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引言

降水、特別是強(qiáng)降水會(huì)使雷達(dá)電磁波產(chǎn)生衰減，從而引起回波資料的失真。有些雷達(dá)回波的失真在可控范圍之內(nèi)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生重大影響，而有些失真已超出一般用戶的認(rèn)知范圍，會(huì)對(duì)觀測(cè)、預(yù)報(bào)工作產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，例如在強(qiáng)降水過程中參考已出現(xiàn)較大失真的雷達(dá)回波圖對(duì)機(jī)場(chǎng)飛行進(jìn)行指揮調(diào)度。因此，探討降水對(duì)電磁波產(chǎn)生的衰減作用以及對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生的影響，具有十分重要的意義。

1.電磁波在大氣中的衰減

降水對(duì)高頻段（如X波段）電磁波有很大的衰減，這一問題早在1951年已被Atlas和Banks證實(shí)[1]。為了訂正這種誤差, 1954年Hitschfeld和Bordan提出了對(duì)雨衰進(jìn)行直接訂正的方法——HB算法[2]。但是由于此算法存在不穩(wěn)定性以及對(duì)雷達(dá)的校正誤差過于敏感，最終未能應(yīng)用于實(shí)踐。雖然研究人員都認(rèn)識(shí)到雨衰對(duì)雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生影響，但這種影響程度到底有多大，對(duì)單部雷達(dá)的影響臨界點(diǎn)是多少還無法進(jìn)行理論上的測(cè)算。實(shí)際應(yīng)用中，在雷達(dá)回波圖上何時(shí)出現(xiàn)了雨衰影響，失真的程度有多大等問題，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還無直觀、科學(xué)的應(yīng)用研究。

對(duì)于雷達(dá)電磁波的衰減主要有：大氣溫度、云、雨、冰雹幾類，其中云對(duì)大氣的衰減影響較小，大氣溫度、雨、冰雹對(duì)衰減都有較大影響，本文中僅僅就雨、和冰雹對(duì)雷達(dá)電磁波的影響進(jìn)行闡述。

1.1 降雨的衰減影響

電磁波在傳播過程中會(huì)被降雨所衰減，衰減程度隨波長(zhǎng)變化。降雨對(duì)幾個(gè)波段的電磁波的衰減情況為(單程)[3]：

其中，λ為波長(zhǎng)，k為衰減系數(shù)，單位dB/km，R為降水率，單位mm/h。

電磁波在雨中傳播時(shí)，如果其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于雨滴的直徑，則降雨衰減基本是由吸收引起的；而當(dāng)波長(zhǎng)與雨滴的直徑可相比擬時(shí)，則降雨衰減基本是由散射引起的，且電磁波的波長(zhǎng)與雨滴的直徑越接近衰減就越大。電磁波的波長(zhǎng)由雷達(dá)工作頻率所決定，雨滴直徑由雨的大小所決定，所以降雨衰減與電磁波的頻率及雨滴的大小有關(guān)。雨的衰減作用隨波長(zhǎng)的增加而迅速減小，隨雨強(qiáng)的增大而增大，隨著溫度的不同而變化。對(duì)10cm 波長(zhǎng)而言，雨的衰減影響很小，只是在雨強(qiáng)大到50 mm/h時(shí),其衰減作用才和氣體衰減達(dá)到同一個(gè)量級(jí)，在實(shí)際工作中可以不考慮。對(duì)5 cm 波長(zhǎng)，當(dāng)它穿過大范圍中等以上雨強(qiáng)的雨區(qū)時(shí)衰減影響已經(jīng)比較顯著，而對(duì)3 cm 波長(zhǎng)除了小范圍或弱降水以外，雨的衰減影響都比較大，在大范圍強(qiáng)降水時(shí)的衰減影響十分嚴(yán)重。不同波長(zhǎng)（頻率）上，電磁波在雨中衰減率的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 不同波長(zhǎng)電磁波在降雨時(shí)的衰減情況

降雨對(duì)電磁波的衰減作用，使雷達(dá)測(cè)得的目標(biāo)反射率因子與真實(shí)的反射率因子之間有一定差異，雷達(dá)定量測(cè)量降水的精度在很大程度上受到降水對(duì)雷達(dá)回波衰減的影響，因此當(dāng)用波長(zhǎng)較短(如3cm、5cm) 的天氣雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)降水時(shí), 衰減會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)回波數(shù)據(jù)失去意義。

表1 3cm波長(zhǎng)條件下降雨量、衰減、雨強(qiáng)的基本數(shù)值對(duì)照表

1.2 冰雹的衰減影響

冰雹也會(huì)造成雷達(dá)回波的嚴(yán)重衰減，對(duì)3cm波長(zhǎng)雷達(dá)而言，在某些條件下衰減可以達(dá)到4dB/km，對(duì)5cm波長(zhǎng)雷達(dá)同樣也有較大的衰減影響。

表2 冰雹的衰減系數(shù)kh(dB/km)

2.衰減引起的回波失真

2.1 衰減引起的回波失真模擬

由于衰減，雷達(dá)所顯示的降水回波將小于實(shí)際的降水區(qū)，尤其是在遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)的降水區(qū)。為了形象地看出衰減所造成的回波失真，可對(duì)一個(gè)假設(shè)的雨區(qū)做理論計(jì)算，如圖2所示。圖2(a）為虛擬的雨區(qū)，呈圓形，直徑8km，中心降水強(qiáng)度為100mm/h，向邊緣均勻遞減。圖2(b）和2(c）分別是3cm和10cm雷達(dá)顯示的回波強(qiáng)度分布。可以看出，10cm雷達(dá)由于衰減小，等回波強(qiáng)度線與等降水強(qiáng)度線接進(jìn)一致，而3cm雷達(dá)由于衰減嚴(yán)重，遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)的雨區(qū)顯示不完整，使回波的范圍縮小，形狀也發(fā)生失真，回波的中心位置向近雷達(dá)站一側(cè)產(chǎn)生偏移。

圖3演示的是接近同一時(shí)刻兩部位置相近的雷達(dá)對(duì)于同一雨區(qū)的回波顯示情況，風(fēng)暴A、B沿徑向排列。由圖中可以看到，3cm雷達(dá)所顯示的遠(yuǎn)處B風(fēng)暴（強(qiáng)度為50dBZ）的回波范圍，由于受到近處A風(fēng)暴(強(qiáng)度為55dBZ)強(qiáng)烈衰減，明顯小于10cm雷達(dá)所探測(cè)到的B風(fēng)暴，而到17∶40分時(shí)已經(jīng)幾乎探測(cè)不到。同時(shí)近處的A風(fēng)暴的回波遠(yuǎn)側(cè)，由于受其自身的衰減影響，也有嚴(yán)重的失真[4]。

2.2 真實(shí)環(huán)境下雨衰引起的回波失真分析

某地區(qū)有多普勒天氣雷達(dá)兩部，其中一部C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)位于A處，一部X波段多普勒天氣雷達(dá)位于B處，兩部雷達(dá)相距45km。

下面兩組圖分別是2015年8月7日19點(diǎn)59分和2015年7月27日22點(diǎn)15分，兩部雷達(dá)在各自位置均以2度仰角進(jìn)行PPI掃描時(shí)所獲取的回波圖。左邊為C波段雷達(dá)回波圖，其中紅色五角星位置是B雷達(dá)所在位置，右邊為X波段雷達(dá)回波圖，兩部雷達(dá)均處于正常工作狀態(tài)。

第一組：

該組圖4中左側(cè)的C波段雷達(dá)顯示量程150km，當(dāng)時(shí)B處的X波段雷達(dá)在雨區(qū)中，其西北、正西、正東和東北方向均存在雨區(qū)，尤其是東北方向存在一個(gè)寬度近30km，深度近70km的強(qiáng)雨區(qū)。右側(cè)圖X波段雷達(dá)顯示量程75km，雖然這張圖也顯示了在B處周圍存在強(qiáng)雨區(qū)，但是雨區(qū)的寬度都很窄，特別是它的東北方向，在距離雷達(dá)站20km左右的位置顯示只有深度幾公里的強(qiáng)雨區(qū)存在，和C波段雷達(dá)顯示的回波圖相去甚遠(yuǎn)。

第二組：

該組圖5中左側(cè)的C波段雷達(dá)和右側(cè)的X波段雷達(dá)顯示都是量程150km。從C波段雷達(dá)回波圖中可以看出X波段雷達(dá)正西以及西偏南方向有近40km深度的強(qiáng)雨區(qū)。X波段雷達(dá)的回波圖中也顯示出正西位置確實(shí)有強(qiáng)雨區(qū)，但雨區(qū)深度只有幾公里，而且在這片強(qiáng)雨區(qū)后面幾乎沒有任何回波顯示。

另外，右側(cè)回波圖中X波段雷達(dá)站東偏南方向100km左右距離存在有局地強(qiáng)降水，該回波效果比C波段雷達(dá)更精細(xì)。從該組圖可以看出，X波段雷達(dá)回波圖在正西方向的強(qiáng)雨區(qū)后方?jīng)]有任何顯示，而且從C波段雷達(dá)的回波圖來看該強(qiáng)雨區(qū)內(nèi)極可能存在冰雹之類的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，正是由此造成X波段雷達(dá)回波大幅度衰減，削弱了雷達(dá)回波。

圖2 虛擬雨區(qū)在3cm雷達(dá)和10cm雷達(dá)上的回波強(qiáng)度分布

圖3 10cm和3cm雷達(dá)探測(cè)回波素描

圖4 雷達(dá)實(shí)際探測(cè)回波對(duì)比圖一

圖5 雷達(dá)實(shí)際探測(cè)回波對(duì)比圖二

3.總結(jié)

理論分析表明，在相同雨強(qiáng)條件下，3cm雷達(dá)和5cm雷達(dá)的反射率因子有一定的差異，并且這一差異隨著雨強(qiáng)的增加而變大[5]?？v觀各種資料都說明，S波段主要探測(cè)大雨、強(qiáng)風(fēng)暴和天氣預(yù)警，C波段主要探測(cè)中雨和雪，X波段主要探測(cè)小雨和雪，Ka波段主要探測(cè)云和云滴。

本文從X波段天氣雷達(dá)在實(shí)際中運(yùn)行遇到的問題展開了一定的分析，在分析中可以明確各種波段的雷達(dá)都會(huì)遇到雨衰問題，只是X波段更加嚴(yán)重而已。因此，當(dāng)業(yè)務(wù)工作中遇到強(qiáng)降水過程時(shí)，我們還是應(yīng)該多一些思考、多一份參考，最大限度保障安全。

4.結(jié)束語

最后，關(guān)于雨衰在天氣雷達(dá)探測(cè)中的影響，正如在文獻(xiàn)中所述[6]：在S波段如果不采取任何措施減小雨的影響，雷達(dá)作用距離在中等雨中也會(huì)大大下降。在更高的頻段，雷達(dá)更會(huì)因降雨而性能下降。

[1]Peter Meischner.Weather Radar Principles and Advanced Applications[M].Springer Press.1 edition, 2004,337pp.

[2]Marzoug,M.and P.Amayenc.Improved range profiling algorithm of rainfall rate from a space-borne radar with a path integrated constraint[J].IEEE Trans.Geosci. Remote Sens.1994,GE-29,584–592.

[3]程明虎等.暴雨系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)反演理論和方法[M].氣象出版社,2004.

[4]俞小鼎等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].氣象出版社,2007.

[5]張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].氣象出版社,2001.

[6]Merrill I.Skolnik.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論(第三版)[M].電子工業(yè)出版社,2007.