Метеорологический радар - Weather radar

Метеорологический радар в Нормане, штат Оклахома, с дождевым валом

Погодная (WF44) радиолокационная антенна

Университет Оклахомы OU-PRIME C-диапазон, поляриметрический, метеорологический радар во время строительства

Метеорологический радар , также называемый метеорологическим радаром ( WSR ) и доплеровским метеорологическим радаром , представляет собой тип радаров, используемых для определения местоположения осадков , расчета их движения и оценки их типа (дождь, снег, град и т. Д.). Современные метеорологические радары в основном представляют собой импульсные доплеровские радары , способные обнаруживать движение капель дождя в дополнение к интенсивности осадков. Оба типа данных можно анализировать, чтобы определить структуру штормов и их способность вызывать суровые погодные условия .

Во время Второй мировой войны операторы радаров обнаружили, что погода вызывает эхо на их экранах, маскируя потенциальные вражеские цели. Были разработаны методы их фильтрации, но ученые начали изучать это явление. Вскоре после войны излишки радаров использовались для обнаружения осадков. С тех пор метеорологические радары развивались самостоятельно и теперь используются национальными метеорологическими службами, исследовательскими отделами университетов и метеорологическими службами телевизионных станций . Обычно используются необработанные изображения, а специализированное программное обеспечение может использовать радиолокационные данные для краткосрочного прогнозирования будущих местоположений и интенсивности дождя, снега, града и других погодных явлений. Выходные данные радара даже включаются в числовые модели прогнозирования погоды для улучшения анализа и прогнозов.

История

Тайфун Кобра на экране корабельного радара в декабре 1944 года.

Во время Второй мировой войны операторы военных радаров заметили шум в отраженных эхосигналах из-за дождя, снега и мокрого снега . После войны военные ученые вернулись к гражданской жизни или продолжили службу в вооруженных силах и продолжили свою работу по разработке способов использования этих отголосков. В Соединенных Штатах Дэвид Атлас, сначала работая в ВВС, а затем в Массачусетском технологическом институте , разработал первые оперативные метеорологические радары. В Канаде Дж. С. Маршалл и Р. Х. Дуглас сформировали «Группу штормовой погоды» в Монреале. Маршалл и его докторант Уолтер Палмер хорошо известны своей работой по распределению размеров капель в дожде средних широт, которая привела к пониманию отношения ZR, которое коррелирует заданную отражательную способность радара со скоростью, с которой падает дождевая вода. В Соединенном Королевстве продолжались исследования по изучению эхосигналов радара и погодных элементов, таких как стратиформный дождь и конвективные облака , и были проведены эксперименты для оценки потенциала различных длин волн от 1 до 10 сантиметров. К 1950 году британская компания EKCO демонстрировала свое бортовое «радарное оборудование для обнаружения облаков и обнаружения столкновений».

Радиолокационные технологии 1960-х годов обнаружили торнадо, производящие суперячейки, над мегаполисом Миннеаполис-Сент-Пол .

В период с 1950 по 1980 год радары отражательной способности, которые измеряют местоположение и интенсивность осадков, использовались метеорологическими службами по всему миру. Первым метеорологам приходилось наблюдать за электронно-лучевой трубкой . В 1953 году Дональд Стэггс, инженер-электрик, работавший в Водной службе штата Иллинойс, сделал первое зарегистрированное радиолокационное наблюдение « крючкового эха », связанного с торнадовой грозой.

Первое использование метеорологического радара на телевидении в Соединенных Штатах было в сентябре 1961 года. Ураган Карла приближался к штату Техас, и местный репортер Дэн Скорее подозревав, что ураган был очень сильным, он посетил радиолокационную станцию ​​WSR-57 Бюро погоды США. в Галвестоне , чтобы получить представление о размере шторма. Он убедил сотрудников бюро разрешить ему вести прямую трансляцию из своего офиса и попросил метеоролога нарисовать ему приблизительный контур Мексиканского залива на прозрачном листе пластика. Во время трансляции он держал прозрачную накладку над черно-белым дисплеем радара компьютера, чтобы дать своей аудитории представление о размерах Карлы и о местонахождении очага бури. Это сделало Ратер национальным именем, и его отчет помог обеспокоенному населению принять эвакуацию властями примерно 350 000 человек, что было самой крупной эвакуацией в истории США в то время. Всего 46 человек были убиты благодаря предупреждению, и было подсчитано, что эвакуация спасла несколько тысяч жизней, поскольку меньший ураган Галвестон 1900 года унес жизни примерно 6000-12000 человек.

В 1970-х годах радары начали стандартизировать и объединять в сети. Были разработаны первые устройства для захвата радиолокационных изображений. Количество сканируемых углов было увеличено, чтобы получить трехмерное изображение осадков, чтобы можно было выполнять горизонтальные поперечные сечения ( CAPPI ) и вертикальные поперечные сечения. Тогда исследования организации гроз стали возможны для проекта Alberta Hail в Канаде и, в частности, для Национальной лаборатории сильных штормов (NSSL) в США.

NSSL, созданный в 1964 году, начал эксперименты с сигналами двойной поляризации и с использованием эффекта Доплера . В мае 1973 года торнадо обрушился на Юнион-Сити, штат Оклахома , к западу от Оклахома-Сити . Впервые радар с допплеризацией с длиной волны 10 см от NSSL задокументировал весь жизненный цикл торнадо. Исследователи обнаружили мезомасштабное вращение облака наверху до того, как торнадо коснулся земли - сигнатуру торнадо-вихря . Исследование NSSL помогло убедить Национальную метеорологическую службу в том, что доплеровский радар является важным инструментом прогнозирования. Супер Outbreak торнадо 3-4 апреля 1974 года и их разрушительного разрушение могло бы помочь получить финансирование для дальнейшего развития.

NEXRAD в Южной Дакоте на фоне суперячейки .

Между 1980 и 2000 годами сети метеорологических радаров стали нормой в Северной Америке, Европе, Японии и других развитых странах. Обычные радары были заменены доплеровскими радарами, которые в дополнение к положению и интенсивности могли отслеживать относительную скорость частиц в воздухе. В Соединенных Штатах строительство сети, состоящей из 10-сантиметровых радаров, названных NEXRAD или WSR-88D (Weather Surveillance Radar 1988 Doppler), было начато в 1988 году после исследований NSSL. В Канаде Министерство охраны окружающей среды Канады построило к 1985 г. станцию Кинг-Сити с исследовательским доплеровским радаром 5 см; Университет Макгилла доплерировал свой радар ( радарная обсерватория Дж. С. Маршалла ) в 1993 году. Это привело к созданию полной канадской доплеровской сети в период с 1998 по 2004 год. Франция и другие европейские страны перешли на доплеровские сети к началу 2000-х годов. Между тем, быстрое развитие компьютерных технологий привело к появлению алгоритмов для обнаружения признаков суровой погоды и множеству приложений для средств массовой информации и исследователей.

После 2000 года исследования технологии двойной поляризации перешли в оперативное использование, увеличив объем доступной информации о типах осадков (например, дождь или снег). «Двойная поляризация» означает, что излучается микроволновое излучение, поляризованное как по горизонтали, так и по вертикали (относительно земли). Широкомасштабное развертывание было осуществлено к концу десятилетия или началу следующего в некоторых странах, таких как США, Франция и Канада. В апреле 2013 года все NEXRAD Национальной метеорологической службы США были полностью двухполяризованными.

С 2003 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований США экспериментирует с радаром с фазированной антенной решеткой в качестве замены обычной параболической антенны, чтобы обеспечить большее временное разрешение при зондировании атмосферы . Это может быть значительным при сильных грозах, поскольку их развитие можно лучше оценить с помощью более своевременных данных.

Также в 2003 году Национальный научный фонд учредил Центр инженерных исследований для совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA), междисциплинарное, мультиуниверситетское сотрудничество инженеров, компьютерных ученых, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований, разработки перспективных технологий, и развернуть прототип инженерных систем, предназначенных для дополнения существующих радиолокационных систем, путем отбора проб нижней тропосферы с недостаточной дискретизацией с помощью недорогих радаров с быстрым сканированием, двойной поляризацией, механическим сканированием и фазированной антенной решеткой.

Как работает метеорологический радар

Отправка радиолокационных импульсов

Луч радара распространяется по мере удаления от радиолокационной станции, охватывая все больший объем.

Метеорологические радары посылают направленные импульсы микроволнового излучения длительностью порядка микросекунды с помощью резонаторного магнетрона или клистронной трубки, соединенной волноводом с параболической антенной . Длины волн 1–10 см примерно в десять раз больше диаметра интересующих нас капель или частиц льда, потому что на этих частотах происходит рэлеевское рассеяние . Это означает, что часть энергии каждого импульса будет отражаться от этих мелких частиц обратно в направлении радиолокационной станции.

Более короткие длины волн подходят для более мелких частиц, но сигнал затухает быстрее. Таким образом , 10 см ( S-диапазон ) РЛС является предпочтительным , но является более дорогим , чем 5 см С-диапазон система. 3-сантиметровый радар X-диапазона используется только для устройств ближнего действия, а 1-сантиметровый метеорологический радар Ka-диапазона используется только для исследования явлений мелких частиц, таких как изморось и туман. Системы метеорологических радиолокаторов W-диапазона ограниченно используются в университетах, но из-за более быстрого ослабления большинство данных не работают.

Радиолокационные импульсы распространяются по мере удаления от радиолокационной станции. Таким образом, объем воздуха, который проходит радиолокационный импульс, больше для областей, более удаленных от станции, и меньше для близлежащих областей, что снижает разрешение на больших расстояниях. В конце диапазона зондирования 150–200 км объем воздуха, просматриваемый одним импульсом, может быть порядка кубического километра. Это называется импульсным объемом .

Объем воздуха, который занимает данный импульс в любой момент времени, может быть аппроксимирован формулой , где v - объем, заключенный в импульсе, h - ширина импульса (например, в метрах, рассчитанная на основе длительности импульса в секундах. умноженная на скорость света), r - это расстояние от радара, которое импульс уже прошел (например, в метрах), и ширина луча (в радианах). Эта формула предполагает, что луч является симметрично круглым, "r" намного больше "h", поэтому "r", взятый в начале или в конце импульса, почти одинаков, а форма объема представляет собой усеченный конус из глубина "h". ${\ Displaystyle \, {v = час ^ {2} \ theta ^ {2}}}$${\ displaystyle \, \ theta}$

Прослушивание обратных сигналов

Между каждым импульсом радиолокационная станция служит приемником, поскольку она прослушивает отраженные сигналы от частиц в воздухе. Продолжительность цикла "прослушивания" составляет порядка миллисекунды , что в тысячу раз больше длительности импульса. Продолжительность этой фазы определяется необходимостью распространения микроволнового излучения (которое распространяется со скоростью света ) от детектора к метеорологической цели и обратно на расстояние, которое может составлять несколько сотен километров. Горизонтальное расстояние от станции до цели рассчитывается просто из количества времени, которое проходит от инициирования импульса до обнаружения обратного сигнала. Время переводится в расстояние путем умножения на скорость света в воздухе:

${\ displaystyle {\ text {Distance}} = c {\ frac {\ Delta t} {2n}},}$

где c = 299 792,458 км / с - скорость света , а n ≈ 1.0003 - показатель преломления воздуха.

Если импульсы излучаются слишком часто, возврат от одного импульса будет спутан с возвратом от предыдущих импульсов, что приведет к неправильным расчетам расстояния.

Определение высоты

Путь луча радара с высотой

Поскольку Земля круглая, луч радара в вакууме будет подниматься в соответствии с обратной кривизной Земли. Однако у атмосферы есть показатель преломления, который уменьшается с высотой из-за уменьшения ее плотности. Это немного изгибает луч радара в сторону земли, и для стандартной атмосферы это эквивалентно рассмотрению кривизны луча, равной 4/3 фактической кривизны Земли. В зависимости от угла места антенны и других соображений для расчета высоты цели над землей можно использовать следующую формулу:

${\ displaystyle H = {\ sqrt {r ^ {2} + (k_ {e} a_ {e}) ^ {2} + 2rk_ {e} a_ {e} \ sin (\ theta _ {e})}} -k_ {e} a_ {e} + h_ {a},}$

куда:

r = расстояние радар до цели,

к _е = 4/3,

a _e = радиус Земли ,

θ _e = угол места над горизонтом радара ,

h _a = высота рупора над землей.

Отсканированный объем с использованием нескольких углов возвышения

Сеть метеорологических радаров использует ряд типичных углов, которые будут установлены в соответствии с потребностями. После каждого поворота сканирования угол места антенны изменяется для следующего зондирования. Этот сценарий будет повторяться под разными углами для сканирования всего объема воздуха вокруг радара в пределах максимального диапазона. Обычно эта стратегия сканирования выполняется в течение 5–10 минут, чтобы получить данные в пределах 15 км над землей и 250 км от радара. Например, в Канаде метеорологические радиолокаторы 5 см используют углы от 0,3 до 25 градусов. Изображение справа показывает объем, отсканированный при использовании нескольких углов.

Из-за кривизны Земли и изменения показателя преломления с высотой радар не может «видеть» ниже высоты над землей минимального угла (показан зеленым) или ближе к радару, чем максимальный (показан красным конусом на центр).

Калибровка интенсивности отдачи

Поскольку цели не уникальны в каждом объеме, радиолокационное уравнение должно быть развито сверх основного. Предполагая моностатический радар, где : ${\ Displaystyle G_ {t} = A_ {r} (\ mathrm {или} \, G_ {r}) = G}$

${\ displaystyle P_ {r} = P_ {t} {{G ^ {2} \ lambda ^ {2} \ sigma} \ over {{(4 \ pi)} ^ {3} R ^ {4}}} \ propto {\ frac {\ sigma} {R ^ {4}}}}$

где - принимаемая мощность, - передаваемая мощность, - коэффициент усиления передающей / приемной антенны, - длина волны радара, - поперечное сечение цели радара и - расстояние от передатчика до цели. ${\ displaystyle \ scriptstyle P_ {r}}$${\ displaystyle \ scriptstyle P_ {t}}$${\ displaystyle \ scriptstyle G}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ lambda}$${\ Displaystyle \ scriptstyle \ sigma}$${\ displaystyle \ scriptstyle R}$

В этом случае мы должны добавить поперечные сечения всех мишеней:

${\ displaystyle \ sigma = {\ bar {\ sigma}} = V \ sum \ sigma _ {j} = V \ eta}$

${\ displaystyle {\ begin {cases} V \ quad = \ mathrm {сканированное \, \, volume} \\\ qquad = \ mathrm {pulse \, \, length} \ times \ mathrm {beam \, \, width} \\\ qquad = {\ frac {c \ tau} {2}} {\ frac {\ pi R ^ {2} \ theta ^ {2}} {4}} \ end {case}}}$

где - скорость света, - временная длительность импульса, - ширина луча в радианах. ${\ displaystyle \, c}$${\ Displaystyle \, \ тау}$${\ displaystyle \, \ theta}$

В сочетании двух уравнений:

${\ displaystyle P_ {r} = P_ {t} {{G ^ {2} \ lambda ^ {2}} \ over {{(4 \ pi)} ^ {3} R ^ {4}}} {\ frac {c \ tau} {2}} {\ frac {\ pi R ^ {2} \ theta ^ {2}} {4}} \ eta = P_ {t} \ tau G ^ {2} \ lambda ^ {2 } \ theta ^ {2} {\ frac {c} {512 (\ pi ^ {2})}} {\ frac {\ eta} {R ^ {2}}}}$

Что приводит к:

${\ displaystyle P_ {r} \ propto {\ frac {\ eta} {R ^ {2}}}}$

Обратите внимание, что теперь доходность изменяется обратно пропорционально вместо . Чтобы сравнить данные, поступающие с разных расстояний от радара, необходимо нормализовать их этим соотношением. ${\ displaystyle \, R ^ {2}}$${\ displaystyle \, R ^ {4}}$

Типы данных

Отражательная способность

Обратные эхо-сигналы от целей (« отражательная способность ») анализируются на предмет их интенсивности, чтобы установить количество осадков в сканируемом объеме. Используемые длины волн (1–10 см) гарантируют, что этот возврат пропорционален скорости, потому что они находятся в пределах действия рэлеевского рассеяния, которое гласит, что цели должны быть намного меньше, чем длина волны сканирования (в 10 раз) .

Отражательная способность, воспринимаемая радаром (Z _e ), изменяется в шестой степени диаметра капель дождя (D), квадрата диэлектрической проницаемости (K) целей и распределения капель по размерам (например, N [D] по Маршаллу- Палмер ) капель. Это дает усеченную гамма-функцию вида:

${\ displaystyle Z_ {e} = \ int _ {0} ^ {Dmax} | K | ^ {2} N_ {0} e ^ {- \ Lambda D} D ^ {6} dD}$

Скорость осаждения (R), с другой стороны, равна количеству частиц, их объему и скорости их падения (v [D]) как:

${\ Displaystyle R = \ int _ {0} ^ {Dmax} N_ {0} e ^ {- \ Lambda D} {\ pi D ^ {3} \ over 6} v (D) dD}$

Итак, Z _e и R имеют схожие функции, которые можно разрешить, задав связь между ними в форме, называемой отношением ZR :

Z = aR ^b

Где a и b зависят от типа осадков (снег, дождь, конвективные или стратиформные ), который имеет разные значения K, N ₀ и v. ${\ displaystyle \ Lambda}$

• Когда антенна сканирует атмосферу, на каждом угле азимута она получает определенную силу отражения от каждого типа встреченной цели. Затем отражательная способность усредняется для этой цели, чтобы получить лучший набор данных.
• Поскольку изменение диаметра и диэлектрической проницаемости целей может привести к большим колебаниям мощности, возвращаемой к радару, отражательная способность выражается в дБZ (10-кратный логарифм отношения эхо-сигнала к стандартной капле диаметром 1 мм, заполняющей тот же сканируемый объем. ).

Как определить коэффициент отражения на экране радара

Цветовая шкала отражательной способности NWS.

Обратные сигналы радара обычно обозначаются цветом или уровнем. Цвета на радиолокационном изображении обычно варьируются от синего или зеленого для слабых отраженных сигналов до красного или пурпурного для очень сильных отраженных сигналов. Цифры в устном отчете увеличиваются с увеличением серьезности результатов. Например, национальные радиолокационные станции NEXRAD США используют следующую шкалу для различных уровней отражательной способности:

• пурпурный: 65 дБZ (очень сильные осадки,> 410 мм в час, но вероятен град)
• красный: 50 дБЗ (сильные осадки, 2 дюйма (51 мм) в час)
• желтый: 35 дБЗ (умеренные осадки 6,4 мм (0,25 дюйма) в час)
• зеленый: 20 dBZ (небольшие осадки)

Сильные сигналы (красный или пурпурный) могут указывать не только на сильный дождь, но и на грозу, град, сильный ветер или торнадо, но их необходимо интерпретировать осторожно по причинам, описанным ниже.

Авиационные конвенции

При описании возвратов метеорологических радиолокаторов пилоты, диспетчеры и авиадиспетчеры обычно ссылаются на три уровня возврата:

• уровень 1 соответствует зеленому отраженному сигналу радара, что обычно указывает на небольшие осадки и незначительную турбулентность или ее отсутствие, что ведет к снижению видимости.
• уровень 2 соответствует желтому сигналу радара, указывающему на умеренные осадки, приводящие к возможности очень плохой видимости, умеренной турбулентности и неудобной поездки для пассажиров самолета.
• уровень 3 соответствует возвращению красного радара, указывающему на сильные осадки, ведущие к вероятности грозы, сильной турбулентности и повреждения конструкции самолета.

Самолеты будут стараться избегать возвращения уровня 2, когда это возможно, и всегда избегают уровня 3, если только они не являются специально разработанными исследовательскими самолетами.

Типы осадков

Некоторые дисплеи, предоставляемые коммерческими телеканалами (как местными, так и национальными) и погодными веб-сайтами, такими как The Weather Channel и AccuWeather , показывают типы осадков в зимние месяцы: дождь, снег, смешанные осадки ( мокрый снег и ледяной дождь ). Это не анализ самих радиолокационных данных, а последующая обработка других источников данных, главным из которых являются наземные сводки ( METAR ).

В области, охватываемой радиолокационными эхосигналами, программа назначает тип осадков в соответствии с температурой поверхности и точкой росы, полученными на соответствующих метеостанциях . Типы осадков, сообщаемые станциями, управляемыми людьми, и некоторыми автоматическими станциями ( AWOS ) будут иметь больший вес. Затем программа выполняет интерполяцию для получения изображения с определенными зонами. Они будут включать ошибки интерполяции из-за вычислений. Также будут потеряны мезомасштабные вариации зон выпадения осадков. Более сложные программы используют выходные данные численного прогноза погоды из моделей, таких как NAM и WRF , для типов осадков и применяют его в качестве первого предположения к радиолокационным эхо-сигналам, а затем используют данные поверхности для окончательного вывода.

До тех пор, пока данные с двойной поляризацией (раздел « Поляризация» ниже) не станут широко доступными, любые типы осадков на радиолокационных изображениях являются лишь косвенной информацией и требуют осторожного обращения.

Скорость

Идеализированный пример доплеровского выхода. Скорости приближения показаны синим цветом, а скорости удаления - красным. Обратите внимание на синусоидальное изменение скорости при обходе дисплея в определенном диапазоне.

Осадки бывают внутри и ниже облаков. Легкие осадки, такие как капли и хлопья, подвержены воздействию воздушных потоков, и сканирующий радар может улавливать горизонтальную составляющую этого движения, что дает возможность оценить скорость и направление ветра там, где есть осадки.

Движение цели относительно радиолокационной станции вызывает изменение отраженной частоты радиолокационного импульса из-за эффекта Доплера . При скоростях метеорологических эхосигналов менее 70 метров в секунду и длине волны радара 10 см это составляет изменение всего на 0,1 ppm . Эта разница слишком мала, чтобы ее можно было заметить электронными приборами. Однако, как цели немного перемещаться между каждым импульсом, возвращаемая волна имеет заметные фазы разность или сдвиг по фазе от импульса к импульсу.

Импульсная пара

Доплеровские метеорологические радиолокаторы используют эту разность фаз (разность пар импульсов) для расчета движения осадков. Интенсивность последовательно возвращающегося импульса от того же самого сканированного объема, где цели слегка переместились, составляет:

${\ displaystyle I = I_ {0} \ sin \ left ({\ frac {4 \ pi (x_ {0} + v \ Delta t)} {\ lambda}} \ right) = I_ {0} \ sin \ left (\ Theta _ {0} + \ Delta \ Theta \ right) \ quad {\ begin {cases} x = {\ text {расстояние от радара до цели}} \\\ lambda = {\ text {длина волны радара}} \ \\ Delta t = {\ text {время между двумя импульсами}} \ end {case}}}$

Итак , v = целевая скорость = . Эта скорость называется радиальной доплеровской скоростью, потому что она дает только радиальное изменение расстояния во времени между радаром и целью. Реальная скорость и направление движения должны быть получены с помощью процесса, описанного ниже. ${\ displaystyle \ Delta \ Theta = {\ frac {4 \ pi v \ Delta t} {\ lambda}}}$${\ displaystyle {\ frac {\ lambda \ Delta \ Theta} {4 \ pi \ Delta t}}}$

Доплеровская дилемма

Максимальный диапазон от отражательной способности (красный) и однозначного доплеровского диапазона скоростей (синий) с частотой повторения импульсов

Фаза между парами импульсов может изменяться от - до + , поэтому однозначный диапазон доплеровской скорости составляет ${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$

V _макс =${\ displaystyle \ pm}$${\ displaystyle {\ frac {\ lambda} {4 \ Delta t}}}$

Это называется скоростью Найквиста . Это обратно пропорционально времени между последовательными импульсами: чем меньше интервал, тем больше однозначный диапазон скорости. Однако мы знаем, что максимальный диапазон отражательной способности прямо пропорционален : ${\ displaystyle \ Delta t}$

х = ${\ displaystyle {\ frac {c \ Delta t} {2}}}$

Выбор становится увеличением диапазона от отражательной способности за счет диапазона скоростей или увеличения последнего за счет диапазона от отражательной способности. В общем, компромисс полезной дальности составляет 100–150 км для отражательной способности. Это означает, что для длины волны 5 см (как показано на диаграмме) получается однозначный диапазон скоростей от 12,5 до 18,75 м / с (для 150 км и 100 км соответственно). Для 10-сантиметрового радара, такого как NEXRAD, однозначный диапазон скоростей будет удвоен.

Некоторые методы, использующие две чередующиеся частоты повторения импульсов (PRF), позволяют увеличить доплеровский диапазон. Скорости, отмеченные для первой частоты пульса, могут быть равны или отличаться от второй. Например, если максимальная скорость с определенной скоростью составляет 10 метров в секунду, а скорость с другой скоростью составляет 15 м / с. Данные, поступающие от обоих, будут одинаковыми до 10 м / с, а затем будут отличаться. Затем можно найти математическое соотношение между двумя возвратами и вычислить реальную скорость за пределами ограничений двух PRF.

Доплеровская интерпретация

Радиальная составляющая реального ветра при сканировании на 360 градусов

При равномерном ливне, движущемся на восток, луч радара, направленный на запад, «увидит» капли дождя, движущиеся к себе, в то время как луч, направленный на восток, «увидит» уходящие капли. Когда луч сканирует на север или на юг, относительного движения не отмечается.

Синоптический

В интерпретации синоптического масштаба пользователь может выделить ветер на разных уровнях в зоне покрытия радара. Поскольку луч сканирует вокруг радара на 360 градусов, данные будут поступать со всех этих углов и будут представлять собой радиальную проекцию фактического ветра на индивидуальный угол. Картина интенсивности, сформированная этим сканированием, может быть представлена ​​косинусоидальной кривой (максимум при движении осадков и ноль в перпендикулярном направлении). Затем можно рассчитать направление и силу движения частиц, если на экране радара имеется достаточное покрытие.

Однако капли дождя падают. Поскольку радар видит только радиальную составляющую и находится на некотором возвышении от земли, радиальные скорости зависят от некоторой доли скорости падения. Эта составляющая незначительна при малых углах возвышения, но должна приниматься во внимание при более высоких углах сканирования.

Мезо шкала

В данных о скорости могут быть меньшие зоны в зоне действия радара, где ветер отличается от упомянутого выше. Например, гроза - это мезомасштабное явление, которое часто включает в себя вращение и турбулентность . Они могут покрывать всего несколько квадратных километров, но видны по колебаниям радиальной скорости. Пользователи могут распознавать модели скорости ветра, связанные с вращением, такие как мезоциклон , конвергенция ( граница оттока ) и дивергенция ( нисходящий выброс ).

Поляризация

Нацеливание с двойной поляризацией покажет форму капли.

Капли падающей жидкой воды имеют тенденцию иметь большую горизонтальную ось из-за коэффициента сопротивления воздуха при падении (капли воды). Это заставляет диполь молекулы воды ориентироваться в этом направлении; Таким образом, лучи радара, как правило, поляризованы по горизонтали для получения максимального отражения сигнала.

Если два импульса отправляются одновременно с ортогональной поляризацией (вертикальная и горизонтальная, Z _V и Z _H соответственно), будут получены два независимых набора данных. Эти сигналы можно сравнить несколькими полезными способами:

• Дифференциальный Отражательная ( Z _др ) - Дифференциальная отражательная способность пропорциональна отношению отраженных горизонтальной и вертикальной отдачи мощности , как Z _H / Z _V . Помимо прочего, это хороший индикатор формы капли. Дифференциальная отражательная способность также может обеспечить оценку среднего размера капель, поскольку более крупные капли более подвержены деформации под действием аэродинамических сил, чем более мелкие (то есть более крупные капли с большей вероятностью приобретут "форму булочки гамбургера"), когда они падают через воздух.
• Коэффициент корреляции ( ρ _hv ) - статистическая корреляция между отраженными горизонтальными и вертикальными значениями мощности. Высокие значения, близкие к единице, указывают на однородные типы осадков, в то время как более низкие значения указывают на области со смешанными типами осадков, таких как дождь и снег, или град, или, в крайних случаях, поднимающийся мусор, обычно совпадающий с характерным признаком вихря торнадо .
• Коэффициент линейной деполяризации ( LDR ) - это отношение вертикальной отдачи мощности от горизонтального импульса или горизонтальной отдачи мощности от вертикального импульса. Он также может указывать на регионы, где есть смесь типов осадков.
• Дифференциальная фаза ( ) - Дифференциальная фаза представляет собой сравнение возвращенной разности фаз между горизонтальными и вертикальными импульсами. Это изменение фазы вызвано разницей в количестве волновых циклов (или длин волн) на пути распространения для волн с горизонтальной и вертикальной поляризацией. Его не следует путать с доплеровским сдвигом частоты, который вызывается движением облака и частиц осадков. В отличие от дифференциальной отражательной способности, коэффициента корреляции и коэффициента линейной деполяризации, которые все зависят от отраженной мощности, дифференциальная фаза является «эффектом распространения». Это очень хорошая оценка интенсивности дождя и не зависит от затухания . Производная по диапазону от дифференциальной фазы (удельная дифференциальная фаза, K _dp ) может использоваться для определения областей сильных осадков / затухания.${\ displaystyle \ Phi _ {dp}}$

Обладая дополнительной информацией о форме частиц, радары с двойной поляризацией могут легче отличать разлетающиеся в воздухе обломки от осадков, что упрощает обнаружение торнадо .

Благодаря этим новым знаниям, добавленным к отражательной способности, скорости и ширине спектра, создаваемым доплеровскими метеорологическими радиолокаторами, исследователи работали над разработкой алгоритмов для дифференциации типов осадков, неметеорологических целей и для получения более точных оценок накопления осадков. В США NCAR и NSSL были мировыми лидерами в этой области.

NOAA организовало испытательное развертывание двухполяризационного радара в NSSL и оборудовало все свои 10-сантиметровые радары NEXRAD двойной поляризацией, что было завершено в апреле 2013 года. В 2004 году доплеровский метеорологический радар ARMOR в Хантсвилле, штат Алабама, был оборудован антенной SIGMET. Приемник, предоставляющий оператору возможность измерения двойной полярности. Радиолокационная обсерватория Дж. С. Маршалла в Монреале , Канада, Университета Макгилла , преобразовала свой прибор (1999), и данные используются в оперативном порядке Министерством окружающей среды Канады в Монреале. Другой радар Министерства окружающей среды Канады, расположенный в Кинг-Сити (к северу от Торонто ), имел двойную поляризацию в 2005 году; он использует длину волны 5 см, которая подвергается большему затуханию . Министерство окружающей среды Канады работает над переводом всех своих радаров на двойную поляризацию. Météo-France планирует включить в зону покрытия своей сети доплеровский радар с двойной поляризацией.

Основные типы выходов РЛС

Все данные радарного сканирования отображаются в соответствии с потребностями пользователей. Для достижения этой цели со временем были разработаны различные результаты. Вот список доступных общих и специализированных выходов.

Индикатор положения плана

Линия грозы, отображаемая в отражательной способности (dBZ) на PPI

Поскольку данные получаются под одним углом за раз, первым способом их отображения был индикатор планового положения (PPI), который представляет собой только схему отражения радара на двумерном изображении. Важно отметить, что данные, поступающие на радар с разного расстояния, находятся на разной высоте над землей.

Это очень важно, поскольку высокая интенсивность дождя, наблюдаемая вблизи радара, относительно близка к тому, что достигает земли, но то, что видно на расстоянии 160 км, находится примерно на 1,5 км над землей и может сильно отличаться от количества, достигающего поверхности. Таким образом, трудно сравнивать метеорологические эхосигналы на разных расстояниях от радара.

Дополнительной проблемой для PPI являются эхо-сигналы от земли вблизи радара. Это может быть неверно истолковано как реальное эхо. Поэтому были разработаны другие продукты и дополнительные методы обработки данных, чтобы восполнить эти недостатки.

Использование: Отражательная способность, доплеровские и поляриметрические данные могут использовать PPI.

В случае доплеровских данных возможны две точки зрения: относительно поверхности или шторма. При рассмотрении общего движения дождя для извлечения ветра на разных высотах лучше использовать данные, относящиеся к радару. Но при поиске вращения или сдвига ветра под грозой лучше использовать относительные изображения шторма, которые вычитают общее движение осадков, позволяя пользователю видеть движение воздуха, как если бы он сидел на облаке.

Индикатор положения плана постоянной высоты

Типичные углы, сканированные в Канаде. Зигзаги представляют собой углы данных, используемые для построения CAPPI на высоте 1,5 км и 4 км.

Чтобы избежать некоторых проблем с PPI, канадские исследователи разработали индикатор положения на постоянной высоте (CAPPI). По сути, это горизонтальный разрез радиолокационных данных. Таким образом, можно сравнивать осадки на равных на разном расстоянии от радара и избегать эхо-сигналов от земли. Хотя данные берутся на определенной высоте над землей, можно сделать вывод о взаимосвязи между отчетами наземных станций и данными радара.

CAPPI требуют большого количества углов от почти горизонтали до почти вертикали радара, чтобы разрез был как можно ближе на всем расстоянии к необходимой высоте. Даже тогда, после определенного расстояния, угол недоступен, и CAPPI становится PPI самого низкого угла. Зигзагообразная линия на диаграмме углов выше показывает данные, использованные для получения CAPPI высотой 1,5 и 4 км. Обратите внимание, что на участке после 120 км используются те же данные.

использование

Поскольку CAPPI использует угол, ближайший к желаемой высоте в каждой точке от радара, данные могут поступать с немного разных высот, как видно на изображении, в разных точках зоны действия радара. Поэтому крайне важно иметь достаточно большое количество углов зондирования, чтобы минимизировать это изменение высоты. Кроме того, тип данных должен изменяться относительно постепенно с высотой, чтобы изображение не было шумным.

Поскольку данные отражательной способности относительно гладкие по высоте, CAPPI в основном используются для их отображения. С другой стороны, данные о скорости могут быстро меняться по направлению с высотой, и CAPPI для них не являются обычными. Похоже, что только Университет Макгилла регулярно производит доплеровские CAPPI с 24 углами, доступными на их радарах. Тем не менее, некоторые исследователи опубликовали статьи с использованием CAPPI скорости для изучения тропических циклонов и разработки продуктов NEXRAD . Наконец, поляриметрические данные являются недавними и часто зашумлены. Похоже, что CAPPI для них не используется регулярно, хотя компания SIGMET предлагает программное обеспечение, способное создавать такие типы изображений.

Примеры в реальном времени

• Университет Макгилла
• Environment Canada

Вертикальный композит

Базовый PPI по сравнению с композитным.

Другое решение проблем PPI - создание изображений с максимальной отражательной способностью в надземном слое. Это решение обычно используется, когда количество доступных углов невелико или варьируется. Американская национальная метеорологическая служба использует такой композит, поскольку их схема сканирования может варьироваться от 4 до 14 углов, в зависимости от их потребностей, что дает очень грубые CAPPI. Composite гарантирует, что в слое не будет пропущено сильное эхо, а обработка с использованием доплеровских скоростей устраняет эхо-сигналы от земли. Сравнивая базовые и составные изделия, можно выделить зоны Виргины и восходящего потока .

Пример в реальном времени: радар NWS Burlington, можно сравнить продукты BASE и COMPOSITE

Накопления

Накопление дождя за 24 часа на радаре Валь д'Ирен в Восточной Канаде. Обратите внимание на зоны без данных на востоке и юго-западе, вызванные блокировкой луча радара с гор.

Еще одно важное использование радиолокационных данных - это способность оценивать количество осадков, выпавших на большие бассейны, для использования в гидрологических расчетах; такие данные полезны при борьбе с наводнениями, канализации и строительстве плотин. Вычисленные данные радиолокационной погоды можно использовать вместе с данными наземных станций.

Чтобы получить радиолокационные накопления, мы должны оценить интенсивность дождя в точке по среднему значению в этой точке между одним PPI или CAPPI и другим; затем умножьте на время между этими изображениями. Если требуется более длительный период времени, необходимо сложить все накопления изображений за это время.

Echotops

Авиация активно использует радиолокационные данные. Одна карта, особенно важная в этой области, - это Echotops для планирования полета и предотвращения опасной погоды. Большинство погодных радаров страны сканируют под достаточным углом, чтобы иметь трехмерный набор данных по зоне покрытия. Относительно легко оценить максимальную высоту, на которой осадки находятся в объеме. Однако это не вершины облаков, поскольку они всегда возвышаются над уровнем осадков.

Вертикальные сечения

Вертикальный разрез.

Чтобы узнать вертикальную структуру облаков, в частности, грозы или уровень слоя таяния, доступно произведение вертикального сечения радиолокационных данных. Это делается путем отображения только данных вдоль линии от координат A до B, взятых под разными углами сканирования.

Индикатор высоты диапазона

Изображение RHI.

Когда метеорологический радар выполняет сканирование только в одном направлении по вертикали, он получает данные с высоким разрешением вдоль вертикального разреза атмосферы. Результат этого зондирования называется индикатором высоты диапазона (RHI), который отлично подходит для просмотра подробной вертикальной структуры шторма. Это отличается от упомянутого выше вертикального поперечного сечения тем, что радар делает вертикальный разрез в определенных направлениях и не выполняет сканирование на все 360 градусов вокруг объекта. Такое зондирование и продукт доступны только на исследовательских радарах.

Радиолокационные сети

Berrimah Radar в Дарвине, Северная территория Австралии

За последние несколько десятилетий радиолокационные сети были расширены, чтобы позволить создавать составные виды, покрывающие большие площади. Например, многие страны, включая США, Канаду и большую часть Европы, производят изображения, включающие все их радары. Это нетривиальная задача.

Фактически, такая сеть может состоять из разных типов радаров с разными характеристиками, такими как ширина луча, длина волны и калибровка. Эти различия необходимо учитывать при сопоставлении данных по сети, в частности, чтобы решить, какие данные использовать, когда два радара покрывают одну и ту же точку. Если используется более сильное эхо, но оно исходит от более удаленного радара, используется отраженные сигналы с большей высоты от дождя или снега, которые могут испариться, не достигнув земли ( вирга ). Если использовать данные с более близкого радара, они могут быть ослаблены во время грозы. Составные изображения осадков с помощью сети радаров создаются с учетом всех этих ограничений.

Автоматические алгоритмы

Квадрат на этом доплеровском изображении был автоматически помещен радиолокационной программой для определения положения мезоциклона . Обратите внимание на дуплет на входе / выходе (синий / желтый) с линией нулевой скорости (серая), параллельной радиалу радара (вверху справа). Примечательно, что изменение направления ветра здесь происходит менее чем на 10 км.

Чтобы помочь метеорологам обнаруживать опасную погоду, в программы обработки метеорологических радаров были введены математические алгоритмы. Они особенно важны при анализе данных доплеровской скорости, поскольку они более сложные. Для данных поляризации даже потребуется больше алгоритмов.

Основные алгоритмы отражательной способности:

• Вертикально интегрированная жидкость (VIL) - это оценка общей массы осадков в облаках.
• VIL Плотность - это VIL, деленная на высоту верхней границы облака. Это ключ к разгадке возможности сильного града во время грозы.
• Потенциальный порыв ветра , с помощью которого можно оценить ветер под облаком (нисходящий поток) с использованием VIL и высоты эхотопов (оцененная радаром вершина облака) для данной грозовой ячейки.
• Алгоритмы града , оценивающие наличие града и его вероятный размер.

Основные алгоритмы для доплеровских скоростей:

• Обнаружение мезоциклона : оно запускается изменением скорости в небольшой круглой области. Алгоритм ищет « дублет » входящей / исходящей скоростей с нулевой линией скоростей между ними вдоль радиальной линии от радара. Обычно обнаружение мезоциклона должно быть обнаружено на двух или более сложенных друг за другом прогрессивных наклонах луча, чтобы указывать на вращение в грозовое облако.
• Алгоритм TVS или Tornado Vortex Signature - это, по сути, мезоциклон с большим порогом скорости, обнаруживаемым при многих углах сканирования. Этот алгоритм используется в NEXRAD для индикации возможности образования торнадо.
• Сдвиг ветра на малых высотах. Этот алгоритм обнаруживает изменение скорости ветра от точки к точке в данных и ищет двойной входной / исходящий скорости с нулевой линией, перпендикулярной лучу радара. Сдвиг ветра связан с нисходящим потоком ( нисходящие и микропорывы ), фронтами порывов ветра и турбулентностью во время грозы.
• Профиль ветра VAD (VWP) - это дисплей, который оценивает направление и скорость горизонтального ветра на различных верхних уровнях атмосферы, используя метод, описанный в разделе Доплера.

Анимации

Петля отражательной способности PPI (в дБз), показывающая эволюцию урагана

Анимация радаров может показать эволюцию характеристик отражательной способности и скорости. Пользователь может извлекать информацию о динамике метеорологических явлений, включая возможность экстраполировать движение и наблюдать за развитием или рассеиванием. Это также может выявить неметеорологические артефакты (ложные эхо), которые будут обсуждаться позже.

Интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами

Карта презентации торнадо Джоплин 2011 года на RIDGE .

Новое популярное представление данных метеорологических радиолокаторов в Соединенных Штатах - через интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами (RIDGE), в котором радиолокационные данные проецируются на карту с геопространственными элементами, такими как топографические карты, автомагистрали, границы штата / округа и предупреждения о погоде. Проекция часто бывает гибкой, предоставляя пользователю выбор различных географических элементов. Он часто используется в сочетании с анимацией радиолокационных данных за определенный период времени.

Ограничения и артефакты

Интерпретация радиолокационных данных зависит от многих гипотез об атмосфере и метеорологических целях, в том числе:

• Международная стандартная атмосфера .
• Достаточно малые цели, чтобы подчиняться рэлеевскому рассеянию, в результате чего отдача пропорциональна количеству осадков.
• Объем, просканированный лучом, заполнен метеорологическими целями (дождь, снег и т. Д.), Все того же разнообразия и с одинаковой концентрацией.
• Без затухания
• Без усиления
• Отдача от боковых лепестков луча незначительна.
• Луч близок к кривой функции Гаусса с мощностью, уменьшающейся до половины на половине ширины.
• Уходящая и возвращающаяся волны поляризованы одинаково.
• От многократных отражений нет возврата.

Эти предположения не всегда выполняются; нужно уметь различать надежные и сомнительные эхо.

Аномальное распространение (нестандартная атмосфера)

Первое предположение состоит в том, что луч радара движется по воздуху, который с определенной скоростью охлаждается с высотой. Положение эхо сильно зависит от этой гипотезы. Однако реальная атмосфера может сильно отличаться от нормы.

Суперрефракция

Температурные инверсии часто образуются у земли, например, при охлаждении воздуха ночью, когда остается тепло на высоте. Поскольку показатель преломления воздуха уменьшается быстрее, чем обычно, луч радара изгибается к земле, а не продолжает подниматься вверх. В конце концов, он ударится о землю и отразится обратно в сторону радара. Затем программа обработки ошибочно разместит отраженные эхо-сигналы на той высоте и расстоянии, на которых они были бы в нормальных условиях.

Этот тип ложного возврата относительно легко обнаружить во временной петле, если он вызван ночным охлаждением или морской инверсией, поскольку можно увидеть очень сильные эхо-сигналы, развивающиеся по площади, распространяющиеся по размеру, но не перемещающиеся и сильно изменяющиеся по интенсивности. Однако перед теплыми фронтами существует инверсия температуры, и затем аномальные эхо-сигналы смешиваются с реальным дождем.

Крайняя проблема этой проблемы заключается в том, что когда инверсия очень сильная и неглубокая, луч радара многократно отражается в сторону земли, поскольку он должен следовать по волноводному пути. Это создаст несколько полос сильных эхосигналов на радиолокационных изображениях.

Эта ситуация может быть обнаружена при инверсиях температуры наверху или быстром уменьшении влажности с высотой. В первом случае это было бы трудно заметить.

Под преломлением

С другой стороны, если воздух нестабилен и остывает быстрее, чем стандартная атмосфера с высотой, луч оказывается выше, чем ожидалось. Это указывает на то, что осадки выпадают выше фактической высоты. Такую ошибку трудно обнаружить без дополнительных данных о градиенте температуры для данной области.

Нералеевские цели

Если мы хотим достоверно оценить интенсивность осадков, цели должны быть в 10 раз меньше, чем волна радара согласно рэлеевскому рассеянию. Это связано с тем, что молекула воды должна быть возбуждена радиолокационной волной, чтобы дать ответ. Это относительно верно для дождя или снега, поскольку обычно используются радары с длиной волны 5 или 10 см.

Однако для очень больших гидрометеоров, поскольку длина волны порядка каменной, отдача стабилизируется в соответствии с теорией Ми . Возврат более 55 дБз, вероятно, будет результатом града, но он не будет меняться пропорционально размеру. С другой стороны, очень маленькие цели, такие как облачные капли, слишком малы для возбуждения и не дают регистрируемой отдачи на обычных метеорологических радарах.

Разрешение и частично заполненный отсканированный объем

Профилировщик с высоким разрешением изображения грозы (вверху) и метеорологическим радаром (внизу).

Гроза сверхъячейки, видимая с двух радаров, почти совмещена. Верхнее изображение получено из TDWR, а нижнее - из NEXRAD .

Как было показано в начале статьи, лучи радара имеют физический размер, и данные отбираются под дискретными углами, а не непрерывно, вдоль каждого угла места. Это приводит к усреднению значений возвращаемых данных для отражательной способности, скорости и данных поляризации на отсканированном объеме с разрешением.

На рисунке слева вверху показан вид грозы, сделанный прибором для профилирования ветра, когда она проходила над головой. Это похоже на вертикальное сечение облака с разрешением 150 метров по вертикали и 30 метров по горизонтали. Отражательная способность сильно меняется на коротком расстоянии. Сравните это с смоделированным изображением того, что будет видеть обычный метеорологический радар на расстоянии 60 км, в нижней части рисунка. Все разгладилось. Не только более грубое разрешение радара размывает изображение, но и зондирование включает в себя области, свободные от эха, таким образом расширяя грозу за ее реальные границы.

Это показывает, что выходные данные метеорологического радара являются лишь приближением к реальности. На изображении справа сравниваются реальные данные двух почти размещенных радаров. TDWR имеет около половины ширины луча других , и можно видеть два раза больше деталей , чем с NEXRAD.

Разрешение можно улучшить с помощью более нового оборудования, но некоторые вещи - нет. Как упоминалось ранее, сканируемый объем увеличивается с увеличением расстояния, поэтому также увеличивается вероятность того, что луч заполнен только частично. Это приводит к недооценке количества осадков на больших расстояниях и вводит пользователя в заблуждение, заставляя думать, что по мере удаления дождь становится слабее.

Геометрия балки

Луч радара имеет распределение энергии, подобное дифракционной картине света, проходящего через щель. Это связано с тем, что волна передается на параболическую антенну через щель в волноводе в фокусной точке. Большая часть энергии находится в центре луча и уменьшается по кривой, близкой к функции Гаусса с каждой стороны. Тем не менее, есть вторичные пики излучения, которые будут производить выборку целей под углом, отклоняющимся от центра. Дизайнеры пытаются минимизировать мощность, передаваемую такими лепестками, но полностью исключить их невозможно.

Когда вторичный лепесток попадает в отражающую цель, такую ​​как гора или сильная гроза, часть энергии отражается на радар. Эта энергия относительно мала, но приходит в то же время, когда центральный пик освещает другой азимут. Таким образом, программа обработки смещает эхо-сигнал. Это имеет эффект фактического расширения реального эхо-сигнала погоды, создавая размытие более слабых значений с каждой стороны от него. Это заставляет пользователя переоценивать степень реального эхо.

Идеальное распределение энергии луча радара (центральный лепесток на 0 и вторичные лепестки с каждой стороны)

Дифракция на круговой щели, имитирующей энергию, наблюдаемую метеорологическими целями.

Сильные эхо-сигналы - это отражения центрального пика радара от серии небольших холмов (желтые и красные пиксели ). Более слабые эхо-сигналы с каждой стороны от них исходят от вторичных лепестков (синего и зеленого).

Непогодные цели

В небе больше, чем дождь и снег. Другие объекты могут быть ошибочно приняты метеорологическими радарами как дождь или снег. Насекомые и членистоногие уносятся господствующими ветрами, а птицы следуют своим курсом. Таким образом, в тонких линиях на изображениях метеорологических радиолокаторов, связанных со сходящимися ветрами, преобладают отражения насекомых. Миграция птиц, которая, как правило, происходит в ночное время в пределах 2000 метров атмосферы Земли , загрязняет профили ветра, полученные с помощью метеорологического радара, особенно WSR-88D , за счет увеличения отражения ветра в окружающей среде на 30–60 км / час. Другие объекты на радиолокационных изображениях включают:

• Тонкие металлические полоски ( мякина ) сбрасываются с военных самолетов, чтобы обмануть врагов.
• Твердые препятствия, такие как горы, здания и самолеты.
• Беспорядок на земле и на море.
• Отражения от близлежащих построек («городские шипы»).

Такие посторонние предметы имеют характеристики, позволяющие обученному глазу различать их. Также возможно устранить некоторые из них с помощью последующей обработки данных с использованием данных отражательной способности, доплеровского сдвига и поляризации.

Ветряные фермы

Отражательная способность (слева) и лучевые скорости (справа) к юго-востоку от метеорологического радара NEXRAD. Эхо в кругах исходит от ветряной электростанции.

Вращающиеся лопасти ветряных мельниц на современных ветряных электростанциях могут возвращать луч радара на радар, если они находятся на его пути. Поскольку лопасти движутся, эхо-сигналы будут иметь определенную скорость и могут быть ошибочно приняты за реальные осадки. Чем ближе ветряная электростанция, тем сильнее отдача, и комбинированный сигнал от многих вышек сильнее. В некоторых условиях радар может даже видеть приближающиеся и удаленные скорости, которые создают ложные срабатывания алгоритма сигнатуры вихрей торнадо на метеорологическом радаре; такое событие произошло в 2009 году в Додж-Сити, штат Канзас .

Как и в случае с другими структурами, стоящими в луче, ослабление отраженных сигналов радара от ветряных мельниц также может привести к недооценке.

Затухание

Пример сильного затухания, когда линия грозы перемещается (изображения слева направо) над метеорологическим радаром с длиной волны 5 см (красная стрелка). Источник: Environment Canada.

Микроволны, используемые в метеорологических радарах, могут поглощаться дождем, в зависимости от используемой длины волны. Для 10-сантиметровых радаров это ослабление незначительно. По этой причине страны с сильными штормами используют длину волны 10 см, например NEXRAD в США. Стоимость более крупной антенны, клистрона и другого сопутствующего оборудования компенсируется этим преимуществом.

Для 5-сантиметрового радара поглощение становится важным при сильном дожде, и это затухание приводит к недооценке эхосигналов во время сильной грозы и за ее пределами. Канада и другие северные страны используют этот менее дорогостоящий вид радара, поскольку осадки в таких районах обычно менее интенсивны. Однако пользователи должны учитывать эту характеристику при интерпретации данных. На изображениях выше показано, как кажется, что сильная линия эхо-сигналов исчезает, когда движется над радаром. Чтобы компенсировать это поведение, радиолокационные станции часто выбираются таким образом, чтобы их зона покрытия частично перекрывалась, чтобы получить разные точки обзора одних и тех же штормов.

Более короткие волны ослабляются еще сильнее и полезны только на радарах малого радиуса действия. Многие телевизионные станции в Соединенных Штатах имеют 5-сантиметровые радары для покрытия своей аудитории. Знание их ограничений и их использование с местным NEXRAD может дополнить данные, доступные метеорологу.

В связи с распространением радарных систем с двойной поляризацией, надежные и эффективные подходы к компенсации ослабления в дожде в настоящее время применяются оперативными метеорологическими службами.

Яркая полоса

Высота 1,5 км CAPPI вверху с сильным загрязнением от яркой полосы (желтые). Вертикальный разрез внизу показывает, что этот сильный возврат происходит только над землей.

Отражательная способность луча радара зависит от диаметра цели и ее способности отражать. Снежинки большие, но слабо отражающие, а капли дождя маленькие, но хорошо отражающие.

Когда снег падает через слой выше температуры замерзания, он тает в дождь. Используя уравнение отражательной способности, можно продемонстрировать, что отдача от снега до таяния и дождя после него не слишком различается, поскольку изменение диэлектрической проницаемости компенсирует изменение размера. Однако в процессе таяния радарная волна «видит» нечто вроде очень больших капель, когда снежинки покрываются водой.

Это дает повышенную отдачу, которую можно принять за более сильные осадки. На PPI это будет проявляться как интенсивное кольцо осадков на высоте, где луч пересекает уровень таяния, в то время как на серии CAPPI только те, которые находятся рядом с этим уровнем, будут иметь более сильное эхо. Хороший способ подтвердить яркость полосы - это сделать вертикальное поперечное сечение данных, как показано на рисунке выше.

Противоположная проблема заключается в том, что морось (осадки с небольшим диаметром капель воды), как правило, не обнаруживаются на радаре, потому что отражения радара пропорциональны диаметру капли в шестой степени.

Множественные отражения

Предполагается, что луч попадает в метеорологические цели и возвращается прямо на радар. Фактически, энергия отражается во всех направлениях. По большей части он слабый, а многократные отражения еще больше уменьшают его, поэтому то, что в конечном итоге может вернуться на радар после такого события, незначительно. Однако в некоторых ситуациях антенна радара может принимать многократно отраженный луч радара. Например, когда луч попадает в град, энергия, распространяемая в сторону влажной земли, будет отражаться обратно в град, а затем в радар. Результирующее эхо слабое, но заметное. Из-за дополнительной длины пути, по которой он должен пройти, он достигает антенны позже и располагается дальше, чем ее источник. Это дает своего рода треугольник ложных более слабых отражений, расположенных радиально позади града.

Решения для настоящего и будущего

Фильтрация

Радиолокационное изображение отражательной способности с множеством непогодных эхосигналов.

То же изображение, но очищенное с использованием доплеровских скоростей.

Эти два изображения показывают, что в настоящее время может быть достигнуто для очистки данных радара. Выходные данные слева сделаны с исходными данными, поэтому определить реальную погоду сложно. Поскольку дождевые и снежные облака обычно движутся, можно использовать доплеровские скорости, чтобы устранить значительную часть помех (эхо-сигналы от земли, отражения от зданий, воспринимаемые как городские шипы, аномальное распространение). Изображение справа было отфильтровано с использованием этого свойства.

Однако не все неметеорологические цели остаются неподвижными (птицы, насекомые, пыль). Другие, например яркая полоса, зависят от структуры осадков. Поляризация предлагает прямую типизацию эхо-сигналов, которые можно использовать для фильтрации большего количества ложных данных или создания отдельных изображений для специальных целей, таких как подмножества помех, птиц и т. Д.

Мезонет

Метеорологический радар с фазированной решеткой в Нормане, Оклахома

Другой вопрос - разрешение. Как упоминалось ранее, данные радара представляют собой среднее значение сканированного лучом объема. Разрешение можно улучшить с помощью антенны большего размера или более плотных сетей. Программа Центра совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA) направлена ​​на дополнение к обычной сети NEXRAD (сеть в Соединенных Штатах) с использованием множества недорогих метеорологических радаров X-диапазона (3 см), установленных на вышках сотовой телефонной связи. Эти радары разделят большую площадь NEXRAD на более мелкие области, чтобы смотреть на высотах ниже ее наименьшего угла. Это даст информацию, которая в настоящее время недоступна.

При использовании радаров 3 см антенна каждого радара мала (около 1 метра в диаметре), но разрешение на небольшом расстоянии такое же, как у NEXRAD. Затухание является значительным из-за используемой длины волны, но каждая точка в зоне покрытия видна множеством радаров, каждый из которых смотрит с другого направления и компенсирует потерю данных от других.

Стратегии сканирования

Количество сканированных высот и время, необходимое для полного цикла, зависят от погодной ситуации. Например, при небольшом количестве осадков или их отсутствии в схеме можно ограничить самые низкие углы и использовать более длинные импульсы для обнаружения сдвига ветра у поверхности. С другой стороны, в ситуациях сильной грозы лучше сканировать под большим количеством углов, чтобы как можно чаще получать трехмерный вид осадков. Чтобы смягчить эти различные требования, были разработаны стратегии сканирования в зависимости от типа радара, используемой длины волны и наиболее распространенных погодных условий в рассматриваемой области.

Одним из примеров стратегии сканирования является радарная сеть NEXRAD в США, которая со временем эволюционировала. Например, в 2008 году было добавлено дополнительное разрешение данных, а в 2014 году - дополнительное внутрицикловое сканирование минимальной высоты ( MESO-SAILS ).

Электронное звучание

Своевременность также требует улучшения. Поскольку между полными сканированиями метеорологического радара проходит от 5 до 10 минут, большая часть данных теряется при приближении грозы. РЛС с фазированной решеткой проходит испытания в Национальной лаборатории сильных штормов в Norman, Оклахома, чтобы ускорить сбор данных. Группа специалистов из Японии также развернула радар с фазированной антенной решеткой для 3D NowCasting в Продвинутом институте вычислительных наук RIKEN (AICS).

Специализированные приложения

Метеорологический радар Global Express с поднятым обтекателем

Метеорологический радар авионики

Применение радарных систем в самолетах включает метеорологические радары, системы предотвращения столкновений, слежения за целями, приближения к земле и другие системы. Для коммерческих метеорологических радаров ARINC 708 является основной спецификацией для систем метеорологических радаров, использующих бортовой импульсный доплеровский радар .

Антенны

В отличие от наземного метеорологического радара, который установлен под фиксированным углом, бортовой метеорологический радар используется из носа или крыла самолета. Самолет будет не только двигаться вверх, вниз, влево и вправо, но он также будет катиться. Чтобы компенсировать это, антенна связана и откалибрована с вертикальным гироскопом, расположенным на самолете. Таким образом, пилот может установить угол наклона антенны, который позволит стабилизатору удерживать антенну в правильном направлении при умеренных маневрах. Маленькие серводвигатели не смогут угнаться за резкими маневрами, но постараются. При этом пилот может настроить радар так, чтобы он указывал на интересующую погодную систему. Если самолет находится на малой высоте, пилот должен установить радар над линией горизонта, чтобы минимизировать помехи от земли на дисплее. Если самолет находится на очень большой высоте, пилот установит радар под низким или отрицательным углом, чтобы направить радар на облака, где бы они ни находились относительно самолета. Если самолет меняет свое положение, стабилизатор будет соответствующим образом настраиваться, чтобы пилоту не приходилось летать одной рукой, а другой настраивать радар.

Приемники / передатчики

Говоря о приемнике / передатчике, можно выделить две основные системы: первая - это системы с высокой мощностью, а вторая - с системами с низким энергопотреблением; оба работают в диапазоне частот X- диапазона (8000–12 500 МГц). Мощные системы работают от 10 000 до 60 000 ватт. Эти системы состоят из довольно дорогих магнетронов (примерно 1700 долларов США), которые допускают значительный шум из-за нарушений в работе системы. Таким образом, эти системы очень опасны для возникновения дуги и небезопасны для использования рядом с наземным персоналом. Однако альтернативой могут стать маломощные системы. Эти системы работают от 100 до 200 Вт и требуют комбинации приемников с высоким коэффициентом усиления, сигнальных микропроцессоров и транзисторов, чтобы работать так же эффективно, как и системы с высокой мощностью. Сложные микропроцессоры помогают устранить шум, обеспечивая более точное и детальное изображение неба. Кроме того, поскольку в системе меньше неровностей, маломощные радары могут использоваться для обнаружения турбулентности через эффект Доплера. Поскольку маломощные системы работают при значительно меньшей мощности, они безопасны от искрения и могут использоваться практически в любое время.

Отслеживание грозы

Прогноз текущей грозы из системы AutoNowcaster

Цифровые радиолокационные системы теперь имеют возможности, намного превосходящие возможности их предшественников. Цифровые системы теперь предлагают наблюдение за грозой . Это дает пользователям возможность получать подробную информацию о каждом отслеживаемом грозовом облаке. Грозы сначала идентифицируются путем сопоставления необработанных данных об осадках, полученных от импульса радара, с каким-то шаблоном, предварительно запрограммированным в системе. Чтобы можно было идентифицировать грозу, она должна соответствовать строгим определениям интенсивности и формы, которые отличают ее от любых неконвективных облаков. Обычно он должен демонстрировать признаки организации по горизонтали и непрерывности по вертикали: ядро ​​или более интенсивный центр, который необходимо идентифицировать и отслеживать с помощью цифровых радиолокационных трекеров . Как только грозовая ячейка идентифицирована, скорость, пройденное расстояние, направление и расчетное время прибытия (ETA) отслеживаются и записываются для дальнейшего использования.

Доплеровский радар и миграция птиц

Использование доплеровского метеорологического радара не ограничивается определением местоположения и скорости выпадения осадков , но он может отслеживать миграции птиц, а также их видно в разделе непогодных целей . В радиоволнах разосланы радары отскакивают от дождя и птиц , так (или даже насекомых , как бабочки ). США Национальная служба погоды , к примеру, уже сообщили, что полеты птиц появляются на своих радаров , как облака , а затем исчезают , когда птицы земли. Национальная метеорологическая служба США в Сент-Луисе даже сообщила о появлении бабочек-монархов на своих радарах.

Различные программы в Северной Америке используют обычные метеорологические радиолокаторы и специализированные радиолокационные данные для определения траектории, высоты полета и времени миграции. Это полезная информация при планировании размещения и эксплуатации ветряных ферм для снижения смертности птиц, обеспечения безопасности полетов и других мер управления дикой природой. В Европе были аналогичные разработки и даже комплексная программа прогнозирования безопасности полетов, основанная на обнаружении радаров.

Обнаружение падения метеорита

Радиолокационное изображение NOAA NEXRAD Паркового леса, штат Иллинойс, падения метеорита 26 марта 2003 г.

Справа - изображение, показывающее Парк-Форест, штат Иллинойс, падение метеорита, которое произошло 26 марта 2003 года. Красно-зеленая особенность в верхнем левом углу - это движение облаков возле самого радара, а внутри него видны следы падающих метеоритов. желтый эллипс в центре изображения. Смешанные красные и зеленые пиксели указывают на турбулентность, в данном случае возникающую из-за падающих высокоскоростных метеоритов.

По данным Американского метеоритного общества , где-то на Земле ежедневно происходят падения метеоритов. Однако база данных о падениях метеоритов во всем мире, которую ведет Метеоритное общество, обычно регистрирует только около 10-15 новых падений метеоритов ежегодно.

Метеориты возникают, когда метеороид падает в атмосферу Земли, образуя оптически яркий метеор за счет ионизации и нагрева от трения. Если метеороид достаточно большой и скорость падения достаточно низкая, уцелевшие метеориты достигнут земли. Когда падающие метеориты замедляются ниже примерно 2–4 км / с, обычно на высоте от 15 до 25 км, они больше не генерируют оптически яркий метеор и переходят в «темный полет». Из-за этого большая часть метеоритов падает в океаны днем ​​или иным образом остается незамеченной.

Именно в темноте падающие метеориты обычно падают через области взаимодействия большинства типов радаров. Было продемонстрировано, что с помощью различных исследований можно идентифицировать падающие метеориты на изображениях метеорологических радиолокаторов. Это особенно полезно для обнаружения метеоритов, поскольку метеорологические радары являются частью широко распространенных сетей и непрерывно сканируют атмосферу. Кроме того, метеориты вызывают возмущение местных ветров турбулентностью, что заметно на доплеровских выходных сигналах, и падают почти вертикально, поэтому их место на земле близко к их радиолокационной сигнатуре.

Смотрите также

• Обратное рассеяние
• Столб парикмахера
• Lockheed WP-3D Orion (P-3)
• Национальная лаборатория исследования ураганов
• ОУ-ПРАЙМ

Примечания

использованная литература

• Атлас, Дэвид , изд. (1990). Радар в метеорологии . Мемориал Баттана и 40-я юбилейная конференция по радиолокационной метеорологии. Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество . DOI : 10.1007 / 978-1-935704-15-7 . ISBN 978-0-933876-86-6.ISBN  978-1-935704-15-7 , 806 страниц, код AMS RADMET.
• Ив Бланшар, Le radar, 1904–2004: histoire d'un siècle d'innovations technologies et opérationnelles , опубликовано Ellipses, Париж, Франция, 2004 ISBN  2-7298-1802-2
• Р. Дж. Довяк и Д. С. Зрник, Доплеровский радар и метеорологические наблюдения , Academic Press. Seconde Edition, San Diego Cal., 1993, стр. 562.
• Gunn KLS и TWR East, 1954: микроволновые свойства частиц осадков. Кварта. J. Королевское метеорологическое общество , 80, стр. 522–545.
• М.К. Яу и Р.Р. Роджерс, Краткий курс физики облаков, третье издание , опубликовано Butterworth-Heinemann, 1 января 1989 г., 304 страницы. ISBN  9780750632157 ISBN  0-7506-3215-1
• Роджер М. Вакимото и Рамеш Шривастава, Радиолокационная и атмосферная наука: сборник эссе в честь Дэвида Атласа , опубликовано Американским метеорологическим обществом, Бостон, август 2003 г. Серия: Метеорологическая монография, том 30, номер 52, 270 страниц, ISBN  1-878220-57-8 ; Код AMS MM52.
• В. Н. Бринги и В. Чандрасекар, Поляриметрический доплеровский метеорологический радар , опубликованный издательством Cambridge University Press, Нью-Йорк, США, 2001 ISBN  0-521-01955-9 .

внешние ссылки

Общий

• История оперативного использования метеорологических радиолокаторов метеорологической службой США:
  • Whiton, Roger C .; Smith, Paul L .; Биглер, Стюарт Дж .; Wilk, Kenneth E .; Харбак, Альберт С. (февраль 1998 г.). «Часть I: Эра до NEXRAD» . Погода и прогнозирование . 13 (2): 219–243. DOI : 10,1175 / 1520-0434 (1998) 013 <0219: HOOUOW> 2.0.CO; 2 . Проверено 15 марта 2021 года .
  • Whiton, Roger C .; Smith, Paul L .; Биглер, Стюарт Дж .; Wilk, Kenneth E .; Харбак, Альберт С. (февраль 1998 г.). «Часть II: Разработка оперативных доплеровских метеорологических радаров» . Погода и прогнозирование . С. 244–252. DOI : 10,1175 / 1520-0434 (1998) 013 <0244: HOOUOW> 2.0.CO; 2 . Проверено 15 марта 2021 года .
  • «Основные моменты метеорологического радиолокатора за первые 40 лет существования NSSL» . Выделите . Национальная лаборатория сильных штормов первые 40 лет . Проверено 15 марта 2021 года .
• «Атмосфера, погода и полет (метеорологические радары, глава 19)» (PDF) . Окружающая среда Канады . Архивировано 7 августа 2016 года (PDF) . Проверено 15 марта 2021 года .

• «Общие ошибки в интерпретации радара» . Окружающая среда Канады . Проверено 15 марта 2021 года .

• «Понимание метеорологического радара» . Погода Подполье на радаре . Проверено 15 марта 2021 года .
• Джефф Дуда. «Как использовать и интерпретировать доплеровский метеорологический радар» (PDF) . Государственный университет Айовы . Проверено 15 марта 2021 года .

Сети и радиолокационные исследования

• Центр атмосферных радиолокационных исследований ОУ
• Канадский метеорологический радар: часто задаваемые вопросы
• Домашняя страница радара McGill
• Галерея изображений радара Гонконга
• Университет Алабамы, Хантсвилл, Исследовательский радар с двойным поляриметрическим диапазоном C
• Информация о доплеровской радиолокационной сети NEXRAD:

• ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ РАДАРОВ

• Совместный эксперимент  по поляризации - Исследования и разработки в области двойной поляризации Университета Оклахомы

Данные в реальном времени

Африке

• Южная Африка - метеорологический радар в реальном времени для Южной Африки от службы погоды Южной Африки

Азия

Австралия и Океания

Центральная Америка и Карибский бассейн

• Аруба (через Каракас)
• Белиз
• Барбадос ( карибский композит )
• Каймановы острова
• Куба
• Кюрасао ( карибский композит )
• Радиолокационные станции Сальвадора Марна
• Заморские департаменты Франции ( Гваделупа , Мартиника )
• Пуэрто-Рико
• Тринидад

Европа

Северная Америка

Южная Америка

• Французская Гайана