[科普中国]-雷达气象学

定义

雷达气象学是由于气象雷达的发展和广泛应用而形成的一门新的气象学分支。雷达发明于第二次世界大战前夕，当时主要用来测定军事目标的位置。后来在探测过程中发现云、雨等气象目标也能产生回波，因此从20世纪40年代开始，人们开始用雷达来探测和研究气象目标。雷达气象学也就应运而生。

内容天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁波脉冲遇到降水物质（雨滴、雪花和冰雹等）时，大部分能量会继续前进，而一小部分能量被降水物质向四面八方散射，其中后向散射能最返回到雷达天线，被雷达接收形成雷达回波。根据雷达回波的特征可以判别降水强弱、有无冰雹、龙卷和大风等。新一代多普勒天气雷达除了测量回波强度外，还可以测量目标物沿雷达径向的运动速度（称为径向速度）和速度谱宽（速度脉动程度的度位）。雷达最终给出的径向速度是平均径向速度，而相应的标准差称为谱宽。通常采用几十对脉冲的统计得到平均径向速度和相应的谱宽。

雷达气象学的主要内容包括三部分：基础理论方面包括云和降水粒子对雷达波的散射（见云和降水粒子的微波散射）；微波经过大气、云和降水粒子时的衰减（见云和降水中的微波衰减）；气象条件对雷达波传播的影响，如大气折射、大气不均匀结构的散射等（见无线电波在对流层中的折射、电磁波在湍流大气中的传播）。应用方面包括雷达测量降水和云中的含水量；天气系统（特别是中小尺度系统）的雷达回波在天气分析预报上的应用（见气象雷达回波），在云和降水物理探测研究上的应用（见微波大气遥感）；多普勒雷达和各种波长的新型雷达在风的水平结构和铅直结构、铅直气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等的探测研究中的应用（见气象多普勒雷达、调频连续波雷达）。技术方面包括各种气象雷达资料的处理和传输等。3

研究历史20世纪40年代雷达开始用于降水天气过程的探测，这一时期主要是建立雷达气象学的理论基础的阶段；50年代是从定性研究转入定量研究的阶段，其中包括定量测雨和定量显示反射率，以及对雷达信号脉动、偏振等现象的研究。50年代后期和60年代初期，许多国家建立了天气雷达站网，促进了雷达气象学的进一步发展。60年代及其以后，雷达气象学在多方面得到了新的发展：气象雷达方程精度的改进；晴空回波在理论研究和探测技术上得到新的进展，由湍流不均匀介质散射理论，给出了散射强度和湍流结构的关系，为大气结构、晴空湍流、大气波动、热对流、大气风场、铅直气流速度等的探测和研究，开辟了新的途径。同时，气象雷达在资料的实时处理和观测结果的传输方面也取得了很大进展，并出现了定量探测的数字天气雷达网。近20年来最突出的发展是，气象多普勒雷达在大气遥感探测和研究工作中的应用，如探测降水云内和晴空大气中水平风场和铅直风场、降水滴谱和大气湍流等。多普勒雷达还为龙卷的探测和短时间预报提供了有效的工具。在完成多部雷达联合组网实时定量探测的基础上，可利用雷达测雨的观测资料，结合卫星观测，进行更大范围的降水预报。3

基础理论云和降水粒子在微波辐射作用下将产生电极化和磁极化，并按入射波的频率振荡，振荡的电极子和磁极子向四周散射与入射波频率相同的电磁波。粒子对入射波能量的散射强度，除了同入射波的强度、波长、偏振等有关外，还同粒子的介电性质、形状、大小、取向（对非球性粒子而言）等有关。雷达接收的回波强度，同云和降水粒子的后向散射的强弱有关。在气象上常用后向散射截面（也叫雷达花粉管截面）表示后向散射能力，它是一个等效面积。入射到这个截面上的电波能量如果均匀地向各方向散射，雷达天线接收的实际回波功率，相当于该截面的后向散射功率。

云和降水粒子对雷达波的散射，是云和降水雷达回波的物理基础（见气象雷达回波）。液体云滴、大多数雨滴和包括低密度雪花在内的一些固体降水粒子，都可以看成球形粒子。根据G.米的理论（见大气散射），对平面入射波来说，球形粒子的后向散射截面σ，除了同入射波的波长λ有关之外，还同粒子的复折射率m（m =n-iχ。其中n为折射率， χ为与吸收有关的量）和直径d 有关。米散射理论的公式很复杂，但当d?λ时，可简化成瑞利公式（又称瑞利近似）：应用波长10厘米的雷达时，所有球形省份液体云滴和雨滴的σ 值，都可用瑞利公式来计算；对于波长3厘米的雷达，瑞利公式只适用于直径在2毫米以下的球形雨滴。波长35～102厘米范围内的雷达，大多数雨滴可以使用瑞利公式。而对于球形冰粒，瑞利公式的适用条件是d