Радиолокация

дельное наблюдение	(1—2 раза в час)				оператор в течение	5—
8 мин производил в слое		О— 2 км	измерения Igziamax в дискрет­
ных ячейках пространства 10x10			км. Д ля выявления возможно­
сти применения М РЛ	в	целях оценки		пространственного распре­
деления сумм осадков	в	радиусе	100	км	от М РЛ, согласно	[85],

по окончании отдельного ежечасного цикла наблюдений произво­

дился расчет величины Q p n за N

часов:

лг

_

Срл N ~

Qi O g ^ i a

max),

(2 .2 0 )

где

Igziamax — максимальное

значение

отражаемости

в

квад­

рате 10X10 км или 30_Х30 км,

измеренное в любой момент вре­

мени

один раз

в час; Q i — условное

среднее

значение

количества

осадков (мм) в квадрате 10X10 или 30X30

км за 1 ч.

Каж доь^

диапазону значений

Igziamax

соответствует

одно

значение Q;

[81]

(см. табл. 2.11), округленное до целого.

При наблюдениях за

N

часов слой осадков в квадрате дискре­

тизации суммируется

и

относится

к тем квадратам, в

которых

было отмечено

радиоэхо

с

величиной

lg 2i a > 0,0 (/> 0 ,5

мм/ч).

Д ля

сравнения

и анализа

радиолокационной информации при­

влекались данные из ежемесячных таблиц ТМ-1 о количествах осадков в период с 9 до 21 ч по 17 метеостанциям, расположен­ ным вокруг М РЛ в радиусе 100 км.

Рассмотрим достоверность радиолокационных оценок сумм осадков за полусутки.

Для выявления условий, при которых могут быть достигнуты наименьшие расхождения двух способов оценки количества вы­ павшего дождя по данным М РЛ, были выбраны три параметра, характеризующие суммарное количество осадков в пункте изме­ рения;

(Qjoxio)pn — радиолокационная	оценка	суммы	жидких	осад­
ков по максимальной отражаемости в квадрате			10x 10 км;
(Q3ox3o)pn — радиолокационная	оценка	суммы жидких		осад­

ков по максимальному значению отражаемости в квадрате 10х ХЮ км для квадрата 30x30 км (выборка одного максимального значения ™ девяти квадратам размером 10x 10 км);

(Е Q ;д^,д)рл — радиолокационная оценка суммы жидких осад­

ков в квадрате 30X30 км по результатам суммирования количе- >ства осадков в девяти квадратах размером ЮхЮ км.

В табл. 2.16 представлены повторяемости сочетаний четырех возможных комбинаций днёй с дождем и без дождя при сравне­ нии двух способов наблюдения за осадками. Повторяемость ^оправдавшихся оценок и была определена по формуле

«00	(2.21)
	^	^

61

Таблица 2.16

Повторяемость (число случаев) дней с дождем и без дождя по данным наземных дождемеров и результатам радиолокационных наблюдений по ячейкам 10X10 км (числитель) и 30X30 км (знаменатель)

в период с 9 до 21 ч

		Данные дождемерной сети
	Данные	МРЛ				Сумма
		дождь		без дождя
	Дождь	till-	317	«12-	82	399
			480		235	Пю ■ 715
	Без дождя		190		745	935
		«21■ 55		П22-	649	«20- 704
	Сумма	«01	507		827	1334
			535	По2 ■ 884		Поо 1419

Расчеты показывают, что повторяемость достоверных оценок при альтернативном определении дней с дождем для двух мас­ штабов сравнения (квадраты дискретизации 10x10 и 3 0x3 0 км)

одинакова: ы = 80 %. Однако при дискретизации 10X10 км основ­ ной вклад в неоправдавшиеся 20 % вносят «пропуски» зон осад­ ков («21 составляет 190 случаев). Наоборот, при дискретизации 30X30 км наибольший вклад в неоправдавшиеся случаи при

альтернативном	определении дней с дождем по данным		М РЛ
дают «лишние»	осадки («12 составляет 235	случаев),	обна­
руженные РЛС	в пределах квадрата 30X30 км,	которые	могли

оказаться не дождевыми облаками (т. е. Си cong. без дождя) либо небольшими по площади дождевыми мезомасштабными

ячейками СЬ, осадки из		которых миновали	наземный	измери­
тель дождя (т. е.	выпали	поблизости) или	не достигли	земной
поверхности.	10x10 км превышение «потерь» над
Д ля квадратов				«избыт­

ком» осадков составило за сезон 364,4 мм. Для квадратов ЗОХ

ХЗО	км	превышение «избытка» над	«потерями»	составило
200,6	мм.	Легко проследить зависимость	повышения	«потерь»

и уменьшения «избытка» осадков с увеличением расстояния от

центра к периферии	площади радиолокационного обзора
(рис. 2.7).

На рис. 2.8 показана зависимость от расстояния относитель­

ной	ошибки	A Q * / Q m c определения	суммарных		количеств дождя
только для		тех случаев, когда М РЛ	либо	ничего	не обнаруживал
(на	фоне небольших дождей по данным			наземных дождемеров —

«потерянные» осадки Qnoi), либо отмечал в течение полусуток различные количества осадков, а наземные дождемеры их не

62

( 2 ) .

AQ.m

Рис. 2.7. Зависимость общего количества «потерянных» осадков для квадратов разрешения 10x10 км (/) и «лишних» осадков для квадратов 30X30 км (2 ) от расстояния R до центра квадрата.

Рис. 2.8.	Зависимость	относительной	ошибки
A Q * /Q nc	(%) радиолокационного способа		оценки

суммы осадков для случаев «потерянных» и «лиш­ них» дождей от расстояния R до центра квадрата

разрешения 10X10 км (/) и 30x30 км

фиксировали	• .	^
	(«лишние» осадки б?шб). Величина A Q *	рассчиты­
валась по формуле
	AQ* = QH36-QnoT.	(2.22)
Согласно	рис. 2.8, М РЛ обнаруживает в радиусе	60 км на

10—25 % осадков больше по сравнению с данными, полученными на сети наземных дождемеров (30X30 км, кривая 2 ) . На рас­ стоянии более 60 км из-за ослабления радиоволн в осадках эта разница уменьшается до О и даже может стать отрицательной за

счет вклада «потерянных» дождей.				При обработке		информации
по квадратам30X30 км будет			происходитьтакже			некоторое		за ­
вышение	числа	дней с дождем.	Для	квадратаразрешения			10	х
X 10 км	типично	явление «потери»		осадков,	достигающей 45 %
общего количества выпавшего дождя.
В табл. 2.17		приводится распределение			отношений		величин

полусуточных сумм осадков по данным , сети дождемеров и ра­ диолокационным данным при обработке информации по квадра­ там 30X30 км (/Cg = QMo/Qpn). Распределение получено только для тех дней и таких дождемерных станций, для которых имелась пара значений полусуточных сумм дождя (Q m c и Q p n , всего 480 случаев). Из табл. 2.17 видно, насколько велики вариации от­

ношения оцениваемых сумм осадков за				полусутки. Для		дождей
в радиусе 60 км в 52 % случаев по измерениям					М РЛ было по­
лучено завышение Q , причем отмечается монотонное уменьшение
повторяемости Р	(% ) с увеличением K g .
					Т а б л и ц а 2 .1 7
Повторяемость Р (% ) различных градаций			отношения K g п о		данным	реперной
дождемерной сети и радиолокационным оценкам в ячейках дискретизации
размером 30X30 км (в скобках — число случаев)
				7? КМ
	0 - 1 0 0		. 0 - 6 0		6 0 -1 0 0
0,0— 1,0	39,5	(190)	52	(120)	28	(70)
1,1—2.0	17,7.	85)	17	(40)	18	(45)
2,1—3,0	^ 10,8	52)	8	(19)	13	(33)
3,1—4,0	8,0	38)	6	(13)	10	(25)
4,1—5,0	5,8	28)	6	(14)	5,6	(14)
5,1—6,0	2,5	12)	2	(5)	2,8	(7)
6,1—7,0	1,9	9)	1,7	(4)	2	(5)
7,1—8,0	1,5	(12)	2	(5)	2,8	(7)
8,1—9.0	1 , 9( 9)		1	(2)	2,8	(7)
9,1— 10,0	2,1	(10)	1,3	(3)	2,8	(7)
10.1—20,0	6,2	(30)	3	(6)	9,7	(24)
20,1—30,0	0,6	(3)			1,2	(3)
30,1—40,0	0,2	(1)	—		0,4	(1)
40,1—50,0	----		—		0.4	(1)
50,1—60,0	0,2	(1)	—
	100,0	(480)	100,0	(231)	100,0	(249)

64

Для дождей		в радиусе		60— 100 км		общая	закономерность
в распределении		K g сохраняется,			однако	число дождей,		для ко­
торых	суммы осадков		по данным		М РЛ	оказывались		занижен­
ными,	возросло до 72%		(см. табл.		2.17). Причем		в 25%	случаев
МРЛ	занижал полусуточные суммы осадков более чем							в 5 р.аз,
в 12%	случаев — более		чем	в 10 раз. В		радиусе	О—60 км		соот­
ветствующие повторяемости				указанных отношений			K g ниже		(для
i<:g>5	Р = 1 1 % ,д л я /С г> 1 0			Р = 3 % ).			дает	занижен­
Увеличение числа дождей, для					которых М РЛ

ные суммы осадков в пределах 60— 100 км от М РЛ, определяется

ослаблением				радиоволн в осадках и влиянием				кривизны	Земли.
							0 . т	i5,2MM
							и
							i2
Рис.	2.9.	Нормированные				по	10
количеству		дождемеров			суммы
осадков для			«потерянных» (а )
и «лишних»			(б) дождей			на
площади, ограниченной радиу­
сом	100 км,		за	весь	период
наблюдения				(июнь—август			Bf ilm
		1979		г.).
							S t
								во	iOORKH

Подтверждением этому могут служить две диаграммы на рис. 2.9.

На рис. 2.9 а приведены абсолютные			суммы осадков, которые
отнесены	к «потерям» осадков на	площади, на расстоянии О—60
и 60— 100	км от М РЛ, поскольку	не	были обнаружены. Суммы

«потерянных» осадков за сезон нормированы на число дождеме­ ров. На рис. 2.9 б показаны абсолютные суммы осадков, кото­ рые получены радиолокационным способом измерения в дни без дождя по данным наземных дождемеров.

Из рис. 2.9 видно, что «потери» осадков в радиусе 60 км ни­

чтожно малы, в то время как в	пределах 60— 100 км		количество
«потерянных» осадков в 20 раз	больше.	Д ля случаев	обнаруже­
ния на М РЛ «лишних» дождей	среднее	количество полусуточных
сумм осадков для указанных зон почти одинаково.
Точность оценки суммы дождя за 12		ч с помощью М РЛ для
дней с разными полусуточными	величинами Q будет		не одина­

кова. Не одинаков, как показывает анализ, и вклад в общее коли­ чество осадков за сезон на площади радиусом 100 км дней с раз­ ными суммами осадков.

Из табл. 2.18 видно, что 66 % измеренных осадков отмечались в дни, когда их выпадало 5 мм за 12 ч и более. Дни с количе­ ством осадков за 12 ч 0,1— 1 мм составили только 4 %. Из этого можно заключить, что при использовании рекомендуемого радио­ локационного способа для 2 1 % случаев дней с дождем (6 6 % выпавших осадков) будут получены достоверные результаты,

5 Заказ № 350

65

Таблица 2.18

Повторяемость (число дней,	в скобках — проценты) различных		градаций сумм
осадков за 12 ч и соответствующее им суммарное количество осадков
(в скобках — повторяемость,	%) по данным 17 метеостанций в радиусе 100 км
от МРЛ за сезон 1979 г. (июнь—август)
	Количество осадков,	мм
0 ,1 -0 ,9	1-4,9	> 5	Сумма

Число дней		173 (32)		249	(47)	113 (21)	535 (100)
17
Yj	Qi	76,9	(4)	588,7	(30)	1289,7 (66)	1955,3	(100)
г = 1
	П р и м е ч а н и е .	^	Q i — суммарное количество дождя за				сезон	по дан­
ным	17 метеостанций.

близкие по точности и не выходящие за пределы погрешности стандартной сети Осадкомеров средней плотности.

Следует дополнительно отметить, что ошибки . предложенного радиолокационного метода измерений Q необходимо рассматри-

Т а б л и ц а 2 .19

Повторяемость (% ) различных значений относительной изменчивости сумм сильных осадков в близко расположенных точках измерения (8— 12 км)

для 55 дождей летом		1979 г. в Ленинградской области (в скобках —
			число случаев)
(Qmax— Qmin)/Qmin		“/о -	. -50	51.— 100	101— 200	>201
Повторяемость,	о/„ .	. .	16 (9)	18 (10)	13 (7)	53 (29)

вать с учетом реальной изменчивости осадков на расстоянии, со­ ответствующем размеру квадрата пространственного разрешения на М РЛ. Общепринято, что чем больше изменчивость метеовели­ чины в пространстве, тем больше могут быть ошибки измерений этой метеовеличины.

Анализ изменчивости полусуточных сумм осадков для шести

пар	близко	расположенных	дождемерных	измерителей, расстоя­
ние	между	которыми не	превышает	10— 1'2 км, приводится

в табл. 2.19. В качестве исходных были взяты дни с существен­ ным выпадением осадков, когда их количество за 12 ч составило более 5 мМ. Анализ табл. 2.19 указывает на относительно боль­ шую точность измерений сильно изменяющихся над территорией сумм осадков по данным М РЛ по сравнению с дискретными дан­ ными стандартной сети станций и постов. Как видно из табл. 2.19, для 66 % рассмотренных дождей относительная пространственная

66

изменчивость превышает ошибку радиолокационного способа из­

мерений. Д ля	18 %	дождей относительная		изменчивость	их сумм
на расстоянии,	соответствующем		размеру	квадрата (10	км),	при­
мерно соответствует		погрешности	радиолокационного способа			из­

мерения. И только в 16 % случаев данные М РЛ не совсем совпа­ дают с результатами измерения наземными дождемерами. Эта

разница не превышает :±5 мм за	12	ч. Д ля менее плотной	сети
дождемеров выигрыш в точности	измерений с помощью М РЛ		бу­
дет еще больше.	на	автоматизированном	ком­
По результатам наблюдений

плексе М РЛ —ЭВМ в 1981 г. с помощью численного эксперимента было проверено соотношение г — Q для тех же квадратов Ю хЮ и 30X30 км [86].

В дальнейшем был проведен численный эксперимент для квад­

ратов 5X 5 км. При этом			расчет	в квадрате		5 x 5		км произ­
водился по следующему алгоритму [76]
	^ 5 X 5 -
где P f i — мгновенные отсчеты мощности на					выходе		аналого-циф­
рового преобразователя			устройства	предварительной				обработки,
L — число	осредняемых		элементов	разрешения		по		наклонной
дальности	(1	км), F — число осредняемых			посылок			М РЛ,	рав­
ное 8.
Определив		величину	по (2,23), можно получить макси­
мальную мгновенную интенсивность осадков / (мм/ч)							на площади
квадрата	5 x 5	км. Величина / рассчитывалась по						с помо-
щью_формулы		(2.6), соотношения 6 из табл. 2.7 и					соотношения
2 — О из табл.		2.11. Количество осадков			,	выпавших			в /-м
квадрате	5 x 5	км за время Т рассчитывалось по				формуле
			TIM
		Q(5X5)=							(2.24)

где i — порядковый номер интервала Ai^= 6—7 мин.

За количество осадков в квадрате большего размера прини­

малось		суммарное количество осадков Q(5^ 5). по квадратам 5Х
Х 5	км,	расположенным	внутри	большого	квадрата,	за период
Г = 3	ч,	осредненное по	площади	большого	квадрата.	Площадь

последнего разбивалась		на элементарные квадраты 5 x 5 км. Если
вся площадь большого		квадрата была занята осадками, то для
квадрата ЮХЮ	км элементарных квадратов было 4, для квадрата
15X15 км — 9,	для квадрата 30x30 км — 36. Тогда количество

5*

67

осадков в ^-м большом		квадрате Q h		за	Г = 3 ч рассчитывалось
по формуле
			( 5 X	5 ) ^ . ’		(2.25)
где Пй — количество	квадратов		5 x 5 км		с осадками	внутри боль­
шого квадрата (п * = 1 ...		36).
Для уточнения	координат		метеостанций (МС)			относительно
М РЛ по квадратам	5 x 5	км вокруг МС			выбирались	9 квадратов

и тот из них, для которого абсолютная разность количества осад­

ков Q между данными М РЛ	и МС была наименьшей, принимался
за истинное местоположение	МС. Результаты измерений Q в этом
квадрате 5 x 5 км служили	для сопоставления наземных и ра­
диолокационных данных.

В качестве критериев совпадения данных были выбраны ми­ нимальное значение среднего и дисперсия разности AQm между

количеством осадков

на МС

за

Г = 12 ч

(Q mc)

и

количеством

осадков по данным

комплекса М РЛ —ЭВМ

(Qm)

за

тот же срок;

AQMC = QMC-Qm.

(2.26)

Среднее AQm и дисперсия сг^

рассчитывались

за

весь

период

наблюдений, при этом jV = 2 ^

=

66 (табл. 2.20).

Т а б л и ц а

2 .2 0

Критерии сопоставления наземных и радиолокационных данных

для различных соотношений z—/ и размеров ячеек (66 случаев)

Zg=200/I>6

2g=180/b8T

Z — Q (табл.

2.11)

Критерий

5X5

lOXiO

30X30

10X10

30X30

10X10

30X30

мм/12 ч

— 1,3

- 1 , 7

—0,5

2,8

3,3

1,0

—3,3

^ Q m max

Mi\l/12 Ч

34,4

20,1

51,7

52,2

61,2

45,0

45,0

^ Q m m in

мм/12 Ч

—53,9

—52,0

—44,2

- 1 5 ,1

— 10,3

—23,0

—35,0

(мм/12 ч )“

162

137

128

88

94

85

142

^ кор

0,49

0,62

0,43

0,49

0,40

0,53

0,39

Максимальные

значения

коэффициентов корреляции K k o v

между

Qmc и

Q m

ДЛЯ

квадратов

10x10 км

составило

0,49—0,62;

для квадрата

15x15

км — 0,35;

для

квадрата 30X30

км — 0,3—

0,43. При 5 % -ном уровне значимости коэффициент корреляции равен 0,24, а при 1 %-ном 0,32 (табл. 2.20). Анализ эксперимен­ тальных данных табл. 2.20 показывает, что оптимальным для ра­ диолокационного измерения жидких осадков следует считать раз­ мер квадрата ЮХЮ км, так как только при такой дискретизации площади в результате последующего сопоставления данных ра-

68

дислокационных и наземных наблюдений за осадками была по­ лучена наименьшая дисперсия абсолютной ошибки радиолокаци­

онного метода	измерений	а \	. Д ля сумм осадков, полученных
по квадратам	10x 10 км,	отмечены также относительно более вы­

сокие коэффициенты корреляции между значениями сумм осад­

ков за	12 ч по	радиолокационным стандартным			дождемерным
наблюдениям.		соотношением 2 — /	для	радиолокационной
Оптимальным
оценки	количества осадков следует		считать	соотношение 2 =
= 180Л>®'^, поскольку его применение			обеспечивает		наименьшие

значения абсолютных ошибок AQm, особенно в случае выпадения

слабых осадков. При	выпадении сильных осадков погрепшость
примерно одинакова	для всех трех	соотношений.	Оценка Q и 2
в квадрате Ю хЮ км дала вполне		приемлемые	результаты.

2.4. Пространственное распределение радиоэха облаков и осадков вокруг больших городов

Необычайно быстрое увеличение числа городов с миллионным населением и концентрация крупных промышленных предприятий и индустриальных комплексов поблизости от них выдвигает в чи­ сло актуальных вопрос о влиянии городов и промышленных зон на микроклимат и погоду в самих городах и их окрестностях.

В ряде работ советских и зарубежных авторов [149, 150, 178, 185, 186] обсуждаются особенности метеорологического режима города, а также причины образования особого городского микро­ климата. Известно, например, что в городах и окрестностях уменьшается прозрачность воздуха, изменяется его химический состав, повышается температура и понижается влажность. Суще­ ственно изменяется также ветровой поток. В районе Ленинграда, например, в дневное время могут появляться настоящие бризы. Большие города и индустриальные зоны также влияют на обра­ зование облачности и усиление осадков над городом в летнее время. Авторы [185] отмечают, что масштаб атмосферных изме­ нений может намного превышать площадь самого города. В ча­ стности, для шести больших городов в Северной Америке (Ва­ шингтон, Хьюстон, Нью-Орлеан, Чикаго, Кливленд, Сент-Луис) отмечено увеличение осадков над городом и с подветренной сто­ роны на 10—30% , возрастает повторяемость гроз и града. Влия­ ние города выражается также в увеличении скорости конвектив­ ных потоков, высоты и долговечности радиоэха СЬ [178], повто­ ряемости образования первых радиоэхо с подветренной от города стороны. Этот район, по оценке [178], ограничивается в длину од­ ним часом ветрового движения и характеризуется двухкратным увеличением повторяемости первых радиоэхо по сравнению с бли­ жайшими сельскими районами.

Необходимо отметить, что выявление закономерностей влия-' НИН больших городов на погоду должно изучаться конкретно для

69

каждого города, для неповторимого сочетания определенных орог графических условий и с учетом специфичности синоптических процессов, преобладающих в данной местности.

Оценим сначала (на примере Ленинграда) влияние крупного промышленного центра на пространственное распределение осад­ ков и конвективной облачности, которое может быть получено по

данным	радиолокационных			метеорологических				наблюдений			[84]
по методике, рассмотренной в п. 2.3.
Средняя		повторяемость		радиоэха		облачности		и	зон	осадков
(РОЗО)	по	данным первичной			обработки		над	квадратом			10Х
X 10 км в среднем составила 52 случая. Соответствующая отно­
сительная продолжительность					РОЗО	над	индивидуальной				пло­
щадью	5 i= 1 0 0		км^ равнялась		5%	всего	периода		наблюдений
МРЛ в радиусе			100 км (1064 ежечасных срока). Д ля Ленинграда
относительная продолжительность осадков							(по данным			ГМО) за

30 лет для трех летних месяцев в ночную и дневную половину суток составила 158 ч, что соответствует 7 % периода, взятого для климатического обобщения. Это сравнение показывает, что радиолокационные данные являются вполне репрезентативным источником информации о режиме РОЗО в интересуемом районе и могут использоваться для исследований аномалий в распреде­ лении РОЗО.

2.4.1. Пространственное распределение повторяемости

Анализ пространственного распределения повторяемости (часы) РОЗО над городом и его окрестностями (рис. 2.10), в том числе над территорией с различным характером подстилающей поверхно-

Рис. 2.10. Изолинии повто­ ряемости (ч) РОЗО в днев­ ное время (8—20 ч) (1 ) и продолжительности (ч) лив­ ней по наблюдениям метео­ рологических станций (2 ) в пригороде Ленинграда ле­

том 1979 г.

Точками показана граница го­ рода.

70