美国 俄克拉荷马州 的一座气象雷达，其后为降水雨幡 。WF44雷达 气象雷达 ，或称气象监视雷达 （WSR ），是用来探测大气 中的降水 类型（雨 、雪 、冰雹 等）、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。
现代气象雷达大部分属于脉冲多普勒雷达 ，可以监测降水的分布及强度。这些数据可以用来分析风暴 的结构以及其能否在未来造成恶劣天气。[ 1]
20世纪60年代利用雷达技术探测到发生在美国双子城 的龙卷风 及形成它的超级单体 风暴 第二次世界大战 期间，军事雷达操作员就注意到了因雨、雪、冻雨 等天气因素接收到的回波噪声 。战后，原本的军事科学家得以继续研究如何利用那些回波。前美国空军 、后任职于麻省理工学院 的大衛阿特拉斯 [ 2] 加拿大 ，馬修 道格拉斯 蒙特利尔 成立了“风暴天气小组[ 3] 馬修 中纬 地区降水滴谱 ，并由此发现了降水速率和雷达反射率 之间的关系。英国则继续进行雷达回波模式和气象要素如层云 降水和对流云 之间关系的研究，并试验了1~10cm 范围内的不同波段效果。
1953年，从事伊利诺伊州 水资源调查工作的电气工程师唐納史戴格 龙卷风 相关的钩状回波 。[ 4]
1950到1980年间，用于定位天气系统及探测降水强度的反射雷达气象服务在世界范围内建立起来。早期的气象学者通过阴极射线管 来获取信息，到了20世纪70年代，雷达观测开始标准化并组成观测网。第一个雷达回波成像设备誕生后，雷达发展到可以扫描降水系统的三维 层面，使等高平面的景象和垂直的状况均能够得以展现。加拿大的阿尔伯塔省冰雹计划 国家强风暴实验室 雷暴 结构。
美国国家强风暴实验室始建于1964年， 起初研究双偏振 信号和多普勒效应 在气象雷达上的应用。1973年5月，一个龙卷风袭击了俄克拉荷马城 西部的尤宁城 [ 5] 龙卷风涡旋 [ 5]
1980至2000年，气象雷达网在北美洲、欧洲、日本等发达国家普遍建立，可探测大气中微粒移动速度的多普勒雷达也替代了只能探测天气系统位置和强度的传统雷达。美国于1988年正式进行10cm波段气象雷达的布网建设，称为下一代气象雷达或WSR-88D [ 5] [ 6] 麦吉尔大学 的馬修 多普勒气象雷达网 在1998到2004年间建成。法国 和其它欧洲国家则直到90年代末二十一世纪初才逐步采用多普勒网络系统。[ 7]
2000年后，双偏振技术投入了实用，增加了关于有效降水类型（如雨和雪的对比）的信息获取。“双偏振”是指既能发射和接收水平偏振波又能发射和接收垂直偏振波的微波辐射。预计美国、法国[ 8]
2003年起，美国国家海洋和大气管理局 （NOAA）就开始着手用相控阵雷达 代替传统的抛物形天线，以便在大气探测 中获得更高的时间分辨率。这对获取预测强雷暴发展过程的实时数据尤为重要。
同年，美国国家科学基金会 （NSF）成立了合作自适应遥感大气工程技术研究中心
从雷达站发射出的一束雷达波随着与发射点距离的增加穿过的空间体积也增大。 空腔磁控管 或调速管 连接导波管 ，再连接一个抛物面天线 而定向地向空间发射微波 脉冲。气象雷达所发射微波波长在1-10cm范围，大致是雨滴或冰晶直径的10倍左右，在该频率下，瑞利散射 效应最为强烈。这样可以确保雷达波的一部分能量能够从微粒表面反射回雷达站所在方向。[ 9]
若雷达发射更短波长的脉冲，则可以用来检测更加微小的云滴，不过信号的衰减 也更为强烈。因此10cm波段 5cm波段 3cm波段 1cm波段 毛毛雨 或雾 等微粒天气现象的研究。[ 9]
雷达波会以球面波的形式从雷达站向外传播。这会导致在相同时间内，雷达波所穿过的空间体积会随着距雷达站距离的增大而增大，因此雷达的角坐标分辨率 也随之下降。当雷达波射程达到150-200km探测范围时，单脉冲所扫描到的大气体积可能会接近1km3，称为脉冲体积 。[ 10]
在任意时刻任意空间位置一列给定的雷达波所占据的体积可由下式大致给出：
v
=
h
r
2
θ
2
{\displaystyle \,{v=hr^{2}\theta ^{2}}}
该公式假定雷达波是球面均匀发射的，“r”远大于“h”以确保其在该列波起止点能够大致相等，而所截得的几何体为一个高为h的台体[ 9]
θ
{\displaystyle \,\theta }
测定高度回波示意图 雷达多高度角扫描后所能探测的大气体积 如果假定地球是一个球体，通过大气折射率和雷达站与天气系统间的水平距离，我们就可以计算天气系统的距地高度。左图显示了计算结果决定于天线仰角以及其他一些因素。
雷达系统会根据需要扫描一系列的特定角度。每一次扫描过后，天线都会为下一次探测进行高度调整。雷达站会重复这种方式来扫描不同角度，以探测到其周围尽可能大体积的空气。通常情况下，探测方圆250km、纵深15千米范围内的大气需要5到10分钟的时间。比如加拿大的5cm波段气象雷达的扫描角范围设定为0.3至25度。右图示意了雷达站在一次多高度角扫描后所能探测到的大气体积。
由于大气折射率随高度的变化以及地表曲率的存在，雷达不能够探测到最低测量角以下（图中绿色范围）的以及雷达附近超出最大测量角（图中红色范围）的大气。[ 11]
由于探测范围内的目标并不唯一，基本雷达方程必须做以下变形：[ 9] [ 12]
P
r
=
[
P
t
G
2
λ
2
σ
0
(
4
π
)
3
R
4
]
∝
σ
0
R
4
{\displaystyle P_{r}=\left[P_{t}{{G^{2}\lambda ^{2}\sigma _{0}} \over {{(4\pi )}^{3}R^{4}}}\right]\propto {\frac {\sigma _{0}}{R^{4}}}}
其中
P
r
{\displaystyle \,P_{r}}
P
t
{\displaystyle \,P_{t}}
G
t
{\displaystyle \,G_{t}}
λ
{\displaystyle \,\lambda }
σ
{\displaystyle \,\sigma }
R
{\displaystyle \,R}
在这种情况下，我们必须把所有目标单体（降水微粒）的雷达有效截面积相加：[ 13]
σ
0
=
σ
¯
0
=
V
∑
σ
0
j
=
V
η
{\displaystyle \sigma _{0}={\bar {\sigma }}_{0}=V\sum \sigma _{0j}=V\eta }
{
V
=
s
c
a
n
n
e
d
v
o
l
u
m
e
=
p
u
l
s
e
l
e
n
g
t
h
X
b
e
a
m
w
i
d
t
h
=
[
c
τ
2
]
[
π
R
2
θ
2
4
]
{\displaystyle {\begin{cases}V\quad =scanned\ volume\\\qquad =pulse\ length\ \ X\ beam\ width\\\qquad =\left[{\frac {c\tau }{2}}\right]\left[{\frac {\pi R^{2}\theta ^{2}}{4}}\right]\end{cases}}}
这里
c
{\displaystyle \,c}
τ
{\displaystyle \,\tau }
θ
{\displaystyle \,\theta }
联立前两式，得：
P
r
=
[
P
t
G
2
λ
2
(
4
π
)
3
R
4
]
[
c
τ
2
]
[
π
R
2
θ
2
4
]
η
=
[
P
t
τ
G
2
λ
2
θ
2
]
[
c
512
(
π
2
)
]
η
R
2
{\displaystyle P_{r}=\left[P_{t}{{G^{2}\lambda ^{2}} \over {{(4\pi )}^{3}R^{4}}}\right]\left[{\frac {c\tau }{2}}\right]\left[{\frac {\pi R^{2}\theta ^{2}}{4}}\right]\eta =\left[P_{t}\tau G^{2}\lambda ^{2}\theta ^{2}\right]\left[{\frac {c}{512(\pi ^{2})}}\right]{\frac {\eta }{R^{2}}}}
由上式可得：
P
r
∝
η
R
2
{\displaystyle P_{r}\propto {\frac {\eta }{R^{2}}}}
我们可以注意到回波强度和
R
2
{\displaystyle \,R^{2}}
R
4
{\displaystyle \,R^{4}}
指的是當低層大氣存在逆溫(Inversion) 現象，或者剛下過雨使得近地面的空氣相當潮濕的狀態下，空氣的折射率將隨高度上升而迅速減小，進一步使雷達電磁波在大氣中傳遞的過程向折射率大的一方偏移，這種電磁波偏移的過程又稱為超折射(Super refraction)現象。當偏移的狀況過於極端，造成雷達波下彎照射到海面或陸地，來自地表的反射能量被雷達接收到，使雷達螢幕上因此出現大範圍弱回波區，這種回波屬於非氣象回波，該處實際並無降雨發生。[ 14]
普通 網絡及雷達研究 真實數據
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![{\displaystyle P_{r}=\left[P_{t}{{G^{2}\lambda ^{2}\sigma _{0}} \over {{(4\pi )}^{3}R^{4}}}\right]\propto {\frac {\sigma _{0}}{R^{4}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ac5c080f24003660eca0e1038a15dcda8473c72d)
![{\displaystyle {\begin{cases}V\quad =scanned\ volume\\\qquad =pulse\ length\ \ X\ beam\ width\\\qquad =\left[{\frac {c\tau }{2}}\right]\left[{\frac {\pi R^{2}\theta ^{2}}{4}}\right]\end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d44e049bdf6ed54279b6b2abc8f961ee4e24f021)
![{\displaystyle P_{r}=\left[P_{t}{{G^{2}\lambda ^{2}} \over {{(4\pi )}^{3}R^{4}}}\right]\left[{\frac {c\tau }{2}}\right]\left[{\frac {\pi R^{2}\theta ^{2}}{4}}\right]\eta =\left[P_{t}\tau G^{2}\lambda ^{2}\theta ^{2}\right]\left[{\frac {c}{512(\pi ^{2})}}\right]{\frac {\eta }{R^{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7a17024f1f0ff8039999bfc8d40fc4d2d99f2ca5)
