Погодный радар

Погодный радар в Нормане, штат Оклахома с дождевым валом

Погода (WF44) радарное блюдо

Университет Оклахомы C-Prime C-Band, Polarimetric, погодный радар во время строительства

Погодный радар , также называемый радаром наблюдения с погодным наблюдением ( WSR ) и допплеровского погодного радара , представляет собой тип радара, используемого для поиска осадков , расчета его движения и оценки его типа (дождь, снег, град и т. Д.). Современные погодные радары в основном представляют собой импульсные радары , способные обнаружить движение капель дождевых капель в дополнение к интенсивности осадков. Оба типа данных могут быть проанализированы, чтобы определить структуру штормов и их потенциал для выздоровления суровой погоды .

Во время Второй мировой войны операторы радаров обнаружили, что погода вызывала эхо на их экранах, маскируя потенциальные цели врага. Методы были разработаны для их фильтрации, но ученые начали изучать это явление. Вскоре после войны избыточные радары использовались для обнаружения осадков. С тех пор погодный радар развивался и используется национальными службами погоды, исследовательскими отделами в университетах и ​​в телевизионных станций отделениях погоды . Необработанные изображения обычно обрабатываются специализированным программным обеспечением, чтобы сделать краткосрочные прогнозы будущих позиций и интенсивности дождя, снега, града и других погодных явлений. Радар -выход даже включен в численные модели прогнозирования погоды для улучшения анализа и прогнозов.

История

Typhoon Cobra , как видно на радиолокационном экране корабля в декабре 1944 года.

Во время Второй мировой войны военные радиолокационные операторы заметили шум в возвращенных эхах из -за дождя, снега и снега . После войны военные ученые вернулись в гражданскую жизнь или продолжили в вооруженных силах и продолжали свою работу по разработке использования для этих эхо. В Соединенных Штатах Дэвид Атлас Сначала работая в ВВС , а затем в MIT , разработал первые операционные погодные радары. В Канаде JS Marshall и RH Douglas сформировали «Stormy Weather Group» в Монреале. Маршалл и его докторант Уолтер Палмер хорошо известны своей работой над распределением по размеру капля под дождем в середине-легости, что привело к пониманию отношения ZR, что коррелирует данную отражательную способность радара со скоростью, с которой падает дождевая вода. В Соединенном Королевстве исследования продолжали изучать радарные модели эха и погодные элементы, такие как стратиформные дождь и конвективные облака , и были проведены эксперименты для оценки потенциала различных длин волн от 1 до 10 сантиметра. К 1950 году британская компания EKCO демонстрировала свое воздушное «Облачное и предупреждение о столкновении».

Технология радиолокации 1960-х годов обнаружила торнадо, производящая суперярчики в столичном районе Миннеаполис-Сен-Сен-Пол .

В период с 1950 по 1980 год радары отражательной способности, которые измеряют положение и интенсивность осадков, были включены в службу погоды по всему миру. Ранние метеорологи должны были наблюдать за катодным лучами . В 1953 году Дональд Стэгс, инженер -электрик, работающий на обследование воды в штате Иллинойс, сделал первое зарегистрированное радиолокационное наблюдение « эха крючка », связанного с торнадической грозой.

Первое использование погодного радара по телевидению в Соединенных Штатах было в сентябре 1961 года. Поскольку ураган Карла приближался к штату Техас, местный репортер Дэн-Сим , подозревая, что ураган был очень большим, отправился в путешествие в американское бюро погоды WSR-57 Радар -сайт в Галвестоне , чтобы получить представление о размере шторма. Он убедил сотрудников бюро позволить ему транслировать в прямом эфире из их офиса и попросил метеоролога нарисовать его грубые наброски Мексиканского залива на прозрачном листе пластика. Во время трансляции он считал, что прозрачное наложение на черно-белый радиолокационный дисплей компьютера, чтобы дать своей аудитории ощущение как размера Карлы, так и расположения глаза шторма. Это сделало скорее национальное имя, и его отчет помог в предупреждении населения, принявшего эвакуацию примерно 350 000 человек властями, что в то время стало крупнейшей эвакуацией в истории США. Только 46 человек были убиты благодаря предупреждению, и было подсчитано, что эвакуация спасла несколько тысяч жизней, так как меньшие Ураган 1900 года убил около 6000-12000 человек.

В течение 1970 -х годов радары стали стандартизироваться и организовать в сетях. Были разработаны первые устройства для захвата радиолокационных изображений. Количество отсканированных углов было увеличено, чтобы получить трехмерный вид осадки, чтобы можно было выполнить горизонтальные поперечные сечения ( CAPPI ) и вертикальные поперечные сечения. Исследования организации грозы были тогда возможны для проекта Alberta Hail в Канаде и национальной лаборатории Searpe Storms (NSSL), в частности, в США.

NSSL, созданный в 1964 году, начал эксперименты по сигналам двойной поляризации и при использовании эффекта доплеровского эффекта . В мае 1973 года торнадо опустошил Юнион -Сити, штат Оклахома , к западу от Оклахома -Сити . Впервые доплеризованный радар длины волны 10 см из NSSL задокументировал весь жизненный цикл торнадо. Исследователи обнаружили мезомасштабную ротацию в облаке, прежде чем торнадо коснулся земли - подпись торнадического вихря . Исследования NSSL помогли убедить Национальную метеорологическую службу в том, что допплеровский радар является важным инструментом прогнозирования. Супер вспышка торнадо 3–4 апреля 1974 года и их разрушительное разрушение, возможно, помогло бы получить финансирование для дальнейших событий.

Nexrad в Южной Дакоте с суперярчиком на заднем плане.

В период с 1980 по 2000 год сети погодных радаров стали нормой в Северной Америке, Европе, Японии и других развитых странах. Обычные радары были заменены допплеровскими радарами, что в дополнение к положению и интенсивности может отслеживать относительную скорость частиц в воздухе. В Соединенных Штатах строительство сети, состоящей из 10 см радаров, называемого Nexrad или WSR-88D (допплер с надзором по погоде 1988 года), была запущена в 1988 году после исследования NSSL. В Канаде окружающая среда Канада построила станцию ​​Кинг -Сити , с 5 -сантиметровым радаром допплеровского радара, к 1985 году; Университет МакГилла доплерилизировал свой радар ( JS Marshall Radar Rasearatory ) в 1993 году. Это привело к полной канадской доплеровской сети В период с 1998 по 2004 год. Франция и другие европейские страны перешли на доплеровские сети к началу 2000 -х годов. Между тем, быстрые достижения в области компьютерных технологий привели к тому, что алгоритмы выявляют признаки суровой погоды и много применений для СМИ и исследователей.

После 2000 года исследования по технологии двойной поляризации перешли на оперативное использование, увеличив объем информации, доступной по типу осадков (например, дождь против снега). «Двойная поляризация» означает, что излучается микроволновое излучение, которое поляризуется как горизонтально, так и вертикально (относительно земли). Широкомасштабное развертывание было сделано к концу десятилетия или начала следующих в некоторых странах, таких как Соединенные Штаты, Франция, и Канада. США В апреле 2013 года все Nexrads Национальной службы метеорологии были полностью двойными.

США С 2003 года Национальное администрация океанических и атмосферных ресурсов экспериментирует с радаром по фазированной магистрали в качестве замены обычной параболической антенны, чтобы обеспечить больше времени в атмосферном звучании . Это может быть значительным при тяжелых грозах, так как их эволюция может быть лучше оценена с помощью более своевременных данных.

Также в 2003 году Национальный научный фонд создал Центр инженерных исследований для совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA), междисциплинарного, многоцелевого сотрудничества инженеров, компьютерных ученых, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований, разработка обеспечивающей технологии, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований, разработка мощных технологий, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований, разработка обеспечивающей технологии, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований, разработка обеспечивающей технологии, метеорологов и социологов для и развертывание прототиповых инженерных систем, предназначенных для увеличения существующих радиолокационных систем путем отбора проб в целом недостаточной нижней тропосферы с недорогим, быстрым сканирующим, двойным поляризацией, механически сканированным и поэтапным радаром.

В 2023 году частная американская компания Tomorrow.io запустила KA-полоса космический радар для наблюдения и прогнозирования погоды.

Принцип

Отправка радарных импульсов

Радар -луч распространяется, когда он отоходит от радиолокационной станции, покрывая все больший объем.

Погодные радары посылают направленные импульсы микроволнового излучения по порядку одной микросекундной длины, используя магнетрон или трубку Клистрана , соединенную волноводом с параболической антенной . Длина волн 1 - 10 см примерно в десять раз больше диаметра капель или частиц льда, представляющих интерес, потому что рассеяние Рэлея на этих частотах происходит . Это означает, что часть энергии каждого импульса будет отскакивать от этих мелких частиц, обратно к радиолокационной станции.

Более короткие длины волн полезны для более мелких частиц, но сигнал быстрее ослабляется. Таким образом, радар 10 см ( S-диапазона ) является предпочтительным, но стоит дороже, чем 5-сантиметровая система C-диапазона . 3 см Радар X-диапазона используется только для юнитов с коротким диапазоном, а 1 см- радар KA-диапазон используется только для исследований на феноменах мелких частиц, таких как дождь и туман. Погодные радиолокационные системы W Band (3 мм) наблюдают ограниченное использование в университете, но из -за более быстрого ослабления большинство данных не работают.

Радарные импульсы расходятся, когда они уходят от радиолокационной станции. Таким образом, объем воздуха, который проходит радиолокационное импульс, больше для участков дальше от станции и меньше для близлежащих районов, уменьшая разрешение на дальних расстояниях. В конце диапазона звучания 150 - 200 км объем воздуха, сканируемый одним импульсом, может быть на заказе кубического километра. Это называется объемом импульса .

Объем воздуха, который приобретает заданный импульс в любой момент времени, может быть аппроксимирован формулой $\,{v=hr^{2}\theta ^{2}}$, где v - объем, заключенный в импульс, h - ширина импульса (в метрах, рассчитываемой по продолжительности за несколько секунд пульса, скорость света), r - это расстояние от радара, которое уже проходил импульс ( в метрах, и $\,\theta$ ширина луча (в радианах). Эта формула предполагает, что луч симметрично круглый, «r» намного больше, чем «h», так что «r», взятый в начале или в конце пульса почти одинакова, а форма объема конус - глубина "H".

Слушание сигналов возврата

Между каждым импульсом радиолокационная станция служит приемником, поскольку она слушает возвратные сигналы из частиц в воздухе. Продолжительность цикла «прослушивание» находится в порядке миллисекунды , что в тысячу раз длиннее продолжительности пульса. Длина этой фазы определяется необходимостью микроволнового излучения (которое перемещается со скоростью света ), чтобы распространять от детектора до погодной цели и обратно, расстояние, которое может составлять несколько сотен километров. Горизонтальное расстояние от станции до цели рассчитывается просто из того времени, которое истекает от инициации импульса до обнаружения сигнала возврата. Время преобразуется на расстояние путем умножения на скорость света в воздухе:

${\text{Distance}}=c{\frac {\Delta t}{2n}},$

где C = 299 792,458 км/с является скоростью света , а n ≈ 1.0003 - показатель преломления воздуха.

Если импульсы выпускаются слишком часто, возврат от одного импульса будет запутана с доходностью из предыдущих импульсов, что приведет к неправильным расчетам расстояния.

Определение высоты

Траката -лучевой путь с высотой

Поскольку Земля круглая, радиолокационный луч в вакууме будет подниматься в соответствии с обратной кривизны земли. Тем не менее, атмосфера имеет показатель преломления , который уменьшается с высотой из -за ее уменьшения плотности. Это слегка сгибает лучевую луча к земле и со стандартной атмосферой, это эквивалентно учитыванию, что кривизна луча составляет 4/3 фактической кривизны земли. В зависимости от угла высоты антенны и других соображений, можно использовать следующую формулу для расчета высоты цели над землей:

$H={\sqrt {r^{2}+(k_{e}a_{e})^{2}+2rk_{e}a_{e}\sin(\theta _{e})}}-k_{e}a_{e}+h_{a},$

где:

r = расстояние радар -нагрузка,

K _E = 4/3,

a _e = земли , радиус

θ _E = угол возвышения над радарным горизонтом ,

h _a = высота подачи над землей.

Сканированное объем с использованием нескольких углов возвышения

Сеть погодного радара использует серию типичных углов, которые устанавливаются в соответствии с ее потребностями. После каждого вращения сканирования высота антенны изменяется для следующего звучания. Этот сценарий будет повторяться на многих углах, чтобы сканировать весь объем воздуха вокруг радара в пределах максимального диапазона. Обычно стратегия сканирования завершается в течение 5-10 минут, чтобы иметь данные в пределах 15 км над землей и расстояние на 250 км от радара. Например, в Канаде погодные радары 5 см используют углы от 0,3 до 25 градусов. Сопровождающее изображение показывает сканированный объем при использовании нескольких углов. Из -за кривизны Земли и изменения индекса преломления высотой радар не может «увидеть» ниже высоты над землей минимального угла (показан зеленым) или ближе к радару, чем максимальный (показан как красный конус в Центр).

Калибровка интенсивности возврата

Поскольку цели не являются уникальными в каждом томе, радиолокационное уравнение должно быть разработано за пределами основного. Предполагая моностатический радар , где $G_{t}=A_{r}(\mathrm {or} \,G_{r})=G$:

$P_{r}=P_{t}{{G^{2}\lambda ^{2}\sigma } \over {{(4\pi )}^{3}R^{4}}}\propto {\frac {\sigma }{R^{4}}}$

где $\scriptstyle P_{r}$ Полученная власть, $\scriptstyle P_{t}$ является передаваемой энергией, $\scriptstyle G$ Является ли усиление передающей/приемной антенны, $\scriptstyle \lambda$ Радарная длина волны, $\scriptstyle \sigma$ это радарное поперечное сечение цели и $\scriptstyle R$ это расстояние от передатчика до цели.

В этом случае поперечные сечения всех целей должны быть суммированы:

$\sigma ={\bar {\sigma }}=V\sum \sigma _{j}=V\eta$

${\begin{cases}V\quad =\mathrm {scanned\,\,volume} \\\qquad =\mathrm {pulse\,\,length} \times \mathrm {beam\,\,width} \\\qquad ={\frac {c\tau }{2}}{\frac {\pi R^{2}\theta ^{2}}{4}}\end{cases}}$

где $\,c$ Скорость света, $\,\tau$ временная продолжительность пульса и $\,\theta$ ширина луча в радианах.

При объединении двух уравнений:

$P_{r}=P_{t}{{G^{2}\lambda ^{2}} \over {{(4\pi )}^{3}R^{4}}}{\frac {c\tau }{2}}{\frac {\pi R^{2}\theta ^{2}}{4}}\eta =P_{t}\tau G^{2}\lambda ^{2}\theta ^{2}{\frac {c}{512(\pi ^{2})}}{\frac {\eta }{R^{2}}}$

Что приводит к:

$P_{r}\propto {\frac {\eta }{R^{2}}}$

Возврат варьируется обратно пропорционально $\,R^{2}$ вместо $\,R^{4}$Полем Чтобы сравнить данные, поступающие с разных расстояний от радара, нужно нормализовать их с этим соотношением.

Типы данных

Отражательная способность

Возвращение эхо из целей (« отражательная способность ») анализируются на их интенсивности, чтобы установить скорость осадков в отсканированном объеме. Используемые длина волн (1–10 см) гарантируют, что этот возврат пропорциональна скорости, поскольку они находятся в пределах достоверности рассеяния Рэлея , которая утверждает, что цели должны быть намного меньше, чем длина волны сканирующей волны (на 10). Полем

Отражательная способность, воспринимаемая радаром (z _e ), варьируется в зависимости от шестой силы диаметра капель дождевых капель (d), квадрата диэлектрической проницаемости (k) целей и распределения размеров капли (например, Marshall- of Marshall- Палмер ) капель. Это дает усеченную гамма -функцию , формы:

$Z_{e}=\int _{0}^{Dmax}|K|^{2}N_{0}e^{-\Lambda D}D^{6}dD$

Скорость осадков (R), с другой стороны, равна количеству частиц, их объему и их скорости падения (V [D]) как:

$R=\int _{0}^{Dmax}N_{0}e^{-\Lambda D}{\pi D^{3} \over 6}v(D)dD$

Таким образом, z _e и r имеют аналогичные функции, которые могут быть разрешены путем обеспечения связи между двумя формами, называемыми соотношением Zr :

Z = ar ^{беременный}

Где A и B зависят от типа осадков (снег, дождь, конвективный или стратиформенный ), который имеет разные $\Lambda$, K, n ₀ и v.

• По мере того, как антенна сканирует атмосферу, на каждом угле азимута она получает определенную силу возврата от каждого типа целевой встречи. Отражательная способность затем усредняется для этой цели, чтобы иметь лучший набор данных.
• Поскольку изменение диаметра и диэлектрической постоянной целей может привести к большой изменчивости возврата мощности на радар, отражательная способность выражается в DBZ (в 10 раз больше логарифма соотношения эхо )

Как прочитать отражательную способность на радиолокационном дисплее

Цветовая шкала NWS.

Доходность радара обычно описывается цветом или уровнем. Цвета на радиолокационном изображении обычно варьируются от синего или зеленого для слабых возвращений, до красного или пурпутного для очень сильного возврата. Цифры в словесном отчете увеличиваются с серьезностью доходности. Например, национальные радарные сайты США Nexrad используют следующую шкалу для разных уровней отражательной способности:

• пурпурный: 65 дБц (чрезвычайно тяжелые осадки,> 16 в (410 мм) в час, но, вероятно, град)
• Красный: 50 дБц (тяжелые осадки 2 в (51 мм) в час)
• Желтый: 35 дБц (умеренное осаждение 0,25 дюйма (6,4 мм) в час)
• Зеленый: 20 дБц (световые осадки)

Сильные доходности (красный или пурпурный) могут указывать не только на сильный дождь, но и грозы, град, сильные ветры или торнадо, но и их нужно тщательно интерпретировать по причинам, описанным ниже.

Авиационные соглашения

При описании возврата погодного радара пилоты, диспетчеры и авиадиспетчеры обычно ссылаются на три уровня возврата:

• Уровень 1 соответствует возврату зеленого радара, что указывает на обычно легкое осаждение и практически без турбулентности, что приводит к возможности снижения видимости.
• Уровень 2 соответствует возврату желтого радара, указывающего на умеренное осаждение, что приводит к возможности очень низкой видимости, умеренной турбулентности и неудобной поездки для пассажиров самолетов.
• Уровень 3 соответствует возврату красного радара, что указывает на сильные осадки, что приводит к возможности гроз и сильной турбулентности и структурного повреждения самолета.

Самолет будет стараться избегать доходности 2 уровня, когда это возможно, и всегда будет избегать уровня 3, если только они не являются специально разработанными исследовательскими самолетами.

Типы осадков

Некоторые дисплеи, предоставленные коммерческими телевизионными магазинами (как местными, так и национальными веб -сайтами и погодными сайтами, такие как The Weather Channel и Accuweather , демонстрируют типы осадков в зимние месяцы: дождь, снег, смешанные осадки ( мокрый и замерзающий дождь ). Это не анализ самих радиолокационных данных, а после лечения, выполняемых с другими источниками данных, основными являются отчеты о поверхности ( Metar ).

По территории, покрытой радиолокационными эхом, программа назначает тип осадков в соответствии с температурой поверхности и точкой росы, о которой сообщается на основных погодных станциях . Типы осадков, сообщаемые эксплуатационными станциями человека, и некоторые автоматические ( AWO ) будут иметь больший вес. Затем программа выполняет интерполяции для создания изображения с определенными зонами. Они будут включать в себя ошибки интерполяции из -за расчета. Мезомасштабные вариации зон осадков также будут потеряны. Более сложные программы используют численные результаты прогнозирования погоды от моделей, таких как NAM и WRF , для типов осадков, и примените его в качестве первого предположения к радарным эхо, а затем используйте данные поверхности для окончательного вывода.

До тех пор, пока не будут широко доступны двойная поляризация ( поляризация разделения ниже), любые типы осадков на радиолокационных изображениях являются лишь косвенной информацией и должны рассматриваться с осторожностью.

Скорость

Идеализированный пример доплеровского вывода. Приближающиеся скорости в синем, а скорости отступают в красном. Обратите внимание на синусоидальное изменение скорости при обходе вокруг дисплея в определенном диапазоне.

См. Также: Радар с импульсом и доплеровским радаром

Осадки встречаются в облаках и ниже. Световые осадки, такие как капли и хлопья, подвержены воздушным течениям, а сканирование радара может поднять горизонтальный компонент этого движения, что дает возможность оценить скорость и направления ветра, где присутствует осадки.

Движение цели по сравнению с радиолокационной станцией вызывает изменение отраженной частоты радиолокационного импульса из -за эффекта допплера . Со скоростями менее 70 метров/секунд для погодного эхо и радара длины 10 см, это составляет только 0,1 ч/млн . Эта разница слишком мала, чтобы быть отмеченным электронными инструментами. Однако по мере того, как мишени слегка перемещаются между каждым импульсом, возвращаемая волна имеет заметную разность фаз или сдвиг фазы от импульса к импульсу.

Пульсная пара

Допплеровские погодные радары используют эту разность фазы (разница в парах импульсов) для расчета движения осадков. Интенсивность последовательно возвращающегося импульса из того же сканированного объема, где целевые показатели немного перемещены:

$I=I_{0}\sin \left({\frac {4\pi (x_{0}+v\Delta t)}{\lambda }}\right)=I_{0}\sin \left(\Theta _{0}+\Delta \Theta \right)\quad {\begin{cases}x={\text{distance from radar to target}}\\\lambda ={\text{radar wavelength}}\\\Delta t={\text{time between two pulses}}\end{cases}}$

Так $\Delta \Theta ={\frac {4\pi v\Delta t}{\lambda }}$В v = целевая скорость = ${\frac {\lambda \Delta \Theta }{4\pi \Delta t}}$Полем Эта скорость называется скоростью радиальной доплеров, потому что она дает только радиальное изменение расстояния в зависимости от времени между радаром и целью. Реальная скорость и направление движения должны быть извлечены процессом, описанным ниже.

Допплеровская дилемма

Максимальный диапазон от отражательной способности (красный) и однозначного диапазона скоростей доплеровского доплеровского

Фаза между парами пульсов может варьироваться от - $\pi$ и + $\pi$, таким образом, однозначный диапазон скорости допплера

V _max = $\pm$${\frac {\lambda }{4\Delta t}}$

Это называется Nyquist Selocity. Это обратно в зависимости от времени между последовательными импульсами: чем меньше интервал, тем больше - однозначный диапазон скоростей. Тем не менее, мы знаем, что максимальный диапазон от отражательной способности прямо пропорционален до $\Delta t$:

x = ${\frac {c\Delta t}{2}}$

Выбор становится увеличивающим диапазон от отражательной способности за счет диапазона скорости или увеличения последнего за счет диапазона от отражательной способности. В целом, полезный компромисс диапазона составляет 100–150 км для отражательной способности. Это означает, что для длины волны 5 см (как показано на диаграмме) однозначный диапазон скорости от 12,5 до 18,75 метра/второй получен (для 150 км и 100 км соответственно). Для радара 10 см, такого как Nexrad, однозначный диапазон скорости будет удвоен.

Некоторые методы, использующие две частоты повторения переменного пульса (PRF), позволяют больший диапазон допплера. Скорости, отмеченные с первой скоростью импульса, могут быть равными или различными со вторым. Например, если максимальная скорость с определенной скоростью составляет 10 метров/секунду, а один с другой скоростью - 15 м/с. Данные, поступающие из обоих, будут одинаковыми до 10 м/с и будут различаться после этого. Затем можно найти математическую связь между этими двумя возвратами и рассчитать реальную скорость за пределы ограничения двух PRF.

Допплеровская интерпретация

Радиальный компонент реальных ветров при сканировании на 360 градусов

В однородном ливне, движущемся на восток, радиолокационный луч, указывающий на запад, «увидит», что капли дождя движутся к себе, в то время как луч, указывающий на восток, «видит» капли, отодвигающиеся. Когда луч сканирует на севере или на юг, относительного движения не отмечается.

Синоптический

В интерпретации синоптических масштабов пользователь может извлечь ветер на разных уровнях по области охвата радиолокатора. Поскольку луч сканирует на 360 градусов вокруг радара, данные будут поступать со всех этих углах и будут радиальной проекцией фактического ветра под отдельным углом. Схема интенсивности, образованная этим сканированием, может быть представлена ​​косинусной кривой (максимум в движении осадков и ноль в перпендикулярном направлении). Затем можно рассчитать направление и прочность движения частиц, если на экране радара достаточно покрытия.

Однако капли дождя падают. Поскольку радар видит только радиальный компонент и имеет определенное повышение от земли, радиальные скорости загрязнены некоторой доли падения. Этот компонент незначителен под небольшими углами высоты, но должен учитываться за более высокие углы сканирования.

Мезо шкала

В данных скорости могут быть меньшие зоны в охвате радара, где ветер варьируется от упомянутого выше. Например, гроза представляет собой мезомасштабное явление, которое часто включает в себя вращения и турбулентность . Они могут покрывать только несколько квадратных километров, но видны вариациями радиальной скорости. Пользователи могут распознавать паттерны скорости у ветра, связанного с вращениями, такими как мезоциклон , конвергенция ( граница оттока ) и дивергенция ( опускание ).

Поляризация

Нацеливание с двойной поляризацией выявит форму капли

Капли падающей жидкой воды, как правило, имеют большую горизонтальную ось из -за коэффициента сопротивления воздуха во время падения (капли воды). воды молекулы Это приводит к тому, что диполь будет ориентироваться в этом направлении; Таким образом, радиолокационные балки, как правило, поляризованы горизонтально, чтобы получить максимальное отражение сигнала.

Если два импульса отправляются одновременно с ортогональной поляризацией (вертикальная и горизонтальная, z _v и z _H соответственно), будут получены два независимых набора данных. Эти сигналы можно сравнить несколькими полезными способами:

• способность ( z _DR ) - Дифференциальная отражательная способность пропорциональна соотношению отраженного горизонтальной и вертикальной мощности возврата при z _H / z _V. Дифференциальная отражательная Среди прочего, это хороший показатель формы капель. Дифференциальная отражательная способность также может обеспечить оценку среднего размера капель, так как большие падения в большей степени подвержены деформации аэродинамическими силами, чем меньшие (то есть более крупные падения чаще становятся «гамбургерной булочкой»), поскольку они проходят через воздух.
• Коэффициент корреляции ( ρ _HV ) - статистическая корреляция между отраженным горизонтальным и вертикальным возвратом мощности. Высокие значения, близкие, указывают на гомогенные типы осадков, в то время как более низкие значения указывают на области смешанных типов осадков, такие как дождь и снег, или град, или в крайних случаях, что обломки, обычно совпадающие с сигнатурой мусора торнадо и сигнатурой визор визок торнадо .
• Линейная коэффициент деполяризации ( LDR ) - это отношение вертикальной мощности возврата от горизонтального импульса или горизонтальной мощности возврата от вертикального импульса. Это также может указывать области, где есть смесь типов осадков.
• Дифференциальная фаза ( $\Phi _{dp}$) - Дифференциальная фаза представляет собой сравнение возвращаемой разности фаз между горизонтальными и вертикальными импульсами. Это изменение в фазе вызвано разницей в количестве волновых циклов (или длинах волн) вдоль пути распространения для горизонтальных и вертикально поляризованных волн. Его не следует путать со сдвигом частоты допплера, который вызван движением облаков и частиц осадков. В отличие от дифференциальной отражательной способности, коэффициента корреляции и коэффициента линейной деполяризации, которые зависят от отраженной силы, дифференциальная фаза представляет собой «эффект распространения». Это очень хорошая оценка скорости дождя и не зависит от затухания . Разделение диапазона дифференциальной фазы (специфическая дифференциальная фаза, K _DP ) может быть использована для локализации областей сильного осаждения/ослабления.

Благодаря дополнительной информации о форме частиц, радары с двойным поляризацией могут легче отличать воздухозащитный мусор от осадков, что облегчает местонахождение торнадо .

Благодаря этим новым знаниям, добавленным к отражательной способности, скорости и ширине спектра, создаваемым допплеровщими погодными радарами, исследователи работают над разработкой алгоритмов для дифференциации типов осадков, немтеорологических целей и для получения лучших оценок накопления осадков. В США NCAR и NSSL были мировыми лидерами в этой области.

NOAA установила тестовое развертывание для двойного полимполаметрического радара в NSSL и оборудовал все свои 10-сантиметровые радары Nexrad с двойной поляризацией, которая была завершена в апреле 2013 года. В 2004 году погодный радар до допплера в Хантсвилле, штат Алабама, был оснащен приемником с антенной сигмета, предоставляя оператору двойные полиполорметрические возможности. Университет МакГилла Дж. С. Маршалл Радарная обсерватория в Монреале , Канада, преобразовала свой инструмент (1999) и данные использовались оперативно окружающей средой Канады в Монреале до ее закрытия в 2018 году. Другая окружающая среда Канада в Кинг-Сити (к северу от Торонто ) была двойной поляризованной в 2005 году; Он использует длину волны 5 см, которая испытывает большую затухание . Environment Canada отлично преобразует все свои радары в двойную поляризацию. Météo-France планирует включить двойной допплеровский радар в свой сетевой охват.

Методы дисплея радара

Различные методы отображения данных из радиолокационных сканирований были разработаны с течением времени для удовлетворения потребностей его пользователей. Это список общих и специализированных дисплеев:

Индикатор положения плана

Основная статья: Индикатор позиции плана

Громовая линия, просмотренная в отражательной способности (DBZ) на PPI

Поскольку данные получают по одному углу за раз, первым способом отображения его был индикатор положения плана (PPI), который является лишь макетом возврата радара на двухмерном изображении. Важно отметить, что данные, поступающие от разных расстояний до радара, находятся на разных высотах над землей.

Это очень важно, так как высокая скорость дождя, наблюдаемая вблизи радара, относительно близка к тому, что достигает земли, но то, что видно с 160 км, примерно на 1,5 км над землей и может сильно отличаться от количества, достигающего поверхности. Таким образом, трудно сравнивать погодные эхо на разных расстояниях от радара.

ИПП влияют на наземные эхо вблизи радара. Это может быть неверно истолковано как реальное эхо. Другие продукты и дальнейшие обработки данных были разработаны, чтобы дополнить такие недостатки.

Использование: отражательная способность, доплеровские и поляриметрические данные могут использовать PPI.

В случае доплеровских данных возможны две точки зрения: относительно поверхности или шторма. Если посмотреть на общее движение дождя, чтобы извлечь ветер на разных высотах, лучше использовать данные относительно радара. Но при поиске вращения или сдвига ветра под грозой, лучше использовать относительные образы шторма, которые вычитают общее движение осадков, оставляя пользователя, чтобы увидеть движение воздуха, как будто он будет сидеть на облаке.

Индикатор положения плана постоянной высоты

Типичные углы отсканированы в Канаде. Зигзаги представляют углы данных, используемые для создания капписа на уровне 1,5 км и 4 км высоты.

Основная статья: Индикатор положения плана постоянной высоты

Чтобы избежать некоторых задач PPI, канадские исследователи разработали индикатор положения плана постоянной высоты (CAPPI). Это горизонтальный поперечный сечение с помощью радиолокационных данных. Таким образом, можно сравнить осадки на равном месте на расстоянии рада от радара и избежать наземных эхо. Хотя данные взяты на определенной высоте над землей, можно вывести отношение между отчетами наземных станций и данными радаров.

Каппис призывает к большому количеству углов от горизонтального до почти вертикали радара, чтобы иметь разрез, которая находится как можно ближе на всех расстояниях до необходимой высоты. Даже тогда, после определенного расстояния, не доступен какого -либо угла, и CAPPI становится PPI с самым низким углом. Зигзагская линия на диаграмме углов выше показывает данные, используемые для получения каппиписа высоты 1,5 км и 4 км. Обратите внимание, что раздел после 120 км использует те же данные.

Использование

Поскольку CAPPI использует ближайший угол к желаемой высоте в каждой точке от радара, данные могут происходить из немного разных высот, как видно на изображении, в разных точках охвата радара. Поэтому крайне важно иметь достаточно большое количество углов звучания, чтобы минимизировать это изменение высоты. Кроме того, тип данных должен относительно постепенно изменяться с высотой, чтобы создать изображение, которое не шумно.

Данные о отражательной способности относительно плавны с высотой, Cappis в основном используются для их отображения. Данные о скорости, с другой стороны, могут быстро измениться в направлении с высотой, и их каппис не распространены. Похоже, что только Университет Макгилла производит регулярно доплеровский каппис с 24 углами, доступными на их радаре. Тем не менее, некоторые исследователи опубликовали статьи с использованием Velocity Cappis для изучения тропических циклонов и разработки продуктов Nexrad . Наконец, поляриметрические данные являются недавними и часто шумными. Похоже, что для них нет регулярного использования CAPPI, хотя компания Sigmet предлагает программное обеспечение, способное создавать эти типы изображений.

Вертикальный состав

Базовый PPI против композита.

Основная статья: составная отражательная способность

Другим решением задач PPI является создание изображений максимальной отражательной способности в слое над землей. Это решение обычно принимается, когда количество доступных углов является небольшим или переменным. Американская национальная служба погоды использует такой композит, поскольку их схема сканирования может варьироваться от 4 до 14 углов, в соответствии с их потребностями, что сделает очень грубые каппис. Композит гарантирует, что в слое не пропускается сильное эхо, а обработка с использованием допплеровских скоростей устраняет эхо из земли. Сравнивая базовые и композитные продукты, можно найти Virga и Applafts зоны .

Скопления

Смотрите также: дождь

Накопление дождя на 24 часа на радаре Валь Д'Рер в Восточной Канаде. Обратите внимание на зоны без данных на востоке и юго -западе, вызванных блокированием радиолокационного луча из гор.

Другим важным использованием радиолокационных данных является способность оценивать количество осадков, которые упали на большие бассейны, которые будут использоваться в гидрологических расчетах; Такие данные полезны для борьбы с наводнениями, управления канализацией и строительства плотины. Вычисленные данные из радарной погоды могут использоваться в сочетании с данными из наземных станций.

Чтобы получить накопление радаров, мы должны оценить скорость дождя по точке по среднему значению по этой точке между одним PPI или CAPPI, и следующим; Затем умножьте время между этими изображениями. Если кто -то хочет в течение более длительного периода времени, в течение этого времени нужно добавить все накопления от изображения до изображения.

Эхотопы

Авиация является тяжелым пользователем радиолокационных данных. Одна карта, особенно важная в этой области, - это эхотопы для планирования полета и предотвращения опасной погоды. Большинство радаров в стране сканируют достаточно углов, чтобы иметь 3D -набор данных по области охвата. Относительно легко оценить максимальную высоту, на которой осадки находятся в объеме. Тем не менее, это не вершины облаков, так как они всегда простираются выше осадков.

Вертикальные поперечные сечения

Вертикальное поперечное сечение.

Чтобы узнать вертикальную структуру облаков, в частности грозы или уровень плавильного слоя, метеорологам доступен вертикальный продукт поперечного сечения радиолокационных данных. Это делается путем отображения только данных вдоль линии, от координат A до B, взятых под сканированными разными углами.

Индикатор высоты диапазона

Изображение RHI.

Когда погодный радар сканирует только по вертикальной оси, он может получить гораздо более высокие данные о разрешении, чем с помощью составной вертикальной срезы с использованием комбинированных наклонов PPI. Этот вывод называется индикатором высоты диапазона (RHI), который отлично подходит для просмотра детальной вертикальной структуры шторма меньшего масштаба. Как уже упоминалось, это отличается от вертикального поперечного сечения, упомянутого выше, а именно из -за того, что радиолокационная антенна сканирует исключительно вертикально и не сканирует все 360 градусов вокруг сайта. Этот вид продукта обычно доступен только на исследовательских радарах.

Радарные сети

Беррима радар в Дарвине, северная территория Австралия

За последние несколько десятилетий радиолокационные сети были расширены, чтобы позволить производству составных видов, покрывающих большие площади. Например, такие страны, как Соединенные Штаты, Канада, Австралия, Япония и большая часть Европы, объединяют изображения из своей радиолокационной сети в единственном дисплее.

Фактически, такая сеть может состоять из разных типов радара с различными характеристиками, такими как ширина луча, длина волны и калибровку. Эти различия должны быть приняты во внимание при сопоставлении данных в сети, особенно при принятии решения о том, какие данные использовать, когда два радара охватывают одну и ту же точку. Если кто -то использует более сильное эхо, но оно происходит от самого отдаленного радара, человек использует доходность, которые находятся от более высокой высоты от дождя или снега, которые могут испаряться до достижения земли ( Virga ). Если кто -то использует данные из ближайшего радара, это может быть ослаблено, проходя через грозу. Составные изображения осадков с использованием сети радаров сделаны с учетом всех этих ограничений.

Автоматические алгоритмы

Квадрат на этом изображении допплера была автоматически размещена радарной программой, чтобы определить положение мезоциклона . Обратите внимание на входящее/исходящее дублет (синий/желтый) с линией нулевой скорости (серой), параллельной радиальной с радаром (вправо). Следует отметить, что изменение направления ветра здесь происходит менее чем на 10 км.

Чтобы помочь метеорологам определить опасную погоду, в программах лечения метеорологических радаров были введены математические алгоритмы. Они особенно важны при анализе данных о скорости доплеров, поскольку они более сложные. Данные поляризации даже понадобятся больше алгоритмов.

Основные алгоритмы для отражательной способности:

• Вертикально интегрированная жидкость (VIL) является оценкой общей массы осадков в облаках.
• Плотность VIL имеет делитель на высоту облачного вершины. Это ключ к возможности большого града в грозах.
• Потенциальный порыв ветра , который может оценить ветры под облаком (нисходящим поездкам), используя VIL и высоту эхотопов (радарная вершина облака) для данной штормовой ячейки.
• Алгоритмы приветствуются , которые оценивают наличие града и его вероятного размера.

Основные алгоритмы для доплеровских скоростей:

• Обнаружение мезоциклона : запускается изменением скорости в небольшой круглой области. Алгоритм ищет « дублет » входящих/исходящих скоростей с нулевой линией скоростей, между ними, вдоль радиальной линии от радара. Обычно обнаружение мезоциклона должно быть обнаружено на двух или более сложенных прогрессивных наклонах луча, чтобы быть значимыми для вращения в облако грозы.
• Телевизор или алгоритм подписи вихря торнадо, по сути, является мезоциклоном с большим порогом скорости, обнаруженным во многих углах сканирования. Этот алгоритм используется в Nexrad, чтобы указать возможность формирования торнадо.
• Сдвиг ветра в низких уровнях. Этот алгоритм обнаруживает изменение скоростей ветра от точки к точке в данных и ищет дублет из входящих/исходящих скоростей с нулевой линией, перпендикулярной радиолокационным пучком. Сдвиг ветра связан с нисходящим поездом ( Howngrest и Microburst ), фронтами порыва и турбулентностью под грозами.
• VAD Wind Profile (VWP) - это дисплей, который оценивает направление и скорость горизонтального ветра на различных верхних уровнях атмосферы, используя методику, объясненную в разделе Doppler.

Анимация

Цикл отражательной способности PPI (в DBZ), показывающий эволюцию урагана

Анимация радиолокационных продуктов может показать эволюцию отражательной способности и схемы скорости. Пользователь может извлечь информацию о динамике метеорологических явлений, включая способность экстраполировать движение и наблюдать за развитием или рассеянием. Это также может выявить немтеорологические артефакты (ложные эхо), которые будут обсуждаться позже.

Интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами

Map of the Ridge Presentation 2011 Joplin Tornado .

Новая популярная презентация данных о погодных радиолокаторах в Соединенных Штатах - через интегрированный дисплей с радаром с геопространственными элементами (Ridge), в котором радарные данные проецируются на карте с геопространственными элементами, такими как топографические карты, автомагистрали, границы штата/округа и предупреждения о погоде. Проекция часто является гибкой, давая пользователю выбор различных географических элементов. Он часто используется в сочетании с анимацией радиолокационных данных в течение периода времени.

Ограничения и артефакты

Интерпретация радиолокационных данных зависит от многих гипотез об атмосфере и погодных целях, включая:

• Международная стандартная атмосфера .
• Целевые предназначены достаточно малыми, чтобы подчиняться рассеянию Рэлея, в результате чего возврат пропорциональна скорости осадков.
• Объем, отсканированный пучком, полон метеорологических мишеней (дождь, снег и т. Д.), Все одинаковое сорт и в равномерной концентрации.
• Нет затухания
• Нет усиления
• Возвращение из боковых лепесток луча незначительны.
• Луч близка к гауссовой кривой функции с уменьшением мощности до половины на половину ширины.
• Уходящие и возвращающиеся волны аналогично поляризованы.
• Нет возврата от многочисленных отражений.

Эти предположения не всегда встречаются; Нужно иметь возможность различать надежные и сомнительные отголоски.

Аномальное распространение (нестандартная атмосфера)

Основная статья: аномальное распространение

Первое предположение состоит в том, что радиолокационный луч движется через воздух, который охлаждается с определенной скоростью с высотой. Положение отголовок в значительной степени зависит от этой гипотезы. Тем не менее, настоящая атмосфера может сильно отличаться от нормы.

Супер преломление

Основная статья: Супер преломление

Температурные инверсии часто образуются возле земли, например, в результате воздушного охлаждения ночью, оставаясь теплым. По мере того, как индекс преломления воздуха уменьшается быстрее, чем обычно, лучевая луча изгибается к земле, а не продолжается вверх. В конце концов он попадет на землю и будет отражена обратно в сторону радара. Программа обработки затем ошибочно поместит возврат эхо на высоте и расстоянии, что было бы в нормальных условиях.

Этот тип ложного возврата относительно легко обнаружить в временной цикле, если это связано с ночным охлаждением или морской инверсией, поскольку можно увидеть очень сильные эхо, развивающиеся в области, распространяющиеся по размеру, но не движутся и сильно различаются в интенсивности. Тем не менее, инверсия температуры существует перед теплыми фронтами , а аномальное эхо -размножение затем смешивается с реальным дождем.

Чрезвычайность этой проблемы заключается в том, что когда инверсия очень сильная и мелкая, радиолокационная луча много раз отражается в направлении земли, поскольку она должна следовать по волноводному пути. Это создаст несколько полос сильных эхо на радиолокационных изображениях.

Эта ситуация можно найти с помощью инверсий температуры вверх или быстрого уменьшения влаги с высотой. В первом случае это может быть трудно заметить.

Под преломлением

С другой стороны, если воздух нестабилен и охлаждается быстрее, чем стандартная атмосфера с высотой, луч заканчивается выше, чем ожидалось. Это указывает на то, что осаждение происходит выше фактической высоты. Такая ошибка трудно обнаружить без дополнительных данных о скорости температуры для области.

Не-растильные цели

Если мы хотим надежно оценить скорость осадков, цели должны быть в 10 раз меньше радиолокационной волны в соответствии с рассеянием Рэлея. Это связано с тем, что молекула воды должна быть возбуждена радиолокационной волной, чтобы дать возврат. Это относительно верно для дождя или снега, поскольку обычно используются радары длины волны 5 или 10 см.

Однако для очень больших гидромететоров, поскольку длина волны находится на порядок камня, возвращение уровня в соответствии с теорией MIE . Возврат более 55 дБт, вероятно, будет исходить от града, но не будет варьироваться пропорционально от размера. С другой стороны, очень маленькие цели, такие как капли облаков, слишком малы, чтобы быть взволнованными, и не дают записи отдачи на общие погодные радары.

Разрешение и частично заполненный сканированный объем

Профилировщик высокого разрешения вида грозы (вверху) и погодным радаром (внизу).

Суперяпечная гроза, наблюдаемая из двух радаров, почти колокат. Верхнее изображение от TDWR и нижнего от Nexrad .

Как показано в начале статьи, радиолокационные лучи имеют физическое измерение, а данные отображаются под дискретными углами, а не непрерывно, вдоль каждого угла возвышения. Это приводит к усреднению значений доходности для отражательной способности, скоростей и данных поляризации при сканировании объема разрешения.

На фигуре слева наверху вид грозы, взятый ветровым профилировщиком, когда он проходил над головой. Это похоже на вертикальное поперечное сечение через облако с 150-метровым вертикальным и 30-метровым горизонтальным разрешением. Отражательная способность имеет большие изменения на небольшом расстоянии. Сравните это с моделируемым представлением о том, что будет видеть обычный погодный радар на 60 км в нижней части фигуры. Все было сглажено. Не только более грубое разрешение радара размыла изображение, но и звучание включает в себя область, которая не содержит эхо, протягивая грозу за пределами его реальных границ.

Это показывает, как выходной радар является только приближением реальности. Изображение вправо сравнивает реальные данные из двух радаров, почти совместных. TDWR луча другого, и один может увидеть вдвое больше деталей , имеет около половины пропускной стороны чем с Nexrad.

Разрешение может быть улучшено более новым оборудованием, но некоторые вещи не могут. Как упоминалось ранее, сканированный объем увеличивается с расстоянием, поэтому вероятность того, что луч заполняется лишь частично, также увеличивается. Это приводит к недооценке скорости осадков на больших расстояниях и обманывает пользователя, думая, что дождь легче, когда он уходит.

Геометрия луча

Радар -луч имеет распределение энергии, аналогичное дифракционной картине света, проходящего через щель. Это связано с тем, что волна передается на параболическую антенну через щель в волновой гибели в фокусной точке. Большая часть энергии находится в центре луча и уменьшается вдоль кривой, близкой к гауссовой функции с каждой стороны. Тем не менее, существуют вторичные пики излучения, которые пробудут цели в неагпах от центра. Дизайнеры пытаются минимизировать мощность, передаваемую такими долями, но они не могут быть устранены.

Когда вторичная доля достигает отражающей цели, такой как гора или сильная гроза, часть энергии отражается на радаре. Эта энергия относительно слаба, но приходит в то же время, когда центральный пик освещает другой азимут. Таким образом, эхо неуместно в рамках программы обработки. Это приводит к фактическому расширению реального эха погоды, делая размазывание более слабых значений на каждой его стороне. Это заставляет пользователя переоценить степень реальных эхо.

Идеализированное распределение энергии радиолокационного луча (центральная доля в 0 и вторичные доли с каждой стороны)

Дифракция с помощью круглой щельной щели, имитирующей энергию, просматривая погодные мишени

Сильные эхо - это возврат центрального пика радара из серии небольших холмов (желтые и красные пиксели ). Более слабые эхо с каждой стороны из них из вторичных лепестков (синие и зеленые)

Непогодные цели

В небе больше дождя и снега. Другие объекты могут быть неверно истолкованы как дождь или снег по погодным радарам. Насекомые и членистоногие охватывают преобладающие ветры, в то время как птицы следуют за своим собственным курсом. Таким образом, схемы тонкой линии в раданых изображениях погодных радаров, связанных с сходящимися ветрами, преобладают доходность насекомых. Миграция птиц, которая, как правило, происходит в течение ночи в самых низких 2000 метрах атмосферы Земли , загрязняет профили ветра, собранные погодным радаром, особенно WSR-88D , за счет увеличения возврата ветра окружающей среды на 30–60 км/ч. Другие объекты в радарных изображениях включают в себя:

• Тонкие металлические полоски ( чаф ), упавшие в военные самолеты, чтобы обмануть врагов.
• Сплошные препятствия, такие как горы, здания и самолеты.
• Земля и морской беспорядок.
• Размышления от близлежащих зданий («Городские шипы»).

Такие посторонние объекты имеют характеристики, которые позволяют обученному глазу различать их. Также возможно устранить некоторые из них с помощью после обработки данных с использованием отражательной способности, допплера и данных поляризации.

Ветряные фермы

Отражательная способность (слева) и радиальные скорости (справа) к юго -востоку от погодного радара Nexrad. Эхо в кругах из ветряной фермы.

Вращающиеся лопасти ветряных мельниц на современных ветряных фермах могут вернуть радиолокационную лучу в радар, если они находятся на его пути. Поскольку лезвия движутся, эхо будут иметь скорость и могут быть приняты за реальные осадки. Чем ближе ветряная ферма, тем сильнее возвращение и комбинированный сигнал от многих башен сильнее. В некоторых условиях радар может даже видеть в направлении скоростей и отъезда, которые генерируют ложные срабатывания для алгоритма подписи вихря торнадо на погодном радаре; Такое событие произошло в 2009 году в Додж -Сити, штат Канзас .

Как и в случае с другими структурами, которые стоят в луче, ослабление радарных доходов из -за ветряных мельниц также может привести к недооценке.

Затухание

Пример сильного затухания, когда линия грозы перемещается (слева направо к правым изображениям) 5 -сантиметровый радар с длиной волны (красная стрелка). Источник: окружающая среда Канада

Микроволны, используемые в погодных радарах, могут быть поглощены дождем, в зависимости от используемой длины волны. Для радаров 10 см это затухание незначительно. Вот почему страны с высоким содержанием воды используют длину волны 10 см, например, Nexrad США. Стоимость более крупной антенны, Клистрона и другого связанного оборудования компенсируется этим преимуществом.

Для радара 5 см поглощение становится важным в сильном дожде, и это затухание приводит к недооценке эхо в и за его пределами. Канада и другие северные страны используют этот менее дорогостоящий радар, так как осадки в таких областях обычно менее интенсивны. Однако пользователи должны учитывать эту характеристику при интерпретации данных. Изображения выше показывают, как сильная линия эхо, кажется, исчезает, когда он движется через радар. Чтобы компенсировать это поведение, радиолокационные сайты часто выбираются для некоторого перекрытия в охвате, чтобы дать различные точки зрения на одни и те же штормы.

Более короткие длины волн еще более ослаблены и полезны только на коротком расстоянии радар. Многие телевизионные станции в Соединенных Штатах имеют 5 см радаров, чтобы покрыть область их аудитории. Знание их ограничений и использование их с помощью местного Nexrad может дополнить данные, доступные метеорологу.

Из-за распространения радиолокационных систем с двойной поляризацией, надежные и эффективные подходы к компенсации за ослабление дождя в настоящее время реализуются операционными службами погоды. Коррекция затухания в погодных радарах для снежных частиц является активной темой исследования.

Яркая группа

Каппи высота 1,5 км наверху с сильным загрязнением от яркой полосы (желтые). Вертикальный разрез внизу показывает, что этот сильный возврат находится только над землей.

Отражательная способность радиолокационного луча зависит от диаметра цели и его способности задуматься. Снежинки большие, но слабо отражающие, в то время как капли дождя маленькие, но очень отражающие.

Когда снег падает через слой над температурой нуля, он тает в дождь. Используя уравнение отражательной способности, можно продемонстрировать, что доходность от снега до плавления и дождя после, не слишком отличается, так как изменение диэлектрической постоянной компенсирует изменение размера. Однако во время процесса плавления радиолокационная волна «видит» что -то похожее на очень большие капли, когда снежные хлопья покрываются водой.

Это дает увеличенную доходность, которая может быть принята за более сильные осадки. На PPI это будет отображаться как интенсивное кольцо осадков на высоте, где луча пересекает уровень плавления, находясь на серии капписа, только те, которые рядом с этим уровнем будут иметь более сильные эхо. Хороший способ подтвердить яркую полосу - сделать вертикальный поперечный сечение через данные, как показано на рисунке выше.

Противоположная проблема заключается в том, что сбивание (осаждение с небольшим диаметром капель воды), как правило, не появляется на радаре, потому что доходность радара пропорциональна шестой мощности диаметра капель.

Многочисленные размышления

Рассеяние с тремя телами.

Основная статья: три рассеяния тела

Предполагается, что луч поражает погодные цели и возвращается непосредственно на радар. На самом деле, во всех направлениях отражается энергия. Большая часть этого слаба, и множественные отражения уменьшают его еще дальше, поэтому то, что в конечном итоге может вернуться на радар с такого события, незначительно. Тем не менее, некоторые ситуации позволяют получить радар-луча с множественной оболочкой радиолокационной антенной. Например, когда луча попадает в град, энергия, распространяющаяся в направлении влажной земли, будет отражена обратно в град, а затем к радару. Полученное эхо является слабым, но заметным. Из -за дополнительной длины пути он должен пройти, он прибывает позже на антенну и помещается дальше, чем его источник. Это дает своего рода треугольник ложных слабых отражений, расположенных радиально за градом.

Решения и будущие решения

Фильтрация

Радар изображение отражательной способности со многими непогодными эхом.

То же изображение, но очищается с использованием доплеровских скоростей.

Эти два изображения показывают, что можно достичь, чтобы очистить радиолокационные данные. На первом изображении, сделанном из необработанного возврата, трудно различить реальную погоду. Поскольку дождь и снежные облака обычно движутся, доплеровские скорости могут использоваться для устранения значительной части беспорядка (наземные эхо, отражения от зданий, рассматриваемых как городские шипы, аномальное распространение). Другое изображение было отфильтровано с использованием этого свойства.

Однако не все немтеорологические цели остаются неподвижными (птицы, насекомые, пыль). Другие, такие как яркая полоса, зависят от структуры осадков. Поляризация предлагает прямое печатание эхо, которые можно использовать для фильтрации более ложных данных или производства отдельных изображений для специализированных целей, таких как беспорядок, птицы и т. Д. Подмножества.

Мезонет

Поэтапный радар с фазированным массивом в Нормане, штат Оклахома

Другой вопрос - резолюция. Как уже упоминалось, радиолокационные данные - это среднее из сканированного объема по лучу. Разрешение может быть улучшено с помощью больших антенн или более плотных сетей. Программа Центра совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA) направлена ​​на то, чтобы дополнить обычный Nexrad (сеть в Соединенных Штатах) с использованием множества низко стоимости x-диапазона (3 см) погодных радаров, установленных на сотовых телефонных башнях. Эти радары подразделяют большую площадь Nexrad на более мелкие домены, чтобы посмотреть на высоты под его самым низким углом. Они дадут подробности, недоступные иначе.

Используя радары 3 см, антенна каждого радара мала (диаметр около 1 метра), но разрешение одинаково на коротком расстоянии до Nexrad. Затухание является значительным из -за используемой длины волны, но каждая точка в области покрытия наблюдается многими радарами, каждый просмотр с другого направления и компенсация данных, потерянных от других.

Стратегии сканирования

Количество отсканированных высот и время, затрачиваемое на полный цикл, зависят от погоды. Например, при незначительном или без осадков схема может быть ограничена самыми низкими углами и использовать более длинные импульсы для обнаружения сдвига ветра вблизи поверхности. С другой стороны, для сильной грозы лучше сканировать большой диапазон углов, чтобы иметь трехмерный вид на осадки как можно чаще. Чтобы смягчить различные требования, стратегии сканирования были разработаны в соответствии с типом радара, используемой длиной волны и наиболее распространенными погодными ситуациями в рассмотренной области.

Один из примеров стратегий сканирования предлагается радарная сеть США Nexrad , которая развивалась с течением времени. В 2008 году он добавил дополнительное разрешение данных, А в 2014 году дополнительное внутрициклевое сканирование высоты на самом низком уровне ( мезоилы ).

Электронное звучание

См. Также: Многофункциональный радар с поэтапным массивом

Своевременность также нуждается в улучшении. За 5-10 минут между полным сканированием погодного радара много данных теряется по мере развития грозы. Радар с поэтапной марией проверяется в Национальной лаборатории тяжелых штормов в Нормане, штат Оклахома , для ускорения сбора данных. Команда в Японии также развернула радар с фазированной магистрали для 3D Nowcasting в Институте вычислительной науки Riken Advanced по вычислительной науке (AICS).

Специализированные приложения

Global Express Weather Radar с Radome Up

Авионика Погодного радара

Нанесение самолетов радиолокационных систем включает в себя погодную радар, предотвращение столкновений, отслеживание целей, близость земли и другие системы. Для коммерческого погодного радара ARINC 708 является основной спецификацией для систем погодных радаров с использованием воздушного импульсного радара .

Антенны

В отличие от наземного погодного радара, который устанавливается под фиксированным углом, воздушный радар, погодного радара используется из носа или крыла самолета. Мало того, что самолет будет двигаться вверх, вниз, влево и вправо, но и будет катиться. Чтобы компенсировать это, антенна связана и откалибрована с вертикальным гироскопом , расположенным на самолете. Делая это, пилот может установить шаг или угол на антенну, которая позволит стабилизатору сохранить антенну, направленную в правильном направлении при умеренных маневрах. Небольшие сервоприводы не смогут не отставать от резких маневров, но это попытается. Делая это, пилот может регулировать радар, чтобы он указывал на интересующую систему погоды. Если самолет находится на низкой высоте, пилот захочет установить радар над линией горизонта, чтобы на дисплее был сведен к минимуму беспорядок. Если самолет находится на очень высокой высоте, пилот установит радар под низким или отрицательным углом, чтобы указать радар к облакам, где бы они ни были относительно самолета. Если самолет изменяет отношение, стабилизатор будет соответствующим образом настроен, чтобы пилот не должен летать одной рукой и регулировать радар с другой.

Приемники/передатчики

Есть две основные системы при разговоре о приемнике/передатчике: первым является мощные системы, а вторая-это системы с низким содержанием; Оба из которых работают в диапазоне частот X (8000-12 500 МГц). Мощные системы работают в 10 000-60 000 Вт. Эти системы состоят из магнитронов, которые достаточно дороги (приблизительно 1700 долл. США) и допускают значительный шум из -за нарушений с системой. Таким образом, эти системы очень опасны для артирования и не являются безопасными для использования вокруг наземного персонала. Тем не менее, альтернативой будут системы с низким энергопотреблением. Эти системы работают 100-200 Вт и требуют комбинации приемников с высоким усилением, сигнальных микропроцессоров и транзисторов для работы так же эффективно, как и мощные системы. Сложные микропроцессоры помогают устранить шум, обеспечивая более точное и подробное описание неба. Кроме того, поскольку в системе меньше нерегулярностей, для обнаружения турбулентности можно использовать радары с низким содержанием мощных сил. Поскольку системы с низким содержанием работы работают при значительной менее мощности, они безопасны от Арсинг и может использоваться практически все время.

Отслеживание грозы

Основная статья: Nowcasting

Светает линейку грозы из Autonowcaster системы

Цифровые радиолокационные системы имеют возможности далеко за пределами своих предшественников. Они предлагают наблюдение за отслеживанием грозы , которое дает пользователям возможность получать подробную информацию о том, как каждое штормовое облако отслеживается. Грозы идентифицируются путем сопоставления необработанных данных осадков, полученных от радиолокационного импульса, с предварительно запрограммированным шаблоном. Для того чтобы гроза была подтверждена, она должна соответствовать строгим определениям интенсивности и формы, чтобы отличить его от неконфектного облака. Обычно он должен показывать признаки горизонтальной организации и вертикальной непрерывности: и иметь ядро ​​или более интенсивный центр, идентифицированный и отслеживаемый цифровыми радарными трекерами . После того, как ячейка грозы идентифицирована, скорость, расстояние, направление и предполагаемое время прибытия (ETA) все отслеживаются и записаны.

Допплеровский радар и миграция птиц

Использование допплеровского погодного радара не ограничивается определением местоположения и скорости осадков . может отслеживать миграцию птиц Он также (раздел непогодных целей ). Радиоволны бабочки от радаров отскакивают как от дождя, так и птиц (или даже насекомых, таких как ) . США сообщила, что на радарах появляются перелеты птиц в качестве облаков, а затем исчезают, когда птицы приземляются. Национальная служба погоды Например, Национальная служба погоды США Сент -Луис даже сообщила о бабочках монарха, появляющихся на своих радарах.

Различные программы в Северной Америке используют регулярные погодные радары и специализированные радиолокационные данные для определения пути, высоты полета и сроков миграций. Это полезная информация при планировании размещения и эксплуатации на ферме ветряной мельницы , чтобы уменьшить погибшие на птицах, повышение безопасности авиации и другого управления дикой природой. В Европе были схожие события и даже комплексная прогнозная программа для безопасности авиации, основанная на обнаружении радара.

Метеорит обнаружение падения

NOAA NEXRAD RADAR Изображение парка Леса, IL, Метеорит Падение от 26 марта 2003 года.

Изображение показывает парк Форест, штат Иллинойс, Метеорит Падение , которое произошло 26 марта 2003 года. Красно-зеленое особенность в левом верхнем левом центр. Смешанные красные и зеленые пиксели указывают на турбулентность, в данном случае, возникающих в результате пробуждения падающих, высокоскоростных метеоритов.

По данным Американского метеорного общества , падения метеорита встречаются ежедневно где -то на Земле. Тем не менее, база данных всемирного метеорита-водопада поддерживается метеоритическим обществом, как правило, регистрирует только около 10-15 новых метеоритных водопадов в год

Метеориты встречаются, когда метеороид попадает в атмосферу Земли, генерируя оптически яркий метеор путем ионизации и трения. Если метеороид достаточно велик, а скорость инпозиции достаточно низкая, он достигнет земли. Когда падающий метеороид замедляется ниже примерно 2–4 км/с, обычно на высоте от 15 до 25 км, они больше не генерируют оптически яркий метеор и входят в «темный полет». Из -за этого большая часть падений, возникающих в океанах, в течение дня или иным образом остается незамеченной.

Именно в темном полете падающие метеороиды обычно проходят через объем взаимодействия большинства типов радаров. Было продемонстрировано, что можно идентифицировать падающие метеороиды в погодных радиолокационных изображениях. Это особенно полезно для восстановления метеорита, так как погодные радары являются частью широко распространенных сетей и непрерывно сканируют атмосферу. Кроме того, метеориты вызывают локальную ветряную турбулентность, которая заметна на доплеровских выходах и падает почти вертикально, поэтому место отдыха на земле близко к их радиолокационной подписи.

Ссылки

Библиография

• Атлас, Дэвид , изд. (1990). Радар в метеорологии . Мемориал Батана и 40 -летие радарной метеорологической конференции. Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество . doi : 10.1007/978-1-935704-15-7 . ISBN  978-0-933876-86-6 . ISBN   978-1-935704-15-7 , 806 страниц, AMS CODE RADMET.
• Бланшар, Ив (2004). Радар, 1904–2004 гг.: История столетия технических и оперативных инноваций (на французском языке). Париж, Франция: Эллипсы. ISBN  2-7298-1802-2 .
• Doviak, RJ; Zrnic, DS (1993). Допплеровские радар и погодные наблюдения . Сан -Диего Кэл.: Академическая пресса второе издание. п. 562.
• Ганн, KLS; Восток, TWR (1954). «Микроволновые свойства частиц осадков». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 80 : 522–545.
• Яу, MK; Роджерс, RR (1 января 1989 г.). Короткий курс по физике облака, третье издание . Баттерворт-Хейнеманн. С. 304 страницы. ISBN  9780750632157 . ISBN   0-7506-3215-1
• Рипези, П. (2023). «Автоматическая кумулонимбус и высокая идентификация кумулюса на основе итальянских данных о погодных радиолокаторах». Погода . doi : 10.1002/wea.4482 .
• Wakimoto, Roger M.; Шривастава, Рамеш (август 2003 г.). Радар и атмосферная наука: коллекция очерков в честь Дэвида Атласа . Метеорологическая монография. Тол. 30. Бостон: Американское метеорологическое общество. п. 270. ISBN  1-878220-57-8 Полем ; AMS CODE MM52.
• Приносить, Vn; Чандрасекар, В. (2001). Поляриметрический допплеровский погодный радар . Нью -Йорк, США: издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-01955-9 .
• История оперативного использования погодного радара от американской службы погоды:
  • Уитон, Роджер С.; Смит, Пол Л.; Биглер, Стюарт Г.; Уилк, Кеннет Э.; Харбак, Альберт С. (февраль 1998 г.). «Часть I: эпоха донексада» . Погода и прогнозирование . 13 (2): 219–243. doi : 10.1175/1520-0434 (1998) 013 <0219: hoow> 2.0.co; 2 .
  • Уитон, Роджер С.; Смит, Пол Л.; Биглер, Стюарт Г.; Уилк, Кеннет Э.; Харбак, Альберт С. (февраль 1998 г.). «Часть II: Разработка операционных допплеровских радаров» . Погода и прогнозирование . 13 (2): 244–252. doi : 10.1175/1520-0434 (1998) 013 <0244: hoow> 2.0.co; 2 . S2CID   123719565 .
  • «Погодные радары первых 40 лет NSSL» . Выделять . национальной лабораторной лаборатории Первые 40 лет . Получено 15 марта 2021 года .

Смотрите также

Связанные статьи

• Австралийские погодные радары
• Обратное рассеяние
• Парикмахерский столб
• Lockheed WP-3d Orion (P-3)
• Национальная исследовательская лаборатория ураганов

Внешние ссылки

Общий

• «Атмосфера, погода и полеты (Глава 19)» (PDF) . Окружающая среда и изменение климата Канада . Архивировал (PDF) из оригинала 7 августа 2016 года . Получено 5 января 2021 года .

• «Общие ошибки в интерпретации радара» . Окружающая среда и изменение климата Канада . Получено 5 января 2021 года .

• «Понимание погодного радара» . Погода под землей на радаре . Получено 5 января 2021 года .
• Джефф Дуда. «Как использовать и интерпретировать допплеровский погодный радар» (PDF) . Университет штата Айова . Получено 5 января 2021 года .

Сети и исследования радаров

• Исследовательский центр атмосферного радара OU
• Канадские погодные радиолокации FAQ
• McGill RADAR HOMEPAGE
• Гонконгская радиолокационная галерея изображений
• Университет Алабамы Хантсвилл C-диапазон с двойным радаром исследований
• Nexrad Doppler Radar Information Информация о сети: Инструменты исследования: двойной поляризованный радар
• Совместный эксперимент по поляризации -Университет Оклахомы. Исследования и разработки двойного поляризации

Данные в реальном времени

Африка

• Южная Африка - погодный радар в реальном времени для Южной Африки из южноафриканской службы погоды

Америка

• Аруба (через Каракас)
• Белиз
• Барбадос ( Карибский композит )
• Окружающая среда Канада
• Кайманские острова
• Куба
• Curacao ( Caribbean Composite )
• Эльвадор Марн Радарные участки
• Франция зарубежных департаментов ( Гваделупа , Мартиника )
• Французская Гайана
• Ямайка
• Пуэрто -Рико
• Тринидад
• Национальная служба погоды в Соединенных Штатах

Азия

• Китай (материка)
• Гонконг
• Индия
• Япония
• Собственный
• Пакистан
• Филиппины
• Тайвань
• Таиланд
• Турция
• Вьетнам
• Южная Корея

Австралия и Океания

• Австралийские радиолокационные сайты
• BECTS - Новая Зеландия

Европа

• Чешская Республика
• Финляндия
• Франция
• Германия
• Норвегия
• Полрад - Польша
• Португалия
• Испания
• Швеция (и Скандинавия и Балтийское море)
• Радарные сайты Великобритании и Ирландии
• Дания - x -диапазона доплеровского радара в Копенгагене