新一代天气雷达原理与应用.ppt

新一代天气雷达原理与应用,肖鹏,达州市气象台,Tel:0818-2651099,目 录 1. 引论 2. 基本原理 3. 速度图识别 4.多普勒天气雷达资料在业务中的应用,1.1 中国新一代天气雷达布网计划,我国新一代天气雷达业务组网的建设目标是：在我国东部和中部地区，装备先进的新一代S频段和C频段多普勒天气雷达系统，组成探测空间相互衔接覆盖的监测网，实时监测提供降水强度、平均径向速度和频谱宽度等信息。对降水，特别是暴雨、热带气旋、强对流等灾害性天气和重要天气系统进行有效的监测和警报。 我国业务组网的新一代天气雷达（CINRAD），其主要性能已经专家讨论提出，确定采用WSR-88D的指标。,1.引论,中国新一代天气雷达的型号,S波段： CINRAD-SA（ WSR-98D） CINRAD-SB CINRAD-SC C波段： CINRAD-CB CINRAD-CC CINRAD-CCJ CINRAD-CD,山东滨州,安徽合肥,广州雷达,龙岩雷达,南昌雷达,天津雷达,宜昌雷达,建阳雷达,阿克苏雷达,哈尔滨雷达,昆明雷达,达州雷达,1.2 应用领域 强对流天气的监测与预警 主要灾害：灾害性大风、冰雹和暴洪 天气尺度和次天气尺度降水系统的监测 降水测量 风的测量 （VAD 风廓线） 数据同化,艾利台风,四川雷达拼图,1.3 新一代天气雷达系统结构概述,雷达的主要构成和数据流 雷达数据采集子系统（RDA） 雷达产品生成子系统（RPG） 雷达产品的用户 主用户处理器（PUP） 雷达探测范围与局限性,雷达的主要构成和数据流,新一代天气雷达系统由五个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、宽/窄带通讯子系统（WNC）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）和附属安装设备。 主要构成和数据流见下图。,雷达的主要构成,雷达数据流示意图,雷达数据采集子系统RDA,RDA 是用户所使用的雷达数据的采集单元。新一代天气雷达的RDA由四个部分构成：发射机，天线，接收机和信号处理器。它的主要功能是产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的反射能量，并通过数字化形成基数据。RDA的上述功能是由RDA计算机监视和控制的。 发射机 天线 接收机 信号处理器 RDA内的数据记录 宽带通讯 雷达监控系统,发射机 取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf）信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率750kw）非常稳定的10厘米的射频（rf）脉冲。 在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦rf脉冲被产生，就被送到天线。,天线 天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的rf 信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量。天线仰角的变化范围是从-1.0度到60度（CINRAD WSR98-D是从-1.2度到90.2度）。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（scan strategy共有三种）、体扫模式（volume coverage pattern ：VCP）和工作模式（operational mode 分为晴空和降水两种模式）。 雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。,扫描方式（scan strategy） 扫描方式告诉雷达在一次体积扫描（volume scan）中使用多少仰角和时间。WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三种扫描方式： 扫描方式#1：5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5） 扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6） 扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）,体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern） 扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D 可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个： VCP11 --- VCP11（scan strategy #1，version 1）规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 VCP21 --- VCP21 （scan strategy #2，version 1）规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用短脉冲。 WSR-98D未定义VCP32。,工作模式（Operational Mode） WSR-88D使用两种工作模式，即降水模式和晴空模式。雷达的工作模式决定了使用哪种VCP，而VCP又确定了具体的扫描方式。 工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5 和9/6。 工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。,接收机 当天线接收返回（后向散射）能量时，它把信号传送给接收机。由于接收到的回波能量很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处理器之前必须由接收机进行放大。,信号处理器 当接收到接收机传来的模拟信号后，信号处理器完成三个重要的功能：地物杂波消除，模拟信号向数字化的基本数据的转换，以及退多谱勒数据的距离折叠。 地物杂波消除：气象目标回波和地物回波的主要区别是地物目标不运动。信号处理器利用目标物运动与否作为主要判据消除地物的回波。 A/D变换：信号处理器的主要任务之一是将由接收机获取的模拟信号转换成三种数字化的基数据。它们是基反射率因子（base reflectivity），基速度（base velocity）和基谱宽（base spectrum width）。 退距离折叠（range unfolding）：为了精确地测量径向速度，WSR-88D雷达有时采用较高的PRF（脉冲重复频率）。此时，其最大不模糊距离较短。雷达可收到位于其最大不模糊距离之外的目标物的较强回波，并将目标物误认为是位于其最大不模糊距离之内，从而产生距离折叠（range folding）。信号处理器的一个重要任务是消除这些折叠，这个处理过程称为退距离折叠。,RDA内的数据记录 第一级数据：这是指原始的由接收机输出的模拟数据，目前还没有对这类数据进行保存。 第二级数据（基数据）：WSR-88D二级数据是由信号处理器产生的WSR-88D系统的最高时空精度的高分辨率基数据（反射率因子，平均径向速度和速度谱宽）。这些数据在由各种气象算法进行处理前存储下来。,宽带通讯 宽带通讯装置提供RDA和RPG间的高速双向（1.54兆/秒）数据传输。RDA 和RPG可同在一处，也可相距几十公里。根据距离的不同，所使用的通讯介质也有所不同，从用于短距离通讯的导线到用于稍长距离通讯的光缆。,RDA监控系统 RDA系统的实时监控任务由RDA监控计算机运行RDASC程序来完成。该程序的运行即可以从位于RDA的操作维护控制台进行控制（称为本控），也可以从位于RPG的雷达控制台UCP进行控制（称为遥控）。本控可完成全部的RDA监控任务，遥控可完成大部分RDA监控任务。 RDA监控的主要功能包括监测和标定RDA硬件、形成RDA基数据和信息头数据（时间、仰角和标定参数等）、管理宽带通讯、控制RDA和控制信号处理。,RDA线路示意图,雷达产品生成子系统RPG RPG是一个多功能的单元。它由宽带通讯线路从RDA接受数字化的基数据，对其进行处理生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户。RPG还可以通过雷达控制台（UCP）对RDA进行监控（遥控方式）。RPG是整个雷达系统的指令中心。 CINRAD WSR-98D的RPG目前采用DELL公司生产的PC机，最低配置内存为128MB，CPU采用奔腾III-500以上芯片。 雷达控制台UCP是RPG的操作界面，可以实时地对RPG和RDA进行控制。UCP采用流行的窗口界面。主要的命令集成在菜单和工具栏中，使用这些命令可实现对RPG和RDA的有效控制。UCP为雷达操作员提供了一个可以与RPG和RDA系统人机交互的界面。,RPG的主要功能,产品生成 产品分发 第三级数据的储存（只储存按有关规定事先选好的产品。该级别数据的记录和储存是必须的） 通过UCP (雷达控制台）对整个雷达系统进行控制。,雷达（WSR-88D）产品的用户 主要用户 主要用户处理器（PUP） 关联（APUP） 非关联（NAPUP） 标准NAPUP 特殊应用NAPUP 主要用户外部系统（PUES） 其它用户,主用户处理器 PUP 主用户处理器PUP的主要功能是获取、存储和显示产品。预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在图形监视器上。因此，预报员应当熟练掌握PUP的基本操作。 PUP（CINRAD WSR-98D）的操作界面主要分为4个区域：视窗、菜单、工具栏和状态栏。视窗进一步分为3个子区域：图象区、标注区和属性表区。在产品有显示状态下菜单的种类有12个。工具栏有4种：常规工具栏、动画工具栏、警报信息栏和编辑工具栏。状态显示栏的状态信息有三种。,PUP的主要功能 产品请求（获取） 产品数据存储和管理 产品显示 产品编辑注释 状态监视,1.4 一些雷达图象的例子,基反射率因子,基本径向速度,组合反射率,回波顶高,垂直累积液态水含量,一小时累积雨量,三小时累积降水,垂直风廓线图,2. 基本原理 2.1 粒子对雷达波的散射 2.2 回波信息的提取（I和Q） 2.3 距离折叠与速度模糊 2.4 体扫方式（VCP11、VCP21、VCP31和VCP32） 2.5 数据质量的改善：地物杂波抑制、距离去折叠和 速度退模糊 2.6 雷达的局限,,内容略 详见《新一代天气雷达复习笔记》,3. 多普勒径向速度场流型的识别,速度图分析步骤： 确定零速度线和速度来去向区域 识别速度模糊，确定来去向速度值 注意仰角，计算各特征区对应的高度位置 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 配合反射率因子的观测情况，得出综合分析意见,大尺度连续风场的识别,3. 多普勒径向速度场流型的识别,3.1. 大中尺度风场特征的识别 基本原则：根据径向风的分布反推实际风，主要依据是零等速度线的分布 3.1.1 大中尺度连续风场的识别 3.1.2 大中尺度不连续风场的识别 3.2. 2-20公里小尺度风场特征的识别,确定雷达上空大尺度流场风向的原理,大尺度连续风场的识别,大尺度不连续风场的识别,中gama尺度（2-20km）流场特征的识别,小尺度风场特征的识别,4. 多普勒天气雷达在业务中的具体应用,我们在近几年对多普勒天气雷达的应用总结出几点经验： 1、多普勒天气雷达相当于医学上的“CT”，分辨率高，对降水，特别是暴雨、强对流等灾害性天气和重要天气系统进行有效的监测和警报。 2、新一代多普勒天气雷达的产品是反射率因子、径向速度、谱宽，其衍生（经RPG中的气象算法得到）的产品也很多如组合反射率、回波顶高、垂直剖面等等。 3、降水算法估计的降水量，一般根据Z-R关系式得出。 Z=ARb Z为回波强度，R为降水量,A和b为常量。 层状云降雨 Z=200R1.6 地形雨 Z=31R1.71 雷阵雨 Z=486R1.37 WSR-88D Z=300R1.4,降水率与dBZ,4、在实际业务中，必须将多普勒天气雷达资料与常规气象资料、卫星资料、地面区域自动气象站资料进行综合分析。 5、经常总结、归纳。如掌握强风暴、超级单体风暴、飑线、冰雹等等强对流天气各阶段的回波特征（形态、强度），对于开展短临预报有积极的作用。,谢谢！,