气象雷达探测的是什么？

有关气候和降雨，里面有着复杂的科学理论和过程，这里不做仔细讨论。说到清明下雨，一般的比较简单的解释是冬去春来的时候，冷空气势力逐渐减弱，海洋上的暖湿空气开始活跃北上，冷热空气经常交汇，再加上春天低气压和水汽也比较多，就容易下雨。

地形如青藏高原会影响气候（来源：http://www.60yqcas.cn/60nbxzdcgzs/200909/t20090919_2511870.html）

上期我们讲到，时至今日，我们日益发展的空间探测技术——卫星、气象雷达等探测方法——为我们的天气预报带来很大发展。那么，气象雷达是个什么设备，探测的都是什么东西？

雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。很明显，它是随着无线电（电磁波）的广泛应用而诞生的设备。雷达的基本原理是发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。它是空间遥感探测技术设备中的一种。

雷达探测飞机的原理图（来源：wiki，https://en.wikipedia.org/wiki/File:Radaroperation.gif）

雷达在第一次世界大战中诞生用于探测空中的金属物体——飞机，实际上，空中的云、雨等气象目标也会有无线电回波，在探测飞机等远处目标时被看作是干扰，但反过来利用这些回波也能进行科学探测。1941年英国最早使用雷达探测风暴。1942-1943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。随着技术发展，采用多普勒原理的气象雷达逐渐增多，它具有对大气流场结构的定量探测能力，后来又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达，具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达，以及偏振多普勒气象雷达等。

与普通雷达一样，气象雷达是通过目标对雷达波的反射来确定目标的位置和特性的，但它通过分析回波特征，关注的是云、雨等气象目标。通常，物体导电性越好，对雷达波的反射能力越强，反射面积越大，反射能量越高，物体的几何尺寸与波长相差很大时反射的能量变得非常微弱，而当反射面的直径可与波长相比拟时，反射回来的能量会明显升高。常用的雷达一般工作频率为200~10000MHz，这主要取决于雷达的用途和性能。

多普勒气象雷达（来源：科普中国，http://www.xinhuanet.com/science/2018-01/15/136884919_15155647728251n.jpg）

一些常见的气象雷达探测对象包括：

测云：探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性，由于云粒子比降水粒子小，测云雷达的工作波长较短，一般探测云比较少的高层云和中层云。

测雨：利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变；能探测的天气现象包括台风、局部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云体等。

测风：探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。由于风没有强的雷达回波，一般探测方式是跟踪挂在气球上的反射靶或应答器，对气球进行定位，来进行风的推算，所以实际直接探测的是气球。在气球上往往还同时搭载仪器探测高空的气压、温度和湿度。

识别冰雹：对于圆极化波，球形雨滴的回波将是向相反方向旋转的圆极化波，而非球形大粒子（如冰雹）对圆极化波会引起退极化作用，故可用来识别风暴中有无冰雹存在。

边界层大气的波动、风和湍流：上文说到的调频连续波雷达，通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率的之差方法来得到目标的距离信息，有极高的距离分辨率和灵敏度，可用来测定大气边界层信息。

云和降水粒子相对于雷达的径向运动速度：多普勒气象雷达，利用到运动物体回波的变化（多普勒原理），从而推算天气目标的运动方向和速度。

中国气象台不断公布全国气象雷达探测的雷达图（来源：中国气象台，http://www.nmc.cn/publish/radar/）

现代的气象雷达不单单探测简单的气象目标，还会综合很多特征得到更加复杂的参数，例如甚高频和超高频的多普勒雷达，利用对流层、平流层大气折射率的不均匀结构和中层大气自由电子的散射，可以探测1-100公里高度晴空大气中的水平风廓线、铅直气流廓线、大气湍流参数、大气稳定层结和大气波动等。