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1、雷达气象问题研究雷达气象问题研究1.研究问题研究问题:雷达波在传播过程中的衰减与哪些因素有关? 2.猜想猜想:雷达波的衰减与大气、云、降水粒子(如雨,雪,冰雹等) 。 3.大气气体对雷达波的衰减:大气气体对雷达波的衰减:气体对雷达波的散射可以忽略。对2cm以上的雷达 波,吸收也可以忽略。天气雷达主要测量降水,基本不考虑气体对天气雷达的 衰减。但用mm波长探测时,气体的衰减要考虑。 吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气。 如右图为水汽和氧气的衰减系数与波长的关系。由 图可以看出: 水汽的主要吸收带:1.35cm(22.235GHz)和 0.164cm(183.3GHz) 氧气的主要吸收带: 0.
2、5cm(60GHz)和 0.253cm(118.8GHz)此外,水汽对雷达波的衰减还与水汽密度、气压、温度等大致有一下关系:水汽的衰减特征: a.当水汽含量保持不变时,衰减随温度降低是缓慢增加的; b.除了1.35cm波长附近,其他波长处水汽吸收和气压成正比; c.水汽吸收与水汽含量成正比。 另外氧气的衰减特征: a. 温度下降,衰减逐渐增加; b. 波长在0.710cm之间,吸收与压力的平方成正比。 2.云对雷达波的衰减:云对雷达波的衰减: 云滴:半径小于100m的水滴或冰晶粒子,对于常用的测雨雷达而言,满足=2r/,即满足Rayleigh散射条件。云滴的衰减截面:云滴的衰减截面:云的衰减系
3、数云的衰减系数ktc与云中的含水量M(单位体积内所有云质点的质量之和,单位:g/m3 )的关 系:单位含水量的衰减系数,单位为dB/km/g/m3表中云中含水量为表中云中含水量为1g/m31g/m3 a.液态云的衰减随温度的降低而增大。 b.由液滴组成的云的衰减随波长的增大而迅速减小。对于波长较短的雷达 (如3cm以下的雷达),要考虑云层的衰减作用;对于波长较长的雷达, 可忽略云层对电磁波的衰减作用; c.冰云的衰减要比液态云的衰减小23个量级,原因在于冰晶的介电常数小 于水。 3.雨对雷达波的衰减雨对雷达波的衰减: a.半径大于100m的水滴;大的雨滴的半径可达0.3cm。不一定满足Rayl
4、eigh散 射条件。22 3 20.43430.4343810.4343Im2iitcitia iii i ikN QN QmN rm 303 4i i iMN r22610.4343Im 2tcmkMdB kmm * 1tckK Mb.对于雨滴的Qs,Qa 和Qt,除波长较长的雷达外,必须用普适球形粒子的公式 计算,比较复杂。解决解决办办法法:第一步:先由以简单化的Rayleigh近似公式,计算出相当的QtR ; 第二步:根据和QtR相当的,并结合QtM/QtR曲线,这样就可以得到相应的QtM。雨的衰雨的衰减系数的减系数的计算计算: :对观测资料的分析表明,雨的衰减系数与降水强度I之间有如下
5、经验关系: 降水强度I I(雨强):单位时间内降落到地面单位面积上的降水量。2trkK I304( )3rIN r v r dr雨的衰减雨的衰减a.雨的衰减系数一般与降水强度近于成正比关系; b.雨的衰减系数在给定温度下还与波长有关系; c.由于雨滴谱的分布和降水强度经常随时空变化,所以在雷达波束所经过的路 径上,各段的衰减情况往往不尽相同,整个雨区的总衰减: 由于衰减作用,对于同一降雨带波长较长的雷达能准确探测到,而波长较短 的却不一定。定性结论:定性结论:a.大面积小雨,3cm雷达,雨的衰减要考虑。b. 大面积中雨,3cm和5cm,雨的衰减要考虑。 c. 大面积大雨或冰雹,3cm,5cm和10cm均要考虑。 综合考虑雷达截面与波长四次方成反比,衰减和波长成反比的影响,我国雷达 布网,对短时预报,东南沿海多暴雨和台风,采用10cm雷达,内陆西北5cm雷达, 人影多为3cm。雪、冰雹对雷达波的衰减雪、冰雹对雷达波的衰减a.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;b. 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; c.冰雹衰减要考虑,衰减系数与雷达波长、雹谱分布、最大冰雹直径等有关。