9、云层和降水的波散射与传播

云层和降水的波散射与传播

天气雷达测量的是含有大量水汽凝结物的云层和/或降水的波散射与传播的综合效应。水汽凝结物不仅会散射雷达采样的波，产生多普勒雷达测量值，如反射率、多普勒速度和谱宽，还会产生极化变量的测量值，如差分反射率、线性退极化比、同极化相关系数和交叉极化相关系数。此外，波束路径上的水汽凝结物还会导致波传播的衰减、相位延迟和退极化。波的散射和传播特性取决于水汽凝结物的特征以及波的特性，如频率和发射波的极化。了解波的统计特性以及极化雷达变量与水汽凝结物的微观物理和统计特性之间的关系非常重要。

1. 散射模型

水汽凝结物在云层和降水中随机分布，其位置和取向随时间和空间随机变化。因此，雷达接收到的信号，即雷达分辨率体积内所有水汽凝结物粒子的总散射波，也是随机的，取决于各个粒子的相长或相消贡献。介质和雷达信号的随机性取决于水汽凝结物的分布性质、粒子样本间的随机相对位移以及雷达波长。由于雷达使用时间样本（脉冲到脉冲）来表示集合，当相对随机运动远小于半个波长时，介质可被视为确定性的；当随机运动在半个波长以内时，介质为部分随机的；当随机运动超过半个波长时，介质为完全随机的。为了研究波的统计特性，需要散射模型来描述散射过程。

云层和降水中的波散射可以用三种物理模型来描述：
1. 单次散射 ：发射/入射波在到达接收器之前只被散射一次，波在散射前后在确定性介质（如无粒子和/或湍流的空气背景介质）中传播。
2. 一阶多次散射 ：该模型也假设波在被接收之前只被散射一次，但通过使用包含散射体的有效介质的波数，而不是无云介质的波数，考虑了从发射器到粒子以及从粒子到接收器的波传播效应，包括衰减、相位延迟和退