雷达探测大气的基础知识衰减课件.ppt

1、电子版（第二版）电子版（第二版）第二章 雷达探测大气的 基础知识2.1 散射2.2 衰减2.3 折射2.4 雷达的探测能力衰减：就是吸收和散射两种作用的总和衰减物：大气、云、降水粒子2.2 衰减关于衰减关于衰减（1）衰减衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象。（2）造成衰减的物理原因造成衰减的物理原因：是因为当电磁波投射到气体分子或云、降水粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其它形式的能量，从而使电磁波波能量沿传播路径减弱。（3）考虑衰减的意义考虑衰减的意义：由于衰减，使回波图像、定量测量情况与实际情况之间出现偏差，造成回波的失真。了解衰减对雷达探测的影响，对于正确使用回波

2、资料是十分重要的。衰减的物衰减的物理原因：理原因：一是一是散射散射二是二是吸收吸收1 1 概述概述衰减的一般规律和衰减系数 没有考虑大气、没有考虑大气、云、降水等衰减时的云、降水等衰减时的平均回波功率。平均回波功率。考虑大气、云、考虑大气、云、降水等衰减时的平降水等衰减时的平均回波功率。均回波功率。衰减因衰减因子子0rrPPK衰减的一般规律衰减的一般规律考虑一小段距离考虑一小段距离dRdR上的衰减：上的衰减：接收功率接收功率的减少值的减少值实际接收实际接收功率功率衰减系数衰减系数物理意义：由于衰减作用，单位接收功率在物理意义：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。大气

3、中往返单位距离时所衰减掉的能量。衰减系数定义衰减系数定义：2rrLdPk P dR 2rLrdPkPdR 衰减因子衰减因子K K和衰减系数和衰减系数k kL L之间的关系之间的关系总衰减系数总衰减系数分贝：分贝：衰减系数衰减系数接收功率的衰减接收功率的衰减0rrPPK020RLkdRrrPPe02RLkdRKe0010lg24.343RrLrPk dRP 4.343Lkk0010lg2RrrPkdRP 1长度分贝距离总衰减系数衰减的一般规律有衰减的一般规律有0rrPPK00 2010RkdRrrPP.0210RkdRKgcpkkkk0010lg2()RrgcprPkkkdRP 雷达波的衰减概述

4、雷达波的衰减概述 气体对雷达波的衰减主要是吸收作用，散射可以忽略不计 云、雨滴的衰减，则既有散射，也有吸收，大小与雷达波的波长有关云、降水粒子造成衰减的一般论述云、降水粒子造成衰减的一般论述 吸收截面、散射截面和衰减截面意义？意义？标准化截面：标准化截面：将以上截面被粒子的几何截面去除所将以上截面被粒子的几何截面去除所得的值。例如得的值。例如标准化衰减截面：aaissiasttasiiPQSPQSPPPQQQSS2tQr从电磁场理论从电磁场理论 吸收截面 散射截面 衰减截面 可表示为：212221Re(21)()2(21)()2ttnnnissnnniaatsiPQnabSPQnabSPQQQ

5、S 云、降水粒子的衰减系数云、降水粒子的衰减系数电磁波传播一个距离元电磁波传播一个距离元dRdR，具有相同吸收功率的粒子，具有相同吸收功率的粒子电磁波传播一个距离元电磁波传播一个距离元dRdR，具有不同吸收功率的粒子，具有不同吸收功率的粒子电磁波传播一段距离电磁波传播一段距离R R，具有不同吸收功率的粒子，具有不同吸收功率的粒子iiiadSN P dR iiiaidSN Q dRS iiiaiidSN Q dRS 00lniRiiaiiSN Q dRS 0010lg4.343iRiiaiiSN Q dRS n吸收系数吸收系数n散射系数散射系数n衰减系数衰减系数云或降水粒子吸收造成的单位距离上电

6、磁波能流密度损失的分贝数云或降水粒子吸收造成的单位距离上电磁波能流密度损失的分贝数云或降水粒子散射造成的单位距离上电磁波能流密度损失的分贝数云或降水粒子散射造成的单位距离上电磁波能流密度损失的分贝数云或降水粒子散射和吸收造成的单位距离上电磁波能流密度损失的云或降水粒子散射和吸收造成的单位距离上电磁波能流密度损失的分贝数分贝数衰减系数衰减系数010 lg0.4343iiaiaiiSkN QS 010 lg0.4343iisisiiSkN QS 0.4343()0.4343iiitasiasiitikkkN QQN Q吸收截面、散射截面和衰减截面计算公式吸收截面、散射截面和衰减截面计算公式衰减后的

7、回波功率 0.4343()0.4343iiitasiasiitikkkN QQN Q0210RkdRK0rrPPK2 2 大气气体对雷达波的衰减大气气体对雷达波的衰减 对2cm以上的雷达波所造成的衰减，一般可忽略 对波长在1cm附近或当探测距离较远时，这种衰减仍必须考虑。吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气。水汽和氧气的衰减系数与波长的关系水汽和氧气的衰减系数与波长的关系37.75g m3 3 云对雷达波的衰减云对雷达波的衰减云滴：半径小于100m的水滴或水晶粒子计算云滴的计算云滴的吸收截面、散射截面和衰减截面吸收截面、散射截面和衰减截面：瑞利近似瑞利近似2256222642223222322

8、232223221281213232811ImIm22811ImIm22satarmmQmmrmmQmmrmmQQmm瑞利近似下云的衰减系数瑞利近似下云的衰减系数云滴谱云滴谱引入云中含水量引入云中含水量云中云中含水量含水量22320.43430.434381 0.4343Im2iitcitiaiii iikN QN QmN rm3034i iiMN r22610.4343Im 2tcmkMdB kmm*1tckK M云的衰减系数云的衰减系数k ktc与波长、温度以及粒子相态的关系与波长、温度以及粒子相态的关系不同温度、波长、粒子相态情况下的 值*1K4 4 雨对雷达波的衰减雨对雷达波的衰减雨滴

9、是指半径大于100m的水滴。雨滴的衰减截面雨滴的衰减截面Q Qt t的计算：的计算：用普遍关系式计算用瑞利近似式与普遍的米式公式的关系雨滴直径为0.1cm，雷达波长为10cm，0.03雨滴直径为0.1cm，雷达波长为3cm，0.1t()Q()tQ 米雷水球的 与 值的关系(Gunn等，1954)tQ()Q()t米瑞利雨的衰减系数雨的衰减系数k ktrtr与雨强与雨强I I之间的关系之间的关系计算雨的衰减系数计算雨的衰减系数k kt t：雨滴谱雨滴谱 利用普遍关系或利用瑞利用普遍关系或利用瑞利近似，但不能像云滴那样利近似，但不能像云滴那样用含水量用含水量实际观测发现，雨的衰减系数实际观测发现，雨

10、的衰减系数k ktrtr与雨强与雨强I I之间之间：单位降水强度单位降水强度 I I1mm1mmh h 时的哀减系数时的哀减系数0.4343 ()ititikN QdB km2trkK I12KK I trkK I 的确定的确定关键是雨滴谱关键是雨滴谱K21Re2120.4343 ittnnnititiPQnabSkN QdB km tk304()3rIN r v r drIK雨滴衰减的观测与计算雨滴衰减的观测与计算中国气象局气象科学研究院大气探测研究所和北束市气象台、1975年夏 利用雷达方程对利用雷达方程对3cm3cm和和10 cm10 cm波长的雷达在考虑雨的波长的雷达在考虑雨的衰减后计

11、算的回波强度分布图：衰减后计算的回波强度分布图：由于衰减，雷达所显示的降水回波将小于实际由于衰减，雷达所显示的降水回波将小于实际的降水区，尤其是在降水区远离雷达的一侧。的降水区，尤其是在降水区远离雷达的一侧。5 5 雪对雷达波的衰减雪对雷达波的衰减干雪的衰减湿雪的衰减6 6 冰雹对雷达波的衰减冰雹对雷达波的衰减 冰雹的形状及组成情况比较复杂，因此，对冰雹衰冰雹的形状及组成情况比较复杂，因此，对冰雹衰减的理论研究比较困难，冰雹衰减的实际定量测量工作减的理论研究比较困难，冰雹衰减的实际定量测量工作目前做得也不多。目前做得也不多。一、大球形粒子的衰减一、大球形粒子的衰减l大球形粒子完全由液态水组成大

12、球形粒子完全由液态水组成l大的球形冰球大的球形冰球l冰水混合组成的球形粒子冰水混合组成的球形粒子l外包水膜的湿冰球外包水膜的湿冰球tttsssaaattssaa海绵冰球的标准化吸收截面、散射截面和衰减截面（Battan等，1962年）3.21cm2()tQ cm10.0cm23()tNQ cm m3.21cm10.0cm 二、冰雹的衰减系数二、冰雹的衰减系数k kthth 如果知道冰球的组成情况、折射指数、如果知道冰球的组成情况、折射指数、粒子大小分布，则可以应用：粒子大小分布，则可以应用：会有误差，原因是冰雹形状与球形相差会有误差，原因是冰雹形状与球形相差较大以及冰雹的组成情况和复折射指数容较大以及冰雹的组成情况和复折射指数容易发生变化。易发生变化。0.4343 ititikN QdB km冰雹衰减的观测冰雹衰减的观测