相控阵技术应用到气象探测领域是今后天气雷达发展的方向之一。本文应用相控阵雷达具有的多波束、电扫描等特点，研究了相控阵天气雷达对不同天气系统的观测方法。首先根据相位扫描原理研究了线阵天线方向图的波束特性，提出了相控阵天气雷达的天线波瓣对气象目标的探测需求是发射宽波束，同时接收时采用多波束接收的重要机理。以S波段雷达为例，设计了两种在方位上机械扫描俯仰上相扫的宽波束发射多波束接收方案，并对二者的可行性做了探讨。针对目前多普勒雷达体扫模式存在的中低层采样稀疏和探测周期长的问题，重新计算了波束的仰角数，提出了大面积降水的观测模式与对流性降水的观测模式和晴空大气观测模式，并对模式中的各雷达参数配置给出定量化；分析了采用相当于三个接收波束宽度的宽波束发射，接收时由三个独立波束同时接收、三个独立波束对应三个探测仰角的方法。分析结果表明：相控阵天气雷达的观测模式不仅能够缩短雷达的探测周期还能够减小对风暴顶的探测误差，提高了对灾害性天气的识别能力。相控阵雷达天线波束形状的捷变能力使得相控阵天线可快速实现波束赋形，为此对改进后的观测模式设计了一种自适应扫描方式，以满足不同的需求。通过对美国改装的相控阵天气雷达样机和业务使用的KTLX雷达资料对比分析，发现相控阵天气雷达在切向分辨率、测高误差和探测弱回波方面不如KTLX雷达，切向分辨率和测高误差不如KTLX的原因是相控阵天气雷达的波束宽度在电扫描过程中会随着扫描指向角变化而导致的，因此需对相控阵天气雷达的波束宽度进行修正，文中使用非均匀划分子空间方法对波束宽度进行修正取得了一定的效果；在探测弱回波时比KTLX雷达弱的原因是相控阵天气雷达的灵敏度不够，这是由于所使用的资料是相控阵天气雷达样机初期得到的资料，其雷达的参数和性能还未调整到最佳状态。