1、第六章多普勒天气雷达探测技术主要内容 平面位置扫描方式的探测技术平面位置扫描方式的探测技术 垂直指向探测垂直指向探测 VAD(Velocity-Azimuth-Display)VAD(Velocity-Azimuth-Display)技术技术一、单部多一、单部多普勒天气雷普勒天气雷达探测技术达探测技术 LhernitteLhernitte方法（方法（19681968） BrowningBrowning方法（方法（19681968） 共面探测方法共面探测方法（ Miller等1974）二、多部多二、多部多普勒天气雷普勒天气雷达探测技术达探测技术一、单部多普勒天气雷达探测技术目标物的运动取决于两个
2、因素：目标物的运动取决于两个因素：水平风水平风目标物的自然下沉与环境垂直气流之和目标物的自然下沉与环境垂直气流之和径向速度只是目标物实际运动速度在雷达探测波束方向的一个分量，因此，由径向由径向速度反推实际运动速度一般不可能速度反推实际运动速度一般不可能单部多普勒雷达测风，必须作一定的假设！单部多普勒雷达测风，必须作一定的假设！两点假设： 1）同一高度层上的水平风场是均 匀的，可随高度变化2）目标物铅直方向速度对径向速度的 贡献很小仰角很小在在 PPI 上分析径向速度时，首先要注意上分析径向速度时，首先要注意探测仰角探测仰角1） 平面位置扫描方式的探测技术 为探测雷达站四周空间的目标物，雷达天线
3、以极缓慢速度（5分钟/转）作360旋转，从天线上发出一个个脉冲波束在空间连续地搜索扫描，以极坐标的形式，把波束扫描到的目标物显示在荧光屏上，给出目标出现的方位与距离，荧光屏上以不同色彩和亮度等级给出回波的强度和平均径向速度的分布。回波图中所显示的目标物是多次脉冲信号重复探测的平均结果。多普勒天气雷达不仅象常规天气雷达那样能够探测到目标物的回波强度、目标物位置外，还可以给出目标物中的平均径向速度和它的标准差，常称为速度谱宽的分布。虽然从单部天气多普勒雷达取得的平均径向速度和速度谱宽，并不能直接表示降水区的流场分布，但是从径向速度分布的图象可以提取出一些有益的天气信息，例如龙卷风、下击暴流、暴雨等
4、一些具有强烈风切变、旋转、辐合辐散等流场的信息返回多普勒速度谱宽多普勒速度谱宽表征着有效照射体内不同大小的多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。普勒速度偏离其平均值的程度。2） 垂直指向探测当天气多普勒雷达的天线垂直指向天顶探测时，可以得出测站上空降水测站上空降水云中的垂直运动和雨滴云中的垂直运动和雨滴分布等参数分布等参数。 垂直运动测量垂直运动测量天线垂直指向天顶时，可以测量降水粒子的天线垂直指向天顶时，可以测量降水粒子的平均多普勒径向速度(亦即平均多普勒垂直速度)，这时得到的这时得到的平均多普勒径向速度是降水粒子降平均多普勒径向速度是降水粒子降落的末速度和气流的垂直运
5、动速度之和落的末速度和气流的垂直运动速度之和. 0wvw为：则大气垂直速度且所有速度向下为正，大气垂直速度是均匀的令：有效照射体积内的w （8.53）式）式合作用的结果综和大气垂直速度中平均多普勒下落速度止大气是该体积内粒子群在静上式可看出：wwv0大气垂直速度m/s平均多普勒速度 m/s降水粒子在静止大气中的平均多普勒下落速度 m/sWW0 0-Z-Z关系关系RogersRogers法（法（19641964）的关系为：与反射因子度中粒子群的平均降落速则静止大气关系符合的与粒子直径及粒子的降落末速度滴谱分布，以粒子的尺度分布符合瑞利散射条件，假定粒子为球形并符合ZCCDD05 . 0TTw,1
6、420,wwP-M)/(8 . 3072. 00smZw (8.61)式式 w8.53v,w,0度式求出气流平均垂直速由再根据由上式求得的回波强度可根据雷达探测高度上Z：mm6/m3WW0 0-Z-Z关系关系Sekhon-Srivastava法（1971）基本假设同Rogers法法。对一次雷暴中的雨滴的实际计算推出以下关系 式：（8.62）式）式)/(3 . 4052. 00smZw WW0 0-Z-Z关系关系JossJoss和和 Waldvogel Waldvogel 法法（1970）对流云基本假设同Rogers法法。根据四个国家共七次降雨（从大面积降雨到雷暴）中实测的雨滴谱资料分析得到下式
7、：（8.63）式）式107. 006 . 2 Zw 102Z10 36mmm其中：以上三种方法所得结果较一致以上三种方法所得结果较一致雨滴滴谱测量雨滴滴谱测量 dDdvDCvDNTT)()()(8.79)式式dDdvDvZDNTT6)()(（8.80）式）式C=C/R2D：雨滴的直径：雨滴的直径若雨滴满足瑞利条件，则由上式可得瑞利若雨滴满足瑞利条件，则由上式可得瑞利模式下的雨滴滴谱为：模式下的雨滴滴谱为：用垂直指向法实测的多普勒雷达速度谱直接用垂直指向法实测的多普勒雷达速度谱直接测得每一速度间隔中的滴数。测得每一速度间隔中的滴数。多普勒速度多普勒速度谱分布密度谱分布密度VT为雨滴在静止为雨滴在
8、静止大气中的下落末大气中的下落末速度速度3 3） VAD(Velocity-Azimuth-Display)VAD(Velocity-Azimuth-Display)技术技术VAD(Velocity-Azimuth-Display)技术技术：。雷达天线以某固定仰角作。雷达天线以某固定仰角作全方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距全方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距离和方位上的径向速度离和方位上的径向速度 VR() 记录并显示出来记录并显示出来的方法。的方法。 通常将流场分成均匀和非均匀两类，其通常将流场分成均匀和非均匀两类，其探测原理和方法如下所示探测原理和方法如下所示:cos)cos(0
9、hvsin)2cos(ffvvsin)(cos)cos()()(0fhRvvv降水粒子的径向速度天线仰角轴向下为正轴的夹角为水平风向与正为天线方位角令：zx0雷达扫描示意图(8.81)式式P236测量均匀流场的风向风速测量均匀流场的风向风速若流场均匀，当仰角不变时，由上式可知雷达探测到某一个固定距离（也就是固定空间高度）的径向速度 ，将按余弦方式变化，而且叠加一个常数值sin)(cos)cos()()(0fhRvvvsinfv(8.81)式式Rv(8.81)式式测量均匀流场的风向风速测量均匀流场的风向风速P236测量均匀流场的风向风速测量均匀流场的风向风速粒子的平均下落速度（亦即垂直方向的平均
10、多普勒速度）也可由（8.82）式和（8.83）式解出，得：（8.84）式式其中：V1径向速度极大值； V2径向速度极小值。测量测量非均匀流场非均匀流场的风向、风速、散度和变形场系数的风向、风速、散度和变形场系数当实际风场量不均匀时，则雷达探测的VAD曲线将不是余弦曲线形式,采用谐波分析方法对非余弦曲线形式的VAD曲线进行分解，可以得到更多的风场信息参见：教材参见：教材P237二、多部多普勒天气雷达探测技术 概述：概述：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，为了能直接探测空气能直接探测空气运动
11、的二维或三维的详细结构运动的二维或三维的详细结构，研究出双雷达研究出双雷达探测、三部雷达探测等。探测、三部雷达探测等。1） Lhernitte方法（1968）Lhernitte提出了用三台多普勒天气雷达进行观测的方案，如图所示。、出是实测值。这样便可求、及测点的高度求出。的位置和测点的位置以可以由三部雷达相对、和、一点。交于测量都能使三个波束相选择取样距离，使第次向和改变三台雷达的天线指在测量时，要求同步地的方向，为式中：与风场的关系式如下：测得的径向速度，它们间同一点目标分别表示三台雷达对空、以fhrrrhhtffhrfhrfhrrrrvvvvvv ju ivvwwvvvvvvvvvvvvv
12、01113213210330332202211011321,sincos)cos(sincos)cos(sincos)cos(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气流分布是定常的假设布是定常的假设，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运用三部雷达进行探测的实例还很少很少。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，已在一些探测试验
13、中得到应用。2） Browning方法（1968）Browning等提出，用等提出，用一部雷达（如图）作一部雷达（如图）作垂直指向，测量雷达垂直指向，测量雷达的上空的云粒子的垂直的上空的云粒子的垂直运动径向速度，另一部运动径向速度，另一部雷达设在距雷达一雷达设在距雷达一定距离，同时对垂直指定距离，同时对垂直指向雷达的上空进行探向雷达的上空进行探测。测。雷达的天线的方位角固定不变，改变仰角由雷达的天线的方位角固定不变，改变仰角由1度到度到45度度作多普勒径向速度测量，这样就可以得到点上空的垂直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。速度和水平风速。这种方法仍然得不到对流云
14、完整的三维结构。这种方法仍然得不到对流云完整的三维结构。为垂直运动径向速度其中：fABhrBffhrAvvvvvvvvvsincoscossin3） 共面探测方法（ Miller等1974）、两部雷达、两部雷达在同一个平面上在同一个平面上扫描取样。该平扫描取样。该平面与地平面的交面与地平面的交线为、两部线为、两部雷达的基线。变雷达的基线。变化夹角对不同的化夹角对不同的平面共同取样就平面共同取样就可以得到三维流可以得到三维流场资料。场资料。线性插值。标，转换中采用过坐标转换到水平面坐）斜面上的三维气流通（直方向的速度。推算出该平面垂可压缩的假设条件下，）运用连续方程，在不（量。在探测平面上的垂直
15、分须求不垂直于探测平面，必速度，降水粒子下降的末与地平面存有夹角）由于探测取样的平面（。降水质点的下降末速度关系式，估算出该处或或：件下导出的：径的平方要成正比的条、雨点末速度和雨点直的回波强度根据两部雷达测出该点速度，计算出平面上该点的和、它们之间的夹角及和径向速度同平面扫描中得到平均）首先由两部雷达在共（该资料处理步骤：543)3 . 46 . 2(8 . 3)2(100052. 00107. 000072. 00wwzwzwzwZvvvBArBrA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 。对所得资料的处理方法是：先利用插值方法求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。本章结束，谢谢！
