概述
强对流天气尺度小，突发性强，天气剧烈，破坏性强（图1），是我国春夏季常常发生的"作妖"天气，而南方甚至全年都可能出现，其"作妖"的方式主要有：雷暴大风、冰雹、暴雨、龙卷风。
图1强对流天气系统
监测强对流，虽然我国地面气象自动站网已经很密，但仍不足以观测强对流天气过程（图2）。而且，自动站观测到的是地面的数据，强对流天气系统则是三维的，用平面数据不能反映三维结构。
图2强对流天气地面监测
卫星监测范围虽然广（图3），但是它是"上帝视角"，只能看到强对流天气的最上面，而且空间分辨率较低（约 5 千米），获取数据时间在30分钟到1小时，所以卫星只对对流云上部的监测较为有效。
图3 卫星监测的强对流天气云团
相比地面气象自动站和卫星等，天气雷达是监测预警强对流天气最有效的手段，可以观测强对流天气系统底部、中部、上部的多种参数。
所以，天气雷达就是强对流天气的"照妖镜"。
我国天气雷达及业务雷达分布
按照波段，气象雷达可以分为K波段雷达（波长1.25cm）、X波段雷达（波长3cm）、C波段雷达（波长5cm）、S波段雷达（波长10cm）和L波段雷达（波长22.5cm）。
K波段雷达常用来探测各种不产生降水的云，也叫云雷达。
应用较为广泛的X、C和S波段雷达用来探测降水被称作天气雷达。
S波段多普勒天气雷达"功夫"高（图4），最大探测半径460公里，其先进的技术手段可以显著增强对暴雨、冰雹等灾害性天气的监测和预警能力，进一步提高降水预报的时间、空间分辨率，实现降水预报的定时、定点、定量化。它是我国业务雷达的主力，布设于我国的大部分地区。
图4 S波段天气雷达（龙岩CINRAD/SA）
C波段探测能力次之（图5），最大探测半径400公里，由于降水的衰减作用，对探测强对流中的暴雨、冰雹等能力比S波段要差一些，但是它的设备成本更低，C波段雷达主要布设与降水较少的中西部地区。
图5 C波段天气雷达
X波段天气雷达（图6），它的种类最多，它算是天气雷达的‘老前辈’了，虽然它波长更短，被降水衰减大，对局地强降水等监测能力较差，探测距离也比较小，一般在100km以内。但由于其体积小、成本低，在我国天气雷达发展早期，对于提高云雨监测时效发挥了重要作用。
此外，由于 X 波段天气雷达造价低，气象部门常利用它进行强对流天气系统的补充观测。S、C波段的雷达探测距离虽然远，但地球曲率的影响，一些远距离的天气系统低层探测不到。而强对流天气，如雷暴大风、龙卷通常发生于位置较低处，很多时候需要 X 波段天气雷达用于补充观测，并辅助用于人工影响天气的作业指挥及效果评估。
图6 X波段天气雷达
目前，我国有200多部组网的业务天气雷达（图7），S波段最多，C波段少些，数据每 6 分钟更新一次，扫描9个仰角层次，距离分辨率在150m（C波段）到1000m（S波段），大大增强了对强对流天气系统的监测和预警能力，为开展短时灾害性天气系统及洪涝灾害的监测、预警和精细化短临预报奠定了坚实基础。雷达布网依据和年降水量及村镇人口密度有关（图8）。
图7 2015年我国的业务天气雷达布网（绿色为C波段，蓝色为S波段，红色为新增）
图8 漠河腾冲线，雷达布设密度及波段的选择
每一部天气雷达有不同的功能，每一部天气雷达也不是孤立的，加强协同监测才能最大限度地提升强对流天气的监测预警能力。协同监测才能发挥天气雷达最大效用。
但是越强的对流天气发展速度越快，空间尺度越小，对监测设备的时空分辨率要求越高。业务雷达以CINRAD/SA为例，6分钟时间间隔，9个层次，1000m的分辨率，对强对流天气系统内部结构和演变的观测能力相对而言还是很有限。
随着雷达技术发展，多普勒天气雷达也不断"修炼武功"，正逐步应用全固态、双偏振、相
控阵、网络化协同观测等技术，还有与其他探测资料的数据融合。
总的说来是利用多普勒测风技术，获得天气系统动力场结构；利用相控阵雷达技术实现快速扫描，获取高时间和空间分辨率信息；利用不同极化方式探测降水系统的内部降水粒子相态特征、谱分布特征；利用变波长技术获取大气中不同目标物的探测信息（微波-降水离子、毫米波-云、激光-气溶胶和晴空风场），最终结合多种雷达观测资料及其他探测资料进行数据融合对天气系统发生发展做出判断。
雷达新技术（新式武功）
全固态
全固态雷达技术比较成熟，是现在天气雷达的主流配置，采用高功率固态微波源代替高功率微波管振荡源。全固态雷达不用预热、体积小、功能多、机动性强、可靠性高。
双偏振
大气中的雨滴是非球形的，受空气浮力影响是扁平的，而且大气中大量聚集的扁平粒子有且只有液态降水，如果我们能再收发垂直方向上的偏振电磁波，那么就可以和水平偏振回波进行比较，根据它们的差异，判断粒子的形状、大小、多少，从而更容易区分降水、相态、强度等。（图9）
双线偏振天气雷达与常规多普勒天气雷达相比，除可以获取气象目标的反射率因子Zh、平均径向速度Vr、速度谱宽W等信息外，还可以获取目标的差分反射率因子ZDR、双程差分传播相移φDP 、差分传播相移率KDP、零滞后相关系数ρhv(0)和退偏振比LDR等偏振参数。偏振参数的测量有利于气象目标的微物理场的探测。因此，双线偏振天气雷达可以更准确地刻画出降水粒子的滴谱特征，降低反演算法中滴谱变化的多样性，提高降水粒子类型识别的准确性及云中含水量探测的精度，从而提高强对流监测能力和改善天气雷达定量测量降水的准确度。
图9 双偏振及其雷达产品分析强对流
相控阵
相控阵雷达，即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。相控阵各天线单元发射的电磁波，通过干涉原理合成一个的雷达主瓣（即探测波束）。
除大兴国际机场的C波段相控阵雷达（国睿科技）、江苏高邮的C波段相控阵试验雷达外，以X波段相控阵雷达比较多，都是一维相控阵雷达，即俯仰用电扫，水平用机械转动扫描。传统雷达用锅盖天线只有一个波束，做立体扫描既要转头还要抬头，扫描效率低，时间长。相控阵雷达，垂直方向直接可以用多波束一次细化扫描，所以不用抬头，只要转头，转一圈立体空间的数据全有了，而且还更层次更多，数据更细。通过脉冲压缩技术等，距离分辨率可细到30m。以湖南宜通华盛科技有限公司X波段相控阵雷达为例（图10），相控阵雷达在垂直方向上用多波束（4个22.5°）进行宽发窄收，一次可以扫描可以90°空间全覆盖，一次立体扫描最快12秒（探测距离20km），相对于现在业务雷达360秒（6分钟）快了30倍，数据分辨率30m，比CINARD/SA的1000m提高了30几倍。相控阵的最大优势就是快！天下武功，唯快不破，这也是相控阵技术是下一代天气雷达的方向的原因。
图10 相控阵雷达及其扫描对比（宜通华盛科技）
X波段相控阵雷达与C波段雷达探测对比，可以明显看到差别。C波段只有两个体扫完全还弄不明白怎么回事，而12秒间隔的X波段相控阵，则可以完全跟踪机场跑道边的雷达发生发展及其流场变化的全过程。（图11）
图11 相控阵雷达与C波段雷达探测对比（宜通华盛科技）
网络化协同
俗话说，"孤雁难飞，孤掌难鸣"。各种雷达多了，就需要考虑协作。协同监测才能发挥天气雷达最大效用。每一部天气雷达有不同的功能，每一部天气雷达也不是孤立的，加强协同监测才能最大限度地提升强对流天气的监测预警能力。
X波段相控阵雷达探测距离小，被降水衰减大，扫描速度快，数据分辨率高，尤其需要多雷达协同。
多雷达协同有两个层次（游击战法及正规军协同）：
雷达各自为战，探测到的数据收集到数据中心，利用数据处理软件分析数据，这是初级协同，相当于游击队各自为战的战法。
只有一个指挥中心，令出一门，协同控制和监视雷达，包括标定、控制、数据收集和数据处理分析、合成生成产品，还可以扩展融合数值预报、其他探测资料数据进行进一步分析。这是正规军的协同作战方式。有些地方又把这一方式称为阵列雷达。（图12）
图12 控制处理中心的网络化协同及阵列雷达（宜通华盛科技）
数据融合
数据融合是用整个雷达网的天气雷达探测信息跟踪天气系统，用对强对流天气状态（位置、结构、风场、相态）分析强对流的发生发展消亡，在全方位、全过程、物理相态变化等方面提高监测分析的质量。从技术上看，它主要解决时空统一、校正系统误差、雷达自动跟踪和关联、天气系统数据处理和自适应处理等几个问题。
数据融合可以使雷达探测的数据更好地发挥作用，生成阵列雷达特有的产品，并分析生成强对流天气系统的精细化三维模型。（图12、13）
准确精细的探测资料也可以和数值预报相结合，和精细的地理信息系统相结合，更好的做好强对流预报预警及三维展现和分析。（图13、14）
图12 阵列雷达系统特有的产品（宜通华盛科技）
图13 阵列雷达三维模型分析产品（宜通华盛科技）
图13 与数值预报的数据融合
图14 与地理信息系统的融合和强对流天气三维展现
小结
强对流天气最佳的探测工具是天气雷达，天气雷达的波段主要有S、C、X波段，它们各有优势，互相协同补充。
双偏振、相控阵等雷达的新技术发展，使探测强对流的能力正在越来越强。
X波段探测距离小，是业务天气雷达的有效补充，特别适合特定区域特定目标的监测分析，但其探测距离较小，衰减大，需组网系统观测才能更好发挥效益。
X波段相控阵天气雷达的网络协同及数据融合技术能更好地探测和分析强对流，进行"照妖镜"式分析，数据融合能够使强对流更好地现出"原形"。
阵列雷达的正规军协同作战模式和数据融合为强对流天气的分析打开了新的大门。
参考文献:
[1]崔国辉. 强对流天气vs天气雷达：矛与盾的较量[N]. 中国气象报,2017-05-19(004).
[2]唐顺仙,吕达仁,何建新,李睿,王皓.天气雷达技术研究进展及其在我国天气探测中的应用[J].遥感技术与应用,2017,32(01):1-13.
[3]相控阵阵列天气雷达是天气雷达的最新武器 湖南宜通华盛科技有限公司 王国荣
https://mp.weixin.qq.com/s/NRM0SsWrGgypnmP_qrfc3A
[4]阵列天气雷达和天气雷达发展 中国气象局气象探测中心 马舒庆
[5]阵列天气雷达系统&短临预报PPT 湖南宜通华盛科技有限公司 王国荣
原创作者：张深寿。本文转载自微信公众号 - 新一代天气雷达。
作者简介：张深寿，男，1976年9月生，福建省永定人，福建省龙岩市气象局雷达站站长，硕士，正研高工。1995年开始从事天气雷达业务和科研工作，福建省气象局雷达应用创新团队带头人。福建省气象培训中心兼职教师，主要培训短临预报预警、雷达资料应用及新技术开发。擅长天气雷达资料分析和处理，热爱气象科普工作。