一起了解什么是“无线电气象学”

　　无线电气象学无线电气象学是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。

　　无线电气象学 - 研究发展

　　无线电气象学起始于天电的研究。20世纪20年代，许多欧洲科学家在广频谱范围内对天电进行测量，发现雷暴、雪暴、尘暴等都有天电现象。天电这方面研究得最详细的过程是闪电，还有雪暴放电、尘暴放电和电晕放电等。有时还把某些人工放电过程也包括在内，其中最强的是核爆炸引起的大气放电。天电的特性由瞬变电磁场的波形或振幅谱来表征，这由放电源的特性和不同频段电磁波在大气中的传播特性两个因子所决定。

　　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有折射、吸收、散射等现象，这些现象同大气状态、云雨系统、天气过程等有关。40年代，在雷达技术被引入气象学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。这方面，在40年代也进行了深入的研究。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，丰富了无线电气象学的内容。

　　无线电气象学 - 内容

　　无线电气象学主要包括两方面：

　　①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， 递减率约为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)。

　　②应用。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

　　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。