雷达气象学复习重点

1、天气雷达工作原理天气雷达工作原理:定向地向空中发射电磁波列(探测脉冲)，然后接收被气象目标散射回来的电磁波列（回波信号），并在荧光屏上显示出来，从而确定气象目标物的位置和特性雷达的测距原理：雷达根据从开始发射无线电波到接收到目标物回波的时间间隔，来测定目标与雷达之间的距离3、雷达主要组成:RDA:雷达数据采集系统、RPG:雷达产品生成子系统、PUP:主用户处理系统①定时器:定时器是雷达的“指挥中心”它实际上是一个频率稳定的脉冲信号发生器。

定时器每隔一定的时间间隔发出一个脉冲信号，它触发发射机，使发射机定时地产生强大的高频振荡脉冲并使阴极射线管同时开始作时间扫描②发射机:在定时器的控制下,发射机每隔一定的时间产生一个很强的高频脉冲,通过天线发射出去③天线传动装置: 天线传动装置主要包括两个部分，一部分是天线的转动系统，一部分是同步系统。

天线转动系统的作用是：（1）使天线绕垂直轴转动，以便探测平面上的降水分布，或漏斗面上降水、云的分布；（2）使天线在某一方位上作上下俯仰，以便探测云和降水的垂直结构和演变。

天线同步系统（也叫伺服系统）的作用是：使阴极射线管上不同时刻时间扫描基线的方位、仰角和相应时间天线所指的方位、仰角一致（即同步），从而使雷达荧光屏上出现的目标标志（用亮点或垂直偏移表示）的方位、仰角就是目标相对于雷达的实际方位、仰角④天线转换开关: 因为雷达发射和接受的都是持续时间极短（微秒量级）、间歇时间很长（千微秒量级）的高频脉冲波，这就有可能使发射和接收共用一根天线。

天线转换开关的作用是：在发射机工作时，天线只和发射机接通，使发射机产生的巨大能量不能直接进入接收机，从而避免损坏接收机；当发射机停止工作时，天线立即和接收机接通，微弱的回波信号只进入接收机⑤接收机:雷达接收机的作用是将天线接收回来的微弱回波信号放大并变换成足够强的视频信号送往显示器产生回波标志⑥雷达天线:雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波和接收来自该方向的回波。

气象上使用的雷达天线一般由两部分组成：一是天线辐射喇叭，把发射机产生的高频脉冲能量向外辐射。

二是天线反射器，把来自辐射喇叭的脉冲电波，以很小的张角高度定向地向外反射②显示器:显示器是把雷达探测到的云、雨等目标及其相对于雷达的坐标位置(方位、距离、高度)、回波强度等显示出来的装置。

由于需要重点了解的情况不同，天气雷达经常使用的显示器有：①平面位置显示器（PPI）：仰角为0②距离高度显示器（RHI）③距离仰角显示器(REI)：低仰角下使用④等高平面位置显示器（CAPPI）：不同高度平面上使用4、与探测性能有关的一些雷达参数①脉冲宽度和脉冲长度脉冲宽度：发射无线电脉冲波的持续时间叫脉冲宽度。

脉冲长度：脉冲波在空间的长度叫脉冲长度。

用τ表示脉冲宽度，h 表示脉冲长度，仍用c 表示电波在空间的传播速度，则脉冲长度和脉冲宽度之间的关系是:h=τ c②脉冲重复频率与脉冲重复周期脉冲重复频率是每秒钟雷达发射脉冲波的次数。

两个相邻脉冲波之间的时间间隔叫做脉冲重复周期。

用F表示脉冲重复频率，T表示脉冲重复周期，它们之间互为倒数关系：F=1T③脉冲功率和平均功率脉冲功率：指发射机发射脉冲波期间产生的高频功率。

脉冲功率也叫峰值功率。

脉冲功率大，雷达接收到来自云雨的回波比较强，雷达可以探测比较远、比较弱的目标。

平均功率：指脉冲功率在其重复周期内的平均值。

用Pt表示脉冲功率，P t表示平均功率，有：P t=P t╳τT④方向性图与波束宽度方向性图：表示天线向外辐射电波能量方向性情况的图叫方向性图波束宽度：为了定量地表示天线辐射能量的定向程度，可以用方向性图上主波瓣最大辐射方向两侧，辐射能量为最大辐射能量一半的两个矢量之间的夹角的大小来表示，该角叫波束宽度⑤天线增益定义：定向天线最大辐射方向上的功率密度和天线各向均匀辐射能量时同一距离上功率密度的比值。

天线增益数值越大，表示天线定向辐射的能力越强。

5、散射和吸收散射:只改变传播方向,不改变传播能量的形式粒子对电磁波的散射:只改变电磁波的传播方向,不改变电磁波能量的大小吸收:改变传播能量的形式(能量转化)粒子对电磁波的吸收:在粒子介质内部传播时,电磁波能量转化为热量,能量受到衰减大气中引起雷达波散射的主要物质：大气介质、云、降水粒子散射的分类:瑞利散射：d<<λ的小球形粒子的散射.米散射： d≈λ的大球形质点的散射瑞利散射的特征：①粒子散射能力与λ的4次方成反比。

波长越短，散射越强②粒子散射能力与D的6次方成正比。

粒子半径越大，散射越强③粒子前向散射和后向散射为最大，粒子无侧向散射。

散射截面为纺锤形6、散射截面用来表示粒子的总散射能力的一个量。

表示：凡射到这个截面上的入射波能量都被散射掉了，入射波在原前进方向上的能量将因粒子散射而减少，单位时间内减少的能量是Q s ▪S i , 瑞利散射时，散射截面的大小与粒子的物理性质、半径、入射波波长有关7、雷达截面符号σ表示总散射功率与入射波能流密度之比，即雷达截面散射截面和雷达截面的区别:散射截面：散射总功率与入射能流密度之比，Qs ＝Ps/Si雷达截面：假设各向同性散射，且都等于最大散射能流密度σ=Ss(max)*4πR 2/Si 雷达截面对雷达探测更具有意义8、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的大小。

用不同波长的雷达所取得的η值不能通过直接比较9、雷达反射率因子,Z 的大小只取决于云、雨滴谱的情况，与粒径的6次方成正比，说明少数大粒子将提供散射回波功率的绝大部分10、等效反射率因子反射率因子Z 是从用瑞利后向散射表示的反射率公式中引出的，当用3.2cm 或5.7cm 短波长雷达探测强降水或冰雹，以及用10cm 波长雷达探测大冰雹时，瑞利条件不成立，这时用雷达气象方程求得的Z 值就不能与代表降水的实际滴谱分布情况相对应，故只能说是等效的Z 值，以Ze 表示直接计算Ze 值时,先测定实际粒子的滴谱，算出相对应的瑞利散射的雷达截面，通过瑞利散射和米散射的关系求出米散射的雷达截面，最后利用上式算出Ze 值。

等效反射率因子Ze 的意义：能够产生同样回波功率，与小球粒子的∑Di6 等效的Z 的数值。

引进Ze 值后．即使在米散射情况下．只要以Ze 值代替Z 值，雷达气象方程仍可保持瑞利散射时的简单形式11、衰减定义:吸收和散射两种所用的总和,电磁波能量沿传播路径减弱的现象. 衰减物:大气、云、降水粒子12、电磁波衰减对雷达探测有哪些影响作用由于衰减，使回波图像、定量测量情况与实际情况之间出现偏差，造成回波的失真 ①由于衰减的存在，同一方向上远处目标的后向散射的定量测量比近处难得多。

——探测距离.②如果传输过程的衰减太大，则强散射区后面的降雨单元的回波有可能被完全衰减掉。

——冰雹天气的V 缺口60()Z n D D dD ∞=⎰13、雷达气象方程：集中反映雷达回波强弱与气象目标物、雷达的各参数以及距离等关系的数学表达式p r =π31024ln 2p t hG 2θ1φ1λ21R 2ψ|m 2−1m 2+2|2Z▪10−0.2∫kdR R 015、充塞程度：当雷达波束完全在降水或云体的上下边界以内时，可以认为充塞系数=1，当雷达波束只是部分地被降水或云滴充塞是，雷达观测到的回波功率必定比完全充塞时小，计算的Pr 值就偏大，因此必须乘上一个小于1的、取决于充塞程度的充塞系数16、大气折射: 电磁波在大气中曲线传播的现象就是大气折射大气折射起源于电磁波在大气中传播速度的变化,传播速度与大气折射指数和介电常数有关,大气折射指数与温压湿有关,随高度增加,大气折射指数减小17、等效地球半径(Rm ’)定义：设想地球半径加大到某一数值Rm ’时，使得Rm ’为半径的球面上沿直线传播的超短波的最大探测距离和真实地球表面上沿折射曲线轨道传播的最大探测距离相同，则Rm ’就称为等效地球半径引入的意义：用Rm ’来代替真实的地球半径Rm ，这样把超短波处理为直线传播、有利于计算18、地球球面和大气折射对探测目标物的影响①球形地面和大气折射使雷达波束偏离地面的情况当探测距离较远时，即使地面雷达做水平探测，波速轴线的高度也会离开地面数千米；对近距离降水云，探测到的是降水云的底部；对远距离的降水，探测到的是降水云的中部或顶部；若远处降水云发展高度较低，雷达可能探测不到，实际工作中对此予以注意②球形地面造成回波分布的变形19、折射指数随高度变化的几种形式①标准大气折射在标准大气情况下，Rm ’= 8500km ，为实际地球半径的4/3倍。

波束路径向下弯曲，其曲率比地球曲率小，这种折射称为标准大气折射。

标准大气折射可以代表中纬度地区对流层中大气折射的一般情况，亦称为正常折射。

标准大气折射可以使最大探测距离增大16%。

②临界折射：当波束路径的曲率与地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射, 此时, K=15.7×10−8m −1等效地球半径→∞。

③超折射：当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向ϕϕ前传播，与波导管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超折射。

等效地球半径Rm’<0，这时K>15.7×10−8m−1④正折射：标准大气折射、临界折射、超折射这三种情况，共同特点是：满<0，这样一个公共条件。

所以统称为正折射。

n值随高度的增加而减足dndh小，射线向地面方向弯曲，但弯曲程度不同。

超折射时弯曲最大；临界折射时射线的曲率与地面曲率相同；标准大气时曲率最小，在直线和地表面曲率之间⑤零折射：如果雷达波束沿直线传播，无折射现象，称为零折射。

这时，K =Rm’=Rm，绝对曲率等于零，大气是均质的。

在一般情况下，大气不会出现这种情况⑥负折射：如果雷达波束不是向下弯曲，而是向上弯曲，出现这种折射时，射线传播路径的绝对曲率小于零，称为负折射。

这时的K<0定位误差和探测盲区由于大气水平分布非均匀,使雷达波产生折射,会导致雷达水平探测定位误差和出现探测盲区大气某些区域，如海陆交界处、海陆锋、锋面两侧气象要素的水平变化不能忽视，折射指数梯度可相差达到30N单位以上，水平均一的假设对高精度探测就不适用了。

由于大气水平分布不均匀，N单位梯度的存在会导致雷达水平探测定位存在误差26、多普勒径向速度径向速度：对于一个运动的目标，向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：移向雷达为正，远离雷达为负；移向雷达为负，远离雷达为正①径向速度总是小于或等于实际目标速度；②由WSR-88D测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动；③当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零27、径向速度场分析技术与方法从三个方面进行分析零径向速度线：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朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心：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，往往与强对流大气（快速移行冷锋、飑线、中尺度气旋）相联系。