雷达气象学：5第二章雷达探测大气的基础知识（折射）2-3

1、,雷达气象学,电子版（第二版）,第二章 雷达探测大气的 基础知识,2.1 散射 2.2 衰减 2.3 折射 2.4 雷达的探测能力,2.2 折射,电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射指数分布的不均匀性，就会产生折射，使电磁波的传播路径发生弯曲。电磁波的折射对天气雷达的探测有重要的影响。,电磁波在真空中是沿直线传播的，如果在大气中折射指数分布不均匀，就会产生折射，使电磁波的传播路径发生弯曲。 电磁波在大气中曲线传播的现象就是大气折射。超短波在大气中传播时，因为其振动频率比光波小，会使水汽分子产生振动，使传播速度减小，产生折射。一般超短波在大气中传播时，折射比较大（比如比光波），与长波

2、长的传播性质有很大的区别（在此不作探讨）。 探讨电磁波的折射的意义就在于超短波在大气中的折射对天气雷达的探测有重要的影响。,1、关于折射,2、产生折射现象的物理原因,式中i为入射角，r为折射角，n1和n2为介质的折射指数，它等于电磁波在真空中的传播速度c与电磁波在介质中的传播速度v的比值. 大气折射起源于电磁波在大气中传播速度的变化，而电磁波在大气中传播速度的大小又与大气折射指数及介电常数有关。,v1v2 v1v2,复折射指数 m=n-ik 不但考虑了介质 对电磁波传播速度 的影响，而且考虑了 介质对电磁波 衰减的影响,当电磁波斜向入射到折射指数不同的介质的交界面上时，就会发生折射现象,3、折

3、射定律,平面分层大气 球面分层大气（Snells定律）,从以上表达式的形式可以看出，球面分层介质与平面分层介质相似，但还与 R有关,4、气象因子与折射指数的关系,由于大气中的温、压、湿随高度而变化。同时地球本身又是一个近似的球体，就是当雷达天线处于0仰角发射电磁波时，电磁波在前进过程中距地面的高度也在改变。不同高度上的温、压、湿不同，其折射指数就要发生变化。,式中，n(h)为高度h上的大气折射指数；T(h)、P(h)、 e(h)分别为这一高度上的气温、气压和水汽压。,折射指数N单位：是大气折射指数的实际应用单位，定义为,研究目的是为了研究雷达波束的弯曲情况，有,n(h)一般为1.0003，可近

4、似为1，当天线仰角为0时，=90，sin=1。因此，近似为有,由此可知，当 时，波束向下弯曲；当 时，波束向上弯曲；当 时，波束直线传播。,5、射线曲率与折射指数随高度的变化率,6、等效地球半径(Rm),定义：设想地球半径加大到某一数值Rm时，使得Rm为半径的球面上沿直线传播的超短波的最大探测距离和真实地球表回上沿折射曲线轨道传播的最大深测距离相同，则Rm就称为等效地球半径。,引入的意义：用Rm来代替真实的地球半径Rm，这样把超短波处理为直线传播、有利于计算。,7、M单位,引入订正折射指数的思路是使地球表面展成平面去订正大气折射指数值。,等效地球半径和M的引入 是从不同角度去 处理同一个问题,

5、8、B单位,研究真实大气偏离标准大气时很有用，可判定实际大气折射偏离标准大气折射的程度和实际大气属于什么折射,9、折射指数随高度变化的几种形式,标准大气折射 在标准大气情况下，Rm=8500km，为实际地球半径的4/3倍。波束路径向下弯曲，其曲率比地球曲率小，这种折射称为标准大气折射。标准大气折射可以代表中纬度地区对流层中大气折射的一般情况，亦称为正常折射。标准大气折射可以使最大探测距离增大16%。,临界折射 当波束路径的曲率与地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射, 此时, 等效地球半径。,超折射 当波束路径的曲率大于地球表面的曲时，即雷达波束在传播过程中将碰到地面

6、，经地面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前传播，与波导管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超折射。等效地球半径Rm0，这时 。 形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反射波也沿同样的路径返回到天线。此时，雷达回波中的地物回波显著增多、增强，通常称为超折射回波。这种超折射回波妨碍了气象目标的观测。,正折射,以上三种折射，标准大气折射、临界折射、超折射这三种情况，共同特点是：满足 ，这样一个公共条件。N值随高度的增加而减小，射线向地面方向弯曲，但弯曲程度不同。,Effects of anomalous prop

7、agation:,Note cell towers along Interstates!,Note buildings In Champaign, IL,零折射 如果雷达波束沿直线传播，无折射现象，称为零折射。这时，K= ，大气是均质的。在一般情况下，大气不会出现这种情况。,负折射 如果雷达波束不是向下弯曲，而是向上弯曲，出现这种折射时，射线传播路径的绝对曲率小于零，称为负折射。这时的K0。例如。当暖湿气流沿冷锋面往上爬时, 可使K0。产生负折射的气象条件是：湿度随高度增加，温度向上迅速递减。 在盛夏大陆的中午，大气底层温度递减率有可能大于干绝热递减率，从而出现负折射。,10、电磁波的反射 电

8、磁波在大气中传播，若遇到大的物体，如山、建筑物、飞机和海浪等或大气结构发生突变（即存在大气折射率的突变层时）都会产生反射现象。 反射现象也会造成回波，常见的有地物回波、海浪回波及窄带回波等。,11、大气水平分布非均匀 对射线折射的影响,大气某些区域，如海陆交界处、海陆锋、锋面两侧气象要素的水平变化不能忽视，折射指数梯度可相差达到30N单位以上，水平均一的假设对高精度探测就不适用了。由大气水平分布不均匀，N单位梯度的存在会导致雷达水平探测定位存在误差。 由于大气水平分布非均一，使雷达波产生折射，会导致雷达水平探测定位误差和出现探测“盲区”。,为什么呢？,大气某些区域，如海陆交界处、海陆锋、锋面两

9、侧气象要素的水平变化不能忽视，折射指数梯度可相差达到 30N单位以上，水平均一的假设对高精度探测就不适用了。由于大气水平分布不均匀， N单位梯度的存在会导致雷达水平探测定位存在误差。,雷达从低的N2单位值区向高的N1单位值区探测,方位角探测误差偏向于锋面法线方向,雷达从高的N1单位值区向低的N2单位值区探测,定位误差为偏离锋面法线方向存在“盲区”,12、地球球面和大气折射 对雷达探测距离的影响,（1）、地面雷达00仰角时，对高度为H目标物的最大探测距离,（1）无大气或大气为均质,（2）有折射,只考虑地球球面,同时考虑大气折射和地球球面,标准大气折射,（2）高架雷达俯视探测时， 对高度为H目标物的雷达最大探测距离,标准大气折射,三、地球球面和大气折射对探测目标物的影响,(1)球形地面和大气折射使雷达波束偏离地面的情况,对近距离降水云，探测别的是降水云的底部，而对远距离的降水占探测到的是降水云的中部或顶部。若远处降水云发展高度较低，雷达可能探测不到，实际工作小对此予以注意。,(2)球形地面造成回波分布的变形,雷达探测锋面降水,雷达波在大气中折射的基本规律。 大气折射指数与温、压、湿之间气象要素的关系。由于大气中温、压、湿