Радиолокация
.pdfг. Б. Брылёв, С. Б. Гашина, Г. Л. Низдойминога
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОБЛАКОВ И ОСАДКОВ
Л ЕН И Н ГРА Д ГИДРО М ЕТЕО И ЗД А Т
1986
УДК 551.501.8:551.509
Рецензенты: канд. физ.-мат. наук М. Т. Абшаев (Высокогорный геофизический институт),
д-р физ.-мат. наук А. Б , Шупяцкий (Центральная аэрологическая! обсерватория)
Научный редактор: д-р техн. наук, профессор В. Д . Степаненко
Впервые систематизированы данные о высоте, площади, |
скорости и на |
|
|||||
правлении перемещения, радиолокационной отражаемости слоистообразных и |
|
||||||
конвективных облаков, гроз, ливней, |
интенсивности и количестве осадков, а такж е |
|
|||||
о суточной, сезонной и региональной изменчивости этих характеристик для от |
|
||||||
дельных районов Советского Союза, США, Канады, Кубы, Венесуэлы, Африки, |
|
||||||
Индии и Малайзии. |
|
|
|
|
|
|
|
Подробно излагаются научно-методические аспекты получения и метеороло |
|
||||||
гической интерпретации радиолокационной информации об опасных явлениях, |
|
||||||
сопровождающих конвективные облака |
(грозы, шквалы, |
смерчи). |
|
||||
Предназначается |
для специалистов |
в области |
физики облаков,-авиационной |
j |
|||
и радиолокационной |
метеорологии, |
сотрудников |
сети |
М РЛ |
Госкомгидромета, |
«И |
а также для аспирантов и студентов старших курсов гидрометеорологических ( л
ВУЗов. |
ф |
In the book by G. В. Brylev, S. B. Gashina, G. L. Nizdoyminoga |
“R ad ar* ^ |
Characteristics of Clouds and Precipitation” there have been system atized |
for th e r ^ |
first time data on the height, area, velocity and direction of transport, radar
reflectivity of stratiform is |
and |
convective |
clouds, |
thunderstorm s, |
showers, preci |
||
pitation intensity and amount, as well as the daily, |
seasonal and regional |
variabi |
|||||
lity of these characteristics for some regions of |
the USSR, the |
USA, |
Canada, |
||||
Cuba, Venezuela, Africa and M alaysia. |
|
|
|
|
|||
The scientific and methodical aspects are laid down for obtaining and meteo |
|||||||
rological interpretation |
of |
radar |
inform ation on dangerous phenomena accompany |
||||
ing convective clouds |
(thunderstorm s, squalls, tornadoes). |
|
|
||||
The monograph is intended for specialists in cloud physics, aeronautical and |
|||||||
radar meteorology, for the weather radar |
network |
staff, and for post-graduates |
|||||
and senior students at |
hydrom eteorological |
institutes. |
|
|
Ле.ч.иггчп покиЙ
Гидром''- 'йй
Б И о - .. . С.КА
Л'Д 195196 Малоодтйвский яр., S8
^ |
1903040000-023 |
„ |
® Гидромегеоиэдат. 1986 |
^ |
069(02)-86------- |
: 2-®® |
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
формации М РЛ в |
разных физико-географических районах. |
При |
этом используются |
в основном материалы наблюдений на |
сети |
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-^
роко известных советских и зарубежных |
монографиях. Д ля |
удоб-' |
ства читателей все монографии выделены в списке литературы. |
||
В нашей книге не обсуждаются вопросы автоматизации радио |
||
локационных наблюдений, измерения на |
доплеровских М РЛ, ис |
|
следования других советских авторов в |
разных районах |
нашей |
страны, а также технические аспекты измерений.
Работа над книгой распределена следующим образом: главы 1, ,
3, 4, 5, |
7 написаны Г. Б. |
Брылёвым и С. Б. Гашиной, главы 2, 4, |
6 — Г. Б. Брылёвым и Г. |
Л. Низдойминогой. В подготовке п. 3.3 и |
|
п. 7.5.1 |
участвовала Г. И. |
Куликова, а п. 7.2.1— А. Г. Линев. |
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
рову, а также Е. П. Сергиенко |
(Украинский Авиаметцентр) и |
Д. М. Сонечкину (Гидрометцентр |
СССР). Авторы признательны |
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
тромагнитной волны |
(а ^ 0,03Х) |
и много меньше X внутри самой |
|
Я ■ |
|
|
|
частицы ( а < 0 ,1 3 - |
выражение для Стг оказывается простым; |
||
\т\ |
|
|
|
|
64я;®а® |
т ^ - 1 |
( 1 . 1) |
|
Or |
т^ + 2 |
|
где m — комплексный |
показатель |
преломления вещества |
частицы |
на длине волны Я. Наличие мнимой части в т указывает, что па дающая энергия частично поглощается веществом частицы. Для
воды в |
сантиметровом диапазоне множитель т^ — \ ^ л по ■ |
dz0,004, для льда с единичной плотностью он равен 0,197. |
|
При |
рассеянии, отличном от рэлеевского, расчет сТг представ |
ляет определенные трудности и осуществляется через специальные
функции Бесселя и Ханкеля |
[22, 29]; |
|
|
|
||
Oi{a, Я): |
|
,2 |
1"= °° |
^ |
(1.1а) |
|
|
^ |
Z |
{ С п - Ъ , , ) |
. |
||
|
16я2 |
П=1 |
|
|
|
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
ном значении ?^=3,2 |
см может достигать восьми порядков (стг= |
|
= 10-8... 1 см2). |
|
|
Удельная площадь |
обратного рассеяния облаков |
и осадков |
т] (м“^) определяется по формуле |
|
|
|
N |
(1.2) |
|
01 |
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
г = |
(1.3) |
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;
Г1 = |
m2 - |
1 |
Е - |
(1.4) |
Я-* |
|
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
ными в различных единицах, определяется |
по следующим |
фор |
||
мулам: |
|
|
|
|
Z (мм*= • |
м -') = 10‘«2 |
(м®) = 10'"2 |
(см"), |
( 1.6) |
|
2 (д Б 2 )= |
10 lg Z/Zo, |
|
(1.7) |
z |
(мм® • м“ ®)== 10°’’^ (дБг). |
|
(1.8) |
Поскольку во многих работах z определяется через радиус а, будем в дальнейшем обозначать ее через Za.
Za = - ^ , или |
га (дБг:) = 2 (дБг) — 18. |
(1.9) |
Следовательно, |
|
|
l g Z a |
= \ g z - \ , 8 . |
(1.10) |
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
сти, распределение мощности в которых |
аппроксимируется нор |
||||||||||
мальным законом распределения. |
Величина |
радиолокационного |
|||||||||
объема У М РЛ определяется по формуле |
|
|
|
|
|||||||
|
|
V = |
|
|
|
|
|
|
|
(1. 12) |
|
где |
V — радиолокационный |
объем |
(м®); |
R — дальность |
цели (м); |
||||||
00 и |
фо— ширина диаграммы |
направленности |
антенны |
по |
точкам |
||||||
половинной |
мощности |
(по уровню |
3 дБ) |
в двухвзаимно |
перпен |
||||||
дикулярных |
плоскостях |
(рад); Лз — пространственнаяпротяжен |
|||||||||
ность зондирующего импульса |
(м), |
которая выражается через ско |
|||||||||
рость распространения |
электромагнитных |
колебаний в |
атмосфере |
||||||||
с (м/с) и длительность зондирующего |
импульса Тзонд |
(с): Лз = |
|||||||||
— СТзонд. |
радиолокации |
атмосферных образований |
[24, 25, |
||||||||
Уравнение |
|||||||||||
216] имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
7Г |
|
^пер^0®0Ф0 |
ГУ |
|
|
|
/1 1о\ |
||
|
|
Рпр — |
45 In |
'П^-^зап, |
|
|
(1.13) |
где — средняя мощность принятого сигнала (Вт); Рдер — им пульсная мощность электромагнитных колебаний, генерируемых
передатчиком |
М РЛ |
(Вт); Go — коэффициент усиления антенны; |
|
■X— ослабление радиоволн в атмосфере на пути 2R; |
Кзап — коэф |
||
фициент заполнения радиолокационного объема V частицами. |
|||
Уравнение |
(1.13) |
легко преобразовать с учетом |
(1.11): |
|
Р пр = [1,22 • |
(1.14) |
|
Для удобства практических расчетов и в связи с относительно |
|||
большой стабильностью основных параметров М РЛ |
вводят поня |
тия «постоянной калибровки МРЛ» или «метеорологического по тенциала» [25, 63]. Метеорологический потенциал М РЛ определя ется по формуле:
гг _ |
я® |
'^перСХфО'^з'^ЛВ |
|
|
4Мп2 |
PnpminA^ |
’ |
где Пм— метеорологический потенциал; Pnpmin — минимально об-
наружимая мощность отраженного |
сигнала (Вт); К ’а в |
— коэффи- |
диент полезного действия антенно-волноводного тракта |
на прием |
|
:и передачу. |
|
|
С учетом (1.15) формула (1.14) |
значительно упростится: |
|
_П |
«эИ |
(1.16) |
П м ^ /^ з а п . |
||
пр тш |
|
|
Д ля простоты расчетов подставим в уравнение (1.16) 2э, выражен |
ное в децибеллах или в десятичш>1х логарифмах. С учетом измере
ний входящих в него величин: Pnp/-Pnp шш дБ/Вт, 2э (дБ z) |
и RIRo |
|||||||
уравнение |
(1.16) перепишется относительно Zg |
(дБ г) п р и х = 1 |
||||||
|
|
(дБ 2) = |
10 lg -/-2 ^ . - |
+ 20 lg ^ |
- |
10 lg Пм. |
(1.17) |
|
|
|
|
•гпр min |
АО |
|
|
||
Большинство экспериментальных данных, приведенных в на |
||||||||
стоящей |
монографии, получено |
по результатам: наблюдений на |
||||||
сети |
М РЛ нашей |
страны. |
В |
[23, 63] |
используется уравнение |
|||
(1.14) |
для |
конкретных М РЛ |
типа МРЛ-1 |
и М РЛ-2 при следую |
щих допущениях, обусловленных потребностями оперативной работы;
1) радиоволны отражают сферические частицы, величина о ко торых определяется по формуле (1.1);
2)не учитывается ослабление радиоволн при их распростра нении до цели и обратно (х = 1), а также влияние подстилающей, поверхности на диаграмму направленности (последнее может До стигать 3 д Б );
3)имеет место полное заполнение отражающего объема части-
дами облаков и осадков ( К 'з а п = 1 ) .
|
Метеорологический потенциал МРЛ-1 и М РЛ-2 |
рассчитывается |
|||||
по |
следующей |
формуле (обозначим его в отличие от (1.15) |
че |
||||
рез |
n 'J : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О..Ы^Я„ер^р/гз/Сдв |
f |
„ |
,04 |
|
|
|
|
— |
р 7-^4 |
|
|
|
|
|
|
|
^ п р т щ л |
|
|
|
где |
Лр — площадь |
раскрыва |
антенны (апертура). |
В ряде работ |
|||
[93, 107, 112, 114] |
в дБ рассчитывается при следующей раз |
||||||
мерности входящих в нее параметров: Рцер (кВт), |
Лр (м^), hz |
(м), |
|||||
•Рпрmin (В т), X (см ). Величина |
позволяет оценивать эффектив |
||||||
ность М РЛ для |
метеонаблюдений без учета |
ослабления радиоло |
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
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
Ti = 2 \ a { R ) d R , |
|
|
(1.20) |
||
|
|
о |
|
|
|
|
|
причем |
|
|
я |
|
|
|
|
|
|
-0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
J а (/?) dR |
|
|
|
||
|
^лр = |
^пр,-10 |
° |
, |
|
|
(1.20а) |
где Рпро — мощность, которая была |
бы принята, |
если бы не было |
|||||
ослабления. |
С учетом формулы (1.19) |
поправку к |
измеренной ве |
||||
личине |
обозначим |
как AlgZocn, |
тогда |
выражение |
для |
||
истинной величины |
с учетом |
ослабления |
в |
осадках |
будет |
||
иметь вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ig 2ист = Ig 2изм + |
А ig ^осл, |
|
|
(1.21) |
||
где |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A lg 2oc^ = 0,2 ja(P )^ iP . |
|
|
(1.22) |
Учет ослабления показывает, |
что реальная эффективность |
|||||||
М РЛС может оказаться гораздо меньше расчетной |
[57, |
78]. Вели |
||||||
чину общего |
(двухстороннего) ослабления радиоволн |
в осадках |
||||||
X (дБ), которое особенно существенно, |
когда |
осадки |
выпадают |
|||||
над М РЛ или рядом с ним, |
можно рассчитать |
по формуле |
||||||
|
|
х = |
- 2 К о / Ч |
|
|
|
(1.23) |
|
где Ко — коэффициент |
ослабления |
(дБ/км) / (мм /ч); |
/ — интенсив |
|||||
ность осадков |
(мм/ч); |
g — безразмерная |
величина; |
R — расстоя |
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
зультаты расчета |
изменений |
Zmia{R) |
c^ учетом ослабления приве |
дены в табл. 1.2. |
Значения |
IgZamin |
рассчитывались по формуле |
(1.19), где отношение Рар/Рщ>тт принималось равным 3 дБ. Из табл. 1.2 следует, что если экранированная зона осадков и будет
отмечаться на М РЛ, |
то с большими искажениями горизонтальных |
||||||
и вертикальных размеров. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
Величина ослабления к (дБ /км ) |
при различных значениях длины |
волны % |
|||||
|
|
|
и интенсивности осадков I |
|
|||
|
|
|
|
|
|
/ мм/ч |
|
я см |
|
|
|
|
10 |
- 20 |
50 |
|
|
|
|
|
|||
0,86 |
0 ,2 7 / |
2,7 |
5 ,4 |
13,5 |
|||
3,2 |
0 ,0 П /’-’^ |
0,15 |
0,34 |
0,99 |
|||
5,5 |
3 ,5 |
• |
Ю -Ч |
3 ,5 |
• 10-2 |
7 • 10-2 |
0,17 |
10,0 |
8 ,0 |
• |
10-^7 |
0 ,8 |
. 10-2 |
1,6 . 10-2 |
4 • 10-2 |
Разность между значениями интенсивности радиоэха одного и того же метеорологического объекта для М РЛ с разными длинами
волн описывается выражением |
|
|
|
|||
|
а ( - р ^2р_ ) _ |
а п ; + |
а х . |
(1.24) |
||
|
\ |
|
ПОmin / |
|
|
|
Несмотря на |
большее значение |
у |
М РЛ с короткими дли |
|||
нами волн, уже |
для R = \0 км и |
/ = 10 |
мм/ч |
метеорологические |
||
эффективности |
М РЛС |
с |
разными |
длинами |
волн практически |
|
равны. Увеличение R и |
I |
ведет к реальному увеличению метеоро |
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
Таблица 1.2
Минимально обнаруживаемая отражаемость Ig Za min при различных значениях
длины волны я и1 потенциала
|
|
|
|
|
|
/ мм/ч |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
Ш |
|
км |
|
|
R км |
|
|
ч S |
10 |
50 |
100 |
10 |
50 |
100 |
|
П |
||||||
0,86 |
61.4 |
- 3 , 8 |
—2,8 |
— 1,8 |
1,6 |
|
|
3,2 |
59.4 |
—3,6 |
—2,6 |
— 1,6 |
—3,3 |
— 1,1 |
1,4 |
5,6 |
57,2 |
—3,4 |
—2,4 |
— 1,4 |
—3,3 |
—2,1 |
—0,7 |
10,3 |
55 Л |
—3,2 |
— 2,2 |
— 1,2 |
—3,2 |
—2,1 |
— 1.0 |
|
|
|
|
1 мм /ч |
|
|
|
|
LQ |
|
20 |
|
|
50 |
|
s' |
|
7? км |
|
|
Л км |
|
|
. Pi |
|
|
|
|
|||
и |
ЧсS |
10 |
50 |
100 |
|
50 |
|
с< |
10 |
100 |
|||||
0,86 |
61.4 |
|
|
|
|
|
|
3,2 |
59.4 |
—2,9 |
— 1 ,8 |
|
— 1,6 |
|
|
5,6 |
57,2 |
—3,3 |
— 1,7 |
0,0 |
- 3 , 1 |
—0,7 |
2 .0 |
10,3 |
55,1 |
—3,2 |
—2,0 |
—0,9 |
- 3 , 1 |
- 1 , 8 |
- 0 . 4 |
|
|
|
Таблица 1.3 |
Разность мощностей принимаемых сигналов Д(Рпр/Япр mm) (дБ ) |
для МРЛ |
||
с Я = 3,2 см и МРЛ с Л = 5,6 см при распространении сигнала в осадках |
|||
разной протяженности AR и интенсивности I |
|
||
|
|
/ м м / ч |
|
Д/? км |
|
|
|
|
10 |
20 |
50 |
10 |
2.3 |
5 ,4 |
16,4 |
50 |
11,5 |
27,0 |
82,0 |
100 |
23,0 |
54,0 |
164,0 |
С помощью табл. 1.3 |
для М РЛ |
с Я = 3,2 см и Х = 5,6 см, |
имеющих |
равные потенциалы. |
|
|
|
Ослабление радиоволн в газах атмосферы и облаках, не даю щих радиоэха, намного меньше, чем в осадках [3, 6, 25]. В прак тических задачах начиная с А, ^ 3 см, такое ослабление можно не учитывать. Однако при измерениях на больших расстояниях учет такого ослабления необходим. Например, для М РЛ с Я = 3,2 см ослабление сигнала в газах атмосферы на 3 дБ происходит при расстоянии до метеоцели, равном 240 км.
10