Радиолокация

Предисловие

К основным радиолокационным характеристикам, рассматри­ ваемым в монографии, относятся: высота верхней границы и пло­ щадь радиоэха; облаков и осадков, а также их радиолокационная отражаемость, ее пространственное распределение и временная изменчивость.

Настоящая монография написана с целью удовлетворить инте­ рес метеоролОгов к радиолокационным характеристикам облаков и осадков. Основное внимание в ней уделяется научно-методиче­ ским вопросам получения и метеорологической интерпретации ин­

штормоповещения М РЛ Госкомгидромета, собственные исследова­ ния авторов и те зарубежные публикации, в которых наиболее полно представлены результаты наблюдений' на М РЛ не менее, чем за годовой период. Климатологические аспекты радиолокаци­ онных наблюдений обсуждаются только в той мере, в какой позво­ лял исходный материал.

Авторы работали над книгой с учетом того факта, что более подробное изложение ряда вопросов читатели могут найти в ши-^

страны, а также технические аспекты измерений.

Работа над книгой распределена следующим образом: главы 1, ,

Авторы благодарны сотрудникам ГГО, в разные годы прини­ мавшим участие в совместных исследованиях, Ж . Д . Алибеговой, Б. М. Воробьеву, С. С. Грачеву, Н. С. Дорожкину, А. В. Завдовьеву, Г. И. Куликовой, А. Г. Линеву, В. С. Огуряеву, А. В. Рыж ­ кову, Ю. Г. Плещееву, В. К. Устинову, В. В, Шведову, А. А. Федо­

Н. П. Никоноровой и В. И. Каяве за помощь в оформлении ру­ кописи, а также благодарят рецензентов и научного редактора профессора В. Д . Степаненко. Его доброжелательность, опыт и эрудиция постоянно помогали авторам при работе.

Глава 1

ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЛАЧНОСТИ И ОСАДКАХ

1.1. Основные радиолокационные характеристики облачности

1.1.1. Уравнение радиолокации атмосферных образований

Радиолокационные методы исследования облаков и осадков основаны на отражении и рассеянии электромагнитных волн ча­ стицами облаков и осадков. Падающая электромагнитная волна возбуждает в частицах облаков и осадков вторичное излучение. Частицы становятся осцилляторами и колеблются с частотой падающей волны. Часть этой энергии распространяется и в на­ правлении, противоположном первичной падающей волне, т. е. в направлении на радиолокатор. Распределение многочисленных источников излучения в облаке, которые создают суммарный отра­ женный сигнал, и величина последнего несут метеорологическую информацию об отражающих объемах.

Д ля оценки отражающих свойств частиц облаков и осадков применяется ряд связанных между собой характеристик; эффек­ тивная площадь рассеяния г-й частицей (0 ,), удельная площадь обратного рассеяния частиц облаков и Осадков (т]) и радиолока­ ционная отражаемость (г).

При выполнении рэлеевских условий, согласно которым радиус частицы а намного меньше длины падающей на нее плоской элек­

на длине волны Я. Наличие мнимой части в т указывает, что па­ дающая энергия частично поглощается веществом частицы. Для

ляет определенные трудности и осуществляется через специальные

Рассеянное поле в этом случае представляется в виде суммы от­ дельных парциальных волн с амплитудами Сп и Ьп. При увеличе­ нии размеров частицы интенсивность возбуждения парциальных волн возрастает и о начинает осциллировать, постепенно прибли­ жаясь к предельному значению, пропорциональному па^. Для об­ лаков и осадков диапазон изменения величины а, при фиксирован­

где УУ— число рассеивающих частиц в эффективном объеме Уэ от­ ражающей области, т. е. суммирование проводится по всей об­ ласти.

Для исключения зависимости т] от А, (м) вводят понятие радио­ локационной отражаемости г (м®), которая описывается выраже­ нием

Радиолокационную отражаемость (в дальнейшем для кратко­ сти просто отражаемость) выражают или через радиус а или че­ рез диаметр D отражающих частиц. Выражение через D нашло большее распространение. Подставив формулу (1.1) в (1.2), по­ лучим;

1= 1

И тогда

(1.5)

Таким образом, отражаемость 2 может интерпретироваться как средняя сумма диаметров частиц в единице объема Уэ, возведен­ ных в шестую степень.

В практике радиолокационных наблюдений отражаемость об­ лаков и осадков измеряют в мм®-м”^ или дБ 2 относительно zo = = 1 мм®-м“2. Связь между значениями отражаемости, выражен­

Поскольку во многих работах z определяется через радиус а, будем в дальнейшем обозначать ее через Za.

Если частицы нельзя считать рэлеевскими рассеивателями, то при­ меняют понятие эквивалентной отражаемости метеоцели Zg. Вели­ чина 2э описывается формулой

(1.11)

т^ + 2

Из приведенных определений следует, что расчет величины г можно проводить по результатам микрофизических измерений па­ раметров частиц в облаках и осадках. Однако обычно 2 опреде­ ляется из уравнения радиолокации атмосферных образований [25]. Если не делается специальных оговорок, то в статьях но радиоло­ кационной метеорологии приводятся значения именно 2э при усло­ вии, что отражают только водяные частицы.

Уравнение радиолокации связывает мощность сигнала Рпр, от­ раженного от облаков и осадков, с параметрами радиолокацион­ ной станции (РЛ С ), дальностью цели R и величиной Zg. Как из­ вестно, в специализированных метеорологических радиолокаторах (МРЛ) применяются антенны с узкой диаграммой направленно­

где — средняя мощность принятого сигнала (Вт); Рдер — им­ пульсная мощность электромагнитных колебаний, генерируемых

кационного сигнала гидрометеорами. Величина IgZa рассчитывается по формуле

1.1.2. Влияние ослабления радиоволн в осадках

Ослабление радиоволн обычно выражается через уменьшение мощности электромагнитной энергии на единицу расстояния и опи­ сывается односторонним коэффициентом ослабления а (дБ/км). Для расчета общего ослабления в каждом конкретном случае не­ обходимо учитывать к, а также размер, форму, фазовое состояние, концентрацию и температуру частиц облаков и осадков [25].

Величина ослабления по траектории луча до цели и обратно определяется по формуле

ние, пройденное радиолокационным сигналом в осадках в одном направлении (км).

В табл. 1.1 даны значения коэффициентов ослабления для раз­ ных к и I. Учет величины х приводит к увеличению минимального значения отражаемости ZminiR), полученного без ослабления. Ре­

(1.19), где отношение Рар/Рщ>тт принималось равным 3 дБ. Из табл. 1.2 следует, что если экранированная зона осадков и будет

Разность между значениями интенсивности радиоэха одного и того же метеорологического объекта для М РЛ с разными длинами

логической эффективности станций, работающих на длине волны Л > 5 см до десятков децибелл по сравнению с метеорологической эффективностью М РЛ, работающих на А,=3,2 см. Это показано