氣象雷達

【氣象雷達】（meteorological radar）

氣象雷達是專門用于大氣探測的雷達，屬于主動式微波大氣遙感設(shè)備。用來探測大氣中云雨的分布和變化、降水強度、云層的高度和厚度、不同大氣層里的風向、風速和其他氣象要素。是用于警戒和預(yù)報中、小尺度天氣系統(tǒng)（如臺風和暴雨云系）的主要探測工具之一。

常規(guī)雷達裝置大體上由定向天線、發(fā)射機、接收機、天線控制器、顯示器和照相裝置、電子計算機和圖象傳輸?shù)炔糠纸M成。而與無線電探空儀配套使用的高空風測風雷達，只是一種對位移氣球定位的專門設(shè)備，一般不算作此類雷達。

氣象雷達使用的無線電波長范圍很寬，從1厘米到1000厘米。它們常被劃分成不同的波段,以表示雷達的主要功能。常

用的1、3、5、10和 20厘米波長各對應(yīng)于 K波段（波長0.75～2.4厘米）、X波段 （波長 2.4～3.75厘米）、C波段（波長3.75～7.5厘米）、S波段（波長7.5～15厘米）和 L波段（波長15～30厘米），超高頻和甚高頻雷達的波長范圍分別為10～100厘米和100～1000厘米。
雷達探測大氣目標的性能和其工作波長密切有關(guān)。把云雨粒子對無線電波的散射和吸收結(jié)合起來考慮，各種波段只有一定的適用范圍。常用K波段雷達探測各種不產(chǎn)生降水的云，用X、C和S波段雷達探測降水,其中S波段最適用于探測暴雨和冰雹，用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達可以探測對流層－平流層-中層的晴空流場。

氣象多普勒雷達的工作在30～3000兆赫頻段，具有很高的探測靈敏度。因探測高度范圍可達1～100公里，所以又稱為中層-平流層-對流層雷達 (MST radar)。它主要用于探測晴空大氣的風、大氣湍流和大氣穩(wěn)定度（見大氣靜力穩(wěn)定度）等大氣動力學參數(shù)的鉛直分布。

由于氣象雷達專為大氣探測目的而設(shè)計，故有它的特殊性能。根據(jù)使用目的的不同，各類氣象雷達又有不同的特點。例如，測雨雷達的顯示器應(yīng)能顯示波束掃過平面上降水的分布；探空測風雷達應(yīng)能接收從探空氣球發(fā)回的應(yīng)答信號；測云雷達應(yīng)能探測普通天氣雷達無法觀測的非降水云。

大多數(shù)氣象雷達是從天氣目標的散射雷達波中提取信息的，既不依賴于目標物自身的輻射，也不需把儀器直接置入被探測空間，所以是氣象上一種極為有效的主動遙感式探測工具。

氣象雷達分為兩大類。凡是不具有多普勒性能的雷達稱為常規(guī)氣象雷達，具有多普勒性能的雷達稱為相干雷達或多普勒雷達。主要的氣象雷達有：
1.測云雷達。是用來探測未形成降水的云層高度、厚度以及云內(nèi)物理特性的雷達。其常用的波長為1.25厘米或0.86厘米。工作原理和測雨雷達相同，主要用來探測云頂、云底的高度。如空中出現(xiàn)多層云時，還能測出各層的高度。由于云粒子比降水粒子小，測云雷達的工作波長較短。測云雷達只能探測云比較少的高層云和中層云。對于含水量較大的低層云,如積雨云、冰雹等,測云雷達的波束難以穿透，因而只能用測雨雷達探測。

2.測雨雷達。又稱天氣雷達，是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用來探測大氣中的降水或云中大滴的濃度、分布、移動和演變，了解天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征。測雨雷達能探測臺風、局部地區(qū)強風暴、冰雹、暴雨和強對流云體等，并能監(jiān)視天氣的變化。

3.測風雷達。用來探測高空不同大氣層的水平風向、風速以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。測風雷達的探測方式一般都是利用跟蹤掛在氣球上的反射靶或應(yīng)答器，不斷對氣球進行定位。根據(jù)氣球單位時間內(nèi)的位移，就能定出不同大氣層水平風向和風速。在氣球上同時掛有探空儀，遙測高空的氣壓、溫度和濕度。

4.圓極化雷達。一般的氣象雷達發(fā)射的是水平極化波或垂直極化波，而圓極化雷達發(fā)射的是圓極化波。雷達發(fā)射圓極化波時，球形雨滴的回波將是向相反方向旋轉(zhuǎn)的圓極化波，而非球形大粒子（如冰雹）對圓極化波會引起退極化作用，利用非球形冰雹的退極化性質(zhì)的回波特征，圓極化雷達可用來識別風暴中有無冰雹存在。

 5.調(diào)頻連續(xù)波雷達。它是一種探測邊界層大氣的雷達。有極高的距離分辨率和靈敏度，主要用來測定邊界層晴空大氣的波動、風和湍流。

6.氣象多普勒雷達。利用多普勒效應(yīng)來測量云和降水粒子相對于雷達的徑向運動速度的雷達。

7.甚高頻和超高頻多普勒雷達。利用對流層、平流層大氣折射率的不均勻結(jié)構(gòu)和中層大氣自由電子的散射，探測1～100公里高度晴空大氣中的水平風廓線、鉛直氣流廓線、大氣湍流參數(shù)、大氣穩(wěn)定層結(jié)和大氣波動等的雷達。

在研究試驗的雷達中還有雙波長雷達和機載多普勒雷達等。70年代以來，利用一個運動著的小天線來等效許多靜止的小天線所合成的一個大天線的合成孔徑雷達的新發(fā)展，必將加速機載多普勒雷達今后的發(fā)展進程。機載多普勒雷達的機動性很強，可以用來取得分辨率很高的對流風暴的多普勒速度分布圖。

氣象雷達方程 （meteorologica radar equation）也稱天氣雷達方程。表達回波功率與雷達參數(shù)及氣象目標反射特性之間定量關(guān)系的公式。主要用于估計雷達探測能力及定量測定降雨率。在假設(shè)天線發(fā)射的能量集中且均勻地分布在一針狀波束內(nèi)的情況下，并忽略雷達波在傳播介質(zhì)中的衰減，則可導(dǎo)出下列簡單形式的雷達方程：
（1）

    左式中， Pt和Pr分別為雷達的發(fā)射功率和接收到的回波功率，G為天線增益，λ為雷達波長，θ和Φ為波束橫截面在水平和垂直方向上的角寬度，h為雷達發(fā)射脈沖長度，r為雷達至目標體的距離，∑σ為單位體積內(nèi)全部散射粒子的后向散射截面的總和，稱為反射率。對于最常用的拋物面天線來說，天線有效面積AE與天線增益及雷達波長間的關(guān)系為AE=Gλ2/4π。對于發(fā)射功率完全均勻地集中在窄波束內(nèi)的情況，增益可表達為G=16/θφ。利用這兩個失系，可將（l）式簡化為：
（2）

     由于能量在波束內(nèi)均勻分布的假定偏離實際，故對（l）式需作一定的修正。在假定無線發(fā)射的能量流密度隨偏軸角度作正態(tài)分布的條件下，并考慮微波在傳播介質(zhì)中被削弱以及散射體積可能未被降水體所充滿的情況，則氣象雷達方程為：

（3）

      左式中，θ和Φ為波束中半功率點間的角寬度，K為路徑衰減因子，ψ為波束充實因子。（3）式是1962年由普羅珀特-瓊斯（Probert-Jones）首先導(dǎo)出的，是目前最廣泛應(yīng)用的氣象雷達方程。