卷云冰晶粒子散射特性理论计算和实验测量探究进展

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1、卷云冰晶粒子散射特性理论计算和实验测量探究进展　　作者简介：王金虎（1987—），男，江苏南通人，博士研究生，研究方向：电磁散射、雷达系统（E-mail：goldtigerwang@nuist.edu.cn）；葛俊祥（1960—），男，江苏南京人，教授，博士生导师，研究方向：雷达系统、微波毫米波与天线技术、电磁散射与绕射理论。摘要：总结卷云冰晶粒子常用的物理参数如形状尺寸以及谱分布，论述卷云冰晶粒子散射特性的常用计算算法，重点介绍毫米波波段冰晶粒子散射特性的计算方法如DDA、T矩阵、FDTD方法并研究各种方法的优缺点。总结国内外气象粒子的实验测量方法如微波后向散射测量装

2、置、FP腔、双站RCS快速测量技术、微波暗室测量方法，最后对该领域内研究动向进行概述。关键词：卷云；冰晶粒子；物理参数；理论计算；实验测量中图分类号：TN011文献标识码：A1引言卷云平均覆盖了地球上空20%-30%，其水平范围从几公里到上千公里，由于卷云既反射太阳的短波辐射又吸收地面的长波辐射，11对地球-大气系统的辐射收支有着重要的影响[1]，因此对卷云的辐射特性进行研究，建立各种非球形冰晶粒子的散射特性数据库具有十分重要的意义[2]。目前对云的探测手段主要有卫星遥感、天气雷达、激光雷达、云幂测量仪以及高空气球等。卫星遥感探测间隔时间长，空间分辨率低；天气雷达对浅薄

3、云不敏感；激光测云雷达、云幂测量仪以及气球只能探测空间某一点的云信息。因此，常规的探测云手段虽然可以获取云信息，但是时间分辨率和空间分辨率都较低，不能探测云内部结构，难以准确反映时刻变化的云参数信息[3]。作为新型的云探测工具，毫米波测云雷达具有很高的灵敏度和分辨率，可以探测云的内部结构，弥补了常规云探测的不足。为了利用毫米波测云雷达的回波特性评估冰云，必须对毫米波波段云中冰粒子的散射特性进行理论和实验研究[4]。目前理论研究卷云中冰晶粒子散射的方法多集中在FDTD[5]、DDA[6]、T矩阵[7]等，常用的实验方法主要有微波后向散射测试方法、FP腔法、双站RCS快速测

4、量方法、微波暗室测量。本文结合国内外相关资料对冰晶粒子散射理论计算方法以及实验方案进行综述，以此为研究毫米波波段卷云冰晶粒子的散射特性提供部分的参考依据。2卷云冰晶粒子的物理参数冰云主要由比球形粒子复杂的各种形状的冰晶粒子组成，11卷云、高积云、高层云上部及雨层云上部等一般由冰晶组成，所以属于冰云。冰晶粒子的散射特性与其形状、大小、组成成分、取向以及入射波长等因素有关，毫米波散射特性的研究目的，就是分析冰云的特性和云粒子的后向散射特性的关系，从而利用毫米波雷达的回波来准确反演云的特性。2.1卷云单个冰晶粒子的尺寸以及形状冰晶粒子的形状和大小是多种多样的，随高度变化，它取

5、决于温度、相对湿度以及在云中是否经历了碰撞与合并过程[8]，中纬度卷云冰晶粒子的典型尺度变化范围为10～4000um[9]，Honggang在研究94GHz频率下非球形冰晶粒子的散射特性时将冰晶云的粒子分成了6种形状，包括六角棱柱、中空六棱柱、六角平板、子弹花环、聚合物以及过冷水滴，粒子的尺度范围为2～5500um[10]。PingYang等在计算冰晶粒子单次散射特性时将冰晶粒子分成了聚合物、实心以及空心六棱柱、椭球形、六角平板状、过冷水滴以及子弹花环，计算中粒子的尺度范围为2～10000um[2]。2.2卷云冰晶粒子的谱分布云物理中把云中冰晶浓度（单位体积中冰晶的个数

6、）随尺度的变化叫做冰晶谱，冰晶谱N（D）代表了冰晶的大小D与数量N的对应关系，它是一种反映云特征的微物理参量。冰晶谱分布主要有对数正态分布、伽玛分布、双峰伽玛分布、幂指数分布等[11]，目前云粒子计算中最常用的是伽玛粒子谱分布[12]，形式如下所示：113冰晶粒子的散射理论计算与实验标定3.1卷云冰晶粒子散射的计算方法卷云冰晶粒子散射计算的方法有限时域法（FDTD）、离散偶极子近似法（DDA）、T矩阵（T-Matrix）、有限元法（FEM）、矩量法（Mom）、几何光学法（GOM）、异常衍射理论（ADT）等。在毫米波波段下，计算卷云冰晶粒子最常用的是FDTD、DDA以及T

7、矩阵方法，故对这三种方法做简单的介绍：3.1.1时域有限差分（FDTD）法自1966年Yee首次提出时域有限差分方法以来，该方法已经得到了迅速地发展以及应用。目前公开的FDTD软件主要有FDTDA、XFDTD、EMA3D、AutoMesh、AConformalFDTDSoftwarePackage等[13]，FDTD方法可以应用于各种形状的粒子，但是当尺度参数χ（χ=2πr/λ，r为粒子的等效半径，λ为入射电磁波的波长）大于20时，计算所需的CPU的时间和内存空间变得有点不切实际[2]。3.1.2离散偶极子近似DDA方法11DDA方法最早