РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 56, № 5, с. 549-572
ОБЗОР =
УДК 551.501
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ПАССИВНО-АКТИВНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ
© 2011 г. Г. Г. Щукин, В. В. Булкин
Поступила в редакцию 01.02.2010 г.
Приведены материалы пассивно-активных радиолокационных исследований атмосферных образований, включающие определение микрофизических характеристик облаков и осадков (водозапас и водность облаков, интенсивность осадков) и характеристик молниевой активности грозоопасной облачности. Рассмотрены возможности активного и пассивного методов в отдельности. Показано, что их совместное применение позволяет получать информацию о водозапасе и водности облаков на различных стадиях их развития, а также обнаруживать опасные явления погоды, связанные с облаками (гроза, град, ливень), что может быть применено в сверхкраткосрочных прогнозах этих опасных явлений. Обсуждены вопросы построения пассивно-активных метеорологических радиолокационных систем.
ВВЕДЕНИЕ
Большинство сформировавшихся к настоящему времени методов дистанционного наблюдения атмосферы основаны на использовании радиотехнических принципов локации и потому объединяются общим названием "радиометеорология". В целом уже ставшие классическими и получившие широкое распространение в практике метеорологических служб и научных исследованиях дистанционные радиометеорологические локационные системы можно разделить на два основных вида: активные и пассивные. Вместе с тем все возрастающие требования к количеству и качеству получаемой информации приводят к необходимости создания более совершенных систем, позволяющих решать принципиально новые задачи или обеспечивать существенное повышение точности традиционных измерений. К метеолокаторам нового типа относятся совмещенные системы, позволяющие за счет соответствующей обработки получаемой информации взаимно компенсировать недостатки, присущие каждой из систем в отдельности и существенно повысить достоверность извлекаемой информации.
Круг задач, решаемых посредством совмещенных пассивно-активных радиолокационных систем (ПАРЛС), достаточно широк, что позволяет получать информацию о водозапасе и водности облаков на различных стадиях их развития, а также обнаруживать опасные явления погоды, связанные с облаками (гроза, град, ливень). Возможности ПАРЛС осуществлять измерение интегральных параметров позволяют говорить о реальности повышения точности и достоверности получаемой метеорологической информации и, как следствие, о возможности их использования для сверхкраткосрочных прогнозов различных опасных явлений.
1. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ
Истоки отечественной метеорологической радиолокации связаны с работами сотрудников Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО), Главной геофизической обсерватории (ГГО) и Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского (ВКА) (В.В. Костарев, Н.Ф. Котов, П.Н. Николаев, А.В. Беляков, В.Д. Степаненко) по созданию и проведению в конце 40-х и начале 50-х годов в нескольких пунктах СССР систематических радиолокационных наблюдений с помощью модернизированных самолетных 3-сантиметровых РЛС "Кобальт" с целью штормооповещения о ливнях и грозах [1].
В 1949-1952 гг К.С. Шифриным (ГГО) был проведен подробный анализ существующей приближенной теории радиолокации облаков и осадков, указан ряд недостатков этой теории. Было показано, что формулу Рэлея можно применять при X = 10 см для всех дождей, кроме ливней, при X = 3 см только для слабых дождей. Важным является также вывод, что при рабочих длительностях импульса современных метеорадиолокаторов (МРЛ) можно пренебречь многократным рассеянием радиоволн на частицах облаков и осадков.
Организацией-разработчиком первого отечественного метеорологического радиолокатора МРЛ-1 (X = 0.8 и 3.2 см), получившим заказ Минобороны стал Всесоюзный научно-исследовательский институт радиоаппаратуры (ВНИИРА) (главный конструктор Г.Ф. Шевела, его заместитель С.И. Ваксенбург). В разработке, испытаниях и внедрении активно участвовали В.В. Костарев (ЦАО), Е.М. Сальман (ГГО), В.Д. Степаненко и С.М. Гальперин (ВКА). Разработка МРЛ-1 была завершена в 1961-1962 гг Затем были разработаны МРЛ-2 (X = = 3.2 см) и МРЛ-5 (X = 3.2 и 10 см), заказчиком которых являлась Гидрометслужба СССР. В разработке и внедрении этих МРЛ также принимали участие спе-
циалисты ГГО, ЦАО, Высокогорного геофизического института (ВГИ).
Радиолокационные станции метеорологического назначения имеют много общего с РЛС, используемыми для других целей. Однако существуют специфические требования, предъявляемые к РЛС метеорологического назначения, которые обусловлены особенностями метеорологических объектов. К ним прежде всего относятся:
а) исключительно большой диапазон эффективных отражающих поверхностей с метеорологических объектов, достигающий более 100 дБ, причем большое число таких атмосферных образований, как неплотные мелкокапельные облака, термики, туманы, характеризуются весьма малыми значениями, создающими очень слабые эхо-сигналы;
б) значительные горизонтальные и вертикальные размеры метеорологических объектов, как правило, превышающие геометрические размеры зондирующего импульса;
в) относительно малая скорость движения и большая пространственно-временная изменчивость физических параметров метеорологических объектов, включая отражающую поверхность.
В связи с этим МРЛ должны были не только обладать максимально возможным энергетическим потенциалом для того, чтобы обнаруживать на больших расстояниях опасные погодные явления (грозы, ливни, град, шквалы, смерчи), но и быть дистанционной измерительной информационной системой, решающей задачи распознавания и количественного определения параметров метеорологических объектов.
Необходимо отметить, что созданные МРЛ, в особенности МРЛ-4, 5 и 6, по точности определения местоположения метеорологических объектов и геометрических размеров, мощности эхо-сигналов, радиусу действия, энергетическому потенциалу, рабочему ресурсу, удобству для операторов превышали требования Всемирной метеорологической организации (ВМО) к метеорадарам, не уступали и даже превосходили параметры некогерентных МРЛ Omega (Франция), Mitsubishi (Япония), Selenik (Италия), Plessy (Англия), Retheon Enterprise (США) [2].
Применение радиолокации в метеорологии основано на рассеянии радиоволн микроволнового диапазона частицами облаков и осадков в виде капель дождя, градин, кристаллов, снежинок и их различных комбинаций.
Количество энергии, отражаемое частицей, характеризуется эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Для малых частиц сферической формы ЭПР описывается формулой Рэлея [3]:
П = ■
п d 2 m -1
X4 2 , i m + 2
где X — рабочая длина волны, й — диаметр капли, т — комплексный коэффициент преломления вещества частиц.
Коэффициент
2 1
m -1
в рассматриваемом диапа-
ш~ + 2
зоне длин волн для воды приблизительно равен 0.9; а для льда 0.2; т.е. ЭПР водяной сферической частицы: почти в пять раз больше, чем у ледяной сферической частицы таких же размеров.
Эффективная площадь рассеяния единицы объема имеет вид
П = ^ X N (d )d ^
'2 /
m -1
2 , i m + 2
П = — Z
n x4 Z'
(2)
(3)
где Z — радиолокационная отражаемость, чаще всего выражаемая в мм6/м3 и записываемая в виде
Z =
j N (d )d 6dd.
(4)
Радиолокационная отражаемость облаков и осадков связана с их основными характеристиками — водностью облаков wоб и интенсивностью осадков I. Это обусловлено тем, что оба этих параметра зависят от размеров частиц и закона их распределения по размерам.
Взаимосвязь Z с I и wоб в большинстве случаев
имеет вид Z = В1в1, Z = Awll, где В, А, р1, р2 — непостоянные параметры, зависящие от функции распределения частиц по размерам и скорости падения и имеющие региональный характер. Эти зависимости и положены в основу радиометеорологического измерения водности облаков и интенсивности осадков.
Уравнение радиолокации атмосферных образований связывает технические параметры с отражающими характеристиками объемов, занятых частицами облаков и осадков, их удалением от МРЛ, величиной ослабления на трассе распространения радиоволн:
= 0.28Л, 2Р102НвТввцкк3 = |4п|3 R2
(5)
(1)
где Рг — минимально обнаруживаемая мощность (Вт), Р( — мощность передатчика (Вт), Я — максимальное расстояние обнаружения атмосферных образований (м), О — коэффициент усиления антенны, 0г, 0в — ширина диаграммы направленности по точкам половинной мощности (по уровню 3 дБ) в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (рад), кз — коэффициент заполнения объема импульса атмосферными частицами, к — множи-
а
0
2
тель ослабления или ослабление радиоволн в газах, облаках и осадках при их распространении на пути 2Я.
Если объединить все технические параметры МРЛ, то мощность принимаемого сигнала, приходящего с расстояния Я, соответствующего заднему фронту зондирующего импульса, будет
(
Скз ехр
Р =
-2
| а (Я)йЯ
П
У
Я2 2а
■[1 - ехр (аети)], (6)
где а — коэффициент ослабления радиоволн, с — скорость света, ти — длительность зондирующего импульса передатчика,
С = 0.56Р(в1
(4п)2
(7)
Ослабление радиоволн определяется атмосферными газами (кислород, водяной пар) и частицами облаков и осадков.
Основная задача МРЛ — штормооповещение об опасных явлениях погоды, связанных с облаками (ливень, гроза, град, смерч и др.). Для этих целей используются радиолокационные критерии "опасности" У, учитывающие радиолокационную структуру кучево-дождевых облаков:
^ = Нмакс 1§ 2,
(8)
где Нмакс — максимальная высота радиоэхо, ^ 2 — отражаемость на высоте Н, превышающей уровень нулевой изотермы Н0°с на 2...2.5 км.
По многочисленным данным получено, что в разных физико-географических широтах значение У для грозовых облаков может быть от 9 до 25. Значение У > 25 обеспечивает 90%-ную достоверность распознавания грозовых ливней.
Автоматизированные МРЛ, работающие на сети штормооповещения, обеспечивают получение следующей информации:
а) радиолокационная отражаемость 2 в любом горизонтальном сечении,
б) радиолокационная отражаемость 2 в любом заданном вертикальном сечении (разрезе),
в) интенсивность и количество осадков,
г) высоты верхней Нвг и нижней Ннг гр
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.