李柏

（中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

0 引言

氣象雷達對天氣過程尤其是災害性天氣過程的監(jiān)測能力顯示出了不可替代的作用，正如美國氣象學會成立100周年的年會上，對氣象雷達的評價是“可以說，在沒有氣象雷達之前，嚴格意義上說是沒有中尺度氣象學的，氣象雷達的發(fā)展推動了中尺度氣象學的發(fā)展”。正因如此，氣象雷達受到世界上大多數(shù)國家和包括世界氣象組織在內(nèi)的相關(guān)國際組織的高度重視。我國從20世紀90年代后期開始建設(shè)新一代天氣雷達網(wǎng)，尤其是依托《天氣雷達近期發(fā)展規(guī)劃（2005—2010年）》《新一代天氣雷達建設(shè)增補站點布局方案》《氣象雷達發(fā)展專項規(guī)劃（2017—2020年）》等國家級規(guī)劃的實施，全國氣象雷達產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和人才發(fā)展快速，氣象雷達建設(shè)布局更加合理，雷達業(yè)務(wù)應(yīng)用能力顯著提升，取得了突出的社會經(jīng)濟效益。

1 我國氣象雷達規(guī)模與應(yīng)用概況

經(jīng)過“十三五”的建設(shè)，我國在網(wǎng)天氣雷達數(shù)量已經(jīng)超過270部，在規(guī)模上已經(jīng)屬于最大，超過了美國和歐盟的建設(shè)規(guī)模。監(jiān)測預警強對流災害性天氣的短時預報準確率比原來提高3%～5%，時效提前幾十分鐘到數(shù)小時，在災害性天氣監(jiān)測和預警服務(wù)方面發(fā)揮了重要作用，取得了較好的社會經(jīng)濟效益。

超過110部已建天氣雷達已經(jīng)完成雙偏振技術(shù)改造，初步研究結(jié)果表明：雙偏振雷達由于其提供了更多的有效物理量，在強降水估測、冰雹識別、降水云系微物理特征，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

目前正在興起的X波段系列天氣雷達（X波段相控陣天氣雷、X波段全固態(tài)機械掃描雷達和X波段大功率速度調(diào)管掃描雷達）研制和外場試驗工作，為下一步氣象雷達注入了一定活力，尤其對我國復雜地形條件下的低空覆蓋能力提高發(fā)揮了很好的作用。

在京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等地區(qū)開展了基于風廓線雷達、毫米波云雷達、微波輻射計、激光雷達等地基遙感感測設(shè)備為主的超大城市垂直氣象綜合觀測試驗，為獲取云的精細微物理與動力參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)，與天氣雷達一起，構(gòu)成云—云雨轉(zhuǎn)化—降水整個過程的觀測。初步取得了一些實際經(jīng)驗和科學數(shù)據(jù)，為綜合氣象觀測構(gòu)成與布局的進一步發(fā)展奠定了科學基礎(chǔ)。

2 美國在氣象雷達技術(shù)發(fā)展的概況

為了更好地了解我國氣象雷達的發(fā)展與挑戰(zhàn)，作為對比，本節(jié)介紹美國在21世紀初制定的氣象雷達發(fā)展戰(zhàn)略。

美國始終把WSR-88D雷達發(fā)展作為一個主線。2002年春，美國三個NEXRAD機構(gòu)通過項目管理委員會（PMC），要求技術(shù)咨詢委員會（TAC）為整個NEXRAD項目的長期發(fā)展制定戰(zhàn)略計劃。三個機構(gòu)的請求是基于這樣一種信念，即：在WSR-88D中，美國擁有一個可以不斷升級的天氣監(jiān)測雷達系統(tǒng)，以利用以前未開發(fā)的能力和新興技術(shù)（特別是在數(shù)字信號處理領(lǐng)域），提高了對氣象現(xiàn)象的科學理解。并提出了美國在“WSR-88D多普勒天氣雷達可能的戰(zhàn)略發(fā)展方向（Possible Strategic Directions for the Wsr-88d Doppler Weather Surveillance Radar）”①美國下一代天氣雷達技術(shù)咨詢委員會（NEXRAD Technical Advisory Committee），2003年6月18日。，該報告明確提出了一些原則。

1）將WSR-88D的改進與NEXRAD后續(xù)系統(tǒng)的并行開發(fā)協(xié)調(diào)起來

作為第一條一般原則，WSR-88D在其剩余的使用壽命期間的增強應(yīng)該與后續(xù)系統(tǒng)的并行開發(fā)密切協(xié)調(diào)。雖然每個項目都是不同的，但這兩項努力提供了許多協(xié)同的機會。后續(xù)系統(tǒng)可能是一個全新的雷達，也可能是對現(xiàn)有雷達的重大改造和升級，用相控陣天線取代現(xiàn)有的機械掃描碟形天線將是一個很好的例子。

2）增加全國雷達網(wǎng)的密度

由于現(xiàn)存NEXRAD網(wǎng)絡(luò)的一個重大缺點是在低空水平上的覆蓋范圍有限。這嚴重影響了降水估計（降雪和降雨）、強風暴探測、輻合線探測和邊界層風估計的有用范圍。在不改變WSR-88D的掃描策略，即不使仰角低于0.5°以下（局部可以考慮），也不采用RHI掃描的前提下，增加現(xiàn)有雷達布局密度，可以提高對邊界層的覆蓋。

3）在WSR-88D的剩余使用壽命中，盡可能生成最佳質(zhì)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)品

用戶不僅要求雷達網(wǎng)絡(luò)提供準確、可靠、及時的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，還要求將數(shù)據(jù)質(zhì)量作為數(shù)據(jù)流的一部分。對數(shù)據(jù)質(zhì)量度量的這種需求是數(shù)據(jù)使用日益多樣化和更加復雜的直接后果。特別是，美國聯(lián)邦航空局正在開發(fā)的應(yīng)用程序是基于使用全自動算法處理NEXRAD數(shù)據(jù)，最終產(chǎn)品將直接發(fā)給終端用戶，如管制員、監(jiān)督員和交通流量管理人員。

4）顯著提高計算能力和通信帶寬

在可預見的未來，來自原位測量、衛(wèi)星和雷達網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)流都將不斷擴大。例如，在WSR-88D上安裝偏振功能將導致數(shù)據(jù)流增加2～4倍。所屬雷達專家的一些建議也是將大大增加需要處理的數(shù)據(jù)量。顯然，雷達系統(tǒng)未來的成功運行，無論是單獨或作為國家網(wǎng)絡(luò)的一部分，都需要大幅提高與雷達相關(guān)的計算能力，以及作為網(wǎng)絡(luò)主干的電信帶寬。雖然應(yīng)該盡一切努力通過壓縮方案優(yōu)化現(xiàn)有帶寬的使用，但目前的趨勢表明，未來更寬的電信帶寬將是必不可少的。

5）開發(fā)、測試和實施先進的雷達波形和信號處理技術(shù)

相位編碼、參差脈沖重復時間、脈沖壓縮和過采樣是可能的工程進展，需要大力追求，因為它們可能導致改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、靈敏度和提高掃描速率。雷達數(shù)據(jù)流的頻譜處理可以進行研究，因為它非常適合自適應(yīng)去除來自外部輻射源的偽影和干擾。此外，在有效信噪比方面可以獲得約10 dB的增益，這將擴大在晴空大氣中的探測能力，并使更好的云探測成為可能?？梢蕴剿髯R別龍卷風環(huán)流的頻譜處理方案。

6）支持協(xié)同努力，將雷達數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)集成到增強的決策支持系統(tǒng)中

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)、本地運行的風暴尺度數(shù)值模型、決策支持系統(tǒng)和為非氣象學家生產(chǎn)產(chǎn)品的全自動化處理系統(tǒng)，只是美國和其他國家的一些機構(gòu)目前正在部署或正在開發(fā)的技術(shù)的幾個例子。這三個機構(gòu)中有一個正在部署或開發(fā)許多這樣的系統(tǒng)，以支持任務(wù)的完成。所有這些都表明，在2010—2020年，需要對使用雷達數(shù)據(jù)的三方系統(tǒng)的期望功能有一個清晰的愿景，這一愿景將反過來推動雷達增強和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

此外，美國還十分注重氣象雷達空地、星地一體化發(fā)展戰(zhàn)略，先后推出了以有人機和無人機多種遙感與氣象雷達一體化的機載氣象綜合探測系統(tǒng)，并已經(jīng)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用；在星載雷達方面先后推出了GPM項目和旋風陣列衛(wèi)星極化項目，前者是基于星載的雙頻雷達與多通道微波成像儀的實現(xiàn)對降水系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)探測；后者是通過8顆衛(wèi)星組成的陣列衛(wèi)星與全球GPS系統(tǒng)組成，在廣闊洋面上實現(xiàn)風的監(jiān)測能力。

美國通過幾十年的科學合理規(guī)劃基本建成了一個在氣象雷達技術(shù)發(fā)展完整的一體化的體系。即以多個大學和研究機構(gòu)開展基礎(chǔ)性和理論研究實現(xiàn)氣象雷達原理樣機創(chuàng)新；再由業(yè)務(wù)部門（NOAA）、大學和研究機構(gòu)并聯(lián)合雷達制造商（NWS的合作伙伴）長期開展工程化試驗，試驗取得工程樣機以及觀測方法、質(zhì)量控制方法以及氣象雷達設(shè)備功能需求書等一系列成果；在此基礎(chǔ)上，將成果轉(zhuǎn)化給有關(guān)合作伙伴（多個商家）進行生產(chǎn)，在此期間實現(xiàn)工藝、流程標準化生產(chǎn)，提高性價比。從整個體系可以看出，跳出了氣象部門辦氣象雷達的格局，實現(xiàn)了集全社會的力量推進氣象雷達技術(shù)發(fā)展。

3 國民經(jīng)濟發(fā)展與防災減災對氣象雷達的需求

世界氣象組織（WMO）儀器與觀測方法委員會（CIMO）早在2016年就明確提出未來氣象綜合觀測將朝“定制化服務(wù)的綜合氣象觀測”方向發(fā)展。氣象雷達在定制化氣象觀測方面已經(jīng)顯示出它巨大的潛力和優(yōu)勢；各種特定場景的定制化氣象觀測對氣象雷達的需求越來越強烈，如：森林防火、山區(qū)局地范圍面雨量獲取、民航大型機場和正在興起的通用機場保障飛行安全與提高效率等。

我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，對氣象雷達的需要也越發(fā)凸顯出來；無論是防災減災氣象保障、特色農(nóng)業(yè)發(fā)展、國際國內(nèi)旅游業(yè)的發(fā)展需求以及國防建設(shè)發(fā)展都對氣象雷達提出了更加廣泛的需求；而且各個領(lǐng)域的氣象服務(wù)保障體系建設(shè)更加緊密地與氣象雷達緊緊地聯(lián)系在一起了；并且，正在興起的氣象預報的一個新型分支——臨近預報，更是依托于氣象雷達而建設(shè)的。此外，氣象科學研究與探索，數(shù)值預報的物理過程改進與能力提高、以氣象雷達觀測變量為基礎(chǔ)的雷達氣候?qū)W也對氣象雷達的發(fā)展提出了更高、更新的需求。

4 氣象雷達主要技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 氣象雷達技術(shù)朝向多頻段技術(shù)發(fā)展

隨著氣象科學與技術(shù)的不斷進步，世界各個國家的科學家都逐步認識到，要全方位揭示出大氣中各種氣象特征，發(fā)展多頻段氣象雷達是一個十分有效的技術(shù)途徑；氣象雷達早期僅限于天氣雷達技術(shù)，即主要用于測量降水的氣象雷達，我們稱為天氣雷達，也即測雨雷達，主要涉及X、C和S波段。隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)不同微波、光波和聲波頻段對大氣中的降水粒子、湍流、溫度、濕度和風等不連續(xù)界面、以及水汽、氣溶膠和大氣成分等目標有著十分密切的對應(yīng)相關(guān)關(guān)系。例如：激光頻譜對大氣的成分、氣溶膠具有敏感性；L波段對大氣邊界層的大氣折射指數(shù)（湍流）具有很好的敏感性；X、C和S頻段對降水粒子具有很好的敏感性。Ka頻段和W頻段對大氣中十分微小的云粒子十分敏感等。因此，氣象雷達正朝向構(gòu)建探測全粒子譜特征的多頻譜技術(shù)發(fā)展，即：聲波—光波—L波段—X-C-S—Ka-W等多頻譜技術(shù)。圖1給出了不同頻率對應(yīng)的波長與實際目標尺寸對應(yīng)關(guān)系。

圖1 頻率與波長對應(yīng)關(guān)系圖Fig.1 Correspondence between frequency and wavelength

然而，雷達波長與目標物尺寸對應(yīng)關(guān)系，實際上是通過兩種機制建立相關(guān)聯(lián)的，一是波長與目標物的尺寸（等效直徑）是否滿足瑞利散射或米散射建立對應(yīng)關(guān)系；二是波長與雷達散射截面（RCS）建立對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)雷達方程理論，在雷達方程中確定雷達接收到的回波功率的一個關(guān)鍵因子是雷達散射截面σ（RCS），而RCS是與雷達波長λ密切相關(guān)，根據(jù)對雷達散射截面與波長的關(guān)系分析可看出，在同等信噪比條件下，對同樣大小粒子，其波長越短的散射截面越大，波長越長其散射截面越小；因此，由此說明越短的波長對小粒子更敏感。

4.2 氣象雷達技術(shù)朝向全天氣過程觀測技術(shù)發(fā)展

氣象雷達全天氣過程監(jiān)測技術(shù)是衡量雷達能否實現(xiàn)對天氣過程全面、準確與完整的監(jiān)測能力的體現(xiàn)。眾所周知，全天氣過程主要包括：晴空大氣階段、云形成階段、降水階段和氣象災害階段四個階段構(gòu)成。每個階段之間緊密相關(guān)。因此，要實現(xiàn)科學揭示出大氣真實物理過程，就必須對每個階段進行有效地科學探測。然而，要實現(xiàn)天氣過程四個不同階段有效監(jiān)測，不僅在雷達硬件技術(shù)上要針對相對應(yīng)天氣系統(tǒng)演變各個階段的特點的配套技術(shù)，而且更重的是要建立起針對不同階段特征的相應(yīng)的掃描策略和有效的觀測模式。

一部雷達只有配上最佳的觀測模式，才能充分發(fā)揮氣象雷達從晴空大氣狀態(tài)，到各種云和降水，直至災害形成的觀測能力。那么要做到這些，還必須根據(jù)雷達技術(shù)性能、特點、技術(shù)體制，設(shè)計一系列的雷達掃描策略；氣象雷達掃描策略是雷達硬件與觀測模式的一個紐帶，就像“氣象雷達方程”，是雷達設(shè)備與觀測的天氣系統(tǒng)之間的“橋梁”一樣。

天氣系統(tǒng)演變過程不同的特點主要體現(xiàn)在天氣系統(tǒng)是晴空大氣階段，還是處于降水階段；是一般性降水還是對流性降水；是淺對流還是深對流。必須根據(jù)其不同的特征，再結(jié)合氣象雷達本身的技術(shù)體制和性能指標，開展掃描策略的波形設(shè)計。氣象雷達波形設(shè)計主要包括了連續(xù)監(jiān)測波形設(shè)計和連續(xù)多普勒波形設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上在考慮如下雷達主要參數(shù)：脈沖寬度、脈沖重復頻率、發(fā)射脈沖與天線轉(zhuǎn)速的配置，發(fā)射脈沖采用交替發(fā)射、Batch發(fā)射等，不同仰角層發(fā)射配置。氣象雷達波形設(shè)計主要目的是：根據(jù)天氣系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)特性，水平尺度與垂直尺度等因素，力求獲得從晴空大氣中信息，到降水和強對流天氣的深厚對流信息?？偟哪康木褪牵夯夭◤姸葎討B(tài)范圍大、探測距離廣、測速范圍高，且垂直結(jié)構(gòu)精細，并且使得氣象雷達探測距離與速度均不模糊范圍大的信息。然而，作為氣象雷達的一個重要組成部分，觀測模式與掃描策略的設(shè)計過程必須清楚地意識到：在多普勒脈沖技術(shù)體制雷達下，最大不模糊距離與最大不模糊速度獲得，是一對矛盾體；快速采樣與獲得精度高，準確性高的質(zhì)量數(shù)據(jù)是一對矛盾體；高空間分辨率的垂直精細化結(jié)構(gòu)采樣與高時間分辨率是一對矛盾體；利用過采樣技術(shù)提高方位角空間分辨率與采樣精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量之間是一對矛盾體。如何有效解決好這些矛盾體，是氣象雷達朝向全天氣過程觀測發(fā)展的關(guān)鍵所在。因此，觀測模式和掃描策略設(shè)計必須以天氣的情況作為最重要因素加以考慮。

美國在WSR-88D雷達掃描策略和觀測模式的發(fā)展上，通過大量實際觀測實踐，到目前為止設(shè)計了CS連續(xù)監(jiān)測掃描和CD多普勒掃描兩種波形，并在此基礎(chǔ)上建立了三種晴空觀測模式和四種降水觀測模式，并將Split-Cuts、SZ-2、Batch Cuts三個靜態(tài)掃描策略和AVSET、SAIL、MRLE三個動態(tài)掃描策略用于適應(yīng)不同天氣特征的觀測模式中①Office of the Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research,2017.Federal Meteorological Handbook No.11: WSR-88d Meteorological Observations Part C WSR-88d Products and Algorithms.Fcm-H11c-2017 Silver Spring,Md October 2017。。

? Split-Cuts：最大程度實現(xiàn)距離與速度不模糊數(shù)據(jù)采樣；

? SZ-2：采用雙重復頻率實現(xiàn)不模糊距離與不模糊速度的擴展，以減小距離與速度模糊帶來數(shù)據(jù)質(zhì)量問題；

? Batch-Cuts：采用CD（連續(xù)多普勒）波形實現(xiàn)在較高仰角層不模糊距離與速度的擴展；

? AVSET：目標是消除不必要的高仰角層掃描，縮短體掃描的周期，以提高采樣的時間分辨率；

? SAIL：目標是在對流天氣期間提供更頻繁的低層大氣掃描采樣，及時追蹤中小尺度天氣系統(tǒng)快速變化的最新信息；

? MRLE：目標是在對流天氣期間提供更多頻次的對大氣深厚層次部分進行掃描，以獲取天氣系統(tǒng)的精細化垂直結(jié)構(gòu)信息。

上述掃描策略和觀測模式，根據(jù)天氣系統(tǒng)不同階段特征，有效解決了業(yè)務(wù)雷達WSR-88D組網(wǎng)觀測相關(guān)的問題，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量為雷達數(shù)據(jù)深入應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

4.3 氣象雷達技術(shù)朝向多平臺技術(shù)發(fā)展

氣象雷達的發(fā)展，除了本身技術(shù)不斷發(fā)展外，還與其承載雷達的平臺緊密相關(guān)。地基固定式氣象雷達雖然具有探測精度高、準確性高的特點，但受地形地貌影響，受雷達自身天線尺寸大小的限制，難以實現(xiàn)對特定氣象目標的高分辨率、高準確性的有效探測，尤其是近海和遠海臺風等重要天氣系統(tǒng)的精準探測難以實現(xiàn)。此外，中國作為一個氣象大國，若要想向氣象強國邁進，就不能局限于本國范圍探測，因為“大氣運動”無國界，地球大氣是一個整體，同時圍繞“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，必須構(gòu)建一個覆蓋全球的探測體系，因此發(fā)展多平臺技術(shù)實現(xiàn)全球化和“一帶一路”氣象雷達精細化觀測，就成為當今世界氣象雷達發(fā)展的一個重要趨勢。

構(gòu)建一個覆蓋我國大部降水區(qū)域和流域?qū)崿F(xiàn)其高分辨、高精度、準確定量測量的地基氣象雷達網(wǎng)；同時輔以有人機和無人機機載氣象雷達實現(xiàn)特定區(qū)域和特定氣象目標（近海登陸臺風）的多要素綜合探測系統(tǒng)；再輔以低軌星載氣象雷達探測系統(tǒng)實現(xiàn)跨區(qū)域、跨大洋的覆蓋全球的探測。從而實現(xiàn)集相互校準、相互驗證的星-地-空三位一體化的氣象雷達探測體系（圖2）。

圖2 多平臺技術(shù)構(gòu)建三位一體化的氣象雷達觀測體系Fig.2 Three-in-one weather radar system based on multi-platform technologies

氣象雷達多平臺技術(shù)發(fā)展的主要任務(wù)是：

1）構(gòu)建一個從局地—區(qū)域—全球氣象雷達探測體系，實現(xiàn)全球覆蓋；

2）利用地基車載、機載和星載氣象雷達，實現(xiàn)特定區(qū)域和特定目標的抵近探測，以獲得高精度、高分辨率的準確觀測數(shù)據(jù)；

3）通過星-地-空三位一體化氣象雷達網(wǎng)構(gòu)建，通過相互比對、相互驗證建立起一個實時校準與標校的業(yè)務(wù)體系。

由于氣象雷達探測技術(shù)本身的局限性和天氣系統(tǒng)的復雜性等多種因素的制約，要想實現(xiàn)對大氣中的各種現(xiàn)象和系統(tǒng)的有效與精確探測，就必須構(gòu)建地基—空基—天基平臺的探測技術(shù)；以實現(xiàn)對特定區(qū)域、特定目標的有效精準探測。以雷達波束寬度為1°為例：當雷達發(fā)射脈沖寬度τ=1 μs時，在距離雷達10 km處的雷達PPI采樣的空間分辨率為大約0.175 km×0.15 km；而在50 km處，其PPI采樣空間分辨為：0.873 km×0.15 km，二者相差盡達5倍。因此，機載氣象雷達利用其自身靈活快捷的優(yōu)勢，開展特定氣象目標的抵近探測作用十分顯著。

高中物理教育所采用的開放式的教學方式避免了學生在學習過程中產(chǎn)生消極的學習情緒.教師在教學過程中通過引導學生進行相關(guān)的學習并對學生的學習成果進行贊揚，對學生自主學習物理能力的培養(yǎng)起到了良好的作用.學生在物理實驗的過程中通過自己的設(shè)計和操作完成相關(guān)的實驗，收貨了成功的喜悅，提升了自身對于物理學習的自信心，對學習物理會更加的積極和主動.

4.4 氣象雷達技術(shù)朝向組網(wǎng)協(xié)同觀測技術(shù)發(fā)展

所謂協(xié)同就是指協(xié)調(diào)兩個或者兩個以上的不同資源或者個體，協(xié)同一致地完成某一目標的過程或能力。廣義的協(xié)同氣象綜合觀測技術(shù)即WMO提出的Network of Networks就是組成氣象綜合觀測系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)（地面自動站AWS網(wǎng)、天氣雷達網(wǎng)、L波段探空網(wǎng)等子系統(tǒng)）通過有機的組合、科學合理布局。實現(xiàn)氣象預報與服務(wù)、氣候與氣候變化所需的觀測變量準確有效的測量，而狹義協(xié)同觀測技術(shù)（System of Systems），就是針對某一個具體的觀測子系統(tǒng)，通過科學合理的布局，充分利用時間與空間的同步技術(shù)，采用有效的觀測模式，以有限的規(guī)模實現(xiàn)觀測精度高、時間與空間分辨率高（尤其是在垂直方向的分辨率高）、觀測變量和諧均勻（Harmonious）的測量技術(shù)。

對于一個氣象雷達網(wǎng)，組網(wǎng)雷達可能是不同類型的氣象雷達進行組網(wǎng)，也可能是同類別的多部雷達進行組網(wǎng)，以實現(xiàn)對更大范圍的有效探測；但對于氣象雷達協(xié)同觀測而言，應(yīng)當注重多種不同類型的雷達開展協(xié)同觀測，以實現(xiàn)多頻段的多類別的氣象雷達在同一時間對同一空間的目標進行有效綜合探測，從而實現(xiàn)對大氣的全方位的揭示，進而實現(xiàn)不同類型雷達的相互比較、相互驗證。氣象雷達協(xié)同觀測技術(shù)已經(jīng)是氣象雷達技術(shù)發(fā)展的重要方向，協(xié)同觀測技術(shù)目前正以兩個方向發(fā)展，一是協(xié)同組網(wǎng)的綜合觀測技術(shù)，它是以觀測方法、質(zhì)控方法等對多種不同雷達進行組網(wǎng)協(xié)同觀測；另一種是以多頻段的探測設(shè)備實現(xiàn)同平臺的綜合協(xié)同觀測；無論哪種協(xié)同觀測技術(shù)，它們的終極目標都是實現(xiàn)時間與空間的同步觀測，最終達到相互比較、相互驗證，從而構(gòu)建出多種物理量的融合產(chǎn)品，全方位揭示出大氣的特征。

協(xié)同組網(wǎng)觀測技術(shù)是現(xiàn)代觀測體系不斷發(fā)展而孕育出的綜合技術(shù)，涉及內(nèi)容廣泛，技術(shù)構(gòu)成復雜多樣，但其關(guān)鍵核心技術(shù)構(gòu)成可以做以下概括（圖3）。

圖3 協(xié)同觀測的核心要素Fig.3 Core elements of collaborative observation

1）科學合理的布局

任何觀測系統(tǒng)，無論規(guī)模大小均受到建設(shè)成本、環(huán)境和人力與物力的限制；因此，如何根據(jù)各種觀測設(shè)備性能與探測能力、布設(shè)區(qū)域的環(huán)境（地形地貌）、天氣與氣候特征進行合理科學的布局，以有限規(guī)模實現(xiàn)觀測最大化效益。

2）時間與空間的同步技術(shù)

組網(wǎng)觀測最重要一點就是組網(wǎng)觀測的各觀測設(shè)備在觀測采樣過程中，必須保持采樣的高度一致性，也即均勻性。為此，對每個觀測設(shè)備在觀測過程中，必須保持采樣的時間與空間同步。因為氣象目標是彌散氣象目標，其特征僅具有統(tǒng)計特性，采樣空間不同、采樣的空間大小不同、采樣時間不同、采樣的樣本累計數(shù)不同均會直接導致觀測數(shù)據(jù)的差異。因此，時間與空間的同步技術(shù)才能有效保證觀測數(shù)據(jù)的一致性，并且由此獲得觀測數(shù)據(jù)具有可比性，能夠進行相互比較與相互驗證。

技術(shù)性能指標再好的觀測設(shè)備，若沒有配套系統(tǒng)的、完備的觀測方法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，是無法獲得高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的；因為實際大氣十分復雜，會出現(xiàn)各種各樣的干擾因素，包括設(shè)備本身的人為因素（如：脈沖多普勒體制下的距離與速度模糊問題、波束寬度導致回波高度誤差問題等）；因此各種觀測設(shè)備，根據(jù)自身性能與特點建立起系統(tǒng)的、有效的觀測方法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，能夠最大限度保障采樣觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效性。經(jīng)典的WSR-88D雷達的掃描策略和觀測模式，為氣象雷達設(shè)備有效觀測樹立了一個典范。作為氣象雷達在所有掃描策略與觀測模式設(shè)計中，還必須堅持以天氣系統(tǒng)特征為基本出點，突出氣象雷達在天氣系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)和低層大氣覆蓋為重點的設(shè)計理念，充分發(fā)揮氣象雷達對中小尺度天氣系統(tǒng)監(jiān)測的有效性。

4）觀測內(nèi)容與觀測要素的融合

“融合”一詞，從物理意義上來講是指多種物質(zhì)熔成或熔化形成一體。對于氣象雷達而言，不同頻段的氣象雷達觀測數(shù)據(jù)以及氣象雷達觀測數(shù)據(jù)與其他觀測獲得數(shù)據(jù)之間通過某種算算法進行的融合，可以為我們提供更具物理意義和更具有實際應(yīng)用能力數(shù)據(jù)產(chǎn)品。例如：由多頻雷達（S波段、X波段和Ka波段三頻雷達）可以提供從大雨滴、小雨滴到云滴的粒徑譜的特征分布，為揭示降水云系粒子構(gòu)成提供了一個更加逼近實際降水云系的粒子譜的分布；同樣，利用氣象雷達獲得的反射率因子聯(lián)合地面雨量計開展降水估測，不僅獲得了更加符合實際降水強度結(jié)構(gòu)的特征信息，同時還獲得了較高分辨率的降水分布特征信息。再有，利用天氣雷達獲得的VAD風場信息與L波段風廓線風場的融合，實現(xiàn)了中低層大氣風場在垂直方向和區(qū)域水平方向的融合風場，為揭示中低層大氣風場結(jié)構(gòu)，提供了十分有效信息，彌補了大尺度探空信息嚴重不足。上述這些過程是氣象雷達融合產(chǎn)品的最典型的體現(xiàn)。

5）相互比對與相互驗證，標校與量值傳遞實現(xiàn)觀測要素和諧均勻

組網(wǎng)觀測的均一性，尤其是多種設(shè)備組網(wǎng)觀測均一性問題，是協(xié)同觀測技術(shù)構(gòu)成的十分重要內(nèi)容之一；要實現(xiàn)這一“均一性”，就必須構(gòu)建一整套對組網(wǎng)觀測設(shè)備獲得數(shù)據(jù)的比對、驗證及量值傳遞的實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法；這對提高組網(wǎng)觀測的整體的數(shù)據(jù)質(zhì)量具有十分重要作用。例如：天氣雷達網(wǎng)組網(wǎng)觀測過程中，方位仰角校準、機內(nèi)功率標校以及構(gòu)建共同的參照系就是構(gòu)建整體觀測一致性的舉措。例如：美國正在研究利用GPM衛(wèi)星搭載的雙頻測雨雷達（雙頻Ka和Ku）來為地面WSR-88D雷達網(wǎng)構(gòu)建一個參照系，以實現(xiàn)WSR-88D雷達組網(wǎng)觀測的整體一致性。

上述五個方面，構(gòu)成了協(xié)同觀測的核心要素，缺一不可。

4.5 氣象雷達技術(shù)朝向高精度、高時空分辨率精細化探測發(fā)展

氣象雷達技術(shù)一方面在科學研究與探索發(fā)現(xiàn)和防災減災越來越高的需求和越來越精準的需求驅(qū)動下，另一方面又受到電子技術(shù)、計算機技術(shù)和氣象科學的不斷進步與發(fā)展的驅(qū)動；氣象雷達技術(shù)總體發(fā)展正朝向更加深入的（宏觀與微觀）物理特性、高時空分辨和更加精準的定量化技術(shù)方向發(fā)展。隨著許多其他行業(yè)技術(shù)不斷應(yīng)用于氣象探測領(lǐng)域，并通過氣象雷達得以實現(xiàn)。如：為了提高雷達時間與空間分辨率，以提高對大氣和各種天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認識，相控陣技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)等已經(jīng)應(yīng)用于氣象雷達中；又如：為了提高對大氣中的微物理特性認識，雙偏振技術(shù)已經(jīng)在氣象雷達中也得到了廣泛應(yīng)用。此外，還有雙雷達觀測技術(shù)、多基地雷達技術(shù)、相位編碼技術(shù)、連續(xù)波雷達技術(shù)、合成孔徑雷達技術(shù)等紛紛應(yīng)用于氣象雷達中。隨著這些新技術(shù)的不斷應(yīng)用，氣象雷達的探測能力、探測精度、采樣分辨率（時間與空間分辨率）以及水凝物識別能力均有了顯著提高。為中尺度氣象學理論發(fā)展、機理認知的突破奠定了堅實基礎(chǔ)。

4.6 氣象雷達技術(shù)朝向多功能綜合一體化技術(shù)發(fā)展

隨著氣象雷達網(wǎng)、軍事情報雷達網(wǎng)和民用導航雷達網(wǎng)的規(guī)?；疫@種規(guī)模正不斷擴大，從而導致各個雷達網(wǎng)之間，以及各個網(wǎng)內(nèi)部之間的頻率資源和干擾問題日益突出。使得各種雷達技術(shù)融合問題也放到了一個重要位置上；氣象雷達技術(shù)也正在朝向與其他雷達網(wǎng)融合發(fā)展的趨勢；使其朝向多功能、多元化方向發(fā)展。即：氣象雷達不僅能夠探測大氣特征，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)軍事目標的搜索警戒探測和民用航空器的飛行管控等多種功能發(fā)展模式。例如：美國早在2006年，就由NOAA組織制定了《氣象雷達發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》①Interdepartmental Committee for Meteorological Services and Supporting Research,Committee for Cooperative Research (CCR),Joint Action Group For Phased Array Radar Project (Jag/Parp),2006.Federal Research and Development Needs and Priorities for Phased Array Radar,FCM-R25-2006。，明確提出了要實現(xiàn)氣象目標、軍事目標和民航飛行器的三位一體化的新型雷達系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略；這一戰(zhàn)略的實施，使得新型雷達系統(tǒng)采用三位一體化的硬件結(jié)構(gòu)模式和分離式的后端信號處理模式來實現(xiàn)。其結(jié)果使得頻率資源大幅度增加，頻率復用率也將得到極大提高，為氣象雷達進一步發(fā)展提供了豐富的頻率資源保障。

4.7 氣象雷達技術(shù)朝向“社會化”與“專業(yè)化”兩個層面發(fā)展

2019年世界氣象組織WMO在世界氣象大會期間，舉行了一場公私對話高級別圓桌會議。來自公共、私營以及學術(shù)部門的170多位代表圍繞預報、數(shù)據(jù)、服務(wù)供求等未來挑戰(zhàn)以及增進信任等展開了坦誠交流。此次對話規(guī)模大、級別高，可謂史無前例，天氣公司、維薩拉、Accuweather等眾多歐美氣象企業(yè)均派人參加，WMO秘書長、主席、副主席全部到場。會議現(xiàn)場氣氛熱烈，既有碰撞又有共識。在與氣象綜合觀測方面有如下觀點總結(jié)如下：

數(shù)據(jù)革命展望2030年，觀測數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，來自私營部門的非傳統(tǒng)數(shù)據(jù)將占更大比重。數(shù)據(jù)采集和使用將高度自動化，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能將成為主要驅(qū)動力量。實時數(shù)據(jù)大爆發(fā)將使高度精細化的服務(wù)成為可能，同時也帶來質(zhì)量和融合的問題，數(shù)據(jù)變多當然好，數(shù)據(jù)好用更重要，為此要加強相關(guān)規(guī)范標準的制定。加強數(shù)據(jù)共享，完善有關(guān)機制，避免出現(xiàn)“贏者通吃”，商業(yè)氣象活動不應(yīng)破壞數(shù)據(jù)的自由和不受限制的交換。

上述展望，已經(jīng)被氣象雷達技術(shù)發(fā)展趨勢所證實。氣象雷達正朝向高可靠、超穩(wěn)定、低成本、小型化方向發(fā)展，以實現(xiàn)氣象雷達探測以滿足社會化的基本需求目標，同時實現(xiàn)氣象雷達應(yīng)用全球化的大目標。突破氣象雷達在為數(shù)不多的氣象大國使用的局限性。讓更多的第三世界發(fā)展中國家買得起、用得起、用得好、發(fā)揮作用。然而，由此引發(fā)出了氣象雷達技術(shù)發(fā)展的兩個層面。一方面專業(yè)化的氣象雷達正朝向越來越高精度、高準確性的精確測量技術(shù)發(fā)展；另一方面，氣象雷達技術(shù)又呈現(xiàn)出以滿足實際需求的低成本、小型化的實用性雷達技術(shù)發(fā)展；與此同時，氣象雷達技術(shù)還面臨著一些依托無線通信網(wǎng)信號衰減降水測量技術(shù)、汽車雨刮器與GPS定位技術(shù)結(jié)合測雨技術(shù)等多種形式的社會化觀測技術(shù)的挑戰(zhàn)。綜合分析看，氣象雷達技術(shù)在專業(yè)化與社會化兩個層面發(fā)展的趨勢已經(jīng)形成。因此，不僅要建立針對專業(yè)化觀測技術(shù)發(fā)展的規(guī)范、標準；同時，也應(yīng)當加強對迅速發(fā)展的社會化氣象觀測的規(guī)范、標準的指導與建設(shè)，包括觀測設(shè)備、觀測數(shù)據(jù)、觀測產(chǎn)品等適應(yīng)社會需求的有針對性的規(guī)范與標準建設(shè)。

綜上所述，上述七個方面的技術(shù)發(fā)展趨勢，已經(jīng)構(gòu)成了氣象雷達技術(shù)發(fā)展主要技術(shù)核心內(nèi)容。

5 存在的主要問題與面臨的挑戰(zhàn)

我國氣象雷達經(jīng)歷了近70年的發(fā)展歷程，一躍成為世界氣象雷達大國。我國目前氣象雷達業(yè)務(wù)網(wǎng)與美國氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)相比，存在技術(shù)體制多、型號多的特點，而與歐盟現(xiàn)有氣象雷達業(yè)務(wù)十分接近；美國全國氣象雷達業(yè)務(wù)網(wǎng)是同一型號、統(tǒng)一頻段、統(tǒng)一標準、國家級統(tǒng)一保障維護；歐盟氣象雷達網(wǎng)則多型號、多頻段、維護定標均不統(tǒng)一，但歐盟氣象雷達網(wǎng)是通過制定統(tǒng)一技術(shù)標準（對各種型號雷達實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測產(chǎn)品的統(tǒng)一技術(shù)標準），從而實現(xiàn)了歐盟氣象雷達組網(wǎng)應(yīng)用。

我國氣象雷達的發(fā)展，面臨兩大方面挑戰(zhàn)，一是氣象雷達可持續(xù)發(fā)展研發(fā)體制、機制的挑戰(zhàn)；二是面臨的氣象雷達對氣象目標——“彌散目標”精細化、定量探測所要解決的“彌散氣象目標”的特性理論研究問題。本節(jié)就第一個挑戰(zhàn)進行簡要闡述。第二個挑戰(zhàn)將在《試論彌散氣象目標特性——氣象雷達技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素》①見本期P95頁。一文中進行具體闡述。

5.1 我國氣象雷達發(fā)展體系建設(shè)問題

氣象雷達發(fā)展不僅僅是氣象部門就能夠解決的問題，中國氣象局在氣象雷達發(fā)展上應(yīng)當更加注重技術(shù)的引領(lǐng)。技術(shù)引領(lǐng)主要通過兩個途經(jīng)來實現(xiàn)，一是開展氣象雷達科學試驗；二是在科學試驗基礎(chǔ)上制定技術(shù)標準。要推進中國氣象雷達由大國向強國邁進，必須堅持開放，跳出部門自己統(tǒng)攬氣象雷達的“部門辦氣象”的模式。集國家的力量和優(yōu)勢，構(gòu)建一個“五個階段一體化”的可持續(xù)發(fā)展體系；五個階段一體化的氣象雷達發(fā)展模式，是氣象雷達由氣象大國走向氣象強國的重要標志。即：氣象雷達技術(shù)發(fā)展要按照預研階段、研制階段、生產(chǎn)階段、建設(shè)階段、應(yīng)用階段的五個階段一體化的發(fā)展模式進行；根據(jù)不同階段目標與任務(wù)的不同、特點與重點的不同，以及責任主體的不同，系統(tǒng)地、整體地規(guī)劃設(shè)計研究我國氣象雷達發(fā)展，調(diào)動國家整體力量推動氣象雷達發(fā)展，形成各個階段目標與任務(wù)分工。

1）預研階段。開展理論研究與仿真系統(tǒng)構(gòu)建；目標：科學原理樣機；其責任主體：相關(guān)大學與科研院所。

2）研制階段。通過試驗基地解決觀測方法與質(zhì)量控制方法，構(gòu)建觀測模式，建立規(guī)范與標準、形成工程建設(shè)的功能需求書。目標：工程樣機；其責任主體：氣象業(yè)務(wù)專家為主導、科研院校與制造工程師共同參與；平臺：外場綜合試驗基地。

3）生產(chǎn)階段。實現(xiàn)產(chǎn)品批量工藝流程與質(zhì)量標準化，提高產(chǎn)品性價比；目標：產(chǎn)品標準化——固化產(chǎn)品；責任主體：設(shè)備制造工程師；由氣象業(yè)務(wù)專家建立起生產(chǎn)全過程的動態(tài)監(jiān)督機制。

4）建設(shè)階段。實現(xiàn)氣象雷達業(yè)務(wù)網(wǎng)的科學合理布局、建立業(yè)務(wù)流程與業(yè)務(wù)規(guī)范、實現(xiàn)業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行；目標：提高探測能力和數(shù)據(jù)質(zhì)量；責任主體：氣象業(yè)務(wù)人員。

5）應(yīng)用階段。根據(jù)不同部門和不同領(lǐng)域的實際需求，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、研制針對性的定制產(chǎn)品，發(fā)揮氣象雷達在防災減災、國防建設(shè)、經(jīng)濟活動等的氣象保障作用；目標：建立從研制到需求的循環(huán)反饋機制，提供更多高質(zhì)量的定制產(chǎn)品；氣象專家為主導，聯(lián)合大學與科研院所。

上述五個階段一體化的體系構(gòu)成，其關(guān)鍵要素是必須有一個開放式、多部門聯(lián)合的綜合試驗基地來支撐。因此，如何構(gòu)建一個開放式、綜合性的試驗基地，系統(tǒng)地、持續(xù)地開展各項工作，充分發(fā)揮各個部門在試驗基地這個平臺上的作用是一個重要且關(guān)鍵的問題。

5.2 我國氣象雷達發(fā)展在技術(shù)體制方面存在的主要問題

在我國氣象雷達領(lǐng)域由“大國”向“強國”邁進的進程中，必須盡快突破我國氣象雷達發(fā)展過程中呈現(xiàn)出來的“短板”與不足的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1）氣象雷達業(yè)務(wù)網(wǎng)實時定標系統(tǒng)建設(shè)問題

氣象雷達業(yè)務(wù)實時定標問題，是提高整個氣象雷達網(wǎng)質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)之一。構(gòu)建國家的天-空-地一體化的氣象雷達業(yè)務(wù)實時定標技術(shù)體系，是氣象強國的重要標志之一。同時，還要及時針對新型技術(shù)的應(yīng)用帶來的新的定標問題，例如：全固態(tài)體制的相控陣氣象雷達的測試與定標問題。微波暗室測量技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵要素之一。因此，在相控陣氣象雷達的測試定標方面，如何利用社會化力量來解決部門面臨的技術(shù)瓶頸問題，應(yīng)認真思考。

2）建立我國氣象雷達機載綜合探測體系問題

機載氣象雷達探測體系，不僅是氣象雷達技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一，更重要的是機載氣象雷達探測體系，對推動氣象科學研究、國防建設(shè)發(fā)展和防災減災等具有十分重大的意義。因此，組建“國家機載氣象雷達工程技術(shù)研究中心”，發(fā)展我國機載氣象雷達綜合探測體系，是氣象雷達技術(shù)發(fā)展的重大技術(shù)體制的一次突破。由于機載氣象雷達技術(shù)體系涉及面廣、涉及領(lǐng)域多，技術(shù)復雜程度高，必需要在國家層面構(gòu)建一個由氣象部門、電科集團、航空部門、軍方和大學組成的五位一體的“國家機載氣象雷達工程技術(shù)研究中心”，要把機載氣象雷達綜合探測體系建設(shè)，作為國家級的一項大科學裝置——“氣象重大科學裝置”來建設(shè)。

3）構(gòu)建我國多頻段氣象雷達標準系統(tǒng)問題

多頻段氣象雷達標準系統(tǒng)，是支撐我國氣象雷達技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的一項重大氣象基礎(chǔ)設(shè)施與科學裝置。它在氣象雷達技術(shù)發(fā)展進程中，是氣象雷達新型技術(shù)發(fā)展的參照系，同時也是開展綜合氣象科學試驗的重要大型科學裝置。美國早在40多年前就開始研制發(fā)展了多頻段的氣象雷達標準器，即坐落在科羅拉多州的Chill-Radar；該科學裝置為美國各種新型氣象雷達的技術(shù)發(fā)展、驗證提供了大量的、詳實的、重要的科學依據(jù)。發(fā)展研制我國氣象雷達重大科學裝置，即：國家級多頻段氣象雷達標準器，構(gòu)建氣象雷達探測參照系和標準，是推動氣象雷達發(fā)展重要內(nèi)涵，也是氣象強國的重要標志之一。

6 氣象雷達技術(shù)發(fā)展現(xiàn)階段的熱點問題：全固態(tài)X波段相控陣天氣雷達

由國家發(fā)改委正式批復的中國氣象局《氣象雷達發(fā)展專項規(guī)劃（2017—2020）》中明確提出了發(fā)展建設(shè)X波段氣象雷達，并以此彌補現(xiàn)階段由S波段和C波段組成業(yè)務(wù)網(wǎng)在大氣低層（尤其在邊界層）覆蓋不足以及提高對天氣系統(tǒng)早期發(fā)展的弱回波監(jiān)測能力。

6.1 X波段氣象雷達優(yōu)勢分析

X波段頻段的氣象雷達由于其波長短，在同等信噪比條件下，具有比S波段和C波段氣象雷達發(fā)現(xiàn)弱回波能力更高的優(yōu)勢，有利于天氣系統(tǒng)的早期發(fā)現(xiàn)。

其次X波段氣象雷達，根據(jù)波束寬度與天線孔徑的對應(yīng)關(guān)系，如下公式：

其中：θ為波束寬度；λ為波長；D為天線直徑。由此式可以看出：要想獲得雷達高分辨率的空間采樣，就必須減小波束寬度，對確定的波長而言，波束寬度越窄，就必須加大天線直徑。

然而，要在雷達工程上實現(xiàn)更高的空間采樣分辨率，例如：S波段氣象雷達實現(xiàn)波束寬度小于1°，也需要將天線孔徑建設(shè)為大約8.5 m的直徑。而X波段氣象雷達若要實現(xiàn)波束寬度小于1°，則天線孔徑需要大約2.4 m的直徑；若要實現(xiàn)波束寬度小于0.5°，則天線孔徑也僅僅需要大約4.8 m的直徑。X波段氣象雷達這一特點十分有利于提高氣象雷達對中小尺度高空間分辨率的探測能力實現(xiàn)（如圖4所示）。

圖4 氣象雷達天線孔徑尺寸對波速寬度的影響Fig.4 The correlation between aperture diameter and antenna beamwidth

因此，概括起來X波段雷達具有如下優(yōu)勢：

1）有利于提高氣象雷達對天氣系統(tǒng)早期發(fā)展的監(jiān)測能力；

2）有利于對天氣系統(tǒng)監(jiān)測的空間分辨率提高；

3）有利于實現(xiàn)對復雜地形地貌條件下的大氣低層覆蓋能力提高。

6.2 X波段全固態(tài)相控陣氣象雷達存在的主要問題

X波段頻段氣象雷達在實際大氣探測過程中，尤其在降水條件下的探測，其能量衰減問題是一個十分顯著且難以克服的短板。如下圖5所示①https://weatherradar.readthedocs.io/zh_CN/latest/多普勒天氣雷達原理.html。，給出了X波段、C波段和S波段對大氣中不同強度降水條件下，電磁波能量的衰減系數(shù)。

圖5 不同波長在不同雨強下的衰減系Fig.5 Attenuation coefficients of electromagnetic waves at different wavelengths due to different rainfall intensities

從圖5上可以清晰地看到：X波段雷達的雨衰十分顯著，C波段雷達有一定的衰減；而S波段雷達基本沒有雨衰。

以下是一個實例（如圖6所示）①https://www.radartutorial.eu/07.waves/wa13.en.html。：圖中形顯示了降雨衰減在不同波長有不同值的影響。頂部（黃色）曲線顯示未減弱的天氣：一場直徑20 km，中心降雨量達100 mm/h的風暴。下一條（淡綠色）曲線顯示了由S波段雷達看到的回波。接下來的兩條曲線（藍色和紅色）顯示了C波段和X波段雷達的輸出。所有結(jié)果都已歸一化。很明顯，X波段有嚴重衰減，不能看到風暴深處，而S波段衰減很小。C波段則提供了一個很好的折衷方案。由于雨衰原因，X波段天氣雷達只能用于短距離探測；S波段雷達用于熱帶地區(qū)，因為它們可以看到強風暴以外的地方；而C波段雷達則適用于溫帶地區(qū)，具有良好的靈敏度和范圍。

圖6 同等雨強下降雨衰減對不同波長的影響Fig.6 The influence of rain attenuation on different wavelengths under the same rain intensity

X波段氣象雷達除了衰減這一難以克服的短板外，大量采用了全固態(tài)發(fā)射技術(shù)體制，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠運行；然而，由此帶來的是發(fā)射機功率低（目前普遍在100～200 W），在不同探測距離上的雷達信號與噪聲比低，從而導致氣象雷達探測能力顯著下降，尤其是對弱信號探測能力顯著不足。

另外，現(xiàn)階段的X波段相控陣雷達，由于其成本高，建設(shè)的X波段相控陣雷達天線，均采取了小陣列的天線結(jié)構(gòu)，以降低成本。然而，這一做法導致X波段天線波束寬度均超過了1.5°，有些甚至超過2°以上。因此，不僅顯著降低了X波段雷達空間采樣分辨率，同時，又進一步導致采樣空間雷達功率密度下降，信噪比進一步降低，從而影響了整個獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過上述分析，在建設(shè)X波段氣象雷達過程中，應(yīng)當充分發(fā)揮X波段氣象雷達優(yōu)勢，減緩X波段短板與不足，具體舉措如下：

1）降低X波段相控陣氣象雷達硬件成本，提高固態(tài)發(fā)射功率和提高空間采樣分辨率，發(fā)揮X波段對弱回波發(fā)現(xiàn)能力與對天氣系統(tǒng)采樣的空間分辨率的優(yōu)勢。根據(jù)波長與雷達采樣波束寬度的對應(yīng)關(guān)系，X波段與C波段、S波段氣象雷達相比，在提高采樣空間分辨率上具有顯著優(yōu)勢，而且在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，提高固態(tài)發(fā)射機的功率使之達到在一定有效探測范圍內(nèi)與S和C波段同等信噪比，不僅可以提升氣象雷達對中小尺度天氣系統(tǒng)的早期發(fā)現(xiàn)能力，而且可以大幅度提高其空間采樣分辨率，十分有利于天氣系統(tǒng)早期監(jiān)測和精細化結(jié)構(gòu)認知。

2）利用X波段氣象雷達成本低、基礎(chǔ)設(shè)施相對簡單等特點，通過對X波段氣象雷達組網(wǎng)技術(shù)，不僅可以有效實現(xiàn)局地范圍三維結(jié)構(gòu)與三維風場的探測，加深對中小尺度天氣系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)的認知，同時，利用組網(wǎng)技術(shù)還可以實現(xiàn)多角度探測，并且與現(xiàn)有業(yè)務(wù)大雷達網(wǎng)結(jié)合，開展衰減訂正。在一定程度上彌補X波段在降水條件下衰減的短板。

3）利用X波段相控陣體制的氣象雷達具有快速掃描能力的特點，在觀測模式與掃描策略上，建立起能夠發(fā)揮X波段氣象雷達優(yōu)勢的掃描策略和觀測模式，克服X波段由于波長短，在脈沖多普勒技術(shù)體制下，速度與距離模糊更加突出的問題。

總之，對目前正在興起的X波段氣象雷達，要充分了解不同技術(shù)體制的X波段氣象雷達的特點，將X波段雷達在衰減、距離與速度模糊等問題減緩到最低程度，充分發(fā)揮在空間采樣分辨高、弱回波探測能力強的優(yōu)勢。利用組網(wǎng)與協(xié)同觀測等技術(shù)，開展與現(xiàn)有業(yè)務(wù)大雷達（S波段、C波段）網(wǎng)的結(jié)合，實現(xiàn)我國主要降水區(qū)域的復雜地形下的有效覆蓋，在防災減災中充分發(fā)揮作用。