天气雷达是用来探测大气中的降水的类型、分布、移动和演变，并可对其未来分布和强度作出预测的一种雷达设备，具有监测时间间隔短，精度高等特点，是探测中小尺度天气系统的重要工具。


玉兔雷达图镇楼

当这束电磁波在大气中传播时，空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子会使电磁波发生瑞利散射（在少部分情况下会发生米散射）。一部分散射的电磁波会返回雷达，被雷达天线所接收。天气雷达天线扫描的仰角可以从-1度到60度，主要取决于扫描策略、体积覆盖模式以及操作模式三个要素。
一般来说，天气雷达有三种扫描策略：
1. 一个体扫描包含14个仰角，用时5分钟
2. 一个体扫描包含9个仰角，用时6分钟
3. 一个体扫描包含5个仰角，用时10分钟
国内的天气雷达通常采用第一种和第二种扫描策略。


扫描策略决定了一个体扫描中包含多少个仰角，而体积覆盖模式(Volume Coverage Pattern, VCP)指定了具体的仰角值，天气雷达可包含20个不同的VCP，在这里列出较常用的两个：
VCP11:扫描策略1，仰角分别为0.5，1.45，2.4，3.35，4.3，5.25，6.2，7.5，8.7，10，12，14，16.7，19.5度
VCP21:扫描策略2，仰角分别为0.5，1.45，2.4，3.35，4.3，6，9.9，14.6，19.5度

操作模式则是前两个要素的组合。天气雷达有两个操作模式：
Mode A:降水模式，使用VCP11或VCP21，扫描策略为策略1或策略2。
Mode B:晴空模式，使用VCP31或VCP32，扫描策略为策略3。

这张雷达图右边显示了一些关于扫描的信息，可以看到这个雷达采用的体积覆盖模式是VCP21，操作模式则是降水模式。这也是我国绝大部分雷达的扫描配置。

在接受到返回信号之后，信号处理系统会生成很多雷达产品，下面来一个一个介绍
1.基本反射率（R）


这是最常见的雷达图啦。反射率的单位是dBZ，是一个无量纲的值。反射率由雷达反射因子（Z）转换而来，公式为R=10log(Z)。Z与单位体积内的雨滴数量成正比，也与单位体积内雨滴直径的六次方之和成正比。因此可以用反射因子来估算雨强，简称Z-R关系。针对不同的降水系统，有着不同的Z-R关系式。常用公式Z=a*R^b，其中a≈200，b在1.5～2之间。而反射率（R）可以用马歇尔-帕尔默公式（Marshall-Palmer formula）转换为小时雨强：

2. 多普勒速度（V）
由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成反比。径向速度则是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度。正的径向速度代表离开雷达，负的径向速度代表靠近雷达。


可能有细心的吧友已经注意到了速度图上会有紫色的RF区域，这代表了距离折叠（Range-Folded）区域。距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达发出的上个脉冲还没有返回雷达而下一个脉冲已经发射出去了，当上个脉冲返回时，雷达则不能判断这是哪个脉冲。这时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可以预计它的正确位置）。相应的，我们定义最大不模糊距离为一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。即当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置。 如果一个散射区在Rmax之外，那么回波只有在下一个脉冲发射之后才能收到，因为实际的来回距离在Rmax和2Rmax之间，因此这种回波被称为第二区回波。

最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。按照Nyquist采样定理可知，雷达能够准确测量多普勒频率是脉冲重复频率（PRF）的二分之一，即fDmax=PRF/2。考虑到多普勒频率位移可正可负,故fDmax=±PRF/2, 把关系式fD=2V/λ 代入,并把fDmax和Vrmax相对应,可得：Vmax=±λ*PRF/4对实际使用的雷达来说，波长是固定的，当选定了Rmax（或脉冲重复频率）后，就会存在一个Vmax。即，当目标的径向速度大于最大不模糊速度时，就会产生混淆。由雷达测得的径向速度将相差两倍最大不模糊速度（称Nyquist间隔或速度折叠）。当最大不模糊速度较小时，会产生多次速度折叠，此时：真实速度的可能值为V±2nVmax，n为Nyquist数或速度折叠次数。
举个栗子，假设一个雷达的最大不模糊速度是27m/s，这时有一个30m/s的径向速度出现，这时雷达测量到的速度就变成了-24m/s。
在大范围的正速度区域出现没有过渡的负速度区，或者负速度区里面出现没有过渡的正速度区，一般都是出现了速度模糊，需要退模糊算法校正。这种情况在热带气旋的探测当中是极为多见的。

3.多普勒谱宽
谱宽表示有效照射体内不同大小的多普勒速度偏离其平均值的程度，相当于速度的方差。可以用作多普勒速度质量控制的工具。在业务中很少用到。

下面介绍的几个要素都是双偏振雷达要素，双偏振雷达会发射不同角度的偏振电磁波，一组是水平偏振，一组是垂直偏振。通过比较这两个方向上返回信号的差异，可以得到物体的形状、大小和方向等信息。


4.差分反射率（ZDR）
差分反射率是水平和垂直反射因子之比的对数。所以对于一个球形物体，它的ZDR是0。对于能发生瑞利散射的小粒子来说，主轴是横轴的粒子会有正的ZDR而主轴是纵轴的粒子会有负的ZDR。有研究指出更大的雨滴会受到更大的空气阻力从而变成扁圆形，所以更大的雨滴会有更大的ZDR。冰雹具有较低的ZDR，在实际观测当中，大冰雹甚至出现了负的ZDR。所以当出现了高反射率和低差分反射率的时候，出现冰雹的概率是很高的。

5.协相关系数（CC）
描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度。

高CC



低CC




对于雨滴来说，因为会被拉成扁圆形，雨滴的CC值在0.98-1之间（小雨滴因为形变更少，CC更接近1）。对于干燥的冰雹来说，因为是球形，它的CC值也很接近1。但当冰雹落入湿增长区之后，它的CC值为显著减小到0.85及以下，因为冰雹的表面不再光滑平整而是会有一些不规则凸起。除了判别大冰雹之外，CC也可以非常有效的判别出零度层亮带（融化层），因为融化中的冰晶会带来形状上的多变，从而减少CC值（0.9左右）。



而对于非气象回波来说，它们的CC通常都非常低（小于0.8），可以有效的和气象回波区分开。