南京信息工程大学雷达气象学期末复习重点

测雨——厘米波雷达（微波雷达） 测云——毫米波雷达 测风——风廓线雷达 测气溶胶——激光雷达 测温——声雷达 气象雷达的分类

（1）按照工作原理：常规天气雷达，多普勒天气雷达，偏振天气雷达，等。 （2）按照雷达工作波段：X 波段，C 波段，S 波段，L 波段，Ka 波段，等。 （3）按照安装平台：固定式，车载移动式，船载式，机载式，星载式，等。 天线方向：在极坐标中绘出的通过天线水 平和垂直面上的能流密度的相对分布曲线图。天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指的方向上。 天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射方向上的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比。G=10*lg （S 定向/S 各项均匀） 新一代天气雷达系统结构概述

构成：发射机，天线，接收机和信号处理器。

主要功能：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基数据。

雷达数据采集子系统（RDA ）雷达产品生成子系统（RPG ）主用户处理器（PUP ）

散射现象：当电磁波传播遇到空气介质和云、降水粒子时，入射的电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率的电磁波，称为散射现象。

散射过程：入射电磁波使粒子极化，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子或多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向外界辐射电磁波，就是散射波。 单个球形粒子的散射

定义无量纲尺度参数：α=2πr/λ

当α<<1时：Rayleigh 散射，也称分子散射。如空气分子对可见光的散射。 当0.1<α<50：Mie 散射。如大气中的云滴对可见光的散射。

当α>50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射，彩虹等光现象。 思考：对于3cm 和10cm 雷达遇到半径0.1cm 的雨滴发生哪种散射？

瑞利散射：方向函数的具体形式：当雷达波是平面偏振波时，瑞利散射在球坐标中的 方向函数为：()()

??θλ

π?θβ2

222

2

2

4

6

4sin cos cos 2

116,++-=

m m r

当入射雷达波长一定，散射粒子的大小和相态一定（即r 、m 为常数），则:

()()??θ?θβ222sin cos cos ,+=C

米散射：单个球形粒子的散射？ Rayleigh 散射与Mie 散射不同点：

Rayleigh ：前后向散射相等，侧向散射为零。

Mie ：散射前向大于后向散射，α越大向前散射所占比越大，侧向散射不为零。 关系：

Mie 散射包含Rayleigh 散射，Rayleigh 散射是Mie 散射的特殊。

雷达截面：粒子向四周作球面波形式的各向同性散射，并以符号σ表示总散射功率与入射

波能流密度之比，即雷达截面i

s S R S 2

4)(ππσ=或)(4ππβσ=

瑞利散射时的雷达截面：)(4ππβσ==2

224652

1

16+-m m r λπ

外包水膜的融化冰球：理论处理：由不同折射指数的介质所组成的同心球。瑞利散射区：随着融化水膜厚度的增加，融化冰球的雷达截面增大。米散射区：随着融化水膜厚度的增 加，融化冰球的雷达截面减小。 亮带回波（1.8-2.0km ）

解释冬天北方降雪（干雪）回波较弱，而南方降雪（湿雪，认为是外包水膜的冰球）回波较强。形成0度层亮带的原因之一就是融化作用。

雷达反射率：定义单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和称为雷达反射率，并以η表示，常用单位是3

2

/m cm 即∑=

单位体积

i

σ

η

雷达反射率因子：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子，用Z 表示，其常用单位是3

6

/m mm ，即dD D D n Z D Z i

60

6)(,?

∑∞

==

单位体积

Z 值的大小只取决于云雨滴谱的情况；

Z 正比于D 6，一方面表明粒子越大，Z 越大，回波功率也就越大，另一方面也表明Z 的贡献主要来源于少数的大雨滴；

等效雷达反射率因子：对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(Ze)，称为等效雷达反射率因子。 分贝(dB):功率比的常用对数的10倍 dR k P P R L r r

?-=0343.42lg

100

衰减系数：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

dR

P P d k L γγ2-

=

衰减截面：从电磁场理论吸收截面、散射截面和衰减截面可表示为

))(12(Re 21

2

n n n i t t b a n S P Q ++-==∑∞

-πλ

)()12(22

21

2

n n n i s s b a n S P Q ++=

=∑∞

-π

λ

s t i

a

a Q Q S P Q -==

大气对电磁波的衰减：

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。 大气对雷达波的衰减还与湿度e 、温度T 、气压P 有关。P ，e 越大，气体衰减系数越大；T 越高，气体衰减系数越小。

大气气体对电磁波的衰减吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气。

大气对雷达波的衰减主要是吸收作用（散射可忽略）。对于波长大于2cm 的雷达波，气体吸 收也很小，衰减一般也可忽略。波长在1cm 附近或探测距离较远时，气体的衰减作用仍需要考虑。

云和雨滴对雷达波的衰减兼有吸收和散射作用。云、雨对于10cm 以下雷达波的衰减必须考虑，尤其波长在1-3cm 时，衰减影响严重。

ka 称为云和降水群的吸收系数。表示由于云和降水粒子吸收造成的单位距离上的电磁波能流密度损失的分贝数；分贝数表示的吸收系数的物理意义：单位体积内所有质点吸收截面总和的0.4343倍。 云的衰减：

衰减截面：=

+=Qa Qs Q t ???

? ??+--=???? ??+--21Im 21Im 82232222

2m m m m r απλλ

π 特点：1.液态云的衰减随温度的降低而增大（冰云相反）2.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 3.对于波长较长的雷达，可忽略云层对电磁波的衰减作用；冰云的衰减要比液态云的衰减小2~3个量级，原因在于冰晶的介电常数小于水。

雨的衰减：1.雨的衰减系数一般与降水强度近于成正比关系； 2.雨的衰减系数在给定温度下还与波长有关系；

3.随波长的增加而减少（雷达截面与波长四次方成反比，衰减和波长成反比的影响） 大面积小雨，3cm 雷达，雨的衰减要考虑。 大面积中雨，3cm 和5cm ，雨的衰减要考虑。

大面积大雨或冰雹，3cm ，5cm 和10cm 均要考虑。 雪、冰雹对雷达波的衰减：

1.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

2.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

3.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。

雷达气象方程：雷达气象方程是定量的表示云和降水的回波强度与有关因子之间关系的方程。利用雷达气象方程，可以根据回波的强度判断降水区的物理状况，并正确地选择雷达的参数。（对应的参量，均匀的） 单个目标的雷达方程 推导：天线增益G ：定向辐射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：av

S S G max

=

各项均匀辐射天线的能流密度：2

4)(R P R S t

av π=

则天线定向辐射方向上距离R 处的能流密度为2

max 4R

G

P GS S t av π== 雷达截面σ

根据雷达截面的定义：()max

2

4S R s s ππσ=

散射回天线的后项散射能流密度：()

σππG R P S t

s 2

24)(=

天线有效截面积Ae ：能接收到后向散射波的天线面积比天线外口径截面积小

根据天线理论G A e π

λ42

= 因此，天线接收到的总功率为()

4

3

2

24)(R

G P A S P t e s πσλπ=

=

讨论：1.一个普遍的雷达方程，适用于任何单目标物体的探测

2.雷达接收的回波功率Pt 的大小，取决于自身的发射功率Pt ，天线增益G ，波长λ，还与目标的距离R ，以及雷达截面σ有关；

3.对于给定的一部雷达，已知各雷达参数，当已知目标物离雷达站的距离R ，就能够根据回波功率的强弱来大致判定目标物的一些性质。

有效照射深度：只有在波束中距离为R 到R+h/2范围内的那些粒子散射的回波，才能在同一时刻到达天线，称h/2这个量为波束有效照射深度

有效照射体积：在波束宽度()Φ,θ范围内，粒子所产生的回波能同时到达天线的空间体积，称为有效照射体积

充塞系数：气象目标物在有效照射体积内被充满的程度。<=1

影响充塞系数的因素：波束宽度因素；距离因素；降水云尺度因素；天线仰角因素 写出雷达气象方程 ??+-=

-R

kdR t r Z m m R hG P P 02.02

2222

1

123

102

1

12

ln 1024ψλ?θπ中各参数的含义，并讨论该雷达方程的适用范围

（常数项，雷达参数项，距离因子项，充塞因子项，气象因子项，衰减因子项）

r P 回波接受功率，t P 发射功率，h 脉冲长度，1θ水平波束宽度，1?垂直波束宽度，G 天线

增益，??+--R

kdR Z m m 02.02210,2

1

都是气象因子分别影响是目标物的后向散射特性；波束路径上

各种粒子对雷达波的衰减作用，R 表示距离（回波功率随距离增大而变小，与距离平方成反比）；此方程只在瑞利散射条件下成立 天线增益：2

G P r ∝ 2

/λp A G ∝

1.Ap 为天线截面积，G 越大越好

2.λ不变，Ap 越大，G 越大

3.为了保证达到一定的增益，波长越长的雷达，使用的天线越大。 折射指数N ：

大气折射指数的实际应用单位，简称折射指数N 单位)(10)1(6T

Be P T A n N +=

?-= 等效地球半径：设想地球半径加大到某一数值Rm'时，使得Rm'为半径的地球表面上沿直线

传播的超短波的最大探测距离和真实的球表面上沿折射曲线轨道传播的最大探测距离相同，则Rm'就称为等效地球半径

射线曲率与折射指数垂直分布之间的关系：dh

dn K -≈ 讨论：

dh

dn

<0 ,K>0 曲线向下弯曲，一般大气 dh dn

>0 ,K<0 曲线向上弯曲，反常大气 dh

dn

=0 ,K=0 直线传播，均质大气 射线曲率、等效地球半径

dh

dn R R R R R K m m m m m /1''1

01+=

?-=-

讨论：

dh

dn

=0 m R ’=m R 射线直线传播（负折射） dh

dn

>0 m R ’m R （标准折射） dh dn <0 dh dn 较大 dh dn R m /1+=0 m R ’=∞（临界折射） dh dn <0 dh

dn 大 dh dn R m /1+<0 m R ’<0 （超折射） 形成超折射的气象条件：逆温；上干下湿 超折射回波的分类

辐射超折射：发生大陆上晴朗的夜晚，由于地面辐射使近地层迅速降温而形成辐射逆温。特 别当地面潮湿时，逆温使水汽不能向上输送。 平流超折射：干暖的空气移到较冷的水面时。

雷暴超折射：超折射发生在消散期，强大的下沉气流造成逆温，逆温又抑制了水汽的向上输送，形成超折射。

大气折射对雷达探测的影响：

地球球面和大气折射对探测距离的影响 0゜仰角无折射时距离高度关系：H R R m 2= H R 75.3=

标准大气折射：H R R m '2= H R 15.4=

折射使探测距离增加

测高公式：

()

()+

=+2

2

cos δR R H m ()

?

++2

sin δR h R m m

R R R h H 2sin 2

+

+=δ或

'

2sin 2

m R R R h H +

+=δ Z-I 关系：b

AI Z =

假设：1.降水的时空分布均匀，且滴谱可用(7.6)式表示； 2.近地面的垂直气流很弱，可以忽略； 3.所有雨滴的散射满足瑞利散射条件； 4.雨滴下落的末速度可以用(7.10)式表示。 雷达测雨的误差因素：1.地物阻挡2.充塞系数小于1 3. 虚假的噪声和极端值4.旁瓣回波影响5.衰减影响（主要是雨的衰减）6.地物回波，超折射7.零度层亮带8.雨滴谱的变化9.蒸发10.高度的影响11.风的影响-地面风12.天线罩的衰减13.雷达发射功率不稳定，硬件定标 多普勒效应：由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率之间发生变化

多普勒频移：由于相对运动造成的频率变化 最大不模糊距离Rmax ：一个雷达脉冲在下一个脉冲发射之前遇到目标物并且其回波能够返回雷达的最大距离。PRF

c

cT R ?==

221max 其中，Rmax 为最大不模糊距离，c 为光速，T 为脉冲重复周期，PRF 为脉冲重复频率。

距离折叠（模糊）：超过最大不模糊距离的探测回波在屏幕上会产生距离模糊。当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 以内的某个位置，目标物方位是正确的但距离是错误的。

最大不模糊速度：多普勒雷达能够测量的一个脉冲到下一个脉冲的最大相移是180°（π弧度）。与180°相移对应的目标物的径向速度称为最大不模糊速度。4

max PRF

V r ?=

λ

速度模糊：如果目标真实的径向速度大于（小于）Vrmax （-Vrmax ），则多普勒雷达将给出错误的速度信息。

多普勒雷达两难：根据最大不模糊距离与不模糊速度的表式知，8

max max c

R V λ=

对每个特定

雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度不能同时兼顾。

提高最大探测速度的方法简单提高PRF ；选择波长更长的雷达；双PRF 技术。

V AD 方向反演均匀风场：V AD 技术就是速度—方位显示方法、即让雷达天线以某一固定的仰角作方位扫描，并把探测到的降水粒子在某一距离和方位上的径向速度VR （β）记录并显示出来。

均匀风场的风向风速

1.Vh ， Vf ，θ0为常量，不随方位角θ变化，某一径向距离r 上的径向速度Vr(θ)将按余弦方式变化，并叠加了常量Vf(θ)sin(α)。

2.当天线指向水平风的来向（迎风），θ=θ0+π，此时的径向速度为Vr1=-Vhcos(α)-Vfsin(α)

3.当天线指向水平风的去向（背风），θ=θ0，此时的径向速度为Vr2=Vhcos(α)-Vfsin(α)

水平风速：Vh=(Vr2-Vr1)/(2cos(α))；垂直风速：Vf=-(Vr1+Vr2)/(2sin(α))

典型中尺度气旋速度图像：纯旋转，右正左负，零速线与径线平行。（反气旋相反）

辐散气流的速度图像：外正内负，零速线与距圈平行。

辐合气流的速度图像：外负内正，零速线与距圈平行

辐合型气旋的速度图像：注意零速线走向，兼具辐合与旋转的零速线特征。左上负，右下正气象回波：气象目标物对雷达电磁波的散射或反射引起的回波。

（降水回波：层状云降水；对流云降水；混合云降水。；非降水回波：云；雾；晴空回波。）非气象回波：非气象目标物对电磁波的散射或反射以及由于雷达性能引起的虚假回波。（地物；超折射（远处的地物）；同波长干扰；飞机，船只，海浪，假回波。）

超级单体风暴

PPI典型回波特征：

1. 单体（圆，椭圆）

2.移向的右后侧有界弱回波区（BWER），在中层BWER呈圆洞形或准圆形，在低空有钩状回波出现-超级单体的特征回波

3.弱回波的左侧为最强回波

4. 主回波下游（云的高处）有砧状回波

RHI典型回波特征

1.弱回波区（入流缺口，逆风区）

2.悬挂回波（冰雹胚胎帘，孕育冰雹区）

3.回波墙（强弱回波区分界）

4.强回波区（落雹区）

5.云砧（高空风所致的强出流）