天气雷达天线发射脉冲式电磁波,当电磁波遇到降水或某些云目标,一部分电磁波会被散射。雷达接收从云雨散射回来的回波信号,通过对回波信号强度的分析处理,可确定降水或云的存在及其特性。根据电磁波传播的速度和发射与接收脉冲信号的时间差可计算出目标物到雷达的距离;根据雷达扫描转动的方位角和仰角以及目标物至雷达的距离,可确定目标物的空间位置。
通过对返回信号强度的测量,由雷达气象方程可计算出目标物对电磁波的散射能力。用于降水粒子时,简化的气象雷达方程式为:
式中:Pr为平均接收功率。C为由雷达型号决定的雷达常数,它与发射功率、波长、天线增益、波束宽度等雷达参数有关。为降水粒子相态的函数,与降水粒子介电常数有关,一般来说,水的值为0.93,冰为0.18。r为距雷达的距离。Z为雷达反射因子,是单位体积中降水粒子直径6次方的累计和,表示为,常以1为基准的分贝表示,记为dBz,可以应气象雷达方程式根据平均接收功率求取。由于降水粒子直径并非均一分布,在实际应用中常用其一般形式: , 式中的A和b为经验系数,随降水类型和地理位置的不同而变。在各种Z~R关系式中,在A在16.6~730范围内。因此,测定了降水区的反射因子Z,则可计算降水强度R及其分布。