一、电磁波衰减原理

定义：电磁波能量沿传播路径逐渐衰弱的现象,称为衰减

原因：电磁波投射到气体分子，或者云雨粒子时，一部分能量被散射，一部分能量被吸收

影响：衰减使回波功率减小，造成回波失真。

衰减因子：

有衰减和没有衰减的比值

 表示有衰减的回波功率

 表示没有衰减的回波功率

通常衰减大于0，因此衰减因子小于1，由于衰减因子与距离有光，使用很不方便，因此我们在实际应用中使用衰减系数

衰减系数 : 由于衰减的作用，单位接收功率在大气中往返单位距离时所衰减的能量。量纲为 1/距离（单位距离分之一）

二、云和降水粒子对电磁波的衰减

1. 云滴

• 云滴：半径小于100m的水滴或冰晶粒子
• 主要是吸收作用，与波长、温度、介电常数和云中含水量M有关

• 波长较短的雷达(<3cm)在探测云雨时需要考虑云层的衰减作用

• 云的衰减随波长增大迅速减小

对于天气雷达波长在10厘米的时候，

1. 冰的衰减系数在  分贝每公里
2. 液态水云的衰减系数是  分贝每公里

因此对10厘米波长的天气雷达来说，云的衰减是可以忽略的

• 液态水衰减随温度的降低增大

• 冰水的衰减随温度的降低而降低

• 冰水的衰减比液态水的衰减小2~3个量级，因为冰晶介电常数小于水
• 云中液态水含量一般在 1~25  ，冰云含水量通常小于 0.1 

因此总的衰减也常常是水云大于冰云

2. 雨强

• 降水对雷达波的衰减主要是散射，与降水强度成正比
•     表示单位降水强度的衰减系数

随着雷达波长的增长，降水的衰减在减少；

随着降水强度的增加，降水衰减在增加。

3cm波长雷达

在衰减作用下，远距离返回雷达天线的能量减弱,无法观测到它的真实回波。

因此导致雷达观测到的降水中心与实际的中心发生偏离，而更靠近雷达这一侧。

10cm波长雷达，观测到降水的范围和结构，与实际一致。

在衰减作用下，对于同一强降雨带，波长较长的雷达能准确探测到，但波长较短的雷达观测到的回波会失真。

S波段雷达观测，飑线为东北到西南走向,其长度为150公里左右,最强回波超过50dBZ

C波段雷达观测，同S波段相比，观测范围明显变小，尤其通过西南侧强降水区以后，它的远距离的回波已经无法观测到，这就是衰减的作用。

而对于东北侧的强降水区域，C波段雷达观测到的回波也是偏弱。说明对于强降水而言，C波段雷达的衰减也是非常严重。

• 额外的衰减

降水附着在天线罩上形成水膜，引起额外的衰减。

当雷达站出现强降水时，雷达观测的反射率因子，有3.4dBZ的降低。

这说明由天线罩覆盖了额外的水膜,导致了额外的衰减。

解决的办法：

1. 尽可能选择设计优良的天线罩，避免天线罩上覆盖水膜。
2. 通过算法识别出水膜覆盖引起的衰减，并对其进行订正。

三、雪对电磁波的衰减

• 雪对电磁波的衰減包括吸收和散射与降雪的强度成正比，与波长成反比

• 雪的衰减随波长的增加而减小

对于10cm波长的雷达，雪的衰减系数在降雪强度10毫米以内，都是在  dB/km以下，因此对10cm的雷达，雪的衰减几乎可以忽略

• 干雪的衰减可以用瑞利近似
• 湿雪的衰减比干雪大得多，其衰减不能用瑞利近似
• 包有水膜的小冰球，其雷达截面近似与同体积小水球相等
• 如湿雪视为扁的干冰粒，其衰减截面可以是水球的10倍

四、冰雹对电磁波的衰减

• 冰雹可以对电磁波产生严重的衰减，特别是冰雹外包一层水膜

• 

1. 干冰球

左侧是干冰球的衰减系数，曲线1~4表示冰雹的最大直径0.97cm~4.13cm

• 随着波长的增加，冰雹的衰减系数在减少
• 随着冰雹的最大直径增加，冰雹的衰减系数也在增加

注意：冰雹直径从0.97cm到1.93cm时候，衰减系统增长幅度比较大，而1.93cm到4.17cm时增长幅度比较小。因为：

1. 冰雹的大小分布符合指数分布
2. 尺寸越大的冰雹，数浓度越小
3. 对衰减增长的幅度贡献会小

3cm波长雷达

当冰雹的最大直径在4.17cm的时候，衰减系数可以达到几个分贝，因此对3cm的雷达，其干冰雹的衰减作用是非常严重的。

2. 水膜厚度

• 当水膜的厚度为0.01cm时，冰雹的衰减系数迅速增加。
• 当水膜厚度到0.05cm的时候也进一步增加

随着冰雹外包水膜厚度的增加，冰雹的衰减系数也在增加

对10cm波长的雷达

水膜的厚度到0.05cm时候，它的衰减系数也可以最大接近于  分贝每公里

因此对于大冰雹来说，即使是10cm雷达也会产生不可忽略的衰减。

美国俄克拉荷马大学S波段和C波段雷达观测一次冰雹的对比

五、大气对电磁波的衰减作用

• 气体对电磁波的衰减作用主要是吸收,散射可以忽略。
• 大气对电磁波的衰减与波长、湿度、温度和气压有关。

• 水汽吸收与绝对湿度(水汽密度)成正比
• 水汽密度越大，它的吸收作用也越强
• 除1.35cm附近外，水汽吸收同气压成正比
• 水汽含量不变，衰减随温度降低缓慢增加

六、衰减的影响和订正

衰减的影响

• 回波的区域面积比实际面积小
• 探测到的回波中心比实际更靠近测站，而且强度减弱，次强中心变成强中心
• 衰减严重时，强雷暴区的弱回波不可见
• 回波形状发生畸变(如冰雹的型缺口)

进行衰减订正

1. 逐库订正法  
2. 双偏振雷达的订正

S波段可以清楚的看到它的钩状回波和强回波的区域

C波段的回波同S波段雷达相比，雷达回波在通过强降水区域以后受到衰减，导致强降水区的后侧回波变弱。甚至在有些区域出现了能量的缺失。

可以看出经过衰减订正以后的回波，跟S波段雷达的观测已经比较接近。