雷達(dá)波在傳播過(guò)程中衰減

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1、雷達(dá)氣象問(wèn)題研究1.研究問(wèn)題：雷達(dá)波在傳播過(guò)程中的衰減與哪些因素有關(guān)？2.猜想：雷達(dá)波的衰減與大氣、云、降水粒子（如雨，雪，冰雹等）。3.大氣氣體對(duì)雷達(dá)波的衰減：氣體對(duì)雷達(dá)波的散射可以忽略。對(duì)2cm以上的雷達(dá)波，吸收也可以忽略。天氣雷達(dá)主要測(cè)量降水，基本不考慮氣體對(duì)天氣雷達(dá)的衰減。但用mm波長(zhǎng)探測(cè)時(shí)，氣體的衰減要考慮。吸收雷達(dá)波的大氣氣體主要是水汽和氧氣。如右圖為水汽和氧氣的衰減系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系。由圖可以看出：水汽的主要吸收帶：1.35cm(22.235GHz)和0.164cm(183.3GHz)氧氣的主要吸收帶：0.5cm(60GHz)和0.253c

2、m(118.8GHz)此外，水汽對(duì)雷達(dá)波的衰減還與水汽密度、氣壓、溫度等大致有一下關(guān)系：水汽的衰減特征：a.當(dāng)水汽含量保持不變時(shí)，衰減隨溫度降低是緩慢增加的；b.除了1.35cm波長(zhǎng)附近，其他波長(zhǎng)處水汽吸收和氣壓成正比；c.水汽吸收與水汽含量成正比。另外氧氣的衰減特征：a.溫度下降，衰減逐漸增加；b.波長(zhǎng)在0.7~10cm之間，吸收與壓力的平方成正比。2.云對(duì)雷達(dá)波的衰減：云滴：半徑小于100μm的水滴或冰晶粒子，對(duì)于常用的測(cè)雨雷達(dá)而言，滿足α=2πr/λ，即滿足Rayleigh散射條件。云滴的衰減截面：云的衰減系數(shù)ktc與云中的含水量M（單位體積內(nèi)所

3、有云質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量之和，單位:g/m3）的關(guān)系：TTK1*：?jiǎn)挝缓康乃p系數(shù)，單位為dB/km/g/m3表中云中含水量為1g/m3a.液態(tài)云的衰減隨溫度的降低而增大。b.由液滴組成的云的衰減隨波長(zhǎng)的增大而迅速減小。對(duì)于波長(zhǎng)較短的雷達(dá)（如3cm以下的雷達(dá)），要考慮云層的衰減作用；對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的雷達(dá)，可忽略云層對(duì)電磁波的衰減作用；c.冰云的衰減要比液態(tài)云的衰減小2~3個(gè)量級(jí)，原因在于冰晶的介電常數(shù)小于水。3.雨對(duì)雷達(dá)波的衰減:a.半徑大于100μm的水滴；大的雨滴的半徑可達(dá)0.3cm。不一定滿足Rayleigh散射條件。b.對(duì)于雨滴的Qs，Qa和Qt，除波

4、長(zhǎng)較長(zhǎng)的雷達(dá)外，必須用普適球形粒子的公式計(jì)算，比較復(fù)雜。解決辦法:第一步:先由α以簡(jiǎn)單化的Rayleigh近似公式，計(jì)算出相當(dāng)?shù)腝tR；第二步:根據(jù)α和QtR相當(dāng)?shù)模⒔Y(jié)合QtM/QtR曲線，這樣就可以得到相應(yīng)的QtM。雨的衰減系數(shù)的計(jì)算:對(duì)觀測(cè)資料的分析表明，雨的衰減系數(shù)與降水強(qiáng)度I之間有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：降水強(qiáng)度I（雨強(qiáng)）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)降落到地面單位面積上的降水量。雨的衰減a.雨的衰減系數(shù)一般與降水強(qiáng)度近于成正比關(guān)系；b.雨的衰減系數(shù)在給定溫度下還與波長(zhǎng)有關(guān)系；c.由于雨滴譜的分布和降水強(qiáng)度經(jīng)常隨時(shí)空變化，所以在雷達(dá)波束所經(jīng)過(guò)的路徑上，各段的衰減情況往往

5、不盡相同，整個(gè)雨區(qū)的總衰減:由于衰減作用，對(duì)于同一降雨帶波長(zhǎng)較長(zhǎng)的雷達(dá)能準(zhǔn)確探測(cè)到，而波長(zhǎng)較短的卻不一定。定性結(jié)論：a.大面積小雨，3cm雷達(dá)，雨的衰減要考慮。b.大面積中雨，3cm和5cm，雨的衰減要考慮。c.大面積大雨或冰雹，3cm，5cm和10cm均要考慮。綜合考慮雷達(dá)截面與波長(zhǎng)四次方成反比，衰減和波長(zhǎng)成反比的影響，我國(guó)雷達(dá)布網(wǎng)，對(duì)短時(shí)預(yù)報(bào)，東南沿海多暴雨和臺(tái)風(fēng)，采用10cm雷達(dá)，內(nèi)陸西北5cm雷達(dá)，人影多為3cm。雪、冰雹對(duì)雷達(dá)波的衰減a.對(duì)于干雪，在波長(zhǎng)較短、降水強(qiáng)度比較大、距離較遠(yuǎn)時(shí)，干雪的衰減要考慮；b.濕雪的衰減比干雪大的多，由于形狀因

6、子的影響，有時(shí)可以超過(guò)相同情況下雨的衰減；c.冰雹衰減要考慮，衰減系數(shù)與雷達(dá)波長(zhǎng)、雹譜分布、最大冰雹直徑等有關(guān)。