【正文】 頁 B的取值范圍為 。對于一般降雨 Z=， 其中 Z的單位為 mm6/m3,I的 單位為 mm/h。由于雷達(dá)接收的回波功率取決于降水目標(biāo)的反射因子 Z 值，因此天氣雷達(dá)可通過測量接收的回波功率 Pr，計算出降水目標(biāo)的反射因子 Z 值，按（ 4）式計算出降水 強(qiáng)度 I 值。此外，可根據(jù)天氣雷達(dá)顯示的降水回波圖像，識別降水目標(biāo)的性質(zhì)和空間分布（方位、距離、高度等），跟蹤、判斷降水目標(biāo)的移向移速和發(fā)展演變趨勢。 雷達(dá)氣象方程 天氣雷達(dá)探測的降水目標(biāo)是體目標(biāo)，雷達(dá)波瓣所照射的降水目標(biāo)的反射面積和雷達(dá)探測距離的平方成正比。降水回波功率與雷達(dá)參數(shù)、降水性質(zhì)、強(qiáng)度、距離等的關(guān)系用雷達(dá)氣象方程表示： Pr=（ π 3/1024 ㏑ 2） |(m21)/(m2+2)|2(PtG2τ YΦθΨ K)Z/(λ 2r2) (5) 式中： Pr:雷達(dá)接收的雷達(dá)回波平均功率（ W） Pt:雷達(dá)發(fā)射脈 沖功率（ W） G：雷達(dá)天線有效增益 Φ、θ：天線波束寬度 τ：發(fā)射脈沖寬度（ s） C：電磁波傳播速度（ m/s） Ψ：降水區(qū)在雷達(dá)分辨率體積中的充實系數(shù) K：電磁波傳播的衰減因子 M：水的復(fù)折射指數(shù) R：目標(biāo)距離（ m） Z：降水目標(biāo)反射率因子 說明： a. 上述方程已計入天線波束掃描損失。 b. 饋線衰減已計入 G、 Pt、 Pr中。 c. 天線雷達(dá)用圓錐形波束，因此Φ =θ d. 對 X 波段 雷達(dá)取 K=1 e. 在 r≦ 300kr 范圍內(nèi)，取Ψ =1 所以（ 5）式可以簡化為： Pr =（ π 3/1024 ㏑ 2） |(m21)/(m2+2)|2(K2PtG2τ Cθ 2Z)/ (λ 2r2) =（ π 3/1024 ㏑ 2） |K|2 PtG2τ Cθ 2Z)/ (λ 2r2) （ 6） WSR98D/XD雷達(dá)探測能力估算 相關(guān)因子 根據(jù) WSR98D/XD 雷達(dá)參數(shù)，用（ 6）式可估算本雷達(dá)的探測能力，即能探測的 Zmin 值： Zmin=(1024 ㏑ 2/π 3)(1/θ G) 2 (Pminλ 2 r2)/(Pt C τ ) (7) 第 12 頁，共 25 頁 計算得 WSR98D/XD 雷達(dá)的 Zmin=(300km) 中等強(qiáng)度雷雨 ：平均降水強(qiáng)度為 5mm/h，即 Z= 103（ mm6/m3）， ,考慮到 300km 處雷雨對雷達(dá)分辨率體積充塞系數(shù)小于 1，設(shè)為 ，則修正后的中等強(qiáng)度雷雨的平均強(qiáng)度為 WSR98D/XD 雷達(dá)在單極化強(qiáng)度模式，對中等強(qiáng)度雷雨的探測距離大于 300km。 距離訂正 由 雷達(dá)氣象方程可見，當(dāng)降水回波功率相同時，降水目標(biāo)的 Z值與距離的平方成正比；反之，當(dāng)降水目標(biāo)的 Z 值一定，回波功率與距離平方成反比。為了使雷達(dá)中斷監(jiān)視器上顯示的回波圖象能真實反映降水目標(biāo) Z 值，需要進(jìn)行距離訂正，訂正系數(shù)為 1/ r2。 WSR98D/XD 雷達(dá)當(dāng)距離訂正范圍為 300km 時，則 1~300km 內(nèi)不同距離上回波功率衰減 N（ dB）為： N（ dB） =20lgr 其中： r(km) 在信號處理器中設(shè) 1km 處訂正值為 0dB,則 300km 處訂正值為 。因此，加入距離訂正后，降水回波功率都被訂正（歸一化）到 1km 距離上。 反射率因子（ dBZ）： ≤ 1dBZ 速度譜寬（ W）： ≤ 1m/s 徑向速度（ V）： ≤ 1m/s 反射率因子差（ ZDR）： 相位差（Φ dp）： 度 傳播常數(shù)（ KDP）： 度 /Km 線性退極化比（ LDR）： 1dB 零延時相關(guān)系數(shù)（ρ HV）： 6 新一代天氣雷達(dá)（ CINRAD/SA）與常規(guī)天氣雷達(dá)（ 711）的對比分析 新一代天氣雷達(dá)與常規(guī)天氣雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)對比分析 由表 ， 711 雷達(dá)的工作波長 為 ，新一代天氣雷達(dá)（ CINRAD/SA）的工作波長為 ，波長越長，電磁波在傳播中受云雨的衰減影響越小， 10cm波長可以不考慮雨的衰減，更有利于對大范圍降水特別是臺風(fēng)的觀測。因此從監(jiān)測強(qiáng)降水角度來看， 10cm 波長雷達(dá)優(yōu)于 5cm 雷達(dá)， 5cm 雷達(dá)優(yōu)于 3cm 雷達(dá)。 711 雷達(dá) PRF 為 400Hz， CINRADSA 的 PRF 為 3181304Hz。 PRF 越高，顯示器上顯示的回波越清晰，但過高時，雷達(dá)的最大探測距離又會受到限制。新一代天氣雷達(dá)可調(diào)脈沖重復(fù)頻率主要是解決最大距離模糊和最大速度模糊問題。最 大探測距離 Rmax 與 F 之間的關(guān)系為： Rmax=c/2F；最大徑向速度 Vymax 與 F 之間的 關(guān)系為 Vymax=177。λ F/4。增大 F雖然能增大最大徑向速度，但必然會減少最大監(jiān) 測距離，就有可能產(chǎn)生二次甚至三次回波問題，導(dǎo)致距離模糊；減小 F雖然能增 第 13 頁，共 25 頁 表 711雷達(dá)和 CINRAD/SA雷達(dá)部分性能指標(biāo)對比 711 雷達(dá) CINRAD/SA雷達(dá) 工作頻率 /MHz 9370177。 30 2830 波長 /cm 脈沖重復(fù)頻率 /Hz 400 3181304(1μ s) 318452(4μ s) 脈沖寬 度 /μ s 1 、 脈沖功率 /kw 75 650 波束寬度 度 1 度 天線直徑 /m 天線增益 /dB 40 44 靈敏度 /dB 96 112 接收機(jī)動態(tài)范圍 /dB 50 90 產(chǎn)品應(yīng)用 Z dBz,V,W 大最大監(jiān)測距離，但必然會減小最大徑向速度，就有可能導(dǎo)致速度模糊。因此，可選擇不同的脈沖重復(fù)頻率是新一代天氣雷達(dá)的重要特性。 增加脈沖寬度有利于增加雷達(dá)最大探測距離，但另一方面又直接影響到雷達(dá)距離分辨力，也決定了雷達(dá)盲區(qū)的大小。而新一代天氣雷達(dá)的雙脈沖寬度 在探測降水時一般使用窄脈沖寬度，以提高觀測精度；在晴空探測時往往使用寬脈沖寬度，以增大有效照射體積，使更多的目標(biāo)物粒子被探測到，因此更有利于晴空大氣監(jiān)測。 發(fā)射功率是雷達(dá)的重要參數(shù)之一，在其他參數(shù)已定的情況下，由雷達(dá)氣象方程可知，發(fā)射功率越大，雷達(dá)最大探測距離越大。因此，新一代天氣雷達(dá)較大的發(fā)射功率提高了其探測能力和探測距離，特別是增強(qiáng)了對弱降水和晴空大氣的監(jiān)測能力。 波束寬度越小，天線輻射的電磁波能量在空間的分布上越集中，定向性能越好，切向分辨率越高，切向探測精度也相應(yīng)提高。新一代天氣雷達(dá)的波束寬度為1度 ，較 711 雷達(dá)的 度要小，性能更好。 從雷達(dá)氣象方程可知，雷達(dá)接收到的回波功率與天線增益的平方成正比，所以，加大天線增益是提高雷達(dá)探測能力的一個重要因素。但是，新一代天氣雷達(dá)相對于常規(guī)天氣雷達(dá)來講所具有的較長的波長、較窄的波束寬度和較大的天線增益使得天線尺寸相應(yīng)加大。 靈敏度是雷達(dá)接收機(jī)的重要參數(shù)，表明雷達(dá)接收機(jī)接受微弱信號的能力。 新一代天氣雷達(dá)與常規(guī)天氣雷達(dá)技術(shù)體制的主要差異 常規(guī)天氣雷達(dá)利用降水回波信號強(qiáng)度來探測降水區(qū)的位置、分布、強(qiáng)弱及其變化。新一代天氣雷達(dá)除了具有常規(guī)天氣雷達(dá)的這種功 能外，本質(zhì)差別在于，它利用多普勒效應(yīng)，能檢測到回波信號中微小的頻率變化，即降水粒子徑向運(yùn)動速 第 14 頁，共 25 頁 度引起的多普勒頻率。 兩者的主要差別可概括為兩個方面： 發(fā)射、接收體制的差異 新一代天氣雷達(dá)采用頻率穩(wěn)定度相當(dāng)高的相干發(fā)射和接收體制，是新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)區(qū)別與常規(guī)天氣雷達(dá)系統(tǒng)的根本所在。由于新一代天氣雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號頻率非常穩(wěn)定，同時各脈沖信號間具有確定的頻率進(jìn)行比較，以檢測出散射體的多普勒頻率。 信號處理的差異 常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)信號處理一般包括 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字視頻積分和資料訂正等功能， 以得到雷達(dá)反射率因子的平均分貝值（ dBZ）。而新一代天氣雷達(dá)除常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)信號處理一般功能外，還具有精度較高的多普勒信號處理器，可以實時的提供較準(zhǔn)確的徑向風(fēng)場分布的數(shù)據(jù)，從而識別龍卷、暴流等災(zāi)害性天氣。 性能特點對比分析 新一代天氣雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)和全相干脈沖多普勒體制，決定了新一代天氣雷達(dá)與常規(guī)天氣雷達(dá)相比，具有較強(qiáng)的探測能力。因為新一代天氣雷達(dá)具有大天線、高增益、高發(fā)射功率、寬脈沖寬度、高接收靈敏度等特點，而這些特點直接影響到探測能力的大小，且能較為有效的監(jiān)測強(qiáng)降水、冰雹和大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。 圖 713C雷達(dá)觀測回波 圖 WSR98D雷達(dá)探測有大片強(qiáng)度為 1520dBz的弱的層狀云降水回波 由圖 ，常規(guī)天氣雷達(dá)的探測 精度 遠(yuǎn)不及新一代天氣雷達(dá) 。 精 確 幅度在 515dBz 左右，亦即強(qiáng)度在 1015dBz 及以下的回波用常規(guī)天氣雷達(dá)是探測不到的，而新一代天氣雷達(dá)可探測到 515dBz 范圍內(nèi)弱的回波。 該雷達(dá)系統(tǒng)還具有較準(zhǔn)確測量回波強(qiáng) 度的能力，配合地面雨量標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)而較好地估算降水強(qiáng)度和較大范圍內(nèi)的降雨量。一是新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的主要參數(shù)經(jīng)過較準(zhǔn)確的定標(biāo)和測量，從而保證了新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)測量回波強(qiáng)度的可 第 15 頁，共 25 頁 靠性和準(zhǔn)確性。二是新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)具有寬的接收機(jī)動態(tài)范圍。為克服降水回波信號的漲落對回波強(qiáng)度測量的影響，新一代天氣雷達(dá)對信號進(jìn)行積累處理、以提高回波強(qiáng)度測量的準(zhǔn)確性。 CINRAD/SA雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍優(yōu)于 90dB,而 711雷達(dá)接收機(jī)的動態(tài)范圍僅為 50dB。三是自動標(biāo)校技術(shù)。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)可以對雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)和動態(tài)曲線進(jìn)行測量，并 能根據(jù)測量數(shù)據(jù)自動修改雷達(dá)常數(shù)，保證了定量測量的精度。 新一代天氣雷達(dá)具有較完善的監(jiān)控系統(tǒng)，以保證雷達(dá)能長期的連續(xù)運(yùn)行，保障雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)存儲的管理。且新一代天氣雷達(dá)能在無降水目標(biāo)物的情況下探測到近距離范圍內(nèi)的晴空回波。 豐富的應(yīng)用產(chǎn)品 新一代天氣雷達(dá)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力及豐富的應(yīng)用軟件支持，形成多種產(chǎn)品供用戶使用。 (1) 基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品 新一代天氣雷達(dá)主要以 PPI 平面位置顯示、 RHI 距離高度顯示、 CAPPI（等高平面位置顯示）、 VCS（任意剖面顯示）等形式顯示的 dBz,V,W 數(shù)據(jù)產(chǎn)品。 (2) 物理量產(chǎn)品 由 dBz,V,W 數(shù)據(jù)經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系派生出的氣象物理量圖形和圖象產(chǎn)品，如ETPPI（回波頂高度顯示）、 PA（降水累積顯示）、 RZ（雨強(qiáng)顯示）、 VIL（垂直累積液態(tài)含水量）、 RVD（徑向散度顯示）、 ARD（方位渦度顯示）等。 (3) 風(fēng)場反演產(chǎn)品 根據(jù)雷達(dá)獲取的徑向速度分布，在一定條件下反演出二維，三維風(fēng)場的分布，如 VAD（垂直風(fēng)廓線）、 TVF（二維水平風(fēng)場）等。 (4) 自動識別產(chǎn)品 如中尺度氣旋、龍卷、冰雹、陣風(fēng)等自動識別，冰雹跟蹤、強(qiáng)天氣概率等。次類產(chǎn)品依據(jù)強(qiáng)天氣的概念模式，根據(jù)雷 達(dá)獲取的數(shù)據(jù)通過軟件來實現(xiàn)。對于常規(guī)雷達(dá)來講，雖然也有 PPI， RHI， CAPPI， ETPPI， RZ， VIL， PA 等產(chǎn)品，但因雷達(dá)參數(shù)無法實時標(biāo)校等原因，其產(chǎn)品質(zhì)量波動性較大，定量分析也存在較大誤差。 7 新一代天氣雷達(dá)（ CINRAD/SA）與雙偏振雷達(dá)（ WSR98D/XD）的性能對比 性能包括工作性能和技術(shù)性能，工作性能包括探測范圍、精確度、分辨能力，而技術(shù)性能就是技術(shù)指標(biāo)。影響探測范圍的因素包括：脈沖功率、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期、天線的性能、接收機(jī)的性能等等。 由表 ， WSR98D/XD 雷具有 有較高的工作頻率，較高的脈沖重復(fù)頻 率，優(yōu)秀的發(fā)射性能和接收功能，以及在 CINRAD/SA 雷達(dá)產(chǎn)品基礎(chǔ)上更為豐富的 第 16 頁，共 25 頁 表 CINRAD/SA雷達(dá)與 WSR98D/XD雷達(dá)主要技術(shù)性能對比 CINRAD/SA雷達(dá) WSR98D/XD雷達(dá) 工作頻率 /MHz 2830 9420177。 20 波長 /cm 脈沖重復(fù)頻率 /Hz 3181304(1μ s) 318452(4μ s) 3001500 脈沖寬度 /μ s 、 、 、 脈沖功率 /kw 650 75 波束寬度 1度 1度 天線直徑 /m 天線增益 /dB 44 44 靈敏度 /dB 112 110 接收機(jī)動態(tài)范圍 /dB 90 ≥ 90 產(chǎn)品應(yīng)用 dBZ,V,W dBZ， W， V， ZDR，Φ DP， KDP等 產(chǎn)品。 天線、饋線和伺服系統(tǒng) CINRAD/SA 該雷達(dá)系統(tǒng)要求天線方向圖具有窄的主波束寬度即筆形波束（ 3dB 波束寬度 度），和低的第一付瓣電平（ 27dB） ,并采用水平極化方式，天線的電壓駐波比不超過 1： 45： 1，在發(fā)射脈沖期間，由天線端反射進(jìn) 入接收支路的功率，大于由發(fā)射支路漏入接收支路的功率。饋線系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分，發(fā)射支路用于傳送高功率信號至天線，接收支路傳送來自天線的回波功率。構(gòu)成饋線系統(tǒng)的波導(dǎo)組件有：直波導(dǎo)、彎波導(dǎo)、扭波導(dǎo)、軟波導(dǎo)、過渡波導(dǎo)，以及環(huán)行器、波導(dǎo)開關(guān)、方向偶合器、方向旋轉(zhuǎn)開關(guān)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、大中小功率負(fù)載等關(guān)鍵的波導(dǎo)組件。伺服系統(tǒng)根據(jù)