雷达气象学期末复习重点

2

雷达系统组成： 触发信号产生器，发射机，天线转换开关 ,天线，接收机，显示器 脉冲重复频率 PRF ： 每秒钟产生的脉冲数目，脉冲间隔决定了探测距离； 脉冲重复周期

PRT ： 两个相邻脉冲之间的时间间隔， PRT ＝ 1/PRF ； 脉冲宽度 τ ： 脉冲发射占有时间的宽度，单位微秒 波长 λ：电磁波在一个周期内在空间占有的长度； 脉冲发射功率 P ： 发射机发出的探测脉冲的峰值功率； 平均功率 Pa: 发射机在一个脉冲重复周期里的平均功率。

天线方向图： 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。 波束宽度 : 在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角。波束宽度越小，定向角度的分辨率 越高，探测精度越高。

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。

灵敏度： 雷达检测弱信号的能力。用最小可辨功率 Pmin 表示，就是回波信号刚刚能从噪声 信号中分辨出来时的回波功率。

平面位置显示器 PPI ：雷达天线以一定仰角扫描一周时， 测站周围目标物的回波。 以极坐标 形式显示。

距离高度显示器 RHI ： 显示雷达天线正对某方位以不同的仰角扫描时目标物的垂直剖面图 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。 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

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:

, C cos 2

cos 2

sin 2

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。 后向散射： θ = 180o ，只有后向散射能量才能被雷达天线接收。 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 表示总散射功率与入射 波能流密度之比，即雷达截面

Ss ( )4 R

或 4 ( )

方向函数为：

46 ,

16

4 r

m

2

1 m 2

2

2

cos

2 cos 2 sin 2

S i

区分小粒子和大粒子： 小粒子： σ冰 <σ水 ，冰粒是同体积水滴的 1/5 ，所以雪和小冰粒 回波弱；大粒子： σ 冰 >σ水，米散射区随冰粒直径的增大，雷达截面也增大，最大达水滴 的 10 倍，所以大冰雹的回波非常强 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 表示， 常用单位是 cm 2

/ m 3

即

i

单位体积

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 mm 6

/ m 3

，即 Z

D i 6,Z

n(D)D 6

dD

单位体积 0

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。

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

dP k L 2P dR

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

P

2 Q

t Pt

Re (2n 1)(a n b n ) S i

2 n 1

Q s

P S

s i 2 n 1

(2n 1)(a n 2

b n 2

)

Q a P

S

a i Q t Q s

云的衰减：

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.

瑞利散射时的雷达截面：

56 16

5r 6

4

m 2 1

m

2

2

衰减截面： Q t Qs Qa

22 8 2 r 2

Im

m

2

1 m 2

2

3

3

Im

m 2 2

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

散射回天线的后项散射能流密度： S s （ ）

Pt

G

s

4 R

2 2

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

2

根据天线理论 A e 4

G

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

之比：

各项均匀辐射天线的能流密度：

S av (R)

P t

4 R

2

则天线定向辐射方向上距离 R 处的能流密度为 S max GS

av

P t G

4 R

2

雷达截面 σ

根据雷达截面的定

2

s s 4 R 2

S

max

因此，天线接收到的总功率为

P S s ( ) A e

P t

G

2 2

4

3 R 4

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 有效照射体在波束宽度 , 范围内，粒子所产生的回波能同时到达天线的空间体

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

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）

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

增益， m

2 1

Z,10

0.2 0

kdR

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

m 2 2

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

发射功率 :增加 Pt ，可增大最大探测距离， 但单靠增加 Pt 去增加探测距离 （1）技术上有难度 （2） 还取决于 PRF

脉冲宽度 （脉冲长度 ） :决定有效照射深度，有效照射体积，盲区

τ 增加， Pr 增大，提高探测能力；但有两个缺点（ 1）雷达距离分辨率变低（ 2）雷达盲

区 变大

折射指数 N ： 大气折射指数的实际应用单位，简称折射指数 实际大气中折射指数的分布

在实际大气中，一般 P 、T 、e 都随高度的增

大而减小，但 P 、e 下降速度较快。所以 N

的垂直变化中 P 、e 起主导作用。即 N 随高度升高而减小。

讨论： 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

写出雷达气象方程

3

P t hG 2

1 1 1

1024 ln 2 2 R 2

m

2 1

m 2 2

R

0.2 kdR

Z 10 0

中各参数的含

N 单位 N

(n 1) 106 A

(P Be

)

TT

射线曲率与折射指数垂直分布之间的关系：

dn dh

dh

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

折射指数随高度变化的几种形式： 负折射，无折射，标准折射，临界折射，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。 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 探测距离较远时，雷达波束偏离地面，一些低目标物观测不到 当目标物移向雷达站，波束探测高度不断降低，出现回波新生的虚假现象 当目标物远离雷达站，波束探测高度不断增加，出现回波减弱，消散的虚假现象 测高公式：

R

2

h Rsin

2R m '

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

其中， Rmax 为最大不模糊距离， c 为光速， T 为脉冲重复周期， 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

PRF

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。 V rmax PRF

4 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， V max R max

c

对每个特定

8 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。 典型中尺度气旋速度图像： 纯旋

R m

Rcos R m h Rsin

R

2

H h Rsin

2R

Z-I 关系： AI

回雷达的最大距离。

R

max

1

cT

c 2 PRF

PRF 为脉冲重复频率。

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。）地物回波：特点：块体小，强度大，回波边缘清晰，位置固定不变，且回波和地物所在的位置是一致的。如山脉，丘陵，岛屿，海岸线，高大建筑物，农作物等。

常用识别方法：降水回波变化大，地物固定少变；抬升仰角（0.5-2 度），地物消失，降水仍存在；晴空时仍可探测到；注意两次观测的移动，不移动的是地物；因地物速度回波速度脉动小，可以消除地物；RHI 观测中，可以看到地物回波很低，降水回波较高超折射回波

发生超折射现象时产生的回波，实为远处的地物回波，波束不断折向地面，所以回波沿着径向呈辐揍状，远处的回波有间断。

气象意义：预示着大气低层或中层存在逆温层，即大气比较稳定；在降水过程中出现时预示对流已减弱，降水即将终止；长期存在时需要发出环境污染预报；当有强冷空气入侵时还可能出现强对流天气

产生超折射回波的气象条件：辐射超折射;平流超折射;雷暴超折射层状云连续性降水——片状回波

又称为稳定性降水或连续性降水，通常由于大范围空气缓慢上升而成云致雨。特点是降水区水平尺度较大、持续时间较长、强度比较均匀、随时间变化比较缓慢。

回波特征: PPI 回波特征：分布成片，面积较大，边缘模糊，结构均匀，相对较弱（一般在20－30dBZ ）；RHI 回波特征：结构均匀，顶部平整，起伏较小（相对于对流云降水），垂直厚度不大（一般5－6km ，因地区、季节而不同），水平尺度比垂直尺度大得多。

天气背景: 低压、静止锋、地面暖锋、高空低涡、切变线等零度层亮带（0゜层融化带）层状云降水的一个重要特征，通常出现在零度等温线以下几百米处的一个高回波强度带（厚度

<1km ）。

亮带形成原因：融化效应；碰并聚合效应；速度效应；粒子形状效应

亮带的意义：层状云连续降水的一个重要特征；反映了这类降水中有明显的冰水转换区，利于探讨降水机制；表明层状云降水中气流稳定无明显对流活动；可由亮带位置大致确定0゜等温线高度

对流云阵性降水——块状回波对流云发展到一定程度时，云中的降水粒子己不能被上升气流托住而降落。特点是水平范围小、垂直尺度高、强度大、分布不均匀、持续时间短、随时间变化快。实为积云降水（对流是积云的特征），包括：阵雨、雷雨、冰雹等。

回波特征：PPI 回波特征分散的单体，圆形或椭圆形，结构密实，内部有强中心，边界清晰，回波强度和梯度较大，

小的直径几公里，高度几公里，属小尺度系统；最大的超级单体，直径可达30-40km ，顶高可以穿过对流层顶，属中尺度系统；

RHI 回波特征

柱状，顶部常为云砧状或花菜状，结构中有强中心，高度6-7km，夏天可大于10km ，最高可达20km 左右。

普通单体风暴：积云阶段；成熟阶段；消散阶段

多单体风暴：由一些处于不同发展阶段的对流单体组成的具有统一环流的强风暴系统。超级单