Что такое dbz в метеорологии
ru.knowledgr.com
Масштаб значений dBZ можно увидеть в нижней части изображения.
dBZ означает bel относительно Это логарифмическая бездымянная техническая единица, используемая в радаре, в основном в погодном радаре, для сравнения эквивалентного коэффициента отражательной способности (Z) удаленного объекта (в мм6 на м3) с возвратом капли дождя с диаметером 1 мм (1 мм6 на м3). Он пропорционален количеству капель на единицу объема и шестой мощности диаметра капель и, таким образом, используется для интенсивности дождя или снега. С помощью других переменных, анализируемых с помощью радара, он помогает определить тип предварительной обработки. Как коэффициент отражательной способности радара, так и его логарифмический вариант обычно называют отражательной способностью, когда контекст ясен. Короче говоря, чем выше значение дБЗ, тем больше вероятность возникновения суровой погоды в виде предварительной обработки.
Значения выше 20 дБЗ обычно указывают на падение предварительной подготовки.
Принцип
Коэффициент отражательной способности радара (Z) предварительной обработки зависит от числа (N0) и размера (D) отражателей (гидрометров), которые включают дождь, снег, граупель и град. Очень чувствительные радары также могут измерять отражательную способность капель облаков и льда. Для экспоненциального распределения отражателей Z выражается следующим образом:
Поскольку капли дождя имеют диаметр порядка 1 м, Z находится в mm6m − 3 (мкм3). При Z с эквивалентным возвратом 1 мм падения в объёме метра c (Z0) и использовании логарифма результата (потому что значения великодушны от дрожи к граду) получают логарифмическую отражательную способность LZ, в дБЗ:
Значения dBZ могут быть преобразованы в скорости падения (R) в метрах в час по формуле Маршалла-Палмера:
Шкала NOAA дБЗ для радиолокатора погоды
Прочие количества
Приведенное выше определение Z показывает, что большое количество малых гидрометров будет отражать как один большой гидрометр. Сигнал, возвращаемый на радар, будет эквивалентен в обеих ситуациях, поэтому группа малых гидрометров виртуально индицируется от одного большого гидрометра на получившемся изображении радара. Отражательное изображение представляет собой только один тип изображения, создаваемого радаром. Используя его в одиночку, метеоролог не смог с уверенностью определить тип предварительной подготовки и различить любые артефакты, влияющие на отдачу радара.
В сочетании с другой информацией, собираемой радаром во время того же сканирования (продукты дуальной поляризации и фазы из-за эффекта Допплера), метеорологи могут различать град, дождь, снег, биологические вещества (птицы, насекомые) и другие атмосферные феномены.
Погодные радары: как они помогают предсказывать погоду?
У природы есть плохая погода, и мы в Toshiba в этом не сомневаемся. Но эффективно прогнозировать ненастья человечество научилось совсем недавно, и путь к этим достижениям лежал через личные трагедии, мировые войны и «партизанские ливни». Проводим краткий экскурс в историю метеорологии, рассказываем, как появились метеорадары и почему новейший погодный суперкомпьютер назвали именем древнейшего бога.
Недавно палеоклиматологи пришли к выводу, что древнее Аккадское государство (существовало оно около 4 тыс. лет назад) пришло в упадок из-за усиления в Месопотамии сезонных пылевых бурь (так называемых «шамалов»), нарушивших сельское хозяйство. И уже тогда человечество пыталось следить за погодой и предсказывать её. Но получалось не очень — бедные аккадцы.
Прорыв наступил только в XIX веке, ведь первый секрет успешного прогноза — наблюдение за погодой из разных географических точек одновременно. Впервые это стало возможным с появлением нового средства связи — телеграфа, который помог построить первую метеорологическую службу, которая не только наблюдала за погодой, но и предсказывала её (как умела). Речь о Департаменте метеорологии при британском правительстве. Его создателем в 1854 году стал офицер ВМФ Великобритании Роберт Фицрой, капитан корабля «Бигль», на котором Чарльз Дарвин совершил знаменитое кругосветное путешествие. За свою долгую карьеру Фицрой задокументировал огромное количество погодных наблюдений. Правда, деятельность нового органа ограничилась созданием карты ветров для капитанов флота, которую прогнозом, конечно, назвать было нельзя.
25 октября 1859 года у берегов Англии потерпело крушение пассажирское судно «Роял Чартер». Внезапный мощный шторм разбил его о скалы у западного побережья Англии, в результате чего погибли 456 человек. Крушение «Роял Чартер» в родных водах поразило Фицроя (интересно, как бы он отреагировал на историю «Титаника» спустя полвека). Глава Департамента метеорологии распорядился создать сеть из 24 метеостанций в крупных портах Англии, Дании, Голландии и Франции для предупреждения штормов. Помог в этом Фицрою недавно изобретённый телеграф, который передавал в штаб-квартиру погодные данные морзянкой.
Помимо этого, Фицрой приказал установить на всех кораблях королевского флота штормглассы — герметично запаянные колбы со смесью из воды, этанола, нитрата калия, хлорида аммония и камфоры. Жидкость в этом приборе реагирует на изменение погоды, к примеру, помутнение предвещает дождь, а прозрачность — ясную погоду.
Судя по высоко поднявшимся большим кристаллам, этот штормгласс обещает сильный мороз и стужу. Впрочем, дальнейший технический прогресс в метеорологии выбросил этот прибор на свалку истории, даже не оставив учёным времени на изучение принципа его действия. Источник: ReneBNRW / Wikimedia Commons
Вооружившись термометрами, барометрами, штормглассами, многолетней «биг датой» наблюдений, а также показаниями сети метеостанций, Роберт Фицрой начал публиковать прогнозы погоды на 1-2 дня вперёд. Первый такой прогноз появился в The Times в 1861 году.
Прогноз погоды на 1 августа 1861 года. В Лондоне ожидалась ясная погода, умеренный юго-западный ветер и 17 градусов тепла. Сбылся ли прогноз, мы не знаем. Источник: Official blog of the Met Office News Team
Первый синоптик быстро нажил себе врагов. Учёные критиковали его методы. Британская пресса смаковала неудачи. Владельцы рыболовного бизнеса готовились предъявить счёт за убытки, ведь рыбаки часто отказывались выходить в море, получая прогноз плохой погоды от Фицроя. К 1865 году уже немолодой контр-адмирал синоптик впал в депрессию, растратив почти все своё состояние на метеорологические исследования, и 30 апреля наложил на себя руки.
Прогнозы Фицроя не могли быть точными: метеостанций было мало, обработка данных велась вручную, а экстраполяция старых погодных наблюдений часто подводила. Но главным слабым местом его практики были погодные замеры на основе косвенных данных (температура, давление), тогда как для успешного прогноза необходимо непосредственное наблюдение за передвижением воздушных масс.
Прошёл ещё век, прежде чем человечество научилось этому. Как в случае со многими другими техническими решениями XX столетия, прогрессу помогла гонка вооружений.
На погодном фронте: как военные научились предсказывать погоду?
В 1904 году 22-летний германский инженер Кристиан Хюльсмайер презентовал в Кёльне загадочный прибор, который назывался «телемобилоскопом» (Telemobiloskop). Каждый раз, когда на определённом участке протекающего неподалёку Рейна проходил корабль, телемобилоскоп издавал звон. Этот прибор состоял из искрового радиопередатчика, подключённого к множеству антенн. Телемобилоскоп улавливал отражённые от крупных металлических объектов (кораблей) электромагнитные волны. Однако присутствовавшие на презентации представили ВМФ Германии тогда аппарат не оценили.
И очень зря, потому что уже в 1930-е гг. ученые США, Великобритании, Германии, Франции, СССР, Японии, Италии и Нидерландов практически одновременно начали разработку похожих приборов, основанных на трансляции радиосигналов и улавливании отраженного от различных объектов эха. Призваны они были выявлять на дальних дистанциях движение самолетов и кораблей потенциального противника. Принцип работы этих передатчиков был положен в основу и метеорадаров, работающих до сегодняшнего дня.
Антенна излучает радиоволны сверхвысокочастотного диапазона в виде кратковременных импульсов большой мощности. Излучение фокусируется в узкий радиолуч. Когда импульс наталкивается на своём пути на препятствие, часть его энергии рассеивается в том числе и по направлению к приёмнику, который обычно работает рядом с передатчиком на одной антенне. Радиоэхо слабее отправленного импульса и возвращается с задержкой. Разность в мощности и скорости этих импульсов и позволяет определить положение в пространстве, скорость, плотность и другие физические параметры препятствия, например, самолёта или грозового облака.
К началу Второй Мировой войны такие системы были созданы, и одна из них (американская) дала миру новое слово «радар» (образовано от аббревиатуры RADAR, Radio Detection And Ranging).
В 1941 году английские операторы впервые наблюдали на индикаторе радара засвеченные участки от ливневых осадков. Позже военные обратили внимание на радиошум, который исходил от туч, снегопадов и града. Эти данные начали использовать для уточнения погоды и координации лётчиков и моряков. А после войны часть военных радаров передали метеорологам для наблюдения за погодой. К примеру, в США военно-морские силы перестроили радар AN/APS-2, ранее использовавшийся для поиска германских подводных лодок, и отдали его в Бюро погоды США в 1946 году под названием WSR-1 (Weather Surveillance Radar).
Таким увидели американские метеорологи торнадо с помощью погодного радара WSR-3, а Hook Echo — это название наблюдаемого на радаре облачного образования, похожего на торнадо (hook по-английски — «петля»). Источник: Wikimedia Commons
В послевоенный период принцип работы погодных радаров уже не менялся, но усложнялось их устройство — для получения более точных данных о размере и количестве осадков, их распределении в атмосфере, скорости и направлении передвижения. Однако климат на планете постепенно меняется, и в некоторых регионах усиливаются самые разные разрушительные погодные явления, требующие новых методов прогнозирования.
Что такое «партизанские ураганы» и почему обычные радары с ними не справляются?
Для прогнозирования таких явлений два основных типа традиционных метеорадаров — многопараметрические и с фазированной антенной решёткой — не подходят.
Многопараметрические метеорологические радары имеют двойную поляризацию, то есть они могут одновременно передавать и принимать горизонтально и вертикально поляризованные волны. Это позволяет им эффективно отслеживать количество осадков вплоть до размеров капель дождя. Однако у такого радара есть и недостатки: его параболическая антенна (в форме тарелки) может передавать и принимать электромагнитные волны только в том направлении, к которому она обращена. Сигнал имеет форму тонкого луча, поэтому чтобы вычислить распределение осадков, нужно, словно прожектор, повернуть антенну вверх, а затем постепенно наклонять её к земле. Для наблюдения за распределением осадков вблизи уровня земли может потребоваться от одной до пяти минут, а для замера осадков в трёхмерном проекции более — пяти минут. Именно это не даёт быстро «вычислить» кучевую тучу, в которой прячется «партизанский ливень».
Первый вид радара излучает более мощный сигнал, а второй — более рассеянный. Источник: Toshiba Clip
В отличие от многопараметрических радаров, погодные радары с фазированной решёткой представляют собой плоские антенны, как правило, квадратной или многоугольной формы. Точнее говоря, они состоят из множества маленьких антенн, размещённых на плоскости (нечто похожее на фасеточный глаз насекомого). Его структура позволяет мгновенно изменять направление волн без необходимости перемещать антенну вверх или вниз. Этот вид радара позволяет излучать и принимать волны (от земли до уровня неба) практически непрерывно. Но его слабое место — вычисление количества осадков, ведь их сигнал более рассеянный.
Если многопараметрический радар хорошо замеряет количество осадков, то радар с фазированной решёткой лучше справляется с построением картины их распределения. Но чтобы обнаруживать «партизанский ураган» нужно было соединить эти два радара в одном.
Ужа с ежом: как в Toshiba соединили круг и квадрат?
Инженеры Toshiba в составе исследовательской группы Совета по науке, технологии и инновациям при правительстве Японии создали первый в мире многопараметрический радар с фазированной решёткой, то есть объединили два традиционных типа радаров в одно устройство. Оно имеет двойную поляризацию и может формировать пучок сигналов одновременно в десять направлений. Благодаря этому, такой радар способен всего за 30 секунд отыскать «партизанскую тучу» в радиусе 60 км (и за минуту — в радиусе 80 км).
Первый многопараметрический метеорологический радиолокатор с фазированной решёткой разместился на крыше Университета Саитама в декабре 2017 года. Источник: Toshiba Clip
Максимальная дальность охвата в 80 км позволяет одному радару контролировать погодную обстановку практически над всем столичным районом Токио. К примеру, в летнее время года радары смогут предупреждать о «партизанских ливнях» и помогать городским властям координировать передвижение туристов и горожан в случае неблагоприятной погоды.
Впоследствии в Японии может быть создана сеть из новых метеорадаров, которые покроют всю территорию страны. Однако чем больше инструментов исследования погоды, тем сложнее обрабатывать и интерпретировать получаемую информацию. Поэтому в будущем человечеству необходимо решить проблему создания глобальной системы контроля за погодными условиями на основе суперкомпьютеров. Похоже, прорыв в этой области подготовили наши коллеги из IBM.
Бог ясного дня: как будет предсказывать погоду новый суперкомпьютер?
В ноябре 2019 года компания IBM объявила о разработке глобальной системы высокоточного погодного прогнозирования GRAF (Global High-Resolution Atmospheric Forecasting System). Её основу составит суперкомпьютер DYEUS, построенный специально для управления виртуальной моделью глобальной погоды. Кстати, имя DYEUS («Дьеус») неслучайно — так звали верховного бога праиндоевропейского пантеона, который отвечал за ясное небо над головами наших предков 3-5 тыс. лет назад.
Метеорологические радиолокаторы
Автор: Маглипогода · Опубликовано 19.06.2019 · Обновлено 27.06.2021
Огромную роль в диагностике и прогнозировании конвективных явлений и процессов играют метеорологические радиолокаторы (МРЛ). Принцип действия метеолокатора основан на сравнении отправленного к облаку сигнала с исходным. Проще говоря, если речь идёт о грозовом облаке, то высокая отражаемость прямо указывает на интенсивные процессы в нём и соответственно, вероятность локализации ОЯП (опасных явлений погоды) в том месте возрастает.
Отражённый сигнал измеряется в коэффициентах dbZ (безразмерная логарифмическая величина сигнала). Наиболее современными локаторами являются доплеровские (ДМРЛ), принцип действия которых основан на эффекте Доплера (изменение параметров сигнала вследствие смещения объекта). Такие радары позволяют не только анализировать облачность и её структуру, но также определять скорость и направление смещения воздушных масс, облаков и отдельных элементов в самом облаке (как например, идентификация торнадо). В зависимости от полученной картинки на дисплее радара, можно выявлять некоторые особенности мощных конвективных штормов. Самые основные из них представлены ниже.
2. Если мы построим вертикальный профиль суперячейки, то на полученном разрезе увидим ещё одну особенность – ограниченная область слабого радиоэхо (bounded weak echo region – BWER, рис. 2). Частичное или полное отсутствие отражённого сигнала в нижней и средней тропосфере в этом месте связано с интенсивным восходящим потоком. Формирование BWER объясняется тем, что мощные потоки воздуха выносят частицы (капли, пыль) в более верхние слои, прежде, чем они увеличатся до таких размеров, когда станут видимыми на радаре. BWER обычно прослеживается на высотах от 3 до 10 км и имеет несколько км в поперечнике. Выше области BWER находится зона интенсивного радиоэха, называемая «Нависание» (Overhang), которая как бы нависает над «пустой» зоной.
3. Иногда на радаре можно увидеть ещё один элемент суперячейки – V-выемка (V-notch), рисунок 3. Отражаемость подобной формы указывает на расхождение основных потоков в грозовой системе вокруг одного мощного восходящего потока. Также иногда можно заметить «выемку притока» (Inflow notch) — вогнутое радиоэхо в области тёплого сектора мезоциклона.
4. Bow echo (эхо-лук), ДДС (дугообразная долгоживущая система) – дугообразное изображение на радаре, иногда наблюдаемое в структуре линейных гроз (на линиях шквала, либо как элемент внутри мезомасштабной конвективной системы – МКС). Прохождение такого шторма сопровождается почти всегда сильными шквалами, крупным градом, иногда возникают отдельные торнадо. Горизонтальные размеры ДДС составляют в пределах 50 – 200 км, а продолжительность существования может варьировать от 2 до 6 часов в среднем. На заключительном этапе существования, Bow-echo может эволюционировать в «comma echo» (эхо-запятая). Под действием силы Кориолиса, происходит развитие циклонического вихря (точка «С» на рисунке 4) с последующим ослаблением остальной части конвективной системы за счёт усиления в тех частях антициклонической циркуляции (применительно для Северного полушария).
Рисунок 4. Радарное изображение шторма по типу «лук эхо», а также процесс его эволюции с дальнейшим переходом в «comma echo».
5. Line echo wave pattern (LEWP) – линейное эхо волнообразной структуры. Достаточно редкий тип отражённого сигнала, который создаётся целым комплексом или системой связанных между собой ДДС (рис.5). По сути, это линия шквалов (squall line), в которой разные её части смещаются с различной скоростью, что формирует волновую структуру.
6. Иногда бывает, что от небольшой зоны с высокой отражаемостью отходит прямой луч с низкой отражаемостью в противоположную от радара сторону (см. рис.6) — это градовый шип (англ.: Hail spike или TBSS — three body scatter spike). Этот «шип» представляет собой ложный сигнал, являющийся следствием двукратного отражения (от градового очага к земле и обратно). Из-за этого, часть сигнала приходит с запаздыванием в виде чётко выраженного луча. И чем ярче будет этот луч, тем крупнее градины присутствуют в грозовом облаке.
7. В случае появления на радаре радиоэха в виде компактного циклонического вихря с выраженными рукавами, первоначально конвективного происхождения, то можно уверенно идентифицировать такой тип шторма как мезомасштабный конвективный вихрь (МКВ — MCV). В поперечнике такие вихри имеют размеры от нескольких десятков до нескольких сотен км (рис.7).
8. Если в наличие имеется карта радиальных скоростей, то по ней можно идентифицировать присутствие мезоциклона и / или торнадо. Для этого достаточно заметить метку по типу Tornado vortex signature (TVS). Она будет видна как область с резким изменением скорости и направления воздушных потоков, ограниченная по территории сотнями метров или парой километров. Ведь согласно эффекту Доплера, сигналы удаляющихся объектов испытывают красное смещение спектра, а приближающегося — синего. Соответственно, если на экране мы видим пару ярких цветов красного и синего оттенков, то в данном случае имеется место наличие вихря практически в 100% случаев (см. рис. 8).
Следите за погодой и климатом вместе с нами!
Метеорологический радар, также называется радар наблюдения за погодой (WSR) и Доплеровский метеорологический радар, это тип радар используется для определения местонахождения атмосферные осадки, вычислить его движение и оценить его тип (дождь, снег, град так далее.). Современные метеорологические радары в основном импульсные доплеровские радары, способный обнаруживать движение капель дождя в дополнение к интенсивности осадков. Оба типа данных можно анализировать, чтобы определить структуру штормов и их способность вызывать суровая погода.
В течение Вторая мировая война, радар Операторы 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 избыток радары использовались для обнаружения осадков. С тех пор метеорологический радар развивался сам по себе и теперь используется национальными метеорологическими службами, исследовательскими отделами в университетах и в других странах. телевизионные станциипогодные отделы. Обычно используются необработанные изображения, и специализированное программное обеспечение может использовать данные радара для краткосрочного использования. прогнозы будущих положений и интенсивности дождя, снега, града и других погодных явлений. Выход радара даже включен в численный прогноз погоды модели для улучшения анализа и прогнозов.
Содержание
История
Во время Второй мировой войны операторы военных радаров заметили шум в отраженных эхосигналах от дождя, снега и мокрый снег. После войны военные ученые вернулись к мирной жизни или продолжили службу в вооруженных силах и продолжили свою работу по разработке способов использования этих эхо. В Соединенных Штатах, Дэвид Атлас [1] сначала работал на Воздушные силы а позже для Массачусетский технологический институт, разработаны первые оперативные метеорологические радиолокаторы. В Канаде, J.S. Маршалл и Р. Х. Дуглас сформировали «Группу штормовой погоды» в Монреале. [2] [3] Маршалл и его докторант Уолтер Палмер хорошо известны своей работой над распределение капель по размеру в дожде средних широт, который привел к пониманию отношения Z-R, которое коррелирует данный радар отражательная способность со скоростью, с которой падает дождевая вода. В Соединенном Королевстве продолжались исследования по изучению характеристик эхо-сигналов 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 свою бортовую «РЛС для обнаружения облаков и обнаружения столкновений». [4]
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 электронно-лучевая трубка. В 1953 году Дональд Стэггс, инженер-электрик, работавший в Государственном управлении водоснабжения штата Иллинойс, произвел первое зарегистрированное радиолокационное наблюдение «крючок эхо»связано с смерчем грозой. [5]
В течение 1970-х годов 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, так что горизонтальные поперечные сечения (CAPPI) и вертикальные разрезы. Тогда исследования организации гроз были возможны для Alberta Hail Project в Канаде и Национальная лаборатория сильных штормов (NSSL), в частности, в США.
После 2000 года исследования по технологии двойной поляризации перешли в оперативное использование, увеличивая объем доступной информации о типах осадков (например, дождь или снег). «Двойная поляризация» означает, что микроволновое излучение поляризованный испускается 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, [11] и Канада. В апреле 2013 года все Соединенные Штаты Национальная служба погоды NEXRAD были полностью двойной поляризацией. [12]
С 2003 года США Национальное управление океанических и атмосферных исследований экспериментировал с радар с фазированной антенной решеткой в качестве замены обычной параболической антенны для обеспечения большего разрешения по времени в атмосферное зондирование. Это может быть значительным при сильных грозах, поскольку их развитие можно лучше оценить с помощью более своевременных данных.
Как работает метеорологический радар
Отправка радиолокационных импульсов
Метеорологические радары посылают направленные импульсы микроволновая печь излучения, порядка микросекунда долго, используя резонаторный магнетрон или клистрон трубка соединена волновод к параболическая антенна. Длины волн 1-10 см примерно в десять раз больше диаметра интересующих капель или частиц льда, потому что Рэлеевское рассеяние происходит на этих частотах. Это означает, что часть энергии каждого импульса будет отражаться от этих мелких частиц обратно в направлении радиолокационной станции. [13]
Более короткие длины волн подходят для более мелких частиц, но сигнал затухает быстрее. Таким образом, 10 см (S-диапазон) радар предпочтительнее, но он дороже, чем 5-сантиметровый C-диапазон система. 3 см X-диапазон РЛС используется только для ближнего боя, а на 1 см Ка-диапазон Метеорологический радар используется только для исследования явлений мелких частиц, таких как изморось и туман. [13] Группа W Системы метеорологического радиолокатора ограниченно используются университетами, 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, уменьшая разрешающая способность на далеких расстояниях. В конце диапазона зондирования 150–200 км объем воздуха, просматриваемый одним импульсом, может быть порядка кубического километра. Это называется объем пульса [14]
Прослушивание обратных сигналов
Между каждым импульсом радиолокационная станция служит приемником, так как она прослушивает отраженные сигналы от частиц в воздухе. Продолжительность цикла «прослушивания» порядка миллисекунда, что в тысячу раз больше длительности импульса. Продолжительность этой фазы определяется потребностью в микроволновом излучении (которое распространяется на скорость света) для распространения от детектора к метеорологической цели и обратно на расстояние, которое может составлять несколько сотен километров. Горизонтальное расстояние от станции до цели вычисляется просто из количества времени, которое проходит от инициирования импульса до обнаружения обратного сигнала. Время переводится в расстояние путем умножения на скорость света в воздухе:
Если импульсы излучаются слишком часто, возвратные сигналы от одного импульса будут перепутаны с отражениями от предыдущих импульсов, что приведет к неправильным расчетам расстояния.
Определение высоты
Поскольку Земля круглая, луч радара в вакууме будет подниматься в соответствии с обратной кривизной Земли. Однако в атмосфере есть показатель преломления который уменьшается с высотой из-за уменьшения плотности. При этом луч радара слегка изгибается к земле и стандартная атмосфера это эквивалентно рассмотрению того, что кривизна луча составляет 4/3 фактической кривизны Земли. В зависимости от угла места антенны и других соображений для расчета высоты цели над землей можно использовать следующую формулу: [16]
Сеть метеорологических радаров использует серию 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 многими углами, чтобы сканировать весь объем 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 минимального угла (показан зеленым) или ближе к радару, чем максимальный (показан красным конусом на рисунке). центр). [17]
Калибровка интенсивности отдачи
В этом случае мы должны добавить поперечные сечения всех мишеней: [19]
В сочетании двух уравнений:
Типы данных
Отражательная способность
Обратные эхо-сигналы от целей («отражательная способность») анализируются на предмет их интенсивности, чтобы установить интенсивность осадков в сканируемом объеме. Используемые длины волн (1–10 см) гарантируют, что этот возврат пропорционален скорости, поскольку они находятся в пределах допустимости Рэлеевское рассеяние который гласит, что цели должны быть намного меньше длины волны сканирования (в 10 раз).
Отражательная способность, воспринимаемая радаром (Zе) изменяется в шестой степени диаметра капель дождя (D), квадрата диэлектрической проницаемости (K) мишеней и распределение капель по размеру (например, N [D] из Маршалл-Палмер) капель. Это дает усеченный Гамма-функция, [20] формы:
Скорость осаждения (R), с другой стороны, равна количеству частиц, их объему и скорости их падения (v [D]) как:
Итак, Zе и R имеют аналогичные функции, которые можно разрешить, задав связь между ними в форме, называемой Z-R отношение:
Как определить коэффициент отражения на экране радара
Обратные сигналы радара обычно описываются цветом или уровнем. Цвета на радиолокационном изображении обычно варьируются от синего или зеленого для слабых отражений до красного или пурпурного для очень сильных отражений. Цифры в устном отчете увеличиваются с увеличением серьезности результатов. Например, национальные радиолокационные станции США NEXRAD используют следующую шкалу для разных уровней отражательной способности: [21]
Сильные сигналы (красный или пурпурный) могут указывать не только на сильный дождь, но и на грозу, град, сильный ветер или торнадо, но их следует интерпретировать осторожно по причинам, описанным ниже.
Авиационные конвенции
При описании возвращений метеорологических радаров пилоты, диспетчеры и авиадиспетчеры обычно ссылаются на три уровня возврата: [22]
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, например Канал о погоде и AccuWeather, показать типы осадков в зимние месяцы: дождь, снег, смешанные осадки (мокрый снег и холодный дождь). Это не анализ самих радиолокационных данных, а последующая обработка других источников данных, главным из которых являются наземные отчеты (METAR). [23]
В зоне, покрываемой эхосигналами радара, программа назначает тип осадков в зависимости от температуры поверхности и точка росы сообщается в основной метеостанции. Типы осадков, сообщаемые станциями, управляемыми людьми, и некоторыми автоматическими (AWOS) будет иметь больший вес. [24] Затем программа выполняет интерполяцию для получения изображения с определенными зонами. Они будут включать интерполяция ошибки из-за расчета. Мезомасштаб также будут потеряны вариации зон выпадения осадков. [23] Более сложные программы используют численный прогноз погоды вывод из моделей, таких как NAM и WRF, для типов осадков и примените его в качестве первого предположения к радиолокационным эхо-сигналам, затем используйте данные поверхности для окончательного вывода.
До двойной поляризации (раздел Поляризация ниже) данные широко доступны, любые типы осадков на радиолокационных изображениях являются лишь косвенной информацией и требуют осторожности.
Скорость
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 Эффект Допплера. При скоростях метеорологических эхо-сигналов менее 70 метров в секунду и длине волны радара 10 см изменение составляет всего 0,1. промилле. Эта разница слишком мала, чтобы ее можно было заметить электронными приборами. Однако, поскольку цели слегка перемещаются между каждым импульсом, возвращенная волна имеет заметный фаза разница или сдвиг фазы от пульса к пульсу.
Пара импульсов
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: [13]
Доплеровская дилемма
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, [13] однозначный диапазон скоростей увеличился бы вдвое.
Некоторые методы, использующие две чередующиеся частоты повторения импульсов (PRF), позволяют увеличить доплеровский диапазон. Скорости, отмеченные первой частотой 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 математическую связь между двумя возвратами и вычислить реальную скорость, превышающую ограничение двух PRF.
Доплеровская интерпретация
При равномерном ливне, движущемся на восток, луч радара, направленный на запад, «увидит» капли дождя, движущиеся к себе, а луч, направленный на восток, «увидит» уходящие капли. Когда луч сканирует на север или на юг, относительного движения не отмечается. [13]
Синоптический
в синоптическая шкала интерпретации, 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. Этим компонентом можно пренебречь при малых углах возвышения, но его необходимо учитывать при более высоких углах сканирования. [13]
Мезо шкала
Поляризация
Капли падающей жидкой воды имеют тенденцию иметь большую горизонтальную ось из-за коэффициент сопротивления воздуха при падении (капли воды). Это заставляет воду молекула диполь ориентироваться в этом направлении; Таким образом, лучи радара обычно поляризованы по горизонтали для получения максимального отражения сигнала.
Если два импульса отправляются одновременно с ортогональный поляризация (вертикальная и горизонтальная, ZV и ZЧАС соответственно) будут получены два независимых набора данных. Эти сигналы можно сравнить несколькими полезными способами: [25] [26]
Обладая дополнительной информацией о форме частиц, радары с двойной поляризацией могут легче отличать находящиеся в воздухе обломки от осадков, что упрощает их поиск. торнадо. [27]
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. [25] [28] [29] В США., НКАР и NSSL были мировыми лидерами в этой области. [25] [30]
Основные типы выходов РЛС
Все данные радарных сканирований 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
Поскольку данные получают под одним углом за раз, первым способом их отображения был индикатор планового положения (PPI), который представляет собой только схему отражения радара на двумерном изображении. Следует помнить, 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 с расстояния 160 км, находится примерно на 1,5 км над землей и может сильно отличаться от количества, достигающего поверхности. Таким образом, сложно сравнивать эхо-сигналы погоды 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 наблюдать за движением воздуха, как если бы он сидел на облаке.
Индикатор положения плана постоянной высоты
Чтобы избежать некоторых проблем с PPI, канадскими исследователями был разработан индикатор положения на постоянной высоте (CAPPI). По сути, это горизонтальный разрез радиолокационных данных. Таким образом, можно сравнивать осадки на равной основе на разном расстоянии от радара и избегать эхо-сигналов от земли. Хотя данные собираются на определенной высоте над землей, можно сделать вывод о связи 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.
Поскольку CAPPI использует угол, наиболее близкий 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 очень важно иметь достаточно большое количество углов зондирования, чтобы минимизировать это изменение высоты. Кроме того, для получения изображения без шума тип данных должен изменяться относительно постепенно с высотой.
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. Кажется, что только Университет Макгилла регулярно производит доплеровские CAPPI с 24 углами обзора, доступными на их радарах. [37] Однако некоторые исследователи опубликовали статьи с использованием CAPPI скорости для изучения тропические циклоны и развитие NEXRAD продукты. [38] Наконец, поляриметрические данные являются недавними и часто зашумлены. Похоже, что для них нет регулярного использования CAPPI, хотя SIGMET Компания предлагает программное обеспечение, способное создавать такие изображения. [39]
Вертикальный композит
Накопления
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
Вертикальные сечения
Чтобы узнать вертикальную структуру облаков, в частности, грозы или уровень слоя таяния, доступен продукт вертикального сечения радиолокационных данных. Это делается путем отображения только данных вдоль линии от координат A до B, снятых под разными углами сканирования.
Индикатор высоты диапазона
Когда метеорологический радар выполняет сканирование только в одном направлении по вертикали, он получает данные с высоким разрешением вдоль вертикального разреза атмосферы. Результат этого звучания называется Индикатор 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
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
Чтобы помочь метеорологам обнаруживать опасную погоду, в программы обработки метеорологических радиолокаторов были введены математические алгоритмы. Они особенно важны при анализе данных доплеровской скорости, поскольку они более сложные. Для данных поляризации даже потребуются дополнительные алгоритмы.
Основные алгоритмы отражательной способности: [13]
Основные алгоритмы определения доплеровских скоростей: [13]
Анимации
Анимация радарных изделий 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 рассеянием. Это также может выявить неметеорологические артефакты (ложные эхо), которые будут обсуждаться позже.
Интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами
Новая популярная презентация данных метеорологических радиолокаторов в США через Интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами (RIDGE), в котором данные радара проецируются на карту с геопространственными элементами, такими как топографические карты, шоссе, границы штата / округа и предупреждения о погоде. Проекция часто бывает гибкой, предоставляя пользователю выбор различных географических элементов. Он часто используется вместе с анимацией радиолокационных данных за определенный период времени. [41] [42]
Ограничения и артефакты
Интерпретация радиолокационных данных зависит от многих гипотез об атмосфере и метеорологических целях, в том числе: [43]
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 остывает с определенной скоростью 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, оставаясь теплыми 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 эхосигналы на той высоте и расстоянии, на которых они были бы в нормальных условиях. [43]
Этот тип ложного возврата относительно легко обнаружить во временной петле, если он вызван ночным охлаждением или морской инверсией, поскольку можно увидеть очень сильные эхосигналы, развивающиеся по площади, распространяющиеся по размеру, но не перемещающиеся и сильно изменяющиеся по интенсивности. Однако инверсия температуры существует до теплые фронты а затем аномальные эхо-сигналы смешиваются с реальным дождем.
Крайность этой проблемы заключается в том, что когда инверсия очень сильная и неглубокая, луч радара многократно отражается в сторону земли, поскольку он должен следовать за волновод дорожка. Это создаст несколько полос сильных эхосигналов на радиолокационных изображениях.
Эта ситуация может быть обнаружена при инверсиях температуры наверху или быстром уменьшении влажности с высотой. [44] В первом случае это было бы трудно заметить.
Под преломлением
С другой стороны, если воздух нестабилен и остывает с высотой быстрее, чем стандартная атмосфера, луч оказывается выше ожидаемого. [44] Это указывает на то, что осадки выпадают выше фактической высоты. Такую ошибку сложно обнаружить без дополнительной температуры. скорость отклонения данные по площади.
Нералеевские цели
Если мы хотим достоверно оценить интенсивность осадков, цели должны быть в 10 раз меньше, чем волна радара согласно рэлеевскому рассеянию. [13] Это потому, 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 Теория 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
Как показано в начале статьи, лучи радара имеют физический размер, и данные отбираются под дискретными углами, а не непрерывно, вдоль каждого угла места. [43] Это приводит к усреднению значений возвращаемых данных для отражательной способности, скорости и данных поляризации на сканированном объеме с разрешением.
Это показывает, что выходные данные метеорологического радара являются лишь приближением к реальности. На изображении справа сравниваются реальные данные двух почти размещенных радаров. В TDWR имеет около половины ширина луча другой, и можно увидеть вдвое больше деталей, чем с NEXRAD.
Геометрия балки
Луч радара имеет распределение энергии, подобное лучу радара. дифракция узор света, проходящего через щель. [13] 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. Однако есть вторичные пики излучения, которые будут отбирать образцы от целей под углом от центра. Разработчики 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 неуместна эхо. 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. [43]