雷达气象要点(全)

d Pr 2k L PrdR
kL 的单位是 1/距离。
R
Pr Pr0 exp 2 k L dR
0
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10lg
R R Pr 2 4.343kL dR 2 kdR 0 0 Pr0
其中 k 是以分贝/距离（一般是 dB/km）为单位的衰减系数。 实际中， k 包括气体分子、云粒子和降水的衰减，总衰减系数为三者之和。 3． 气体衰减 水汽：对于厘米波较长的部分，水汽引起的衰减很小，波长 10cm 时衰减小到可以忽略， 对于 5cm 波长，雷达与目标距离达到 60km 时，衰减为 0.1dB。3cm 的衰减也很小，只 是湿度较大时才会有影响。水汽衰减与湿度（水汽密度） 、气压、温度等的关系： (1)水汽吸收与绝对湿度成正比(即水汽密度) (2)除 1.35cm 附近外,水汽吸收同气压成正比 (3)水汽含量不变,衰减随温度降低缓慢增加 氧气：氧气对 1cm 以上雷达波的吸收很小。但在 0.5cm 处有强吸收带，不能忽略。 4． 吸收截面、散射截面、衰减截面 在能流密度 S i 的雷达波照射下，单位时间内单个降水、云粒子从入射电磁波中吸收的 能量为 P a，散射的能量为 Ps，衰减的能量为 Pd，令
Si S s
4 R 2
左边括号中的 π 指方位 θ=π，即后向散射。
对于 Rayleigh 情形，S i 与 SS 存在 Rayleigh 关系，此时的后向散射截面 σ 可表示为：
D6 m2 1 4 4 2 m 2
5
2
D 是粒子直径
6． 雷达反射率因子 雷达反射率：
i 1
N
Mi
5 m2 1 4 2 Ze 则 Ze 为等效反射率因子，表示能够产生同样回波功率 Pr， m 2
2
与小粒子的反射率因子等效的 Z 值。 7． 球形干冰粒对雷达波的散射 瑞利区：后向散射截面冰球是同体积水球的 1/5； 米散射区：随冰粒直径的增大，雷达截面也增大，最大达同体积水滴的 10 倍。 8． 正在融化的球形粒子的散射
4
2
cos
2
cos 2 sin 2
假设 ①粒子半径<<入射波长；②电学特性各向同性；③散射粒子不带自由电荷；④入 射波是周期变化的平面偏振波；⑤散射粒子不是导电体，复折射指数 m 不太大（冰的折射 指数较水小，所以冰粒满足 Rayleigh 条件的半径可以比水球大） 。 当 r 很小时，SS 也很小，回波功率低于最小可测功率时也观测不到。所以一般 cm 波雷 达不能观测云滴， mm 波雷达可专门用来测云。 Rayleigh 散射的能流密度空间分布是对称的，前后向相等且均为最大值。 (2) Rayleigh 散射的特点：①尺度参数 2πr/λ<<1；②最大能流密度方向在前向、后向；③散 射波与粒子半径的 6 次方成正比，与波长的 4 次方成反比。 (3) 直径量级在 10μ m 的云滴在 S、C、 X 波段上均满足 Rayleigh 散射条件，但直径量级为 1mm 的雨滴在 X 波段上不满足。 3． 米(Mie)散射 当球形粒子 ．．．．α=2πr/λ>0.13 时，Rayleigh 散射假设不再适用，这时发生的散射统称为米散 射。米散射的前向散射（ 0 度）集中了大部分能量。 4． 粒子群散射 独立散射原理： 当散射粒子间的距离比几个波长还大时， 各个粒子的散射可以认为是独 立的， 即总的散射效果是各个粒子散射的和。 在大气中碰到的大部分情况都满足独立散射的 条件，因此单位体积中粒子的散射是该体积中所有粒子散射之和。 粒子群散射能造成瞬时回波功率脉动， 原因是由于同时散射能量到天线处的许多降水粒 子之间相对位置不断发生变化， 从而使各降水粒子产生的回波到达天线的行程差也发生不规 则的变化。 粒子群中第 i 个粒子的回波可以表示为： Ei Eim cos t kri 对于两个粒子的回波合成为： E E1 E2
p1 ，其中 p1 是 p2
空间中某点实际测出的能量， p2 是使用各向同性辐射器在该点所测出的能量。 天线增益的大小与雷达波长和天线尺寸有关，要达到相同的角分辨率，长波段雷达需要 更大的天线。 4． 波束宽度：波束之两半功率点间之夹角。与天线增益有关，一般天线增益越大，波束就 越窄，探测角分辨率就越高。 5． 主瓣和副瓣（旁瓣） ：天线发射出的波束在某个方向上能量最高，称之为主波瓣；主波 瓣旁边漏射到其他方向上的能量称为副波瓣。离开主波瓣的各个方向都有副波瓣的存 在，且每一方向均不同。雷达能量在天线后方还可能形成后波瓣（尾瓣） 。副波瓣和后 波瓣会干扰雷达探测。高主瓣、低副瓣是雷达设计的目标之一。 6． PPI 扫描：雷达以固定仰角，天线全方位扫描的探测方式获取数据，以极坐标方式用不 同颜色表示数据大小和方向。实际扫描的是一个锥面。 RHI 扫描：雷达以固定方位角作俯仰扫描，获取数据以不同颜色表示数据大小和方向， 以极坐标显示。 可以监测对流深度及其变化， 判断对流强弱， 以及观测降水的垂直分布。 体积扫描显示：以不同的仰角做 PPI 扫描。 class4 气象目标对雷达波的散射 1． 散射的含义：当电磁波束在大气中传播，遇到空气介质或云滴、雨滴等悬浮粒子时，入 射电磁波会从这些介质或粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射现象。 粒子对入射电磁波的散射，只改变电磁波的传播方向。散射与吸收一样可以引起使入射 ．． 方向上 的电磁波能量的衰减。粒子散射的能力同大小 、形状 和电学性质 有关。 ．．． ．． ．． ．．．． 散射条件：粒子直径 D, 入射波长 λ。D/ λ<<1 散射；D/ λ==1 衍射；D/ λ>1 反射。 2． 瑞利(Rayleigh)球形粒子散射 (1) 散射函数
可以看成由不同折射指数的介质形成的同心球。 瑞利区：随着融化水膜厚度迅速增大，融化冰球的后向散射截面迅速增大；当厚度达到 一定（不必融化完）时，雷达截面与水球等效。 米散射区：对于一个特定的雷达波长，当粒子的直径在某一个值之下时，反射率随着水 膜厚度的增大而减大；在另一个值之上时，反射率随着水膜厚度的增大而减小。 9． 冰水混合球的后向散射截面 冰水均匀混合球 （或多孔海绵冰球含水时） 后向截面的值随熔化水量的增加而增加要比 外包水膜冰球时慢得多。 class5 大气、云、降水对电磁波的衰减 1． 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象。 造成衰减的物理原因是因为电磁波投射到气体分子或云、 雨粒子时， 一部分能量被散射， 另一部分能量被吸收。 2． 衰减系数 接收功率随距离的衰减与接收功率本身的大小以及距离成正比，比例系数 kL 即称为衰 减系数。

0
dt
E E
2 1m
2 2m

2 E1m E2 m cos k r1 r2 dt
0
t
dt
0
t
造成瞬时回波脉动的根本原因是相位 k(r2-r1)的迅速、不规则变化。但在大气运动的影 响下，众粒子的相位变化是快速随机的，在一定的时间段内积分后为 0，粒子群回波功率就 会比较稳定。 5． 散射截面（雷达观测中关心的是向后方散射的能量，或也就是回波强度） Rayleigh 散射的散射截面： QS ≡ PS/S i PS 是总散射功率， QS 与粒子半径的 6 次方成正 比，与波长的 4 次方成反比。 后向散射截面 σ： 设有一个理想的散射体， 其截面是它能全部接收到其上的电磁波能量， 并全部均匀的向四周散射， 若该理想散射体散射回雷达天线处的电磁波能流密度， 恰好等于 同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度， 则该理想散射体的截面就称为实际散 射体的后向散射截面。
触发信号发生器 产生周期性触发信号，控制着 PRF，保证雷达各部分同步工作。调制解 ．．．．．．． ．．． 调器 可以确定调制脉冲宽度 。发射机 产生高频电磁辐射由波导管送到天线。天线 具有方 ．． ．．．． ．．． ．． 向性，可以定目标方位；其角分辨率取决于发射的波束宽度，波束宽度又与电磁波频率 和反射体的大小有关。转换开关 用于雷达在发射和接收两种状态间切换，保护接收机 免 ．．．． ．．． 受发射机产生的高能量电磁波的损害。 2． 雷达重要参数 (1)
1


/2
/2
W (t )dt 1 T /2 W (t )dt T T /2
平均功率( Pt )：脉冲功率在一个周期的平均值。 P t W 是功率的瞬时值。Pt 与 Pt 的关系有 P t P t PRF
最小可测功率：表示接收机能接收到的最小信号强度，反映接收机的灵敏度。 3． 天线增益(G)：天线增益是指天线反射器所指的特定方向所接收之能量与在该点一个各 向同性天线所接收之能量两者的比值。 (上述之特定方向所指的是波束轴之中心， 即存在 最大能量的那点)。增益用分贝(dB)来衡量，是无量纲量。 G 10 lg
E1m cos kr1 E2 m cos kr2 Em cos kr E1m sin kr1 E2 m sin kr2 Em sin kr
2 2 2
(1) (2)
平方求和： Em E1m E1m 2 E1m E2 m cos k r1 r2

t
0
2 Em dt t

i 1 i
2
N

0
n( D) ( D)dD
对于 Rayleigh 散射，σ 与 D 的关系已知，有
5 m2 1 4 2 m 2


0
n( D) D 6 dD
定义雷达反射率因子： Z


0
n( D) D 6 dD
等效反射率因子：对于米散射粒子，令其雷达反射率

E1 E1m cos t kr1 E1m cos t cos kr1 E1m sin t sin kr1 E2 E2 m cos t kr2 E2 m cos t cos kr2 E2 m sin t sin kr2 E1 E2 E1m cos kr1 E2 m cos kr2 cos t E1m sin kr1 E2 m sin kr2 sin t Em cos t kr Em cos kr cos t Em sin kr sin t E
class 2 天气雷达的发展 1. 雷达是利用物体对雷达波的散射来发现目标、鉴别目标属性、测定目标参数的设备。 什么是 RADAR：RAdio Detect And R anging，无线电探测与测距。现在以远远超出了原 定的含义，雷达不仅可以确定目标的位置，还可以获得目标的速度、形态以及更广泛的 信息。 2. 天气雷达观测属于非常规观测 ，属于主动有源遥感 ，观测平台有固定和移动之分。 ．．．．． ．．．．．． 3. 气象雷达根据观测对象的不同有不同种类：测雨雷达、云雷达、测风雷达、声雷达（测 气温）和激光雷达（测大气成分）等。 测雨雷达的优点：高时空分辨率、是唯一能观测降水三维结构的工具，缺点：观测范围 有限。 4. 我国天气雷达的发展由模拟 到数字化 再到多普勒 。 ．． ．．． ．．． class3 雷达的组成及探测原理 1． 雷达的组成
Ss
Si , 其中 Ss 是散射电磁波的能流密度，是以粒子为中心，距离 R 处的球 R2
面上受到的散射能流密度。若 β 与 θ 和 υ 无关，则是各向同性散射，否则各项散射不均匀。
Si 是入射能流密度，是到达粒子处时电磁波的能流密度。 β(θ, υ)是散射方向函数：
r 6 m2 1 , 16 4 2 m 2
(2)脉冲重复频率(PRF)：雷达发射讯号的频率，也就是发射机每秒钟发射的脉波个数。 重复周期(T)：PRF 的倒数，相邻脉冲间的时间。 PRF 与最大可测距离有关：Rmax=c/2PRF，其中 c 是光速。
实际中为了给观测留有余地，一般重复周期 T=(1+25%)2R max/c。 (3)脉冲宽度 （时间量纲 τ） ： 探测脉冲的振荡持续时间， 也称为发射讯号之延时。值越大， 但空间分辨率越低。有降水时用较小的 τ，晴空探测是用较大的 τ。 脉冲长度(h)：一个探测脉冲在空间所占的长度， h= cτ (4)发射功率：发射机输出的高频振荡功率。有脉冲功率和平均功率两种表示方式，含义 有别。 脉冲功率(Pt)： P t