РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 3, с. 283-291
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ^^^^^^^^
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.396.933:551.594
КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ
© 2004 г. И. И. Кононов, И. Е. Юсупов
Поступила в редакцию 09.08.2002 г.
Рассмотрены тенденции в разработке современных пассивных радиотехнических методов место-определения грозовых очагов. Рассмотрены также алгоритмы кластеризации грозовых очагов, позволяющие анализировать и отображать пространственно-временную структуру развивающейся грозовой активности в различных масштабах (отдельная грозовая ячейка, грозовое облако, мезо-масштабный грозовой комплекс) и, соотнося регистрируемое импульсное электромагнитное излучение молниевых вспышек с выделенными грозовыми кластерами, в реальном времени оценивать текущую стадию развития конвективной системы и сопутствующих явлений (интенсивные осадки, шквальный ветер, град).
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы интерес к изучению грозового процесса, как одного из наиболее мощных естественных источников широкополосного электромагнитного излучения (ЭМИ), источника постоянной повышенной опасности в различных сферах хозяйственной деятельности человека, важнейшего регулятора глобальной электрической цепи получил дополнительный импульс. Это обусловлено, во-первых, открытием новых физических явлений, возникающих в верхней атмосфере (джеты и
спрайты*), во-вторых, связью грозового процеса с космическим излучением и динамическими процессами в атмосфере и ионосфере, в-третьих, с исследованиями возможностей использования сопровождающего развитие грозовой активности электромагнитного излучения для решения целого ряда прикладных геофизических задач. Своевременное и надежное обнаружение, локация и трассирование грозовых очагов, знание структуры и временной изменчивости сопровождающего их электромагнитного излучения являются важнейшим элементом успешного решения указанных выше явлений и прикладных задач.
* Джеты и спрайты - это кратковременные (единицы миллисекунд) оптические вспышки соответственно голубого и красного свечения, возникающие в верхней атмосфере над грозовыми облаками. Джеты характеризуются преимущественно голубым свечением, возникают непосредственно над грозовым облаком и распространяются в виде узких конусов вверх со скоростью около 100 км/с, достигая высот 40...50 км. Спрайты - это более протяженные слабо светящиеся образования преимущественно красного свечения, также возникающие над грозовыми облаками (их появление совпадает с развитием наиболее сильноточных положительных разрядов облако-земля или мощными внутриоблачными разрядами). Область наиболее яркого свечения спрайтов располагается в интервале высот 65.75 км.
В последнее десятилетие создано новое поколение систем местоопределения гроз, расширился круг решаемых ими задач, что привело к существенному пересмотру требований к техническим характеристикам этих систем и традиционных подходов к анализу грозовых явлений. В связи с этим возникла необходимость решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие:
- разработка методов и алгоритмов группировки (кластеризации) данных, характеризующих место и время отдельных молниевых вспышек, в кластеры, соответствующие таким физическим объектам, как отдельная грозовая ячейка, многоячейковое грозовое облако, мезомасштабный грозовой комплекс;
- разработка методов трассирования грозовой активности в реальном времени, ее отображение, адаптированное к различным областям использования (авиация, гидрология, метеорология и др.);
- разработка методов, позволяющих соотнести регистрируемое ЭМИ молниевых вспышек с выделенными кластерами, с целою получения параметров излучения (интенсивности, длительности, протяженности, многокомпонентности) и их последующего использования для оценки текущего состояния и прогноза развития грозовых комплексов, а также для оценки характеристик сопутствующих явлений.
В настоящей работе рассмотрены основные подходы к решению первой из перечисленных выше проблем и приведены некоторые результаты обработки данных, полученных в ходе совместных экспериментальных исследований НИИ Радиофизики СПбГУ и французской научно-производственной фирмы DIMENSIONS в 1995/96 гг. во Франции с применением высокоточной системы местоопределения SAFIR.
1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
В РАЗРАБОТКЕ МЕТОДОВ ПАССИВНОЙ ЛОКАЦИИ ГРОЗ
Среди различных способов местоопределения гроз, разрабатываемых в последние десятилетия, наиболее широкое распространение получили радиотехнические методы пассивной локации, использующие знание особенностей трансформации ЭМИ молниевых вспышек при его распространении над земной поверхностью. Достаточно подробный сравнительный анализ различных методов пассивной локации гроз приведен в обзорах [1, 2]. Не останавливаясь на характеристике этих методов, отметим лишь, что большинство из них ориентируется на использование излучения сильноточных разрядов между облаком и землей (ОЗ).
В то же время из многочисленных исследований известно, что относительная доля молниевых вспышек, содержащих разряды ОЗ, в значительной степени зависит от синоптических условий, рельефных и других особенностей местности, стадии развития грозы. Для многих регионов Европы и европейской части России число молниевых вспышек с разрядами ОЗ значительно меньше количества вспышек, развивающихся только внутри облака или между облаками. Такое же соотношение вспышек, а иногда и полное отсутствие разрядов ОЗ, как правило, имеет место на начальной стадии развития конвективной облачной системы в течение довольно значительного времени, составляющего минуты и десятки минут. Имеют место также грозы, когда разряды ОЗ вообще отсутствуют. Все это может приводить не только к значительным ошибкам в определении момента начала грозовой активности, но иногда и к пропуску отдельных гроз.
Кроме того, современные тенденции в разработке оперативных средств обнаружения и локации гроз, используемых как в научных целях, так и для многочисленных приложений, направлены не только на повышение точности местоопределения отдельных молниевых разрядов и грозовых очагов, но и на повышение надежности определения начала и конца грозы, ее трассирование в реальном времени с оценкой текущего состояния грозовой активности и сопутствующих явлений (штормовой ветер, интенсивные осадки, град), краткосрочный оперативный прогноз как в естественном цикле развития облачных систем, так и при активных воздействиях на них. Все эти задачи могут быть решены только с использованием ЭМИ всех типов разрядов, включая внутриоблач-ные (ВО) и межоблачные (МО). Интерес к исследованию этих типов разрядов резко возрос в последние годы также в связи с широким использованием в изготовлении летательных аппаратов неметаллических композитных материалов, повышающих чувствительность электронного обо-
рудования к воздействию ЭМИ молниевых вспышек именно этого типа, что стимулировало проведение дополнительных исследований временной изменчивости параметров вспышек (их интенсивности, длительности и протяженности, количества сильноточных компонент в их составе) и разработку средств их местоопределения.
Как известно (см., например, [3]), структура и мощность электромагнитного излучения молниевых вспышек (МВ) в ультракоротковолновом (УКВ) диапазоне частот практически не зависит от типа молниевых вспышек (ОЗ, ВО, МО). Поэтому очевидно, что использование излучения для локации молний в этом диапазоне частот может обеспечить решение большинства перечисленных выше задач ввиду того, что общее число регистрируемых МВ значительно больше (на один-два порядка) числа МВ, содержащих в своем составе сильноточные разряды ОЗ. Это, в свою очередь, позволяет до минимума (составляющего единицы минут) уменьшить интервал накопления числа сигналов, необходимого для получения статистически значимых оценок их параметров.
В настоящее время известны две основные модификации систем местоопределения, использующие излучение в УКВ-диапазоне. Одна из них основана на применении техники разностно-даль-номерных измерений в разнесенных пунктах. Первоначально системы этого типа применялись в основном в научно-исследовательских целях [4]. При небольшом (до 20 км) разносе пунктов регистрации она позволяла исследовать с достаточно высоким разрешением (до сотен метров) трехмерную пространственную структуру отдельных молниевых вспышек в грозе, находящейся в пределах рабочей зоны системы (практически соответствующей величине базы между пунктами). В последние годы предпринимаются попытки расширить область применения таких систем, в том числе и для коммерческих целей. Основная трудность в их использовании связана с проблемой идентификации излучения в разнесенных пунктах, особенно при увеличении расстояний (баз) между пунктами регистрации (что необходимо для расширения рабочей зоны систем).
Другая методика УКВ локации, называемая интерферометрической, основана на измерении разностей фаз сигналов, зарегистрированных в нескольких парах разнесенных вертикальных вибраторов [5]. Поскольку максимальный разнос антенн, устанавливаемый в пределах длины волны рабочего диапазона частот (центральная частота >100 МГц), составляет единицы метров, то указанной выше проблемы идентификации не возникает. Хотя по сути функционирования система близка к разностно-дальномерной (линия положения, соответствующая измеряемому параметру, является гиперболой), однако на удалениях от
центра системы, в несколько раз превышающих разнос между антеннами, гипербола асимптотически приближается к прямой, характеризующей пеленг на излучатель. Поэтому фактически система является пеленгационной. Однако, в отличие от пеленгационных систем местоопределения (ПСМ), в которых используются рамочные пеленгаторы, она свободна от влияния поляризационных ошибок, присущих этому типу пеленгаторов, и может с успехом применяться для локации всех типов разрядов вне зависимости от их пространственной ориентации. Основные принципы построения и функционирования системы 8АИК, в которой реализован интерферометрический метод измерений, изложены в работе [5]. В настоящее время среди существую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.