УДК 551.553.11:551.508.826«1999.05.05»(262.5)
Оценка скорости приводного ветра в районах его шквалистого усиления над Черным морем 5 мая 1999 г. по данным спутниковых радиолокационных измерений
М. В. Бухаров", Т. X. Геохланян*
Рассмотрены методические вопросы распознавания и оценю искажений, вносимых интенсивными осадками в результаты восстановления значений модуля стрости приводного ветра, наблюдаемого с помощью спутниковых радиолокаторов бокового обзора (РЛСБО). Представлены результаты анализа восстановленных скоростей приводного ветра в районах его шквалистого усиления над Черным морем. Показано, что в рассмотренном примере рассеяние и ослабление сигнала РЛСБО на осадках не могло заметно увеличить погрешность оценки модуля скорости приводного ветра.
Введение
Спецификой районов с опасным шквалистым усилением ветра является их пространственная локальность, большая изменчивость значений скорости во времени, а также возможность интенсивных осадков, характерных для таких ситуаций [4, 7, 9]. Поэтому традиционные контактные методы измерения скорости приводного ветра в таких случаях позволяют получать лишь ее приближенную оценку.
Установленные на ИСЗ серии "Океан" радиолокаторы бокового обзора (РЛСБО) 3-сантиметрового диапазона, имеющие пространственное разрешение около 1 км, позволяют не только "увидеть" [8] пространственную мезомасштаб ную изменчивость скорости ветра над морской поверхностью, но и оценить ее количественно [1, 3]. При получении таких оценок следует учитывать, что зондирующий сигнал РЛСБО, принимаемый после обратного рассеяния от разных участков морской поверхности, может быть искажен как дополнительным рассеянием, так и ослаблением в слое осадков [2, 8]. Поэтому в районах с предполагаемыми осадками целесообразно иметь критерии оперативного распознавания их искажающего влияния на снимках РЛСБО и уметь оценивать возникающие при этом дополнительные погрешности восстановления модуля скорости приводного ветра.
Учитывая слабую освещенность в литературе вопросов оценки погрешности восстановления ветра в зонах осадков, а также то, что количественный анализ информации спутниковых РЛСБО может существенно допол-
* Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета ".
нить имеющиеся представления о характеристиках опасных скоростей приводного ветра в районах его шквалистого усиления» представляет интерес более подробно остановиться на изучении ситуации, наблюдавшейся по снимку РЛСБО на Черном море 5 мая 1999 г.
Метеорологические условия
В соответствии с синоптическими картами, 5 и 6 мая 1999 г. ветровые условия над Черным морем были обусловлены влиянием двух примерно параллельных фронтальных зон на периферии обширного и мощного (более 1030 г Па) антициклона над Восточной Европой с центром над Скандинавией, Одна ветвь атмосферного фронта проходила над северной акваторией Черного моря, а вторая — вдоль его южного побережья. В восточной части акватории, где по снимку РЛСБО были дешифрированы районы со шквалистым усилением приводного ветра, преобладало северо-восточное направление переноса. Температура воздуха в этом районе менялась от 11—12°С на северо-восточном побережье до 12—15°С на юго-восточном'. Средняя многолетняя температура поверхности моря в этом районе составляет 15—16°С. Средняя скорость ветра, зарегистрированная редкими береговыми станциями 5 мая 1999 г. в 18 ч 00 мин МСВ, была близка к 2,5 м/с вдоль юго-восточного побережья и достигала 17,5 м/с на северо-восточном. Метеорологическими станциями восточного и юго-восточного побережья Черного моря были зарегистрированы ливневые осадки и кучево-дождевая облачность.
Кроме того, анализ снимков ИК-диапазона, полученных с ИСЗ "1МОАА-14" в 11 ч 44 мин 5 мая 1999 г. и в 1 ч 39 мин МСВ 6 мая 1999 г., подтвердил наличие над юго-восточной акваторией Черного моря и его кавказским побережьем массива плотной кучево-дождевой облачности, имеющей конфигурацию, соответствующую начальной стадии циклогенеза — стадии волны на атмосферном фронте, с которой могут быть связаны ливневые осадки и шквалистое усиление ветра.
Методика диагноза зон осадков и обработки информации
Рассмотрим методику оперативного распознавания искажающего влияния зон интенсивных осадков на сигнал РЛСБО и оценим, насколько существенными могут оказаться возникающие при этом погрешности расчета скорости приводного ветра. Для этого рассмотрим вначале геометрию распространения и обратного рассеяния зондирующего сигнала РЛСБО, приведенную на рис. 1. Диаграмма направленности 2 антенны РЛСБО 1 имеет веерообразный вид (узкая вдоль направления полета и широкая в плоскости бокового обзора). При небольшой длительности излучения (3 мкс) в дальней зоне РЛСБО формируется узкий (примерно 2 х 1 км) дугообразный зондирующий импульс 3, наклоненный к подстилающей поверхности 5 под углом падения 0, который измеряется между вертикалью места и направлением на РЛСБО.
При отсутствии осадков формирование обратного рассеянного излучения (стрелки на рис. 1) РЛСБО осуществляется в пределах небольшого участка подстилающей поверхности (примерно 2x1 к«), по которому в 62
этот момент времени проходит нижний край узкого дугообразного зондирующего импульса. В случае попадания слоя интенсивных осадков б в плоскость бокового обзора радиолокатора зондирующий импульс будет пересекать этот слой по мере своего движения. При этом на осадках возникает обратное рассеяние (стрелка на рис. 1), дополнительное к рассеянию от участка подстилающей поверхности. Вследствие наклона зондирующего импульса наибольшее расстояние Ьг, на котором слой осадков высотой Н начинает давать дополнительное рассеяние, определяется по формуле
01 иэ
2 £ 4» а ч. 8
I I I
Зона обзора. РЛСБО
мШУЩГПиПгУйпг
4 =#Ǥ9.
(1)
Время
Рис. 1. Геометрия распространения и обратного рассеяния зондирующего импульса и условное изменение регистрируемого сигнала РЛСБО.
I — РЛСБО; 2 — границы диаграммы направленности в плоскости бокового обзора; 3 — зондирующий импульс; 4 — положение зондирующего импульса в процессе его движения; 5 — земная поверхность; 6 — ячейка интенсивных осадков. 8) и в2 — углы падения в начале и конце зоны бокового обзора соответственно» г, и Н — время начала и окончания регистрации сигнала обратного рассеяния.
По мере дальнейшего продвижения зондирующего импульса дополнительное рассеяние от осадков будет сохраняться до момента, когда рассеивающий участок
подстилающей поверхности не совместится с нижним основанием слоя падения дождя. При постоянной скорости приводного ветра последующие (за слоем осадков) участки подстилающей поверхности на снимке РЛСБО должны иметь более темный тон, поскольку зондирующий и рассеянный от поверхности сигналы ослабляются, проходя через поглощающий слой осадков. Наибольшая горизонтальная протяженность 1Р (вдоль направления распространения зондирующего импульса) участка с темным тоном на снимке РЛСБО рассчитывается по формуле
■■HtgQ.
(2)
Используя формулы (1) и (2), для соотношения между длинами примыкающих пар более светлых и более темных участков можно записать следующее выражение:
КИР =С1ё30.
(3) 63
Таким образом, если в строке или группе строк снимка РЛСБО наблюдаются примыкающие пары зон сначала усиления (более светлый тон), а затем ослабления регистрируемого сигнала (причем зона усиления должна быть ближе к началу соответствующей строки обзора РЛСБО, см. рис. 1), то это является характерным признаком доминирования искажающего влияния слоя с интенсивными осадками. Угол падения зондирующего сигнала РЛСБО вдоль каждой строки обзора подстилающей поверхности меняется в диапазоне от 0, =23° до 02 =52°. Поэтому соответствующие изменения соотношения между длинами примыкающих пар более светлых и более темных участков, рассчитываемые по (3), должны составлять от 5,5 (в начале) до 0,6 в конце строки бокового обзора.
С целью количественного анализа возможных погрешностей рассмотрим насколько значительным может быть влияние интенсивных осадков на рассчитываемые значения модуля максимальной мгновенной скорости приводного ветра. При этом будем учитывать, что общий вид взаимосвязи между значениями модуля мгновенной скорости приводного ветра и удельной эффективной площадью рассеяния (УЭПР, ст°— безразмерная величина) морской поверхности имеет вид [1, 5, 8]
ао«а0Кт' +а2У\ (4)
где а0>а1У аг, у0, у, и у2 — эмпирические коэффициенты, значения которых зависят от угла падения зондирующего сигнала на морскую поверхность.
Интенсивные осадки, имеющие радиолокационную отражаемость 2 и коэффициент поглощения а, на фоне морской поверхности имеют УЭПР, определяемую соотношением из [2, 8]
ст° » (л5/ X4) 2В{Ъ) /(2а )[1 - ехр (-2а ¿2)], (5)
где X — длина волны зондирующего излучения; 5(8) = зш01§0 — функция влияния угла падения при сильных осадках; = <з?/8т0 — длина пути зондирующего сигнала через слой осадков горизонтальной протяженностью й. Эмпирическая взаимосвязь между интенсивностью осадков I и значениями 2 и а, согласно [6], имеет вид типа с]-1ы,где] = 2 и а соответственно.
Используя соотношения (4) и (5), можно рассчитать, какими должны быть "искаженные" значения (К, и Уг) модуля скорости приводного ветра в районах, где интенсивные осадки соответственно усиливают (о°+ аи ослабляют (ст°ехр(-2а Ь2)) истинное рассеяние сигнала РЛСБО от морской поверхности. Поскольку зона интенсивных осадков обычно имеет горизонтальную протяженность не более 2 км к высоту не менее 4 км, расчет проведем для слоя с такой геометрией. При этом значения эмпирических коэффициентов примем такими, которые обеспечивают максимальную радиолокационную отражаемость, типичную для грозовых интенсивных осадков [6]. Результаты вычислений по формулам (4) и (5) представлены в таблице.
При использовании данных таблицы необходимо учитывать, что диапазон значений модуля скорости приводного ветра, восстанавливаемого по информации РЛСБО, составляет 5—40 м/с [1, 3]. Углы падения 30, 40, 45 64
Взаимосвязь между интенсивностью / осадков, их радиолокационной отражаемостью Z и модулем эквивалентной скорости приводного ветра в районах дополните
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.