也依赖于粒子对大气湍流运动响应的灵宽,既依赖于湍流强度本身,也依赖于粒子对大气湍流运动响应的灵敏程度。敏程度。Dvv)(2
19、D(4)(4)不同直径降水粒子产生下落末速度的不均匀分布不同直径降水粒子产生下落末速度的不均匀分布 由于重力和大气的阻力作用,不同大小的粒子具有不同由于重力和大气的阻力作用,不同大小的粒子具有不同的下落末速度,在雷达以一定仰角探测时,由它们造成的雷达波的下落末速度,在雷达以一定仰角探测时,由它们造成的雷达波束轴线上的径向分量也就不同,因而产生了多普勒速度谱宽。显束轴线上的径向分量也就不同,因而产生了多普勒速度谱宽。显然,雷达有效照射体中粒子直径的差别越大,由此造成的多普勒然,雷达有效照射体中粒子直径的差别越大,由此造成的多普勒速度谱越宽。因此速度谱越宽。因此速度的谱宽实际上也取决于降水粒子的谱
20、分布。速度的谱宽实际上也取决于降水粒子的谱分布。n水平探测时,粒子下落末速度在波束轴向上径向分量为零,对谱宽没有任何影响。n垂直指向探测时,粒子下落末速度即为径向速度,由此造成的谱增宽作用最大。n粒子下落末速度分布造成的多普勒速度谱宽与sin成正比。u有效照射体内存在落速差别较大的粒子,例如包含雨滴和冰雹时,则测得的粒子下落末速度谱方差就较大。u实际观测说明,若指向天顶的雷达实测谱方差大于4m2/s2,则可能存在冰雹,或者存在强烈的湍流,或两者兼有之。 各类降水粒子在静止大气中下落时的多普勒速度谱方差各类降水粒子在静止大气中下落时的多普勒速度谱方差降水类型降水类型速度方差速度方差附注附注雪雪0
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