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毫米波雷达的超能力：它如何捕捉小水滴和大雨的秘密？
毫米波雷达，亦称为云雷达，专门设计用于监测云层，其操作频率范围在24到110 GHz之间。这样的特殊频率，使得毫米波雷达的波长约为1毫米到1.11厘米，这比传统的S波段雷达，如NEXRAD，短约十倍。这项技术的核心目的是研究云的性质及其演变过程。
这些雷达系统通常在35 GHz的Ka频段与94 GHz的W频段运行，这两个频段在大气传输中具有最高的效率。
毫米波雷达具有非常高的时间与距离解析度。时间解析度通常可调，范围从1秒到10秒不等，而距离解析度则取决于雷达的设计与目的。一般而言，云雷达的最大探测范围可达14到20公里，且其多普勒速度解析度为几厘米每秒。
云雷达大多数为极化系统，这使得它们能够通过斜线去极化比率（LDR）来测量粒子的不规则性。 雷达通常直接指向天顶，但随着技术的进步，许多雷达增添了扫描单元，这些单元让雷达能够以较高速度在不同角度进行扫描，从而获取额外资讯，如垂直风廓线及空间体积资讯。
长波长的雷达对小雨滴及降雨的衰减较小，而短波长的雷达则对较小的粒子更敏感，这意味着在不同的天气条件下，选择合适的雷达尤为重要。
目前，毫米波雷达在多个领域有广泛应用，包括探测云的边界（如云底与云顶），估算云的微物理特征（如粒子尺寸和质量含量），这些资料有助于了解云层如何反射、吸收和转化经过大气的辐射能量。雷达也被广泛用于雾的研究，并且在昆虫学研究中已有超过40年的使用历史，尤其是检测那些在晴朗的温暖日子中几乎完全是昆虫目标的情况。此外，最近还发现毫米波雷达可以用于研究巨型气溶胶。
云雷达的作业环境不仅限于地面，也可以是空中或太空中的。空中系统的范例包括安装在HALO（高空及长程研究飞机）和怀俄明州的KingAir研究飞机上的雷达。而太空中的云剖面雷达则自2006年起在CloudSAT卫星上运行。计划于2023年3月推出的Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer（EarthCARE）任务中，将搭载第一个具多普勒能力的太空云剖面雷达。
利用雷达进行测量：从IQ到光谱
脉冲雷达系统被认为是主动测量仪器，因为它们能够向大气中发射电磁波并接收反射回来的信号。雷达由不同的硬体组件组成，每个组件都包含不同的元件。发射器单元中的振荡器生成的电磁波经过波导转移到天线，再将其辐射到大气中。
当发射的每个脉冲被含有水气的空气体积散射后，雷达天线收集返回的信号，并经过滤、增强及下变频的处理后进行数字化。
虽然每次返回信号的发射是随时间改变的，但信号中所反射的电场却是从大量水气的混合下得来的。因此，接收的信号是从许多水气微粒的回波组成，并无法单独解析这些回波。因此，透过对信号的样本采集，我们能够证明在特定的时间延迟中波的距离，来聚焦在回波的多样性。
另外，在进行雷达的多普勒处理时，透过I/Q信号的计算自动生成从返回讯号中得到的光谱，从而能够测量出回波的多普勒频率。这帮助科学家们评估样本体积内不同粒子的速度范围。
多普勒光谱的特征
在雷达的样本体积中，通常会存在多个散射目标。每个目标都有其特定的频率偏移，这使得我们能够通过返回功率的测量进行多普勒光谱的分析。从光谱中可以计算出反射率，透过对光谱的整合，我们可以获得相关的气象数据，进而推导天气的变化。
光谱的第一动量代表着平均多普勒速度，反映了整体样本体积中的径向速度，而第二动量则表明多普勒宽度，提供了检测到的速度范围的变异程度。
诸多参数中我们应该注意什么？
多普勒宽度和偏斜度以及尖峰度都是描述多普勒光谱的关键参数。研究这些参数有助于揭示云结构的微物理与动力变化，对于预测天气的变化至关重要。此外，雷达的极化测量还提供了更深入的观察能力，使我们能够更好地理解降水的机理以及气候变迁带来的影响。
随着技术的进步，毫米波雷达的应用范围越来越广泛，但在这无止境的探索中，我们是否能够完全掌握和理解这些技术背后的物理原理呢？
