1.多普勒天气雷达原理与业务第一章 引论

第一章 引论

1.1我国新一代天气雷达网

1、天气雷达一般分为X 波段、 C 波段、 S 波段，波长分别是 3厘米、5厘米、10厘米

马鞍山是C波段，阜阳是S波段

2、在我国沿海和多降水的地区：布设S波段

在我国强对流天气发生和活动较频繁、经济比较发达的中部地区： C波段 其他地区：C波段

1.3 我国新一代天气雷达系统的性能要求

1、对灾害性天气有强的监测和预警能力。

（1）对台风、暴雨等大范围降水天气的监测距离应不小于400km；

（2）对雹云、中气旋等小尺度强对流天气现象的有效监测和识别距离应大于150km； （3）雷达探测能力在50km处可探测到的最小回波强度应不大于-7dBz（S波段）或-3dBz（C波段）

2、具有良好的定量测量回波强度的性能，定量估测大范围降水

雷达接收机具有宽的动态范围，在100dB左右 3、具有良好的多普勒测速功能

在湿润季节应能观测到100km左右距离范围内的晴空大气中的径向风场分布。 4、应是智能型的探测系统，有丰富的软件支持，对获取的探测信息进行综合处理。

5、在设计过程中需充分注意与其他天气预报支持系统的相互衔接，从而具有开放式的良好界面。

1.4 新一代天气雷达的应用领域

包括四个方面： （1）对灾害性天气的监测和预警 （2）定量估测大范围降水 （3）获取风场信息

（4）改善高分辨率数值天气预报模式的初值场 1.4.1 对灾害性天气的监测和预警

1、回波强度一直是判断强对流天气的重要回波参数。

2、径向速度分布图也是判断强天气的一种有效工具，在识别风害时特别有效。

径向速度分布图像中可以看出气流中的辐合、辐散和旋转的特征。

（1） 辐合（或辐散）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个

极值中心的连线和雷达的射线相一致；

（2） 气流中的小尺度气旋（或反气旋）在径向风场图像中也表现为一个最大和最小

的径向速度对，但中心连线走向则与雷达射线相垂直。

（3） 具有辐合（或辐散）的气旋（或反气旋）则表现出最大、最小值得连线与雷达

射线走向呈一定的夹角。

1.4.2定量估测大范围降水

1、新一代天气雷达可以提供雷达估算的1小时和3小时的累积雨量分布，还可提供更长时间累积降水量及过程总降水的分布。

2、新一代雷达用作估测累积降水量分布时，雷达采样的时间间隔应不超过10分钟。 3、对于降水强度变化较大的对流性降水，采样时间间隔还应更小一些。 4、雷达估测降水与地面雨量计测量值有差异的原因：

（1）雷达本身的精度限制；（2）降水类型（影响Z-R关系）；（3）雷达探测高度；（4）地面降水的差异和风等多种因素的影响。

1.4.3 风场信息

径向速度图分布图、平均垂直风廓线

1.4.4 改善高分辨率数值天气预报模式的初值场

1.5 我国新一代天气雷达CINRAD概述

1、新一代天气雷达采用全相干体制，共有7种型号 S型：SA SB SC

C型：CINRAD-CB、CC、CCJ和CD

SA SB CB由敏视达公司生产，结构与WSR-88D类似

SC CD型雷达由国营七八四厂研制生产

CC CCJ型雷达由电子工业部合肥38所研制生产

2、新一代天气雷达由若干子系统构成，每个子系统都由计算机控制。 这些子系统是：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生产子系统（RPG）和主用户终端子系统（PUP）以及连接它们的通讯线路。 （1） RDA和RPG间由一条宽带通讯线路连接 （2） RPG和PUP间由一条窄带通讯线路连接

（3） 由RDA的数字化基本数据（反射率因子、平均径向速度、谱宽）经过RPG中的各种

算法生产一系列的产品，通过PUP终端显示产品。

1.5.1 雷达数据采集子系统（RDA）

RDA由四个部分构成：发射机、天线、接收机和信号处理器。

主要功能：产生和发射射频脉冲，接收目标对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成

基本数据。

CINRDA-SA型雷达共产生四个级别的数据，RDA产生其中的两个级别：一级存档数据和二

级存档数据。

1.5.1.1 发射机

一个高功率（峰值功率750kW）非常稳定的10cm的射频脉冲 1.5.1.2 天线 （1）扫描方式

CINRDA-SA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） 扫描方式3:10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10） （2）体扫模式（VCP）

扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是那些仰角则由体扫模式（VCP）来规定。CINRAD-SA可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个： VCP11：规定5分钟内对14个具体仰角的扫描 VCP21：规定6分钟内对9个具体仰角的扫描

VCP31：规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲） VCP32：确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。（使用短脉冲）

（3）天气模式

CINRDA-SA使用两种天气模式：降水模式和晴空模式 天气模式A：降水模式，使用VCP11或VCP21 天气模式B：晴空模式，使用VCP31或VCP32

1.5.1.3 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。

1.5.1.4 信号处理器

当接收到接收机传来的模拟信号后，信号处理器完成三个重要的功能： （1）地物杂波消除；（2）模拟信号向数字化的基本数据的转化（A/D变换）；（3）退多普勒数据的距离折叠。

1.5.1.5 RDA监控计算机 主要功能：监测和标定RDA硬件、形成RDA基数据和信息头数据（时间、仰角和标定参数等）、管理宽带通讯、控制RDA和控制信号处理。

1.5.1.6 RDA内的数据记录

第一级数据：指原始的由接收机输出的模拟数据，不进行保存。

第二级数据：基数据—反射率因子、平均径向速度、谱宽，在由各种气象算法进行处理前存储下来。

1.5.1.7 宽带通讯

宽带通讯装置提供RDA和RPG间的高速双向数据传输。RDA和RPG 可在同一处，也可相距几千米。

1.5.2 雷达产品生成子系统（RPG）

主要功能：对基本数据进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传输给用户。 RPG是控制整个雷达系统的指令中心。 在RPG产生第三级数据。

1.5.2.1 产品生成

1、基数据：基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽产品

2、导出产品：合成反射率因子、三种基数据的垂直剖面、风暴路径信息（STI）、垂直累积液态含水量（VIL）、回波顶（ET）、冰雹指数（HI）、VAD风廓线（VWP）、中气旋（M）以及龙卷特征（TVS）等共33种。 合成反射率因子：使用的算法是在所有仰角上挑选每个体积扫描中每一个地点上最大反射率 因子，并把它们组合成一个联合产品。

1.5.2.2产品分发

产品由RPG生产后，它们通过窄带通讯线路传送给各个用户。

1.5.2.3 雷达控制台（UCP）

1、雷达控制台（UCP）属于RPG，它通过RPG计算机实施对整个雷达系统的控制。 具有应用终端和系统控制台的双重功能。 应用终端：用来发布命令和修正参数。 系统控制台：允许雷达操作员通过与RPG的操作系统的交互来达到文件维护、文件和数据

的备份以及软件安装等。

2、UCP可对RDA（须经RDA计算机授权）、宽带通讯和RPG进行直接控制，并通过直接控制窄带通讯来间接控制用户。 3、UCP对RDA的控制：（1）电源的选择；（2）改变体扫模式；（3）重新启动体扫；（4）RDA重新启动；（5）数据传输 4、UCP对RPG的控制：（1）控制通信；（2）关闭RPG；（3）自由文本信息（FTM）；（4）雷达状态监测。

1.5.2.4 第三级数据存档

由RPG生产的第三级数据可以储存在光盘上。

1.5.3 主用户处理器（PUP）

主要功能：获取、存储和显示产品。 PUP的主要功能：（1）产品请求（获取）；（2）产品数据存储和管理；（3）产品显示；（4）状态监视；（5）产品编辑注释。

上图为产品显示的范围

（1） 所有的数据、算法和产品的范围可达230km;

（2） 风暴识别和跟踪算法的有效区间一直扩展到345km;

（3） 在345km和460km之间，没有算法被应用，但仍有反射率因子产品；

（4） 最低仰角（0.5°）波束中心的高度随着距离的增加而增加，在230km处为5km，高

于很多层状云雨区的高度；在460km处，其高度为16.5km，高于大多数对流单体的高度。

（5） 波束宽度随着离开雷达距离的增加而展宽，在230km处的波束宽度约为4km，此时

很难分辨尺度在2km以下的小尺度涡旋；在460km处，波束宽度为8km，对于明显的风暴顶辐散特征的识别也会变得困难。

1.7本章总结

1、常用的体扫模式有VCPII、VCP21和VCP31，其中VCP11通常在强对流风暴出现的情况下使用，而VCP21在没有强对流单有显著降水的情况下使用，其他情况下使用VCP31。 2、天气雷达的主要局限性有三个：（1）波束中心的高度随距离的增加而增加；（2）波束宽度随距离的增加而展宽；（2）静锥区的存在。

前两点使得雷达对于远距离的目标的探测能力降低，而第三点使得雷达对于非常近的目标物的探测能力受限。

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