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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流气象观测.精品文档.雷达产品的生成 再由天线将发射机的信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量。 由发射机发射一个射频信号。 天线接受返回（后向散射）能量时，它把信号传给接收机，由于接收机收到的回波能量很小，所以在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。 当接收机传来模拟信号后，信号处理器完成三个重要功能：地物杂波消除，模拟信号向数字化的基本数据的转换，以及退多普勒数据的距离折叠。 再经过数据记录和雷达产品生成为子系统的转换，经过雷达操作员输入的指令，在体扫的基础上产生需要的产品。雷达产品简介 1、平面显示 指雷达以固定仰角
2、，天线以全方位扫描的探测方式而获取的数据，通过雷达中心的极坐标形式，采用不同的彩色色标来表示数据的大小和方向而产生的图象产品。包括回波强度、径向风场、速度谱宽等。 2、距离高度显示 指雷达天线通过以固定方位作俯仰扫描的探测方式所获取的数据，在以雷达坐标原点的极坐标中用不同的色标来表示数据的大小和方向而产生的图象产品。距离高度显示包括回波强度、径向速度、速度谱宽。还有等高平面显示、任意垂直平面显示、局部多层显示等。回波分类 非气象回波这类回波的直接来源是地物、飞机等非气象目标物对电磁波的反射以及由于雷达性能而引起的虚假回波。 气象回波形成这类回波的直接因素是大气中云、降水中的各种水汽凝结物对电磁
3、波的后向散射和大气中温、压、湿等气象要素剧烈变化引起的。按地面是否有降水，还可分为降水回波和非降水回波两部分。降水回波包括：层状云连续性降水回波，对流云阵性降水回波，集层混合云降水回波等。非降水回波包括：云的回波、雾的回波、闪电信号及其回波等。一、多普勒雷达速度图的基本知识 .识别速度图的基本知识 在速度图上,径向速度的大小和正负是通过颜色变化来表示的暖色（棕黄、红等八色）表示正径向速度，冷色（蓝、绿等八色）表示负径向速度，作为一种约定，离开雷达的径向速度为正，流向雷达的径向速度为负 实际风与径向风的关系（）零等速度线上的实际风与雷达波束垂直（）假定在雷达探测范围内，同一高度的实际风向是均匀的
4、，从雷达显示屏中心出发，沿径向划一直线到达零等速线上某一点，过该点划一矢量垂直与此直线，方向从入流径向速度一侧指向出流径向速度一侧，此矢量即表示垂足点所在高度层的实际风向（）若零等速度线为直线，且横跨整个雷达显示屏，则表示雷达所探测到的各高度层上，实际风向是均匀一致的 .雷达径向速度场分析技术与方法 （）零径向速度走向 若零径向速度走向有折角，反映了水平流场中有不同方向气流存在，大气中可能存在锋面，辐合线，槽线等流场系统，则配合正，负中心分布和回波强度特征，又可以分出属于什么天气系统 （）零径向速度线走向是否和距离圈平行 若平行，可能出现远离中心和朝向中心径向排列的情形风向和雷达波束平行，零径
5、向速度线即为辐合线或者辐散线有时零径向速度线为闭合曲线，则表征不同高度上存在风向辐合，即存在风的垂直切变 .朝向分量和远离分量特征（实用）（）大片正区和负区是否和原点对称，范围是否大致相等若是，则说明不同高度水平流场的基本气流是一致的；反之，则说明不同高度上水平流场中存在不同方向气流，甚至中小尺度系统存在（）大片正区和负区是否与雷达波束对称这条可以用来判断锋面和切变位置锋面存在时，正负中心往往与雷达波束对称排列（）有无紧密相邻的成对强小尺度正负中心存在若有，且两强中心相距很近，就应分析强中小尺度天气系统甚至飑线存在的可能.几种典型天气系统径向速度模式（一）基本气流的判别正负速度区对原点对称，正
6、负中心完全和原点对称零径向速度线是一条直线并且通过原点这就是典型的基本气流，无重要天气.（二）锋面和切变系统从天气学可知，冷锋后一般吹北风，冷锋前则吹偏南风，锋前有暖平流，锋后有冷平流，因此，冷锋过境前后，一定有多普勒雷达径向速度特征 冷锋或冷锋式切变的识别（）开始有东北西南走向然后折向西北东南方向的零线，零线附近等值线密集，零线有明显折角（）冷锋位于等值线密集带靠近远离速度中心一侧，并向零线折角方向延伸（）折角位于测站以北，冷锋未过境折角位于测站以南，冷锋已过境（）有走向而无折角，也可能有冷锋存在 暖锋或暖切变的识别（一）多普勒径向速度分布大体具有对称性，东北和北方为远离区，西南方为朝向区。
7、（二）远离分量的范围较朝向分量的范围大，常有两个远离分量极大值，一个偏北一个偏东。（三）零径向速度线有明显折角，折角以西零线呈西南西东北东走向，并且有密集的多普勒速度等值线。（四）暖锋切变位于朝向区一测西南西东北东走向的等值线密集带的南沿到等值线的折角处。（五）折角位于测站以东时，暖切变位于本站以南，折角位于测站以西时，暖切变位于测站以北。（六）有东北东西南西走向的回波带与暖切变配合。 锢囚锋的识别暖气团、冷气团和更冷气团相遇时先构成两个锋面，然后其中一个锋面追上另一个锋面，即形成锢囚。由于锢囚锋形成低空为暖平流，高空为冷平流。这时风向随高度增加先作顺时针旋转，后作逆时针旋转。径向速度廓线在近
8、距离为“”型，远距离为反“”型。 急流识别当雷达显示高度范围内，存在某一急流，或有强风速切变时，在此急流层以下风速随高度增加而增加，而在急流层以上，风速随高度增加而减少 （三）中小尺度流场系统 中尺度气旋与反气旋假定中尺度气旋与反气旋在雷达北面以外。按气旋流场，由于在垂直气旋中心方向上只有切向速度而无径向速度，因此零径向速度线穿过涡旋中心，在左面为指向雷达流场，呈负值；右面则为远离雷达流场，呈正值。反气旋流场与气旋流场刚好相反。当系统接近雷达站时，上述图象开始变形，零等值线开始弯曲。 辐合与辐散假定辐合、辐散流场在雷达北面以外，又设该流场无环境风场影响。那么经典的辐合、辐散径向速度图为：零径向
9、速度线和雷达扫描线垂直，在系统距离雷达有限距离处，零径向速度线朝向雷达方向弯曲。在零径向速度线上面，气流朝向雷达吹，在零径向速度线下面，气流是离开雷达吹。（这说的明显是风向辐合）。辐散自行解释。有时遇到冷色和暖色面积并非完全对称或一样大，这时也可以判断辐合与辐散 飑线飑线处在风暴云下冷空气堆的前沿，酷似冷锋，但是仔细分析它与冷锋却有很大的区别，锋面为气团之间分界面，属于大尺度系统，而飑线则是同一气团中形成和传播的中尺度系统，气象要素变化比冷锋激烈，尤其是风向风速的强烈变化。等值线与距离圈大致平行时，飑线位于零线附近。在等值线与雷达波束大体平行的地方，飑线位于密集带的边缘，另外，常有正、负成对的
10、强多普勒速度中心位于某一雷达波束两侧，两中心相距，飑线位于两个中心间等值线密集带的边缘。通常，飑线位于以上强回波中心前方回波梯度密集带处。飑线是满足线状或窄状的中尺度对流天气系统，是一条规则活跃的风暴线，其水平方向长度与宽度的比例至少达到：。在典型的飑线中，上升气流象帘子一样沿着回波前沿。 热带风暴、台风由于热带风暴是从比较均匀的热带海洋气团中发展起来的，其温、压、湿、风具有明显的轴对称性，故可以近似地把台风看作是轴对称气旋。二、降水回波特征降水类型：降水可以简单地分为层状云降水和对流云降水。一般说来，第一类降水与锋面中的层状云有关，第二类降水与Cb云有关。 对流云降水出现在体积相对小、局部强
11、度大的对流单体或对流云簇中，小的对流单体直径只有几十公里。可以通过目测识别。 层状云降水常常成为带状，长度数百公里，宽约2100公里，在雷达回波上，层状云降水以出现连续或者不连续的零速度线为标志。多普勒雷达探测冰雹云一、冰雹云形成阶段的降水回波特征 从积云单体生成、出现初始雷达回波到地面降雹这一阶段，称为冰雹云的发展的不同阶段，其回波特征是不同的。 绝大多数冰雹云由两块以上的对流回波合并形成的，它可以是几块新对流回波单体合并形成，也可以是由新单体与老单体合并形成。 对流单体回波合并的过程相当迅速，从分离的单体到完全合并成一块回波，快的十几分钟，慢的一个小时左右。从回波合并到地面降雹，也只要十几
12、分钟。云体的合并意味着能量的集中，辐合上升范围扩大。 二、冰雹云的雷达回波特征1、冰雹云的雷达回波强度特别强。雹云回波强度一般在以上，雹云降水一般持续时间较长，常常在小时以上。2、回波顶高度高。在高扫上雹云回波顶高度往往超过。 3、上升气流特别强。云中的冰雹形成区，即含水量累积区内因含有大量的过冷却水滴及冰雹，支撑这个冰雹形成区需要比普通雷暴强得多的上升气流。冰雹云同时也有比普通雷暴强得多的下沉气流，形成云下地面强风。向外辐散的地面强风与向雷暴低层辐合的环境风之间的外流边界，在雷达速度图上有非常明显的特征：一组方向相反的密集等风速线4、强度图上冰雹云回波的形态特征 （1）型缺口。由于云中大冰雹
13、、大水滴等大粒子对雷达波的衰减作用，雷达探测时不能穿透主要的冰雹区，在冰雹区的后部形成所谓的型缺口。思茅最常见，右图。 （2）辉斑回波。雷达探测冰雹云时，由于冰雹和地面的多次反射使电磁波传播距离变长，产生异常回波信号。 （3）钩状回波。较少见。通常是超级单体风暴回波型的一种标志。 5、高扫上冰雹云的特征 （1）超级单体风暴中的窟窿、回波墙和悬挂回波。由于超级单体风暴中上升气流特别强，在其上升运动区出现了弱的回波区；在降雹区，由于雹块集中降落，形成了垂直方向的特别回波墙，在其前沿，小冰雹上升的区域形成悬挂回波。 （2）由于冰雹云中的强上升气流能迅速把大粒子抬升到0度层以上较高的高度，在那里形成含
14、水量累积区，累积区中大量的大冰雹、过冷却水滴的雷达发射率因子特别大，在冰雹云回波的垂直剖面图上构成强回波中心。冰雹云的强回波中心远比普通雷暴的强回波中心高，这就是雷达探测冰雹云时，常用的强回波高度。（3）旁瓣回波。由天线发射波束所引起的假回波（一般降水回波旁瓣产生的回波弱，不明显）。（4）云砧。高空风速切变大，使上升气流和下沉气流在长时间内共存多普勒雷达探测暴雨一、产生暴雨的雷达回波一般特征（一）雷达回波产生暴雨的条件（基本参数） 从降水强度来说，必须： （1）有强回波（Z 45）。如出现对流大单体中的强雷暴，超级单体风暴，多单体风暴等。 （2）有一定的降水能力（Z 30）、有特殊结构的回波系
15、统。如出现中尺度对流回波带（包括飑线），涡旋状结构的螺旋雨带回波、涡旋带状回波。 （3）回波的降水效率高（积层混合型回波）。 从延长降水时间来说： （1）有降水回波多次经过该地。例如有多条回波带的回波场，多个雷暴单体聚在一起的弥合型雷暴群等。 （2）降水回波在该地长时间停留。例如对流单体移动缓慢、近乎停滞的时候，这中情况通常在风随高度有逆切变时容易出现。产生暴雨的主要天气系统 （一）锋面气旋暴雨 通常，与地面锋对应的主要是对流回波带。锋面回波系统能否产生暴雨，要看当时的大气条件和回波的强度和组织情况。 （二）台风暴雨 对思茅而言，由于台风登陆后产生的变性低压、倒槽，常导致暴雨的发生。（台风倒槽
16、主要形成原因是强对流） （三）切变线暴雨 低空的切变是产生低空辐合的主要区域，切变线低涡是思茅主要的降水天气系统，暴雨主要出现在切变线低涡的东南气流里。在其他天气系统中，只要条件适合，都可能出现暴雨。如思茅常见的南支槽、局地对流暴雨。小结大雨、暴雨降水回波 当雷达回波图上出现停滞或缓慢移动的强而且宽的回波带向测站移来；当回波单体移近和回波带的走向平行或交角很小；当产生回波单体的源地继续不断产生回波并且向测站方向移近；那么测站出现暴雨的可能性很大。另外，当单块强回波移速突然减慢，兼并周围小回波单体，同时爆发型增长，就要警惕暴雨的发生。当带状回波移到原先就存在的流场辐合中心时，无论该地有无回波单体
17、存在，均会引发暴雨。此外，零速度线的走向可以判断大气层结的稳定性，作为判断是否出现暴雨的判据。冰雹云和暴雨云的差异暴雨云的回波顶有明显的多峰结构，而且云砧不明显，说明高空风并不大，故降水回波区移动缓慢，降水效率高，容易形成暴雨冰雹云的回波顶有明显单峰结构，高空风速切变大，云砧明显，有时云砧可以伸展远离母体很远的地方，故降水效率低。关于风暴种类和特征 风暴一般对强对流而言。对流单体就是简单的一类对流风暴。 风暴可以分为两种类型：超级单体风暴和非超级单体风暴，其划分的物理基础是超级单体风暴中强烈旋转上升气流的发展和持续特征，这些特征在非超级单体风暴中不存在。（超级单体风暴有强烈的上升气流，当上升气
18、流与环境风垂直切变相互作用时，水平涡度倾斜为垂直涡度继而产生旋转） 超级单体风暴分为经典超级单体风暴、强降水超级单体风暴、弱降水超级单体风暴。除了弱降水超级单体风暴，其他两类风暴在风暴低层的气流入流侧的高反射率因子梯度区上空大片弱回波区或者有界弱回波区，风暴顶位于低层高反射率因子梯度区上空或者有界弱回波区上空，另外，还有如下一个或者一个以上特征：经典的钩状回波、粗大的钩状回波、前侧（V型）槽口回波以及后侧（V型）槽口回波非超级单体风暴和超级单体风暴模型雷达图上： 1、超级单体是个单泡结构，形状呈圆形或者椭圆形，典型的水平尺度是2030公里长，1215公里宽。 2、在风暴右侧有一个持久的有界弱回
19、波区，它的水平尺度为512公里，这个有界弱回波区经常呈圆锥状，延伸高度约为风暴宽度的一半到三分之一。 3、最强的雷达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的附属物，它是超级单体的特征性回波。5、在主要的回波强中心下游，有一个伸展达60150公里甚至更远的砧状回波，以及一个长达100300公里的可见砧状云区自动气象站联合多谱勒雷达估测面雨量的方法和精度研究 目 标1、做出云南运用C波段多谱勒雷达和自动气象站 雨量计联合估测面雨量的业务系统2、对这一方法估测面雨量产生的误差进行分析社会意义新一代天气雷
20、达站网的主要任务之一是定量估测大范围降水分布。利用自动气象站和多普勒雷达开展定量降水的联合研究，对有效了解面雨量、空中水资源、控制水库蓄水等方面都有意义。业务理论基础自动气象站的雨量计能够在点上比较精确地测量地面降水，但难以获得大范围的降水分布。雷达作为一种主动遥感手段可以探测较大范围的瞬时降水分布，但和雨量计相比，精度较差。雷达联合雨量计估测面雨量可以充分结合两者的优点，通过这样获得面雨量的降水分布比用雨量站网客观分析得到的降水分布精度更高。估测面雨量基本方法 该项研究分三部分完成：网格点雨强图的制作；多谱勒雷达反射率因子场图的制作；通过拟合找到云南不同天气现象背景条件下的雨强和回波强度相应
21、关系。自动气象站网格点雨强图的制作利用自动气象站点雨量资料，传统计算面雨量的方法多采用算术平均法、距离加权法、泰森多边形或在格点上加权平均等方法获得。由于雨量计的空间代表性较差，需要布设较多的雨量计，且获得面雨量的精度与地形和降水类型密切相关。故采用昆明昆明现有22套雨量站。十五的6套自动气象站、大监的2套、环保局的14个雨量站 多谱勒雷达反射率因子场图 由经过挑选雷达回波实测资料(10 min间隔)经过噪声、地物消除、复合平面生成、垂直廓线订正等预处理后得到每小时平均反射率因子场 拟 合首先用每小时雨量计资料对雷达资料逐行平均校准，消除雷达资料中由雷达系统造成的系统偏差 经过平均校准后的雷达
22、资料再用最优插值方法获得估测的降水分布 误差来源1、Z估计误差： a）地物杂波 b）非正常传播 c）波束部分充塞 d）湿的天线罩2、 ZR关系误差： a）滴谱分布的变化:Z-R方程是在对滴谱分布形式做了某种假定的条件下得到的。实际滴谱分布可以偏离假定。 b）混合型降水和亮带:混合型降水雨与雹、雪或是冻雨混合，会产生大的反射率因子值，引起降水率的过高估计。 3、其它影响带来的误差：a） 强水平风：强水平风（云底以下的）把降水吹得远离样本目标物下方的地面（地点）位置，吹到另一个完全不同的样本的下方了 b） 雷达波束下的蒸发：雷达波束下的蒸发会引起雷达对实际落到地面降水的过高估计预期结果作出云南省自
23、动气象站联合多谱勒雷达估测面雨量的雨强分布图 讨论，结果表明在不可控制的误差中，降水粒子的相态是产生估测误差的最关键因素 思考：在云南不具备双线偏振天气雷达的前提下，能否引入一些滴谱分布的假设，把面雨量预报做到更精确。主要内容 新一代天气雷达基本情况 新一代天气雷达应用于人工影响天气的主要产品 临近预报方法 新一代天气雷达数字组网及其应用 应用于人工影响天气新的雷达技术和方法新一代天气雷达网特点 多种型号，两种波长（C和S波段）； 连续的体扫观测方式，用于灾害天气的监测和预警； 不具备RHI扫描方式； 不是为人工影响天气设计的； 但资料和部分产品可应用到人工影响天气工作中。雷达组网的现状和必要
24、性 现行的产品组网的特点 基于产品的组网对网络要求低、易于业务化；但只能被动接收和应用，产品单一、无法进一步二次开发；无法满足临近预报和人工影响天气的需求。 三维数字组网 在严格进行雷达资料质量控制的基础上，生成经纬度、海拔高度的三维格点产品，发挥省或区域中心雷达组网的优势，为临近预报、人工影响天气、水文航空等提供基础。三维数字组网产品的应用 在临近预报中的应用，提高预警时间； 在人工影响天气工作中的应用，在三维格点资料上，进行二次开发，给出通过任意剖面的垂直结构、即将影响作业点的回波信息；作业后回波的定量变化。目前的状态 雷达资料质量控制和三维数字组网系统已经应用到北京2008年奥运会气象保
25、障中； 已经在温州、天津、河北、安徽和广东试运行。 目前正在试验CC雷达的拼图软件（甘肃和黑龙江气象局）风场反演的意义 动力、热力和微物理过程是降水系统形成和发展的三大主要过程； 从径向速度上很难把握速度场的特征； 雷达资料同化的延迟； 监测影响强降水系统发展的中尺度系统； 中尺度系统的分析和研究。四维变分方法的特点 方法先进，考虑动力和云物理过程； 反演风场比较合理； 计算时间长； 没有考虑地形影响。现状 目前该方法已经进行了大量的个例试验，能够在5分钟内完成风场的计算，业务试运行软件已经完成。 期待预报员在科研和业务中使用，并提出宝贵的反演结果合理性和其它方面的建议。新疆一次飑线过程的对流
26、尺度分析 飑线过程的演变 从径向速度中分析对流尺度系统； 单多普勒雷达风场反演结果； 双多普勒雷达风场反演结果； 结论（1） 利用回波强度、径向速度资料以及双多普勒雷达风场反演和四维变分风场反演结果，综合分析了发生在我国西北干旱地区一次飑线过程的中尺度结构和演变特征。 维持4个多小时飑线过程发生在中尺度气旋的西侧的低层辐合线上，是由6个回波单体通过合并而成，该辐合线由西侧的中低空急流和东侧的偏南气流形成的。结论（2） 中尺度飑线系统内部的对流单体有比较相似的中尺度风场结构，在形成较强回波单体时，伴随中尺度气旋产生，中尺度气旋是对流单体主体发展的因素； 飑线主要过程包括：新生单体在强单体的右侧和
27、中间生成、合并、中尺度气旋的形成、辐合带的形成等。结论（3） 飑线前部强的辐合线与穿过单体间缝隙的中低空急流有密切关系，它的存在促使了新单体在前部发生，并迅速生长，最终和其他回波一起形成飑线 ； 双多普勒雷达和四维变分风场研究结构比较一致，用四维变分风场反演可以得到更大范围的中尺度风场 ； 四维变分方法可以很好反演出风场的中尺度信息。 新一代天气雷达应用于人工影响天气的几个问题（1） 发挥雷达在人工影响天气指挥和效果评估中的主导作用； 实现雷达原始资料的实时传输，在雷达原始资料和产品数据出发，进行二次研发，研发人工影响天气专用产品 （1）通过作业点和强对流云强中心的RHI； （2）对流云的统计
28、数据（回波顶高、最大回波强度、回波面积、强中心等变化规律等）； （3）任意剖面的RHI结构； （4）回波强度、地面自动站等信息的综合显示等雷达气象学雷达气象学是利用气象雷达，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。 雷达气象学的主要内容包括基础理论、应用、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、大气不均匀结构的散射等。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
29、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。技术方面包括各种气象雷达资料的处理和传输等714SDN型全相参多普勒天气雷达，能及时、准确、连续地探测500km距离范围内的暴雨、冰雹、大面积降水、龙卷、飑线、台风及其他空中气象目标强度变化和位置，并能对200km范围目标的强度进行定量测量；在250km范围内，能探测各种目标的大气层风场，并能实时地监测阵风峰、下击暴流、中尺度气旋、强风切变等灾害性天气的发生、发展和消亡过程，能为各种常规、特殊天气预报提供准确的信息专门用于探测大气的雷达。它属于主动式微波大气遥感设备。
30、观测高空风的雷达，也是一种气象雷达，但它只是一种遥测设备（见高空风观测）。气象雷达是警戒和预报局地强天气系统的重要探测工具之一。简史 第二次世界大战前雷达用于军事目的。当时云、雨等气象目标的回波被作为干扰看待。1941年在英国最早使用雷达探测风暴。19421943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期，一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技术，气象多普勒雷达具有对大气流场结构的定量探测能力；常规雷达的数字显示和彩色显示也相继出现。70年代，除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的
31、高分辨率调频连续波雷达；在雷达结构上，广泛采用了集成电路，配备有小型或微型电子计算机，使气象雷达能对探测资料进行实时数字处理和数字化远距离传输；有的天气雷达已能按照预先编好的程序，由电子计算机操纵观测，并逐步向自动化观测网的方向发展。原理 雷达通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线电波，它在传播过程中和大气发生各种相互作用。如大气中水汽凝结物（云、雾和降水）对雷达发射波的散射和吸收；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用（见云和降水粒子的微波散射、云和降水粒子的微波吸收），无线电波的空气折射率不均匀结构和闪电放电形成的电离介质对入射波的散射（见电磁波在湍流大气中的传播），稳定层结大气对入射波
32、的部分反射；以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等。气象雷达回波不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号的振幅、相位、频率和偏振度等确定目标物的各种物理特性，例如云中含水量、降水强度、风场、铅直气流速度、大气湍流、降水粒子谱、云和降水粒子相态以及闪电等。常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。工作波段 气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段，以表示雷达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K
33、波段（波长0.752.4厘米）、X波段（波长 2.43.75厘米）、C波段（波长3.757.5厘米）、S波段（波长7.515厘米）和 L波段（波长1530厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10100厘米和1001000厘米。雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切有关。把云雨粒子对无线电波的散射和吸收结合起来考虑，各种波段只有一定的适用范围。常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水，其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层平流层-中层的晴空流场。种类 凡是不具有多普勒性能的雷达称为非相干雷达或常规气象雷达，具有多普勒性能的雷
34、达称为相干雷达或多普勒雷达。主要的气象雷达有： 测云雷达。是用来探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达。其常用的波长为1.25厘米或0.86厘米。 天气雷达。是用来探测降水的发生、发展和移动，并以此来警戒和跟踪降水天气系统的雷达。 圆极化雷达。一般的气象雷达发射的是水平极化波或垂直极化波，而圆极化雷达发射的是圆极化波。雷达发射圆极化波时，球形雨滴的回波将是向相反方向旋转的圆极化波，而非球形大粒子（如冰雹）对圆极化波会引起退极化作用，利用非球形冰雹的退极化性质的回波特征，圆极化雷达可用来识别风暴中有无冰雹存在。 调频连续波雷达。它是一种探测边界层大气的雷达。有极高的距离分辨率和灵敏
35、度，主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流（见大气边界层）。 气象多普勒雷达。利用多普勒效应来测量云和降水粒子相对于雷达的径向运动速度的雷达。 甚高频和超高频多普勒雷达。利用对流层、平流层大气折射率的不均匀结构和中层大气自由电子的散射，探测1100公里高度晴空大气中的水平风廓线、铅直气流廓线、大气湍流参数、大气稳定层结和大气波动等的雷达。在研究试验的雷达中还有双波长雷达和机载多普勒雷达等。70年代以来，利用一个运动着的小天线来等效许多静止的小天线所合成的一个大天线的合成孔径雷达的新发展，必将加速机载多普勒雷达今后的发展进程。机载多普勒雷达的机动性很强，可以用来取得分辨率很高的对流风暴的多普
36、勒速度分布图天气雷达（又称测雨雷达）主要用于探测降水的发生、发展和移动，并以此来跟踪降水系统。天气雷达的工作波长为35cm，它能探测200400 km范围内的降水和积雨云等目标，测定其垂直和水平分布、强度、移动方向、速度和发展演变趋势，发现和跟踪天气图上不易反映出来的中小尺度系统。因此，天气雷达是短时短期天气预报和航空气象保障工作的一种有力工具。1.层（波）状云降水回波特征：在平显（PPI）上，层（波）状云降水回波的范围较大，显绿色，呈比较均匀的片状，边缘发毛，破碎模糊。若在大范围的弱降水中含有强雨中心时，则形成片絮状回波，中间有黄色或红色。在高显（RHI）上，层状云降水回波高度不高，顶高一般
37、约56千米，随地区和季节有所不同。回波顶比较平坦，没有明显的对流单体突起当对层状云连续性降水进行铅直扫描探测时，在RHI上会出现零度层亮带。2. 对流云降水回波特征：在平显上，对流云降水回波呈块状、尺度较小，从几千米到几十千米，内部结构密实，边缘清晰，黄色和红色的区域呈块状或点状分散在蓝色和绿色的区域中。在高显上，对流云降水回波呈柱状，底部及地，顶部较高，在彩色图上，中心是黄色和红色。一些强烈发展的单体，回波顶常呈现为砧状或花菜状。还有一些强烈发展的对流云在发展成熟阶段降水还未落到地面前，常呈纺锤状，中间为明亮的红色3.混合性降水絮状回波混合性降水的回波常表现为层状云降水回波和积状云降水回波的
38、混合。在平显上，它的回波表现为范围较大，回波边缘呈现支离破碎，没有明显的边界，回波中夹有一个结实的团块，为黄色和红色。4. 雹云回波特征由于雹云的云体庞大高耸，云内含水量较大，因此在雷达平面显示器上表现为强度很大，边缘格外分明的块状回波。 在高显上，通常雹云回波柱粗大、高耸、陡直、顶部呈花椰菜状或砧状。在雹云内部上升气流的部位，呈现弱回波穹窿。雹云回波的特殊形状在平显上，雹云回波远离雷达一侧（或上升气流流入一侧），有时出现呈“U”形的无回波缺口；强对流回波的一侧，有时伸出强度较大、边缘轮廓分明、但尺度较小的指状回波或钩状回波，它通常位于云体回波移动方向的的右侧或右后侧5.利用雷达进行气象回避：
39、(1)应回避一切在屏幕上显现为红色和紫色的区域。尽量使飞机与这些区域的距离保持在20海里以上，因为一些不夹带较多的雨粒的湍流区域会存在于较大降雨区以外的地方。(2)飞机不可进入雷暴云回波范围之内的无回波区。(3)如果在两块雷暴云之间穿越时，两块雷暴云回波之间的距离不应小于40海里。(4)应避免因选用较短显示距离而使飞机进入所谓的盲谷区域(5)5.雷达是用来帮助飞行员避开危险气象区域的，而不是用来帮助穿过这些区域。雷暴、湍流、冰雹区域会给飞机带来极大危害，即使有机载气象雷达，也不能飞进去新一代多普勒天气雷达简介多普勒效应是澳大利亚物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现
40、象，多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效益为基础，具体表现为：当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。运用这种原理，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。这对研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气等具有重要意义。 天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射），在荧光屏上显示出气象目
41、标的空间位置等的特征。 在雷达探测中，气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离（亦称斜距）,雷达天线的仰角和方位角来表示。斜距可根据电磁波在大气中的传播速度和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定。电磁波在大气中传播速度是略小于它在真空中的传播速度，但对斜距精度影响不大，故近似用C来表示。天气雷达的主要设备1. 触发信号发生器触发信号发生器(控制钟)是整个雷达的控制系统,它周期性地产生一个脉冲式的触发信号,触发脉冲输送到调制解调器和显示器,指挥它们开始工作。每秒种产生的触发脉冲数目，称为脉冲重复频率,以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。两个相邻脉冲之
42、间的时间间隔，称为脉冲重复周期，用表示，它等于脉冲重复频率的倒数。实际工作中，可用公式计算脉冲重复周期的数值。 2. 调制解调器在触发脉冲的触发作用下，调制解调器产生调制脉冲。调制脉冲具有两个特性：（）具有固定的脉冲宽度（也称为脉冲持续时间），以微秒为单位，也可以以脉冲的空间距离h表示，脉冲宽度直接影响探测距离和距离分辨能力即雷达盲区大小。探测近目标采用窄的脉冲宽度，在探测远目标时，为了增大回波信号的强度采用宽的脉冲宽度。天气雷达的脉冲宽度一般取0.1-4微秒 ，随各种雷达探测目的不同而异。（）调制脉冲提供一个合适的视频波形具有足够的幅度，以便使下一级电路发射机正常工作3. 发射机在调制脉冲的
43、作用下，发射机产生短促又强大的特高频振荡，经天线向空间发射出去，即探测脉冲。发射机的主要技术参数有波长（或振荡频率）和脉冲发射功率。（）波长 天气雷达通常使用的波长是厘米波，划分为K、X、C和S四个波段，K波段的雷达是用来探测非降水的云，X、C和S波段用于探测降水。（）脉冲发射功率 是指天线实际发射的峰值功率，如果忽略了波导管和天线的损耗，则脉冲发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。4. 天线转换开关 、波导管天线转换开关是将天线、发射机和接收机连接起来的一种装置。当天线和发射机接通时，发射机输出的特高频振荡脉冲电磁波顺利地到达天线，在这个时间内天线与接收机切断连通，电磁波不能进入接收机。在
44、探测脉冲发射的间歇期，转换开关接通接收机，使天线接收到的回波信号能全部进入接收机。波导管是一种空心矩形金属管状导体，其内径大小随所携带信号的波长而异，脉冲信号经它传送到天线其损耗极小。5. 天线(1)波束的宽度 天气雷达的天线具有很强的方向性,它所辐射的功率集中在波束所指的方向上，波束主轴附近能流密度大，波束的边缘能流密度小，能流密度的相对分布曲线，称为天线方向图,曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向相对能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣称为主波瓣，侧面和相反方向能流密度均小得多，分别称为旁瓣和尾瓣。在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。波束宽度越小，定向角度的分辨率
45、越高，探测精度越高。天气雷达的波束宽度通常不超过2度，多普勒雷达的波束宽度一般不超过1度。波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径和雷达工作波长。（）天线增益 在相同辐射功率条件下，在波束方向上定向天线的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以G表示，天线增益与天线波束宽度具有一定的关系。天线增益以分贝（dB）表示：分贝（dB）=10log（定向天线的能流密度）/（各向均匀辐散天线的能流密度）。6. 接收机和显示器接收机:接收来自目标物的回波信号，经过放大后送往显示器进行显示。回波信号常常非常微弱，接收机必须具有接收微弱信号的能力，这种能力称为灵敏度。灵敏度用最小可辨功率表示
46、。它是回波信号刚刚能从噪声信号中分辨出来时的回波功率。显示器：（）平面位置显示器（简称平显或）是天气雷达中最常用的一种显示器。在这种显示器上，电子束一方面以脉冲重复频率自屏幕的中心向外作等速的径向扫描；另一方面通过天线传动装置，使径向扫描为同步地随天线绕垂直轴旋转，当有回波信号进入时，在相应的距离和方位上扫描线增亮，从而显示出回波，其亮度取决于回波信号的强度，近代采用了视频积分处理器，将回波信号按不同的强度用不同的灰度或彩色显示出来。当雷达天线扫描一周时，屏幕上显示出测站周围目标的分布和回波强度。（）距离高度显示器（简称高显或） 也是天气雷达中最常用的一种显示器，用来显示垂直剖面，纵坐标是高度，横坐标为水平距离，高度坐标放大，所显示的回波在垂直方向被拉长了。天气雷达的产品应用新一代多普勒天气雷达的产品包括基本产品和导出产品。基本产品有