第一章 我國新一代天氣雷達原理
一、了解新一代天氣雷達的三個組成部分和功能
新一代天氣雷達系統由三個主要部分構成：雷達數據采集子系統（RDA）、雷達產品生成子系統（RPG）、主用戶處理器（PUP）。
二、了解電磁波的散射、衰減、折射
散射：當電磁波束在大氣中傳播，遇到空氣分子、大氣氣溶膠、雲滴和雨滴等懸浮粒子時，入射電磁波會從這些粒子上向四面八方傳播開來，這種現象稱為散射。 衰減：電磁波能量沿傳播路徑減弱的現象稱為衰減，造成衰減的物理原因是當電磁波投射到氣體分子或雲雨粒子時，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而轉變為熱能或其他形式的能量。
折射：電磁波在真空中是沿直線傳播的，而在大氣中由於折射率分布的不均勻性
（密度不同、介質不同），使電磁波傳播路徑發生彎曲的現象，稱為折射。
三、了解雷達氣象方程
其中Pr表示雷達接收功率，Z為雷達反射率，r為目標物距雷達的距離。Pt表示雷達發射功率，h為雷達照射深度，G為天線增益，θ、φ表示水平和垂直波寬，λ表示雷達波長，K表示與復折射指數有關的系數，C為常數，之決定於雷達參數和降水相態。
四、了解距離折疊
最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個發射脈沖在下一個發射脈沖發出前能向前走並返回雷達的最長距離，Rmax=0.5c/PRF, c為光速，PRF為脈沖重復頻率。 距離折疊是指雷達對雷達回波位置的一種辨認錯誤。當距離折疊發生時，雷達所顯示的回波位置的方位角是正確的，但距離是錯誤的（但是可預計它的正確位置）。當目標位於最大不模糊距離（Rmax）以外時，會發生距離折疊。換句話說，當目標物位於Rmax之外時，雷達卻把目標物顯示在Rmax以內的某個位置，我們稱之為‘距離折疊’。
五、理解雷達探測原理。
反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標內部降水粒子的尺度和數密度，反射率越大，說明單位體積中，降水粒子的尺度大或數量多，亦即反映了氣象目標強度大。 反射率因子（回波強度）：
Z??N(
D)D6dD
63
即反射率因子為單位體積內中降水粒子直徑6次方的總和。
意義：一般Z值與雨強I有以下關系：
層狀雲降水 Z=200I1.6
地形雨 Z=31I1.71
雷陣雨 Z=486I1.37
新一代天氣雷達取值 Z=300I1.4
六、了解雷達資料准確的局限性、資料誤差和資料的代表性
由於雷達在探測降水粒子時，以大氣符合標准大氣情況為假定，與實際大氣存在一定的差別，使雷達資料的准確度具有一定的局限性，且由於雷達本身性能差異及探測方法的固有局限，對探測目標存在距離折疊及速度模糊現象，對距離模糊和速度模糊的處理等，均增大了雷達資料的誤差。雖然如此，由於徑向速度是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，雷達反射率因子通過對沿徑向上的四個取樣體積平均得到的，其徑向分辨率相當於四個取樣體積的長度，這也使雷達探測的資料具有一定的代表性。 Z0?1mm/m
第二章 天氣雷達圖像識別
一、掌握多普勒效應
多普勒效應為，當接收者或接受器與能量源處於相對運動狀態時，能量到達接受者或接收器時頻率的變化。多普勒頻率，是由於降水粒子等目標的徑向運動引起的雷達回波信號的頻率變化，也稱為多普勒頻移，其與目標的徑向運動速度成正比，與多普勒天氣雷達波長成反比。
二、了解多普勒天氣雷達測量反射率因子、平均徑向速度和速度譜寬的主要技術方法
多普勒雷達利用降水粒子的后向散射與多普勒效應來達到對其探測的目的。通過發射信號與接收信號的延遲來測量距離，通過降水粒子的多普勒頻移來測量其速度。 反射率因子：雷達的反射率因子是降水粒子后向散射被雷達天線接收到的回波，為單位體積內中降水粒子直徑6次方的總和，反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標內部降水粒子的尺度和數密度，反射率越大，說明單位體積中，降水粒子的尺度大或數量多。
平均徑向速度：由於降水粒子等目標的徑向運動引起的雷達回波信號的頻率變化，也稱為多普勒頻移，其與目標的徑向運動速度成正比，與多普勒天氣雷達波長成反比。徑向速度則是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，而相應的標准差即為譜寬。
速度譜寬：徑向速度則是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，為平均徑向速度，而相應的標准差即為譜寬。
三、理解距離折疊和速度模糊的概念
最大不模糊距離：最大不模糊距離是指一個發射脈沖在下一個發射脈沖發出前能向前走並返回雷達的最長距離，Rmax=0.5c/PRF, c為光速，PRF為脈沖重復頻率。
距離折疊：距離折疊是指雷達對雷達回波位置的一種辨認錯誤。當距離折疊發生時，雷達所顯示的回波位置的方位角是正確的，但距離是錯誤的（但是可預計它的正確位置）。當目標位於最大不模糊距離（Rmax）以外時，會發生距離折疊。即當目標物位於Rmax之外時，雷達卻把目標物顯示在Rmax以內的某個位置，我們稱之為‘距離折疊’。 如果一個散射區在Rmax之外，那么回波只有在下一個脈沖發射之后才能收到， 因為實際的來回距離在Rmax和Rmax之間，因此這種回波被稱為第二區回波。
最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷達能夠不模糊地測量的最大平均徑向速度，其對應的相移是180度。按照Nyquist采樣定理可知，雷達能夠准確測量多普勒頻率是PRF/2，即fDmax=PRF/2。考慮到多普勒頻率實際上是頻率漂移，可正可負,故fDmax=±PRF/2, 把關系式fD=2V/λ 代入,並把fDmax和Vrmax相對應,可得：
Vmax=±λ*PRF/4
對實際使用的雷達來說，波長是固定的，當選定了Rmax（或脈沖重復頻率）后，
就會存在一個Vmax。即，當目標的徑向速度大於最大不模糊速度時，就會產生混淆。由雷達測得的徑向速度將相差兩倍最大不模糊速度（稱Nyquist間隔或速度折疊）。當最大不模糊速度較小時，會產生多次速度折疊，此時：真實速度的可能值 v-2nVmax或v+2nVmax n為1,2,3，222為Nyquist數或速度折疊次數 。
四、了解新一代天氣雷達工作方式
掃描方式告訴雷達在一次體積掃描中使用多少仰角和時間。WSR-88D 和 CINRAD WSR-98D 使用三種掃描方式：
5分鍾完成14個不同仰角上的掃描（14/5）
6分鍾完成9個不同仰角上的掃描（9/6）
10分鍾完成5個不同仰角上的掃描（5/10）
體掃模式 (VCP:Volume Cover Pattern）：掃描方式確定一次體積掃中使用多少個仰角，而具體是哪些仰角則由體掃模式來規定。目前只定義了其中的4個：
VCP11：規定5分鍾內對14個具體仰角的掃描方式。 VCP21：規定6分鍾內對9個具體仰角的掃描方式。
VCP31：規定10分鍾內對5個具體仰角的掃描方式。
VCP32：確定的10分鍾完成的5個具體仰角與VCP31相同。
不同之處：VCP31使用長雷達脈沖 VCP32使用短脈沖。WSR-98D未定義VCP32。
工作模式（Operational Mode）：WSR-88D使用兩種工作模式，即降水模式和晴空模式。雷達的工作模式決定了使用哪種VCP。
工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相應的掃描方式分別為14/5 和9/6。 工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，兩者都使用掃描方式5/10。
五、了解數據的質量控制原理和方法
去除距離折疊的方法：
①用隨機相位編碼技術消除距離折疊。
②調節脈沖重復頻率（PRF），這樣便可以改變Rmax，並可能在所關心的區域將距
離折疊退掉。
③選擇一個較高的仰角掃描能克服距離折疊問題。
④采取變換探測地點的方式可以觀察到同一個風暴的不同側面。
去除速度模糊的方法：
目前最常見的客觀速度退模糊的技術方法有下面幾種：
①主觀識別和消除速度模糊影響，在使用速度回波的PPI或RHI等圖像以前，應首先分析是否存在速度模糊現象，如存在，則在使用時排除其影響。
②改變脈沖重頻或交替使用雙重頻。
六、理解什么是多普勒兩難
根據得知，對每個特定雷達而言，在確定的頻率下，探測的最大距離和最大速度
不能同時兼顧。
第三章 對流風暴的雷達回波特征
一、了解層狀雲降水、積雲降水和積雲層狀雲混合降水的反射率因子圖像主要特征
在常規雷達上，積狀雲降水回波被描述為具有密實的結構，而層狀雲降水回波具有均勻的紋理和結構，積狀和層狀混合降水回波具有絮狀結構。積狀雲降水，反射率因子空間梯度較大，其強度中心的反射率因子通常在35dBZ以上，而層狀雲降水反射率因子空間梯度小，反射率因子一般大於15dBZ，小於35dBZ。層狀雲降水或層狀-積雲混合降水反射率因子回波的另一個特征是所謂的“零度層亮帶”的存在。
二、理解邊界層輻合線的識別
邊界層輻合線：邊界層輻合線在新一代天氣雷達反射率因子圖上呈現為窄帶回
波，強度從幾個dBZ到十幾個dBZ。
三、理解風隨高度變化的徑向速度圖主要特征
①等徑向速度線為直線：零等速線呈直線，各高度層上的風為均勻風場。如果實
際風速在某高度層上出現最大值，則在徑向速度圖上表現為被閉合等速區所包圍的最大徑向速度區。
②S型和反S型徑向速度圖像：零等速線呈S型，表示實際風向隨高度順時針旋轉，在雷達有效探測范圍內有暖平流；同樣，零等速線呈反S型，表示實際風向隨高度逆時針旋轉，在雷達有效探測范圍內有冷平流。
③匯合和發散流場的速度圖像：如果實際風向在各高度層上為匯合或發散，則在速度圖上零等速線呈弓形。
四、了解鋒面的徑向速度圖像特征
鋒面從西北方向移向ＲＤＡ，冷風逼近時，零等速區（線）有兩個（條），一個通過ＲＤＡ呈S型結構，另一個未通過RDA呈反Ｓ型結構。鋒區位於東北－西南向零等速線，如下圖。
當冷鋒位於ＲＤＡ時，有三條零等速區（線），有一條零等速線通過ＲＤＡ中心，為鋒區所在位置，如下圖。
當冷鋒通過ＲＤＡ后，有三條零等速區（線），在ＲＤＡ東南方呈西南－東北向的零等速線即為鋒區，如下圖。
五、理解γ中尺度系統的徑向速度特征
①γ中尺度氣旋／反氣旋流場：在小區域內，當一對最大入流／出流速度中心距雷達是等距離時，表示在該區域內有中γ尺度旋轉存在，沿雷達徑向方向，若最大入流速度中心位於左側，表示為氣旋性旋轉，若最大入流速度中心位於右側，則為反氣旋性旋轉。
②γ中尺度輻合／輻散流場：由於γ中尺度輻合／輻散流場得尺度較小，其源點或匯點和整個流場均在雷達的有效探測范圍內，在包含γ中尺度輻合／輻散流場的小區域內，沿同一雷達徑向方向有兩個最大徑向速度中心，若最大入流中心位於靠近雷達一側，則該區域為徑向輻散區，相反則為徑向輻合區。
③γ中尺度氣旋式輻合／輻散流場：當一對最大入流／出流中心位於距雷達不是
等距離且不在同一雷達徑向時，若最大出流中心更靠近雷達且最大入流中心位於雷達徑向左側時，表示小區域內流場為氣旋式輻合，相反，若最大入流中心更靠近雷達且且最大出流中心位於雷達徑向左側時，表示小區域內流場為氣旋式輻散。
④γ中尺度反氣旋式輻合／輻散流場：與上述情況類似，還可以有反氣旋式輻合
和反氣旋式輻散。
第四章 新一代天氣雷達產品
一、理解對流單體的概念模型
根據積雲中盛行的垂直速度的大小和方向，普通風暴單體的演化過程通常包括三個階段：
①塔狀積雲階段：由上升氣流所控制，上升速度一般隨高度增加，且主要由局地暖空氣的正浮力或者由低層輻合引起，上升速度一般為5~10m/s，個別達到25m/s。在塔狀積雲的后期，降水能夠引發下沉氣流。
②成熟階段：實際上是由上升氣流和下沉氣流共存的階段。成熟階段開始於雨最初從雲底降落之時，可認為雷達回波接地是對流單體成熟階段的開始。此時，雲中上升氣流達到最大，隨着降水過程的開始，由於降水粒子所產生的拖拽作用，形成了下沉氣流。然后，這種下沉氣力在垂直和水平方向上擴展。這種冷性下沉氣流作為一股冷空氣，在近地面的低層向外擴散，與單體運動前方的低層暖濕氣流交匯而形成颮鋒，又稱陣鋒風。成熟階段的對流單體的中上部，仍為上升氣流和過冷水滴及冰晶等水成物。當雲頂伸展到對流層頂附近時，不再向上發展，而向該處的環境風下風方向擴展，出現水平伸展的雲砧。
③消亡階段：為下沉氣流所控制，此時降水發展到整個對流雲體。實際上，當下
沉氣流擴展到整個單體，暖濕空氣源被擴展的冷池切斷時，風暴單體開始消亡。
二、了解對流風暴的分類
對流風暴可分為以下四類：①普通單體風暴，②多單體風暴，③線風暴（飈線），④超級單體風暴。前三類可以是強風暴，也可以是非強風暴，而第四類一定是強風暴。
三、理解影響雷暴生成發展的主要因素及診斷方法
影響雷暴生成發展的主要因素有熱力（浮力）不穩定、風的垂直切變和水汽的垂直分布三個因子。另外，在對流不穩定條件下，還需要一定的抬升條件對流才能發生。由於浮力決定了垂直方向上空氣的加速程度，它與風暴強度直接相關。垂直風切變有利於風暴發展、加強和維持，從而決定了風暴類型的演變和發展。另外風暴和環境的相互作用也會影響風暴的強度和組織。
四、了解風暴相對螺旋度的概念和物理含義
風暴相對螺旋度是衡量風暴旋轉潛勢的具有明確意義的物理量，其取決於沿相對
風暴氣流流線方向的水平渦度，而這些因子又取決於低層垂直風切變的強度和方向以及風暴的運動。其表達式為： HSR??(V?C)??Hdz 0z
其幾何意義為：它與速度矢端圖中兩個層次之間的相對風暴風矢量所掃過的區域
的面積成正比。
五、掌握脈沖風暴的雷達回波特征
脈沖風暴的雷達回波結構有三個特點：①初始回波出現的高度一般在6~9km之間，②強回波中心值一般大於50dBZ，③強中心所在的高度也比較高，一般在-10℃等溫線的高度。
六、理解中氣旋的定義
中氣旋是與強對流風暴的上升氣流和后側下沉氣流緊密相連的小尺度（小於10km）渦旋，該渦旋滿足一定的切變、垂直伸展和持續性判據。一般垂直渦度大於等於10?2S?1，垂直伸展超過風暴垂直尺度的1/3，持續2個體掃即為中氣旋。
七、掌握超級單體風暴的定義和雷達回波特征
超級單體風暴最本質的特征是具有深厚而持久的中氣旋，且只產生在中等到強的垂直風切變環境中。超級單體風暴的回波特征為：①持續有界弱回波區，②持久的中氣旋，③低層鈎狀回波，④三體散射長釘，⑤懸垂狀回波，⑥旁瓣回波，⑦“V”型缺口，⑧上部呈現寬大而伸展的雲砧，⑨雷達回波頂高度較高。
A：旁瓣回波 B：三體散射 C:弱回波區 D：雲砧 E：回波牆 F：懸掛回波 G：雨幡
八、掌握颮線的雷達回波特征
①有界弱回波區，②中高空的懸垂裝回波，③徑向速度剖面呈現低層輻散、中層輻合和高層輻散。
九、理解基本反射率、平均徑向速度、組合反射率、垂直累計液態水含量、回波頂高、1小時降水估測、中氣旋、冰雹指數、龍卷渦旋特征等常用產品
基本反射率：代表降水回波的強度大小，最高顯示分辨率為1km，是對來自4個相接的距離庫（分辨率250m）的回波功率取平均值。
平均徑向速度：表示探測的降水粒子的平均徑向速度大小，為整個360°方位掃描的徑向速度數據。
組合反射率：表示一個體掃內，將常定仰角方位掃描中的最大反射率因子投影到笛卡爾坐標格點上的產品。
垂直累計液態水含量：表示將反射率因子數據轉換成等價的液態水值，它假設所有的反射率因子返回都是由液態水滴引起的經驗導出關系。
回波頂高：它是在?18dBZ（可調閾值）反射率因子被探測到時，顯示以最高仰角為基礎的回波頂高度（不進行內插和外插）。
1小時降水估測：為1小時累計雨量，到當前體掃為止的1小時連續累積，每個體掃更新一次。
中氣旋產品：用來顯示與三種方位切變類型的識別有關的信息，即非相關切變、
三維的相關切變及中氣旋，用深黃色的圓圈顯示。
冰雹指數：老的冰雹指數產品對每個被識別的風暴單體，提供其風暴單體結構是否有助於冰雹形成的指示，新的冰雹指數產品可以在識別的風暴單體屬性表中給出相應單體降冰雹的概率、降大冰雹的概率和預期的最大冰雹尺寸，並以圖形的形式顯示出來。
龍卷渦旋特征：同中氣旋。
十、了解降水估測的原理
降水估測的基本原理是基於反射率因子和降水率之間的正相關關系。反射率因子越大，降水率越大。建立反射率因子和降水率之間的經驗關系，在雷達測得降水回波的反射率因子后根據相應的經驗公式可以求得降水率，對時間累加可以得到一段時間內的累計降水量。