氣象雷達，或稱氣象監視雷達（WSR），是用來探測大氣中的降水類型（雨、雪、冰雹等）、分布、移動和演變，並可對其未來分布和強度作出預測的一種雷達設備。
現代氣象雷達大部分屬於脈衝都卜勒雷達，可以監測降水的分布及強度。這些數據可以用來分析風暴的結構以及其能否在未來造成惡劣天氣。
第二次世界大戰期間，軍事雷達操作員就注意到了因雨、雪、凍雨等天氣因素接收到的回波噪聲。戰後，原本的軍事科學家得以繼續研究如何利用那些回波。前美國空軍、後任職於麻省理工學院的David Atlas,[1]開發了第一個實用氣象雷達。在加拿大，J.S. Marshall和 R.H. Douglas於蒙特婁成立了「風暴天氣小組[2]」。 Marshall和他的博士生Walter Palmer 專精於研究中緯地區降水滴譜，並由此發現了降水速率和雷達反射率之間的關係。英國則繼續進行雷達回波模式和氣象要素如層雲降水和對流雲之間關係的研究，並試驗了1~10cm範圍內的不同波段效果。
1953年，從事伊利諾州水資源調查工作的電氣工程師Donald Staggs，第一次利用雷達記錄到與龍捲風相關的「鉤狀回波（en:Hook echo）」。[3]
1950到1980年間，用於定位天氣系統及探測降水強度的反射雷達氣象服務在世界範圍內建立起來。早期的氣象學者透過陰極射線管來獲取訊息，到了20世紀70年代，雷達觀測開始標準化並組成觀測網。第一個雷達回波成像設備誕生後，雷達發展到可以掃描降水系統的三維層面，使等高平面的景象和垂直的狀況均能夠得以展現。加拿大的阿爾伯塔省冰雹計劃（en:Alberta Hail Project）和美國的國家強風暴實驗室 (en:NSSL)因此得以研究雷暴結構。
美國國家強風暴實驗室始建於1964年， 起初研究雙偏振信號和都卜勒效應在氣象雷達上的應用。1973年5月，一個龍捲風襲擊了奧克拉荷馬市西部的尤寧城（en:Union City, Oklahoma）。該實驗室的10cm波段都卜勒氣象雷達第一次記錄下了龍捲風整個生命周期。[4] 這一成果發現了龍捲風發生前高空雲的中尺度渦旋：龍捲風渦旋（en:Tornado vortex signature），[4] 這使得國家氣象局認識到都卜勒天氣雷達是極好的龍捲風預報設備。而1974年4月3、4日龍捲風的超級爆發造成的毀滅性破壞使都卜勒雷達的研究得到了更多的資金支持。
1980至2000年，氣象雷達網在北美洲、歐洲、日本等已開發國家普遍建立，可探測大氣中微粒移動速度的都卜勒雷達也替代了只能探測天氣系統位置和強度的傳統雷達。美國於1988年正式進行10cm波段氣象雷達的布網建設，稱為下一代氣象雷達或WSR-88D (Weather Service Radar 1988 Doppler)[4]。1985年，加拿大建立了配備了5cm波段的都卜勒氣象雷達的金城雷達站，,[5] 1993年，麥吉爾大學的J. S. Marshall雷達觀測站也採用了都卜勒雷達。完整的加拿大都卜勒氣象雷達網在1998到2004年間建成。法國和其它歐洲國家則直到90年代末二十一世紀初才逐步採用都卜勒網絡系統。[6]期間，受惠於計算機技術的迅猛發展，科學家們已經可以利用計算機算法分析惡劣天氣並由此開發了一系列的供給媒體公示或科學研究的氣象產品。
2000年後，雙偏振技術投入了實用，增加了關於有效降水類型（如雨和雪的對比）的訊息獲取。「雙偏振」是指既能發射和接收水平偏振波又能發射和接收垂直偏振波的微波輻射。預計美國、法國[7]和加拿大等國家將在近十年大規模發展該技術。
2003年起，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）就開始著手用電子掃描陣列雷達代替傳統的拋物形天線，以便在大氣探測中獲得更高的時間解析度。這對獲取預測強雷暴發展過程的即時數據尤為重要。
同年，美國國家科學基金會（NSF）成立了合作自適應遙感大氣工程技術研究中心（en:Engineering Research Center for Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere），這是一個跨學科、涉及多所大學的工程師、計算機科學家、氣象學者和社會學家參與合作的機構，他們利用成本低廉、掃描迅速的雙偏振電子掃描陣列雷達，獲取較少為人探索的對流層低層資料，進行相關基礎研究、新技術開發並部署樣機，以加強現有的雷達系統。
工作原理[編輯]
發射雷達脈衝[編輯]
從雷達站發射出的一束雷達波隨著與發射點距離的增加穿過的空間體積也增大。
氣象雷達透過空腔磁控管或調速管連接導波管，再連接一個拋物面天線而定向地向空間發射微波脈衝。氣象雷達所發射微波波長在1-10cm範圍，大致是雨滴或冰晶直徑的10倍左右，在該頻率下，瑞利散射效應最為強烈。這樣可以確保雷達波的一部分能量能夠從微粒表面反射回雷達站所在方向。[8]
若雷達發射更短波長的脈衝，則可以用來檢測更加微小的雲滴，不過信號的衰減也更為強烈。因此10cm波段（en:S-band）的氣象雷達被廣泛使用，但其成本也遠高於5cm波段（en:C-band）的雷達系統；3cm（en:X-band）雷達僅使用於超短距離範圍內的監控；而1cm（en:Ka-band）的雷達僅用於毛毛雨或霧等微粒天氣現象的研究。[8]
雷達波會以球面波的形式從雷達站向外傳播。這會導致在相同時間內，雷達波所穿過的空間體積會隨著距雷達站距離的增大而增大，因此雷達解析度也隨之下降。當雷達波射程達到150-200km探測範圍時，單脈衝所掃描到的大氣體積可能會接近1km3，稱為脈衝體積。[9]
在任意時刻任意空間位置一列給定的雷達波所占據的體積可由下式大致計算：
其中，v代表該列波所占據的體積，h是指脈衝長度，r指從雷達站到該列波所傳播到的空間位置的距離，
是弧度制下的波束寬度。該公式假定雷達波是球面均勻發射的，「r」遠大於「h」以確保其在該列波起止點能夠大致相等，而所截得的幾何體為一個高為h的台體
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