雷达气象学课件：第三章雷达气象方程

第4章 雷达气象方程1 了解雷达天线辐射特征等概念2 理解单个粒子的雷达气象方程和云降水的雷达气象方程3 掌握雷达反射率因子及其意义，理解与粒子的大小形状的关系4 理解雷达资料的衰减订正意义和方法5 理解 Z-I 关系及在降水定量测量中的应用一、了解雷达天线辐射特征等概念1、各向同性发射天线：偶极子天线发射功率P t ，距离R 处能流密度为：2、定向发射天线：抛物面天线（1）在轴向辐射最强，以天线轴向为极轴，定义极角θ，方位角ϕ记（θ ，ϕ）方向能流密度为S(θ ，ϕ) ,在θ=0处，S(θ ，ϕ)=S max 显然，1S ) , S(0max≤≤ϕθ （2）定义：能流（功率）方向性函数 F ),(ϕθ= (3)天线增益G: 定向天线与全向天线的比较定义 G=则(4) 波束宽度：角宽度(a) 理想波束为平行光束（如理想抛物面天线发出的），其波束宽度为0°（但波束可以很粗）(b) 实际：当2),(max S S =ϕθ亦即21),(=ϕθF 时的极角称为波束的半功率点半宽度（HPHW ）。

在水平方向上（0=ϕ°）的波束宽度，记为α。

24t av P S R π=max (,)S S θφmaxav S S t 2P S( , ) (,)4R GF θφθφπ=在垂直方向上（90=ϕ°）波束宽度，记为β。

3、接收天线(1)A e : 记天线口面法方向上，目标物后向散射能流密度为S(π)，则接收功率为P r ≡ S(π)A e(2)若来自（ϕθ,）方向的能流密度在天线口面处为),(ϕθS ，则),(),(ϕθϕθF A S P e r =(3)若来自（ϕθ,）方向的强度为I （ϕθ,），则Ω=⎰⎰Ωd F I P re )A ,(),(ϕθϕθ4、 有效照射体积V e ：处于V e 内的所有目标物，虽然接收到入射波的时间可以不同，但可以把所散射能量同时传到天线。

该体积的形状和大小由天线波束形状和雷达波脉冲长度τ决定。

前言1) 按遥感方式划分，天气雷达属于主动遥感设备或有源遥感设备。

2) 我国目前已经布网了160多部新一代多普勒天气雷达。

按波长划分，已布网的新一代多普勒天气雷达有S 波段和C 波段两种类型，S 波段雷达部署在大江大河流域及沿海地区，C 波段雷达部署在东北、西北、西南等内陆地区。

3) 天气雷达起源于军事雷达，最早出现天气雷达是模拟天气雷达。

4) 天气雷达最常用的扫描方式有PPI 扫描、RHI 扫描和VOL 体扫描。

5) S 波段天气雷达波长在10cm 左右；C 波段天气雷达波长在5CM 左右；X 波段天气雷达波长在3cm 左右第1章散射1) 散射是雷达探测大气的基础，大气中引起雷达波散射的主要物质有大气介质、云和降水粒子。

2) 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就是散射波。

3) 什么是瑞利散射及瑞利散射的特点？当 α <0.13时，发生瑞利散射当 α >0.13时，发生米散射当θ = 0º 或 180º 时.表明粒子的前向和后向散射为最大;当θ = 90º 或 270º 时.表明粒子没有侧向散射。

若θ = 0º 或 180º，则表明其在 Y-O-Z 平面内各向同性散射。

4) 什么是米散射及米散射的特点？散射波的能流密度是各向异性的，大部分散射能量集中在θ = 0º 附近的向前方向上，且α 值越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重越大；2rD ππαλλ==其中λ 为雷达波长， r 为粒子半径， D 为粒子直径5) 雷达截面也称作后向散射截面，它的大小反映了粒子的后向散射能力的大小，雷达截面越大，粒子的后向散射能力越强。

6) 什么是雷达反射率η？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。

7) 相关研究表明，对于小冰球粒子，其雷达截面要比同体积小水球的小很多；对于大冰球粒子，其雷达截面要比同体积大水球的大很多；8) 晴空回波产生的原因是什么？湍流大气（折射指数不均匀）对雷达波的散射作用；大气对雷达波的镜式反射（大气中折射指数的垂直梯度很大）。

(1


0
)


Re[Rn' u (1 R'' r ( 0
)] )

(1 0 )rms


{Re[Rn' u (1)]}rms R''r(0 )


2 2

N0
1/ 2
f
2

f

2
df

PPT课件
5
2 2 f 2 f 2 df


2
t ' (t)a 2 (t)dt


2
T /2
t(2kt)dt
T / 2
2kT2

2
[a(t)] dt
T /2
dt T / 2
3
例2： u(t) rect ( t )e jkt
T
t T
(t) kt ' (t ) k

0
单载频矩形脉冲信号： t rect t
T
2 2 f 2 f 2 df
0 2

f 2 df

2 2

f
2
sin f t
2
df

f t

sin f t 2 df

f t
PPT课件
6
2 2
2、运动点目标
sr
(t)

[t

(t)]e
j 2f0 [t (t )]
PPT课件
R(t) R0 vt
2
经过推导有：
Sr (t)

高仰角时、不同距离圈径向速度分量代表了不同高度上径向速度 分量值。从根本垂直廓线形态特征．可以判断高空温度平流：风向 随高度顺时针旋转〔呈s型〕时有暖平流；而风向随高度逆时针旋转 〔呈反s型〕时那么有冷平流
高仰角的多普勒径向速度场 〔a〕暖平流(顺转)南京 (b)冷平流(逆转)
(二)锋面和切变线系统
在测站东南，多 普勒径向速度零值出 现在测站的南半边中， 锋前风向随高度作顺 时针转变〔Ｓ形〕， 风速随高度增加。而 锋后风向随高度作时 针转变〔反S〕，风速 随高度增加。
暖锋或暖切变的识别
暖切变的多普勒径向速度场
(a)暖切变位于测站以南 (b)暖切变位于测站以北
暖切变多普勒径向速度场分布特征
(1)多普勒径内速度分布大体具有对称性，东北和北方 为远离区，西南方为朝向区
当风速随高度保持不变时，各种颜色的多普勒速度带都收敛 于显示区的中心〔即雷达所在处〕。多普勒速度零值带的曲率 说明了风向随高度的变化。
风向随高度逆转风产生一个反型S的零值带
风向随高度顺转风产生一个S型的零值带
当风向随高度先顺转后逆转时，S 型带随雷达距离的增加〔高 度增加〕而转变为反S带。
风向随高度顺转
风向假设在所有高度上保持一致，那么多普勒速度图象总有一条 直的零值带，图象的其他局部就反映了风速的垂直廓线。
风速假设不随高度变化，是个非零常数，那么多普勒速度的极值便 由显示区边缘向内延伸到中心雷达位置〔地面〕，因此，表示所有 其他多普勒速度值的颜色必须收敛于中心点.
当地面风速小于最大〔但仍大于零〕时，那么相应于小于或等于地 面风速值的风速的颜色那么会聚在图象的中心，那些相应与较大速 度的颜色那么向中心会聚但并不到达中心。当地面风速为零时，只 有相应与零值速度的颜色穿过中心。