5)第五章雷达回波的识别技术.ppt

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1、第五章 雷达回波的识别技术,目 录,5.1 雷达回波分析技术 5.2 多普勒雷达的径向速度模式 5.3 雷达回波的分类 5.4 降水回波,5.1 雷达回波分析技术,雷达回波大致可分为气象回波和非气象回波两大类，气象回波又可分为降水回波和非降水回波两类。,非气象回波,这类回波形成的直接来源是地物、飞机等非气象目标物对电磁波的反射以及由于雷达的性能而引起的虚假回波。但在这类回波中，有些回波的出现也和气象条件有关，如海浪回波的强弱与海面上大风强度有关，超折射间波和大气中逆温层的存在有关。这类回波包括：地物回波、超折射回波、同波长干扰回波、飞机、船只等的回波、海浪回波、由天线辐射特性造成的虚假回波。,

2、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波的后向散射和大气中温、压、湿等气象要素剧烈变化而引起的。按其地面是否有降水，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、积层混合云降水回波、雪的回波、其它类型降水回波(冻雨、沙暴中降水、第二次扫描回波)。非降水回波包括：云的回波、雾的回波、闪电信号及其回波、晴空大气回波(点状或圆点状、窄带状、细胞状、层状、大气波动和湍流、环状、海风)。,一、回波强度分析技术,由雷达反射率因子Z值大小即可判别回波强弱,瑞利散射,另外，回波形态特征、回波特殊结构和形态、回波移动特点可知回波强度,

3、二、脉冲多普勒天气雷达径向速度场分析技术与方法,对多普勒径向速度场基本特征的研究，可按零径向速度线；朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心；强多普勒径向速度梯度带三个方面进行分析。,(一)多普勒零径向速度线特征,1零径向速度线是否与向径平行2零径向速度线走向方无显著折角3零径向速度线走向是否和距离圈平行,二、朝向分量(负)、离开分量(正)分布特征,1大片正区和负区是否和原点(测站)对称 范围是否大致相等2大片正区和负区是否与向径对称3有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心 存在4有无多普勒径向速度等值线密集带存在,三、强多普勒径向速度梯度带,径向速度切向梯度愈大，水平风速愈大，它

4、往往与强对流大气，诸如快速移行冷锋、飑线、中尺度气旋相联系。当它们成弧状排列，可能存在强辐合带或飑线，当它们成近似圆形排列，则可能存在强中尺度气旋,5.2 多普勒雷达的径向速度模式,多普勒雷达观测示意图。(a)固定仰角度，绕垂直轴z的雷达扫描；(b)从上往下看图(a)，表示一个PPI显示。Rs是相应离地高度为H的显示边缘的斜距（在圆锥面上）。任一散射体的三维坐标（x,y,h）由方位角度，仰角度和斜距Rs算出,在每个仰角上，沿着雷达波向外径向距离增加代表了离地高度增加，因此，当环境风场只随高度变化时，雷达扫描一周便能揭示出从地面直到雷达显示范围边缘高度上的所有风（对晴空来说，这个高度就是相干雷达

5、回波的高度）。,Single Doppler Interpretation,Things to remember:,当径向平行于风速时,雷达显示最大风速,当径向垂直于风速时,雷达显示零速-This“zero zone”is called the“Zero Isodop”.,雷达探测到的真实风速百分比?00=100%-Parallel150=97%300=87%450=71%600=50%750=26%900=0%-Perpendicular,The Zero Isodop“Problem”,（a）环境风场的平面图：固定风速为40海里/小时，风向在地面为南风（图象中心），均匀地经西南风变为图象边

6、缘处的西风。（b）相应的单多普勒速度图象。（c）说明如何利用多普勒零值曲线来解释水平均匀流场的风向。（a）中的箭头长度正比于风速。颜色表示多普勒速度值：正值（红色，桔黄色）表示离开雷达，负值（绿色，兰色）表示朝向雷达。,在所有的高度上风速都是一样的（40海里/小时）,风向则从地面上的南风均匀地改变到显示边缘高度上的正西风，图c表明了如何沿着多普勒速度的零值带来解释风的方向。零值区表明此地的风向是与雷达径向相垂直的。例如，在显示区的外缘，当雷达指向正北和正南时多普勒速度值为零，这意味着在相应的高度上风向要么是由西向东要么是由东向西的，由于在显示区的西部边缘多普勒速度值是负的（朝向雷达的分量），东

7、部边缘的多普勒速度值是正的（离开雷达的分量），那么很明显在相识区边缘的高度上风向是由西向东的。,当雷达指向零值带上的点2时，其方位是330，那点上的风向是330 90。由于风从整体上是由西向东的，那么点2处的风向应是330-90=240，以此类推，点3,5和6上的风向分别是300-90=210，120+90=210 和150+90=240。在地面雷达站处零值带是东西向的，因为地面风是由南面过来的，风向180。,一、几种典型流场的PPI多普勒径向速度模式,取径向速度Vr(r)为常数c:,雷达作低仰角探测：,风向若在所有高度上保持一致，那么其多普勒速度图象中就总有一条直的零值带，图象的其他部分就反

8、映了风速的垂直廓线。风速若不随高度变化，是个非零常数，那么多普勒速度的极值便由显示区边缘向内延伸到中心雷达位置（地面），因此，表示所有其他多普勒速度值的颜色必须收敛于中心点.当地面风速小于最大（但仍大于零）时，那么相应于小于或等于地面风速值的风速的颜色则会聚在图象的中心，那些相应与较大速度的颜色则向中心会聚但并不到达中心。当地面风速为零时，只有相应与零值速度的颜色穿过中心。当在显示区高度内存在一个风速的最大值时，那么在图象上就会出现一对近似椭圆的牛眼，牛眼中心位于雷达的上风向（负值）和下风向（正值）处，正对应着风速极大值所在高度的斜距上。,(一)风向不变,风速随高度变化的各种图象,相应于风速风

9、向均不随高度变化的垂直风廓线（左图）的多普勒速度图象（右图）。多普勒速负值是朝向雷达的而正值是离开雷达的。雷达位于图象中心。,风速是从地面20海里/小时增至图象边缘高度的40海里/小时,风向不变，风速在与地面与图象边缘高度中间达到最大值（40海里/小时）的风廓线（左图）及相应的多普勒速度图象（右图）。风速在地面及图象边缘高度处均为20海里/小时。多普勒速度负值是朝向雷达而正值是离开雷达。雷达位于图象中心。,(二)风速不变、风向随高度变化的各种图象,当风速随高度保持不变时，各种颜色的多普勒速度带都收敛于显示区的中心，即雷达所在处。多普勒速度零值带的曲率表明了风向随高度的变化，逆转风产生一个反型S

10、的零值带而顺转风产生一个S型的零值带。当风向随高度先顺转后逆转时，S 型带随雷达距离的增加（高度增加）而转变为反S带。,风向随高度顺转,风向逆转，风速不变的垂直风廓线（左图）以及相应的多普勒速度图象（右图）。多普勒速度负值是朝向雷达而正值是离开雷达，雷达位于图象中心。,风向随高度先顺转后逆转,(三)风速风向都随高度变化的各种图象,当风速和风向都随高度变化时，可以得到许多不同的多普勒速度图象。由于地面上风速为零，因此只有零值带穿过图象的中心。图象边缘的多普勒速度出现了混淆，这是因为在那些高度上的风速超出了50海里/小时的奈科斯特间隔（这是下一代天气雷达采用的一种间隔）。从速度间隔一端到另一端色彩

11、上的突变很清楚得显示了速度混淆效应。,风速随高度增加（地面为0）、风向随高度顺转的垂直风廓线（左图）以及相应的多普勒速度图象（右图）。多普勒速度负值是朝向雷达而正值是离开雷达，图象东部和西部边缘的颜色突变代表了己被了混淆的更大的速度值，因为它们超出了50海里/小时的奈科斯特速度间隔。雷达位于图象中心。,地面风速改为 30 海里/小时。当地面风速增加时，小于或等于地面风速的颜色带都趋向图象的中心,在显示距离的1/2处的高度上有一风速极大值（60海里/小时）。由于风速超出了奈科斯特速度间隔，牛眼也明显出现了混淆效应。,二、几种典型天气系统、流场层结情况下PPI多普勒径向速度模式,(一)基本气流的判

12、别,低空基本气流,基本气流垂直廓线和温度平流,(二)锋面和切变线系统,冷锋或冷锋式切变线的识别,一个锋面经过雷达测站的前后，多普勒径向速度分布变化情况：,(1)锋面在测站的西北方,多普勒径向速度零值线出现折角，锋前根据零值线走向及通过原点（测站）判断为西南风，一对“牛眼”说明有低空急流中心，风速为37海里/小时，锋后，根据零线走向和负的极值中心（冷色调）判断为西北风，风速最大中心也出现在低空为43海里/小时，锋后西北风随高度先增加后减小。,(2)锋面从西北方向移到雷达站上空,多普勒径向速度零值线折角正在测站，地面风速为20海里/小时，风向为西风，锋后为西北风，风速随高度增加。锋面从西北移过雷达

13、站。锋前为西南风，锋后为西北风。在两个风区，风速从地面的20海里/小时增至图象边缘高度处的40海里/小时。,(3)锋面移过雷达站,在测站东南，多普勒径向速度零值出现在测站的南半边中，锋前风向随高度作顺时针转变（形），风速随高度增加。而锋后风向随高度作时针转变（反），风速随高度增加。,暖锋或暖切变的识别,锢囚锋,急流,能使用户集中研究某一块风暴,三、中小尺度流场系统,中尺度气旋和反气旋,一对数值相同的正负多普勒径向速度，趋向雷达分量在右，离开雷达分量在左。,一对数值相同的正负多普勒径向速度，趋向雷达的分量在左，离开雷达的分量在右侧。,中尺度气旋的多普勒径向速度的特征是：零值线与雷达扫描径向一致，

14、从雷达中心向外看，其正极值中心在右，负极值中心在左。,中尺度气旋,蓝金模式的速度分布示意图（摘自多普勒天气雷达资料分析与应用）,理想垂直轴对称涡旋环流模型蓝金模式,中尺度辐散区的特征是：零值线与距离圈平行，负的极值中心靠近雷达一侧，正的极值中心在远离雷达一侧。,辐合与辐散,Large Scale WindsConvergence,Large Scale WindsDivergence,辐合辐散中尺度气旋图像,辐合旋转核半径为2.25公里，核半径仍为4.5公里，特征：多普勒径向速度零值线与距离圈斜交，一对“牛眼”既不沿径向排例，也不沿距离圈对称排列，都有一个角度，雷达站位于距这对“牛眼”中心12

15、0公里的南部。与辐散型中尺度气旋相比主要是正、负中心上下分布相反。,5.3 雷达回波的分类,非气象回波地物回波超折射回波同波长干扰回波飞机、船只等回波海浪回波由天线辐射特性造成的虚假回波,1、地物回波,有地表及其以上的各种建筑物等对电磁波的反射产生的回波，称为。特点：回波边缘特别清晰，位置固定不变，且回波和地物所在的地理位置一致。辨别方法：（1）比较法（2）用PPI探测判断（3）用PHI探测判断（4）用A/R探测判断（5）其它,2.超折射回波,指由于超折射现象所产生的回波，实质仍是地物回波。辨别方法：同地物回波类型：（1）两层模式（2）三层模式（3）四层模式意义：预示大气存在逆温层，即大气比较

16、稳定,6.由天线辐射特性造成的虚假回波,当旁瓣、尾瓣发射的电磁波在近距离遇到强降水，或因主瓣存在一定宽度所产生的回波。类型：（1）尾瓣假回波（2）旁瓣假回波（3）主瓣假回波意义：预示强烈的天气现象即将出现,旁瓣假回波,层状云及其产生的连续性降水在PPI图上的回波特征呈片状分布，结构较均匀，强度梯度较小，有时出现强度特别大的窄带称为零度层亮带，亮带也可能成弧状或圆环状。,1.层状云回波 回波强度,5.4 降水回波,在RHI图上云顶高度比较平整，也有一条强度特别大的窄带呈水平分布（即零度层亮带）。,零度层亮带：层状云降水的重要特征,当冰晶下落通过溶化层时，它们的外表面开始溶化。正好位于溶化层（0层

17、面）下面，这些包着水外衣的冰晶反射率因子是高的，产生增强的雷达信号，在PPI上象弧形结构，在常规天气雷达上叫做“亮带”，亮带会造成降水率的过高估计,亮带形成的原因：,1、融化作用，层状云中的冰晶或雪花下降到摄氏零度层以下，融化成水滴，介电常数增大，使回波强度增强约5倍左右。2、碰并聚合效应，粒子在下降融化过程中，有强烈碰并聚合作用，使粒子直径增大，散射能力也增大。图中表示各个因子对零度层亮带形成的贡献的估计。3、速度效应，冰晶或雪花当完全融化后，由于表面张力的作用，迅速转变成圆球形水滴，降落速度增加，从而使单位体积内降水粒子数目减少，导致总散射能力减小，于是亮带以下回波强度减弱。4、粒子形状的

18、作用，冰晶或雪花在下降融化过程中，常不呈球形，绝大多数情况下，非球形粒子的散射能力比球形粒子大。四种作用总和可使散射返回雷达接收机的能量增加。由图可以看到总效应使亮带中心的反射因子比其上部干的冰晶、雪花大20倍，比其下面的雨滴的反射因子也大好几倍，因而就形成亮带。雷暴消散阶段，降水性质从对流性逐步转化为层状云降水时，也可能观测到零度层亮带。,研究亮带意义：,层状云回波 径向速度,由于层状云降水范围较大、强度与气流相对比较均匀，内此相应其径向速度分布范闲也较大，径向速度等值线分布比较稀疏，切向梯度不大。在零径向速度线两侧常分布着范围较大且数值不大的正、负径向速度中心，另外还常存在着流场辐合或辐散

19、区。,特点是：范围小、强度大、分布不均、生命史短、随时间变化快。在平显（PPI）上特征为：对流云降水回波呈块状，尺度较小（从几公里到几十公里），对流辐合体也可达几百公里，内部结构密实，边缘清晰。RHI高显上特征为：对流云降水回波呈柱状，近处降水时底部及地，云顶高度较高一般都在6-7km以上，随地区和季节差异很大。不论是在平显上还是高显上，对流云降水回波强度和强度梯度都较大，一块对流云内部只有一个强中心，而多个对流云单体组成的对流云降水,往往具有不规则的外形和多个中心，强度也不一定相同（尖顶状的回波是虚假的称为旁瓣回波）。,2.对流云回波共性：回波强度,包括阵雨、雷雨、冰雹、暴雨等,对流云回波

20、共性：径向速度,冰雹云降水回波,回波强度等特征,在PPI上，雹云降水回波水平尺度可达3040km以上。当然这相对而言，当天气背景符合降雹条件、就可从带状或雷暴群中抓住大的单体，如条状问波、超级单体、相对大的单体等。回波强度对X波段雷达一般在50dBz左右，而对C、X波段雷达讲，回波强度还要更大。雹云降水回波往往是由超级单体引起的，出此回波电的长，常常在1一2h以上。降水回波形态待征十分特殊，常常会出现v型缺口、入流缺口、钩状、指状和空洞等。在RHI上回波顶高常常超过10km，这个顶高有明显的时空变化。回波顶呈单峰结构，云砧很明显，常会出现旁瓣假回波，穹窿等回波结构。,回波径向速度特征,在PPI上在RHI上,