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  • 雷达气象学

    雷达气象学是用气象雷达进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科。它是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    名称: 雷达气象学 作者: 张培昌
    价格: 50.00元 语种: 中文
    ISBN: 9787502930509 出版社: 气象出版社
    页数: 499 开本: 16
    装帧: 平装 版次: 1

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    内容简介/雷达气象学 编辑

    (图)雷达气象学 
    (图)雷达气象学雷达气象学

    雷达气象学的主要内容包括三部分:

    基础理论方面

    包括云和降水粒子对雷达波的散射(见云和降水看子的微波散射);微波经过大气、云和降水粒子时的衰减(见云和降水中看的微波衰减);气象条件对雷达波传播的影响,如大气折射、大气不均匀结构的散射等(见无线电波在对流层中的折射电磁波在湍流个大气中的传播)。

    应用方面

    包括雷达测量降水和云中的含水量;天气系统(特别是中小尺度系统)的雷达回波在天气分析预报上的应用(见气象雷达回波),在云和降水物理探测研究上的应用(见微波大气遥感);多普勒雷达和各种波长的新型雷达在风的水平结构和铅直结构、铅直气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等的探测研究中的应用(见气象多普勒雷达调频连续波雷达)。

    技术方面

    包括各种气象雷达资料的处理和传输等。

    发展/雷达气象学 编辑

    (图)雷达气象学气象分析图

    20世纪40年代雷达开始用于降水天气过程的探测,这一时期主要是建立雷达气象学的理论基础的阶段;50年代是从定性研究转入定量研究的阶段,其中包括定量测雨和定量显示反射率,以及对雷达信号脉动、偏振等现象的研究。50年代后期和60年代初期,许多国家建立了天气雷达站网,促进了雷达气象学的进一步发展。60年代及其以后,雷达气象学在多方面得到了新的发展:气象雷达方程精度的改进;晴空回波在理论研究和探测技术上得到新的进展,由湍流不均匀介质散射理论,给出了散射强度和湍流结构的关系,为大气结构、晴空湍流、大气波动、热对流、大气风场、铅直气流速度等的探测和研究,开辟了新的途径。同时,气象雷达在资料的实时处理和观测结果的传输方面也取得了很大进展,并出现了定量探测的数字天气雷达网。近20年来最突出的发展是,气象多普勒雷达在大气遥感探测和研究工作中的应用,如探测降水云内和晴空大气中水平风场和铅直风场、降水滴谱和大气湍流等。多普勒雷达还为龙卷的探测和短时间预报提供了有效的工具。在完成多部雷达联合组网实时定量探测的基础上,可利用雷达测雨的观测资料,结合卫星观测,进行更大范围的降水预报。

    基础理论/雷达气象学 编辑

    云和降水粒子在微波辐射作用下将产生电极化和磁极化,并按入射波的频率振荡,振荡的电极子和磁极子向四周散射与入射波频率相同的电磁波。 粒子对入射波能量的散射强度,除了同入射波的强度、波长、偏振等有关外,还同粒子的介电性质、形状、大小、取向(对非球性粒子而言)等有关。雷达接收的回波强度,同云和降水粒子的后向散射的强弱有关。在气象上常用后向散射截面(也叫雷达花粉管截面)表示后向散射能力,它是一个等效面积。入射到这个截面上的电波能量如果均匀地向各方向散射,雷达天线接收的实际回波功率,相当于该截面的后向散射功率。

    云和降水粒子对雷达波的散射,是云和降水雷达回波的物理基础(见气象雷达回波)。液体云滴、大多数雨滴和包括低密度雪花在内的一些固体降水粒子,都可以看成球形粒子。根据G.米的理论(见大气散射),对平面入射波来说,球形粒子的后向散射截面σ ,除了同入射波的波长λ有关之外,还同粒子的复折射率mm =n-iχ。 其中n为折射率, χ为与吸收有关的量,云和降水粒子的微波散射)和直径d 有关。米散射理论的公式很复杂,但当d?λ时,可简化成瑞利公式(又称瑞利近似):

    云和降水粒子的微波散射

    应用波长10厘米的雷达时,所有球形省份液体云滴和雨滴的σ 值,都可用瑞利公式来计算;对于波长3厘米的雷达,瑞利公式只适用于直径在2毫米以下的球形雨滴。波长35~102厘米范围内的雷达,大多数雨滴可以使用瑞利公式。而对于球形冰粒,瑞利公式的适用条件是d<0.16λ。

    由瑞利公式可见:波长愈短,球形粒子的后向散射能力愈强。粒子直径增大,σ 将按其六次方的关系迅速增大。雨滴比云滴大得多,其后向散射能力比云滴要大得多,故在云和降水中,雷达回波的能量主要是由为数不多的大粒子所产生的。对于波长为 3~10厘米的雷达波,这些粒子的σ 值和喣(m29+1)/(m2+2) 喣2的数值有关。云和降水粒子在下降过程中, 性质不同的粒子, 其喣(m2+1)/(m2+2)喣2 值也不同:①水滴,约为0.93;②冰粒,约为0.197;③冰粒下降到0°C层以下,表面融化而成水包冰粒,随着水膜的出现和增厚,融化冰球的值由 0.197迅速增大到接近0.93;④在较均匀的冰、水粒子混合的情况下,此值随着水的比例增加而增大,但增大得较慢。

    d?λ的情况下,水滴的σ 值约为同体积冰粒的5倍;而当冰粒增大到一定程度,例如d≥λ时,按米理论计算,可知冰粒的σ 值反而比同体积的水滴大,并且可以大一个量级。

    雷达方程/雷达气象学 编辑

    雷达探测云和降水时,接收到的回波功率与雷达特性参数、目标距离、云或降水目标的物理性质等之间的关系式。它是雷达气象学的重要理论基础,是雷达定量测量降水和云中含水量,推测云和降水的物理特性,选择气象雷达参数等的基本方程。

    对于发射功率为 Pt,波长为λ,脉冲波的空间长度为h,天线增益为G(表示天线定向发射的能力),以及水平和垂直波束角宽度分别为θ和φ的雷达,其基本气象雷达方程

    雷达气象学(图)雷达气象学
    式中圶r为雷达接收到的来自无规则分布的云和降水水粒子的平均回波功率;R为雷达至探测目标的距离;η=∑σi为雷达反射率,是单位体积中云和降水粒子后向散射截面σ 的和;,其中αg、αc、αp分别为大气、云和降水的衰减系数,dr为距离增量;k2是考虑探测脉冲体积中云和降水可能有不同充填情况的订正系数(充填系数)。一般距离不大时,k2=1;在远处由于地球球面性的影响以及波束随距离的扩展,通常 k2<1。气象雷达方程说明:雷达回波强度同 Pt、G2、λ2、θ、φ、h 等雷达参数和雷达反射率η成正比;同目标离雷达的距离平方成反比;同探测脉冲被云、降水粒子充填的情况有关;同雷达和目标间大气、云、降水等的衰减情况有关,但对10厘米雷达,衰减影响一般可以忽略不计。

    当云和降水粒子为球形且直径比雷达波长小得多的情况下,其后向散射截面,可以用瑞利公式代入(见云和降水粒子的微波散射),这时,气象雷达方程可写成:

    雷达气象学(图)雷达气象学
    式中为决定雷达参数的常数;Z=∑d宯是单位体积中球形粒子直径6次方的总和,单位为毫米6/米3,称为雷达反射因子,d为球形粒子的直径;,m为云和降水粒子的复折射率。在雷达气象学中常用dBz作回波强度的单位, 数值通过 换算而得,其中Z0=1毫米6/米3。
    当粒子直径大到和雷达波长相近或大于雷达波长时,不能应用瑞利公式,这时气象雷达方程一般可写成:
    雷达气象学(图)雷达气象学
    式中雷达等效反射因子。在雷达气象工作中,常常用雷达测量的Z或Zθ值来表示云和降水的回波强度,用以求出云的含水量和降水强度(见雷达测量降水),判断强风暴。早期的气象雷达方程,都假设了雷达发射能量集中在半功率点限制的波束内,并且在波束内各个方向的辐射强度是均匀的,用它计算出的回波强度比实测回波强度高得多。为了提高精度,J.R.普罗伯特-琼斯用比较符合实际情况的高斯函数来表示主波束中辐射能量的分布,并考虑波束外的辐射作用。1962年以后,用经他改进后的上述三种气象雷达方程计算,使以前回波测量工作中的理论回波强度和实测回波强度之间的差别,从平均达4.5分贝降低到1.4分贝。

    种类/雷达气象学 编辑

    (图)激光雷达系统激光雷达系统

    凡是不具有多普勒性能的雷达称为非相干雷达或常规气象雷达,具有多普勒性能的雷达称为相干雷达或多普勒雷达。

    主要的气象雷达有:
    测云雷达。是用来探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达。其常用的波长为1.25厘米或0.86厘米。工作原理和测雨雷达相同,主要用来探测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时,还能测出各层的高度。由于云粒子比降水粒子小,测云雷达的工作波长较短。测云雷达只能探测云比较少的高层云和中层云。对于含水量较大的低层云,如积雨云、冰雹等,测云雷达的波束难以穿透,因而只能用测雨雷达探测。

    测雨雷达。又称天气雷达,是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变,了解天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云体等,并能监视天气的变化。

    测风雷达。用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。测风雷达的探测方式一般都是利用跟踪挂在气球上的反射靶或应答器,不断对气球进行定位。根据气球单位时间内的位移,就能定出不同大气层水平风向和风速。在气球上同时挂有探空仪,遥测高空的气压、温度和湿度。

    圆极化雷达。一般的气象雷达发射的是水平极化波或垂直极化波,而圆极化雷达发射的是圆极化波。雷达发射圆极化波时,球形雨滴的回波将是向相反方向旋转的圆极化波,而非球形大粒子(如冰雹)对圆极化波会引起退极化作用,利用非球形冰雹的退极化性质的回波特征,圆极化雷达可用来识别风暴中有无冰雹存在。

    调频连续波雷达。它是一种探测边界层大气的雷达。有极高的距离分辨率和灵敏度,主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流(见大气边界层)。

    气象多普勒雷达。利用多普勒效应来测量云和降水粒子相对于雷达的径向运动速度的雷达。甚高频和超高频多普勒雷达。利用对流层、平流层大气折射率的不均匀结构和中层大气自由电子的散射,探测1~100公里高度晴空大气中的水平风廓线、铅直气流廓线、大气湍流参格的故事发生数、大气稳定层结和大气波动等的雷达。

    在研究试验的雷达中还有双波长雷达和机载多普勒雷达等。70年代以来,利用一个运动着的小天线来等效许多静止的小天线所合成的一个大天线的合成孔径雷达的新发展,必将加速机载多普勒雷达今后的发展进程。机载多普勒雷达的机动性很强,可以用来取得分辨率很高的对流风暴嗒的负担感动 的多普勒速度分布图。

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