气象雷达

气象雷达原图链接来自 陕西科普 的图片

气象雷达，或称气象监视雷达（WSR），是用来探测大气中的降水类型（雨、雪、冰雹等）、分布、移动和演变，并可对其未来分布和强度作出预测的一种雷达设备。

现代气象雷达大部分属于脉冲多普勒雷达，可以监测降水的分布及强度。这些数据可以用来分析风暴的结构以及其能否在未来造成恶劣天气。

目录

历史

20世纪60年代利用雷达技术探测到发生在美国双子城的龙卷风及形成它的超级单体风暴。

第二次世界大战期间，军事雷达操作员就注意到了因雨、雪、冻雨等天气因素接收到的回波噪声。战后，原本的军事科学家得以继续研究如何利用那些回波。前美国空军、后任职于麻省理工学院的大卫阿特拉斯，开发了第一个实用气象雷达。在加拿大，马修和道格拉斯于蒙特利尔成立了“风暴天气小组”。马修和他的博士生沃特帕玛（Walter Palmer）专精于研究中纬地区降水滴谱，并由此发现了降水速率和雷达反射率之间的关系。英国则继续进行雷达回波模式和气象要素如层云降水和对流云之间关系的研究，并试验了1~10cm范围内的不同波段效果。

1953年，从事伊利诺伊州水资源调查工作的电气工程师唐纳史戴格，第一次利用雷达记录到与龙卷风相关的钩状回波。

工作原理

发射雷达脉冲

从雷达站发射出的一束雷达波随着与发射点距离的增加穿过的空间体积也增大。

气象雷达通过空腔磁控管或调速管连接导波管，再连接一个抛物面天线而定向地向空间发射微波脉冲。气象雷达所发射微波波长在1-10cm范围，大致是雨滴或冰晶直径的10倍左右，在该频率下，瑞利散射效应最为强烈。这样可以确保雷达波的一部分能量能够从微粒表面反射回雷达站所在方向。

若雷达发射更短波长的脉冲，则可以用来检测更加微小的云滴，不过信号的衰减也更为强烈。因此10cm波段的气象雷达被广泛使用，但其成本也远高于5cm波段的雷达系统；3cm波段雷达仅使用于超短距离范围内的监控；而1cm波段的雷达仅用于毛毛雨或雾等微粒天气现象的研究。

雷达波会以球面波的形式从雷达站向外传播。这会导致在相同时间内，雷达波所穿过的空间体积会随着距雷达站距离的增大而增大，因此雷达的角坐标分辨率也随之下降。当雷达波射程达到150-200km探测范围时，单脉冲所扫描到的大气体积可能会接近1km3，称为脉冲体积。

确定高度

如果假定地球是一个球体，通过大气折射率和雷达站与天气系统间的水平距离，我们就可以计算天气系统的距地高度。

雷达系统会根据需要扫描一系列的特定角度。每一次扫描过后，天线都会为下一次探测进行高度调整。雷达站会重复这种方式来扫描不同角度，以探测到其周围尽可能大体积的空气。通常情况下，探测方圆250km、纵深15千米范围内的大气需要5到10分钟的时间。比如加拿大的5cm波段气象雷达的扫描角范围设定为0.3至25度。

视频

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