基本介紹
- 中文名：雲和降水粒子的微波散射
- 類型：物理學
內容簡介
粒子對入射波能量的散射強度，除了同入射波的強度、波長、偏振等有關外，還同粒子的介電性質、形狀、大小、取向（對非球性粒子而言）等有關。雷達接收的回波強度，同雲和降水粒子的後向散射的強弱有關。在氣象上常用後向散射截面（也叫雷達截面）表示後向散射能力，它是一個等效面積。入射到這個截面上的電波能量如果均勻地向各方向散射，雷達天線接收的實際回波功率，相當於該截面的後向散射功率。
球形粒子 雲和降水粒子對雷達波的散射，是雲和降水雷達回波的物理基礎（見氣象雷達回波）。液體雲滴、大多數雨滴和包括低密度雪花在內的一些固體降水粒子，都可以看成球形粒子。根據G.米的理論（見大氣散射）,對平面入射波來說,球形粒子的後向散射截面σ ，除了同入射波的波長λ有關之外，還同粒子的復折射率（=-iχ。 其中為折射率， χ為與吸收有關的量，）和直徑有關。米散射理論的公式很複雜,但當«λ時,可簡化成瑞利公式（又稱瑞利近似）：
雲和降水粒子的微波散射
套用波長10厘米的雷達時，所有球形液體雲滴和雨滴的σ 值,都可用瑞利公式來計算;對於波長3厘米的雷達,瑞利公式只適用於直徑在2毫米以下的球形雨滴。波長3～10厘米範圍內的雷達，大多數雨滴可以使用瑞利公式。而對於球形冰粒，瑞利公式的適用條件是＜0.16λ。
雲和降水粒子的微波散射
由瑞利公式可見：波長愈短，球形粒子的後向散射能力愈強。粒子直徑增大，σ 將按其六次方的關係迅速增大。雨滴比雲滴大得多，其後向散射能力比雲滴要大得多，故在雲和降水中，雷達回波的能量主要是由為數不多的大粒子所產生的。對於波長為 3～10厘米的雷達波，這些粒子的σ 值和喣(－1)/(+2) 喣的數值有關。雲和降水粒子在下降過程中, 性質不同的粒子, 其喣(－1)/(+2)喣值也不同：①水滴，約為0.93；②冰粒，約為0.197；③冰粒下降到0°C層以下，表面融化而成水包冰粒，隨著水膜的出現和增厚，融化冰球的值由 0.197迅速增大到接近0.93；④在較均勻的冰、水粒子混合的情況下，此值隨著水的比例增加而增大，但增大得較慢。
在«λ的情況下，水滴的σ 值約為同體積冰粒的5倍；而當冰粒增大到一定程度，例如≥λ時,按米理論計算，可知冰粒的σ 值反而比同體積的水滴大，並且可以大一個量級。
非球形粒子 大雨滴、冰雹和各種冰晶，通常都不是球形的，簡單地可把它們當作橢球粒子來研究。當橢球軸的取向和入射波的偏振方向不一致時，小橢球粒子的後向散射波中除了有和入射波偏振方向相同的電場分量，即所謂“平行偏振”分量以外，還有偏振方向和入射波偏振方向正交的“正交偏振”分量。散射強度和入射波偏振方向有關，也和粒子的取向、橢度和相態等狀況有關。在橢球粒子作隨機取向時，平均後向散射要比同體積球形粒子大。由於正交偏振分量來自非球對稱粒子，因此利用雲和降水回波的正交偏振分量和平行偏振分量的比值──退偏振比，可以判斷雲和降水粒子的相態。例如，退偏振比小於-17.5分貝時,降水粒子為雨的機率不低於83%（大雨滴下落時近似為扁橢球）；退偏振比大於-9分貝時，散射粒子一般是冰晶；退偏振比為-17.5～-9分貝時，雲和降水中一般既有水滴,也有冰晶。當雷達發射圓偏振波，即電振動矢量未端在傳播過程中作圓形旋轉時，則球形粒子的後向散射是旋轉方向同入射波相反的圓偏振波；橢球粒子的後向散射是橢圓偏振波，因此同樣有可能利用這一特點來判斷降水粒子的相態，並判斷雲中冰雹存在的可能性。
