2022年2022年雷达复习 .pdf

雷达气象学绪论&第一章雷达基本概念1.常用的测雨雷达波段与波长？X波段 3.2 cm、C波段（反射强，内陆地区，一般性降水）5.7 cm、S 波段（穿透能力强、衰减少，沿海地区，台风、暴雨）10.7 cm 2.雷达主要由哪几部分组成？雷达数据采集子系统（RDA）：A.发射机：RDA是取得雷达数据的第一步发射电磁波信号。RDA主要是由放大器完成，产生高效率且非常稳定的电磁波信号。稳定是非常重要的，产生的每个信号必须具有相同的初相位，以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦信号产生，就被送到天线。B.天线：将发射机产生的信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量，确定目标物的强度，同时确定目标物的仰角、方位角和斜距进行定位。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（共有三种）、体扫模式（VCP）和工作模式（分为晴空和降水两种模式）。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）（我国）扫描方式#3：10 分钟完成 5 个不同仰角上的扫描（5/10）体扫模式定义 4 个：VCP11-VCP11 规定 5 分钟内对 14 个具体仰角的扫描方式。VCP21-VCP21 规定 6 分钟内对 9 个具体仰角的扫描方式。VCP31-VCP31 规定 10 分钟内对 5 个具体仰角的扫描方式。VCP32-VCP32 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。工作模式：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。C.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。D.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，以及多普勒数据的退距离折叠。雷达产品生成子系统（RPG）：产品生成、产品分发、通过 UCP(雷达控制台）对整个雷达系统进行控制。主用户处理器（PUP）：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，并将它们以适当的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 19 页 -形式显示在图形监视器上。宽/窄带通讯子系统（WNC）及附属安装设备3.雷达的定位原理（距离、方位、仰角）？目标位置的确定由于雷达收发共用天线，雷达的定位就是目标的定位1、方位：极坐标 360 度，正北方位 0 度，顺时针旋转2、仰角：地平为 0 度，向上为正3、距离：以雷达为中心，径向延伸R=C*dT/2,C：光速；dT：电磁波从发射到接收的时间4.常用的雷达参数是哪些？1、波长：电磁波传播时，从一个周期的起点到下一个周期的起点之间的最短距离。波长反映了波在空间上的周期性。2、脉冲宽度：一个脉冲的持续时间3、脉冲长度 h=c：一个脉冲在空间走过的长度4、脉冲重复频率 F（PRF）：每秒钟发射脉冲的次数5、脉冲重复周期 T：从一个脉冲前沿到下一个脉冲前沿所持续的时间，F与 T 互为倒数6、平均功率 Pav与发射功率 Pt7、发射信号8、回波信号5.天气雷达常用的显示方式？PPI：平面位置显示器，简称平显。天线固定某仰角，以正北方向为起始方位顺时针作全方位 360 度圆锥扫描，显示目标的距离与方位。RHI：距离高度显示器，简称高显。天线固定某方位，做俯仰扫描，显示目标的垂直剖面。CAPPI：等高平面位置显示器(PPI所显示的是锥面回波，当天线的仰角不是0时，并受地球曲率的影响，雷达天线的波束在不同距离上的高度不同。实际工作中需要等高面的回波显示-等高位置平面显示器（CAPPI），用体积扫描（不同仰角的一系列PPI扫描）资料经计算机插值处理而合成。6.分贝的定义与应用。分贝的定义：0log10PPNP:比较值P0:基准值表示电信号在传输过程中功率增加或减少的计算单位第二章气象目标对雷达电磁波的散射1.为何引进散射函数？在三维空间的图像及在三个坐标面上的图像？散射函数（方向函数）反映单位面积上入射波转化成散射波的能力，为了定量地描述散射能量分布的方向性。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 19 页 -2.推导瑞利散射时散射截面的表达式Qs。2224654isiss2m1m3r128d),(S/dASS/PQ3.比较小粒子的散射截面、后向散射截面及几何截面的定义式、物理意义、大小？散射截面：dQs4,物理意义：反映粒子的总散射能力大小：222465213128mmrQs后向散射截面（雷达截面）：isSRS24意义：以入射波能流密度Si乘上雷达截面，得到一个散射粒子的总散射功率，当散射粒子以这个功率作各向同性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该粒子在天线处造成的实际的后向散射能流密度。大小：22246521mmD几何截面：42DS4.瑞利散射与米散射的主要区别与联系？联系：均为球形粒子造成的散射。区别：瑞利散射：dn2n3，从地面向上，折射角大于入射角2.折射率 n 与 P、e、T的关系？)4810(6.7710)1(6TepTnNn 主要随 P减小而减小3.熟悉 5 种典型折射的特点（定义、路径、判据、等效地球半径）标准大气折射传射路径不是直线，而是微微向下弯曲由于 K 值比地球曲率15.7*10-8m-1要小，所以传播路径曲率在直线和地球曲率之间。等效地球半径：kmRdhdnRRRmmmm8500341名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 19 页 -010*4117.010*418112mdhdnKmdhdMmdhdN临界折射：射线相对于地表的曲率为0 010*0110*7.15612dhdndhdMdhdnRdhdnmdhdNm电磁波绕地球表面一定高度传播而不与地面接触，等效地球半径mR超折射：射线曲率大于地球表面的绝对曲率时的折射010*0110*7.15612dhdndhdMdhdnRdhdnmdhdNm射线将弯向地球，经地面反射后继续向前传播，这种过程重复多次，使射线在地面和某一大气层之间辗转的向前传播。等效地球半径0mR负折射：射线传播路径的绝对曲率小于零时的折射。K0 折射向上弯曲。等效地球半径：mmRR零折射：射线的绝对曲率等于0 的折射。K=0 沿直线传播，mmRR4.超折射产生的气象条件？通常有哪几种超折射？易形成超折射的气象条件：1）逆温 2）上干下湿名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 19 页 -1 辐射超折射：地面，晴夜，辐射降温，潮湿，早晨观测多见日出后消散2 平流超折射：干、暖空气移过冷水面（大陆热空气吹向洋面）3 雷暴超折射：雷暴消散期，降水使地面冷却，在雷暴下部形成下沉冷空气，地面湿度增加。5.为何引进等效地球半径？其等效的条件？引入目的：射线弯曲传播，为方便计算路径，引入等效地球半径。假设条件：1）射线直线传播；2）射线与地面相对曲率不变6.大气折射和地球球面对探测目标物高度和Rmax的影响？无折射时距离高度关系:222)(HRRRmmHRHRRm57.32标准大气折射：mmRRHHRHRR215.422折射使探测距离增加7.测高公式如何定义的？标准大气的测高公式？测高公式：mRRRhH2sin2h 是天线高度（海拔），?是天线仰角，R是斜距，H是波束中心轴线在斜距R处离地面的高度标准大气测高公式：17000sin20RrhH第六章雷达定量测量降水1.Z-I关系的理论推导有何假定？假定：1）降水均匀分布，滴谱不随时间变（M-P 分布）：DeDcDDND1名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 19 页 -2）雨滴在静止大气中下落末速：12DcDv3）近地面垂直气流小，可略；4）小雨滴，满足瑞利散射：RkdRtrZmmRhGPP02.022222112310212ln10242.建立 Z-I关系的基本原理？根据雷达气象方程RkdRtrZmmRhGPP02.022222112310212ln1024当衰减 K=1，充塞系数=1时，令雷达常数=C 22221123212ln1024mmhGPCt，则2RCZPr，所以，若知 Z-I，则可知 Pr-I关系3.为什么说 Z-I关系是不稳定的，它受哪些因素影响？4.M-P 分布的形式？M-P 分布 Z=200I1.6具有普适性吗？形式：DeNDDND0，此公式适用的雨型是层状云稳定性降水。5.零度层亮带如何影响降水估计的精度？若零度层亮带在有效照射体积内，由于雪片潮湿和下落速度较低等因素影响，将使亮带内的反射因子可能超过亮带以下的Z值 5-10dB。若有效照射体积在零度层亮带以上，由于体积内的水成物大都是干雪片和冰晶，其向后散射能力较弱，使得反射因子较小，从而会低估地面降水量。第七章脉冲多普勒天气雷达探测1.多普勒天气雷达与常规天气雷达的区别？（基本信息，电磁波的振幅与相位）多普勒雷达是相干雷达，能够提取降水目标的强度（反射率因子）和速度（径向速度、速度谱宽）信息的天气雷达，相位、振幅是固定，时空分辨率高，同时测量降水量的分布和流场结构，特别是比非相干的天气雷达更有效地识别龙卷气旋的特性，增加龙卷的预警时间，大大改善了对强对流天气和强降水天气的预警和短时预报能力；常规雷达是非相干雷达，观测目标的回波位置和强度分布，相位、振幅是随机的。2.什么是运动目标的多普勒效应。多普勒效应是指波源（目标物）相对于观测者运动时，观测者接收的信号频率与波源发出的频率不同，而且发射频率和接收频率之间的差值与波源运动的速名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 19 页 -度有关，这种现象称为多普勒效应。3.相干与非相干及全相干与自相干概念。相干与非相干：1）相干电磁波在传播时其相位在不同地点不同时间的相关性。即电磁波的相位是固定的，或按一定的方式变化。相干波的总功率是各个波功率的矢量和。2）非相干波的相位是随机的，它在2的间隔内均匀分布，是由目标中包含的散射粒子的不同的运动速度而造成的。非相干波的平均功率是各个波散射功率的代数和。全相干和自相干：1）全相干多普勒雷达系统的特点各个发射脉冲的载波相位不仅是相干的（相位固定），而且每个脉冲具有相同的高频初始相位。发射波末级电路由速调管组成。锁住初相位。亦称高频相干（高频锁相）。2）自相干多普勒雷达系统的特点初相位随机，发射波末级电路由多腔磁控管组成，用中频锁相技术实现相位信号提取。亦称中频相干（中频锁相）。4.多普勒频率与径向速度的关系。rdVf25.全相干工作原理与系统框图。使用主振功放式发射机，采用周期的视频脉冲作为波门，对一个稳定的射频连续振荡进行时间选通，产生周期性矩形包络的射频脉冲列，再经过功率放大。全相干多普勒雷达结构框图：fo-高频，fm-中频，fd-多普勒频移6.多普勒谱矩（信号的统计特征：平均功率，径向速度，速度谱宽）多普勒谱矩：通过多普勒雷达得到的功率谱资料，可计算出散射信号的平均功率，散射粒子的平均多普勒速度和径向速度的方差。多普勒谱的 n 阶矩：dvvSVVnn平均功率rP多普勒谱的零阶矩：在雷达的有效照射体积中，位于径向速度V到 V+dV间隔内的粒子散射到接收机的功率为S(V)dV，因此雷达天线名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 19 页 -接收到的平均功率就是在所有上对S(V)的积分。S(V)-功率谱密度rdrVfdffSdVVSP2平均径向速度（平均多普勒频率）多普勒谱的一阶矩：dVVVSPdVVSdVVVSVr1径向速度的方差（谱宽、多普勒谱的方差）多普勒谱的二阶矩dVVSdVVSVVv227.Nyquist采样定理？最大不模糊速度Vmax？最大不模糊距离Rmax？Vmax与Rmax之间的关系？如何分析回波图像上的最大不模糊速度及最大不模糊距离？Nyquist 采样定理：要使信号采样后能不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。（F2 fd）采样频率F（PRF）脉冲重复频率；信号频率fd多普勒频率最大不模糊速度 Vmax：4maxFV最大不模糊距离 Rmax：FCR2maxVmax和 Rmax之间的关系：8maxmaxCRV8.多普勒雷达如何测大气垂直速度当多普勒雷达垂直指向天顶时，观测的平均多普勒速度Vr 是大气垂直速度 与粒子群在静止大气中的平均下落末速0之和，若能大致估计粒子的平均下落末速，则可根据实测的多普勒速度，算出大气的垂直速度。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 19 页 -9.多普勒雷达如何测大气湍流？影响速度谱宽的气象因子中垂直风切变、波束宽度、下落末速不均匀三个因素的影响很小，可以忽略。所以，速度谱方差主要与大气的湍流（3）有关，由此可以测量大气湍流。10.水平风场的 VAD 技术？（均匀风场、线性风场）VAD（速度方位显示）：假设大范围降水区内的风场是水平均匀的，单多普勒雷达以一个固定的天线仰角，令雷达波束绕垂直轴作360 度旋转，利用不同的距离库可反演出不同高度上的平均水平风向风速和垂直方向的平均多普勒速度。均匀流场的风向风速：若流场均匀，当仰角不变时，雷达测到的某一固定距离上的VAD径向速度呈余弦方式变化。当雷达天线指向水平风来向时，=0+，径向速度取极大值：V=V1=Vf sina+Vhcosa；当雷达天线指向水平风去向时，=0，径向速度取极小值：V=V2=Vf sina-Vhcosa 比较两式，得被测高度上的水平风速：aVVVhcos221水平风向：径向速度极小值时的方位角；垂直方向的多普勒速度：aVVVfsin221非均匀流场的风向风速、辐散、形变：当水平风场不均匀时，VAD曲线不是余弦曲线，而VAD曲线的非简谐震荡提供了水平风场更多的信息。对 VAD曲线做作谐波分析，对傅里叶级数作 0 次、1 次、2 次谐波展开，可获得水平风场的散度、风向风速及形变信息。10s i nc o s2nnnrnbnaaV分析可知：散度是零次谐波的振幅：yVxVRayx0平均风速、风向是一阶谐波的振幅、相位：1111,baarctgVbVayx变形场是二阶谐波的振幅、相位：yVxVRbyVxVRayxyx2,222第八章多普勒径向速度回波的识别和分析1.请熟悉各种风向风速垂直分布的理想多普勒速度分布特征。（见ppt)2.怎样判断零速度线的特征？如何由它分析涡旋、辐合和切变零速度线分布特征：1.零速度线走向与向径平行纯旋转气旋：右正左负，反气旋：左正右负2.零速度线走向与距圈平行纯辐合、辐散辐合：内正外负，辐散：内负外正名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 19 页 -3.零速度线走向有明显折角风向切变锋面过境：雷达中心在锋前、锋线上、锋后3.远离分量（+）和趋近分量（-）的分布特征？它们与距离圈、向径、原点的对称关系？正负面积大小所对应的实际物理过程（辐合-发展，辐散-减弱）？4.锋面移向、移至、移出雷达中心的径向速度分布特征？移向：开始有 NE-SW走向然后折为 NW-SE走向的零线，零线附近等值线密集，零线有明显折角，折角在雷达中心北侧。锋后西北风，锋前西南风。移至：折角位于雷达中心点移出：折角位于测站以南。5.什么是蓝金复合速度剖面？请根据它分析风暴从低层到高层的典型速度分布特征。蓝金复合速度剖面：从环流中心（其速度为0）起，切向速度线性增加到核半径处达到最大值，核半径以外切向速度以与距环流中心距离成反比的方式递减。6.什么是 TVS？它在径向速度场的特征？与中尺度气旋的关系？TVS：中尺度气旋中的龙卷涡旋特征TVS在径向速度场的特征：正负径向速度峰值正好相距一个波束宽度。与典型a 低层-辐合b 中低层-纯旋转c 中高层-辐散旋d 高层-纯辐散a 低层上升气流下面的辐合运动结合中气旋转动，形成辐合性气旋b 中下层为纯气旋运动c 中上层，风暴顶部的辐散运动与中下层纯气旋运动相结合，形成气旋性辐散d 中气旋顶以上的风暴顶部为纯辐散气流，注：有的风暴回波顶较低、或中气旋向上伸展很高、或距雷达很近而探测仰角不高时，此特征可能探测不到名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 19 页 -中气旋速度回波相比，TVS的正负速度中心区更向气旋中心靠近。TVS都出现在已存在的中尺度气旋中。第九章雷达回波的识别和分析1.雷达回波有哪些探测内容？dBZ 反射率因子降水回波的位置、范围、高度、强度、强中心位置、回波形状、结构、性质（气象或非气象）、移向移速、演变趋势Vr 径向速度分布零速线的分布、正负速度的面积、辐合辐散、涡旋、切变线、逆风区、锋区2.旁瓣假回波的原理及探测意义？原因：旁瓣、尾瓣在近距离处遇到强回波，也会产生一定的散射并显示。由于显示的扫描线主轴中的主轴同步，所以旁瓣回波在主轴方向显示出。意义：假回波的下方回波很强，常作为冰雹回波的识别依据之一3.地物回波的特征，它与超折射回波的关系？4.什么是零度层亮带？其形成原因及意义？零度层亮带（0层亮带，融化带，亮带层状云降水中出现在零度层之下（几百米）的一个高强度回波带（厚度1km）亮带形成的原因：1 融化效应：冰融化为水-介电常数增加-散射能力增强（小粒子时水滴比冰晶散射强 5 倍）；2 碰并效应：下落融化中-碰并聚合作用-粒子直径 D 增加-Z增加；3 速度效应：冰粒融化后-球形水滴-降落速度增加-单位体积粒子个数减少-总散射减少-亮带以下回波减弱-突出了亮带4 粒子形状效应：冰雪粒子下降融化中-不是球形-散射能力增强（非球形粒子散射大于球形粒子散射-书上图 1.20）5 粒子破碎效应：大雨滴破碎为小雨滴-直径 D 小-Z降低-亮带下 Z减小亮带的意义：1 它是层状云连续性降水的一个重要特征；2 反映了此类降水中有明显的冰水转换区，利于探讨降水机制；3 表明层云降水中气流稳定，无明显对流活动；4 可由亮带位置，大致确定零度等温线高度。5.晴空湍流回波的散射原理？Bragg散射，大气中温、压、湿梯度强6.降水云回波名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 19 页 -7.雷雨和阵雨的相同与区别？雷雨和阵雨的相同点：皆为积云对流降水（PPI：块状，RHI：柱状）区别：雷雨阵雨有闪电无闪电结构密实，边缘清晰，尺度大，10-20km结构松散，边缘模糊，尺度小，10km回波强度 40dBZ回波强度 40dBZ垂直高度 6-8 km，飞行避雷雨垂直高度 5-6 km名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 19 页 -第十章多普勒雷达探测对流云1.单个单体雷暴的气流特征与回波特征？雷达回波特征：回波较垂直，单体对称，少移，冰雹小，灾害小。气流特征：回波强度相对较弱，回波面积小，发展高度低、生命史较短，上升与下沉气流无明显的倾斜性，气流结构易受损坏，不易发展强盛。2.多单体风暴的 RHI概念模型与回波特征？3.超级单体风暴的PPI和 RHI的概念模型及各自的回波特征？PPI典型回波特征：（不同高度的特征不同）1)单体（圆，椭圆）2)前进方向的右后侧：有界弱回波区，强上升气流，入流缺口）3)弱回波的左侧为最强回波4)低层的钩状回波在弱回波附近-超级单体的特征回波5)主回波下游（云的高处）有砧状回波RHI典型回波特征：1）弱回波穹（入流缺口，逆风区）；2）悬挂回波（冰雹胚胎帘，孕育冰雹区-各种力的作用）；3）回波墙（强弱回波区分界）；4）强回波区（落雹区）；5）云砧（高空风所致的强出流）4.超级单体与单个单体风暴均为单一的单体，它们之间的差异？超级单体风暴：一种有特殊结构的强雷暴。高度组织化的内部环流，不连续传播。水平尺度：几十km 生命史：几小时天气现象：强灾害天气，伴有强风、局地暴雨、冰雹、下击暴流、龙卷风暴出现的典型环境：1）大气层结强不稳定；2）云下平均环境风强；3）通过云层有强的垂直风切变；4）风随高度强顺转。5.针对各种天气尺度的运动规律，认识雷暴的移动与传播的关系（平移-环境风；传播-对流单体的生消演变）。系统运动依赖于单体的运动和传播。单个对流单体通常以大约90%的平均移动风速移动，有向右的轻微偏差传播是受新单体在系统侧面形成的速度影响的6.钩状回波的形成机制？钩状回波形成机制-伯努利原理，Magnus 效应7.飑线的定义、天气现象及回波特征？定义：呈线状排列的中尺度雷暴群。天气现象：风向突变，风速急增，气温下降伴有雷雨、大风、冰雹、龙卷等。8.认识阵风锋及在CSI中的作用。阵风锋在对流尺度相互作用CSI中的作用：阵风锋-雷暴云体冷性外流气流的前缘，常以风速增强和明显降温作为主要特征9.VCS上多普勒速度的分析原则。1)不直接做垂直剖面扫描,所以严格意义上不是RHI 2)由体积扫描资料，处理为VCS（Velocity Cross Section）-速度垂直剖面3)遵循多普勒效应原则，剖面必须经过雷达中心；类似PPI的分析原则4)考虑水平速度对垂直速度的影响（两者量级不同，大约差两个量级，水平：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 19 页 -m/s，垂直：cm/s;强对流时两者量级相当）5)考虑垂直上下速度的互相抵消作用6)中尺度气旋时，可以在速度偶的法线方向取剖面第十一章雷达探测强对流天气第十二章多普勒雷达探测暴雨第十三章多普勒雷达探测台风1.冰雹云的典型回波特征？1)V 型缺口-强衰减所致（衰减中已简介）2)钩状回波（入流缺口）（超级单体回波已介绍）3)辉斑回波（三体散射、指状回波）4)RHI回波典型特征（超级单体回波已介绍）5)旁瓣假回波（假回波中已介绍）2.下击暴流的回波特征？下击暴流的位置？下击暴流的回波特征：1 钩状回波2 弓状回波下击暴流的位置:3.下击暴流与龙卷在超级单体中的位置与关系？龙卷与下击暴流的关系（上升和下沉的涡管）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 19 页 -4.雷暴、下击暴流、外流边界、阵风锋的位置与关系？5.在垂直剖面上暴雨与强风暴的Z值有何不同？6.暴雨回波的特点？7.锋面气旋回波的特点？三维涡管结构名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 19 页 -8.台风回波的特点？台风的回波结构：1)台风眼无回波的圆形区（晴空下沉区）2)台风云墙区台风眼外围圆环状的强回波区（强上升区）3)台风螺旋雨带云墙区向外至台风外缘（若干条雨带）4)台前飑线台风主体云区前方几百公里处的飑线9.台风中的龙卷及钩状回波特征？（东风带）题型：名词解释、填空、回波分析（画图）、问答题（现象、计算）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 19 页 -