中国气象雷达技术发展及面临的挑战

李柏

（中国气象局气象探测中心，北京 100081）

0 引言

气象雷达对天气过程尤其是灾害性天气过程的监测能力显示出了不可替代的作用，正如美国气象学会成立100周年的年会上，对气象雷达的评价是“可以说，在没有气象雷达之前，严格意义上说是没有中尺度气象学的，气象雷达的发展推动了中尺度气象学的发展”。正因如此，气象雷达受到世界上大多数国家和包括世界气象组织在内的相关国际组织的高度重视。我国从20世纪90年代后期开始建设新一代天气雷达网，尤其是依托《天气雷达近期发展规划（2005—2010年）》《新一代天气雷达建设增补站点布局方案》《气象雷达发展专项规划（2017—2020年）》等国家级规划的实施，全国气象雷达产业、技术和人才发展快速，气象雷达建设布局更加合理，雷达业务应用能力显著提升，取得了突出的社会经济效益。

1 我国气象雷达规模与应用概况

经过“十三五”的建设，我国在网天气雷达数量已经超过270部，在规模上已经属于最大，超过了美国和欧盟的建设规模。监测预警强对流灾害性天气的短时预报准确率比原来提高3%～5%，时效提前几十分钟到数小时，在灾害性天气监测和预警服务方面发挥了重要作用，取得了较好的社会经济效益。

超过110部已建天气雷达已经完成双偏振技术改造，初步研究结果表明：双偏振雷达由于其提供了更多的有效物理量，在强降水估测、冰雹识别、降水云系微物理特征，以及数据质量控制等方面展现出了巨大的应用潜力。

目前正在兴起的X波段系列天气雷达（X波段相控阵天气雷、X波段全固态机械扫描雷达和X波段大功率速度调管扫描雷达）研制和外场试验工作，为下一步气象雷达注入了一定活力，尤其对我国复杂地形条件下的低空覆盖能力提高发挥了很好的作用。

在京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等地区开展了基于风廓线雷达、毫米波云雷达、微波辐射计、激光雷达等地基遥感感测设备为主的超大城市垂直气象综合观测试验，为获取云的精细微物理与动力参数的垂直结构，与天气雷达一起，构成云—云雨转化—降水整个过程的观测。初步取得了一些实际经验和科学数据，为综合气象观测构成与布局的进一步发展奠定了科学基础。

2 美国在气象雷达技术发展的概况

为了更好地了解我国气象雷达的发展与挑战，作为对比，本节介绍美国在21世纪初制定的气象雷达发展战略。

美国始终把WSR-88D雷达发展作为一个主线。2002年春，美国三个NEXRAD机构通过项目管理委员会（PMC），要求技术咨询委员会（TAC）为整个NEXRAD项目的长期发展制定战略计划。三个机构的请求是基于这样一种信念，即：在WSR-88D中，美国拥有一个可以不断升级的天气监测雷达系统，以利用以前未开发的能力和新兴技术（特别是在数字信号处理领域），提高了对气象现象的科学理解。并提出了美国在“WSR-88D多普勒天气雷达可能的战略发展方向（Possible Strategic Directions for the Wsr-88d Doppler Weather Surveillance Radar）”①美国下一代天气雷达技术咨询委员会（NEXRAD Technical Advisory Committee），2003年6月18日。，该报告明确提出了一些原则。

1）将WSR-88D的改进与NEXRAD后续系统的并行开发协调起来

作为第一条一般原则，WSR-88D在其剩余的使用寿命期间的增强应该与后续系统的并行开发密切协调。虽然每个项目都是不同的，但这两项努力提供了许多协同的机会。后续系统可能是一个全新的雷达，也可能是对现有雷达的重大改造和升级，用相控阵天线取代现有的机械扫描碟形天线将是一个很好的例子。

2）增加全国雷达网的密度

由于现存NEXRAD网络的一个重大缺点是在低空水平上的覆盖范围有限。这严重影响了降水估计（降雪和降雨）、强风暴探测、辐合线探测和边界层风估计的有用范围。在不改变WSR-88D的扫描策略，即不使仰角低于0.5°以下（局部可以考虑），也不采用RHI扫描的前提下，增加现有雷达布局密度，可以提高对边界层的覆盖。

3）在WSR-88D的剩余使用寿命中，尽可能生成最佳质量的数据产品

用户不仅要求雷达网络提供准确、可靠、及时的高质量数据，还要求将数据质量作为数据流的一部分。对数据质量度量的这种需求是数据使用日益多样化和更加复杂的直接后果。特别是，美国联邦航空局正在开发的应用程序是基于使用全自动算法处理NEXRAD数据，最终产品将直接发给终端用户，如管制员、监督员和交通流量管理人员。

4）显著提高计算能力和通信带宽

在可预见的未来，来自原位测量、卫星和雷达网络的所有数据流都将不断扩大。例如，在WSR-88D上安装偏振功能将导致数据流增加2～4倍。所属雷达专家的一些建议也是将大大增加需要处理的数据量。显然，雷达系统未来的成功运行，无论是单独或作为国家网络的一部分，都需要大幅提高与雷达相关的计算能力，以及作为网络主干的电信带宽。虽然应该尽一切努力通过压缩方案优化现有带宽的使用，但目前的趋势表明，未来更宽的电信带宽将是必不可少的。

5）开发、测试和实施先进的雷达波形和信号处理技术

相位编码、参差脉冲重复时间、脉冲压缩和过采样是可能的工程进展，需要大力追求，因为它们可能导致改善数据质量、灵敏度和提高扫描速率。雷达数据流的频谱处理可以进行研究，因为它非常适合自适应去除来自外部辐射源的伪影和干扰。此外，在有效信噪比方面可以获得约10 dB的增益，这将扩大在晴空大气中的探测能力，并使更好的云探测成为可能。可以探索识别龙卷风环流的频谱处理方案。

6）支持协同努力，将雷达数据和其他数据集成到增强的决策支持系统中

数据融合系统、本地运行的风暴尺度数值模型、决策支持系统和为非气象学家生产产品的全自动化处理系统，只是美国和其他国家的一些机构目前正在部署或正在开发的技术的几个例子。这三个机构中有一个正在部署或开发许多这样的系统，以支持任务的完成。所有这些都表明，在2010—2020年，需要对使用雷达数据的三方系统的期望功能有一个清晰的愿景，这一愿景将反过来推动雷达增强和网络发展。

此外，美国还十分注重气象雷达空地、星地一体化发展战略，先后推出了以有人机和无人机多种遥感与气象雷达一体化的机载气象综合探测系统，并已经投入业务应用；在星载雷达方面先后推出了GPM项目和旋风阵列卫星极化项目，前者是基于星载的双频雷达与多通道微波成像仪的实现对降水系统立体结构探测；后者是通过8颗卫星组成的阵列卫星与全球GPS系统组成，在广阔洋面上实现风的监测能力。

美国通过几十年的科学合理规划基本建成了一个在气象雷达技术发展完整的一体化的体系。即以多个大学和研究机构开展基础性和理论研究实现气象雷达原理样机创新；再由业务部门（NOAA）、大学和研究机构并联合雷达制造商（NWS的合作伙伴）长期开展工程化试验，试验取得工程样机以及观测方法、质量控制方法以及气象雷达设备功能需求书等一系列成果；在此基础上，将成果转化给有关合作伙伴（多个商家）进行生产，在此期间实现工艺、流程标准化生产，提高性价比。从整个体系可以看出，跳出了气象部门办气象雷达的格局，实现了集全社会的力量推进气象雷达技术发展。

3 国民经济发展与防灾减灾对气象雷达的需求

世界气象组织（WMO）仪器与观测方法委员会（CIMO）早在2016年就明确提出未来气象综合观测将朝“定制化服务的综合气象观测”方向发展。气象雷达在定制化气象观测方面已经显示出它巨大的潜力和优势；各种特定场景的定制化气象观测对气象雷达的需求越来越强烈，如：森林防火、山区局地范围面雨量获取、民航大型机场和正在兴起的通用机场保障飞行安全与提高效率等。

我国国民经济的发展，对气象雷达的需要也越发凸显出来；无论是防灾减灾气象保障、特色农业发展、国际国内旅游业的发展需求以及国防建设发展都对气象雷达提出了更加广泛的需求；而且各个领域的气象服务保障体系建设更加紧密地与气象雷达紧紧地联系在一起了；并且，正在兴起的气象预报的一个新型分支——临近预报，更是依托于气象雷达而建设的。此外，气象科学研究与探索，数值预报的物理过程改进与能力提高、以气象雷达观测变量为基础的雷达气候学也对气象雷达的发展提出了更高、更新的需求。

4 气象雷达主要技术发展趋势

4.1 气象雷达技术朝向多频段技术发展

随着气象科学与技术的不断进步，世界各个国家的科学家都逐步认识到，要全方位揭示出大气中各种气象特征，发展多频段气象雷达是一个十分有效的技术途径；气象雷达早期仅限于天气雷达技术，即主要用于测量降水的气象雷达，我们称为天气雷达，也即测雨雷达，主要涉及X、C和S波段。随着研究深入，发现不同微波、光波和声波频段对大气中的降水粒子、湍流、温度、湿度和风等不连续界面、以及水汽、气溶胶和大气成分等目标有着十分密切的对应相关关系。例如：激光频谱对大气的成分、气溶胶具有敏感性；L波段对大气边界层的大气折射指数（湍流）具有很好的敏感性；X、C和S频段对降水粒子具有很好的敏感性。Ka频段和W频段对大气中十分微小的云粒子十分敏感等。因此，气象雷达正朝向构建探测全粒子谱特征的多频谱技术发展，即：声波—光波—L波段—X-C-S—Ka-W等多频谱技术。图1给出了不同频率对应的波长与实际目标尺寸对应关系。

图1 频率与波长对应关系图Fig.1 Correspondence between frequency and wavelength

然而，雷达波长与目标物尺寸对应关系，实际上是通过两种机制建立相关联的，一是波长与目标物的尺寸（等效直径）是否满足瑞利散射或米散射建立对应关系；二是波长与雷达散射截面（RCS）建立对应关系。

根据雷达方程理论，在雷达方程中确定雷达接收到的回波功率的一个关键因子是雷达散射截面σ（RCS），而RCS是与雷达波长λ密切相关，根据对雷达散射截面与波长的关系分析可看出，在同等信噪比条件下，对同样大小粒子，其波长越短的散射截面越大，波长越长其散射截面越小；因此，由此说明越短的波长对小粒子更敏感。

4.2 气象雷达技术朝向全天气过程观测技术发展

气象雷达全天气过程监测技术是衡量雷达能否实现对天气过程全面、准确与完整的监测能力的体现。众所周知，全天气过程主要包括：晴空大气阶段、云形成阶段、降水阶段和气象灾害阶段四个阶段构成。每个阶段之间紧密相关。因此，要实现科学揭示出大气真实物理过程，就必须对每个阶段进行有效地科学探测。然而，要实现天气过程四个不同阶段有效监测，不仅在雷达硬件技术上要针对相对应天气系统演变各个阶段的特点的配套技术，而且更重的是要建立起针对不同阶段特征的相应的扫描策略和有效的观测模式。

一部雷达只有配上最佳的观测模式，才能充分发挥气象雷达从晴空大气状态，到各种云和降水，直至灾害形成的观测能力。那么要做到这些，还必须根据雷达技术性能、特点、技术体制，设计一系列的雷达扫描策略；气象雷达扫描策略是雷达硬件与观测模式的一个纽带，就像“气象雷达方程”，是雷达设备与观测的天气系统之间的“桥梁”一样。

天气系统演变过程不同的特点主要体现在天气系统是晴空大气阶段，还是处于降水阶段；是一般性降水还是对流性降水；是浅对流还是深对流。必须根据其不同的特征，再结合气象雷达本身的技术体制和性能指标，开展扫描策略的波形设计。气象雷达波形设计主要包括了连续监测波形设计和连续多普勒波形设计，并在此基础上在考虑如下雷达主要参数：脉冲宽度、脉冲重复频率、发射脉冲与天线转速的配置，发射脉冲采用交替发射、Batch发射等，不同仰角层发射配置。气象雷达波形设计主要目的是：根据天气系统不同结构特性，水平尺度与垂直尺度等因素，力求获得从晴空大气中信息，到降水和强对流天气的深厚对流信息。总的目的就是：回波强度动态范围大、探测距离广、测速范围高，且垂直结构精细，并且使得气象雷达探测距离与速度均不模糊范围大的信息。然而，作为气象雷达的一个重要组成部分，观测模式与扫描策略的设计过程必须清楚地意识到：在多普勒脉冲技术体制雷达下，最大不模糊距离与最大不模糊速度获得，是一对矛盾体；快速采样与获得精度高，准确性高的质量数据是一对矛盾体；高空间分辨率的垂直精细化结构采样与高时间分辨率是一对矛盾体；利用过采样技术提高方位角空间分辨率与采样精度和数据质量之间是一对矛盾体。如何有效解决好这些矛盾体，是气象雷达朝向全天气过程观测发展的关键所在。因此，观测模式和扫描策略设计必须以天气的情况作为最重要因素加以考虑。

美国在WSR-88D雷达扫描策略和观测模式的发展上，通过大量实际观测实践，到目前为止设计了CS连续监测扫描和CD多普勒扫描两种波形，并在此基础上建立了三种晴空观测模式和四种降水观测模式，并将Split-Cuts、SZ-2、Batch Cuts三个静态扫描策略和AVSET、SAIL、MRLE三个动态扫描策略用于适应不同天气特征的观测模式中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：最大程度实现距离与速度不模糊数据采样；

• SZ-2：采用双重复频率实现不模糊距离与不模糊速度的扩展，以减小距离与速度模糊带来数据质量问题；

• Batch-Cuts：采用CD（连续多普勒）波形实现在较高仰角层不模糊距离与速度的扩展；

• AVSET：目标是消除不必要的高仰角层扫描，缩短体扫描的周期，以提高采样的时间分辨率；

• SAIL：目标是在对流天气期间提供更频繁的低层大气扫描采样，及时追踪中小尺度天气系统快速变化的最新信息；

• MRLE：目标是在对流天气期间提供更多频次的对大气深厚层次部分进行扫描，以获取天气系统的精细化垂直结构信息。

上述扫描策略和观测模式，根据天气系统不同阶段特征，有效解决了业务雷达WSR-88D组网观测相关的问题，提高了数据质量为雷达数据深入应用奠定了坚实基础。

4.3 气象雷达技术朝向多平台技术发展

气象雷达的发展，除了本身技术不断发展外，还与其承载雷达的平台紧密相关。地基固定式气象雷达虽然具有探测精度高、准确性高的特点，但受地形地貌影响，受雷达自身天线尺寸大小的限制，难以实现对特定气象目标的高分辨率、高准确性的有效探测，尤其是近海和远海台风等重要天气系统的精准探测难以实现。此外，中国作为一个气象大国，若要想向气象强国迈进，就不能局限于本国范围探测，因为“大气运动”无国界，地球大气是一个整体，同时围绕“一带一路”发展战略，必须构建一个覆盖全球的探测体系，因此发展多平台技术实现全球化和“一带一路”气象雷达精细化观测，就成为当今世界气象雷达发展的一个重要趋势。

构建一个覆盖我国大部降水区域和流域实现其高分辨、高精度、准确定量测量的地基气象雷达网；同时辅以有人机和无人机机载气象雷达实现特定区域和特定气象目标（近海登陆台风）的多要素综合探测系统；再辅以低轨星载气象雷达探测系统实现跨区域、跨大洋的覆盖全球的探测。从而实现集相互校准、相互验证的星-地-空三位一体化的气象雷达探测体系（图2）。

图2 多平台技术构建三位一体化的气象雷达观测体系Fig.2 Three-in-one weather radar system based on multi-platform technologies

气象雷达多平台技术发展的主要任务是：

1）构建一个从局地—区域—全球气象雷达探测体系，实现全球覆盖；

2）利用地基车载、机载和星载气象雷达，实现特定区域和特定目标的抵近探测，以获得高精度、高分辨率的准确观测数据；

3）通过星-地-空三位一体化气象雷达网构建，通过相互比对、相互验证建立起一个实时校准与标校的业务体系。

由于气象雷达探测技术本身的局限性和天气系统的复杂性等多种因素的制约，要想实现对大气中的各种现象和系统的有效与精确探测，就必须构建地基—空基—天基平台的探测技术；以实现对特定区域、特定目标的有效精准探测。以雷达波束宽度为1°为例：当雷达发射脉冲宽度τ=1 μs时，在距离雷达10 km处的雷达PPI采样的空间分辨率为大约0.175 km×0.15 km；而在50 km处，其PPI采样空间分辨为：0.873 km×0.15 km，二者相差尽达5倍。因此，机载气象雷达利用其自身灵活快捷的优势，开展特定气象目标的抵近探测作用十分显著。

高中物理教育所采用的开放式的教学方式避免了学生在学习过程中产生消极的学习情绪.教师在教学过程中通过引导学生进行相关的学习并对学生的学习成果进行赞扬，对学生自主学习物理能力的培养起到了良好的作用.学生在物理实验的过程中通过自己的设计和操作完成相关的实验，收货了成功的喜悦，提升了自身对于物理学习的自信心，对学习物理会更加的积极和主动.

4.4 气象雷达技术朝向组网协同观测技术发展

所谓协同就是指协调两个或者两个以上的不同资源或者个体，协同一致地完成某一目标的过程或能力。广义的协同气象综合观测技术即WMO提出的Network of Networks就是组成气象综合观测系统的各个子系统（地面自动站AWS网、天气雷达网、L波段探空网等子系统）通过有机的组合、科学合理布局。实现气象预报与服务、气候与气候变化所需的观测变量准确有效的测量，而狭义协同观测技术（System of Systems），就是针对某一个具体的观测子系统，通过科学合理的布局，充分利用时间与空间的同步技术，采用有效的观测模式，以有限的规模实现观测精度高、时间与空间分辨率高（尤其是在垂直方向的分辨率高）、观测变量和谐均匀（Harmonious）的测量技术。

对于一个气象雷达网，组网雷达可能是不同类型的气象雷达进行组网，也可能是同类别的多部雷达进行组网，以实现对更大范围的有效探测；但对于气象雷达协同观测而言，应当注重多种不同类型的雷达开展协同观测，以实现多频段的多类别的气象雷达在同一时间对同一空间的目标进行有效综合探测，从而实现对大气的全方位的揭示，进而实现不同类型雷达的相互比较、相互验证。气象雷达协同观测技术已经是气象雷达技术发展的重要方向，协同观测技术目前正以两个方向发展，一是协同组网的综合观测技术，它是以观测方法、质控方法等对多种不同雷达进行组网协同观测；另一种是以多频段的探测设备实现同平台的综合协同观测；无论哪种协同观测技术，它们的终极目标都是实现时间与空间的同步观测，最终达到相互比较、相互验证，从而构建出多种物理量的融合产品，全方位揭示出大气的特征。

协同组网观测技术是现代观测体系不断发展而孕育出的综合技术，涉及内容广泛，技术构成复杂多样，但其关键核心技术构成可以做以下概括（图3）。

图3 协同观测的核心要素Fig.3 Core elements of collaborative observation

1）科学合理的布局

任何观测系统，无论规模大小均受到建设成本、环境和人力与物力的限制；因此，如何根据各种观测设备性能与探测能力、布设区域的环境（地形地貌）、天气与气候特征进行合理科学的布局，以有限规模实现观测最大化效益。

2）时间与空间的同步技术

组网观测最重要一点就是组网观测的各观测设备在观测采样过程中，必须保持采样的高度一致性，也即均匀性。为此，对每个观测设备在观测过程中，必须保持采样的时间与空间同步。因为气象目标是弥散气象目标，其特征仅具有统计特性，采样空间不同、采样的空间大小不同、采样时间不同、采样的样本累计数不同均会直接导致观测数据的差异。因此，时间与空间的同步技术才能有效保证观测数据的一致性，并且由此获得观测数据具有可比性，能够进行相互比较与相互验证。

技术性能指标再好的观测设备，若没有配套系统的、完备的观测方法和数据质量控制方法，是无法获得高质量观测数据的；因为实际大气十分复杂，会出现各种各样的干扰因素，包括设备本身的人为因素（如：脉冲多普勒体制下的距离与速度模糊问题、波束宽度导致回波高度误差问题等）；因此各种观测设备，根据自身性能与特点建立起系统的、有效的观测方法和数据质量控制方法，能够最大限度保障采样观测数据质量的有效性。经典的WSR-88D雷达的扫描策略和观测模式，为气象雷达设备有效观测树立了一个典范。作为气象雷达在所有扫描策略与观测模式设计中，还必须坚持以天气系统特征为基本出点，突出气象雷达在天气系统垂直结构和低层大气覆盖为重点的设计理念，充分发挥气象雷达对中小尺度天气系统监测的有效性。

4）观测内容与观测要素的融合

“融合”一词，从物理意义上来讲是指多种物质熔成或熔化形成一体。对于气象雷达而言，不同频段的气象雷达观测数据以及气象雷达观测数据与其他观测获得数据之间通过某种算算法进行的融合，可以为我们提供更具物理意义和更具有实际应用能力数据产品。例如：由多频雷达（S波段、X波段和Ka波段三频雷达）可以提供从大雨滴、小雨滴到云滴的粒径谱的特征分布，为揭示降水云系粒子构成提供了一个更加逼近实际降水云系的粒子谱的分布；同样，利用气象雷达获得的反射率因子联合地面雨量计开展降水估测，不仅获得了更加符合实际降水强度结构的特征信息，同时还获得了较高分辨率的降水分布特征信息。再有，利用天气雷达获得的VAD风场信息与L波段风廓线风场的融合，实现了中低层大气风场在垂直方向和区域水平方向的融合风场，为揭示中低层大气风场结构，提供了十分有效信息，弥补了大尺度探空信息严重不足。上述这些过程是气象雷达融合产品的最典型的体现。

5）相互比对与相互验证，标校与量值传递实现观测要素和谐均匀

组网观测的均一性，尤其是多种设备组网观测均一性问题，是协同观测技术构成的十分重要内容之一；要实现这一“均一性”，就必须构建一整套对组网观测设备获得数据的比对、验证及量值传递的实时数据质量控制方法；这对提高组网观测的整体的数据质量具有十分重要作用。例如：天气雷达网组网观测过程中，方位仰角校准、机内功率标校以及构建共同的参照系就是构建整体观测一致性的举措。例如：美国正在研究利用GPM卫星搭载的双频测雨雷达（双频Ka和Ku）来为地面WSR-88D雷达网构建一个参照系，以实现WSR-88D雷达组网观测的整体一致性。

上述五个方面，构成了协同观测的核心要素，缺一不可。

4.5 气象雷达技术朝向高精度、高时空分辨率精细化探测发展

气象雷达技术一方面在科学研究与探索发现和防灾减灾越来越高的需求和越来越精准的需求驱动下，另一方面又受到电子技术、计算机技术和气象科学的不断进步与发展的驱动；气象雷达技术总体发展正朝向更加深入的（宏观与微观）物理特性、高时空分辨和更加精准的定量化技术方向发展。随着许多其他行业技术不断应用于气象探测领域，并通过气象雷达得以实现。如：为了提高雷达时间与空间分辨率，以提高对大气和各种天气系统结构的认识，相控阵技术、脉冲压缩技术等已经应用于气象雷达中；又如：为了提高对大气中的微物理特性认识，双偏振技术已经在气象雷达中也得到了广泛应用。此外，还有双雷达观测技术、多基地雷达技术、相位编码技术、连续波雷达技术、合成孔径雷达技术等纷纷应用于气象雷达中。随着这些新技术的不断应用，气象雷达的探测能力、探测精度、采样分辨率（时间与空间分辨率）以及水凝物识别能力均有了显著提高。为中尺度气象学理论发展、机理认知的突破奠定了坚实基础。

4.6 气象雷达技术朝向多功能综合一体化技术发展

随着气象雷达网、军事情报雷达网和民用导航雷达网的规模化，而且这种规模正不断扩大，从而导致各个雷达网之间，以及各个网内部之间的频率资源和干扰问题日益突出。使得各种雷达技术融合问题也放到了一个重要位置上；气象雷达技术也正在朝向与其他雷达网融合发展的趋势；使其朝向多功能、多元化方向发展。即：气象雷达不仅能够探测大气特征，同时也能够实现军事目标的搜索警戒探测和民用航空器的飞行管控等多种功能发展模式。例如：美国早在2006年，就由NOAA组织制定了《气象雷达发展战略白皮书》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。，明确提出了要实现气象目标、军事目标和民航飞行器的三位一体化的新型雷达系统发展战略；这一战略的实施，使得新型雷达系统采用三位一体化的硬件结构模式和分离式的后端信号处理模式来实现。其结果使得频率资源大幅度增加，频率复用率也将得到极大提高，为气象雷达进一步发展提供了丰富的频率资源保障。

4.7 气象雷达技术朝向“社会化”与“专业化”两个层面发展

2019年世界气象组织WMO在世界气象大会期间，举行了一场公私对话高级别圆桌会议。来自公共、私营以及学术部门的170多位代表围绕预报、数据、服务供求等未来挑战以及增进信任等展开了坦诚交流。此次对话规模大、级别高，可谓史无前例，天气公司、维萨拉、Accuweather等众多欧美气象企业均派人参加，WMO秘书长、主席、副主席全部到场。会议现场气氛热烈，既有碰撞又有共识。在与气象综合观测方面有如下观点总结如下：

数据革命展望2030年，观测数据将呈现爆发式增长，来自私营部门的非传统数据将占更大比重。数据采集和使用将高度自动化，物联网和人工智能将成为主要驱动力量。实时数据大爆发将使高度精细化的服务成为可能，同时也带来质量和融合的问题，数据变多当然好，数据好用更重要，为此要加强相关规范标准的制定。加强数据共享，完善有关机制，避免出现“赢者通吃”，商业气象活动不应破坏数据的自由和不受限制的交换。

上述展望，已经被气象雷达技术发展趋势所证实。气象雷达正朝向高可靠、超稳定、低成本、小型化方向发展，以实现气象雷达探测以满足社会化的基本需求目标，同时实现气象雷达应用全球化的大目标。突破气象雷达在为数不多的气象大国使用的局限性。让更多的第三世界发展中国家买得起、用得起、用得好、发挥作用。然而，由此引发出了气象雷达技术发展的两个层面。一方面专业化的气象雷达正朝向越来越高精度、高准确性的精确测量技术发展；另一方面，气象雷达技术又呈现出以满足实际需求的低成本、小型化的实用性雷达技术发展；与此同时，气象雷达技术还面临着一些依托无线通信网信号衰减降水测量技术、汽车雨刮器与GPS定位技术结合测雨技术等多种形式的社会化观测技术的挑战。综合分析看，气象雷达技术在专业化与社会化两个层面发展的趋势已经形成。因此，不仅要建立针对专业化观测技术发展的规范、标准；同时，也应当加强对迅速发展的社会化气象观测的规范、标准的指导与建设，包括观测设备、观测数据、观测产品等适应社会需求的有针对性的规范与标准建设。

综上所述，上述七个方面的技术发展趋势，已经构成了气象雷达技术发展主要技术核心内容。

5 存在的主要问题与面临的挑战

我国气象雷达经历了近70年的发展历程，一跃成为世界气象雷达大国。我国目前气象雷达业务网与美国气象业务网相比，存在技术体制多、型号多的特点，而与欧盟现有气象雷达业务十分接近；美国全国气象雷达业务网是同一型号、统一频段、统一标准、国家级统一保障维护；欧盟气象雷达网则多型号、多频段、维护定标均不统一，但欧盟气象雷达网是通过制定统一技术标准（对各种型号雷达实现数据格式、数据质量、观测产品的统一技术标准），从而实现了欧盟气象雷达组网应用。

我国气象雷达的发展，面临两大方面挑战，一是气象雷达可持续发展研发体制、机制的挑战；二是面临的气象雷达对气象目标——“弥散目标”精细化、定量探测所要解决的“弥散气象目标”的特性理论研究问题。本节就第一个挑战进行简要阐述。第二个挑战将在《试论弥散气象目标特性——气象雷达技术发展的关键因素》①见本期P95页。一文中进行具体阐述。

5.1 我国气象雷达发展体系建设问题

气象雷达发展不仅仅是气象部门就能够解决的问题，中国气象局在气象雷达发展上应当更加注重技术的引领。技术引领主要通过两个途经来实现，一是开展气象雷达科学试验；二是在科学试验基础上制定技术标准。要推进中国气象雷达由大国向强国迈进，必须坚持开放，跳出部门自己统揽气象雷达的“部门办气象”的模式。集国家的力量和优势，构建一个“五个阶段一体化”的可持续发展体系；五个阶段一体化的气象雷达发展模式，是气象雷达由气象大国走向气象强国的重要标志。即：气象雷达技术发展要按照预研阶段、研制阶段、生产阶段、建设阶段、应用阶段的五个阶段一体化的发展模式进行；根据不同阶段目标与任务的不同、特点与重点的不同，以及责任主体的不同，系统地、整体地规划设计研究我国气象雷达发展，调动国家整体力量推动气象雷达发展，形成各个阶段目标与任务分工。

1）预研阶段。开展理论研究与仿真系统构建；目标：科学原理样机；其责任主体：相关大学与科研院所。

2）研制阶段。通过试验基地解决观测方法与质量控制方法，构建观测模式，建立规范与标准、形成工程建设的功能需求书。目标：工程样机；其责任主体：气象业务专家为主导、科研院校与制造工程师共同参与；平台：外场综合试验基地。

3）生产阶段。实现产品批量工艺流程与质量标准化，提高产品性价比；目标：产品标准化——固化产品；责任主体：设备制造工程师；由气象业务专家建立起生产全过程的动态监督机制。

4）建设阶段。实现气象雷达业务网的科学合理布局、建立业务流程与业务规范、实现业务稳定运行；目标：提高探测能力和数据质量；责任主体：气象业务人员。

5）应用阶段。根据不同部门和不同领域的实际需求，提高数据质量、研制针对性的定制产品，发挥气象雷达在防灾减灾、国防建设、经济活动等的气象保障作用；目标：建立从研制到需求的循环反馈机制，提供更多高质量的定制产品；气象专家为主导，联合大学与科研院所。

上述五个阶段一体化的体系构成，其关键要素是必须有一个开放式、多部门联合的综合试验基地来支撑。因此，如何构建一个开放式、综合性的试验基地，系统地、持续地开展各项工作，充分发挥各个部门在试验基地这个平台上的作用是一个重要且关键的问题。

5.2 我国气象雷达发展在技术体制方面存在的主要问题

在我国气象雷达领域由“大国”向“强国”迈进的进程中，必须尽快突破我国气象雷达发展过程中呈现出来的“短板”与不足的关键技术问题。

1）气象雷达业务网实时定标系统建设问题

气象雷达业务实时定标问题，是提高整个气象雷达网质量关键技术之一。构建国家的天-空-地一体化的气象雷达业务实时定标技术体系，是气象强国的重要标志之一。同时，还要及时针对新型技术的应用带来的新的定标问题，例如：全固态体制的相控阵气象雷达的测试与定标问题。微波暗室测量技术是解决这一问题的关键要素之一。因此，在相控阵气象雷达的测试定标方面，如何利用社会化力量来解决部门面临的技术瓶颈问题，应认真思考。

2）建立我国气象雷达机载综合探测体系问题

机载气象雷达探测体系，不仅是气象雷达技术发展的主要趋势之一，更重要的是机载气象雷达探测体系，对推动气象科学研究、国防建设发展和防灾减灾等具有十分重大的意义。因此，组建“国家机载气象雷达工程技术研究中心”，发展我国机载气象雷达综合探测体系，是气象雷达技术发展的重大技术体制的一次突破。由于机载气象雷达技术体系涉及面广、涉及领域多，技术复杂程度高，必需要在国家层面构建一个由气象部门、电科集团、航空部门、军方和大学组成的五位一体的“国家机载气象雷达工程技术研究中心”，要把机载气象雷达综合探测体系建设，作为国家级的一项大科学装置——“气象重大科学装置”来建设。

3）构建我国多频段气象雷达标准系统问题

多频段气象雷达标准系统，是支撑我国气象雷达技术可持续发展的一项重大气象基础设施与科学装置。它在气象雷达技术发展进程中，是气象雷达新型技术发展的参照系，同时也是开展综合气象科学试验的重要大型科学装置。美国早在40多年前就开始研制发展了多频段的气象雷达标准器，即坐落在科罗拉多州的Chill-Radar；该科学装置为美国各种新型气象雷达的技术发展、验证提供了大量的、详实的、重要的科学依据。发展研制我国气象雷达重大科学装置，即：国家级多频段气象雷达标准器，构建气象雷达探测参照系和标准，是推动气象雷达发展重要内涵，也是气象强国的重要标志之一。

6 气象雷达技术发展现阶段的热点问题：全固态X波段相控阵天气雷达

由国家发改委正式批复的中国气象局《气象雷达发展专项规划（2017—2020）》中明确提出了发展建设X波段气象雷达，并以此弥补现阶段由S波段和C波段组成业务网在大气低层（尤其在边界层）覆盖不足以及提高对天气系统早期发展的弱回波监测能力。

6.1 X波段气象雷达优势分析

X波段频段的气象雷达由于其波长短，在同等信噪比条件下，具有比S波段和C波段气象雷达发现弱回波能力更高的优势，有利于天气系统的早期发现。

其次X波段气象雷达，根据波束宽度与天线孔径的对应关系，如下公式：

其中：θ为波束宽度；λ为波长；D为天线直径。由此式可以看出：要想获得雷达高分辨率的空间采样，就必须减小波束宽度，对确定的波长而言，波束宽度越窄，就必须加大天线直径。

然而，要在雷达工程上实现更高的空间采样分辨率，例如：S波段气象雷达实现波束宽度小于1°，也需要将天线孔径建设为大约8.5 m的直径。而X波段气象雷达若要实现波束宽度小于1°，则天线孔径需要大约2.4 m的直径；若要实现波束宽度小于0.5°，则天线孔径也仅仅需要大约4.8 m的直径。X波段气象雷达这一特点十分有利于提高气象雷达对中小尺度高空间分辨率的探测能力实现（如图4所示）。

图4 气象雷达天线孔径尺寸对波速宽度的影响Fig.4 The correlation between aperture diameter and antenna beamwidth

因此，概括起来X波段雷达具有如下优势：

1）有利于提高气象雷达对天气系统早期发展的监测能力；

2）有利于对天气系统监测的空间分辨率提高；

3）有利于实现对复杂地形地貌条件下的大气低层覆盖能力提高。

6.2 X波段全固态相控阵气象雷达存在的主要问题

X波段频段气象雷达在实际大气探测过程中，尤其在降水条件下的探测，其能量衰减问题是一个十分显著且难以克服的短板。如下图5所示①https://weatherradar.readthedocs.io/zh_CN/latest/多普勒天气雷达原理.html。，给出了X波段、C波段和S波段对大气中不同强度降水条件下，电磁波能量的衰减系数。

图5 不同波长在不同雨强下的衰减系Fig.5 Attenuation coefficients of electromagnetic waves at different wavelengths due to different rainfall intensities

从图5上可以清晰地看到：X波段雷达的雨衰十分显著，C波段雷达有一定的衰减；而S波段雷达基本没有雨衰。

以下是一个实例（如图6所示）①https://www.radartutorial.eu/07.waves/wa13.en.html。：图中形显示了降雨衰减在不同波长有不同值的影响。顶部（黄色）曲线显示未减弱的天气：一场直径20 km，中心降雨量达100 mm/h的风暴。下一条（淡绿色）曲线显示了由S波段雷达看到的回波。接下来的两条曲线（蓝色和红色）显示了C波段和X波段雷达的输出。所有结果都已归一化。很明显，X波段有严重衰减，不能看到风暴深处，而S波段衰减很小。C波段则提供了一个很好的折衷方案。由于雨衰原因，X波段天气雷达只能用于短距离探测；S波段雷达用于热带地区，因为它们可以看到强风暴以外的地方；而C波段雷达则适用于温带地区，具有良好的灵敏度和范围。

图6 同等雨强下降雨衰减对不同波长的影响Fig.6 The influence of rain attenuation on different wavelengths under the same rain intensity

X波段气象雷达除了衰减这一难以克服的短板外，大量采用了全固态发射技术体制，实现了稳定可靠运行；然而，由此带来的是发射机功率低（目前普遍在100～200 W），在不同探测距离上的雷达信号与噪声比低，从而导致气象雷达探测能力显著下降，尤其是对弱信号探测能力显著不足。

另外，现阶段的X波段相控阵雷达，由于其成本高，建设的X波段相控阵雷达天线，均采取了小阵列的天线结构，以降低成本。然而，这一做法导致X波段天线波束宽度均超过了1.5°，有些甚至超过2°以上。因此，不仅显著降低了X波段雷达空间采样分辨率，同时，又进一步导致采样空间雷达功率密度下降，信噪比进一步降低，从而影响了整个获取的数据质量。

通过上述分析，在建设X波段气象雷达过程中，应当充分发挥X波段气象雷达优势，减缓X波段短板与不足，具体举措如下：

1）降低X波段相控阵气象雷达硬件成本，提高固态发射功率和提高空间采样分辨率，发挥X波段对弱回波发现能力与对天气系统采样的空间分辨率的优势。根据波长与雷达采样波束宽度的对应关系，X波段与C波段、S波段气象雷达相比，在提高采样空间分辨率上具有显著优势，而且在现有基础上，提高固态发射机的功率使之达到在一定有效探测范围内与S和C波段同等信噪比，不仅可以提升气象雷达对中小尺度天气系统的早期发现能力，而且可以大幅度提高其空间采样分辨率，十分有利于天气系统早期监测和精细化结构认知。

2）利用X波段气象雷达成本低、基础设施相对简单等特点，通过对X波段气象雷达组网技术，不仅可以有效实现局地范围三维结构与三维风场的探测，加深对中小尺度天气系统的三维结构的认知，同时，利用组网技术还可以实现多角度探测，并且与现有业务大雷达网结合，开展衰减订正。在一定程度上弥补X波段在降水条件下衰减的短板。

3）利用X波段相控阵体制的气象雷达具有快速扫描能力的特点，在观测模式与扫描策略上，建立起能够发挥X波段气象雷达优势的扫描策略和观测模式，克服X波段由于波长短，在脉冲多普勒技术体制下，速度与距离模糊更加突出的问题。

总之，对目前正在兴起的X波段气象雷达，要充分了解不同技术体制的X波段气象雷达的特点，将X波段雷达在衰减、距离与速度模糊等问题减缓到最低程度，充分发挥在空间采样分辨高、弱回波探测能力强的优势。利用组网与协同观测等技术，开展与现有业务大雷达（S波段、C波段）网的结合，实现我国主要降水区域的复杂地形下的有效覆盖，在防灾减灾中充分发挥作用。