雷达波在传播过程中的衰减.docx

雷达气象问题研究1. 研究问题：雷达波在传播过程中的衰减与哪些因素有关？2. 猜想：雷达波的衰减与大气、云、降水粒子(如雨，雪，冰雹等)3•大气气体对雷达波的衰减：气体对雷达波的散射可以忽略对2cm以上的雷达 波，吸收也可以忽略天气雷达主要测量降水，基本不考虑气体对天气雷达的衰 减但用mm波长探测时，气体的衰减要考虑吸收 雷达波的大气气体主要是水汽和氧气如右图为水汽和氧气的衰减系数与波长的关系由图 可以看出：水汽的主要吸收带：1.35cm(22.235GHz )和0.164cm(183.3GHz)氧气的主要吸收带：0.5cm(60GHz )和0.253cm(118.8GHz)此外，水汽对雷达波的衰减还与水汽密度、气压、温度等大致有一下关系：表2.2水气的(单程)衰减(dB/km)105.73.21.81.240.90.07X lO'^PM0.24X 10 3PM0.7X 1()-3PM4.3x 1O_3PM22.Ox 10 3PM9.5x 10 JPM00.08X 10_3PM0.27X 1() 3pM0.8X 10_3PM4.8X 1O~JPM23.3X lljYpM10.4X 10_3PM~200.09X10 3PM0.30X10 3PM0.9X 10_3PM5.OX 105PM24.6X 1O'3PM11.4x 10_JPM-400.10x10_3PM0.34x 10-JpMl.Ox 10~3PM5.4X 10 _3PM26.1 x 10_3PM12.6x 10_3PM表中P：大气压(hPa)。

M：水气含量(g/n?)水汽的衰减特征：a. 当水汽含量保持不变时，衰减随温度降低是缓慢增加的；b. 除了 1.35cm波长附近，其他波长处水汽吸收和气压成正比；c. 水汽吸收与水汽含量成正比 另外氧气的衰减特征：a. 温度下降，衰减逐渐增加；b. 波长在0.7〜10cm之间，吸收与压力的平方成正比2.云对雷达波的衰减：云滴：半径小于100 »m的水滴或冰晶粒子，对于常用的测雨雷达而言，满足 a=2 nr/九，即满足Rayleigh散射条件云滴的衰减截面：表2皿 不同温度*波农、粒子相态情况下的K ；值六弋波^（cm）0.91-241.83.25.010.0水200.6470,3110.1230.4830.02150.0054100.6810.4060.1790.0630.0220.005600,900.5320-2670,6860.0350.009冰08,74 xW36.35X 1旷34.36X10-32.46X IO 3-102-94X10-32.11X 10^1.4fiX10-38.19X IQ-4-202.OX1O-3l,45x 10-3l.OX 10-35-63X 10-4表中云中含水量为1g/m3128和& =3A48^2r3A2Im（-尊弓）二轧订吩呎）用+ 2 n 觀+ 2a «b Q严Qg，Qt = Qs+Qa ^Qa云的衰减系数k = 0.4343工NQ 沁 0.4343工NQtc i t i aiii8兀2=0.4343 -九工Nr 3ii= OC^ 111171Im —、m 2 + 2 丿k与云中的含水量M （单位体积内所有云质点的质量之和, tc M 3单位:g/m3 ）的关系:工Nr3i i p 4 兀00.4343$ 九M (dB/km) =Im —、m 2 + 2 丿K 1*：单位含水量的衰减系数，单位为dB/km/g/m3tck 二 K * Mtc 1a. 液态云的衰减随温度的降低而增大。

b. 由液滴组成的云的衰减随波长的增大而迅速减小对于波长较短的雷达（如3cm以下的雷达），要考虑云层的衰减作用；对于波长较长的雷达， 可忽略云层对电磁波的衰减作用；c. 冰云的衰减要比液态云的衰减小2~3个量级，原因在于冰晶的介电常数小 于水3.雨对雷达波的衰减:a. 半径大于1 OO^m的水滴；大的雨滴的半径可达0.3cm不一定满足Rayleigh散 射条件b. 对于雨滴的Q, Q和Q,除波长较长的雷达外，必须用普适球形粒子的公式计s a t算，比较复杂解决办法:第一步:先由a以简单化的Rayleigh近似公式，计算出相当的Q ；tR第二步:根据a和Q相当的，并结合Q /Q曲线，这样就可以得到相应的QtR tM tR tM雨的衰减系数的计算:对观测资料的分析表明，雨的衰减系数与降水强度I之间有如下经验关系：k二KI y降水强度I （雨强）：单位时间内降落到地面单位面积上的降水量 tr 2I g N r3v(r)dr表2・5不同雨强的滴谱分布脈直处icm）降水强度(1.251.252.512.525SO10015U0.0528.010.97.32.61.712E0KU0.1050J37.127.811 57.65.44.64.10.151&231.332.X24.518 412.58詔7.60.203.013.519.025.423.919.913.9n;70.250.74.97.917.319.920.917.113.90.S0J 53.310.112K15 618.417.70.350.6bl4.38.210.915.016.10.400.20.62,33.56-79.011.90.450,22.13.35.87.70.50IJ.6141.8303.60.55U・2O.S1.L172+20.600.20.510L 20,650.2071,00.700.3表2.6(a)雨的衰减系数K |' dB/怦|\ mm/h波 长(cm)M P分布OC修正的M-P分布0*CM-J分布O'CGunn 和 East】8上0.620.50-0.370,520.660.860.270.311.240.117/" 070.13 严小0.12J"*1.8……©.452*111.87o.oo45r°100.05/° 100.0653.210.011/® 150.0131® 150.0180.00741° ”4.670.005-0.007"0.00530.00585.50.003- 0.004"0.00310 00335.7……0.0022 卩“10.0O.D009 - 0.0007*0.000820.000920.0003*第一个数值1值为2 mm/h,第二个数值I值取50 mm/h3表際雨秦减的温度订正系数降水 强度 nttm/h遊长(cm}orI or18V3Ot：皿：0.250.50.850.95k(J1.(12L.25D.951.D0I.fl033亠21.21LIO1.0D.79t).55L0.02,011,401.(]().700.593..S0.5t>.870.^51.01.01i .m1.250.850.991,0(L920.8Q乱2[).821,(111.0D.82tk百410.02.021.101.01),70o.sy12.30.5fl.900.96I.Cl1.Q21.00L.251!.拓(h%1.0D.93().813.2?.640.881.0DTO0,7011).0Z.(!31.4(11.0DM0,5950.00.5D.940.981.0141L,O(JL,25□ .840.951.0D用亿20-620.87LO030.8J10,02.011.401.(]D.7O0.5N150 . D0.50.960,98L01411,0(11.25D.860.961.(1[).970.873.20.66CL 881J11.030.89JJJ：-2,001.40IEMN雨的衰减a. 雨的衰减系数一般与降水强度近于成正比关系；b. 雨的衰减系数在给定温度下还与波长有关系；c. 由于雨滴谱的分布和降水强度经常随时空变化，所以在雷达波束所经过的路径 上，各段的衰减情况往往不尽相同，整个雨区的总衰减：K* =^KfIdR由于衰减作用，对于同一降雨带波长较长的雷达能准确探测到，而波长较短 的却不一定。

定性结论：a.大面积小雨，3cm雷达，雨的衰减要考虑b. 大面积中雨，3cm和5cm，雨的衰减要考虑c. 大面积大雨或冰雹，3cm, 5cm和10cm均要考虑综合考虑雷达截面与波长四次方成反比，衰减和波长成反比的影响，我国雷达布网，对短时预报，东南沿海多暴雨和台风，采用10cm雷达，内陆西北5cm雷达， 人影多为3cm雪、冰雹对雷达波的衰减a. 对于干雪，在波长较短、降水强度比较大、距离较远时，干雪的衰减要考虑；b. 湿雪的衰减比干雪大的多，由于形状因子的影响，有时可以超过相同情况下 雨的衰减；c. 冰雹 衰减要考虑，衰减系数与雷达波长、雹谱分布、最大冰雹直径等有关。