式中的n(r)表示单位体积,单位半径间隔内的雾滴数,r为云雾滴的半径,参数a和b与分布的两个矩量有关,如水滴的总数N和水滴的平均直径 ,
在云物理学中,另一重要的物理量是云的含水量 ,这可以从水滴尺寸分布定律中得到
, (3.2.4)
上式中的 是水的密度,单位为克每立方厘米,水滴半径r的单位为厘米。
对于Khragian-Mazin分布,参数a和N可以表达为 , , 的函数:
典型的云的液态水含量在0.1~1克每立方厘米,特殊情况下液态水的含量达到10克每立方厘米。从微观上看,液态水含量依赖于云的厚度,对于层云,云的厚度为0.5~2公里,但在一些地区上可能达到7~10公里。对于频率低于100GHz和水滴半径小雨10微米的情况,散射是很小的,而只有吸收对衰减有贡献。云的吸收系数 可以利用以下的近似关系计算:
(3.2.7)
上式中,M是云的含水量,单位为克每立方厘米;T是水滴的温度,单位为K;λ为波长,单位为厘米(5mm=0.5cm)。
3.3 云雾衰减计算
在一般云中发现的水云粒子的最大直径具有50~100微米的数量级,由于云滴的尺寸较微波,毫米波的波长小的多,可以利用Rayleigh近似计算云雾滴的消光截面,在Rayleigh近似下,云雾滴吸收截面远远大于散射截面,所以云雾的吸收系数近似等于消光系数,其数值大小为单位体积所有云雾粒子吸收截面之和,因此云雾的衰减值可以表示为:
(3.3.1)
式中N为单位体积的粒子数, 为半径为 的粒子的吸收截面,在Raylrigh近似下有:
含水量等于单位体积的云雾滴的总体积乘以水的密度( ),得:
上式中的f为频率,单位为GHz, 为云的衰减系数, 和 为水的复介电常数的实部和虚部,由双Debye公式给出。因此我们可以得到在Rayleigh近似下,云的衰减和滴谱分布是无关的,只与含水量的值有关。
双Debye公式[10]:
上式中的参数为
上式中T为温度(K),f为频率(GHz)。
现在我们设温度t=0摄氏度,即T为273时的衰减程度。因此我们可以得到:
根据上面的参数,我们就可以得到50GHz~70GHz频段云雾产生的衰减。云雾产生的衰减的不同在于其含水量的不同,吸收截面半径 以及单位体积的粒子数N决定云雾的含水量。下表给出了一般条件下云和雾的含水量。
表3.3.1 一般条件下云雾含水量
条件 含水量( )
雾 0.15
浓霾 0.001
层积云 0.3
积雨云 2.5
晴天积云 0.5
雨层云 0.8
高层云 0.4
不同的云雾条件,其含水量也不同,雾中的含水量最小,而雨层云中的含水量是最大的,云雾对5mm波段电波产生的衰减主要是云雾中水滴对电波的吸收,因此云雾中水含量对衰减量起决定性作用,根据Rayleigh近似模型,我们可以得到下面衰减量与频率之间的关系曲线:
图 3.3.1 不同含水量情况下衰减量与频率的关系曲线
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