РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

И.И. Берестов, магистрант А.И. Гуменник, аспирант

Российский технологический университет МИРЭА (Россия, г. Москва)

DOI:10.24412/2500-1000-2025-1-3-88-94

Аннотация. В статье рассматривается значимость точных данных об адвекции для различных отраслей народного хозяйства. Ветер оказывает существенное влияние на безопасность и эффективность транспортных операций. Рассматривается история развития радиолокационных систем, начиная с первых экспериментов в 1930-х годах и заканчивая современными метеорологическими радиолокаторами, которые используют радиоволны для определения параметров атмосферного ветра. Описывается, как радиолокация позволяет получать информацию о ветре через отражение радиоволн от различных атмосферных частиц, таких как капли дождя и аэрозоли, что способствует более точному прогнозированию погодных условий. В заключение отмечается, что использование радиолокационных технологий значительно повышает точность и оперативность метеорологических прогнозов, что является важным аспектом для обеспечения безопасности в транспортной сфере и других областях.

Ключевые слова: адвекция, ветер, РЛС, параметры атмосферы, отражение радиоволн, безопасность.

Радиолокационные методы, используемые для исследования облаков и осадков, основаны на принципах отражения и рассеяния электромагнитных волн, которые взаимодействуют с частицами этих атмосферных образований. Когда электромагнитная волна попадает на облачные или осадочные частицы, она вызывает вторичное излучение, в результате чего частицы начинают колебаться с частотой падающей волны. Часть этой энергии возвращается в направлении радиолокатора, создавая суммарный отраженный сигнал, который содержит важные метеорологические данные о структуре и состоянии исследуемых объемов атмосферы [8].

Для оценки отражающих свойств облаков, осадков и турбулентности применяются несколько взаимосвязанных параметров, среди которых можно выделить:

- эффективная площадь рассеяния (о);

- удельный поперечник рассеяния (п);

- радиолокационная отражаемость

- величина Сп2, которая описывает турбулентные колебания в атмосфере.

Атмосферные неоднородности

Использование радиолокации в метеорологии основывается на отражении радиолокационных сигналов различными неоднородно-стями в атмосфере. Эти неоднородности можно условно разделить на две основные категории: диэлектрические неоднородности, связанные с изменениями показателя преломления воздуха и турбулентностью [2], и атмосферные вкрапления, такие как аэрозоли и гидрометеоры. Классификация этих атмосферных неоднородностей представлена на рисунке 1.

Неоднородности в атмосфере

Диэлектрические неоднородности

Атмосферные вкрапления

Взвешенные Облака

Осадки

частицы

Рис. 1. Классификация атмосферных неоднородностей

Диэлектрические неоднородности, в частности, проявляются через колебания влажности воздуха. Атмосферные вкрапления включают в себя облачные капли, различные виды осадков (дождь, снег, град и т.д.), а также взвешенные в воздухе аэрозольные частицы, такие как мелкие насекомые и семена растений. Эти неоднородности переносят информацию о движении ветра в атмосфере, поскольку они легко подвержены его влиянию [6, 7].

Оценка отражающих свойств радиолокационных целей

В радиолокации для описания отражающих свойств одиночных объектов используется эффективная площадь рассеяния (ЭПР), обозначаемая как а. ЭПР представляет собой

площадь эквивалентного излучателя, который равномерно отражает всю падающую на него энергию, создавая в точке приема ту же плотность потока мощности, что и у реальной цели. ЭПР служит моделью для оценки отражательной способности радиолокационных объектов. Пример диаграммы ЭПР самолета представлен на рисунке 2.

На величину ЭПР влияют несколько факторов:

- размеры и форма цели;

- ракурс наблюдения, определяющий, какая часть поверхности облучается;

- рабочая частота радиолокатора, соотношение между длиной волны и размерами цели.

- электрические свойства материалов конструкции.

Рис. 2. Круговая диаграмма ЭПР самолета В-26 для частоты 3 ГГц

Для метеорологических объектов, которые представляют собой объемные цели, вместо ЭПР используется удельный поперечник рас-

сеяния (п), отражающий радиолокационную способность единицы объема (V) [4, 7]:

_ а ^ = V'

(1)

где п - удельный поперечник рассеяния [м

1];

о - эквивалентная поверхность рассеяния [м2];

V - рассеивающий объем [м3]. Использование удельного поперечника рассеяния позволяет более точно оценивать отражающие свойства атмосферных образований, учитывая их объемную природу и взаимодействие с электромагнитными волнами. В радиолокационной метеорологии для описания гидрометеоров используется величина Z [мм6/м3], хотя метеорологи могут также применять удельный поперечник рассеяния п. Предпочтение отдается Z, так как она и величина Сп2 [м"2/з] являются эквивалентными характеристиками для «множественной» цели. Сп2 связывает удельную радиолокационную отражаемость п и длину волны зондирующего излучения X и применяется для описания турбулентных флуктуаций показателя преломления. Она связана со структурной функцией Бдп показателя преломления п следующим соотношением [4]:

Dün = [n(r + Ar) — n(r)]2,

Dün = [С2(Аг)]з

(2)

где Ar - масштаб пульсаций показателя преломления n.

В формуле (2) усреднение проводится по всем масштабам пульсаций показателя преломления, начиная от минимального масштаба турбулентности Armin = Lmin до максимального Armax = Lвн (определяет внешний масштаб турбулентности) [1,3]. Если флуктуации показателя преломления n вызваны изотропной турбулентностью, связь между удельной радиолокационной отражаемостью п и Cn2 описывается следующим соотношением [2]:

цх = 0,38 • СП • Я", [м-1]

(3)

где X - длина волны, на которой ведется зондирование [м].

Величина Сп2 может быть представлена соотношением [2]:

2 - 2 2

С2 = а24(Э '[м-3]

(4)

где а2 - безразмерная константа; Ьо - масштаб вихря [м]; dn/dz - вертикальный градиент показателя преломления воздуха.

Для оценки величины Сп2 можно выделить следующие уровни турбулентности:

- слабая: Сп2

- средняя: Сп2 ~ 2^

- сильная: Сп2 ~ 3^ 10"13-

610-17 м"2/3; 10-15м-2/3;

м

■2/3

Рис. 3. Изменения усредненной за час величины Сп2 в течение суток на высоте 805 м На рисунке 4 изображены колебания величины С п за год на разных высотах.

1

10

с л м-2*]

10"

-A f

'A ik ,•» / Ф

■ч\

M A

4

V-f

w

i

5!

«

2 Я

д

W

ы

Ц5 §

я

«mm иди « Щ О

Рис. 4. Сезонные вариации средних значений С п на различных высотах: О - 160 м; х- 480 м; □ - 950 м; △ - 1450 м

Кроме уровня турбулентности, значение Cn2 зависит от градиентов температуры и влажности. Данные об отражающих свойствах безоблачной атмосферы, собранные круглосуточно вблизи города Boulder (США), показывают, что Cn2 достигает в дневное время максимума и минимума утром.

С декабря по февраль регистрировались минимальные значения Cn2, максимальные - с мая по июнь. Результаты указывают на необходимость круглогодичного мониторинга параметров движения воздушных масс для фиксации годовых минимумов коэффициента обратного рассеяния.

Радиолокационная рефракция на облаках, осадках и аэрозолях

Размеры частиц атмосферной среды колеблются от десятков микрометров до нескольких миллиметров. При условии, что длина волны значительно превышает размер рассеивающей, частицы считаются объектами рэле-евского рассеяния. Эффективное сечение рассеяния вычисляется так [2]:

(5)

где а - поперечник рассеяния;

Б - размер частицы.

Для описания отражающих свойств атмосферных включений используется параметр радиолокационного отражения Z, который учитывает концентрацию облачных образований, осадков, аэрозолей и других компонентов атмосферы, способных рассеивать электромагнитные волны. Значение Z является суммой шестой степени диаметров всех капель в единице объема и отражает микроструктурные особенности облаков и осадков [4]:

Z = f™N(D)D6dD,

(6)

где N0) - распределение капель по размерам в единице объема.

При радиолокационном мониторинге коэффициент обратного рассеяния облаков и осадков измеряют в мм6/м3 или дБZ. Показатель варьируется в пределах шести порядков, что удобно отображать в логарифмической шкале дБZ.

дБZ = 10log10Z, [мм6/м3].

(7)

6

D

1 234 5 6 7 Б мм

Рис. 5. Зависимость используемого при расчете отражаемости подынтегрального выражения от

диаметра капли

Отражаемость Z можно интерпретировать как среднюю сумму диаметров частиц в объеме, возведенную в шестую степень:

Z

vn £l

_ VW

(8)

Рассеивающий объем зависит от параметров зондирующих импульсов и диаграммы направленности антенны [2, 10]:

У =

2

(9)

где R - дальность до объема [м];

0 - ширина диаграммы направленности антенны [рад];

h = с Тимп - пространственная протяженность зондирующего импульса; с - скорость света [м/с]; Тимп - длительность импульса [с]. Для облаков и капельных осадков удельная радиолокационная отражаемость п равна [2]:

w

IM2 =

п2-1

п2+2

(10)

где - коэффициент, зависящий от X и

фазового состояния аэрозоля, для водных капель

0.95, для сухого

|Л^|2= 0.75

льда|К^|2=0.2;

п - показатель преломления; Ъ - радиолокационная отражаемость; В - специальный коэффициент, учитывающий

размерность (10-18).

Выражение (10) переводит отражаемость Z в удельную радиолокационную отражаемость П. В [4] и [11] обсуждается, что радиолокационная отражаемость Z и интенсивность осадков часто аппроксимируют формулой Мар-шалла-Пальмера:

Z = А •

Гмм6]

(11)

где I - интенсивность осадков;

от

А, В - коэффициенты формулы Мар-шалла-Пальмера.

Коэффициенты А = 200 и В =1,6 были предложены Маршаллом и Пальмером, но эксперименты показывают, что они варьируются в зависимости от типа осадков и синоптических условий [11]. При зондировании областей с низкой отражательной способностью, удобно использовать эквивалент капли воды с концентрацией 1 м3, имеющей отражае-

мость Z, эквивалентную атмосфере. Из выражений (3) и (10) можно установить связь между параметрами Сп2 и Z для конкретной длины волны X [2]:

1

Я-3.

(12)

0.38 •Я4 ,1

Z = . _ .., • С2 • Я-3.

W5 • s •

На рисунке 6 показаны графики зависимости Z(X) для различных значений Сп2 и размеров капель с эквивалентным значением отражаемости Ъ [2].

Экспериментально сложно разделить вклады турбулентности и аэрозолей в отраженном сигнале, но это не критично для обнаружения РЛС.

Рис. 6. Соотношение между радиолокационной отражаемостью Z [мм6/м3], С [м-2/3]

турбулентности и сферических капель

Заключение и Cn2 (в м-2/3), каждый из которых применяет-

Обзор показал, что представляет собой ра- ся к своей группе неоднородностей. Между диолокационная отражаемость и каким обра- этими величинами существует взаимосвязь, зом она возникает при наличии разных типов которая облегчает вычисления и оказывается неоднородностей в атмосфере. В современной довольно удобной для оценки отражающей метеорологии используются два показателя способности различных атмосферных неод-для оценки отражающих свойств: Z (в мм6/м3) нородностей.

Библиографический список

1. Горелик А.Г., Коломиец С.Ф. и др. Информационные возможности ветровых профайлеров при зондировании атмосферы // Учёные записки РГГМУ. - 2011. - № 18.- С. 70-89.

2. Кононов М.А. Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы. / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - М.: МГУПИ, 2010. - 178 с.

3. Говорушко С.М. Влияние природных процессов на человеческую деятельность. - Владивосток: Дальневосточное отделение РАН, Тихоокеанский институт географии, 1999. - 181 с.

4. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

5. Atlas D. Radar in Meteorology. Battan memorial and 40-th Anniversary Radar Meteorology conference Met. Soc. - Boston, 1990.

6. Черников А.А., Шупяцкий А.Б. Поляризационные характеристики радиолокационных отражателей от ясного неба // Изв. АН СССР, ФАО, 1967, Вып. 2.

7. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 343 с.

8. Брылёв Г.Б., Гашина С.Б. и др. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986. - 234 с.

9. Брылёв Г.Б., Низдойминога Г.Л. Использование радиолокационных данных в синоптической практике: Метод. пособие / Гл. упр. гидрометеол. службы при Совете Министров СССР. Гл. геофиз. обсерватория им. А.И. Воейкова. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. - 75 с.

10. Баттан Л.Дж. Радиолокационная метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1962.

11. Попов В.Б. Метод восстановления полей осадков по наземным и радиолокационным данным с высоким пространственно-временным разрешением для территории. - Санкт-Петербурга, 2018. - 130 с.

RADAR DETECTION ATMOSPHERIC FORMATIONS

I.I. Berestov, Graduate Student A.I. Gumennik, Postgraduate Student Russian Technological University MIREA (Russia, Moscow)

Abstract. The article examines the importance of accurate advection data for various sectors of the national economy. Wind has a significant impact on the safety and efficiency of transport operations. The history of the development of radar systems is considered, starting with the first experiments in the 1930s and ending with modern meteorological radars that use radio waves to determine atmospheric wind parameters. It describes how radar allows you to obtain information about the wind through the reflection of radio waves from various atmospheric particles, such as raindrops and aerosols, which contributes to a more accurate prediction of weather conditions. In conclusion, it is noted that the use of radar technologies significantly improves the accuracy and efficiency of meteorological forecasts, which is an important aspect for ensuring safety in the transport sector and other areas.

Keywords: advection, wind, radar, atmospheric parameters, reflection of radio waves, safety.