■ 李柏

氣象彌散目標(biāo)不是“剛體”，其外形時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生變化；它對(duì)電磁波散射特性，沒有固定不變的物理屬性，而且不同相態(tài)特征的彌散氣象目標(biāo)的介電特性也不同。

自第一部天氣雷達(dá)問世以來，氣象雷達(dá)就不斷隨著電子技術(shù)、集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展；氣象雷達(dá)也從早期單一的在降水時(shí)段的測(cè)雨雷達(dá)，擴(kuò)展到晴空時(shí)段的氣溶膠、風(fēng)、溫度、濕度等要素測(cè)量、有云時(shí)段的云宏觀物理量和微觀物理量測(cè)量，以及在氣象災(zāi)害發(fā)生后，進(jìn)行災(zāi)情調(diào)查與評(píng)估觀測(cè)等。雷達(dá)系統(tǒng)也逐步形成晴空大氣、云、降水以及致災(zāi)四個(gè)時(shí)段一體化觀測(cè)技術(shù)體系。然而，無論是氣象雷達(dá)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，還是氣象雷達(dá)在哪個(gè)時(shí)段進(jìn)行探測(cè)，有一個(gè)十分重要的問題始終沒有一個(gè)清晰的概念，這就是雷達(dá)探測(cè)的氣象目標(biāo)的特性問題。這也是所有各類氣象雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)處理器所需要解決的最為關(guān)鍵、最為復(fù)雜的問題。因此，氣象目標(biāo)特性是氣象雷達(dá)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)最為重要的關(guān)鍵因素。

1 氣象彌散目標(biāo)

氣象雷達(dá)技術(shù)發(fā)展，首先要考慮的問題就是氣象雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)對(duì)象。美國在WSR-88D雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)發(fā)展整個(gè)過程中，堅(jiān)持WSR-88D雷達(dá)技術(shù)發(fā)展無論是其設(shè)備硬件，還是與之相配套的掃描策略和觀測(cè)模式，天氣是決定其發(fā)展最為關(guān)鍵的要素。這一目標(biāo)對(duì)象的特征在很大程度上決定了氣象雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展方向，因此分析研究氣象目標(biāo)特性十分必要。氣象雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)與其他雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)，如軍事目標(biāo)中的飛機(jī)、軍艦等有著很大的差異，因此，氣象目標(biāo)又稱為彌散目標(biāo)。本文就彌散現(xiàn)象和彌散氣象目標(biāo)進(jìn)行闡述和分析。

1.1 彌散現(xiàn)象的定義

關(guān)于氣象彌散現(xiàn)象，很多文獻(xiàn)涉及但均未給出確切的定義。搜索網(wǎng)上可以得到如下定義與解析：通常在微觀層面，物質(zhì)的傳遞可以由三種機(jī)制構(gòu)成——擴(kuò)散（Diffusion）+平流（advection）+彌散（dispersion）。

Dispersion（彌散）是在有平流存在的情況下發(fā)生的，由于流體流動(dòng)時(shí)溶質(zhì)的流動(dòng)速度不均勻而引起的一種對(duì)擴(kuò)散現(xiàn)象加強(qiáng)作用，也稱彌散現(xiàn)象。

總而言之，當(dāng)流體沒有移動(dòng)的時(shí)候，即平流不存在的時(shí)候，擴(kuò)散照樣存在。當(dāng)平流存在的時(shí)候，彌散就出現(xiàn)了，這時(shí)彌散和擴(kuò)散哪一個(gè)更重要呢，取決于平流的速度有多大。

大氣中無論在邊界層，還是在自由大氣層，平流現(xiàn)象均十分顯著。因此，大氣中的云、雨降水受到平流影響十分顯著。其目標(biāo)就是屬于彌散目標(biāo)物，它返回雷達(dá)的信號(hào)是雷達(dá)采樣體積內(nèi)許許多多降水粒子貢獻(xiàn)的總和。通過對(duì)返回信號(hào)幅度的處理，可以提取降水中降水粒子的散射特性，也就是通常提到的回波強(qiáng)度，它是和降水的強(qiáng)度緊密相關(guān)的。

1.2 彌散氣象目標(biāo)的主要特征

關(guān)于氣象彌散目標(biāo)特性，首先從水與能量循環(huán)角度看，對(duì)于氣象雷達(dá)探測(cè)而言，對(duì)應(yīng)水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)均有作為；水從江河湖海蒸發(fā)過程，形成氣象萬千最重要的要素——水汽；再由水汽抬升凝結(jié)形成云，進(jìn)一步發(fā)展致雨；所以不僅要能夠揭示云的發(fā)展與演變，還要解釋其內(nèi)部的微物理特性與動(dòng)力結(jié)構(gòu)特性。同時(shí)還要對(duì)進(jìn)一步發(fā)展的云產(chǎn)生的雨、冰雹、雪等降水系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，不僅有氣態(tài)、液態(tài)，還有固態(tài)。

彌散氣象目標(biāo)特性，還可以從天氣系統(tǒng)發(fā)展各個(gè)階段看，不可能僅憑靠雷達(dá)硬件技術(shù)就能完全解決問題；有了好的雷達(dá)硬件技術(shù)，還必須配有好的觀測(cè)方法，針對(duì)天氣系統(tǒng)在不同階段特點(diǎn)，建立起有針對(duì)性雷達(dá)掃描策略和觀測(cè)方法，才能有效地發(fā)揮雷達(dá)的作用。例如天氣系統(tǒng)初期發(fā)展弱回波探測(cè)問題，低空覆蓋問題，困擾我們的脈沖多普勒體制造成的距離速度模糊問題都必須通過有效觀測(cè)方法來解決。天氣系統(tǒng)發(fā)展的不同階段，應(yīng)當(dāng)建立有針對(duì)性的掃描策略與觀測(cè)模式。

最后，對(duì)彌散氣象目標(biāo)特征，還應(yīng)當(dāng)從空間布局看，一部雷達(dá)無論是探測(cè)范圍和探測(cè)有效性，都受到其自身的限制和環(huán)境的限制，組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)技術(shù)，不僅能夠利用雷達(dá)本身高時(shí)空分辨率優(yōu)勢(shì)獲得有限范圍內(nèi)的中小尺度天氣系統(tǒng)的高時(shí)空分辨率精細(xì)化結(jié)構(gòu)特性；同時(shí)還能夠通過組網(wǎng)獲得大尺度天氣系統(tǒng)的更廣大范圍的結(jié)構(gòu)特征和演變特性，為我們從整體與局部上綜合掌握天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及演變提供了技術(shù)途經(jīng)。因此，綜合分析可以概括出彌散氣象目標(biāo)具有的主要特征。

1）氣象彌散目標(biāo)不是“剛體”，其外形時(shí)刻都在發(fā)生變化；它對(duì)電磁波散射特性，沒有固定不變的物理屬性，而且不同相態(tài)特征的彌散氣象目標(biāo)的介電特性也不同。

2）氣象彌散目標(biāo)其散射特性是由充塞在雷達(dá)波束采樣空間的降水粒子、冰雹粒子、云滴粒子、冰晶粒子和氣溶膠粒子等所決定，其散射特性與上述粒子相態(tài)緊密相關(guān)，并且其散射特性由采樣波束空間的多種粒子對(duì)電磁波散射的共同作用所決定，而且這一特性只具有統(tǒng)計(jì)特性。

3）氣象彌散目標(biāo)的粒徑尺度跨越幅度十分大，可以從幾十微米到十幾厘米不等，甚至更大的尺度跨越；且不同尺度粒子均具有三態(tài)特征，即液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)。不同粒徑的粒子和不同相態(tài)粒子在同一采樣空間對(duì)統(tǒng)計(jì)特性的貢獻(xiàn)不同，大粒徑的粒子貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于小粒徑的粒子貢獻(xiàn)。

4）彌散目標(biāo)的散射特性，與采樣的樣本累計(jì)數(shù)密切相關(guān)，并且與獨(dú)立采樣時(shí)間的長(zhǎng)短緊密相關(guān)；采樣樣本累計(jì)數(shù)少，采樣時(shí)間短則彌散目標(biāo)的測(cè)量精度不高，穩(wěn)定性差；然而，當(dāng)采樣累計(jì)時(shí)間過長(zhǎng)，又難以保證采樣的獨(dú)立性；因此，采用時(shí)間長(zhǎng)短取決于構(gòu)成彌散目標(biāo)。

5）彌散氣象目標(biāo)在降水云系中粒子的增長(zhǎng)過程存在慢過程與快過程。在降水云系的中下部暖云降水區(qū)液態(tài)雨滴以碰并增長(zhǎng)形式增長(zhǎng)，屬于慢過程；而在中高層－20 ℃以上高度層，冰晶與過冷卻液態(tài)共存區(qū)，降水粒子的增長(zhǎng)，即貝吉隆增長(zhǎng)過程則屬于快增長(zhǎng)過程；這些增長(zhǎng)過程的不同對(duì)于雷達(dá)采樣的統(tǒng)計(jì)特性將產(chǎn)生較大影響。

1.3 氣象彌散目標(biāo)的聚集性

氣象彌散目標(biāo)在天氣系統(tǒng)發(fā)展的各個(gè)階段，均表現(xiàn)出具有聚集特性，即：尺度、相態(tài)、形狀和密實(shí)度相類似的彌散目標(biāo)，在不同階段會(huì)聚集在一個(gè)相對(duì)集中的空間里。

這既是同一屬性特征的粒子具有的群聚特性；而決定粒子同一屬性群聚的主要影響因子有：粒子大小（重力）、粒子形狀、相態(tài)、水平與垂直風(fēng)切變、上升運(yùn)動(dòng)。國外開展的雙偏振雷達(dá)應(yīng)用研究已經(jīng)證明了群聚現(xiàn)象的存在。

美國國家大氣研究中心（NCAR）利用雙偏振雷達(dá)（NCAR POL）長(zhǎng)期開展風(fēng)暴云中的水凝物分類研究，研究結(jié)果表明：風(fēng)暴云發(fā)展的不同階段，均存在水凝物的聚集現(xiàn)象，即屬性相接近的水凝物會(huì)分布在相對(duì)集中空間里的分布特征。如圖1所示，NCAR POL雷達(dá)2013年5月29日23：43 UTC，觀測(cè)到的一個(gè)冰雹云實(shí)際水凝物的分布結(jié)構(gòu)特征。從NCAR POL 雷達(dá)的RHI掃描圖中可以清楚看到，以液態(tài)水形式分布包括：LD、DR、小到中雨（RA）和大雨（HR）分布區(qū)；以雨雹混合物形式分布包括：雨和冰雹混合（RH）分布區(qū)；以及其他形式分布包括：HA、霰（GR）、濕冰晶（WI）、干冰晶（DI）、不同取向的冰晶（CR）、DN、CL等。因此，對(duì)雷達(dá)采樣而言，聚集區(qū)的時(shí)間尺度與空間尺度決定了雷達(dá)采樣的統(tǒng)計(jì)特性；雷達(dá)采樣只有具有足夠的采樣空間分辨率和時(shí)間分辨率，才能夠把聚集區(qū)的粒子的統(tǒng)計(jì)特性揭示出來。所以，從某種意義上講，聚集區(qū)特性決定了雷達(dá)采樣特性。

圖1 2013年5月29日23:43 UTC NCAR雙極化雷達(dá)觀測(cè)冰雹云水凝物分類分布結(jié)構(gòu)

彌散目標(biāo)呈現(xiàn)聚集區(qū)現(xiàn)象在風(fēng)暴云中的上升區(qū)域所表現(xiàn)出的聚集現(xiàn)象比較顯著，而在下沉區(qū)各種承受不住托舉力的粒子紛紛在重力作用下開始降落，所以下沉區(qū)的聚集現(xiàn)象呈現(xiàn)不同大小粒子混合聚集的現(xiàn)象。

從概括出的彌散氣象目標(biāo)特性可以看出，正因彌散氣象目標(biāo)特性緣故，給氣象雷達(dá)采樣提出了更高的要求，不僅采樣要有足夠的樣本，又必須足夠快時(shí)間，同時(shí)采樣空間應(yīng)當(dāng)有足夠高的空間分辨率，以滿足彌散氣象目標(biāo)采樣的獨(dú)立性和準(zhǔn)確性。而多頻段氣象雷達(dá)是揭示這些復(fù)雜特性有效技術(shù)途經(jīng)。

2 氣象雷達(dá)波束寬度與彌散目標(biāo)特性的關(guān)系

氣象雷達(dá)波束寬度過寬，容易導(dǎo)致采樣的彌散目標(biāo)邊界外延；過寬的波束，還會(huì)導(dǎo)致采樣空間的散射特性嚴(yán)重偏離其固有的特性。這是因?yàn)閺浬庀竽繕?biāo)的特性只具有統(tǒng)計(jì)特性，采樣空間的大小直接影響到這一統(tǒng)計(jì)特性。

因此，從彌散氣象目標(biāo)特征分析可以看出，氣象雷達(dá)技術(shù)發(fā)展許多關(guān)鍵因子都取決于彌散氣象目標(biāo)的特征所決定的。這些關(guān)鍵因子包括：波長(zhǎng)、脈寬、獨(dú)立采樣累積時(shí)間、波束垂直與水平寬度等。

2.1 氣象雷達(dá)方程、雷達(dá)散射截面（RCS）與彌散氣象目標(biāo)的關(guān)系

氣象雷達(dá)方程建立是氣象雷達(dá)探測(cè)的重要理論基礎(chǔ)，正是有了氣象雷達(dá)方程這一理論基礎(chǔ)，才把氣象雷達(dá)與氣象目標(biāo)緊密的聯(lián)系在了一起。因此，可以說氣象雷達(dá)方程是架設(shè)在氣象雷達(dá)與氣象目標(biāo)之間的一座橋梁，通過這座橋梁使得我們能夠把氣象雷達(dá)發(fā)射的電磁能量轉(zhuǎn)換成對(duì)氣象目標(biāo)的定量化測(cè)量的物理量，從而實(shí)現(xiàn)了利用氣象雷達(dá)認(rèn)知大氣中各種天氣現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)、特性、演變特征等重要信息。然而，無論是氣象雷達(dá)方程還是雷達(dá)散射截面（RCS）都與一個(gè)重要物理量有著密切關(guān)系，這就是氣象雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)（λ）。

氣象雷達(dá)方程：

從氣象雷達(dá)方程可以看出，在其他雷達(dá)參數(shù)不變情況下，雷達(dá)接收機(jī)接收到的平均回波功率與雷達(dá)波長(zhǎng)成反比關(guān)系，即雷達(dá)波長(zhǎng)越短所能夠探測(cè)的弱信號(hào)能力越強(qiáng)。而實(shí)際大氣中氣象目標(biāo)很多都屬于弱信號(hào)目標(biāo)，例如：毛毛雨、云、晴空回波等。因此，在同等雷達(dá)參數(shù)條件下，波長(zhǎng)越短探測(cè)像云、晴空回波等這樣弱信號(hào)氣象目標(biāo)的能力越強(qiáng)。因此，靠單一波長(zhǎng)頻段難以實(shí)現(xiàn)氣象目標(biāo)全部探測(cè)這一重要任務(wù)，必須通過多種頻段氣象雷達(dá)來完成。

另外，雷達(dá)探測(cè)理論中有一個(gè)重要概念，就是雷達(dá)散射截面（RCS）。目標(biāo)雷達(dá)散射截面積的一些特性可用一些簡(jiǎn)單的模型來描述，根據(jù)雷達(dá)波長(zhǎng)與目標(biāo)尺寸的相對(duì)關(guān)系，可分成三個(gè)區(qū)域來描述目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（如圖2所示）。

圖2 波長(zhǎng)與目標(biāo)大小的散射對(duì)應(yīng)關(guān)系

1）瑞利區(qū)：在此區(qū)域，目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)，目標(biāo)雷達(dá)散射截面積與雷達(dá)觀測(cè)角度關(guān)系不大，與雷達(dá)工作頻率的4次方成正比。

2）米散射區(qū)：在此區(qū)域，波長(zhǎng)與目標(biāo)尺寸相當(dāng)。目標(biāo)雷達(dá)散射截面隨著頻率變化而變化，變化范圍可達(dá)10 dB；同時(shí)由于目標(biāo)形狀的不連續(xù)性，目標(biāo)的雷達(dá)散射截面會(huì)隨雷達(dá)觀測(cè)角的變化而變化。

3）光學(xué)區(qū)：在此區(qū)域，目標(biāo)尺寸大于信號(hào)波長(zhǎng)，下限值通常比瑞利區(qū)目標(biāo)尺寸的上限值高一個(gè)數(shù)量級(jí)。簡(jiǎn)單形狀目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積可以接近它們的光截面，目標(biāo)或雷達(dá)的移動(dòng)會(huì)造成視線角的變化，將導(dǎo)致目標(biāo)雷達(dá)散射截面發(fā)生變化。

雷達(dá)散射截面是一個(gè)虛擬的面積，用來定量表示粒子后向散射能力的強(qiáng)弱，在入射能流密度一定時(shí)，后向散射界面越大，粒子的后向散射能力越強(qiáng)，在相同條件下，產(chǎn)生的回波信號(hào)也越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)普通球形粒子，在瑞利散射條件下，其雷達(dá)散射截面為：

粒子的散射能力與粒子的大小、形狀、電學(xué)特性有關(guān)。目前能對(duì)其散射做出精確解析解的只有少數(shù)幾何形狀比較特殊的粒子，如：圓球形、橢球形、圓柱形和扁平矩形。氣象上的云滴、雨滴等粒子一般近似地為圓球形或橢球形，雪花可以近似為扁平矩形，冰晶近似為圓柱形。然而，考慮到粒子在下落過程中受到環(huán)境空氣影響，下落姿態(tài)，也就是粒子下落過程的取向也是影響雷達(dá)散射截面的重要因素之一。

此外，降水云系中的粒子隨著相態(tài)的不同，其介電常數(shù)也存在很大差異。對(duì)于小水球的值為0.93左右，而小冰球的值為0.197，所以小冰球的后向散射截面大約只有同樣大小的小水球的1/5。這也是目前業(yè)務(wù)在冬季開展雷達(dá)定量估測(cè)降雪時(shí)，造成降雪低估的主要原因。

從雷達(dá)散射截面定義可以看出：相同電學(xué)特性下，雷達(dá)散射截面與發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)的四次方成反比關(guān)系。這表明：同等信噪比條件下，波長(zhǎng)越短其探測(cè)弱信號(hào)目標(biāo)的能力越強(qiáng)。因此，能夠利用激光雷達(dá)探測(cè)到納米級(jí)的氣溶膠粒子，利用毫米波長(zhǎng)探測(cè)到幾十微米到幾百微米的云粒子。

最后，根據(jù)氣象雷達(dá)方程中的反射率因子Z的定義可以看出，作為氣象雷達(dá)探測(cè)最重要的探測(cè)物理量反射率因子為：

氣象目標(biāo)物的粒徑大小對(duì)反射率因子探測(cè)是一個(gè)極為敏感的量（如圖3所示），Z值與粒徑大小的6次方成正比關(guān)系，當(dāng)氣象雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)采樣時(shí)，同一采樣空間里混合著不同粒徑大小的氣象目標(biāo)，大粒子的后向散射能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小粒子的貢獻(xiàn)。例如：1個(gè)3 mm直徑的雨滴能夠產(chǎn)生29 dBz的回波強(qiáng)度，而729個(gè)1 mm直徑的小雨滴也能夠產(chǎn)生29 dBz回波強(qiáng)度，可是將其轉(zhuǎn)換成一小時(shí)雨強(qiáng)時(shí)，二者相差近達(dá)到10倍，由729個(gè)1 mm直徑的小雨滴產(chǎn)生的1小時(shí)雨強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。由此可以看出，氣象雷達(dá)測(cè)量的物理因子中，單憑回波強(qiáng)度探測(cè)還不能夠獲得準(zhǔn)確定量的降水信息，還必須通過其他技術(shù)途徑獲得降水粒子直徑大小信息，才能夠更準(zhǔn)確地把握真實(shí)大氣降水的特征。因此，氣象雷達(dá)發(fā)展必須實(shí)現(xiàn)對(duì)粒徑大小的探測(cè)，才能進(jìn)一步推動(dòng)雷達(dá)發(fā)展。

圖3 反射率因子Z值與降水粒子大小和數(shù)量關(guān)系

2.2 氣象目標(biāo)的散射特性與氣象目標(biāo)大小的關(guān)系

眾所周知，氣象雷達(dá)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象目標(biāo)物的準(zhǔn)確測(cè)量，在氣象目標(biāo)物粒徑大小與雷達(dá)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系問題上，必須滿足瑞利散射條件，才能夠?qū)崿F(xiàn)其準(zhǔn)確定量測(cè)量。這里最著名的案例就是美國在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)、發(fā)展、建設(shè)起來的WSR-88D多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)，在多普勒天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)之初，選擇哪個(gè)頻段（X波段、C波段，還是S波段）作為業(yè)務(wù)主要的雷達(dá)頻段呢？通過大量仿真與實(shí)際觀測(cè)驗(yàn)證，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，S波段頻段除了具有非常良好的雨衰小的特點(diǎn)外，在實(shí)際大氣的降水探測(cè)過程中，絕大多數(shù)情況下，S波段頻段與被測(cè)氣象目標(biāo)之間均能夠嚴(yán)格滿足瑞利散射條件。

即：雨滴直徑D<<λ/16。這是因?yàn)橐簯B(tài)降水粒子在實(shí)際大氣中既有碰并增長(zhǎng)，同時(shí)還有不斷的雨滴分裂破碎。研究與觀測(cè)表明（如圖4所示①來源：https://www.radartutorial.eu/15.weather/wr51.en.html。）：大雨滴增長(zhǎng)直徑約為7 mm時(shí)，下落雨滴與環(huán)境空氣之間會(huì)相互作用，雨滴逐漸由準(zhǔn)圓形狀，逐漸演變成平底橢圓形狀。在大雨滴兩側(cè)高速繞流和頂托雨滴氣流雙重作用下，按照經(jīng)典流體力學(xué)理論，流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大，雨滴兩側(cè)流速大壓強(qiáng)小，而在雨滴底部流速小壓強(qiáng)大，從而導(dǎo)致雨滴分裂破碎。液態(tài)狀雨滴增長(zhǎng)在實(shí)際大氣中很少有超過7 mm直徑存在的可能性。因此選用S波段頻段，作為氣象雷達(dá)測(cè)雨頻段，實(shí)際應(yīng)用過程遵從了瑞利散射的條件，從而為氣象雷達(dá)定量估測(cè)降水奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖4 下落的雨滴取代了空氣，在它的兩側(cè)，流線被壓縮并產(chǎn)生拉力（類似于飛機(jī)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)），這將把水滴拉得更寬；落差越大，壓縮力和力就越強(qiáng)

綜合彌散氣象目標(biāo)特性、氣象雷達(dá)反射率因子的特性，并結(jié)合氣象雷達(dá)方程、雷達(dá)散射截面和瑞利散射理論的綜合分析，可以看出要想利用氣象雷達(dá)深入揭示出大氣的重要特性和結(jié)構(gòu)特征，發(fā)展多種頻段氣象雷達(dá)十分必要且重要。只有通過多種頻段的綜合探測(cè)才有可能獲得從水汽、云和降水，到整個(gè)風(fēng)暴的三維立體結(jié)構(gòu)以及微物理過程。才能實(shí)現(xiàn)不同尺度大小彌散氣象目標(biāo)的準(zhǔn)確有效的定量化測(cè)量。

通過上述綜合分析，可以歸納出決定氣象雷達(dá)技術(shù)發(fā)展有幾個(gè)關(guān)鍵核心因素：

1）一是氣象雷達(dá)采用頻段。不同波長(zhǎng)的頻段，在大氣探測(cè)過程中它們的傳播特性不同。例如衰減不同，對(duì)大氣中的粒子產(chǎn)生的散射特性不同，有時(shí)候滿足瑞利散射，有時(shí)候滿足米散，有時(shí)候呈現(xiàn)光學(xué)特性。S波段氣象雷達(dá)在大氣探測(cè)中，它在實(shí)際大氣降水過程中的衰減特性幾乎可以忽略不計(jì)，此外其波長(zhǎng)與降水粒子對(duì)應(yīng)關(guān)系上，都嚴(yán)格遵從瑞利散射理論，這無疑對(duì)液態(tài)降水測(cè)量是非常有利的。這一優(yōu)勢(shì)，奠定了S波段可以作為氣象雷達(dá)的其他頻段的一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)的地位，其重要性可以堪稱大氣探測(cè)領(lǐng)域的探空系統(tǒng)。另外，確定不同波長(zhǎng)的同時(shí)，也確定了氣象雷達(dá)最大采樣空間分辨率的可能性。因?yàn)槔走_(dá)波長(zhǎng)與天線波束寬度形成的對(duì)應(yīng)關(guān)系，決定了雷達(dá)天線的空間分辨率。

2）二是大氣中各種粒子與雷達(dá)波長(zhǎng)構(gòu)成雷達(dá)散射截面。對(duì)同一粒子不同波長(zhǎng)探測(cè)時(shí)，其雷達(dá)散射截面不同。同一粒子對(duì)波長(zhǎng)越短，產(chǎn)生的雷達(dá)散射截面反而越大。這促使了用很短波長(zhǎng)探測(cè)更小粒子的可能性。

3）三是氣象雷達(dá)探測(cè)的核心物理量反射率因子Z與采樣空間相同粒徑大小的粒子直徑6次方總和乘對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此決定了氣象雷達(dá)不僅要了解單位采樣空間里的粒子總數(shù)，還要獲得其內(nèi)的粒子直徑譜特性，才能真正準(zhǔn)確測(cè)量其反射率因子這一物理量，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測(cè)量降水的準(zhǔn)確可靠。

3 小結(jié)與討論

通過對(duì)彌散氣象目標(biāo)的特性分析，要推動(dòng)我國氣象雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，不僅要發(fā)展雷達(dá)技術(shù)本身，同時(shí)也面臨氣象雷達(dá)對(duì)氣象目標(biāo)——“彌散目標(biāo)”精細(xì)化、定量探測(cè)所要解決的“彌散氣象目標(biāo)”的特性理論研究問題。從上述分析中，彌散氣象目標(biāo)與氣象雷達(dá)技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)可以概括如下：

1）因彌散氣象目標(biāo)的粒子尺度跨越范圍大，決定了多頻段氣象雷達(dá)對(duì)彌散氣象目標(biāo)的作用與監(jiān)測(cè)能力。多波長(zhǎng)氣象雷達(dá)是獲取降水云系“全物理圖像”的重要技術(shù)途徑。

2）鑒于彌散氣象目標(biāo)僅具有統(tǒng)計(jì)特性，而這一統(tǒng)計(jì)特性又緊密的與其聚集特性相關(guān)。因此，聚集區(qū)的時(shí)間與空間尺度是氣象雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)與性能的主要影響因素和設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù)（包括：發(fā)射機(jī)功率、天線孔徑、觀測(cè)掃描策略與觀測(cè)模式等）。

3）彌散氣象目標(biāo)的大小與氣象雷達(dá)波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系直接影響著散射特性和測(cè)量的準(zhǔn)確性，粒子的相態(tài)也直接影響了氣象目標(biāo)的散射特性。隨著雙偏振雷達(dá)業(yè)務(wù)應(yīng)用，利用偏振量開展粒子大小與相態(tài)識(shí)別是提高準(zhǔn)確測(cè)量重要途徑。

4）彌散氣象目標(biāo)的散射特性由于受到粒子本身因素（大小、相態(tài)、形狀、密實(shí)度、介電特性等）的影響，同時(shí)也受粒子濃度、環(huán)境風(fēng)場(chǎng)（切變）等影響。利用現(xiàn)代技術(shù)手段建立仿真數(shù)學(xué)模型，開展彌散氣象目標(biāo)散射特性的仿真研究是一個(gè)深入研究彌散氣象目標(biāo)特性的重要技術(shù)途徑，并結(jié)合各種技術(shù)渠道的直接對(duì)云和降水微物理特征采樣與雷達(dá)觀測(cè)的對(duì)比分析。

現(xiàn)代氣象雷達(dá)隨著電子技術(shù)、材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，芯片技術(shù)的快速發(fā)展，氣象雷達(dá)在硬件設(shè)備方面發(fā)展十分迅速，組成氣象雷達(dá)各個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)備也高度集成化、模塊化，使得氣象雷達(dá)在硬件設(shè)備方面的發(fā)展呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢(shì)。然而，制約氣象雷達(dá)發(fā)展的重要因素在于氣象雷達(dá)的信號(hào)處理，而氣象信號(hào)的處理的關(guān)鍵在于我們對(duì)彌散氣象目標(biāo)特性的認(rèn)知。因此，該是我們認(rèn)真思考、深入研究制約氣象雷達(dá)發(fā)展最核心的關(guān)鍵因素——彌散氣象目標(biāo)特性這一關(guān)鍵問題的時(shí)候了。