1、风廓线雷达简介魏鸣2013-4-9主要内容1 风廓线雷达概述2 探测原理3 风速计算方法4 风廓线雷达的应用目的 掌握风廓线雷达探测原理 了解风廓线雷达应用现状1 风廓线雷达概述 风廓线雷达(wind profiler radar，WPR)是利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等物理量探测的遥感设备。风廓线雷达常被称为风廓线仪，但从硬件系统技术体制上它应当属于现代雷达的一种。风廓线雷达探测的主要对象是晴空或多云大气，对降水天气也有一定的探测能力1.1 风廓线雷达的探测内容 风廓线雷达发射的电磁波在大气中传播过程中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收
2、，能实时提供大气的三维风场信息。增加无线电声学探测系统（RASS），与微波辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大气风、温、湿等要素的连续遥感探测，是一种新的高空大气探测系统。多普勒天气雷达探测的局限性 以降水粒子为示踪物 对于无降水粒子的大气，测不出大气流场 风廓线雷达的探测优势 以大气折射指数起伏（湍流块）为示踪物 可以测量从边界层到中层大气的流场 对于较长波长的雷达，在有云或小雨天气仍可观测1.弥补常规高空探测网在时空密度上的不足；2.天气系统的识别；3.中小尺度灾害性天气的监测；4.减少数值预报模式中对短时风场预报误差。风廓线雷达监测网将有助于：1.2 国外风廓线雷达进展19
3、50和1960 年代：位于地面的雷达能够通过探测晴空湍流的后向散射信号，测量包括风速在内的一些大气参数。1974年，建立观测高层大气风的风廓线雷达模型。1986年，美国海洋大气管理局（NOAA）率先在美国中部布设包括 31部风廓线雷达的观测网，并在1992年最终完成了NPN（NOAA Profiler Network,NOAA风廓线网）。1987年，欧盟委员会 COST74 项目（COST 表示由欧盟委员会支持的欧洲国家间协调开展的科学技术领域合作研究项目）开始支持风廓线雷达的开发和利用。1988年，日本气象厅（JMA）下属的气象研究所建造了一台UHF风廓线雷达1994年，欧盟委员会 COST
4、76 项目继续给予支持。2001年，日本气象厅完成了25部风廓线雷达所组成的业务网WINDAS。国外风廓线雷达探测网日本的日本的WINDAS探测网探测网美国的美国的NPN探测网探测网欧洲的欧洲的WINPROF计划计划 美国美国 NPN(35NPN(35部对流层部对流层)，间隔，间隔200200公里，公里，每个站配有一套每个站配有一套GPSGPS水汽监测系统。水汽监测系统。CAP(60CAP(60多部各种型号多部各种型号)，由，由3535个部个部门建设的风廓线雷达组成。门建设的风廓线雷达组成。探测数据和设备的状态信息一起探测数据和设备的状态信息一起被发送到位于被发送到位于BloulderBlou
5、lder的风廓线的风廓线雷达控制中（雷达控制中（PCCPCC）。经过数据处）。经过数据处理和质量控制，每小时平均风数理和质量控制，每小时平均风数据和温度数据经过计算后发送给据和温度数据经过计算后发送给NOAANOAA风廓线雷达网（风廓线雷达网（NPNNPN）的用户）的用户 理论研究和实际使用的结果都表明理论研究和实际使用的结果都表明NOAANOAA风廓线雷风廓线雷达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。NOAANOAA风风廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的廓线雷达网的数据
6、对于预测这种低空急流引起的夜间雷暴非常重要。夜间雷暴非常重要。日本WINDAS(31WINDAS(31部部1.3G1.3G风廓线风廓线雷达雷达)，间隔，间隔130130公里。公里。经过台站级处理的经过台站级处理的1010分分钟平均的风数据传输到钟平均的风数据传输到风廓线雷达控制中心，风廓线雷达控制中心，通过进一步的一致性检通过进一步的一致性检验后用于数值天气预报。验后用于数值天气预报。WINDASWINDAS用于预报台风、用于预报台风、梅雨和中纬度低压引起梅雨和中纬度低压引起的强降水的强降水。欧洲欧洲已有约已有约2828部风廓线部风廓线雷达投入运行，并雷达投入运行，并将资料发送给英国将资料发送
7、给英国气象局，并通过因气象局，并通过因特网实时显示获得特网实时显示获得的探测数据。的探测数据。欧洲的风廓线雷达欧洲的风廓线雷达网采用的频段包括网采用的频段包括50MHz50MHz、400MHz400MHz及及1000MHz1000MHz。目前国内的风廓线雷达技术已趋于成熟，有能力立足于国内技术组建适宜气象业务需求的风廓线雷达网。我国高空探测系统发展规划（1996-2010）提出“逐步发展风廓线雷达和GPS探测系统”，“在中尺度天气监测预报服务基地优先布设风廓线雷达，风廓线雷达宜安插在常规探空测站之间或天气变化的敏感区；风廓线雷达站间距以200-250公里为宜，建立风廓线雷达探测网”。1.3 国
8、内风廓线雷达发展现状张北张北唐山唐山南南郊郊延延庆庆密密云云海海淀淀 我国我国从从20042004年开始建设风廓线雷达网。年开始建设风廓线雷达网。目前国内约布设了十四部。目前国内约布设了十四部。北京及其周边地区的风廓线雷达示范网已初具规模。北京及其周边地区的风廓线雷达示范网已初具规模。计划在计划在20102010年前再完成年前再完成3030部风廓线雷达的建设。部风廓线雷达的建设。高对流层风廓线雷达低对流层低对流层风廓线雷达风廓线雷达边界层边界层风廓线雷达风廓线雷达中电集团中电集团1414所所O OGLC-24GLC-24CLC-8CLC-8航天科工集团二院航天科工集团二院2323所所CFL-1
9、6CFL-16CFL-08CFL-08CFL-03BCFL-03B安徽四创电子股份有限公司安徽四创电子股份有限公司O OSCRTWP-01SCRTWP-01K/LLX802K/LLX802 爱尔达公司爱尔达公司Airda16000Airda16000Airda8000Airda8000Airda3000Airda3000敏视达雷达有限公司敏视达雷达有限公司O OTWP8TWP8O OGLC-24（14所）Troposphere Wind Profiler IICFL-16（23所）所）Troposphere Wind Profiler IVirtual TemperatureCFL-08（23
10、所）所）Troposphere Wind Profiler IICFL-03B（23所）所）Boundary Layer Wind Profiler SCRTWP-01（四创）（四创）Troposphere Wind profilerK/LLX802（四创）（四创）Boundary Layer Wind profilerAirda 3000（爱尔达）（爱尔达）Boundary Layer WindprofilerTWP8（敏视达）（敏视达）Troposphere Windprofiler1.自动化程度较高；2.全天候无人值守地长期连续运行；3.较高的可靠性和稳定性；4.探测资料种类多，分辨率高
11、，精度高；1.4 风廓线雷达的探测优势2 风廓线雷达探测原理1.Bragg散射折射率空间分布周期性的变化引起对相同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率的空间涨落，也称作湍流散射；2.Fresnal散射折射率梯度很大的水平层状结构上对电磁波的反射;3.Thomson散射电离层中的大量自由电子对入射电磁波的散射。2.1 晴空的电磁波散射湍流散射（Bragg散射）探测原理3/12nC39.023/402MLaCnCn为大气折射率结构常数，M是水平折射率的垂直梯度，L0是湍流外尺度Bragg散射-在弹性散射(elastic scattering)中，入射光的能量没有损耗,但入射光的传播方向发
12、生变化。当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射(Bragg scattering);布拉格父子1915年共同获诺贝尔物理学奖：William Henry Bragg&William Lawrence Bragg；当入射光的波长远大于散射目标的直径时,为雷利散射(Rayleigh scattering).RASS（无线电声探测）系统发射频率：404、449MHz,波长：74cm发射脉宽：3.3(低),20(高)s数据处理：128点FFT天线面积：144m2声波频率：850900Hz(37cm)测温原理：静止大气，声波径向速度Vs:A仅依赖于相对湿度，其对径向速度的贡献小于1m/s2/
13、1ATVs2.2 风廓线雷达分类 根据大气湍流散射理论，对雷达发射的电磁波能够产生有效后向散射的湍流涡旋尺度等于雷达波长的一半。在风廓线雷达的探测高度确定之后，风廓线雷达可使用的工作频段也就随之确定。即探测高度达到对流层以上的风廓线雷达选择VHF频段，典型工作频率约为45MHz。对流层和低对流层风廓线雷达选择UHF(P 波段)频段，典型工作频率约在 450-900 MHz。边界层风廓线雷达选择L波段，典型工作频率在1200 MHz 左右。风廓线雷达分类6 000 m300 m50 m8 000 m3 000 m60 000 m12 000 m100 000 m46-68MHz中层风廓线雷达5
14、000 m1270-1375MHz440-450MHz440-450MHz对流层风廓线雷达低对流层风廓线雷达边界层风廓线雷达16 000 m最大探测高度最大探测高度:12:1216km16km起始高度起始高度:150m:150m高度分辨率高度分辨率:120m:120m高对流层高对流层风廓线雷达风廓线雷达低对流层低对流层风廓线雷达风廓线雷达边界层边界层风廓线雷达风廓线雷达最大探测高度最大探测高度:68km起始高度起始高度:300m高度分辨率高度分辨率:240m最大探测高度最大探测高度:35km起始高度起始高度:60m高度分辨率高度分辨率:60m边界层大气风场边界层大气风场观测观测晴空局地空域气晴
15、空局地空域气流监测流监测中尺度灾害性天中尺度灾害性天气监测气监测边界层数值预报边界层数值预报重点区域气体消重点区域气体消散过程监测散过程监测2.3 风廓线雷达测风原理 散射层和湍流随环境平均气流运动都可造成返回电磁波信号的多普勒频移。通过进行多射向的速度测量，在一定的假定条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动。回波信号经过相干积分、谱变换、谱平均处理之后，得到相对平稳的功率谱密度函数。计算各谱矩参数，其中一阶矩代表了目标运动引起的多普勒频移。2rdVf 101()()2NjrjNfjfffP 通过多普勒频移和多普勒速度之间的关系得到多普勒速度。经过计算，即可获得个高度层上的水平
16、风向风速、垂直气流速度、功率谱密度、大气折射率结构常数Cn2等各种数据产品和图像产品风廓线雷达回波信号的特点：1.微弱；2.涨落现象十分明显；3.伴随多种杂波 2.4 风廓线雷达数据一致性风大尺度气象特征（几小时-数天）估算的合成风各库上的谱参数谱变换后的功率谱 微/小尺度气象特征（几分钟-1小时）中尺度的气象特征（一小时-数小时）间歇性噪声源谱平均后的功率谱持续性噪声源飞机鸟类、昆虫等点状目标物地物杂波 背景噪声 降水（或有速度折叠）非稳定的风场（大尺度湍流）3 风速计算方法3.1 水平风场均匀假设下风的计算 在观测周期内，如果水平风场保持均匀，那么可以通过简单的几何关系，由径向速度导出水平
17、风。由径向速度求解水平风，需要对水平风场的分布做一定的假设，1）水平风均匀的假设，2）线性风场的假设在直角坐标系中，将风速分解为u，v，w三个分量，规定垂直风向上为正。分廓线雷达测得的径向速度用Vr表示，规定径向速度远离雷达方向为正，朝向雷达为负。为方便讨论，以指向东的波束方向为x轴正方向，指向北的波束方向为y轴正方向，建立直角坐标系；在球坐标系下，雷达为坐标原点，r为空间点到原点距离，表示天顶角，表方位角，由x轴正方向逆时针旋转。3.1.1 3.1.1 三波束三波束 一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；两个在方位上间隔90的倾斜波束，分别指向正北和正东，倾斜波束的天顶角是状态量，以表示。假定
18、Vrz，Vrx，Vry分别表示天顶、正东和正北三个波束方向的径向速度的测量值。那么经过简单的几何投影，可以根据以下方程计算出该高度上风矢量的三个分量。垂直风由垂直波束直接测量得到。sin,0,cos Ee0,sin,cos NeeE,eN分别表示沿正东和东北波束的单位向量。,Vu v w假设均匀风场的风矢量为sincosrxVuwsincosryVvwrzVw*EV rxVe*NV ryVecossinrxrzVVucossinryrzVVvrzwV 因此，可由以下方程组计算该高度的风矢量，。由向量内积的物理意义，有即 采用五波束时，同样一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；四个倾斜波束在方位上
19、均匀分布，天顶角是状态量，均为，先将两个相对方向的倾斜波束的径向速度进行平均，如西波束VrW和东波束VrE，北波束VrN和南波束VrS，方程如下所示3.1.2 3.1.2 五波束五波束2rErWrxVVV2rNrSryVVV 对于五波束风廓线雷达，当个别波束的测量数据误差很大或缺测时，如果能满足三波束的计算要求，可以舍弃个别波束的测量数据，按三波束进行计算。再按三波束风廓线雷达水平风合成方法的计算方法计算。垂直速度可以由垂直波束直接测量，也可以由倾斜波束测量得的径向速度计算。4cosrErWrNrSVVVVw 均匀风场假定限制较强，在中高层大气中是合适的，但是在边界层下部特别是湍流较强时，存在
20、一定的差异；相比之下，线性风场的假设更接近大气风场的真实情况。在经过信号处理单元的质量控制之后，仍然会有一些误差被漏掉或不能完全消除，特别是一些外部或内部的随机误差，以及由于气象原因造成的较大偏差数据，因此在计算合成风时需要进一步质量控制。1.假设合理性合成风计算过程中存在的问题合成风计算过程中存在的问题2.数据质量控制3.2 线性风场假设下风场模型0uuuuuxyzxyz0vvvvvxyzxyz0wwwwwxyzxyz在原点做线性风场展开，风场可以表示为，xyzxyzxyzuuuAvvvwww那么，矩阵A在该局地线性模型中是常量。令3.2.1 VAD3.2.1 VAD技术技术 线性风场假设下
21、的VAD技术是多普勒天气雷达反演风场的一项较成熟技术。如果假定在分析的薄气层内，风速不随高度变化，垂直风速水平均匀。那么，可以通过直角坐标和极坐标的转换，可以得到极坐标径向速度的表达式：2002021()cos()sinsin sin21sin cos()sinsin221()sincos22rxyyxxyVwuu rvuvu rvu r可以看出某一径向距离r径向速度仅是方位的函数，如果将探测到的径向速度按方位作傅立叶级数展开，通过比较前几项系数，可以确定水平风、垂直风、水平散度和变形量。HxyVuu()xyvu()yxvu水平散度：变形量：多波束风廓线雷达系统可以借鉴天气雷达中的VAD技术，
22、以获取除风场以外的水平散度、变形量等信息。沿每个波束方向，高度h范围内Vr也可以看作是局地线性变化的，一般取5个左右的数据点，约300m。对某一波束的的径向速度数据Vr用奇异值分解法进行最优化拟合，得到线性系数a，b。3.2.2 NCAR3.2.2 NCAR的风估计算法的风估计算法以东波束为例，由下标E标识，其他方向波束同理。()()*EEEV rV re0()EEEEuV rvw2200()sincos sin()cos sincos()()EEExzzzEEV ruwuuwwrrab rr得到东波束上径向速度的线性模型，如下式，00(x)(x)(xx)VVA以待计算高度为x0点，应用步骤一
23、：步骤一：通过径向速度拟合线性模型，得到关于倾斜波束上点的矢量风分量的方程组：sincosEEEuwa22sin()cos sincosxzzzEuuwwb其中a，b为线性模型的系数。类似地，可以对其他三个倾斜波束做同样处理。步骤二：步骤二：由四个倾斜波束上点的矢量风估算该高度上的垂直波束上点的矢量风。2sinEWVaau2sinNSVaav2cosEWVaaw00(x)(x)(xx)VVA 水平面上五个点也满足线性风场模型，可由四个倾斜波束上的矢量风计算垂直波束上矢量风。如果只附加垂直速度水平均匀假定，就可以得到垂直波束该点矢量风各分量与倾斜波束上线性模型系数的关系如下4 风廓线雷达的应用探
24、测个例：切变线 锋区 雷暴 飑线 大气边界层 风廓线雷达以其高时空分辨率，能及时准确地提供大气流场和大气湍流场的信息，识别易引发灾害性天气的中小尺度系统。探测风切变探测风切变风切变线：风向、风速的不连续线。2.探测冷锋冷锋冷锋：在锋面移动过程中，冷气团起主导作用，冷气团推动锋面向暖气团一侧移动。冷锋天气：分冷锋天气：分第一型冷锋天气和第二型冷锋天气第一型冷锋天气第一型冷锋天气：坡度小，在高空槽线前部并接近地面低压中心附近的冷锋段的天气多为稳定性的。降水区出现在锋后，多为稳定性降水，当锋前暖空气不稳定时，地面锋线附近常出现雷阵雨。第二型冷锋天气：第二型冷锋天气：坡度大，高空锋区多为下沉运动，该冷
25、锋段上的天气多为不稳定天气。狂风暴雨，雷电交加，风速迅速增大，常出现大风天气。探测暖锋暖锋暖锋：由暖气团向冷气团运动形成的。在我国出现的机率比较小，秋季一般只在东北地区、江淮地区、江淮流域出现，夏季多出现在黄河流域、渤海地区的气旋中。暖锋天气暖锋天气：在夏季，如暖空气不稳定，暖锋上也可能出现积雨云、雷雨以及阵性降水等对流天气。探测雷暴雷暴雷暴：在雷暴云中放电、雷鸣、狂风暴雨的一种强对流天气，多发生在夏季。云中盛行上升气流，湿度高于周围。雷暴天气雷暴天气：雷电、狂风、暴雨。探测飑线飑线飑线：由排列成带状的雷暴群的十分狭窄的对流性天气带。飑线天气飑线天气：风向突变、风速急增、气压骤降，并伴有雷暴、
26、暴雨、冰雹等。2005.4.25 2005.8.17大气边界层的研究 V24m/s16m/s主要降雨出现在23:00以后，最大降雨出现在00:00以后。V20m/s分析强风暴的风场结构 东北风偏东风东南风东南风增大东南风减小南风 风廓线雷达与无线电探空仪两种测风方法的比较风廓线雷达无线电探空仪探测原理 通过大气湍流对电磁波的散射作用，根据多普勒效应获取不同波束方向的径向速度。在一定风场假设条件下，利用处在同一高度面上的几个点的径向速度计算水平风，垂直风可由垂直波束直接探测采用气球作为示踪物，根据一段时间内气球飘移的距离计算水平风探测方法 在确定的空间探测大气的流动情况，属定点观测探测的是个别流
27、点在不同时刻位置的变化，属流点观测探测资料 可提供水平风廓线、垂直风廓线（垂直风廓线可以直接测量，也可计算获得）仅提供水平风廓线，无法获取垂直风廓线数据分辨率测风的时间分辨率取决于波束数、脉冲重复周期、脉冲积累次数以及算法，一般在几分钟左右业务应用每天两次定时观测。每次观测约需30min。每组数据是取样时间点前后几分钟的平均值技术问题 数据代表性随高度不同因为气球平飘，获取的风廓线不是严格的局地垂直廓线香河香河VHFVHFSTST雷达雷达 工作频率：78MHz 天线面积：10000m2 波束宽度：1.988.7，1.984.1，1.981.98 扫描角度：020(正交)峰值功率：225kW，4
28、50kW，900kW可选 FFT点数：可控2N，N=110 最低测风高度：1.5km 天馈1296*2振子收/发开关发射机36台频率源接收机数据处理系统相位调整雷达控制系统VHF脉冲雷达系统方框图脉冲雷达系统方框图051015202501020304050风 速（米/秒）高度（公里）VHF雷达 香河探空 北京探空010203040500510152025VHF雷达、北京探空、香河探空风速对比（2000年4月16日）风廓线探测精度分析 数据使用北京延庆（115.96E，40.45N）CFL-08对流层风廓线雷达，海拔高度为487.90m，探测波长为674mm，发射频率445MHz，倾斜波束天顶角
29、为14。高模式距离库长240m，43个距离库，FFT点数为512，采样起始高度为1950m，终止高度为12030m；低模式距离库长120m，27个距离库，FFT点数为256，采样起始高度为150m，终止高度为3270m。选择2010年3、6、9、12四个典型代表月连续观测资料进行分析，风廓线雷达每小时大约观测1214个时次，除去3月份6天数据缺测和其它月份个别时次缺测，共有115天约36960个时次观测数据。根据地面逐小时降水资料将数据分为两大类：晴空和降水，降水数据样本延伸至降水前后5小时，延庆位于北京的北部山区，在风廓线雷达站点出现的降水日数相对较少，共观测到15次降水过程，文中对共计34
30、380个时次的晴空、2580个时次的降水资料分别进行了统计分析。0结果分析测风可信度数据可信度区域最大高度6月最高为8km，9月为7km，3月、12月较低为5km,6、9月份测风质量优秀区域较大，而3、12月份则较少。降水分析a.层状云降水图中可以看出，相对于晴空大气，降水过程中风廓线雷达测风精度较好的区域在高度上有所增加，范围有所扩大，水平风速标准差较大值出现在降水前1-2小时，而在降水过程中水平风速标准差有所减小，在降水期间大气较为平稳，垂直波束的径向速度代表性较好，基本符合均匀风场假定。降水分析a.层状云降水图中可以看出，相对于晴空大气，降水过程中风廓线雷达测风精度较好的区域在高度上有所
31、增加，范围有所扩大，水平风速标准差较大值出现在降水前1-2小时，而在降水过程中水平风速标准差有所减小，在降水期间大气较为平稳，垂直波束的径向速度代表性较好，基本符合均匀风场假定。降水分析b.对流性降水相对于层状云降水，对流性降水时间短、雨量大，大气运动剧烈，风场变化复杂，降水前12小时水平风速标准差变化相当明显，在图中呈现柱状区域，水平风速标准差偏大，甚至达到4m/s，表明在强降水出现前的1-2小时，测站上空垂直方向上的大气风场呈现较强的局地不稳定，这种柱状的区域可以作为强降水的一个预警指标。在降水过程中，雷达探测的高度基本达到最大设计探测高度12km，探测高度高，即使在高空，水平风速标准差也基本不超过1.5m/s。风廓线雷达应用中存在的问题 频率问题 设备型号不统一 信号处理、数据处理和质量控制方法不统一 缺乏一些相应的规范 风廓线雷达网的布局 风廓线雷达资料的应用 谢 谢！
