2023年湛江气象多普勒天气雷达应用基础知识学员手册.pdf

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1、 民航湛江空管站气象台 多普勒天气雷达应用基础知识 学员手册 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 2 目录 1.学习约定.3 2.学习指引.3 3.课程安排.4 4.课程结构.5 5.课程内容.6 1.多普勒雷达的基本构成和基本原理.6 1.1 单元一二级大纲.6 1.2 单元理论和实操要点.6 1.3 专业知识概述.7 1.4 术语解释.20 1.5 课堂练习.20 2.多普勒雷达的回波识别和分析.21 2.1 单元一二级大纲.21 2.2 单元理论和实操要点.22 2.3 专业知识概述.22 2.4 术语解释.36 2.5 课堂练习.37 3.运用多普勒雷达对各类天气现象的探测和预警.37

2、 3.1 单元一二级大纲.37 3.2 单元理论和实操要点.38 3.3 专业知识概述.38 3.4 术语解释.47 3.5 课堂练习.47 6.附件.48 附件 1.课堂练习参考答案.48 附件 2 岗位工作指引：雷达图的分析与释用.50 附件 3 扩展学习资料.51 附件 4 培训后工作计划表.52 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 3 1.学习约定 为使培训能够达到预期的目标，请阅读并遵守以下事项：一、严格遵守课程时间安排。二、课程学习中，请将手机调到震动或关机状态。三、认真听讲，积极参与课程中的研讨、练习。四、敞开心扉，接纳来自老师和同学的见解或建议，并乐于分享自己的经验与收获。五、

3、有关课程学习的疑问或建议，及时向培训工作人员或老师提出。六、把学到的技术技能运用于岗位工作实际。2.学习指引 为了确保培训效果，建议采取以下学习方法：一、认真听讲，通过参与案例分析、实操练习等活动加深理解。二、积极分享，并乐于接纳来自教员和同事们的见解和建议。三、精读教材，梳理知识结构，总结实操心得。四、定关键词，据此查阅规章和岗位技术资料，扩大岗位知识面。五、主动征求主管领导的支持和反馈，尽快把学到的技术技能运用于岗位工作实际。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 4 3.课程安排 课程名称 多普勒天气雷达应用基础知识 课程目标 1.掌握多普勒雷达的发展史，结构组成和探测原理，重点掌握多普勒两

4、难、速度模糊距离模糊的产生原因及实际运用。2掌握多普勒雷达的回波分析，并运用于识别各类回波；掌握各类天气现象的探测运用。3.运用前两章节的内容，结合实际运用于多普勒雷达的实际分析工作中。培训评估 1.笔试：闭卷考试；2.操作：各类雷达案例的分析。教学内容 1.多普勒雷达的基本构成和基本原理 2.多普勒雷达的回波识别和分析 3.运用多普勒雷达对各类天气现象的探测和预警 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 5 4.课程结构 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 6 5.课程内容 1.多普勒雷达的基本构成和基本原理 1.1 单元一二级大纲 课程内容 笔记 0.课程开场 0.1 教员介绍和学习约定 0.

5、2 内容概览 0.3 学习大纲和学习目标 1.多普勒雷达的基本构成和基本原理 1.1 多普勒雷达的基本构成和主要运用领域 1.2 多普勒天气雷达的工作原理 1.2 单元理论和实操要点 1.多普勒雷达的基本构成和主要运用领域 通过介绍多普勒雷达的基本构成和主要运用领域，帮助学员理解多普勒雷达的构成和用途。2.多普勒天气雷达的工作原理 介绍多普勒雷达的工作原理，让学员对多普勒雷达的原理形成整体的认识。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 7 1.3 专业知识概述 一、多普勒雷达的基本构成和主要应用领域 （一）引论 天气雷达是探测降水系统的主要手段，是对强对流天气进行监测和预警的主要工具之一。如今应用

6、最为广泛的是多普勒天气雷达，它除了测量雷达的强度（反射率因子强度）以外，还能测量降水目标物沿雷达波段径向的运动速度（径向速度）和速度谱宽。（二）天气雷达发展简史 天气雷达的应用最早使用于二战时期，主要用于军事用途，后来被引进于气象。大致的发展主要有以下四个阶段：（1）20 世纪 50 年代以前，用于气象部门的天气雷达主要是由军用的警戒雷达进行适当的改装，代表型号有美国的 WSR-1、和 WSR-3，应该的 Decca41 和 Decca43 等。（2）20 世纪 50 年代中期根据气象探测的需求，开始设计专门用于检测强天气和估测降水的雷达，并由此命名为天气雷达。代表型号有美国的 WSR-57

7、S 波段天气雷达，日本的 JMA-1-9 C 波段雷达。国内生产的有 713 雷达（目前湛江空管站使用的型号）、714雷达等等。（3）20 世纪 70 年代中期以后，随着计算机和数字技术的广泛使用和对天气雷达定量估计降水的观测资料做进一步处理的需求，天气雷达采用了数字技术和计算机处理。并且通过计算机连接形成了天气雷达系统。代表作有美国的 WSR-81S 天气雷达系统。（4）步入 20 世纪 80 年代，美国开始研究多普勒天气雷达，并开始大批量生产布站。WSR-88D 就是这个时期的代表型号，在功能上相比前三期有了相当大的提高。（三）、我国新一代天气雷达的种类及其区别 目前，我国新一代天气雷达（

8、CINRAD）主要有 7 种型号，其中 S 波段的由三种型号，为 SA、SB 和 SC。C 波段有 4 种型号：CB、CC、CCJ 和 CD。其中，SA、SB 和 CB 是中美合资企业敏视公司按照美国 WSR-88D 的规格生产的。SC 和 CD 是国营七八四厂研制的。CC 和 CCJ 是电子工业部合肥 38 所研制的。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 8 我国新一代天气雷达布局原则:（1）、沿海多降水地区和四川盆地布设 S 频段雷达；（2）、中部地区(第二地形台阶)布设 C 频段雷达；（3）、其它地区(第一地形台阶)暂不布设；（4）、组网雷达站密度应能有效覆盖布网区域；（5）、全国布网 1

9、58 部新一代天气雷达；（6）、广东雷达站:广州、韶关、梅州、汕头、阳江、湛江、汕尾。下面附一张我国新一代天气雷达网点分布图。图 1.1 新一代天气雷达站点分布图（非最新）（四）、我国新一代天气雷达系统简介 新一代天气雷达（CINRAD）由若干子系统构成，每个子系统都是由计算机控制，主要有：雷达数据采集子系统（RDA），雷达产品生成子系统（RPG）和主用户终端子系统（PUP）和通讯线路组成。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 9 图 1.2 新一代天气雷达系统组成图 RDA(雷达数据采集子系统)：RDA 是用户所使用的雷达数据采集单元。它的主要功能是产生和发射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射

10、能量，并通过数字化形成基本数据。主要构成部分如下：（1）天线系统：由馈源和反射体组成，发射与接收电磁波（2）发射机：产生电磁波（3）伺服系统：使波束能对准空间任意位置上的降水目标（4）定时器与信号源（5）接收机：高频、中频和视频（6）雷达信号处理器：由可编程数字信号处理芯片及可编程逻辑器件组成 RPG(雷达产品生成子系统)：雷达产品生产子系统是一个多功能的单元。它由宽带通讯线路从 RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生产各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户。RPG 是控制整个雷达系统的指令中心。（1）宽带通讯线路从 RDA 接收原始基本数据,并对其进行质量控制和预处理，形成原始数

11、据文件。（2）生成二次产品：由 dBG，V，W数据转化成气象物理量，并制成图象和图形产品。（3）对原始数据和产品数据进行存档。并将产品通过窄带通讯线路传给用户。PUP(主用户处理器子系统)：住用户处理子系统的主要功能是获取、存储和显示产品。（1）PUP组成：由单元控制台、主用户工作站及辅助用户工作站三部分组成。（2）PUP主要功能：对来自 RPG的气象产品进行各种方式的显示，监视天气并作警报。预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 10 图 1.3 CINRAD-SA 型雷达数据流。由 RDA 的数字化基本数据经 过 RPG 中的各种算法生成了一系列的产

12、品，并通过 PUP 终端显示产品 二、多普勒雷达的工作原理 （一）、气象目标对雷达电磁波的散射 粒子对电磁波作用的两种基本形式是散射和吸收。气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的基础。当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射，下图演示电磁波到达气象目标后向四面八方的散射。图 1.4 粒子的散射 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 11 散射可分为单个粒子的散射和粒子群的散射。单个粒子的散射根据粒子的大小可以分为瑞利散射和米散射。对于入射波长远远大于粒子直径 2r 的散射称为瑞利散射。当球形粒子的=

13、2r/0.13 的散射称为米散射。（二）、多普勒天气雷达探测原理 在学习天气雷达探测原理之前，我们先来学习几个比较重要的概念。多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据频率变化的程度，可以计算出波源沿着观测方向运动的速度。图 1.5 一个静止目标没有频移 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 12 图 1.6 一个运动目标产生频移 多普勒频移：由于相对运动造成的频率变化。多普勒频率：f=2v/波长（cm）径向速度（m

14、/s）1.8 3.2 5.5 10.0 0.1 11 6 4 2 1.0 111 62 36 20 10.0 1111 625 364 200 100.0 11111 6250 3636 2000 表 1.1 波长和径向速度对多普勒频率的影响 由表 1.1 可见，多普勒频率和径向速度称正比，和波长成反比。下面区分一下两组概念便可以正确的学习多普勒雷达的工作原理。1、常规雷达和多普勒雷达：常规雷达没有保持工作频率和相位不变的技术，不能提取多普勒频率信息多普勒雷达能检测到回波信号中微小的频率变化，即降水粒子径向 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 13 速度引起的多普勒频率。2、相干和非相干 相干

15、：波的相位是固定的，或按一定的方式变化。非相干：波的位相是随机的，它在 2间隔内均匀分布 多普勒雷达工作原理简介：通常所用的气象雷达都是属于非相干雷达，它们只能用来确定回波的位置及强度等。脉冲多普勒雷达是一种新型的相干雷达。它以多普勒效应为基础，当降水粒子相对雷达发射波束有相对运动时；可以测定接收信号与发射信号高频频率之间存在的差异（频移）得出所需的信息。用它可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定的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。这对于研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气有着重要的意义。另外，由于降水粒子的运动速度较低，故雷达还必须具有较高的频率稳定性和

16、较高的回波频率鉴别能力，这样才能测出很小的多普勒频移。(三)、最大不模糊距离和距离折叠 最大不模糊距离：一个雷达脉冲在下一个脉冲发射之前遇到目标物并且其回波能够返回雷达的最距离。我们该如何理解呢？最大不模糊距离是这样一个距离，当雷达发出的一个脉冲遇到该距离处的目标物所产生的后向散射波返回到雷达时，下一个雷达脉冲刚好发出。也就是说，雷达波传播到位于最大不模糊距离处的目标物，然后其回波再返回到雷达所用的时间刚好是两个脉冲之间的时间间隔。距离折叠（模糊）：超过最大不模糊距离的探测回波在屏幕上会产生距离模糊。当目标物位于 Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在 Rmax 以内的某个位置，目标物方位是正

17、确的，但距离是错误的。实例演示（图 1-7）：图 1-7描述了一个雷达，它的最大不模糊距离是 250 海里。这就意味着一个脉冲在下一个脉冲发射之前，可以走 500 海里（如果途中没有目标物，就一直走 500 海里，或在 250 海里处碰到目标后返回雷达）。有一个目标物位于 200 海里处。当一个脉冲在200 海里处碰到目标物时，脉冲的大部分能量继续向前走，小部分返回雷达。当目标物的后向散射波到达雷达时，脉冲的大部分剩余能量走到离开雷达 400 海里处。这时由于 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 14 第二个脉冲还没有发射，雷达准确的把目标物定位在 200 海里处。目标物的定位不存在模糊问题。

18、图 1.7 目标物位于最大不模糊距离内的回波 实例演示（图 1-8）：图 1-8描述了一个雷达，它的最大不模糊距离是 250 海里。目标物位于 300 海里处，比最大模糊距离大 50 海里。脉冲 1 在 300 海里处碰到目标物，一些能量返回雷达，同时，脉冲能量大部分继续前进。后向散射波到距离雷达 100 海里的时候，脉冲 2已经发出，当脉冲 1 的后向波到底雷达时，雷达会认为这部分后向散射波是脉冲 2 在 50海里处遇到的目标物，故不能正确的定位处 300 海里处的目标物，而错误的定义为 50海里处的目标物。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 15 图 1.8 目标物位于最大不模糊距离外的回

19、波(四)、最大不模糊速度和速度模糊 最大不模糊速度：多普勒雷达能够测量的一个脉冲到下一个脉冲的最大相移是180（弧度）。与 180相移对应的目标物的径向速度称为最大不模糊速度 速度模糊：如果脉冲真实的相移等于或大于 180，则雷达的速度的测量是不正确的，即速度是模糊的。速度模糊的识别：1、注意最大和最小速度等级的色标。2、在速度图上找零速度区。某点的径向速度为零，说明该点的真实风风向与该点的相对雷达的径向垂直，或者该点的真实风风速为零，肯定是不模糊的。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 16 3、由零速度区向邻近区域扩展，按风速连续性原则，当风速增加或减少超过最大不模糊速度范围时，径向速度由正

20、最大值突变为负最大值，突变边界就是模糊区边界。图 1.9 速度模糊的识别图 速度退模糊算法：速度退模糊既可以通过软件也可以通过硬件的方法实现，这里只介绍方法不深入介绍内容。硬件方法 双脉冲方法（Tang 等，1984；Hildebrand，1996)软件方法 一维方法（Ray 和 Ziegler，1977；Bargen 和 Brown，1980)二维方法（Merritt，1984；Eilts 和 Smith，1990)多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 17 三维方法（Bergen 和 Albers，1988)四维方法（James 和 Houze，2001；Friedrich 和 Caumon

21、t，1996)图 1.10 退模糊前后的回波对比分析图 速度退模糊算法的优点和局限性：优点 （1）速度退模糊算法为基本和导出产品算法提供尽可能好的基速度数据。（2）没有速度退模糊算法就不能识别大于 Vmax 的速度。（3）该算法特别设计成能保存诸如阵风锋、风暴顶辐射、中气旋等重要特征。局限性 （1）不适当的退模糊有时会模糊或掩盖重要的气象特征。造成对产品解释困难，并在某些情况下导致错误的产品解释。（2）算法性能有时会下降。杂波抑制、高谱宽和低信噪比 SNR 会降低算法性能。（3）有时对位于下游的算法造成不利影响。不适当的退模糊的速度将对其他算法 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 18 造成不

22、利影响，导致虚假的中气旋被鉴别为真。(五)、多普勒两难 多普勒两难：根据最大不模糊距离和不模糊速度的表达式知：对特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度不能同时兼顾，其积为一固定值。当 PRF 增大时:Rmax 减小,Vmax 增大当 PRF 减小时:Rmax 增大,Vmax减小没有一个唯一的 PRF 能够使它们同时达到最大值.这就是多普勒两难。其中：脉冲重复频率(PRF):每秒产生的触发脉冲的数目 多普勒天气雷达使用不同的脉冲重复频率测量反射率因子和速度数据。用低 PRF测反射率因子，用高 PRF 测速度。图 1.11 不同的 PRF 值和相应的最大不模糊距离和最大不模糊速度的

23、对照图(六)、雷达的取样技术 1、两种基本取样模态 (1)连续监测（CS）模态：使用一个低 PRF(长 Rmax 和低 Vmax)，可以确定准确的目标物位置及强度，所以不需要使用距离去折叠算法。(2)连续多普勒(CD)模态:使用高 PRF(短 Rmax 和高 Vmax),可以测量准确的速度和谱宽，但是由于相应的最maxmaxmaxmax V241 (V)8CRPRFPRFRC 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 19 大不模糊距离较短，所以必须使用距离去折叠算法。2、三种取样方式 (1)分离扫描（CS/CD）方式：雷达在某个仰角分别用 CS/CD 模态进行重复扫描.(2)交替扫描方式 B:在某

24、个仰角交替使用高 PRF,低 PRF 扫描(3)不考虑距离折叠的连续多普勒方式 CDX 在较高仰角只使用高 PRF 获取反射率因子和速度数据的技术。3、体积扫描模式 VCP(1)VCP11：该模式 5 分钟完成对 14 个仰角的扫描,最低两个采用 CS/CD 模式,中间 5 个采用 B,上面 7 个采用 CDX(2)VCP21:该模式 6 分钟完成 9 个仰角扫描,最低 2 个采用 CS/CD,中间 4 个采用 B,上面 3 个采用 CDX(3)VCP31 和 VCP32 该模式 10 分钟完成 5 个仰角扫描。对于长脉冲的 VCP31，最低三个采用 CS/CD，剩下2个采用CDX。对于使用短

25、脉冲的VCP32，最低2个仰角使用分离取样方式CS/CD，剩下的使用 B。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 20 图 1.12 体积扫描模式 VCP11，VCP21，VCP31 和 VCP32 1.4 术语解释 术语 解释 RDA 雷达数据采集子系统 RPG 雷达产品生成子系统 PUP 主用户处理器子系统 CS 连续监测模态 CD 连续多普勒模态 1.5 课堂练习（填空题）多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 21 1、天气雷达的发展主要经过下面四个阶段：_；20 世纪 50 年代中期；20 世纪 70 年代中期以后；_四个阶段。2、我国新一代天气雷达（CINRAD）主要有 7 种型号，其中

26、S 波段的由三种型号，为_、_和_。C 波段有 4 种型号：_、_、_和_。3、我国沿海多降水地区和四川盆地布设_；中部地区(第二地形台阶)布设_。4、新一代天气雷达（CINRAD）由若干子系统构成，每个子系统都是由计算机控制，主要有：_、_、_和通讯线路组成。5、散射可分为_ 和_（简答题）6、谈谈什么是距离折叠（模糊）和速度模糊？7、什么是多普勒两难？2.多普勒雷达的回波识别和分析 2.1 单元一二级大纲 课程内容 笔记 2.多普勒天气雷达的回波分析及对各类天气现象的探测和预警 2.1 雷达图像的显示方式 2.2 雷达回波的分类和特点 2.3 识别径向速度图 多普勒天气雷达应用基础知识学员

27、手册 22 2.2 单元理论和实操要点 1.多普勒雷达图识别基础与各类气象回波 介绍 PPI 显示方式的介绍；降水回波和非降水回波的介绍；识别径向速度图的基本知识；距离折叠和去折叠算法；速度模糊及退模糊算法；片状回波、块状回波和絮状回波等的介绍 2.3 专业知识概述 由第一部分我们已经了解了多普勒雷达的基本构成和结构原理，接下来这一章重点讲诉各类回波的识别，将学与用结合起来。一、多普勒雷达雷达图识别基础和各类回波分析：(一)、雷达图像的显示方式 雷达扫描方式主要分为三种：（1）PPI 扫描：固定仰角，雷达在 360 方位上做圆锥面的扫描，简称平显。（2）PHI 扫描：固定方位角，雷达在垂直面上

28、做上下扫描，简称高显。（3）VOL 体积扫描：多仰角的 PPI 扫描。另外,CAPPI：等高面位置显示。实际工作中需要等高面的回波显示，用体积扫描资料经过计算机插值处理而合成。(二)、雷达图像的分类 及特点 雷达回波可分为气象回波和非气象回波。而气象回波又分为降水回波和非降水回波。降水的反射率因子回波大致可分为三种类型：积云降水回波、层状云降水回波、积云层状云混合降水回波。积状云降水回波具有密实的结构，多呈块状分布，而层状云降水回波具有均匀的纹理结构，多呈片状分布。积状和层状混合云降水回波具有柳絮状结构。2、雷达回波的分类及特点 雷达回波可分为气象回波和非气象回波。而气象回波又分为降水回波和非

29、降水回波。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 23 降水的反射率因子回波大致可分为三种类型：积云降水回波、层状云降水回波、积云层状云混合降水回波。积状云降水回波具有密实的结构，多呈块状分布，而层状云降水回波具有均匀的纹理结构，多呈片状分布。积状和层状混合云降水回波具有柳絮状结构。图 2.1 雷达回波的分类 图 2-2 气象回波的分类 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 24 图 2.3 非气象回波的分类 下面举出各种回波的气象雷达图：图 2.4 块状的积云降水回波 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 25 图 2.5 片状为主的层状云降水回波 图 2.6 絮状为主的混合性降水回波 多普勒天气雷

30、达应用基础知识学员手册 26 图 2-7 地物回波 左侧为地物回波，会随着角度的抬高而明显的减弱，而右侧为降水回波，不会随着角度的抬高而有明显变化。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 27 图 2.8 海浪回波 东南侧的回波属于海浪回波，出现在 0.5 角，随着角度抬升到 1.5，海浪回波会迅速消失。左侧的 2 条带状回波属于飑线回波。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 28 图 2.9 鸟的回波 层状云连续性降水片状回波 层状云降水又称为稳定性降水或连续性降水，通常是由于大范围空气缓慢上升而成云致雨的。这种降水的特点是降水区的水平尺度较大、持续时间较长、强度比较均匀和随时间变化比较缓慢。回波

31、特征：PPI 回波特征：分布成片，面积较大，边缘模糊，结构均匀，相对较弱（一般在 2030dBZ）；RHI 回波特征：结构均匀，顶部平整，相对起伏较小（相对于对流云降水），垂直厚度不大（一般 56km，因地区、季节而不同），水平尺度要比垂直尺度大得多。天气背景：低压、静止锋、地面暖锋、高空低涡、切变线等 对流云阵性降水块状回波 对流云降水是对流云发展到一定程度时，云中的降水粒子己不能被上升气流所托住而降落形成的。特点是水平范围小、垂直尺度高、强度大、分布不均匀、持续时间短、随时间变化迅速。实为积云降水（对流是积云的特征），包括：阵雨、雷雨、冰雹等。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 29 回波

32、特征 PPI 回波特征：分散的单体，圆形或椭圆形，结构密实，内部有强中心，边界清晰，回波强度和强度梯度较大，小的直径只有几公里，高度只有几公里，属小尺度系统；最大的超级单体，直径可达 30-40km，顶高可以穿过对流层顶，属中尺度系统；RHI 回波特征：柱状，顶部常为云砧状或花菜状，结构中有强中心，高度 6-7km，夏天可大于 10km，最高可达 20km 左右。天气背景：锋面上，冷锋前暖区，气团内部，副高边缘，台风外围 积层混合云降水絮状回波 层状云降水和对流云降水混合在一起的降水，称为混合型降水。回波特征 PPI 回波特征：大范围边缘破碎的片状回波中存在棉絮状的较强块状回波，结构不均匀；P

33、HI 回波特征：在较为平坦的回波顶上，有一个个对流单体突起，高度通常不超过 10km。回波中存在对流云降水的柱状回波单体和不完整的零度层亮带 天气背景：高空低槽，低涡，切变线，地面静止锋 （三）、识别径向速度图的基础知识 雷达只能测量径向速度。当雷达沿着 一个固定的仰角旋转一圈时，可以根据扫描一圈所构成的圆锥面内径向速度的分布推断雷达上空较大 范围内风向、风速随高度的变化，条件是在每一高度上风向、风速比较均匀。假定某一高度上是均匀的西风，则实际风与雷达径向速度之间的关系如图所示。当某高度平面上的实际风向、风速均匀，则雷达以某个仰角作360扫描时，在与这个高度相应的距离圈上，雷达径向速度随方位角

34、的分布是典型的正(余)弦曲线，天线指向风的上风方时，径向速度为最小值，反之，天线指向风的下风方时，径向速度为最大值。图 2-10显示实际风向为西风时的雷达径向速度随方位角的分布曲线，横坐标为方位角，纵坐标为径向速度。可见，雷达波束与实际风向的夹角越大，则径向速度值越小;实际风速越小，径向速度也越小。注意图 2-11中速度值超过了最大不模糊速度 Vmax:，多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 30 因此出现了速度模糊。图中最大径向速度约为+60 m/s 和-60m/s.由于最大不模糊速度范围为-50m/s至+50m/s,上述最大径向速度分别被赋予-40m/s和+40m/s 的速度值，出现了速度模

35、糊。图 2-10 实际风与径向速度关系示意图 图 2-11 均匀西风的径向速度随方位角分布示意图 在径向速度图中，径向速度的大小和正负是通过颜色变化表示的，一般暖色表示正径向速度，冷色表示负径向速度。因此在分析速度图时，应首先查看色标。作为一种约定俗成，离开雷达的径向速度为正，流向雷达的径向速度为负。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 31 当实际风速为零时或雷达波束与实际风向垂直时，径向速度为零，称为零速度；径向速度相同的点构成等速度线；零等速线即由沿雷达径向速度为零的点组成。风场均匀且风速连续的多普勒径向速度分析经验：（1）、零等速线上的实际风向与雷达波束垂直。（2）、若实际风向是均匀的，

36、从测站沿着径向画一条到等零速线上的某一点，过该点画一条矢量垂直于此直线，方向从入流径向速度一侧指向出流一侧，该矢量表示该点的实际风向。（3）、若零等速线为直线，且过测站，则表示在雷达所探测到的各高度层上，实际风向是均匀一致的。（4）、若某高度层出现最大入流或出流径向速度中心，这就是该层的实际风向，且一般出现在距等速线+-90的位置。下面给出几张例子：图 2.12 分析经验 2 实例图 若实际风向是均匀的，从测站沿着径向画一条到等零速线上的某一点，过该点画一条矢量垂直于此直线，方向从入流径向速度一侧指向出流一侧，该矢量表示该点的实际风向。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 32 图 2.13 径

37、向速度图和实际风速对比图 图 2.14 分析经验 4 实例图 若某高度层出现最大入流或出流径向速度中心，这就是该层的实际风向，且一般出现在距等速线+-90的位置。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 33 图 2.15 牛眼型径向速度图 如果实际风速在某一层出现最大值，则径向速度图表现为闭合的最大径向速度区，呈牛眼型结构。S 型径向速度图和反 S 型径向速度图：有些雷达径向速度图呈现 S 型和反 S 型，由风向的分析原理可得知，S 型径向雷达图表示风随高度顺时针旋转，反 S 型表示风随高度逆时针旋转。同时，由热成风原理，当风向随高度顺时针旋转有暖平流，风速高度逆时针旋转有冷平流。故 S 型对应暖

38、平流，反 S 型对应冷平流。图 2.16 S 型和反 S 型径向速度图 同时，还能根据径向速度图分析辐合辅散。如下：多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 34 图 2.17 辐合型径向速度图 图 2.18 辐散型径向速度图 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 35 图 2.19 水平均匀风场情况下，各种垂直风廓线的径向速度型 运用实例：请学员分析锋面过境前、锋面过境时和锋面过境后的雷达径向速度图。图 2.20 锋面过境前雷达径向速度图 提示信息：过境前有 2 条零速度线，南面为 S 型，锋前暖平流，北面微反 S 型，冷平流，西侧全为入流风，故无零速线。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 36 图

39、 2.21 锋面过境时雷达径向速度图 提示信息：2 条零速线在测站汇合，西面开始出现与雷达径向垂直的风，故有零速线出线。北面冷空气呈辐散趋势。图 2.22 锋面过境后雷达径向速度图 提示信息：零风速线基本呈反 S 型，冷空气占据站点周围。2.4 术语解释 术语 解释 PPI 扫描 固定仰角，雷达在 360 方位上做圆锥面的扫描，简称平显。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 37 PHI 扫描 固定方位角，雷达在垂直面上做上下扫描，简称高显。VOL体积扫描 多仰角的 PPI 扫描。2.5 课堂练习(选择题)1、雷达扫描方式主要分为三种_、_、_：2、雷达回波可分为_和_。而气象回波又分为_和_。

40、3、在径向速度图中，径向速度的大小和正负是通过颜色变化表示的，一般暖色表示_径向速度，冷色表示_径向速度。（简答题）4、风场均匀且风速连续的多普勒径向速度分析经验有哪些？3.运用多普勒雷达对各类天气现象的探测和预警 3.1 单元一二级大纲 课程内容 笔记 3.运用多普勒雷达对各类天气现象的探测和预警 3.1 多普勒雷达探测对流云 3.2 多普勒雷达探测风暴 3.3 多普勒雷达探测暴雨 3.4 多普勒雷达探测台风 3.5 多普勒雷达探测锋面系统 学员提问和解答 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 38 课程总结 3.2 单元理论和实操要点 1、对流云的高显（RHI）都有哪些结构 弱回波区（入流缺

41、口，逆风区）；悬挂回波（冰雹胚胎帘，孕育冰雹区）；回波墙（强弱回波区分界）；强回波区（落雹区）；云砧（高空风所致的强出流）2、如何识别低空急流。3.3 专业知识概述 一、多普勒雷达探测对流云 主要分四部分分析本节：普通单体风暴；多单体风暴；超级单体风暴；飑线（一）普通单体风暴：生命史中自始至终只有一个孤立单体的风暴。水平尺度：5-10km 生命史：小于 1h 雷达回波特征：回波较垂直，对称，少移，灾害小。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。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 39 图 3.1 对流单体反射率因子图

42、对流云的基本组成单元,是具有强烈上升和伴随的下降气流的云中紧密区域。在雷达气象学中，由一个主要的强回波核及其周围与之密切相关的回波部分所构成的独立回波区域 图 3.2 单体雷暴云生命史各阶段的垂直剖面图 0层高度之上大的冰粒子最早产生回波，而后降水发展，回波加厚，并出现一个标志着强降水的强回波中心（核）。对流单体的移动方向往往与对流层中层的平均风向一致，而移速则小于平均风速。（二）多单体风暴：由一些处于不同发展阶段的对流单体组成的具有统一环流的强风暴系统。结构与演变：单体处于不同的发展阶段，此起彼伏，新生与消亡并存，风暴向最适合新 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 40 单体生长的方向传播（

43、不是简单平移），跳跃式和消长式移动。由多个单体风暴组成、每个风暴有不同的发展阶段、持续时间可达几个小时。图 3.3 多单体示例图 图 3.4 多单体雷达反射率因子图（三）超级单体风暴：一种有高度组织化的内部环流特殊结构的强雷暴。尺度和生命史：水平尺度几十千米，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，龙卷，下击暴流）多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 41 典型环境：大气层结强不稳定、云下平均环境风强、强垂直风切变、风随高度强烈顺转 超级单体风暴的 PPI 典型回波特征：1、单体（圆，椭圆）；2、移向的右后侧有界弱回波区，在中层呈圆洞形或准圆形，在低空有钩状回波出现（超级单体

44、的特征回波）；3、弱回波的左侧为最强回波；4、主回波下游（云的高处）有砧状回波。如下图所示：图 3.5 超级单体风暴的 PPI 和 RHI 回波图 超级单体风暴的 RHI 典型回波特征：1、弱回波区（入流缺口，逆风区）；2 悬挂回波（冰雹胚胎帘，孕育冰雹区）；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）多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 42 图 3.6 超级单体风暴的 RHI 回波图 下面给出 2 张平显图和高显图的例子：图 3.7 反射率因子平显图 多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 43 图 3.8 反射率因子高显图（四）飑线：呈线状排列的中尺度雷

45、暴群。水平尺度：长约几十至几百公里，宽约几十公里至二百公里。生命史：几小时至十几小时。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。图 3.9 飑线的反射率因子图 二、多普勒雷达探测风暴 主要分二部分分析本节：多普勒雷达探测冰雹云；多普勒雷达探测龙卷；冰雹云的雷达回波特征：（一）、回波强度特别强，可达到 50-55dbz左右。（二）、回波顶特别高。平均可达到 13.4km，最大可达到 14km 以上。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 44（三）、上升气流特别强。在雷达图上表现为墨迹的等风速线。（四）、PPI 图中常有 V 型缺口、钩状回波、辉斑回波。（五）、RHI 图中

46、有穹窿结构、旁瓣回波、辉斑回波等。龙卷是强雷暴中产生的破坏力极大的中小尺度灾害天气。直径一般从几十米到几百米。龙卷的雷达回波特征：（一）、龙卷母体的雷达回波反射率都很强，达到50dbz 以上。（二）、龙卷母体通常也是超级单体风暴，具有超级单体的各种雷达回波特征，如钩状回波等等。（三）、径向速度图上，龙卷母云存在 1-2个中尺度气旋（一对相邻的正负速度中心。）三、多普勒雷达探测暴雨 某一地区降水达到暴雨级别，一般要达到以下 2 条件中的一个：1、降水强度特别大；2、降水持续时间长。（一）从降水强度方面来说，雷达回波必须具备以下几个条件：1、有强回波（Z=45dBZ)。如出现超级单体、多单体等等。

47、2、有一定的降水能力，有特殊结构的中尺度回波系统。3、回波的降水效率要高。一般多为混合型回波。（二）从降水时间方面来说，雷达回波必须具备以下几个条件：1、有降水回波多次经过该地，例如多条对流回波带经过。2、降水回波在该地的时间特别长，例如对流单体行动缓慢，近乎停滞。（三）产生暴雨的主要天气系统：1、锋面气旋暴雨 典型的例子是华南静止锋暴雨和长江地区的梅雨锋暴雨等等。2、台风暴雨 暴雨是台风的主要天气现象之一。主要出现在台风中心附近，还有台风的螺旋云带。且台风中的降水强度也不一，台风环流中的切变线区降水尤其强。另外，就是出现与台风外围的台风倒槽中。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 45 3、切

48、变线暴雨 据多普勒雷达观测研究，暴雨主要出现在切变线低涡的东南气流里。4、多普勒雷达探测台风 台风是在比较均匀的热带海洋气团内发展起来的气旋式涡旋，它的气压、温度和风常呈圆形对称分布，降水呈螺旋带状分布。垂直尺度和水平尺度之比大概为 1:50，半径一般在 500-1000km。台风的雷达回波结构主要有：1、台风眼：是台风最显著的特征之一，是一个气压很低，也没有降水，近乎晴空区，在雷达图上，它是回波包围的无回波的几何中心，当眼壁不完整甚至没有时，它是螺旋雨带的几何中心。2、台风的云壁区：从雷达图上看，台风眼的外围是圆环状的强回波区，云墙高度一般在 15km 以上。3、台风的螺旋云带：在台风云墙外

49、围是数量不等的多条降水云带。宽度一般为几十到上百千米，愈近中心宽度愈宽。4、在台风前进方向，有时候会有一条类似于中纬度飑线的对流回波带，与台风外围等压线近于平行，称为台前飑线，回波距离台风中心约 400-600km，也是台风天气该密切留意的系统。5、多普勒雷达探测锋面系统 锋面气旋对中、高纬度的天气有着重要的影响，对华南地区影响相对小一些，本小节通过介绍锋面气旋的大尺度结构和锋面中出现的中尺度雨带做简要的介绍。在气旋前部，具有暖锋云系和降水，云系向前伸展很远，云系从前到后，依次为卷云、卷层云、高层云、雨层云。300km 范围内基本为连续性降水。气旋后部具有冷锋云系和降水特征。如为第一型冷锋，一

50、般为层状云和连续性降水。如为第二型冷锋，则伴有积状云和雷阵雨。在气旋的暖区，其天气特征取决于暖气团的性质。如果暖气团比较湿，离中心较远地区通常少云，中心附近有层云，层积云并下毛毛雨有时会有雾出现。如果暖空气较干，则一般只有一层薄云。多普勒天气雷达应用基础知识学员手册 46 图 3.10 锋面气旋的大尺度结构 一个锋面系统中的降水分布是存在差异的，在大片的降水区中，较强的降水常常出现在中尺度的雨带中。那么，又有哪一些中尺度雨带呢？（1）、暖锋雨带；（2）、暖区雨带；（3）、冷锋雨带；（4）、锋前冷涌雨带；（5）、锋后雨带；6、波状雨带 图 3.11 锋面气旋的中尺度雨带 多普勒天气雷达应用基础知