雷达气象01散射

1、1雷达气象学雷达气象学各章节结构各章节结构01散射散射02衰减04折射03雷达气象方程08多普勒探测05测高与分辨率06回波涨落09双线偏振探测10回波分析应用11-15对流云强风暴暴雨台风锋面07测量降水质量控制反演同化bacde说明:a 气象目标b 雷达系统c 强度数据d 速度数据e 偏振数据23312n天气天气雷达雷达回波回波信号信号是如是如何产何产生的？生的？45电磁波基本知识的回顾电磁波基本知识的回顾(1)n自由空间内传播的电磁波一般是平面波。它是一种电场与磁自由空间内传播的电磁波一般是平面波。它是一种电场与磁场相互垂直的横波（满足场相互垂直的横波（满足“右手螺旋右手螺旋”规则）。规

2、则）。n电磁波具有波长电磁波具有波长(或频率或频率)、传播方向、振幅、极化面（亦称、传播方向、振幅、极化面（亦称偏振面，指电场振动方向所在的平面）四个基本物理量。偏振面，指电场振动方向所在的平面）四个基本物理量。n电磁波的基本特征电磁波的基本特征v叠加原理叠加原理v空间同时存在两个或两个以上的波源所产生的波时，每个波并不空间同时存在两个或两个以上的波源所产生的波时，每个波并不因为其它波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率（或波因为其它波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率（或波长）和振动方向，按自己的传播方向继续前进，而空间相遇的点长）和振动方向，按自己的传播方向继续前进，而空间相遇的

3、点的振动的物理量则等于各独立波在该点激起的振动的物理量之和。的振动的物理量则等于各独立波在该点激起的振动的物理量之和。v根据波动的叠加原理，任何复杂的波都可以看成是正弦波或简谐根据波动的叠加原理，任何复杂的波都可以看成是正弦波或简谐波叠加的结果。波叠加的结果。6电磁波基本知识的回顾电磁波基本知识的回顾(2)v相干性相干性v由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和，因此会出现干涉现象。为各个波的振幅的矢量和，因此会出现干涉现象。v能

4、产生干涉现象的电磁波称为相干波（一般单色波都能产生干涉现象的电磁波称为相干波（一般单色波都是相干的）。是相干的）。v电波天线就是利用电磁波的相干性制成的。电波天线就是利用电磁波的相干性制成的。v衍射衍射v如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过，从而物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过，从而发生衍射现象。发生衍射现象。7电磁波基本知识的回顾电磁波基本知识的回顾(3)v极化极化v电磁波的电场振动方向的变化趋势。电磁波的电场振动方向的变化趋势。8散射散射n散射现象：散射现象：n散射是雷达探测大气的基础；

5、散射是雷达探测大气的基础；n大气中引起雷达波散射的主要物质：大气中引起雷达波散射的主要物质：v大气介质：大气气体分子的散射，大气介质折射指数分布不均匀引起大气介质：大气气体分子的散射，大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射；的散射与反射；v云和降水粒子：因相态、几何形状而不同。云和降水粒子：因相态、几何形状而不同。n粒子在入射电磁波的极化作用下，做强迫的多极震荡而产生粒子在入射电磁波的极化作用下，做强迫的多极震荡而产生次波次波(散射波散射波)；n散射时，粒子只改变电磁波的传播方向，没有能量损耗；散射时，粒子只改变电磁波的传播方向，没有能量损耗；n电磁波进入介质内部传播时，一部分能量会转化成

6、热能，就电磁波进入介质内部传播时，一部分能量会转化成热能，就会产生吸收，造成能量衰减；会产生吸收，造成能量衰减；9电磁波散射的物理过程电磁波散射的物理过程n当入射电磁波照射到降水粒子的时候，入射波的电当入射电磁波照射到降水粒子的时候，入射波的电磁波使粒子极化，感应出复杂的电荷分布和电流分磁波使粒子极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，它们也要以同样的频率发生变化，这种高频率布，它们也要以同样的频率发生变化，这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外辐射的电磁波，就变化的电荷分布和电流分布向外辐射的电磁波，就是散射波。是散射波。（*）10电磁波散射的物理过程示意图电磁波散射的物理过程示意图11散射散

7、射n粒子的散射能力与粒子的大小、形状、电学特性有粒子的散射能力与粒子的大小、形状、电学特性有关。关。v目前能对其散射做出精确解析解的只有少数几何形状比较目前能对其散射做出精确解析解的只有少数几何形状比较特殊的粒子，如：圆球形，圆柱形，椭球形。特殊的粒子，如：圆球形，圆柱形，椭球形。v气象上的云滴、雨滴等粒子一般近似地认为圆球形或椭球气象上的云滴、雨滴等粒子一般近似地认为圆球形或椭球形。形。n散射的分类散射的分类v当雷达波的波长当雷达波的波长 一定时，粒子的散射情况主要取决于一定时，粒子的散射情况主要取决于粒子直径粒子直径 d 与波长之比与波长之比:v 时的小球形粒子的散射，称为时的小球形粒子的

8、散射，称为瑞利瑞利(Rayleigh)散射散射;v 时的大球形粒子的散射，称为时的大球形粒子的散射，称为米米(Mie)散射散射;dd12当 0.13时，发生米散射（*）rD13云雨粒子的直径云雨粒子的直径n云滴直径云滴直径 大雨滴大雨滴 小雨滴小雨滴 雪霰雪霰521.3 非球形粒子的散射非球形粒子的散射53非球形粒子非球形粒子n扁椭球体扁椭球体v例如：圆片状的冰晶、例如：圆片状的冰晶、扁的大雨滴等。扁的大雨滴等。n长椭球体长椭球体v例如：柱状冰晶。例如：柱状冰晶。abcabc5455介质小椭球体的散射介质小椭球体的散射n介质小椭球的散射仍可看作偶极矩散射；介质小椭球的散射仍可看作偶极矩散射；n

9、假设：假设：v散射粒子是旋转小椭球体；散射粒子是旋转小椭球体；v散射粒子的尺度与入射波长之间近似满足瑞利散射条件；散射粒子的尺度与入射波长之间近似满足瑞利散射条件；v入射波是平面偏振波，在椭球粒子中感生出与其轴向平行的三个正交入射波是平面偏振波，在椭球粒子中感生出与其轴向平行的三个正交偶极矩：偶极矩： ，其中极化系数：，其中极化系数： 对于长旋转椭球体，其形状因子可用对于长旋转椭球体，其形状因子可用(1.36)式表示，对于扁旋转椭式表示，对于扁旋转椭球体其形状因子可用球体其形状因子可用(1.37)式表示。形状因子式表示。形状因子F只与偏心率只与偏心率e有关。有关。(1.38)aabbccPgE

10、Pg EPg E(1.39)13 1 (1)13 1 (1)ababcgFabcgFaabc旋转椭球三个半轴，是电导率，F 为形状因子56介质小椭球体的散射介质小椭球体的散射222211baeeab长椭球：，扁椭球：散射波功率正比于电偶极矩的平方57介质小椭球体的散射介质小椭球体的散射n讨论讨论v椭球粒子的散射强度与同体积球的半径的六次方成正比椭球粒子的散射强度与同体积球的半径的六次方成正比由于散射由于散射功率与偶极矩的平方成正比，据功率与偶极矩的平方成正比，据(1.38)式和式和(1.39)式即可推知式即可推知:v形状因子对散射强度有影响形状因子对散射强度有影响形状因子通过形状因子通过(1.

11、39)式影响极化系数，式影响极化系数，进而影响偶极矩的大小；进而影响偶极矩的大小；v对水球的影响要比冰球的影响大：一方面是因为形状因子是与对水球的影响要比冰球的影响大：一方面是因为形状因子是与 共同共同作用的，而作用的，而 ；另一方面；另一方面水球的电导率值还与波长有关系（因水球的电导率值还与波长有关系（因为为 ， 与波长有关系），而冰球则没有；与波长有关系），而冰球则没有；v由于由于 ，所以形状因子对雪花不起作用，非球形的雪花可当作同体，所以形状因子对雪花不起作用，非球形的雪花可当作同体积的雪球来处理；积的雪球来处理；v对于形状一定的水球，有以下特点：对于形状一定的水球，有以下特点：v由于长

12、轴方向的极化系数较其它方向上大，故当入射电场方向与该方向完由于长轴方向的极化系数较其它方向上大，故当入射电场方向与该方向完全平行时，在长轴方向上产生的偶极矩和散射功率也比较大；全平行时，在长轴方向上产生的偶极矩和散射功率也比较大；1iw1s2wwmwm1131aabcgF803wi例如：水滴的冰粒的58介质小椭球体的散射介质小椭球体的散射n讨论讨论v由于形状因子是恒小于由于形状因子是恒小于 1 的正数，故其对极化系数、偶极矩的作用是增的正数，故其对极化系数、偶极矩的作用是增大的，但随轴向的不同而不同；大的，但随轴向的不同而不同；v整个小椭球粒子的后向散射是各轴向方向上产生的散射功率的总和。整个

13、小椭球粒子的后向散射是各轴向方向上产生的散射功率的总和。v椭球粒子后向散射的大小与粒子在空间的取向有关。因为轴向的取向椭球粒子后向散射的大小与粒子在空间的取向有关。因为轴向的取向不同时，在各轴向上感应出的偶极矩大小也不同。不同时，在各轴向上感应出的偶极矩大小也不同。v当入射电场方向与长轴方向平行时，产生的后向散射就强，若与之正交当入射电场方向与长轴方向平行时，产生的后向散射就强，若与之正交则产生的后向散射就弱；则产生的后向散射就弱；v由于椭球在各方向上的极化系数不同，在非球形粒子的散射场中可能由于椭球在各方向上的极化系数不同，在非球形粒子的散射场中可能会出现与入射电场方向垂直的正交偏振分量会出

14、现与入射电场方向垂直的正交偏振分量(参考书教材参考书教材P. 24图图1.14)；v由于折射指数由于折射指数 m 是复数，所以极化系数也是复数，其虚部（波长较是复数，所以极化系数也是复数，其虚部（波长较短时虚部分量很大）可以反映出相位关系。短时虚部分量很大）可以反映出相位关系。v激发的偶极矩在相位上落后于入射波。激发的偶极矩在相位上落后于入射波。取向平面取向平面偏振平面偏振平面iSaPbPcPXYZ图图1.1460变形大水滴的散射变形大水滴的散射n研究表明：雨滴大约从直径研究表明：雨滴大约从直径23mm开始变形（形变值开始变形（形变值 c/a 一般在一般在1.5左右，左右，强降水时达到强降水时

15、达到2，见，见P25图图1.15）。没有风时，大雨滴可视为旋转轴在垂）。没有风时，大雨滴可视为旋转轴在垂直方向上的扁椭球，在空中取向近乎完全一致。直方向上的扁椭球，在空中取向近乎完全一致。n通过将变形水滴与同体积球形粒子的散射能力做比较，来了解变形水滴通过将变形水滴与同体积球形粒子的散射能力做比较，来了解变形水滴的散射情况：的散射情况：(1.40)xxsyysIKIIKI椭球粒子椭球粒子在在X轴向的轴向的散射强度散射强度椭球粒子椭球粒子在在Y轴向的轴向的散射强度散射强度球形粒子的球形粒子的散射强度散射强度6162变形大水滴的散射变形大水滴的散射200(1.41)xyKgKg n水平发射垂直偏振

16、波水平发射垂直偏振波n研究表明：研究表明：v 的值取决于椭球形粒子的极化系数的值取决于椭球形粒子的极化系数 ，而，而 取决于偏取决于偏心率心率 e 或长短轴之比或长短轴之比 ：v球越扁，相对于同体积球形粒子产生的后向散射越小（参见教材球越扁，相对于同体积球形粒子产生的后向散射越小（参见教材. 26图图1.17a）；而且，随着天线仰角的抬高，后向散射强度又）；而且，随着天线仰角的抬高，后向散射强度又会有所增大，并且产生正交偏振分量。会有所增大，并且产生正交偏振分量。yKg/b ag0g 是球形粒子的极化系数63变形大水滴的散射变形大水滴的散射200(1.42)yxKgKg n水平发射水平偏振波水

17、平发射水平偏振波n研究表明：研究表明：v球越扁，相对于同体积球形粒子产生的后向散射越大（参球越扁，相对于同体积球形粒子产生的后向散射越大（参见教材见教材. 26图图1.17b）；而且，随着天线仰角的抬高，后）；而且，随着天线仰角的抬高，后向散射强度不会发生改变，并且不会产生正交偏振分量。向散射强度不会发生改变，并且不会产生正交偏振分量。64（a）表示入射波是水平发射垂直偏振波时的情形（b）表示入射波是水平发射水平偏振波时的情形65雪和非球形冰晶的散射雪和非球形冰晶的散射n雪和冰晶在云中或下降过程中，还有非球形的大水滴在风较雪和冰晶在云中或下降过程中，还有非球形的大水滴在风较大时由乱流作用，旋转

18、轴可能会出现各种取向。大时由乱流作用，旋转轴可能会出现各种取向。n假设旋转轴做无规则取向，研究表明假设旋转轴做无规则取向，研究表明（参见教材（参见教材P. 27图图1.19）：）：v与球形粒子相比，任意取向的扁椭球体和长椭球体的平行偏振分量后与球形粒子相比，任意取向的扁椭球体和长椭球体的平行偏振分量后向散射截面都有不同程度的增大。向散射截面都有不同程度的增大。v同样形状无规则分布的椭球粒子，介电常数大的粒子（如水滴）要比同样形状无规则分布的椭球粒子，介电常数大的粒子（如水滴）要比小的（如冰粒）大得多；甚至融化的、潮湿的非球形冰晶的散射有可小的（如冰粒）大得多；甚至融化的、潮湿的非球形冰晶的散射

19、有可能大大超过同体积球形水滴的散射。能大大超过同体积球形水滴的散射。v虽然冰晶的非球形特性使其比同体积球形冰晶的散射能力更大，但对虽然冰晶的非球形特性使其比同体积球形冰晶的散射能力更大，但对非球形的干冰晶而言，其形状因子的影响并不太大，但当其出现部分非球形的干冰晶而言，其形状因子的影响并不太大，但当其出现部分融化而外包水膜时形状因子就会产生较大作用。融化而外包水膜时形状因子就会产生较大作用。v由于雪的介电常数为由于雪的介电常数为1，故其形状因子基本不起作用，可当作同体积，故其形状因子基本不起作用，可当作同体积的雪球处理。的雪球处理。66(a)长旋转椭球体的长轴在水平面内作无规则分布(b)长旋转

20、椭球体的长轴在空间作无规则分布67非球形粒子后向散射场的偏振非球形粒子后向散射场的偏振 n任意取向的非球形粒子在线偏振入射波的照射下，任意取向的非球形粒子在线偏振入射波的照射下，会产生平行偏振分量和正交偏振分量；会产生平行偏振分量和正交偏振分量；n退偏振比（去极化率）：与粒子的形状和相态有关退偏振比（去极化率）：与粒子的形状和相态有关系。系。pD见P30图1.2168691.4 晴空回波的散射晴空回波的散射和反射机制和反射机制70晴空回波晴空回波71晴空回波的散射和反射机制晴空回波的散射和反射机制n晴空回波晴空回波v雷达在大气无云区，或在不可能被探测到的很小粒子所组雷达在大气无云区，或在不可能被探测到的很小粒子所组成的云区内探测到的回波。成的云区内探测到的回波。n晴空回波的类型晴空回波的类型v圆点状回波：表现为离散的小圆点，常认为是由昆虫或鸟圆点状回波：表现为离散的小圆点，常认为是由昆虫或鸟类引起的；类引起的；v层状回波：在层状回波：在RHI上表现为水平伸展，且薄、弱不接地的上表现为水平伸展，且薄、弱不接地的回波层，主要是由于气象条件引起的。回波层，主要是由于气象条件引起的。n晴空回波产生的气象条件晴空回波产生的气象条件v湍流大气（折射指数不均匀）对雷达波的散射作用；湍流大气（折射指数不均匀）对雷达波的散射作用；v大气对雷达波的镜式反射（大气中折射指数的垂直梯度