第五章 雷达电磁波在大气中的折射
大气中的气象雷达技术与应用
大气中的气象雷达技术与应用气象雷达是一种用于探测和监测大气中降水、云层等信息的重要仪器。
它通过发射脉冲电磁波并接收反射回来的信号，可以提供丰富的气象信息，对天气预报、气象灾害预警等方面具有重要意义。
本文将介绍大气中的气象雷达技术原理以及其在气象预测和灾害预警中的应用。
一、气象雷达技术原理气象雷达的工作原理基于电磁波的反射和散射原理。
雷达通过发射一束电磁波（通常是微波波段）到大气中，当电磁波遇到雨滴、冰粒等物体时，会发生反射和散射。
反射是指电磁波遇到物体后，一部分能量被物体吸收，而另一部分能量被物体反射回来。
这些反射回来的电磁波被接收器捕获，并用来提取有关物体特征的信息，如反射强度。
散射是指电磁波在遇到比波长大得多的物体时，会产生波束的弥散现象。
这些散射的电磁波被接收器捕获，并用来提取有关物体特征的信息，如粒子的分布、速度等。
基于上述原理，气象雷达可以获取反射率、速度和谱宽等物理量。
其中，反射率可以用来表示颗粒的大小和分布密度，速度可以用来表示物体的运动状态，谱宽可以用来表示物体的大小和分布宽度。
二、气象雷达在天气预报中的应用气象雷达在天气预报中扮演着重要的角色。
通过对大气中降水系统的探测，气象雷达可以提供准确的降水强度、覆盖范围和降水类型等信息，为天气预报提供重要数据支持。
首先，气象雷达可以提供降水系统的监测与跟踪。
通过不断扫描大气中的物理量变化，气象雷达可以实时监测和跟踪降水系统的演变过程，例如暴雨区域的扩展和移动速度等，为天气预报员提供重要参考。
其次，气象雷达可以提供降水的定量估计。
利用雷达测量得到的反射率数据，结合气象观测站和探空观测数据，可以通过降水反演算法估计降水的强度和量级，为定量降水预报提供依据。
另外，气象雷达还可以提供异常天气形态的探测，如雷暴、冰雹等。
通过对雷达回波的分析，可以识别并跟踪强对流天气的演变过程，提供及时的临近预警，为人们的生产活动和个人安全提供保障。
三、气象雷达在气象灾害预警中的应用气象雷达在气象灾害预警中起着不可忽视的作用。
电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究
电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究引言：电磁波的传播特性及应用研究一直是物理学、通信工程和电磁学等领域的研究热点。
在大气波导环境中，电磁波的传播受到大气层的影响，具有一些独特的特性，因此在雷达、无线通信、天气预报等方面的应用都具有重要意义。
本文将系统地介绍电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究。
一、电磁波在大气波导环境中的传播特性1. 大气介质特性对电磁波的传播影响大气介质对电磁波的传播起着重要作用。
大气中的水分子和氧分子对电磁波的吸收、散射和折射产生影响。
此外，大气介质的湿度、温度和密度对电磁波的传播特性也有影响。
2. 大气波导条件下的电磁波传播大气波导是指在大气中存在的具有传播特性的电磁波。
在大气波导条件下，电磁波的传播路径不仅限于直线传播，还涉及地球表面的反射和散射。
这种传播特性使得电磁波在雷达、通信系统等应用中有更优异的性能。
3. 引频雷达的工作原理引频雷达是一种利用大气波导进行远距离目标探测的工具。
它利用了由电离层和地球表面反射后的信号，实现对目标的探测和跟踪。
它的工作原理基于电磁波在大气波导环境中的传播特性。
二、电磁波在大气波导环境中的应用研究1. 引频雷达在大气科学中的应用引频雷达可以测量大气中的电离层、对流层和平流层等层结的高度、密度和变化情况。
通过对大气参数的研究，可以更好地理解天气现象和气候变化。
2. 电磁波在无线通信中的应用在大气波导环境中，电磁波的传播路径更加稳定，因此在无线通信中具有更远的传输距离和更好的可靠性。
这对于无线电视、移动通信和卫星通信等应用具有重要意义。
3. 电磁波在地球物理勘探中的应用通过电磁波在大气波导环境中的传播特性，可以实现地球内部结构的勘探，如矿产资源、油气田的探测。
利用电磁波在大气波导中的传播特性，地球物理勘探的效率和精度都得到了提高。
结论：电磁波在大气波导环境中的传播特性独特而重要。
大气介质的特性对电磁波的传播起到重要影响，而大气波导条件下的电磁波传播使得雷达、通信和地球物理勘探等领域的应用得到了进一步发展。
雷达试题及答案
1、当波源和观测者做相对运动时，观测者接受到的频率和波源的频率不同，其（频率变化量）和（相对运动速度大小）有关，这种现象就叫做多普勒效应。
2、判断大冰雹最有效的方法是检查强回波（＞45dBZ）能否发展到（0°C）,特别是（-20 ° C）等温线高度以上。
5、新一代天气雷达近距离目标物的探测能力受限的主要原因是（静锥区）的存在。
6、天气雷达主要雷达参数有（雷达波长）、（脉冲重复频率PRF）、脉冲持续时间（T）和脉冲宽度（h）、（峰值功率）、（波束宽度）。
9、电磁波在降水粒子上的散射，是（天气雷达探测降水）的基础。
11、超级单体最本质的特征是具有一个（深厚持久的中气旋）。
12、在层状云或混合云降水反射率因子回波中，出现了（反射率因子较高的环形）区域，称之为零度层亮带。
13、可能导致谱宽增加的非气象条件有（天线转速）（距离）（雷达的信噪比）15、产生强降水的中尺度对流回波的多普勒速度特征是（强的风切变）、（强的辐合和形变）、（深厚的积云对流）、（旋转环流）21、在径向速度图中，气流中的小尺度气旋（或反气旋）表现为一个（最大和最小的径向速度对），但两个极值中心的连线和雷达的射线（相垂直）。
23、边界层辐合线在新一代天气雷达反射率因子图上呈现为（窄带回波），强度从几个dBZ到十几个dB乙24、在比较大的环境垂直风切变条件下，产生地面直线型大风的系统有多单体风暴、飑线和超级单体风暴，它们的一个共同预警指标是（中层气流辐合）。
28、单位体积中云雨粒子后向散射截面的总和，称为气象目标的（反射率）。
29、对于相同的脉冲重复频率，C波段雷达的测速范围大约是S波段雷达测速范围的（1/2 ）。
31、新一代天气雷达回波顶高产品中的回波顶高度（小于云顶高度）。
33、垂直风廓线产品VWP寸分析（高低空急流、垂直风切变、热力平流类型）是有用的。
34、中气旋是风暴尺度环流，它能由（切变尺度、持续时间尺度、垂直方向伸展厚度）来衡量。
电磁波在大气中的传播
电磁波在大气中的传播电磁波是一种在空间中传播的能量。
它的传播速度非常快，甚至可以达到光速。
我们常见的电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线以及伽马射线都属于电磁波的范畴。
在自然界中，电磁波的传播主要是通过大气介质进行的。
本文将揭示电磁波在大气中传播的过程以及其在不同频谱范围内的特性。
首先，我们先来了解一下大气是如何影响电磁波的传播的。
大气是由各种气体、水蒸汽、悬浮颗粒等组成的。
这些物质会对电磁波的传播产生散射、吸收和折射等作用。
其中，散射是指当电磁波遇到大气中的微小颗粒时，会因为颗粒的尺寸与电磁波的波长相当而改变传播方向。
这就是为什么我们在白天看到的天空是蓝色的原因，因为大气中的气溶胶颗粒会使蓝光的散射比其他颜色的光更强。
而吸收作用则是指当电磁波与大气中的分子或原子发生相互作用时，一部分能量被大气吸收，使得电磁波减弱或完全消失。
不同频谱范围内的电磁波与大气的相互作用程度也不尽相同，下面将分别探讨。
对于无线电波，它们具有较长的波长，通常几厘米到数十米不等。
由于它们的波长相对较长，它们的传播受到大气散射和吸收的影响较小。
事实上，无线电波可以沿着地球曲率进行直线传播，这就是为什么我们能够利用无线电进行远距离通信的原因。
除此之外，无线电波还具有穿透建筑物和云层的特点，因此在通信和雷达等领域中得到广泛应用。
而对于微波，它们的波长要比无线电波短得多，通常在数毫米到数厘米之间。
这使得微波与大气的相互作用更加明显。
大气中水蒸汽的存在对微波的传播起着重要的作用。
我们熟知的微波炉就是利用微波能够被水分子吸收的特性来加热食物的。
此外，微波还被广泛应用于卫星通信和雷达系统中，因为它们具有高密度传播和可穿透云层的特点。
当我们进一步减小波长，进入红外线、可见光和紫外线的频谱范围时，电磁波的传播受到大气的吸收和折射的影响更加明显。
红外线的波长比可见光长，它们主要被大气中的水蒸汽和二氧化碳吸收。
而可见光则可以穿过大气层被我们所感知到，但它们也会受到大气散射的影响。
第五章 雷达作用距离-修改
§5.3.1 积累效果
►相干积累
1
2 原因：信号功率增大M 倍，噪声功率增大M 倍
► 非相干积累
,
1
积累效率
►积累对作用距离的改善
结论：由于积累降低了达到规定检测能力时对单个输入脉冲信噪比的要求， 因此客观上提高了雷达的作用距离
习题
►某雷达波长 小可检测信号 有效反射面积
，最 ，已知探测目标的 ；
第七节 雷达方程的几种形式
§5.7.1 二次雷达方程
合作目标 二次雷达目标上装有应答机（或信标），当应答机收到雷达信号后，发射一个应答信 号，雷达接收机根据所收到的应答信号对目标进行检测和识别。
距离R 处任一点的雷达发射信号功率密度：
考虑到定向天线增益Gt：
t
’ 目标上应答机天线的有效面积为Ar ，则其接收的功率为：
►总结：
雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系，但由于未考虑设备的实际损
耗和环境因素，且目标有效反射面积σ和最小可检测信号Simin不能准确预定，因此仅
用 来雷作达估在算噪的声公和式其，他考干察扰各背参景数下对检作测用目距标离，的同影时响，。复杂目标的回波信号本身存在起伏，
因此，接收机输出的是一个随机量。雷达作-6用距离也不是一个确定值而是统计量，通 常只在概率意义上讲，当虚警概率（如10 ）和发现概率（如90%）给定时的作用距 离是多大。
►D0表示的雷达方程
带宽校正因子
雷达各部分损耗引入的损 失系数
§5.2.2 门限检测
►信号是否超出门限判断目标有无的四种情况
发现：存在目标，判为目标－－－－－－－Pd 漏报：存在目标，判为无目标－－－－－－Pla 正确不发现：不存在目标，判为无目标－－Pan 虚警：不存在目标，判为目标－－－－－－Pfa
第五章 雷达电磁波在大气中的折射 (2)
讨论：
dn dh =0
R 'm = R m 射 线 直 线 传 播 零 折 射
dn dh
dn dh
> 0 R 'm R m 负 折 射
dn dh
<0
小 0 <1 R m d n
dh
< 1 R 'm R m
一般大气折射
dn dh
<0
dn dh
较 大 1 Rm dn
dh
= 0 R 'm 临 界 折 射
可以事先制作好图表进行查算。
大气折射指数与气象要素的关系
实际大气中折射指数的分布 N值随 P，e 的增大而增大，随T的减小而增 大；
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。也就是说N随高度 升高而减小。即：
dN dh
折射定律
电磁波速度的大小与介电常数及导磁系数有关。
折射指数：
n c v
v是介质中的传播速度，小于光速c，所以n>1。
光学折射定律：
s in i s in r v1 v2 n2 n1
折射定律
注：
普通折射 指数 取决于电磁波在介 质中的衰减情况
折射指数最普遍形式是复数形式： m = n–i k 本章的研究主要考虑电磁波在大气中的传播路 径问题，不考虑衰减作用，所以只采用普通折射指 数n。
射线曲率、等效地球半径
等效地球半径R’m
在保持射线和地面间相对曲率不变的前提下，通过调 整地球曲率，使射线沿直线传播时对应的地球半径。
真实射线曲率和真实地球曲率之差＝直线传播的射 线和等效地球曲率之差
多普勒天气雷达练习题
练习题21．业务运行的多普勒天气雷达通常采用体积扫描的方式观测;我国业务运行多普勒雷达通常采用的体描模式VCP11、VCP21、VCP312．多普勒天气雷达与常规天气雷达的主要区别在于：前者可以测量目标物沿雷达径向速度,从而大大加强了天气雷达对各种天气系统特别是强对流天气系统的识别和预警能力;3．新一代雷达系统对灾害天气有强的监测和预警能力;对台风、暴雨等大范围降水天气的监测距离应不小于400km;4．新一代雷达系统对灾害天气有强的监测和预警能力;对雹云、中气旋等小尺度强对流现象的有效监测和识别距离应大于150km;5．新一代雷达观测的实时的图像中,提供了丰富的有关强对流天气信息; 6．新一代雷达速度埸中,辐合或辐散在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对,两个极值中心连线和雷达射线一致;7．新一代雷达速度埸中,气流中的小尺度气旋或反气旋,在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对,但中心连线走向则与雷达射线相垂直; 8．新一代天气雷达观测采用的是北京时;计时方法采用24小时制,计时精度为秒;9．速度场零等值线的走向不仅表示风向随高度的变化,同时表示雷达有效探测范围内的冷、暖平流;10．在距离雷达一定距离的一个小区域内,通过对该区域内沿雷达径向速度特征的分析,可以确定该区域内的气流辐合、辐散和旋转等特征; 11．天气雷达是用来探测大气中降水区的位置、大小、强度及变化12．气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测的基础;13．气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地看作是圆球;当雷达波长确定后,球形粒子的散射情况在很大程度上依赖于粒子直径D和入射波长λ之比;对于D远小于λ情况下的球形粒子散射称为瑞利散射；而D与λ尺度相当情况下的球形粒子散射称为Mie米散射;14．多普勒天气雷达使用低脉冲重复频率PRF测反射率因子,用高脉冲重复频率PRF测速度;15．每秒产生的触发脉冲的数目,称为脉冲重复频率,用PRF表示;两个相邻脉冲之间的间隔时间,称为脉冲重复周期,用PRT表示,它等于脉冲重复频率的倒数;16．降水粒子产生的回波功率与降水粒子集合的反射率因子成正比;与取样体积到雷达的距离的平方成反比;17．S波段天气雷达是10cm波长的雷达;18．在天线方向上两个半功率点方向的夹角称为c波束宽度;19．在强回波离雷达较近时,有可能产生旁瓣造成虚假回波.20．降水粒子的后向散射截面是随粒子尺度增大而增大;21．0 dBZ、－10dBZ、30dBZ和40dBZ对应的Z值分别为1、0.1、1000、10000 mm6/m3;22．SA雷达基数据中反射率因子的分辨率为1km×1°;23．写出Z-I关系的表达公式bAIZ=24．Ze的物理意义是所有粒子直径的６次方之和 ;25．雷达反射率η是单位体积中,所有降水粒子的雷达截面之和 ; 26．雷达气象方程说明回波功率与距离的二次方成反比;27．在雷莱散射时,散射截面Qs比后向散射截面σ小;28．降水粒子的后向散射截面是随粒子尺度增大而增大;29．大水滴的后向散射截面总比小水滴的后向散射截面大很多 ;30．大冰雹的后向散射截面随着降落过程其表面开始融化而增大;31．电磁波能量沿传播路径减弱的现象,称为衰减;为减少衰减,我国一般在沿海地区安装S波段雷达;32．S波段和C波段的雷达在传播过程中主要受到降水的衰减,衰减是由降水粒子对雷达波的散射和吸收造成的;33．对于相同的脉冲重复频率,C波段雷达的测速范围大约是S波段雷达测速范围的1/2;34．在雷达产品中,反射率因子的最高显示分辨率为1km;35．在50km以外我国新一带天气雷达的降水估测使用的仰角是0.5度36．对于靠近雷达的强对流回波,应尽量用抬高仰角;37．质点在电磁波作用下产生散射时,散射能量在空间的分布是不均匀的; 38．反射率因子的大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度,常用来表示气象目标的强度;39．单位体积中云雨粒子后向散射截面的总和,称为气象目标的反射率; 40．假设单位体积中有400粒直径为1mm的降水粒子,6粒直径为2mm的降水粒子,3粒直径为3mm的降水粒子和1粒直径为4mm的降水粒子,它们对反射因子的贡献是4mm＞3mm＞1mm＞2mm ;41．假设单位体积中有90粒直径为1mm的降水粒子,6粒直径为2mm的降水粒子,3粒直径为3mm的降水粒子和1粒直径为4mm的降水粒子,它们对反射因子的贡献是1mm＜2mm＜3mm＜4mm;42．一般来说,雷达反射率因子越大,雨强就越大,但这个关系式会受到BC 的很大影响;A、衰减B、零度层亮带C、冰雹D、距离43．多普勒天气雷达的应用领域主要在于对灾害性天气的监测和预警;还可以进行较大范围的降水定量估测,获取降水和降水运体的风场结构,改善高分辨率数值天气预报模式的初值场;44．多普勒雷达主要是由雷达数据采集子系统RDA数据采集、雷达产品生成系统RPG数据处理、主用户处理器PUP用户终端三个部分组成;45．PUP显示雷达回波时,所标注的回拨所在高度是假定大气为标准大气的情况下计算得到的;46．新一代天气雷达回波顶高产品中的回波顶高度小于云顶高度;47．使用PPI上的雷达资料时,不同R处回波处于不同的高度上 ;48．在雷达PPI图上,以雷达为中心,沿着雷达波束向外,随着径向距离的增加距地面的高度增加;49．雷达探测到的任意目标的空间位置可根据仰角、方位角、斜距求得; 50．在大气基本满足水平均匀并且雷达周围有降水的条件下,通过分析某一个仰角扫过的圆锥面内径向速度的分布,可以大致判断雷达上空大尺度的风向、风速随高度变化的情况;从某一仰角扫描径向速度的分布也可以判断速度不连续面;51．多普勒雷达的局限性abd使其探测能力下降或受限;a波束中心的高度随距离增加 b 波束中心的宽度随距离增加c距离折叠d静锥区的存在52．降水回波反射率因子回波大致可以分为哪几种类型CEF ;A、阵雨回波B、暴雨回波C、积云降水回波D、雷阵雨回波E、层状云降水回波F、积云层状云混合型降水回波53．在层状云或混合云降水反射率因子回波中,出现了反射率因子较高的环行区域,成为零度层亮带;54．在0°c层附近,反射率因子回波突然增加,会形成零度层亮带;零度层亮带通常在高于2.4°的仰角比较明显;55．降水算法要求用来导出降水率的反射率因子的取样位于零度层亮带以下的区域;56．降水回波的反射率因子一般在在15dbz以上;层状云降水回波的强度很少超过35dbz;大片的层状云或层状云－积状云混合降水大都会出现零度层亮带;57．当波源和观测者做相对运动时,观测者接收到的频率和波源的频率不通,其频率变化量和相对速度大小有关,这种现象叫做多普勒效应;多普勒天气雷达是利用多普勒效应来测量质点相对于雷达的径向速度;58．电磁波在真空中是沿直线传播的,而在大气中由于折射指数分布的不均匀性,就会产生折射,使电磁波的传播路径发生弯曲;59．压、湿随高度变化的不同,导致了折射指数分布的不同,使电磁波的传播发生弯曲,一般有标准大气折射、临界折射、超折射、负折射、零折射五种折射现象;60．当雷达波束路径曲率大于地球表面曲率时,称之为超折射;超折射一般发生在温度随高度升高而增加、湿度随高度增加而迅速减小的大气层中;61．超折射回波主要出现在最低扫描仰角;62．非降水回波包括：地物回波、海浪回波、昆虫和鸟的回波、大气折射指数脉动引起的回波、云的回波等;63．超拆射回波是因为大气中拆射指数n随高度迅速减小而造成的;64．大气中出现超折射时,电磁波传播路径微微向下弯曲;65．通常,超折射回波的本质是地物回波;66．地物杂波主要有固定地物杂波和超折射地物杂波 ;67．人们把雷达观测到早上所出现的超折射回波,作为一种预算午后可能产生强雷暴的指标是因为低空有暖干盖有利于对流不稳定能量储存;68．可能导致谱宽增加的非气象条件有：天线转速、距离、雷达的信噪比; 69．多普勒天气雷达的数据质量主要受到地物回波、速度模糊和距离折叠的影响;70．当发生距离折叠时,雷达所显示的回波位置的方位角是正确的,但是距离是错误的;以外时,雷达把目标71．当距离折叠发生时,目标物位于最大不模糊距离rmax以内的某个位置;物显示在rmax72．多普勒天气雷达能够测量降水粒子的径向速度;73．对于一个运动的目标,向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的, 符号不同;74．新一代雷达可用于定量估测大范围降水,用雷达回波估测的降水值与实际降水存在着一定的差异,其主要的影响因素是雷达本身的精度、雷达探测高度和地面降水的差异;75．雷达定量测量降水的误差主要是因为z-I关系不稳定;76．相比雨量计估计降水,雷达估计降水量的优点有 B D ;A、时间分辨率高B、空间分辨率高C、不以地面为基础D、范围大77．强度不变的同一积雨云从雷达站的315°方向200km处向东南方向移动,在雷达上看起来积雨云回波的强度愈来愈强,这是因为距离衰减愈来愈小; 78．在PPI上有一条对流回波带,由远处逼近本站时,在远处只有少数几块回波出现在荧光屏上,随时间逐渐逼近本站,形成一条排列紧密的回波带,这是b;a. 气象目标反射因子Z的作用 b.距离作用 c. 对流发展的结果 d. 地物挡住;79．天气雷达一般分为X波段、C波段、S波段,波长分别是3cm、5cm、10cm;80．98D的最大的最大不模糊探测距离是460km;81．不存在单一的脉冲重复频率使得最大不模糊距离和最大不模糊速度都比较大,这通常称为多普勒两难;82．多普勒两难是指不能同时得到好的速度和强度;“多普勒两难”表现在PRF脉冲重复频率变化对Rmax最大探测距离和Vmax最大不模糊速度的影响,当PRF增加,Rmax减小,Vmax 增加;83．最大不模糊距离rmax 与脉冲重复频率PRF成反比,而最大不模糊速度Vmax与脉冲重复频率PRF成正比;84．如果一个目标在两个脉冲的时间间隔内移动得太远,它的真实相移超过180°,此时雷达测量的速度是模糊的;85．在线性的假定条件下,雷达获取的经向风速数据通过VAD处理,可得到不同高度上的水平风向和风速,因而可以得到垂直风廓线随时间的演变图; 86．速度方位显示风廓线产品VWP代表了雷达上空60km左右范围内风向风速随高度的变化;87．沿雷达径向方向,若最大入流速度中心位于右侧,则为反气旋性旋转; 88．在速度图上分析风向时,实际风向的矢量必须与从PUP显示屏中心到零等速线上某一点的连线垂直;89．在风向不变的多普勒速度图像中,零等速度线为一条直线 ;90．某点的径向速度为零,实际上包含两种情况;一种是该点处的真实风向与该点相对于雷达径向互相垂直；另一种情况是该点的真实风速为零,在那里的大气运动速度极小或处于静止状态;91．在径向速度图中,气流中的小尺度气旋或反气旋表现为一个最大和最小的径向速度对,但两个极值中心的连线和雷达的射线相垂直;92．速度图上等风速线呈弓形时风速相同,当弓形弯向负速度时,表示大尺度风场为辐散；当弓形弯向正速度时,表示大尺度风场为辐合;93．圆形的中气旋流场,在多普勒速度图上表示为有一对对称的正负速度中心;94．在雷达回波中,强对流天气的出现和发展往往和abc有关,径向速度分布图像中可以看出这些流场特征;A、气流的辐合B、气流的辐散C、气流的旋转 D、气流的方向95．根据对流云强度回波的结果特征,风暴分为单体风暴、多单体风暴和超级单体风暴;每个雷暴单体的生命史大致可分为发展、成熟、消散三个阶段; 96．对流造成的灾害性天气指的是 A B C D;A下沉气流造成的地面阵风速度超过18m/s B 、任何形式的龙卷 C、直径大于2cm的冰雹 D、暴洪97．风暴运动是平流和传播的合成;98．风暴动力结构及风暴潜在的影响力很大程度上取决于环境的热力不稳定、风的垂直切变和水汽的垂直输送;99．局地强风暴是在特定的大气环境中发展起来的强大对流系统,环境的最重要特征是强位势不稳定和强风垂直切变;100．出现超级单体风暴的有利环境条件为：一是大气层结不稳定,二是强的风垂直切变,三是云体低层的环境风速较强;101．一般而言,对流风暴中的上升气流越强,风暴产生强烈天气的潜势就越大;根据反射率因子的三维结构,也就是说通过比较高、中、低层反射率因子的结构,可以判断其中上升气流的强弱,进而判断该对流风暴有无产生强烈天气的潜势,是属于强风暴还是非强风暴;强上升气流的反射率因子特征包括：低层强反射率因子梯度、中低层弱回波区、中高层回波悬垂;强风暴的上升速度通常超过30m/s;102．产生强降水的中尺度对流回波的多普勒速度特征是：强的风切变、强的辐合和形变、深厚的积云对流、旋转环流;103．雷暴大风的部分雷达回波特征包括：反射率因子核心不断下降、中层径向辐合MARC、低层强烈辐散;104．超级单体的低层反射率因子结构除了核心区偏向一侧,导致该侧反射率因子梯度很大外,还在风暴右后侧出现钩状回波,低层有弱回波区,中高层有悬垂回波结构,同时还有有界弱回波区的存在,回波顶位于有界弱回波区之上;105．垂直风切变是指水平风随高度的变化,垂直风切变的大小往往和形成风暴的强弱有关;106．在给定湿度、不稳定性及抬升的深厚湿对流中,垂直风切变对雷暴组织和特征的影响最大;107．在弱的垂直风切变条件下,只有一种类型的强风暴,即脉冲风暴;其特点是初始回波出现的高度较高,通常在6—9km之间,最大反射率因子超过50dBZ,有时会出现风暴顶辐散;其可能产生的强烈天气包括下击暴流、冰雹和弱龙卷.108．在地面上或地面附近形成17.9m/s以上的灾害性风的向外暴发的强下沉气流称为下击暴流,与这种灾害性天气现象紧密相关的低层回波是移动迅速、凹状的弓状回波;弓形回波是指快速移动的、凸状顺移动方向的线状回波;对于显着弓形回波来说,其前进方向的右端,气流呈反气旋式旋转;“弓形回波”是地面大风的一个很好指标;109．地面灾害性大风是对流风暴最常产生的强对流天气;直线型的地面风害主要是对流风暴内的下沉气流导致的;影响下沉气流强度的因素包括气块所受的负的热浮力、降水物的重力拖曳和气压扰动的垂直梯度;在比较大的环境垂直风切变条件下,产生地面直线型大风的系统有多单体风暴、飑线和超级单体风暴;它们的一个共同预警指标是出现中层气流辐合MARC;另外,弓形回波是一种容易产生地面大风的回波形态;110．湿下击暴流的预警指标是 B D ;A、强的垂直风切变B、云底以上的气流辐合C、悬垂回波D、反射率因子核心的下降111．在典型的组织完好的飑线中,新单体沿着回波的前沿上升,而对于孤立的超级单体风暴或多单体风暴来说,新单体形成于回波右后侧;112．飑线上最有可能形成灾害性天气的部分可以通过低层的强发射率因子梯度、中层的悬垂回波及回波顶位置从风暴核上方移到飑线前沿上方来识别; 113．在PPI上,典型的超级单体几乎都有钩状回波;114．超级单体最本质的特征是具有一个深厚持久的中气旋;115．超级单体风暴云中垂直气流基本分为两部分;前部为斜升气流 ,后部为下沉气流;116．超级单体风暴前侧V型缺口回波表明强的入流气流进入上升气流；后侧V型缺口回波表明强的下沉气流,并有可能引起破坏性大风;117．龙卷涡旋特征TVS是业务用以探测强龙卷的一种方法,TVS的定义有三种指标,切变、垂直方向伸展厚度、持续性;118．有利于F2级以上龙卷产生的环境条件是强烈的低层垂直风切变和B低的抬升凝结高度 ;A 强烈的大气不稳定B低的抬升凝结高度 C强的对流有效位能 D 较低的0℃层高度119．只要雷达观测到中气旋就可发布强天气警报,而只有观测到中等以上强度中气旋时,才能发布龙卷警报;120．强冰雹的产生与风暴上升气流的强度和尺度以及跨越上升气流的相对风暴气流有关;121．一般地说,发生大冰雹的潜势与风暴的强度直接相关,而风暴的强度取决于上升气流的尺度和强度;因此,雹暴通常与大片的强的雷达回波相连系; 122．大冰雹常常和超级单体紧密相连,它形成并降落在中气旋周围的钩状回波附近或弱回波区附近的强回波区中;123．冰雹是冰雹云的产物,多数是超级单体风暴、多单体风暴、飑线三类强风暴云中的任一种;但较强的雹灾多半是由超级单体风暴云造成;124．回波强度最大值、有界弱回波区BWER的大小、弱回波区WER的大小、垂直累积液态水含量VIL的大值都可以作为判断强降雹潜势的指标; 125．垂直累积液态水含量VIL是反射率因子的垂直累积,代表了风暴的综合强度;126．具有宽阔的弱回波区或有界弱回波区,特别是它们上方存在强反射率因子核的风暴最有利大冰雹或强降雹的发生;127．有利于冰雹生长的条件之一是运体要具有深厚的负温区,负温区指0℃～－20℃区;一般认为云内0℃层的高度在600hPa上下,-20℃高度在400hPa 等压面高度附近或以下有利于冰雹的生成;128．当45-55dbz的回波强度达到-20℃层的高度时最有可能产生冰雹129．一般来说,在产生冰雹的雹云中最大上升速度及水分累积区的高度一般在零度层以上;水分累积区的厚度不小于1.5-2.0公里;能较快增长为雹块的雹胚为过冷水冻滴;130．有利于强冰雹产生的部分环境因素包括：CAPE值较大、0℃层高度不太高、环境垂直风切变较大;131．大冰雹产生的其他指标还包括风暴顶的强辐散以及与气团有关的季节性的大垂直累积液态水量VIL;S波段雷达出现三体散射将明确表明风暴中存在大冰雹;一般0℃层高度超过4.5km降雹的可能性就非常小;132．三体散射现象是指由于雷达能量在强反射率因子区向前散射而形成的异常回波;强反射率因子区与强冰雹联系密切,这些强回波区域典型的强回波强度通常大于60dbz;133．产生三体散射TBBS的冰雹回波,类似细长的钉子状从强回波区沿径向伸展；它的径向速度很小,谱宽很大;134．通常,冰雹云的雷达回波比一般积雨云强,是由于冰雹云比积雨云的云中粒子的尺度大;135．在强对流天气临近预报预警中,A-I中最有用的4个产品为DEFH;A速度方位显示VAD、B弱回波区WER、C组合切变CS、D风暴路径信息STI、E冰雹指数HI、F中气旋M、G回波顶ET、H垂直累积液态水含量VIL、I分层组合反射率因子;136．关于回波顶描述正确的是：把强度大于等于18.3dbz的回波所在高度定义为回波顶高；雷达旁瓣回波可能导致过高估计回波顶高；雷达近距离处,由于仰角限制,可能导致低估回波顶高；产品经常出现阶梯式形状回波; 137．一般认为阵雨、雷电、冰雹、强飑、龙卷风这几种对流性天气所要求的积雨云的高度和强度,大致上是一个比一个更大;138．边界层辐合线在新一代天气雷达反射率因子图上呈现为窄带回波,强度从几个dBZ到十几个dBZ;139．垂直风廓线产品VWP对分析 B C D 是有用的;A、最大径向速度 B 、高低空急流 C 、垂直风切变 D、热力平流类型140．梅雨锋暴雨回波中,在RHI上,强回波位于O℃等温线的下部 ; 141．最常用的19号产品用途包括估计系统的强度、冰雹的潜在性和 C 风暴结构;A雷暴强度 B大风的潜在性C风暴结构 D 回波顶高142．最常用的V27号产品用途包括估计风向风速、确定水平和垂直切变和B 识别强天气系统;A 估计降水量 B 识别强天气系统 C 估计辐合辐散 D 判别上生运动强弱143．应用垂直最大回波强度显示最大产品应注意：1、应注意近距离处的回波干扰,以免把地物回波误认为最大回波强度;2、在远距离处,由于最低仰角获取的数据离地面有一定高度,所以有可能探测不到真正的最高仰角回波强度;3、由于业务工作的时间限制,一般体积扫描的反射率因子不会很大,所以在雷达周围地区不一定能探测到最大回波强度;所在位置；并说明判断理由;东乡附近有中气旋存在,在约20公里范围内存在正负速度对,速度差较大20m/s以上,持续两个体扫;144．多普勒天气雷达主要由几个部分构成每个部分的主要功能是什么答：三个子系统RDA、RPG、PUP组成1雷达数据采集子系统RDA,主要功能：产生和发射射频脉冲,接收目标物对这些脉冲的反射能量,通过数字化形成基本数据;2雷达产品生成子系统RPG由宽带通讯线路从RDA接收数字化的基本数据、对基本数据进行处理并生成各种产品、将产品通过窄带通讯线路传给用户;3主用户终端子系统PUP主要功能是获取、处理和存储接收来自RPG的产品,包括各种产品的显示及强天气的自动报警设置等;145．后向散射截面答：设有一个理想的散射体,其截面面积为σ,它能全部接收射到其上的电磁波能量,并全部均匀地向四周散射,若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度,恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度,则该理想散射体的截面面积σ就称为实际散射体的后向散射截面; 146．给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式,并说明其意义;答：Z=单位体积6 iD反射率因子的大小,反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度,常用来表示气象目标物的强度;147．零速度和零速度线答：当实际风为零时或雷达波速与实际风垂直时,径向速度为零,称为零速度；径向速度相同的点构成等速度线；由雷达径向速度为零的点组成的线称为零等速度线;148．什么是多普勒效应 WSR-88D CINRAD 测量多普勒雷达的径向速度的主。
AP04大气中的辐射
• The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light
“15 um motion”
分子光谱—举例
• N2和O2分子：对称的电荷分布，没有振 动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨 道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区。
• H2O分子的原子呈三角形分布，是极性 分子，有三种振动方式。这三种振动过 程都引起电偶极距变化，产生吸收和发 射，而转动和振动态的结合使得水汽的 吸收谱十分复杂。
5.3.2 大气吸收光谱（ CO2等）
CO2吸收主要分布在大于2m的红外区：较强中心为 2.7m、 4.3m 和15m（最重要）。
紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收 可见光波段：只有非常少量的吸收 红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。
Purely absorbing
Photon pathlength = L
With Scattering Photon pathlength >> L
L
1. 散射过程的分类
定义无量纲尺度参数
2 r
① 当α<<1时：Rayleigh散射（分子散射），如空气分子对短波辐 射的散射。
② 当0.1<α<50：Mie散射，如大气中的云滴等气溶胶粒子对短波 辐射的散射。
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是略微向地球表面弯曲的。
射线曲率、等效地球半径
射线曲率K
描述射线弯曲程度的物理量。
曲线的曲率： K d
ds
单位弧长倾角 的变化
曲率半径：通过某点的曲率圆的半径。
Rn
1 K
射线曲率、等效地球半径
射线曲率与折射指数垂直分布之间的关系
假设：大气由很多个厚度为dh的薄层构成。
K di ds
ds
超折射回波
超折射回波
超折射
区分超折射回波、普通地物回波、降水回 波
与晴空日常地物回波分布对照，区分超折射时 的地物回波；
地物回波是静止不动的，气象回波都是运动的， 所以可以参看速度图；
抬高仰角，使电磁波穿过波导层。
超折射
形成超折射的气象条件
对
N
n
1 106
A T
P
Be T
求导 得：
Rm
Rm
dn 0，知n随高度的升高而升高，根据折射定律，射线是向上 弯dh曲的，导致雷达探测的极限距离减小。
超折射
射线的绝对曲率大于地球表面的绝对曲率时产 生的折射
} 射线的绝对曲率： K dn 1 dh 地球表面的绝对曲率： Rm
dn dh
1 Rm
dn 15.7 108 m1 dh
此时，射线弯向地面，经反射后又继续向前传播，反复或多次 重复，使射线在地球表面和某一层大气之间辗转地向前传播,类 似于微波在波导管中的传播,所以又称大气波导传播。
1 Rm
1 6371103
15.7 108 m1
零折射
射线的绝对曲率等于0的折射。
K dn 0 dh
Rm' Rm
即大气的折射指数随高度没有任何变化，无大气或大气是 均质的，通常在实际大气中不会出现这种现象。
负折射
射线的绝对曲率小于0的折射
K dn 0 dh
R 'm
1
Rm Rm dn dh
射线曲率、等效地球半径
射线曲率、等效地球半径
等效地球半径R’m
由于大气折射的影响，雷达波在传播路径上会发生弯 曲（多数向下弯曲），可以使得高度h的目标物的最大 探测距离增大，但同时也不利于实际工作中的计算和 分析。为此，可以把雷达波的传播路径画成直线，然 后对地球半径进行订正。
设想地球半径变化到某数值R’m，使得R’m为半径的球
R 'm 临界折射
dn <0 dh
dn 大 dh
1 Rm dn dh <0
R 'm 0超折射
折射指数随高度变化的几种形式
五种折射的射线传播路径
标准大气
标准大气折射
从表中可知： dN 4 102 m1 dn 4 108 m1
dh
dh
K dn 4 108m1 0 向下传播 dh
地球曲率
射线曲率、等效地球半径
K
1 Rm
0
1 R 'm
R 'm
Rm
1 Rm dn dh
讨论：
dn =0 dh
R 'm =Rm 射线直线传播 零折射
dn >0 dh
R 'm Rm
负折射
dn <0 dh
dn dh
小
0<1 Rm dn dh <1
R 'm Rm
一般大气折射
dn <0 dh
dn dh
较大
1 Rm dn dh =0
折射指数与气象要素的关系
折射指数N单位
根据理论与实践结合得超短波在大气中传播时，
其折射指数和气象要素之间的关系：
N
n
1 106
A T
P
Be T
大气折射指数的实际应用单位，简称折射指数N单位。
利用探空仪实测P、T、e，即可得N值；
实际应用中，可以用微波折射计直接测得折射指数N值；也 可以事先制作好图表进行查算。
超短波在大气中的折射
➢概 述 ➢折射指数与气象要素的关系 ➢射线对雷达探测距离的影响
折射现象
折射现象：水杯中的筷子；海市蜃楼
光波或电磁波在大气中曲线传播的现象。
折射现象
折射现象的物理原因：
光波或者电磁波在不均匀介质中传播速度不均匀 而引起的。
dn 106 A dp AB de A (P 2 Be) dT
dh
T dh T 2 dh T 2
T dh
超折射回波的气象意义： 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。
大气折射指数与气象要素的关系
实际大气中折射指数的分布 N值随 P，e 的增大而增大，随T的减小而增
大；
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。也就是说N随高度 升高而减小。即：
dN 0 or dn 0
dh
dh
可见，以一定仰角发射的电磁波的传播路径一般
折射定律
电磁波速度的大小与介电常数及导磁系数有关。
折射指数： nc v
v是介质中的传播速度，小于光速c，所以n>1。
光学折射定律：
sin i v1 n2 sin r v2 n1
折射定律
注：
普通折射 指数
取决于电磁波在介 质中的衰减情况
折射指数最普遍形式是复数形式： m = n–i k
本章的研究主要考虑电磁波在大气中的传播路 径问题，不考虑衰减作用，所以只采用普通折射指 数n。
cos
dh
i
di
dh cos i
sin i
sin i di
n
dn n
di
sin idn n cosi
K sin i dn dn n dh dh
射线曲率、等效地球半径
讨论：
dn <0 dh dn >0 dh dn =0 dh
K>0 曲线向下弯曲，一般大气 K<0 曲线向上弯曲，反常大气 K=0 直线传播，均质大气
面上沿直线传播的电磁波的最大探测距离和真实地球 表面上沿折射曲线传播的电磁波的最大探测距离相同，
称这时假想的地球半径R’m为等效地球半径。
射线曲率、等效地球半径
等效地球半径R’m
在保持射线和地面间相对曲率不变的前提下，通过调 整地球曲率，使射线沿直线传播时对应的地球半径。
真实射线曲率和真实地球曲率之差＝直线传播的射 线和等效地球曲率之差
K0
1 Rm
1 B 15.7 108 m1 6371km
等效地球半径
Rm
1
Rm
Rm
dn dh
4 3
Rm
8500km
临界折射
当射线与地球表面的相对曲率等于0（即射线的绝对 曲率与地球表面的绝对曲率相同）时发生的折射。 即射线沿地球表面平行传播。
1 dn 1 K 0
Rm dh Rm
dn dh