雷达气象学复习总结

1雷达气象学复习总结1、Rayleigh和Mie的异同：定义无量纲单位：2r当a0.13时：Rayleigh散射；当a0.13时Mie散射；不同点：1、Mie：越大，向前散射所占比越大；2、Mie侧向散射不为零，Rayleigh散射的侧向散射为零；3、Rayleigh前、后向散射相等，而Mie散射前向后向，但是Mie后向散射仍大于Rayleigh散射时后向散射。相同点：1、两者发生时，入射波波长都和散射波波长相等；2、两者都是雷达探测降水的原理；3、Rayleigh是Mie的一种特殊形式。2、方向函数：方向函数：246222242161(,)(coscossin)2rmm[0,360]：方位角[90,90]：仰角意义：表示散射能量的空间分布，在数值上等于单位入射能流密度在单位距离上的散射能量，但是它的量纲是面积。三维：绕X轴旋转一圈3、总散射截面sQ2总散射功率：4(,)siPSd总散射截面：4(,)sQdssiPQS意义：凡射到这个截面上的入射能量都被散射掉了，入射波在原前进方向上的能量因粒子散射而减小，单位时间内减小的能量是siQS。描述粒子总散射能力的大小，量纲为面积。4、Rayleigh散射的假设条件（1）要小于0.13，粒子半径r要远小于电磁波波长；（2）散射粒子的电学特性是各项同性的；（3）散射粒子不带电；（4）入射波是周期变化的平面偏振波；（5）散射粒子不是导体，负折射指数不大5、MIE散射的特点（1）散射波是以粒子为中心的球面发射波；（2）散射波是横波，而且是椭圆偏振波；（3）散射波和入射波同频率；（4）散射波能流密度各向异性，前向散射后向散射，越大，前向散射所占比例越大；（5）散射波性质与入射波波长、粒子半径r、粒子及环境的物理特性有关。6、粒子群的散射（1）粒子群散射造成瞬间回波功率的脉动（相干波叠加）；（2）粒子群散射功率的平均值造成回波功率的稳定。7、雷达截面（后向散射截面）2(,)(,)isSSR，其中0,时，2()()isSSR定义雷达截面：2()4siSRS22246256256242424216164114()4222rmrmDmmmm以入射能流密度乘上雷达截面，即得到一个散射粒子的总散射功率ssisPSdASQ，当散射粒子以这个功率做各项同性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该离子在天线处造成的实际后向散射能流密度。所以，可以由雷达截面的大小判断它所造成的后向散射的大小。8、雷达反射率雷达反射率：单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。2311/,cm/mNiiL量纲：3i：反映一个粒子后向散射在天线处产生的回波功率的大小；：反映的是单位体积内一群云、雨粒子在天线处产生的回波功率的大小。考虑到云、雨滴谱的分布情况，()nD：直径处于~DDdD的粒子数0()()nDDdD9、雷达反射率因子Z60()ZnDDdD，量纲：63/mmm，单位体积内所有粒子直径六次方之和。意义：（1）Z只与探测目标物的性质有关，（与探测目标物的性质以及波长有关）（2）雷达反射率因子与直径的六次方成正比；（3）Z的贡献主要源于少数的大雨滴（P12，图1.6），Z是6D的叠加。（4）雷达回波功率：2rCPZR，可以方便的通过雷达回波功率了解云、雨情况。（5）取值动态范围大（0.163/mmm～10763/mmm）10、雷达反射率因子Z的dBZ表示取6301/Zmmm为标准值，6363/10lg1/ZmmmNdBZmmm11、等效反射率因子eZ对于不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象方程求得的Z值就不能代表降水的实际谱分布情况，只能是等效的Z值，记为eZ，称为等效雷达反射率因子。eZ的意义：（1）能够产生同样回波功率rP的、与小球形粒子的6iD相当的Z的数值；（2）引入eZ后，即使是较为复杂的Mie散射，仍然可以使雷达气象方程保持Rayleigh散射时较为简单的形式。12、球形干冰粒子的散射Rayleigh散射区：（1）冰粒满足Rayleigh散射条件的半径可以比水滴大；（2）同半径下，5wi，故干球回波是水球回波的1/5；（3）1，1b，粒子雷达截面几何截面，D增大时，按6D增大。Mie散射区（图1.8）：Mie一区：曲线陡，6bD增长。（2/br，标准化后向散射截面）4Mie一区：曲线抖动不稳定，随的增加，b不稳定Mie一区：冰球标准化散射截面大于水球（大冰雹回波很强）13、正在融化的干冰粒子的散射外包水膜的融化冰球（冻雨）（1）Rayleigh散射区：同体积下，wi（图1.9）随着水膜的增厚，融化冰球的值迅速增大。北方降雪：干雪，雷达回波较弱；南方降雪：湿雪，雷达回波较强。（形成零度层亮带原因之一：融化作用）（2）Mie散射区：粒子半径1bcm时，水膜厚度增加，b增大，但是b数值较小，1b（雷达截面几何截面）（图1.10下图），对应Mie一区；粒子半径1bcm时，水膜厚度增加，b减小，但是b数值较大，（图1.10下图），对应Mie三区。14、零度层亮带在0度层结以下几百米，当气流稳定时，往往形成回波较强的区域。成因：融化作用，粒子相态形态，速度效应，碰并聚合效应。15、介质小椭球体散射的性质1、质点体积越大散射越强2、质点非球形对后向散射的影响与质点的相态有明显关系（形状因子的影响）。在同样入射电场作用下，水最易极化，所以水滴的非球形影响最大，冰其次，雪最小。（0°层亮带成因之二）3、质点偏离球形程度不同，后向散射的影响不同。当入射电场与a轴平行时，长椭球体的后向散射能力最大，其次是球同体积扁椭球。4、非球形对散射的影响还与质点空间取向、雷达发射仰角及入射波偏振情况有关。水平发射的水平偏振波：抬高仰角散射无变化（雷达发射水平偏振波的原因）水平偏振波：电场震动方向水平，抬高仰角时，电场方向不变。入射电场与长轴平行，后向散射强；入射电场与长轴正交，后向散射弱。5、椭球质点的后向散射中，还可能出现与入射电场相垂直的散射偏振分量，称为正交偏振分量，该分量雷达接收不到，除非是双基雷达。5双偏振雷达就可以用平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，判断粒子偏离球形的程度。6、同体积质点，非球形程度的变化对后向散射的影响还与波长有关。7、极化率g的虚部还反映散射波与入射波之间的相位差。16、雷达发射水平发射的水平偏正波（如上题）因为降水粒子在空中的形态并不是球形，大多数水滴都是扁平的椭圆形（画图），水平方向是它的长轴，垂直方向是它的短轴，粒子的散射大小由电偶极距决定，发射水平发射的水平偏振波，电磁波振动方向示踪与电场在同一平面即在水平面内，所以抬高仰角，粒子的电偶极距不会改变，也就是说粒子的散射能力大小不会因为雷达抬高仰角而改变。17、衰减的一般规律0rrPPK（K1，是衰减因子）2rLrdPkPdR衰减系数：2rLrdPkPdR量纲：1/长度，即1m，则02RLkdRKeLk：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。分贝数表示：00020ln2RLRkdRrrLrrPPekdRPP，lnlglnlgln10ln10MMMM00001lg2lg20.434ln10RRrrLLrrPPkdRkdRPP0010lg2RrrPkdRP0010lg24.343RrLrPkdRP，4.343Lkk000.210RkdRrrPP（比尔-伯格-朗伯定律），00.210RkdRK18、大气对雷达波的衰减大气的衰减主要是由于吸收造成的，其中主要是水汽在1.35cm波长处的吸收带，和氧气在0.7~10cm出的一些小的吸收带。水汽的吸收强度随着压强的增大而增大；随着温度的降低而增大；随着水汽压的增大而增大氧气的吸收强度在0.7~10cm与压力的平方成正比；同时随着温度的降低而增大。（P35,图2.1）19、云对雷达波的衰减液态云对雷达波的衰减与雷达电磁波的波长有关系，波长越大，衰减越弱；6在气压一定的条件下，与温度有关系，温度越高，衰减越弱；云对3cm以下的雷达才有衰减，对于3cm以上的雷达云的衰减不考虑；冰云的衰减比液态云的衰减小2-3个量级，主要是因为冰质粒子的负折射指数小。20、雨对雷达波的衰减雨对雷达波的衰减与降水强度成正比；在气压一定的条件下与温度有关系，温度越大，衰减越弱；降水存在空间不均匀的特性，所以雷达波在穿过雨区时，雨对雷达波的衰减应该是整个路径上的衰减积分；对于同一降水，由于衰减作用，波长较长的雷达可以探测准确，而波长短的雷达则不能。21、雪、冰雹对雷达波的衰减对于干雪，在波长较短、降水强度比较大、距离较远时，干雪的衰减要考虑；湿雪的衰减比干雪大的多，由于形状因子的影响，有时可以超过相同情况下雨的衰减；不论干、湿冰雹衰减均要考虑，衰减系数与雷达波长、雹谱分布、最大冰雹直径等有关；5cm雷达回波的“V”字形缺口：缺口与雷达站之间为强雹区，导致“V”字形缺口区的回波雷达接收不到。22、雷达不同波段的实际应用f(MHz)（cm）型号功能301K云和云滴103X小雨和雪65C中雨和雪310S大雨、强天气预警、强风暴1.520L大雨、强天气预警、强风暴23、雷达气象方程：用数学表达式，定量描述气象雷达回波功率Pr与雷达技术参数（硬件）、气象目标物的性质（云、雨、冰晶）、距离因子、目标物与雷达之间介质传输过程中衰减参数等主要影响因素之间的关系。24、波瓣宽度雷达发射主波束上，两个半功率点之间的夹角，分为垂直波宽和水平波宽两个25、天线增益Gmax/avGSS雷达发射功率不变，最大能流密度maxS跟雷达均匀发射的能流密度avS之比，表示雷达发射能量的集中程度。意义:由方向性天线把辐射能量集中到某个方向上,使这个方向上的辐射能流密度增加为各向同性天线的G倍26、有效照射深度h/2雷达脉冲有一定的宽度，这个脉冲在空间上占有一定的长度，在雷达传输方向上，只有R到R+h/2处的粒子散射的回波可以在同一时间内回到雷达天线，因此把h/2作为有效照射深度，它跟雷达的空间分辨率、盲区都有关系。27、雷达盲区雷达在发射的第一个脉冲宽度时，只发射不接受，导致了离雷达站h/2以内的粒子回波接受不到，即无法探测此区域的粒子特征，所以把离雷达站h/2以内称为雷达盲区。7天线发射脉冲时，前一半脉冲产生回波的时间正好等于后一半脉冲发射的时间，此时天线只发射不接收，未接通接收机，故在前一半脉冲长度h/2内产生的回波接收不到，这个离雷达h/2距离以内的范围叫做雷达测量盲区。28、云、降水粒子的雷达气象方程前提条件（1）雷达波的能量完全集中在两半功率点之间，并假定雷达波束横截面内的辐射强度处处相同，均等于最大辐射方向上的增益值，即在波束内天线的增益G为常数；（2）云及降水粒子的散射波是非相干波。即波束照射体内的回波是云和降水粒子的总回波能量的时间平均值，等于各个云、降水粒子的回波功率的总和。（3）在波束有效照射体内,粒子的尺度谱处处相同。29、雷达气象方程02220.211222311101024(ln2)2RkdRtrPGhmPZRm常数因子、雷达参数、距离因子、充塞因子、气象因子、衰减因子30、哪些因子影响雷达探测能力（P81，笔记P27~P31）从雷达气象方程出发，分别讨论雷达因子（脉冲长度h、波瓣宽度、天线增益G），气象因子（雷达反射率因子Z）、距离因子、充塞因子、衰减因子一、雷达参数（1）发射功率：22221:()1:()::TTtTTtttPWtdtPWtdtTPPFFPRF脉冲峰值功率脉冲平均功率两者之间的关系即，脉冲重复频率增加Pt，可增加最大探测距离，技术难度取决于PRF。（2）波长λ(或振荡频率f)：同一