Профилометр ветра
Профилометр ветра — это тип оборудования для наблюдения за погодой, которое использует радар или звуковые волны ( SODAR ) для определения ветра скорости и направления на различных высотах над землей. Показания производятся на каждом километре над уровнем моря, вплоть до тропосферы (т. е. на высоте от 8 до 17 км над средним уровнем моря). Выше этого уровня присутствует недостаточное количество водяного пара, чтобы вызвать «отскок» радара. Данные, синтезированные по направлению и скорости ветра, очень полезны для метеорологического прогнозирования и своевременной отчетности при планировании полетов. Двенадцатичасовая история данных доступна на веб-сайтах NOAA .
Принцип
[ редактировать ]
В типичной реализации радар или содар может осуществлять выборку вдоль каждого из пяти лучей: один направлен вертикально для измерения вертикальной скорости, а четыре отклонены от вертикали и ориентированы ортогонально друг другу для измерения горизонтальных составляющих движения воздуха. Способность профилографа измерять ветер основана на предположении, что турбулентные вихри, вызывающие рассеяние, переносятся средним ветром. Энергия, рассеянная этими вихрями и полученная профайлером, на порядки меньше передаваемой энергии. Однако если можно получить достаточное количество образцов, то можно четко определить амплитуду энергии, рассеянной этими вихрями, выше уровня фонового шума, а затем можно определить среднюю скорость и направление ветра в отбираемом объеме. Радиальные компоненты, измеряемые наклонными лучами, представляют собой векторную сумму горизонтального движения воздуха в направлении радара или от него и любого вертикального движения, присутствующего в луче. Используя соответствующую тригонометрию, трехмерные метеорологические компоненты скорости (u,v,w), а также скорость и направление ветра рассчитываются на основе радиальных скоростей с поправками на вертикальные движения.
Радарный профилометр ветра
[ редактировать ]
Импульсно-доплеровские радиолокационные профилометры ветра работают с использованием электромагнитных (ЭМ) сигналов для дистанционного определения ветра на высоте. Радар передает электромагнитный импульс вдоль каждого направления наведения антенны . Профилировщик УВЧ включает в себя подсистемы для управления передатчиком, приемником, обработкой сигналов радара и системой радиоакустического зондирования (RASS), если таковая предусмотрена, а также телеметрию данных и дистанционное управление.
Длительность передачи определяет длину излучаемого антенной импульса, что, в свою очередь, соответствует объему воздуха, освещаемому (в электрическом выражении) лучом радара. Небольшие количества передаваемой энергии рассеиваются обратно (так называемое обратное рассеяние ) в сторону радара и принимаются им. Задержки фиксированных интервалов встроены в систему обработки данных, чтобы радар получал рассеянную энергию с дискретных высот, называемых стробами дальности. Определяется доплеровский сдвиг частоты обратнорассеянной энергии, который затем используется для расчета скоростивоздуха по направлению к радару или от него вдоль каждого луча в зависимости от высоты. Источником обратнорассеянной энергии («мишенями» радаров) являются мелкомасштабные турбулентные колебания, вызывающие неоднородности показателя радиопреломления атмосферы . Радар наиболее чувствителен к рассеянию турбулентными вихрями, пространственный масштаб которых составляет ½ длины волны радара или примерно 16 сантиметров (см) для профиломера УВЧ.
Радиолокационный профилометр ветра пограничного слоя можно настроить для расчета усредненных профилей ветра за периоды от нескольких минут до часа. Радиолокационные профилометры ветра пограничного слоя часто настраиваются на выборку более чем в одном режиме. Например, в «низком режиме» длина импульса энергии, передаваемого профайлером, может составлять 60 м. Длина импульса определяет глубину столба отбираемого воздуха и, следовательно, вертикальное разрешение данных. В «высоком режиме» длина импульса увеличивается, обычно до 100 м и более. Более длинная длина импульса означает, что для каждой выборки передается больше энергии, что улучшает соотношение сигнал/шум (SNR) данных. Использование более длинного импульса увеличивает глубину образца и, таким образом, уменьшает вертикальное разрешение данных. Более высокая выходная энергия в высоком режиме увеличивает максимальную высоту, на которой может осуществлять выборку радарный профилометр ветра, но за счет более грубого вертикального разрешения и увеличениявысота, на которой измеряются первые ветры. Когда радиолокационные профилометры ветра работают в нескольких режимах, данные часто объединяются в один перекрывающийся набор данных, чтобы упростить процедуры постобработки и проверки данных. [1]
Радарные профилометры ветра также могут иметь дополнительные применения, например, в биологическом контексте в качестве дополнения к крупномасштабным схемам мониторинга птиц. [2]
Радарный профилометр осадков
[ редактировать ]Особым случаем радиолокационного профилометра ветра является вертикальный профилометр осадков. Он имеет единственную вертикальную ось унистатической или бистатической конфигурации. Он используется только для измерения количества осадков. Его можно использовать для определения высоты плавления осадков. [3] Радары этого типа использовались для изучения взаимодействия различных уровней замерзания и атмосферных рек при наводнениях в низинных горах на западе США. [4] [5]
Профилометр ветра Содар
[ редактировать ]
Альтернативно, профилометр ветра может использовать звуковые волны для измерения скорости ветра на различных высотах над землей и термодинамической структуры нижнего слоя атмосферы . Эти содары можно разделить на моностатическую систему, использующую одну и ту же антенну для передачи и приема, и бистатическую систему, использующую отдельные антенны. Разница между двумя антенными системами определяет, происходит ли рассеяние в атмосфере за счет колебаний температуры (в моностатических системах) или за счет колебаний температуры и скорости ветра (в бистатических системах).
Моностатические антенные системы можно разделить на две категории: системы, использующие многоосные отдельные антенны, и системы, использующие одну фазированную антенную решетку. В многоосных системах обычно используются три отдельные антенны, направленные в определенных направлениях для управления акустическим лучом. Одна антенна обычно направлена вертикально, а две другие слегка наклонены от вертикали под ортогональным углом. Каждая из отдельных антенн может использовать один преобразователь, сфокусированный в параболическом отражателе для формирования параболического громкоговорителя , или массив динамиков и рупоров ( преобразователей ), передающих синфазно, чтобы сформировать один луч. Угол наклона от вертикали и угол азимута каждой антенны фиксируются при настройке системы.
Вертикальный диапазон содаров составляет примерно от 0,2 до 2 километров (км) и зависит от частоты, выходной мощности, стабильности атмосферы, турбулентности и, что наиболее важно, шумовой среды , в которой работает содар. Рабочие частоты варьируются от менее 1000 Гц до более 4000 Гц, а уровни мощности достигают нескольких сотен ватт. Из-за характеристик затухания в атмосфере содары большой мощности и более низкой частоты обычно обеспечивают больший охват высоты. Некоторые содары могут работать в разных режимах, чтобы лучше соответствовать вертикальному разрешению и дальности применения. Это достигается за счет релаксации между длиной импульса и максимальной высотой. [1]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Бейли, Десмонд Т. (февраль 2000 г.) [1987]. «Аэрологический мониторинг» (PDF) . Руководство по метеорологическому мониторингу для приложений нормативного моделирования . Джон Ирвин. Research Triangle Park, Северная Каролина: Агентство по охране окружающей среды США . стр. 9–9–9–11. ЭПА-454/Р-99-005.
- ^ Вайсхаупт, Н.; Арисага, Дж.; Марури, М. (2018). «Роль радиолокационных профилометров ветра в орнитологии » Ибис . 160 (3): 516–527. дои : 10.1111/биби.12562 . HDL : 11556/651 .
- ^ Аллен Б. Уайт; Джеймс Р. Джордан; Брукс Э. Мартнер; Ф. Мартин Ральф; Брюс В. Бартрам (2000). «Расширение динамического диапазона радара S-диапазона для исследования облаков и осадков». Журнал атмосферных и океанических технологий : 226–1234. doi : 10.1175/1520-0426(2000)017<1226:ETDROA>2.0.CO;2 .
- ^ Аллен Б. Уайт; М.Л. Андерсон; доктор медицинских наук Деттингер; FM Ральф; А. Инохоса; ДР Кайан; Р.К. Хартман; Д. У. Рейнольдс; Л.Е. Джонсон; Т.Л. Шнайдер; Р. Чифелли; З. Тот; С.И. Гутман; CW Кинг; Ф. Герке; ЧП Джонстон; С. Стены; Д. Манн; Диджей Готтас (2013). «Калифорнийская наблюдательная сеть двадцать первого века для мониторинга экстремальных погодных явлений». Журнал атмосферных и океанических технологий : 1585–1603. doi : 10.1175/JTECH-D-12-00217.1 .
- ^ Пол Дж. Нейман; Дэниел Дж. Готтас; Аллен Б. Уайт; Лоуренс Дж. Шик; Ф. Мартин Ральф (2014). «Использование наблюдений за уровнем снега, полученных с помощью радаров вертикального профилирования, для оценки гидрометеорологических характеристик и прогнозов над бассейном реки Грин в Вашингтоне» . Журнал гидрометеорологии : 2522–2541. дои : 10.1175/JHM-D-14-0019.1 .
В этой статье использованы общедоступные материалы из Руководство по метеорологическому мониторингу для приложений нормативного моделирования (PDF) . Правительство Соединенных Штатов .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Официальная страница поиска профилометра ветра NOAA. Просматривайте в реальном времени (и 12-часовую историю) графические изображения направления и скорости ветра на высоте до 17 км над уровнем моря (с интервалом 1 км). Нажмите на любую звездочку или точку, затем нажмите «Получить график» слева.