双多普勒雷达探测课件.ppt

1、电子版（第二版）电子版（第二版）第四章第四章 多普勒天气雷达多普勒天气雷达sin)(cos)cos()()(0fhRvvv VAD技术就是速度方位显示方法、即让雷达天线以某一固定的仰角作方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距离和方位上的径向速度VR()记录并显示出来。三、三、VADVAD技术测量水平流场及降水量技术测量水平流场及降水量cos2)(21vvvh水平风的来向，就是径向速度极小值时天水平风的来向，就是径向速度极小值时天线所指的方向。线所指的方向。sin2)(21vvvf0当天线指向上风方向时当天线指向上风方向时avavvvhfcossin1（一（一)测量均匀流场的风向风速测量均匀流场

2、的风向风速当天线指向下风方向时当天线指向下风方向时avavvvhfcossin20 所以可求得被探测高度上的所以可求得被探测高度上的水平风速：水平风速：粒子的平均下落速度粒子的平均下落速度速度方位显示产品速度方位显示产品 对于给定高度，根据标准径向距离（缺省16.2海里），选定与给定高度最接近的仰角资料。然后将该仰角中给定高度上每个距离库上平均径向速度点绘在径向速度一方位图上，横坐标为方位角0或360为正北方向，180朝向正南），纵坐标表示径向速度。最小二乘法拟合这些点，可得到一条正弦波曲线，振幅表示水平风速，波谷（负值最大点）所在方位角表示水平风向。(二二)测量非均匀流场的风向、风速、辐散和

3、形变测量非均匀流场的风向、风速、辐散和形变 VAD VAD曲线的非简谐振荡形式提供了水平风场更多的信息。对曲线的非简谐振荡形式提供了水平风场更多的信息。对VADVAD曲线作谐波分析，应用傅氏级数的零次，一次和二次谐波展开，可曲线作谐波分析，应用傅氏级数的零次，一次和二次谐波展开，可以得到水平辐合、水平风向和风速以及水平风场的形变等信息。以得到水平辐合、水平风向和风速以及水平风场的形变等信息。avavavvfyxRsincossincoscos)(yyvxxvvvxxxx0yyvxxvvvyyyy00fv 01cossin2coscoscossin1coscos221cossin22yxRfxo

4、yoyxyxvvvRvxyvvvvRxyvvRxy 将将 按方位角按方位角 展成傅氏级数展成傅氏级数 10sincos21nnnRnbnaav Rvsin2cos00fyxvyvxvRacos01xvacos01yvbyvxvRayxcos21221cos2yxvvbRyx 0na2,1,0n 0nb2,1,0n可得到可得到四、多部多普勒雷达联合探测风场四、多部多普勒雷达联合探测风场1三部雷达方法探测风场2双多普勒雷达探测3.单多普勒天气雷达反演 单部多普勒雷达只能探测大气目标物相对于雷达的径向运动速度，从径向速度分布特征再来推断大气流场的特点，因此，单部多普勒天气雷达探测能力是有限的，它不能

5、直接探测空气运动的二维或三维的详细结构，为了能从单部多普勒天气雷达测得的径向速度分布，从而推断气流的空间情况，必须作出一些假定。Lhernitte方法：Lhernitte（1968年)提出了用三台多普勒天气雷达进行观测的方案.这种方法的原理比较清楚，但实际上很难做到同步同时对准空间某一点取样。切实可行的代替方案是三个波束独立地扫描，多距离同时取样、记录、然后用内插方法计算各时刻、各地点雷达的径向速度。这样做实际上隐含着整个测量过程中气流分布是定常的假设，而且，资料处理程序非常复杂，运用三部雷达进行探测的实例还很少。而在Lhernitte探测方案基础上发展的几种双部天气多普勒雷达探测的方法，已在

6、一些探测试验中得到应用。1 1三部雷达方法探测风场三部雷达方法探测风场 最佳布局是指最佳布局是指三部雷达怎样布局三部雷达怎样布局才能在给定的探测才能在给定的探测误差范围内误差范围内,使它的使它的探测空间最大探测空间最大,其含其含义是义是:雷达如何布局雷达如何布局,才能使各点的探测才能使各点的探测误差最小误差最小 三部多普勒天气雷达联合探测大气风场的最佳布三部多普勒天气雷达联合探测大气风场的最佳布局与各部雷达的最大探测距离和测速精度及要求的联局与各部雷达的最大探测距离和测速精度及要求的联合探测精度有关合探测精度有关;在三部雷达的最大探测距离和测速精度都相同且在三部雷达的最大探测距离和测速精度都相

7、同且测速精度为测速精度为1 1 m/sm/s的情况下的情况下,三部雷达以等边三角形布三部雷达以等边三角形布局为最佳局为最佳,其边长与雷达的最大探测距离和希望的探其边长与雷达的最大探测距离和希望的探测精度有关。测精度有关。2 2双多普勒雷达探测双多普勒雷达探测 Browning等（1968年）提出，用一部雷达作垂直指向，测量雷达的上空的云粒子的垂直运动径向速度，另一部雷达设在距雷达一定距离，同时对垂直指向雷达的上空进行探测。雷达的天线的方位角固定不变，改变仰角由1度到45度作多普勒径向速度测量，这样就可以得到点上空的垂直速度和水平风速。但是这种方法得不到对流云完整的三维结构。Miller等人在1

8、974年提出对两部多普勒天气雷达共面探测方案。该方案是、两部雷达在同一个平面上扫描取样。该平面与地平面的交线为、两部雷达的基线。变化夹角对不同的平面共同取样就可以得到三维流场资料。共面探测方案共面探测方案 共面探测时两部雷达天线扫描需要很好配合，才能系在同一面上扫描，操作仍很困难。NSSL（国家强风暴实验室）采用两部雷达同时在、两地各自进行固定仰角的方位扫描，从仰角零度开始，每抬高度仰角进行一次方位扫描，直到降水云顶为止，、两个雷达站取得整个降水云体的多普勒速度资料。2 2双多普勒雷达探测双多普勒雷达探测共面探测方案资料处理步骤共面探测方案资料处理步骤:对所得资料的处理方法是：先利用插值方法求

9、出两部雷达共面时的数据，再采用前述资料处理方法进行处理。该资料处理步骤如下：该资料处理步骤如下：1 1：首先由两部雷达在共同平面扫描中得到平均径向速度：首先由两部雷达在共同平面扫描中得到平均径向速度 和和 及它们及它们之间的夹角之间的夹角 和和 ,a,a,计算出平面上该点的速度计算出平面上该点的速度 2 2：根据两部雷达测出该点的回波强度：根据两部雷达测出该点的回波强度Z Z，根据雨点末速度和雨点直径的平方根成，根据雨点末速度和雨点直径的平方根成正比的条件下导出的正比的条件下导出的 （或（或 或或 ）关系式，估算出该处降水质点的下降末速度。）关系式，估算出该处降水质点的下降末速度。3 3：由于

10、探测取样的平面与地平面存有夹角：由于探测取样的平面与地平面存有夹角 ，降水粒子下降的末速度，降水粒子下降的末速度 不垂直于不垂直于探测平面，必须求探测平面，必须求 在探测平面上的垂直分量。在探测平面上的垂直分量。4 4：运用边续公式，在不可压缩的假设条件下，推算出该平面垂直方向的速度。：运用边续公式，在不可压缩的假设条件下，推算出该平面垂直方向的速度。5 5：斜面上的三维气流通过坐标转换到水平面坐标，转换中采用线性插值。：斜面上的三维气流通过坐标转换到水平面坐标，转换中采用线性插值。ArVBrVABV0072.008.3 Z107.006.2 Z052.003.4 Z973973“中国暴雨中国

11、暴雨”双多普勒雷达探测示意图双多普勒雷达探测示意图S S波段波段C C波段波段多普勒雷达系统主要参数多普勒雷达系统主要参数多普勒雷达反演风场示意图多普勒雷达反演风场示意图 在实际业务中，两部雷达共同观测区域一般相对较小，反演出的二维风在实际业务中，两部雷达共同观测区域一般相对较小，反演出的二维风场难以满足实际业务的需要。因此人们便把目光投向用单多普勒天气雷达反场难以满足实际业务的需要。因此人们便把目光投向用单多普勒天气雷达反演二维风场。如：演二维风场。如：u陶祖钰陶祖钰(1992)(1992)提出提出VAP(Velocity Azimuth Processing)VAP(Velocity Az

12、imuth Processing)方法方法u姜海燕等姜海燕等(1995)(1995)提出涡度提出涡度-散度方法散度方法一般来说，仅通过风场的一个方向的分量来反演实际二维水平风场，必须对一般来说，仅通过风场的一个方向的分量来反演实际二维水平风场，必须对风场做某种假定，这种假定给风场反演带来较大的不确定性，不过由于是单风场做某种假定，这种假定给风场反演带来较大的不确定性，不过由于是单部雷达观测，节省了人力、物力，便于在气象业务中推广使用，可在一定程部雷达观测，节省了人力、物力，便于在气象业务中推广使用，可在一定程度上满足人们对风场资料的需求。度上满足人们对风场资料的需求。但要想从根本上了解中小尺度

13、天气系统的结构，进而分析灾害性天气但要想从根本上了解中小尺度天气系统的结构，进而分析灾害性天气发生的条件及其演变规律，需要得到这些天气系统的三维风场结构。因此，发生的条件及其演变规律，需要得到这些天气系统的三维风场结构。因此，单部多普勒雷达三维风场反演技术应运而生。如单部多普勒雷达三维风场反演技术应运而生。如:u WaldteufelWaldteufel and Corbin(1979)and Corbin(1979)提出提出VVP(VolumeVVP(Volume Velocity Velocity Processing)Processing)u 邱崇践等（邱崇践等（19951995）提出变

14、分反演方法）提出变分反演方法u 崔哲虎等（崔哲虎等（19961996）提出大气动力学方法）提出大气动力学方法3 3、单多普勒天气雷达反演、单多普勒天气雷达反演VVPVVP方法原理方法原理具体见具体见暴雨系统的多普勒雷达反演理论和方法暴雨系统的多普勒雷达反演理论和方法VIVVIVVIVVIV分析体积示意图分析体积示意图 VVP VVP方法即速度体积处理方法（方法即速度体积处理方法（Volume Velocity ProcessingVolume Velocity Processing）,是由是由WaldteufelWaldteufel和和Corbin(1979)Corbin(1979)最早提出的

15、。它采取径向、切向及垂直三最早提出的。它采取径向、切向及垂直三方向构成的三维空间作为分析体积，如下图所示。在分析体积中假设：方向构成的三维空间作为分析体积，如下图所示。在分析体积中假设：7 7月月2323日日0303：2323的风场对比的风场对比1.1.用双脉冲重复频率扩展多普勒雷达可测速区间用双脉冲重复频率扩展多普勒雷达可测速区间标准化多普勒速度标准化多普勒速度雷达交替发射两种脉冲重复频率雷达交替发射两种脉冲重复频率F F1 1和和F F2 2 ：解决测速模糊的两种方法解决测速模糊的两种方法)11(1212uuVVVTVu4uVV 最大不模糊速度最大不模糊速度多普勒速度：多普勒速度：扩展？扩

16、展？*14 1211*TVVVVuuuu*uVV2.2.用退折叠技术消除多普勒速度的折叠用退折叠技术消除多普勒速度的折叠折叠成因 当目标物的多普勒频移fd大于脉冲重复频率F的一半(相位大于1800)时，对fd的识别就会产生混淆。若则即Ffd21FNfd)21(FFffdd)(FNfFNfdd)1()1(nmtNVVV2nVFV22速度折叠速度折叠 Nyquist 间隔 可分辨的速度范围 最大不模糊速度Vmax之间 如果粒子的径向速度超过了Nyquist 间隔，那么速度值就会aliased aliased(folded)(folded)。这叫速度折叠/混淆(velocity folding/al

17、iasing).velocity folding/aliasing).例如:若nyquist 速度是25 m/s，粒子的radial velocity是0-3 m/s,那么 就会发生折叠，导致其值是+20 m/sp退折叠所依据的原理 软件退折叠主要依据连续性原理，即在大气中风场的分布总是连续的。因此，只要雷达的分辨率足够高、保证风场的连续变化特征不会模糊掉，那么从理论上讲，在有回波之处运用连续性原理，总可以从点推得整个回波区的速度值，因为速度的折叠总是使相邻库问的速度增加而呈现出明显的突变，选择适当的N，使该速度梯度明显减小时即可认为此时的速度值是实际速度。p退折叠的方法 一旦反射率因子、速度

18、和谱宽基本数据由RDA传输到RPG，则开始执行速度退模糊算法。由于在RDA中已经过距离去折叠处理，所以现在速度数据的距离（位置）是正确的，速度退模糊算法试图识别和校正模糊的速度。速度退模糊算法本质上是根据连续性原则将每个速度初猜值与它的周围的相临速度值相比较。如果一个速度初猜值与它的周围值显著不同，则该算法试图用另一个可能的值替换那个速度初猜值。地地物杂波物杂波抑制，抑制，模数转模数转换和多换和多普勒资普勒资料距离料距离退折叠。退折叠。新一代多普勒雷达基本构成新一代多普勒雷达基本构成4.7 雷达数据质量控制 在雷达硬件标定正确的情况下，新代天气雷达数据的质量主要受到三个因素的影响，分别是：地物

19、杂波 距离折叠 速度模糊u名词解释：名词解释：多普勒效应、多普勒频率、相干波、非相干多普勒效应、多普勒频率、相干波、非相干波、全相干多普勒天气雷达、脉间相干多普勒天波、全相干多普勒天气雷达、脉间相干多普勒天气雷达、最大不模糊距离与距离折叠、最大径向气雷达、最大不模糊距离与距离折叠、最大径向速度与速度模糊、多普勒两难、回波功率谱、多速度与速度模糊、多普勒两难、回波功率谱、多普勒速度和速度谱宽度、普勒速度和速度谱宽度、NyquistNyquist 间隔间隔u新一代多普勒雷达的观测模式有哪些？新一代多普勒雷达的观测模式有哪些？u影响速度谱宽的气象因子？影响速度谱宽的气象因子？uVADVAD技术及多普勒雷达测量均匀流场的风向技术及多普勒雷达测量均匀流场的风向风速？风速？