雷达气象

第一章

1. 简述我国天气雷达发展阶段及未来发展方向。

我国天气雷达发展大体上经历了从模拟天气雷达、数字化天气雷达到多普勒天气雷达的三个发展阶段。

未来:双极化、相控阵、多基地雷达

2. 简述雷达气象的研究内容。

(1) 利用天气雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，它是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。

(2)主要内容:基础理论、分析应用、探测方法与技术三部分(填空)。

（问答答法）基础理论方面包括云和降水粒子对雷达波的散射；微波经过大气、云和降水粒子时的衰减；气象条件对雷达波传播的影响，如大气折射、大气不均匀结构的散射等。

分析应用方面包括雷达测量降水和云中的含水量；天气系统(特别是中小尺度系统)的雷达回波在天气分析预报上的应用，在云和降水物理探测研究上的应用；多普勒雷达和各种波长的新型雷达在风的水平结构和铅直结构、铅直气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等的探测研究中的应用。

探测方法与技术方面包括各种天气雷达资料的处理和传输等。

4. 何谓雷达工作波长、频率，简述其关系。

波长λ：天气雷达发射高频电磁波的一个周期长度。波长不同，雷达性能不同。

频率f：单位时间内完成振动的次数，即每秒钟内发射出电磁波的次数

关系：f=C/λ，C为光速

5. 何谓脉冲宽度、脉冲长度，简述其关系。

脉冲宽度τ：发射高频电磁脉冲波的持续时间叫脉冲宽度

脉冲长度h：脉冲波在空间的长度叫脉冲长度。

关系：h=τ c

6. 何谓脉冲重复频率与脉冲重复周期，简述其关系。

脉冲重复频率F：是每秒钟雷达发射脉冲波的次数。

重复周期T：两个相邻脉冲波之间的时间间隔

它们之间互为倒数关系：F=1/T

11. 简述天气雷达的三种基本观测模式。

（1） 圆锥扫描模式

雷达天线在仰角不变，方位进行360° 的连续扫描称为圆锥扫描，也称平面位置显示(PPI)观测。

（2）垂直扫描模式

雷达天线方位角不变，仰角进行0-30° (或更高)的上下扫描称为垂直扫描，也称为距离高度显示(RHI)观测。

（3）立体扫描模式

选定的多个不同仰角圆锥扫描的集合称为立体扫描（VOL）。立体扫描一般选用大于200千米的距离档，从0° 仰角开始作圆锥扫描，完成一个圆锥扫描后，依次抬升仰角，进行多次圆锥扫描。

第二章

1. 何谓散射？简述雷达电磁波散射的基本特征。

定义： 当电磁波传播遇到空气介质和云、雨、冰雹等质点时，入射电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率电磁波 ，称散射现象。

特性：（1）目标物越多，散射越强；

（2）粒子散射电磁波的能力与粒子大小、形状、 以及它的电学特性有关

（3）散射只改变能量传输方向,不改变能量形式

（4）雷达波长一定,散射取决于粒子直径与入射波长之比

2. 何谓Rayleigh散射?何谓Mie散射？

定义：当雷达波长一定后，散射粒子的散射取决于粒子直径与入射波长之比，d<<λ称为瑞利散射；dλ称为米散射.

3. 解释名词：

(3)雷达截面： 以入射波能流密度Si乘以σ,得到一个散射粒子的散射总功率，当散射粒子以这个总功率作各向同性散射时,散射到天线处的电磁波能流密度,恰好等于该粒子在天线处造成的实际后向散射能流密度,则该面积σ就称为实际散射体的后向散射截面。

(4)雷达反射率: 单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和，反映了单位体积内一群云雨滴在天线处造成的回波功率大小。

(5)雷达反射率因子：，只取决于云、雨滴谱情况；与粒子直径的六次方成正比，说明少数大水滴将提供散射回波功率的绝大部分。

4. 简述雷达反射率与雷达反射率因子的关系与差别。

雷达反射率与雷达波长有关，不同波长获得的η不能直接比较，而Z值只取决于云、雨滴谱的分布情况，可通过云雾物理观测方法获得。

第三章

1. 何谓衰减因子？简述其物理意义。

(1)假设没有考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率为1，则考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率的数值大小称为衰减因子K ，K<1；

(2)物理意义：平均回波功率为1时的衰减后平均回波功率。

2. 何谓衰减系数？简述其物理意义并说明与衰减因子的关系。

物理意义：由于衰减作用,单位接收功率在大气中往返单位距离时所衰减掉的能量。衰减系数的量纲:1/长度

衰减系数与衰减因子的关系：

物理意义：要决定衰减因子K，先要决定衰减系数kL。kL是大气、云、降水等不同因子造成的总衰减系数。

3. 简述衰减因子的分贝表示法。

4. 简述大气对雷达电磁波衰减的主要特点。

1）气体分子对雷达波的衰减：１.散射可以忽略 2. <2cm时应考虑吸收以吸收为主,对2cm以上的雷达波也可忽略

2）吸收以水汽和氧气为主

5. 简述云对雷达电磁波衰减的主要特点。

①由液滴组成的云的衰减随波长增加而迅速减小；

②液态云的衰减还随温度减小而增加；

③对于10cm波长的雷达波，云的衰减很小，可忽略；

④冰云的衰减要比液态云的衰减小2～3个量级。

6. 简述雨对雷达电磁波衰减的主要特点。

1）单位降水强度的衰减系数K’值除了与温度有关，还与波长有关；

2）除波长λ=3.2cm外，每一相同波长处不同谱型的K’值很接近，没有因滴谱形式不同而出现很大差异；

3）雨的衰减系数ktr一般和降水强度I近于成正比关系；

4）λ=10cm时，雨的衰减小到可以忽略，但K’值随波长变小而很快增大，因此毫米波雷达一般不能用来测雨，而只用于测云；

5）由于雨滴谱分布和降水强度经常是随空间变化的，故在雷达波束所经过的路径上每一段的衰减情况往往不相同。

第四章

1. 试推导均匀分布单个目标物的雷达方程。

推导雷达气象方程：



1、先考虑理想情况：天线作各向同性的球面发射

   球形天线，各向同性时的理想状态方程

2、引入天线增益

   实际使用的雷达非球形，一般为向某一方向发出一定波束宽度的雷达波

3、距离R处的入射能流密度

   雷达波发射到R处时的雷达信号强度

4、引入雷达截面

  雷达波遇到目标物，被目标物反射，反射的截面积对雷达波造成影响

5、目标物散射回天线的后向散射能流密度

  经目标物反射后，雷达波到达R处时的雷达信号强度

6、考虑天线的面积（有效截面积）

   反射回天线，被天线接收，天线接收面积与信号强度相关

2. 写出充塞系数为1,满足瑞利散射条件的雷达气象方程简化形式,并讨论其影响因子。

其中Z为雷达反射率因子，与气象目标物的粒子大小与数密度（气象目标物的谱分布）有关；C由雷达参数和目标物散射特性共同决定，雷达出厂时已设定；R为距离因子；k为衰减因子。⑴雷达参数：①发射功率Pt；②波长λ(振荡频率f)；③脉冲宽度τ(脉冲长度h)；④脉冲重复频率(PRF)；⑤天线增益G；⑥接收机灵敏度(Pmin)⑵气象因子的作用；⑶距离因子的影响。

3. 简述dB与dBZ的区别。

dB为分贝表示法，用于表示回波功率的大小；dBZ为反射率因子的分贝表示法，用于表示雷达回波强度。

4. 何谓有效照射深度?何谓雷达距离分辨率?何谓雷达盲区?试分析它们之间的异同。

有效照射深度：波束中径向散射能量能同时回到天线处的距离，为脉冲长度的一半。

雷达距离分辨率：空间径向方向上两个目标物在雷达荧光屏上造成的回波能够区分开来的最小实际距离。

雷达盲区：离雷达站h/2距离内探测不到回波的区域。

相同点：三者均为脉冲长度的一半，即h/2；

不同点：有效照射深度是指散射能量同时回到天线，雷达盲区是指该区域内探测不到回波，距离分辨率是指在两个目标物在雷达荧光屏上造成的回波能够区分开来的最小实际距离。

5. 何谓最大不模糊距离?何谓距离折叠?试解释距离折叠的原因。

最大不模糊距离：发出一个脉冲后到下一个脉冲发出前,雷达波束能向前传播及遇到目标后能返回雷达的最长距离，即最大探测距离。

距离折叠：当目标位于最大不模糊距离rmax以外时,雷达却把目标物显示在rmax以内的某个位置的现象；是雷达对回波目标物位置的一种辨认错误。

原因：由于雷达现在不能辨认来自脉冲2以外其他所有以前发出脉冲的回波能量，它认为现在接收到的能量是脉冲2的后向散射。雷达认为它所接收到的后向散射能量来自脉冲2在50n mile处所遇到的目标物，而不是脉冲1在300 n mile处所遇到的目标物。

第五章

1. 简述天气雷达扫描原理及图像的PPI显示方式。

天气雷达扫描原理：新一代天气雷达是在一系列固定仰角上扫描360º进行采样的，即在某一个仰角，雷达天线绕垂直轴进行360º扫描(即PPI显示方式扫描) ，所采集到的是圆锥面上的资料。在每个仰角上，以雷达为中心，沿着雷达波束向外，径向距离增加的同时距地面的高度也增加。雷达所探测到的任一目标的空间位置(x，y，h)可根据仰角φ、方位角θ、目标距雷达的倾斜距离r求得。

2. 何谓多普勒效应?写出S波段雷达的多普勒频移的计算公式。

定义: 当接收器与能量源处于相对运动状态 时，能量到达接收器时频率的变化。

对S波段雷达：

3. 简述CINRAD雷达的径向速度与实际风的关系，及其在PPI上的识别原理。

多普勒天气雷达只能探测到沿雷达径向的风矢量，径向速度只是目标物实际运动速度在雷达探测波束方向的一个分量。

识别原理：（1）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；

（2）在 PUP上，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 ；

（3）离开雷达的径向速度为正，流向雷达的径向速度为负

4. 简述均匀风场、冷暖平流、辐散辐合、冷暖平流与辐散辐合配置的PPI图像特征。

（1）均匀风场：冷色面积等于暖色面积，径向风速线都是直线，而且所有直线均过中心点，收敛于雷达站；

（2）冷平流：零径向速度和其它非零径向线方向成反S型方向弯曲；

（3）暖平流：零径向速度和其它非零径向线方向成S型方向弯曲；

（4）辐散：冷色面积少于暖色面积，零径向速度成弓型；

（5）辐合：冷色面积大于暖色面积，零径向速度成反弓型；

（6）暖平流+辐合：暖平流S型的零速度带在显示中心一侧随距离顺转弯向正速度区程度加剧，而另一侧的零速度带随距离顺转弯向负速度区程度趋缓；

（7）暖平流+辐散: 暖平流S型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度加剧，而另一侧弯向正速度区随距离的增加弯曲程度趋缓。

5. 何谓最大不模糊速度V max?它与脉冲重复频率PRF和波长λ的关系是什么?

定义：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的上限是180 °(π)。与180°脉冲对相移所对应的目标物径向速度值称为最大不模糊速度V max 。

关系：

6.何谓多普勒雷达的两难问题?简述多普勒雷达速度模糊与距离模糊之间的关系.

①Rmax与Vmax的关系：

②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。

③最大不模糊速度与最大不模糊距离成反比关系，最大不模糊距离需要低PRF，而最大不模糊速度需要高PRF。

8. 简述体积扫描模式VCP11、 VCP21的取样方式.

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。

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。

第六章

1. 何为多普勒速度零线?有何意义?分析零线时的要点是什么?

定义：当实际风速为零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构成。

意义：①该点真实风向与该点相对于雷达的径向互相垂直。一般大气总是处于运动状态，通过零速度点，可以大致判断该点附近区域的风向。零速度点的风向应是从该点邻近的负径向速度区垂直吹向正速度区。(只适用于风向均匀或风向连续变化的情况)

②该点真实风速为零，大气运动速度极小或处于静止状态。如锋面等风向不连续面风速很小，往往显示出零速度色标是属于上述零径向速度。由零速度点组成的零速度带(线)的形状，在风向连续变化的条件下，能估计该带附近区域的风向变化情况。

要点：①零径向速度线是否与向径平行：若零径向速度线与向径平行，则表示风向不随高度增加而变化；反之，若零径向速度线走向不与向径平行，即它是一条曲线，则表示风向随高度增加要变化。

②零线走向有无显著折角：若径向速度线走向有折角，反映了水平流场中有不同方向气流存在,大气中可能存在锋面、辐合线、槽线等流场系统，则配合正、负中心分布和回波强度分布特征，又可区分属什么天气系统。

③径向速度线走向是否和距离圈平行：若两者平行，这时可能会出现在远离中心(正)和朝向中心(负)沿径向排列的情形。风向和径向平行，零线即为辐合线或辐散线。有时零线为闭合曲线，则表征不同高度上存在风向辐合，即存在风的垂直切变。

2. 分析朝向分量(负)和远离分量(正)分布特征的要点是什么?

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：若大片正区和负区与原点对称，范围大致相等，说明不同高度上水平流场的基本气流一致；反之，若大片正区和负区与原点不对称，范围不相等，说明不同高度上水平流场中存在着不同方向气流，甚至有中小尺度系统存在。

②大片正区和负区是否与向径对称：这条规则在分析锋面和切变线位置时很有用。因为在锋面存在时，正、负中心往往与向经对称排列。

③有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心存在：当有成对沿向径排列的相距较近的(20-50)km强多普勒速度中心或有成对强多普勒速度中心位于某一向径两侧，二个中心间相距很近，这就要分析有强中小尺度天气系统甚至飑线存在的可能。

④有无多普勒径向速度等值线密集带存在：通常在锋面和飑线附近存在径向速度等值线密集带。等值线愈密，锋面和飑线愈强，后者等值线更密。在分析时还要注意密集带走向是否与向径平行、是否与距离圈平行，这在确定锋面、飑线位置时很有用。

3. 如何根据多普勒速度图像分析高低空的冷暖平流?

①风速不变，风向随高度顺转（暖平流）；②风速不变，风向随高度逆转（冷平流）。

4. 如何根据多普勒速度图像分析高低空的辐散辐合?

①负速度区面积大于正速度区面积（辐合）；②负速度区面积小于正速度区面积（辐散）。

5. 简述冷暖平流与辐散辐合配置的速度图像特征.

暖平流+辐合：暖平流S型的零速度带在显示中心一侧随距离顺转弯向正速度区程度加剧，而另一侧的零速度带随距离顺转弯向负速度区程度趋缓。

暖平流+辐散：暖平流S型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度加剧，而另一侧弯向正速度区随距离的增加弯曲程度趋缓。

冷平流+辐合：冷平流反S型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度减小，而另一侧的零速度带弯向正速度区随距离的增加弯曲程度加大。

冷平流+辐散：冷平流反S型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度增大，而另一侧的零速度带弯向正速度区随距离的增加弯曲程度减小

6. 简述γ中尺度(2~20km)系统速度图像特征.

①γ中尺度气旋/反气旋流场径向速度图像：在小区域内，当一对最大入流/出流速度中心距雷达(RDA)是等距离时，则表示在该区域内有γ中尺度的旋转存在；沿雷达径向方向，若最大入流速度中心位于左侧，表示为气旋性旋转(图3.27a)；若最大入流速度中心位于右侧，则为反气旋性旋转。

②γ中尺度辐合/辐散流场径向速度图像：由于γ中尺度辐合/辐散流场的尺度较小，其源点或汇点和整个流场均在雷达的有效探测范围内。 在包含γ中尺度辐合/辐散流场的小区域内，沿同一雷达径向方向有两个最大径向速度中心，若最大入流中心位于靠近雷达一侧，则该区域为径向辐散区；相反，则为径向辐合区。

③γ中尺度气旋式辐合/辐散流场：当一对最大入流/出流中心距RDA不是等距离而且也不在同一个雷达径向时，若最大出流中心更靠近RDA并且最大入流中心位于雷达径向左侧时，表示小区域内的流场为气旋式辐合；相反，若最大入流中心更靠近RDA并且位于雷达径向左侧时，表示小区域内的流场为气旋式辐散。

④γ中尺度反气旋式辐合/辐散流场：与上述情况类似，还可以有反气旋式辐合和反气旋式辐散。

第七章

4. 简述超级单体风暴回波特征。

1）最强的雷达回波出现在有界弱回波区的左侧，包括冰雹在内的强降水就发生在靠近有界弱回波区的一侧。

2）在低层，有界弱回波区的右侧经常可以观测到一个钩状的附属物，即钩状回波，它是超级单体的一个特征性回波。

3）在主要的回波强中心的下游，有一个伸展达60-150公里甚至更远的砧状回波，以及一长达100-300公里的可见砧状云区。

5. 简述冰雹云的雷达回波特征。

(1)冰雹云的雷达回波强度特别强,一般在50dBZ；

(2)回波顶高度高；

(3)上升气流(下沉气流)特别强；

(4)PPI上冰雹云回波的形态特征：

①“V”型缺口

②钩状回波

③辉斑回波(TBSS三体散射长钉）；

(5)RHI上冰雹云的回波特征：

①超级单体风暴中的穹窿(弱回波区)、回波墙和悬挂回波

②冰雹云的强回波中心的高度远比普通雷暴的强回波中心高

③旁瓣回波

④辉斑回波（TBSS三体散射长钉）。

6. 简述TBSS回波特征。

主要特征：三体散射长钉(TBSS)虚假回波位于从强反射风暴核沿着雷达径向向外一定距离，通常具有较低的反射率因子值（一般小于20dBZ）。TBSS的长度取决于显示域值。当显示域值为5dBZ时，TBSS长度通常小于15公里。

1)产生S（10cm）波段雷达三体散射的最小反射率因子在60dBZ左右；

2)TBSS长度与反射率因子核最大强度和强反射率因子核心区的面积大小成密切的正相关，即反射率因子核心强度越大，高反射率因子的区域越大，三体散射长钉TBSS的长度就越长；TBSS出现的最大高度为13km，最低高度是1km；60.3％的TBSS出现在3-6 km高度之间，TBSS在4-5 km高度出现次数最多，然后向上、向下减少；TBSS长度≥10km的出现次数同样以4-5km高度最多，然后向上、向下迅速减少；

3)TBSS主要在雹暴位于雷达的西半边时出现；

4)TBSS的持续时间几乎都超过30分钟.其中持续时间在30-60分钟的情况居多.在出现TBSS时，几乎所有雹暴都降了2cm以上的强冰雹；

5)在湖南北部的统计表明，80％左右的产生2cm以上直径冰雹的强雹暴都产生了三体散射.再考虑到TBSS的持续时间多数在30-60分钟之间，因此TBSS可以作为强冰雹的有效预警指标，可以有效降低强冰雹预警的虚警率；

6)在产生三体散射的23个强雹暴中，有一半以上是超级单体和准超级单体风暴，雹暴中的涡旋有利于大冰雹的形成。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/63d36af0fab069dc502201c2.html