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雷达与卫星看到了什么 ​

先修:辐射、云与降水、观测代表性。

雷达先测回来的能量 ​

天气雷达(weather radar)主动发射电磁波,再接收降水粒子等目标散射回来的信号。反射率(reflectivity)与粒子数量、大小、形状和物态有关,常以dBZ显示。它不是雨量计直接量出的毫米数。

在简化的瑞利散射、液态球形粒子近似下,反射率因子Z与粒径六次方的加总有关,所以少量大粒子可能强烈影响信号。常用对数表示:

dBZ=10log10⁡(Z1 mm6m−3).

这里的log₁₀是以10为底的对数:log₁₀(1000)=3,因为10³=1000。对数内是两个同单位数的比值,因此无量纲。Z的mm⁶ m⁻³单位来自粒径六次方按单位空气体积计数。

30 dBZ对应的Z是20 dBZ的10倍,但不能据此说雨强是10倍。将Z换算成雨强R(mm/h)可使用经验Z–R关系,系数随雨滴谱与天气类型变化;冰雹、融化层、衰减和地物杂波也会影响估计。NWS 雷达产品说明

速度只测沿波束的分量 ​

多普勒雷达(Doppler radar)利用信号频率或相位的变化,估计目标朝向或远离雷达的径向速度(radial velocity)。若风恰好垂直于波束,径向分量可接近零,空气实际仍可能高速运动。红绿颜色通常表示相反径向方向,不能直接理解为红色向东、绿色向西。

波束随距离扩展,其离地高度还受发射仰角、地球曲率和大气折射影响。因此远处的低仰角扫描也可能主要看到较高处降水;地面下小雨而雷达回波弱,不一定意味着雨量计错了。NWS 多普勒雷达基础

卫星看的是不同波段的辐射 ​

可见光(visible light)图像主要利用反射太阳光,适合看云纹理和范围,普通可见光产品在夜间缺少日照。热红外(thermal infrared)可昼夜观测,把辐射强弱转换为亮温(brightness temperature):在特定波段中,与所测辐射等效的黑体温度。

较冷的厚云顶通常对应较高云层,但薄云、地表、发射率和大气吸收会影响解释。亮温不是自动等于2 m气温。水汽通道(water-vapor channel)对某些高度范围的水汽和温度结构敏感,不能被解释为整根空气柱的水汽照片,更不是地面相对湿度图。NASA 遥感波段说明

例子:为什么四张图会不同 ​

某合成区域的红外云顶很冷,雷达复合反射率很强,低仰角回波却较弱,地面雨量暂时为零。这组资料并不一定矛盾:高处冰粒与降水可能已经发展,低层降水尚未到达、在干空气中蒸发,或波束采样高度不同。

下一步应核对同一时刻、仰角、剖面、地面湿度与雨量计时间窗口。复合反射率取多个扫描高度中的较大值,不能把它直接称为“地面最大雨强”。

常见误解与自检 ​

假彩色(false color)是把不同波段或数值映射到显示颜色,并非肉眼真实看到的颜色。颜色的含义必须由产品定义和色标说明。

自检: 雷达某处径向速度为0 m/s,能否判定那里无风?红外图白色区域一定在下雨吗?

展开答案

两者都不能。第一问缺少垂直于波束的速度信息;第二问需先知道色标含义,再结合云类型、雷达与地面观测判断。单一遥感信号通常不唯一决定地面天气。

气象学 · 数学基础 · 地理可视化