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第23章气象雷达

RobertJ.Serafin

23.1引言

当编写这本手册时，雷达气象学领域正发生着巨大的变化。虽然大多数雷达工程师熟悉

当前所使用的气象雷达，但几乎没有人意识到过去20年里在气象雷达领域中所取得的发展。

例如，应用现代数字信号处理技术和显示技术的多普勒雷达气象学发展得如此迅猛，致使美

国正计划用新一代的多普勒雷达系统（NEXRAD）代替现行使用的气象雷达网络。该系统将

对暴风雪、降雨量、飓风、龙卷风及其他重要天气现象提供定量的和自动的实时信息，并在

[1]

空间上和时间上比以往具有更高的分辨力。在机场终端区域，第二个多普勒雷达网络将对

阵风前沿、风切变、微爆和其他天气危害作出定量测量，以提高美国主要机场运行的安全性

[1][2]

。运用平板天线、彩色显示器和固态发射机的新一代多普勒雷达现在可供商业飞机使用，

而且这些技术有许多已被世界各国推广应用。

[3][4][5]

气象雷达研究界采用多部多普勒雷达获得三维风场。机载多普勒雷达已经用来模仿

[6]

这些能力，提供更高的机动性。极化分集技术用来辨别水中的冰雪微粒，以提高对降雨的

定量测量，并检测冰雹。同时，在新型雷达系列中，UHF和VHF固定波束系统正被用来得

[7]

到连续的水平气流分布图。这些例子是研究领域活力的例证。

本章将向读者介绍气象雷达，特别是气象雷达所特有的系统特性。在这一点上，应当注

意的是大多数气象雷达与其他用途的雷达具有很多相似之处，即脉冲和脉冲多普勒系统是一

致的；均使用抛物面天线、焦点馈电、低噪声固态接收机、磁控管、锁相磁控管、速调管、

行波管及其他形式的发射机。

气象雷达和其他用途雷达的主要区别在于目标属性的不同。气象目标分布在空间中，占

据大量雷达观察的空间分辨单元，且为了估计降雨量、降雨类型、空气流动、湍流及风切变

等参数，必须对接收信号的特征进行定量的测量。另外，由于许多的雷达分辨单元都含有有

[8][9]

用的信息，因此气象雷达要求有高数据率的记录系统和为实时显示提供有效的方法。多

数雷达是为了从杂波背景中分辨出相对来说少量的目标，而气象雷达则主要是对气象杂波本

身的属性作出精确地估测。这就给雷达系统设计者提出了挑战性的问题。

本章的讨论将参考大量有用的教科书和参考资料。Battan编写的教科书[10]（修订于1973

年），其清晰性和完整性特别值得一提，而且在世界的各大学里一直把它作为雷达气象学的标

[11]

准课程广为传授。Doviak和Zrnic特别强调了多普勒气象雷达。在“雷达手册”第一版中，

[12]

Bean等人所撰写的第24章指出了天气对雷达的影响问题。最后，由美国气象学会（AMS）

发起召开的一系列雷达气象学会议的会议录或是重印的文章，或许会提供有关该领域进展的

最广泛、最完整的整套参考资料。这些资料可以在大多数技术图书馆中找到，也可通过在波

士顿的AMS的办公室得到。

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23.2气象目标的雷达距离方程

可以从适用于一般雷达的表达式导出来自分布目标的接收功率。作为开始，下面给出其

简单的表达方式，即

P（23.1）

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