无线电气象学

大气物理学的分支学科

无线电气象学是指研究大气对电波传播的影响，以及利用接收的电波信息探测大气状况和天气现象的一门学科。它广泛使用电波传播原理和技术，是大气科学和无线电物理学的边缘学科，又是大气物理学的一个分支学科。

定义

无线电气象学是研究电磁波的传播与大气现象相互关系的学科。主要是研究大气及其所含悬浮物质对无线电波的散射、折射、反射、吸收作用的内在机制及其规律性。

由于大气的温度、密度、电性质、湿度、所含杂质的浓度的不同，引起在其中传播的无线电波的折射、反射、散射、吸收作用也不相同，另外有的大气过程本身也能发出无线电波，因此，人们可以利用无线电波对气象过程、天气现象进行探测遥感，大气的某些特性和过程，这就大大改进了气象观测的手段。通过无线电气象学的研究也可以了解和掌握大气现象和过程对无线电波的影响规律，有效地利用无线电进行遥传。

内容

无线电气象学在处理通信和定位测速问题中，能精密修正因大气折射引起的误差、估计大气闪烁造成的影响、分析在云雨条件下的通信情况等方面，因而得到广泛应用。其中大气及云雨的微波辐射特性，已成为微波遥感和雷达探测的根据。无线电波在对流层中的传播特性取决于大气折射指数，如由大气折射指数的不均匀分布引起的无线电波折射，由大气折射指数的随机起伏引起的无线电波散射等等。

研究内容

无线电气象学的主要研究内容是：大气折射指数的时间和空间分布；无线电波在大气和雨、云中的衰减现象，即吸收和散射作用；无线电波在湍流大气和云、雨中的传播等等问题。现代无线电气象学的研究领域已向短波方向开拓，主要是研究无线电波在对流层中的传播、微波遥感及雷达探测的有关基础。

研究发展

无线电气象学起始于天电的研究。二十世纪20年代，许多欧洲科学家在广频谱范围内对天电开始进行测量，发现了雷暴、雪暴、尘暴等都有天电现象。同时，随着无线电通信的广泛使用，人们发现电波在大气中的传播过程中具有折射、吸收、散射等现象，这些现象都同大气状态、云雨系统、天气过程等有关。

利用无线电仪器来研究大气中发生现象的第一个人是无线电发明者A.C.波波夫。他制成的并且被称为雷暴指示器的接收机，收到了30公里外的闪电产生的无线电波。无线电探空仪―用来测量高空中空气的压力、温度和湿度的仪器，在气象学中获得了广泛的应用。无线电探空仪是借助于充着重量轻的气体的气球升到高空的。在无线电探空仪内装有火柴盒大小的微型无线电发射机。它是由电池供电的。苏联最新的无线电探空仪的重量约为1公斤。随着无线电探空仪的逐渐升高，发射机便朝着地面发射脉冲，用接收设备把它接收下来，使仪表指针转动。无线电探空仪的信号，在100公里的距离内可以收到。无线电探空仪可以充当建立无人管理的自动化无线电气象站的基地。这些气象站安置在人们难以到达的、人烟稀少的地区，可以工作一年或更久且不需要人的管理。在一整夜内，一定的时间，无线电气象站发出无线电脉冲，根据它的性质我们可以判定空气的压力、温度和湿度，判定降水量等等。有的无线电气象站则在收到气象总站所发出的无线电信号以后可以随时发出自己的脉冲。

在气象学中还使用无线电测风仪——用自动测风速和风向的仪器。它们装在远离海岸的海上——装在浮标上，也装在山峰上。

气象学家正愈来愈广泛地使用雷达。使用雷达设备不但能研究大气的状态，而且还能研究无线电波传播条件跟天气的关系。

原来大气中含有的水滴和冰粒会驱散无线电波；在厘米波和毫米波的情况下，这会导致信号的中断。温度和湿度随高度的变化，会影响以最短的无线电波工作的无线电台的作用距离。但是在另一方面，各层大气叶中温度和湿度的不均匀分布，在某些情况下会导致在特定范围以外可靠地接收电视节目。在气象学中使用无线电电子学，可以使我们每天获得关于地球上各个不同地区内气候情况的大量资料。为了预测天气和预报天气，必须在很短的时间内总结和计算这些资料。所以，电子计算机变成处理和计算天气资料的重要工具之一。

40年代，在雷达技术被引入气象学之后，使电波在大气中的传播与大气特性的相互关系的研究更加广泛。虽然上述折射、吸收和散射等现象所引起的信息，对电波传播来说是干扰，但对气象来说，则可用于大气探测。60年代末，利用大气微波辐射，从地面和气象卫星上进行大气遥感，更加丰富了无线电气象学的内容。

基础理论

主要研究对流层中大气折射率对电波传播的影响（见无线电波的空气折射率、无线电波在对流层中的折射）；大气中氧和水汽对某些微波波段的吸收所造成的电磁波能量的衰减（见大气的微波吸收）；云和降水粒子对微波的吸收和散射所造成的能量衰减（见云和降水粒子的微波吸收、云和降水粒子的微波散射）；电磁波在湍流大气中的传播过程中所发生的各种现象和规律等。

无线电波的空气折射率

无线电波在真空中的传播速度与在空气中传播速度的比。它等于空气电容率的平方根，是决定无线电波在低空大气中传播状况的重要参数，常用n 表示。空气中氧和氮是中性分子（没有固有的电偶极距）；水汽是极性分子（存在固有的电偶极距）。上述两类分子都参与空气的介电作用。干空气的介电现象是在电场作用下，由氧和氮分子极化引起的。在无线电波作用下，空气分子发生极化，使电波传播速度比在真空中小。有电场存在时，水汽分子不仅因为极化，而且因其固有的电偶极矩在电场作用下而转动，使电波传播速度降低。故无线电波在湿空气中的传播速度比在干空气中小。无线电波的空气折射率与空气密度和水汽密度成正比。

无线电波折射现象与光波折射现象有相似之处（见大气折射），但是在大气中无线电波的折射率及其变化的程度都比光波折射率大，路径的弯曲程度比光波的严重。无线电波的空气折射率随频率变化是很小的，在频率小于100吉赫（波长大于3毫米）时，可近似地视为常数。折射率n的数值与1(真空折射率)很接近，在地面上只差近于 300×10-6的一个小量，在高空差值更小。为了使用方便起见，引用折射率差N来表达折射率n 与1的差值，以差值的百万分之一为单位，称为N单位，即N=(n-1)×106。折射率差 N是大气温度、压力和湿度的函数。即：

式中T为气温(K)，p为气压(百帕)，e为水汽压（百帕）。上式用于频率小于30吉赫（波长大于1厘米）时，误差小于0.5%。在地面上折射率差N的变化范围约为260～460，它随气温和湿度变化。在不同高度上，折射率差N随大气温度、压力、湿度的变化可表示为折射率差N 随高度z按指数规律递减，递减约为0.1～0.2公里-1(在国际上常采用地面上的N为315，平均随高度递减率为0.136公里-1)。

由于湍流造成电容率的起伏，使远程传输接收到的信号振幅和位相发生脉动，按此关系可探测大气湍流特性（见电磁波在湍流大气中的传播）。

无线电波在对流层中的折射

对流层大气是折射率不均匀的介质，电波在对流层大气中传播时，由于不同区段的传播速度不同，引起电波传播方向改变，出现电波传播路径弯曲的现象。在正常情况下，大气折射率随高度变小。

无线电波的传播路径有如下几种类型：①路径与地面的弯曲同向的为正折射；②路径与地面的弯曲反向的为负折射；③路径是直线的为零折射；④路径的曲率和地面曲率相同的为临界折射；⑤路径的曲率大于地球曲率的为超折射，这时，无线电波将折返地面。标准大气下的折射，称为标准折射，属正折射。

在讨论电波的长距离传播时，视大气层为包围地球的球层，电波射线的折射路径应该用球面折射定律来计算(见大气折射)。也可以用通常的折射定律来计算，但此时的折射率应用订正后的折射模数M 来代替。地面的M约为300。M和M 的铅直变化dM/dz都和大气状态有关，当dn/dz<-15.7×10-8米-1或 dM/dz<0时，就发生超折射现象。例如有逆温层（气温随高度增加）或水汽随高度急剧减小时，可以形成超折射。此时电波从上层折回，再被下层反射，似在波导内传播一样，产生这种现象的空气层称为大气波导。

大气波导可在一个薄层内使电磁能向远方传播，这个薄层在对流层中可以是贴地面的，也可以是悬空的。在一定折射率差 (N)(见无线电波的空气折射率)铅直梯度和一定厚度的大气波导中，只有仰角小于一定值〔称为穿透角(θ)〕的无线电波才能在大气波导中传播，大于该仰角的无线电波将穿透大气波导。折射率差铅直梯度愈大，波导层愈厚，则穿透角愈大。同时，在大气波导中，只有小于一定波长（称临界波长）的无线电波才能构成波导传输，大于该波长的无线电波则不能。大气波导层愈厚，波导传输的临界波长愈大。一般大气波导层的厚度小于20～30米，波导传输的临界波长在厘米波或分米波的范围中。

无线电特点

（1）无线电特别灵敏。利用电磁波可以把极微小的信号放大许多倍，这样测得的气象要素非常准确，即使很小的变化也能显示出来，这是一般的气象仪器办不到的。

（2）应用范围广。只要把一个物理量变为电的信号后，就可以用无线电电子学的方法来放大、测量、记录或控制。无线电电磁波可以穿过真空、大气和其它绝缘体传播。电磁波可以从某一点传播到地球面上任何一点。这意味着通过无线电遥控控制，可以在地球表面的广大面积上空作连续的长时间的气象探测。因此，在人烟稀少的高山、沙漠、海岛上空也能得到需要的气象资料。

（3）电磁波行速快。它每秒钟可以走三十万公里，也就是每秒可绕地球赤道七圈半。因为天气瞬息万变，要做出精确的天气预报就需要及时了解瞬息万变的天气状况，而无线电波则是个不错的选择。

应用

无线电气象学除直接用于改进无线电通信外，还可以运用大气和云、雨、湍流等对无线电波的吸收、散射、折射的原理，研究和利用主动或被动的微波大气遥感装备，探测大气的温度、湿度、云、雨要素的分布和大气湍流状况，以及分析天气过程等(见气象雷达)。由于微波的短波（如毫米波或亚毫米波）技术的发展，使这些波段在大气遥感和通信中的应用，有了一定的成效。

无线电中的超短波有很宽的波段可供利用，而且可以用不太大的天线得到发射和接收的良好的方向性，可以节省功率和满足军事通讯的保密要求。

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