第2講氣象目標(biāo)特征

氣象雷達(dá)原理與系統(tǒng)電子工程學(xué)院大氣探測學(xué)院第六章氣象雷達(dá)信號處理基礎(chǔ)（二）——?dú)庀竽繕?biāo)特征

氣象目標(biāo)散射現(xiàn)象及散射特性 后向散射截面 單個小球形粒子的散射——瑞利散射單個球形粒子的散射——米散射（Mie散射）粒子群的散射球形水滴和冰粒的散射晴空回波的散射和反射機(jī)制雷達(dá)電磁波及其傳播環(huán)境 衰減一、氣象目標(biāo)散射現(xiàn)象及散射特性氣象目標(biāo)對電磁波的散射散射現(xiàn)象：當(dāng)電磁波束遇到障礙物，或在大氣中傳播，遇到空氣介質(zhì)或云滴、雨滴等懸浮粒子時，入射電磁波會從這些介質(zhì)或粒子上向四面八方傳播開來。散射開來的電磁波稱為散射波

球形粒子對電磁波散射的物理實(shí)質(zhì)：當(dāng)交變的入射電磁波遇到直徑與波長可比擬的介質(zhì)球時，在介質(zhì)上因極化而產(chǎn)生交變復(fù)雜的電荷分布，并存在復(fù)雜的電荷梯度及電流分布，介質(zhì)球就產(chǎn)生磁效應(yīng)。交變的、復(fù)雜的電和磁的變化，可以用電和磁的多極子表示，多極子的振蕩過程，就是介質(zhì)產(chǎn)生散射波的過程?？臻g某一點(diǎn)上的散射電場，就是各階極子在該點(diǎn)產(chǎn)生的場的疊加值。障礙物——漫反射；微?！Ｗ釉谌肷潆姶挪O化下作強(qiáng)迫的多極振蕩，從而發(fā)出次波（散射波）。粒子對電磁波的散射只改變電磁波的傳播方向,不會改變能量大小.電磁波傳播中的吸收：能量——轉(zhuǎn)換為熱量，電磁波能量受到衰減散射的性質(zhì)散射特性取決于電磁波波長λ和粒子等效直徑d的比例關(guān)系。當(dāng)粒子為d<<λ的小粒子時的散射,稱為瑞利散射,當(dāng)d≈λ的大球形質(zhì)點(diǎn)的散射,稱為米散射。設(shè)有一理想的散射體，其截面為：它能全部接收射到其上的電磁波能量，并全部均勻地向四周散射，若該理想散射體返回雷達(dá)天線處的電磁波能流密度，恰好等于同距離上實(shí)際散射體返回雷達(dá)天線的電磁波能流密度，則該理想散射體的截面就稱為實(shí)際散射體的后向散射截面。

二、后向散射截面

由于實(shí)際粒子不是理想的散射體，所以粒子的后向散射截面積不等于它的幾何截面積。通常小于幾何截面積。后向散射截面與幾何截面的比值稱為標(biāo)準(zhǔn)化的后向散射截面，用表示后向散射截面常用來表示雷達(dá)觀測中向后方的散射能量，或回波強(qiáng)度。說明：假想面積描述目標(biāo)在一定入射功率下后向散射功率能力的量。該量以面積單位來描述。面積越大，后向散射能力越強(qiáng)，產(chǎn)生的回波功率也就越大。雷達(dá)目標(biāo)1目標(biāo)2雷達(dá)發(fā)射功率及天線增益相同，如果目標(biāo)的等效散射截面積不同，則后向散射強(qiáng)度不同，即目標(biāo)2的回波強(qiáng)度大于目標(biāo)1的回波強(qiáng)度

是復(fù)折射指數(shù)；n是普通的折射指數(shù)，K是吸收系數(shù)可見，Rayleigh散射時，散射截面的大小與粒子的物理性質(zhì)、粒子半徑r、波長有關(guān)。瑞利散射是對于d<<λ的小球形粒子的散射。當(dāng)滿足瑞利散射條件時，散射截面積可由下式表示：對于瑞利散射而言，a<0.13三、瑞利散射以3mm雨滴為例，不同波段的散射特性判斷X波段C波段S波段當(dāng)a>0.13時，用瑞利公式計(jì)算會產(chǎn)生誤差，a越大，瑞利散射誤差就越大。Mie散射建立了包括大，小粒子在內(nèi)的普遍的球形粒子散射理論。四、米散射（1）粒子是球形的，粒子內(nèi)外都不含自由電荷，散射粒子不是導(dǎo)電體；（2）粒子內(nèi)、外介質(zhì)是均勻各向同性的，粒子外介質(zhì)一般是空氣或真空；（3）入射電磁波隨時間作簡諧變化。米散射的條件（1）散射波是以粒子為中心的球面發(fā)散波；（2）散射波是橫波，且是橢圓偏振波；（3）散射波和入射波同頻率；（4）散射波能流密度是各向異性的；大部分能量集中在0度附近的方向上，a越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重越大。（5）散射波性質(zhì)與入射波波長λ、散射粒子半徑r、粒子及環(huán)境的物理特性等有關(guān)。

米散射的性質(zhì)粒子群散射造成的回波功率的脈動表現(xiàn)特征：在PPI顯示器上，表現(xiàn)為這種漲落使降水回波邊緣顯得模糊。雷達(dá)波長越小，波動性越大。原因：由于散射能量同時到天線處的許多降水粒子之間相對位置不斷變化，從而使各降水粒子產(chǎn)生的回波到達(dá)天線的行程差也發(fā)生不規(guī)則的變化。探測云時也有同類情況，但回波的脈動要弱。五、粒子群的散射各粒子的散射波符合疊加原理合成回波的場強(qiáng)：通過以上的分析可知，粒子群內(nèi)各粒子之間的無規(guī)則運(yùn)動，導(dǎo)致粒子群造成瞬間的回波功率脈動。粒子群散回波場強(qiáng)解析2、平均回波功率粒子群造成的回波功率對時間的平均值是較穩(wěn)定的，在數(shù)值上等于每個粒子各自產(chǎn)生的回波功率的總和。該式說明：在一個體積塊內(nèi)，N個粒子回波功率的時間平均值，等于各個粒子的回波功率的和。為了得到比較穩(wěn)定的數(shù)值，只需要對回波功率Pr進(jìn)行時間上的平均。各粒子回波功率之和六、球形水滴和冰粒的散射大氣中氣象粒子的尺寸分布——滴譜極廣，因此散射歸屬不好確定雷達(dá)回波為全部粒子散射的綜合，難于得到完全意義上的解析公式和解析解反射率（因子）與滴譜只有定性關(guān)系米散射的后向散射函數(shù)：普遍的球形粒子其中，an、bn為散射場的系數(shù)

粒子的后向散射函數(shù)以入射波能流密度Si乘上雷達(dá)截面積，得到一個散射粒子的總散射功率；當(dāng)散射粒子以這個總功率作各向同性散射時，散射到天線處的功率密度正好等于該粒子在天線處造成的實(shí)際的后向散射能流密度。因此可以從粒子的雷達(dá)截面積的大小去了解它所造成的后向散射的大小。雷達(dá)截面的意義：瑞利散射經(jīng)過距離R散射到天線處的散射能流密度為：單個球形粒子的瑞利散射截面積瑞利散射下的雷達(dá)截面計(jì)算公式雷達(dá)反射率:單位體積內(nèi)全部降水粒子的雷達(dá)截面之和。引進(jìn)反射率的概念不僅是為了考慮單位體積內(nèi)的云、雨粒子的數(shù)目，還考慮到它們的滴譜的分布造成的每個粒子回波截面積的不同。雷達(dá)發(fā)射率與反射率因子雷達(dá)觀測到的回波功率Pr的均值是一個與氣象粒子，雷達(dá)相關(guān)的物理量。不同的雷達(dá)、不同的距離上觀測出的功率不相同。因此不能簡單地通過回波功率來比較云、雨的不同。為了使不同波長的雷達(dá)所觀測到的云雨等情況可以直接比較，使觀測回波與雷達(dá)無關(guān)，引入雷達(dá)反射率因子這個量關(guān)系:反射率因子:所以，Z的大小取決于云、雨滴譜的情況，可以通過對云雨觀測求得。也可以通過雷達(dá)氣象方程求算。同時Z與D的六次方成正比，說明少數(shù)大水滴將提供散射回波功率的絕大部分。雨滴譜與Z/與a的關(guān)系

瑞利后向散射截面

與米后向散射截面云滴半徑：只有5~10um，最大也不超過50um雨滴半徑：一般都在0.25~1.5mm之間，其中以0.35~0.45mm范圍內(nèi)為最多。也有大于2mm的，但當(dāng)半徑大于3mm時水滴有時會在氣流作用下發(fā)生破裂厘米波測雨雷達(dá)對于云滴，瑞利公式完全適用C波段[5.6cm]和S波段[10cm]雷達(dá)，瑞利公式對絕大多數(shù)的雨滴也適用3.2cm波長雷達(dá)，要訂正水滴半徑在0.5~1.0mm內(nèi)時，用瑞利公式計(jì)算的雷達(dá)截面誤差不超過20%~30%滴譜與雷達(dá)散射截面衰減造成回波失真回波圖失真圖C波段X波段回波圖失真圖S波段C波段如果在散射體積內(nèi)包含大粒子或其他非瑞利散射粒子的情況下,則引入等效反射率因子概念.反射率因子Z是用瑞利散射公式推導(dǎo)出來的，只適用于小粒子探測。當(dāng)氣象雷達(dá)探測大粒子時，由于不符合瑞利條件，因此得到的數(shù)據(jù)也不能真實(shí)表示大粒子的回波強(qiáng)度。如冰雹等大粒子，此時氣象雷達(dá)方程所求出的Z不能代表真實(shí)的滴譜分布，只是一個與之對應(yīng)的等效Z值。用Ze來表示。非瑞利散射的

等效反射率因子Ze的意義：能夠產(chǎn)生同樣回波功率，與小球粒子的等效的Z的數(shù)值從而在Mie散射下，只要以Ze代替Z值，氣象雷達(dá)方程仍可保持瑞利散射的簡單形式。等效反射率因子Mie散射下的氣象雷達(dá)方程保持瑞利散射的簡單形式式中：波長單位：cm，面積單位：cm2Ze的單位：mm6/m3因此，在直接計(jì)算Ze時，1)應(yīng)先測定實(shí)際粒子的滴譜2)再計(jì)算雷達(dá)截面積(由瑞利散射公式算，及比較圖表計(jì)算)3)再計(jì)算Ze.Ze小雨:中雨:雷暴雨:冰雹、龍卷：瑞利散射區(qū):冰粒滿足的瑞利散射的半徑可以比水滴大水滴散射是同半徑冰粒散射的五倍當(dāng)時，雷達(dá)截面比粒子幾何截面要小得多。但雷達(dá)截面與粒子直徑按關(guān)系增大米散射區(qū):a=0.1~1時，雷達(dá)截面積近似于幾何截面，但隨比值增大，呈現(xiàn)振蕩變化。大冰球粒子的雷達(dá)截面甚至比同體積水球大10倍,大冰雹時回波特別強(qiáng)球形干冰粒對雷達(dá)波的散射雷達(dá)在大氣中的無云區(qū),或在由不可能被探測到的很小的粒子所組成的云區(qū)內(nèi)探測到的回波稱為晴空回波PPI和RHI上呈現(xiàn)的回波有兩大類:一類是點(diǎn)狀回波,鳥或昆蟲造成一類是層狀回波,不接地的薄而弱的回波大氣中存在折射指數(shù)不均的區(qū)域,湍流大氣造成的散射分層大氣中存在折射指數(shù)垂直梯度很大的區(qū)域.形成的鏡式反射七、晴空回波的散射和反射機(jī)制大氣湍流是大氣中的一種重要運(yùn)動形式，它的存在使大氣中的動量、熱量、水氣和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強(qiáng)，遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動的交換強(qiáng)度。大氣湍流的存在同時對光波、聲波和電磁波在大氣中的傳播產(chǎn)生一定的干擾作用。

湍流大氣對雷達(dá)波的散射在大氣運(yùn)動過程中，在其平均風(fēng)速和風(fēng)向上疊加的各種尺度的無規(guī)則漲落。這種現(xiàn)象同時在溫度、濕度以及其他要素上表現(xiàn)出來。大氣湍流最常發(fā)生的3個區(qū)域是：

①大氣底層的邊界層內(nèi)。

②對流云的云體內(nèi)部。

③大氣對流層上部的西風(fēng)急流區(qū)內(nèi)。

大氣湍流產(chǎn)生的條件理論研究認(rèn)為:大氣湍流運(yùn)動是由各種尺度的渦旋連續(xù)分布疊加而成。其中大尺度渦旋的能量來自平均運(yùn)動的動量和浮力對流的能量；中間尺度的渦旋能量，則保持著從上一級大渦旋往下一級小渦旋傳送能量的關(guān)系；在渦旋尺度更小的范圍里，能量的損耗起到了主要的作用，因而湍流渦旋具有一定的最小尺度。在大氣邊界層內(nèi)，可觀測分析到最大尺度渦旋約為1千米到數(shù)百米；而最小尺度約為1毫米。

不同尺度的湍流塊相當(dāng)于具有不同間距的空間衍射光柵，而不同間距的衍射光柵對于不同的散射角上的散射能量有明顯的貢獻(xiàn)，也即恰巧可以在該方向上形成衍射的“亮點(diǎn)”湍流大氣對雷達(dá)波的反射率:

Cn:大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù).L0是湍流外尺度；M是水平折射率的垂直梯度；a為一無量綱常數(shù)(page115)電磁波的輻射在空間的分區(qū)為:近區(qū)場,費(fèi)涅爾區(qū)(中區(qū)場),夫瑯和費(fèi)區(qū)(遠(yuǎn)區(qū)場).雷達(dá)工作在遠(yuǎn)區(qū).前兩個區(qū)由于距發(fā)射源距離太近,呈現(xiàn)明顯的波動性,具有感應(yīng)場的特點(diǎn).而第三區(qū)則呈現(xiàn)輻射場的特點(diǎn),電磁波在該區(qū)可具有光的直線傳播特性.當(dāng)大氣中折射率水平分布比較均勻，而垂直方向存在很大梯度結(jié)構(gòu)時，會引起雷達(dá)波的反射，這種反射稱為費(fèi)涅爾反射，也稱作部分反射或鏡式反射分層大氣的鏡式反射對于兩側(cè)具有一定差值的過渡層而言，層越薄，或者波長越長，反射系數(shù)也就越大,反射特性表現(xiàn)越強(qiáng).波長越短,反射系數(shù)越小,反射特性表現(xiàn)越弱所以對該特征的探測,適應(yīng)較長的波長,通常微波天氣雷達(dá)由于波長短,難以探測到該機(jī)制產(chǎn)生的回波.八、雷達(dá)電磁波及其傳播環(huán)境反射折射標(biāo)準(zhǔn)折射臨界折射超折射無折射負(fù)折射電磁波的反射電磁波在大氣中傳播，若遇到大的物體，如山、建筑物、飛機(jī)和海浪等或大氣結(jié)構(gòu)發(fā)生突變(即存在大氣折射率的突變層時)都會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。反射現(xiàn)象也會造成回波，常見的有地物回波、海浪回波及窄帶回波等。由于大氣密度的不同，導(dǎo)致大氣中折射指數(shù)分布不勻性，會產(chǎn)生電磁波的折射，使電磁波的傳播路徑彎曲。電磁波的折射對雷達(dá)的探測帶來嚴(yán)重影響。電磁波在大氣中的折射折射指數(shù)n1,n2為折射指數(shù)，它等于電磁波在真空中的傳播速度c與電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v的比值：大氣折射大氣折射n(h)：高度h上的大氣折射指數(shù)T(h)、P(h)、Pw(h)分別為這一高度上的氣溫、氣壓和水汽壓電磁波曲率K與折射指數(shù)隨高度的變化率之間的關(guān)系等效地球半徑由于電磁波的傳播路徑,地球表面都是彎曲的,為了對雷達(dá)波束路徑作直線處理,必須合理處理地球曲率,才能使波束路徑與地面的相對位置不變,地球真實(shí)曲率如果把Km當(dāng)作地球曲率,雷達(dá)波束就可以看成是直線傳播.此時導(dǎo)出的半徑稱為地球等效半徑.在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，為實(shí)際地球半徑的4/3倍。 此時，波束路徑向下彎曲，這種折射稱標(biāo)準(zhǔn)大氣折射，亦稱為正常折射。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射時，曲率半徑為25000km，約4倍于地球的半徑。標(biāo)準(zhǔn)大氣折射時可能使最大探測距離增大了16％。

標(biāo)準(zhǔn)大氣折射臨界折射

當(dāng)波束路徑的曲率與地球表面的曲率相同時，即波束傳播路徑與地表面平行，則稱為臨界折射。等效地球半徑→

當(dāng)波束路徑的曲率大于地球表面的曲率時，即雷達(dá)波束在傳播過程中將碰到地面，經(jīng)地面反射后繼續(xù)向前傳播，然后，再彎曲到地面，再經(jīng)地面反射，重復(fù)多次，雷達(dá)波束在地面和某層大氣之間，依靠地面的反射向前傳播，與波導(dǎo)管中的微波傳播相似，故稱大氣波導(dǎo)傳播，又稱超折射。等效地球半徑

超折射超折射的回波特征雷達(dá)回波顯示中，地物回波顯著增多，增強(qiáng)。平顯上，超折射回波常常是一些呈幅軸狀排列的短線。強(qiáng)度大時可以連成片。超折射回波常出現(xiàn)在某些方位和距離上，這是由于在同樣的天氣背景下，那里的局地條件更有利于形成超折射的緣故。在高顯上，超折射回波與地物回波相似，呈短而窄的柱狀，兩頭拔尖，高度較低。在大氣層中，形成超折射的氣層通常只是近地面很薄的氣層（100-1000m），所以適當(dāng)提高仰角，雷達(dá)波能穿透超折射層，超折射回波大大減少。超折射是因?yàn)榇髿庵姓凵渲笖?shù)n隨高度迅速減小造成。折射指數(shù)隨高度迅速減小，必須是氣溫向上遞增，同時水汽壓向上迅速遞減，也就是常說暖干蓋的大氣層結(jié)。因此有人把早上雷達(dá)探測到超折射回波，作為午后可能發(fā)生強(qiáng)對流天氣或晴天兩種截然不同天氣的一個指標(biāo)

超折射形成的氣象條件超折射回波

當(dāng)大氣狀況為超折射時，在雷達(dá)回波上會出現(xiàn)平常探測不到的遠(yuǎn)距離地物回波—超折射回波。在平顯上，超折射回波常常是一些呈輻輳狀排列的短線。當(dāng)超折射回波強(qiáng)度較大時，這些短線的回波互相彌合成片狀。有時，回波的分布與地形地物十分的一致，顯示出平時看不到的山脈、河流。超折射回波常出現(xiàn)在某些方位和距離上，這是由于在同樣的天氣背景下，那里的局地條件更有利于形成超折射的緣故。在高顯上，超折射回波與通常的地物回波相似，呈短而窄的柱狀，兩頭發(fā)尖，高度較低，只是數(shù)量更多些，排列更緊密些。根據(jù)這些特點(diǎn)，就可以在顯示器上區(qū)別降水回波和超折射回波。春夏之季，雨過晴夜，上干下濕的輻射逆溫易出現(xiàn)。地物回波異常增多，米粒狀，輻輳狀。無折射

如果雷達(dá)波束沿直線傳播，無折射現(xiàn)象，又可稱為零折射。這時K=0，Rm=Re，大氣是均質(zhì)的。在一般情況下，大氣不會出現(xiàn)這種情況

負(fù)折射

如果雷達(dá)波束不是向下彎曲，而是向上彎曲，出現(xiàn)這種折射時，稱為負(fù)折射。這時的K<0，等效地球半徑<實(shí)際的地球半徑。這種折射現(xiàn)象在大氣中有時可能出現(xiàn)。當(dāng)暖濕氣流沿冷鋒面上爬時，可能造成，即(干絕熱遞減率)時，可使K<0。

這時，正常折射時能觀測到的目標(biāo)觀測不到了。

九、衰減 衰減對氣象雷達(dá)信號的不利影響：一是由于衰減的存在，同一方向上遠(yuǎn)處降雨的后向散射能量的定量測量比近處要難得多。二是如果傳輸通路上的衰減太大，則強(qiáng)吸收區(qū)域后面的降雨單元來的信號有可能被完全衰減掉。部分氣象雷達(dá)需要測定傳播路徑上的衰減大小，從而可以通過算法修正來檢測出遠(yuǎn)目標(biāo)的真實(shí)回波強(qiáng)度。水汽主要的吸收帶，水汽對雷達(dá)波的衰減還與水氣密度、氣壓、溫度等大致有如下關(guān)系：水汽在1.17cm~1.53cm范圍內(nèi)對電磁波的吸收最強(qiáng)，在0.2cm處也是一個強(qiáng)吸收帶。標(biāo)準(zhǔn)大氣衰減010010-110-210