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1、雷达气象期末复习整理版雷达气象第一章第一节1 雷达的含义，雷达气象含义及其用处Radar ：通过无线电技术对目标物进行探测和定位，确定目标位置和强度的技术。气象雷达：是用于探测气象要素和各种天气现象的雷达，常称为“千里眼、顺风耳”。雷达气象：利用气象雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。雷达气象学在突发性、灾害性天气的监测、预报和警报中具有极为重要的作用。2 气象雷达的特点气象雷达是雷达中的一个重要成员，探测的对象是覆盖整个地球的大气，不受季节、昼夜和天气条件的影响，能全天时、全天候工作，不受能见度，探测条件的影响。采用大功率发射
2、机、高增益天线、高灵敏接收机，可增加雷达威力，探测数百公里外的目标。现代化的雷达机，与计算机技术结合，使其数据处理技术进一步提高，测定目标的精度更高。3 我国雷达分布情况根据天气现象：? 沿海地区：暴雨台风多，S波段（ 5cm ）为主? 内陆地区：一般性降水，C波段（ 10cm ）为主电磁特性：暴雨， S波段穿透能力强，衰减小；一般性降水，S波段反射弱， C波段反射强4 我国天气雷达的应用强对流天气的监测与预警：灾害性大风、冰雹和暴洪。天气尺度和次天气尺度降水系统的监测。应用：人工影响天气、降水测量、风的测量、数据同化。第二节1 我国新一代雷达的组成部分-雷达的硬件系统新一代天气雷达系统的三个
3、部分：（1）数据采集子系统（ RDA ） ；定义：用户所使用雷达数据的采集系统。功能：产生和发射电磁波，接收目标物对这些电磁波的散射能量，并形成数字化的基数据。主要结构：发射机RDA 是取得雷达数据的第一步发射电磁波信号。RDA主要是由放大器来完成， 产生高功率且非常稳定的电磁波信号。稳定是非常重要的，产生的每个信号必须具有相同的初位相，以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦信号产生，就被送到天线。天线 (天线沿一定的仰角，围绕自身旋转360，圆锥面扫描 ) 将发射机产生的脉冲信号以波束的形式发送到大气，并接收返回的能量， 确定目标物的强度，同时确定目标物的仰角、方位角和斜距，进行定位。
4、雷达天线仰角的变化范围： 0 90?。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式、体扫模式和天气模式。新一代多普勒雷达有3 种扫描方式：扫描方式 1 ：5 分钟完成 14 个不同仰角上的扫描（ 14/5 分钟）扫描方式 2 ：6 分钟完成 9 个不同仰角上的扫描（ 9/6 分钟） （我国）扫描方式 3 ：10 分钟完成 5 个不同仰角上的扫描（ 5/10 分钟）新一代多普勒雷达的天气模式：(1) ：降水模式，天线转动快，仰角多使用 VCP11 和 VCP21 ，扫描方式为 14/5 和 9/6 。(2) ：晴空模式，天线转动慢，仰角少接收机当天线接收到返回的电磁波时，把信号传送给接收机。由于接收到的电
5、磁波能量很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处理器之前必须由接收机进行放大。信号处理器功能：(1) 地物杂波消除：目标是否运动。(2) 模拟信号向数字化的基本数据转换。基数据：反射率因子R ，径向速度 V ，谱宽 W 。(3) 退距离折叠和速度模糊。 （距离折叠：雷达接收到位于其最大距离之外较强的回波；速度模糊：环境风场超过雷达的最大速度）（2）产品生成子系统（ RPG ）- 雷达软件系统或指令中心，控制RDA,PUP （雷达控制台 UCP ：RPG 的操作界面）；工作任务：i 将雷达探测所得的原始基数据，采集下来，进行质量控制和预处理，形成原始数据文件。ii 生成雷达的物理量产品导出产品；
6、iii 对基数据和产品数据进行存档，并将产品下发给用户。（3）主用户处理器（ PUP ） ；功能：获取、存贮和显示雷达数据产品。预报员通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。(浏览雷达图像，保存、生成、分析天气) 其次还包括：通讯线路、附属安装设备等。第二章第一节1 散射的定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。粒子产生散射的原因：粒子在入射电磁波极化下作强迫的多极振荡，从而发出次波，这就是散射波。粒子对入射电磁波的散射，只改变电磁波的传播方向，没有使电磁形式的能量转
7、化为别的形式的能量。但当入射电磁波在粒子介质内部传播时，有一部分电磁能会被吸收并转化为热能，这就是粒子对电磁波的吸收。粒子对入射电磁波的散射和吸收，其能量均取自于入射电磁波，故使原入射方向上的电磁波能量受到衰减。( 散射波是全方位，是不均匀的）PS ：能流密度：单位面积单位时间内接收或发射的能量。Si：入射电磁波能流密度；SS ：散射电磁波能流密度散射总功率：单位时间散射波的总能量。2 散射的分类粒子散射电磁波的能力，除和电磁波的波长等因素有关外，和粒子的大小、形状、以及粒子的电学特性有关。当雷达波长确定后，球形粒子的散射情况主要取决于粒子直径d 和入射波长的相对大小。瑞利散射： d 瑞利散射
8、的特征（当 =2r/ 0.13 时，瑞利公式计算会产生误差，随着增大，瑞利公式就不适用）粒子的散射能力与 4 成反比。波长越短，散射越强。粒子的散射能力与D6成正比。粒子半径越大，散射越强。粒子的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。米散射： d（1）散射波是以粒子为中心的球面发散波；（2）散射波是横波，且是椭圆偏振波；（3）散射波和入射波同频率；（4）散射波能流密度是各向异性的；大部分能量集中在=0附近的向前方向上， 越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重越大。（5）散射波性质与入射波波长、散射粒子半径 r 、粒子周围环境的特性等有关。3 散射截面（雷达截面）的定义粒
9、子总散射功率与入射波能流密度之比。与粒子性质、大小以及入射波波长等有关。由于实际粒子不是理想的散射体，因此粒子后向散射截面不等于它的几何截面积，通常小于几何截面积。意义：从粒子的雷达截面大小了解它所造成的后向散射能力的大小。后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同样条件下，它所产生的回波信号也越强。PS ：后向散射能量：雷达天线接收到的只是粒子散射中返回雷达方向（）的那一部分能量，这部分能量称为后向散射能量。4 雷达反射率与反射率因子雷达反射率 ：单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。反映单位体积内一群云、雨滴在天线处造成的回波功率的大小。PS ：回波功率不仅与单位体积内的云、雨粒子的数
10、目有关，还与雷达本身的参数、粒子群离雷达的距离等因子有关。因此，对同一群云滴或雨滴，使用不同波长的雷达，或在不同距离上进行观测，回波功率也将不同。故不能简单地通过回波功率的比较来了解云、雨的不同情况。为使不同波长雷达所观测到的云、雨等情况可以直接比较，因此引进雷达反射率因子。反射率因子：与反射率的关系：Z：与入射波波长无关，取决于云、雨滴谱分布（不同半径粒子数目的大小），还与粒子的直径有关，与粒子直径 D6成正比。少数大水滴将提供散射回波功率的绝大部分，对 Z值贡献大，即大雨滴对观测到的回波功率起主要作用。第二节1 衰减电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为电磁波的衰减。衰减是散射和吸收的总和，当
11、电磁波投射到气体或云雨粒子上时，一部分能量被散射，一部分能量被吸收，转变为热能或其它形式的能量，从而使电磁波能量减弱。2 衰减的影响和规律衰减对气象雷达信号的不利影响：一、由于衰减的存在，同一方向上远处降雨的后向散射的定量测量比近处难得多。距离二、 如果传输过程的衰减太大， 则强吸收区后面的降雨单元的回波有可能被完全衰减掉。V缺口（ PS ：溶化的冰粒产生更强的后向散射，这一现象会导致在零度等温线附近出现雷达所发现的“亮带”，对 C 波段的雷达会出现“ V” 字型缺口。（层状云的零度层亮带） ）吸收电磁波的大气气体主要是水汽和氧气。第三节1 大气折射大气折射：电磁波在真空中以约速度3108m/
12、s 直线传播，但在大气中在远距离传播时，且当大气中气象要素有异常的铅直分布时，电磁波会出现明显的曲线传播的现象，称为大气折射。(1) 盛夏的中午：大气温度直减率有可能低于干绝热直减率，从而发生负折射，探测范围明显减少。(2) 雨后晴朗的夜间：由于地面辐射，形成上干下湿的逆温层，发生超折射。当实际大气偏离标准折射形式时，就会产生测高误差。2 大气折射的形式标准大气折射? 波束路径向下弯曲，这种折射称标准大气折射，亦称为正常折射。? 标准大气折射时可能使最大探测距离增大了16。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，电磁波将环绕地表面在一定高度上传播而不与地面接
13、触，则称为临界折射。超折射? 当波束路径曲率大于地球表面曲率时，雷达波束在传播时将碰到地面，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，依靠地面的反射向前传播，与波导管中的微波传播相似，又称超折射。? 超折射回波的影响：由于超折射的存在会导致产生超折射回波，使原来雷达探测不到的目标物在荧光屏上显示出来，增加了雷达探测的极限距离有利的一面。由于超折射的存在，会增加雷达的探测误差，特别是测高误差。? 超折射形成的气象条件有利于产生超折射的条件：逆温显著；水汽压随高度随高度迅速减少，大气折射指数m随高度迅速减小。常说“暖干盖”的大气层结。大陆上晴
14、朗夜晚，由于地面辐射，近地面降温强烈而形成辐射逆温。尤其是地面潮湿，逆温使水汽不能向上输送，形成水汽压随高度急剧减少辐射超折射当暖而干的较干空气移到冷水面时使低层空气冷却，温度有所增加。平流超折射。雷暴消散期，其底部下沉气流造成近地面层几百米高度处逆温，形成超折射雷暴超折射大气层中，形成超折射的气层通常只是近地面很薄的气层（1km ） ，适当提高仰角，雷达波能穿透超折射层，超折射回波大大减少。负折射如果雷达波束不是向下弯曲，而向上弯曲，出现的折射现象称为负折射。这时K 负折射现象出现在：湿度随高度增加而增加，温度随高度的递减率比干绝热递减率大时。当冷空气移到暖水域上空时，就有可能形成这种超干绝
15、热而产生负折射现象。负折射发生时正常能观测到的目标看不到了。零折射对于均质大气，雷达波束沿直线传播，没有折射现象发生时，称为零折射或无折射。在一般情况下，大气不会出现这种情况。3 雷达气象方程书P67 ? 雷达回波：当雷达波束投射到云、降水粒子上时，云、降水粒子就会发生散射现象，其中向后方散射的一部分散射波重新返回到雷达天线处，并在雷达显示器上显示出的各种图像，称雷达回波。? 雷达气象方程：根据所测定的回波强度去推断云、降水粒子的物理状况，将雷达的作用距离与发射机、接收机、天线、目标和环境的各种特性联系起来的方程。a 单个目标的雷达方程：（1）天线辐散强度在两半功率点间均匀分布：? 假设：雷达
16、波束的能量集中在以两个半功率点为界的狭窄波束照射体积中，做这样规定后的狭窄波束的横截面内， 天线辐射强度处处相同， 都等于最大辐射方向上的能流度值Si max 。? 天线增益 G 天气雷达具有高度方向性的定向辐射天线，它使大部分能量集中在一个很窄的范围内朝一定的方向发射出去。若定向辐射天线和一个方向均匀辐射天线所辐射的总功率相同，把定向天线最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射天线的能流密度之比，称为天线增益。普通雷达方程：适用于飞机、船舶、单个雨滴等任何一个单个目标物。结论：雷达回波功率强弱取决于雷达参数（发射机功率Pt ，天线增益 G ，雷达机波长 ） ，目标距雷达站的距离R和目标物的雷达截面 等。（2）天线辐射强度不均匀分布的雷达方程半功率点内天线辐射显然是不均匀的，而且半功率点外也有一部分辐射能量。引入天线方向图函数 f ( , )。、是以天线最大辐射方向为基准的水平与垂直的角坐标。由于雷达波束的电场强度在各个方向上分
