Метеорологический радар

Радар, используемый для определения местоположения и мониторинга метеорологических условий.

Метеорологический радар в Нормане, Оклахома с дождевой шахтой

Метеорологическая радиолокационная станция (WF44)

Университет Оклахомы OU-PRIME C-диапазона, поляриметрический, метеорологический радар во время строительства

Метеорологический радар , также называемый метеорологическим радаром наблюдения ( WSR ) и доплеровским метеорологическим радаром , — это тип радара, используемый для определения местоположения осадков , расчета их движения и оценки их типа (дождь, снег, град и т. д.). Современные метеорологические радары в основном представляют собой импульсно-доплеровские радары , способные обнаруживать движение капель дождя в дополнение к интенсивности осадков. Оба типа данных можно анализировать для определения структуры штормов и их способности вызывать суровые погодные условия .

Во время Второй мировой войны операторы радаров обнаружили, что погода вызывает эхо на их экранах, маскируя потенциальные вражеские цели. Были разработаны методы для их фильтрации, но ученые начали изучать это явление. Вскоре после войны излишки радаров стали использоваться для обнаружения осадков. С тех пор метеорологический радар развивался и используется национальными метеорологическими службами, исследовательскими отделами в университетах и ​​метеорологическими отделами телевизионных станций . Необработанные изображения регулярно обрабатываются специализированным программным обеспечением для составления краткосрочных прогнозов будущих положений и интенсивности дождя, снега, града и других погодных явлений. Выходные данные радара даже включаются в числовые модели прогнозирования погоды для улучшения анализа и прогнозов.

История

«Тайфун Кобра» на экране корабельного радара в декабре 1944 года.

Во время Второй мировой войны военные операторы радаров замечали шум в отраженных эхо-сигналах из-за дождя, снега и мокрого снега . После войны военные ученые вернулись к гражданской жизни или продолжили службу в вооруженных силах и продолжили свою работу по разработке использования этих эхо-сигналов. В Соединенных Штатах Дэвид Атлас ^[1], сначала работавший в ВВС , а затем в Массачусетском технологическом институте , разработал первые оперативные метеорологические радары. В Канаде Дж. С. Маршалл и Р. Х. Дуглас сформировали «Группу штормовой погоды» в Монреале. ^{[2] [3]} Маршалл и его аспирант Уолтер Палмер хорошо известны своей работой по распределению размеров капель в дожде средних широт, которая привела к пониманию соотношения ZR, которое связывает заданную отражательную способность радара со скоростью падения дождевой воды. В Соединенном Королевстве продолжались исследования по изучению моделей эхо-сигналов радара и погодных элементов, таких как стратифицированный дождь и конвективные облака , а также проводились эксперименты по оценке потенциала различных длин волн от 1 до 10 сантиметров. К 1950 году британская компания EKCO продемонстрировала свое бортовое «поисковое радиолокационное оборудование для предупреждения об облачности и столкновении». ^[4]

Радиолокационные технологии 1960-х годов обнаружили сверхъячейки , создающие торнадо, над агломерацией Миннеаполис-Сент-Пол .

Между 1950 и 1980 годами отражательные радары, которые измеряют положение и интенсивность осадков, были включены в метеорологические службы по всему миру. Первым метеорологам приходилось следить за электронно-лучевой трубкой . В 1953 году Дональд Стэггс, инженер-электрик, работавший в Иллинойском государственном водном управлении, сделал первое зарегистрированное радиолокационное наблюдение « крючкового эха », связанного с грозой-торнадо. ^[5]

Первое использование метеорологического радара на телевидении в Соединенных Штатах произошло в сентябре 1961 года. Когда ураган Карла приближался к штату Техас, местный репортер Дэн Ратер , подозревая, что ураган очень большой, отправился на радарную площадку Бюро погоды США WSR-57 в Галвестоне , чтобы получить представление о размерах шторма. Он убедил сотрудников бюро позволить ему вести прямую трансляцию из их офиса и попросил метеоролога нарисовать ему примерный контур Мексиканского залива на прозрачном листе пластика. Во время трансляции он держал эту прозрачную накладку на черно-белом дисплее радара компьютера, чтобы дать своей аудитории представление как о размерах Карлы, так и о местоположении глаза шторма. Это сделало Ратера национальным именем, и его репортаж помог оповещенному населению принять эвакуацию властями примерно 350 000 человек, что было крупнейшей эвакуацией в истории США на тот момент. Благодаря предупреждению погибло всего 46 человек, и было подсчитано, что эвакуация спасла несколько тысяч жизней, поскольку меньший ураган Галвестон 1900 года унес жизни, по оценкам, 6000–12000 человек. ^[6]

В 1970-х годах радары начали стандартизировать и организовывать в сети. Были разработаны первые устройства для захвата радиолокационных изображений. Количество сканируемых углов было увеличено для получения трехмерного изображения осадков, так что можно было выполнять горизонтальные поперечные сечения ( CAPPI ) и вертикальные поперечные сечения. Исследования организации гроз тогда стали возможны для проекта Alberta Hail Project в Канаде и Национальной лаборатории сильных штормов (NSSL) в США в частности.

NSSL, созданная в 1964 году, начала экспериментировать с сигналами двойной поляризации и использованием эффекта Доплера . В мае 1973 года торнадо опустошил Юнион-Сити, штат Оклахома , к западу от Оклахома-Сити . Впервые допплеризованный радар с длиной волны 10 см от NSSL задокументировал весь жизненный цикл торнадо. ^[7] Исследователи обнаружили мезомасштабное вращение в облаке наверху до того, как торнадо коснулся земли — сигнатуру вихря торнадо . Исследования NSSL помогли убедить Национальную метеорологическую службу , что радар Доплера является важнейшим инструментом прогнозирования. ^[7] Супервспышка торнадо 3–4 апреля 1974 года и их ^{разрушительные} разрушения могли бы помочь получить финансирование для дальнейших разработок. ^{[ требуется ссылка} ]

NEXRAD в Южной Дакоте с суперячейкой на заднем плане.

В период с 1980 по 2000 год сети метеорологических радаров стали нормой в Северной Америке, Европе, Японии и других развитых странах. Обычные радары были заменены доплеровскими радарами, которые в дополнение к положению и интенсивности могли отслеживать относительную скорость частиц в воздухе. В Соединенных Штатах строительство сети, состоящей из 10-сантиметровых радаров, названных NEXRAD или WSR-88D (Weather Surveillance Radar 1988 Doppler), было начато в 1988 году после исследований NSSL. ^{[7] [8]} В Канаде Environment Canada построила станцию ​​King City ^[9] с 5-сантиметровым исследовательским доплеровским радаром к 1985 году; Университет Макгилла допплеризировал свой радар ( JS Marshall Radar Observatory ) в 1993 году. Это привело к созданию полной канадской допплеровской сети ^[10] между 1998 и 2004 годами. Франция и другие европейские страны перешли на допплеровские сети к началу 2000-х годов. Тем временем, быстрый прогресс в области компьютерных технологий привел к появлению алгоритмов для обнаружения признаков суровой погоды и многих приложений для СМИ и исследователей.

После 2000 года исследования технологии двойной поляризации перешли в практическое использование, увеличив объем доступной информации о типе осадков (например, дождь или снег). «Двойная поляризация» означает, что испускается микроволновое излучение, поляризованное как горизонтально, так и вертикально (по отношению к земле). Широкомасштабное развертывание было осуществлено к концу десятилетия или началу следующего в некоторых странах, таких как США, Франция ^{[11] и Канада. В апреле 2013 года все NEXRAD} Национальной метеорологической службы США были полностью двухполяризованными. ^[12]

С 2003 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований США экспериментирует с фазированным радаром в качестве замены обычной параболической антенны для обеспечения большего временного разрешения при зондировании атмосферы . Это может быть важно при сильных грозах, поскольку их эволюцию можно лучше оценить с помощью более своевременных данных.

Также в 2003 году Национальный научный фонд создал Инженерный исследовательский центр совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA) — многопрофильное, многоуниверситетское объединение инженеров, специалистов по информатике, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований, разработки перспективных технологий и развертывания прототипов инженерных систем, предназначенных для дополнения существующих радиолокационных систем путем отбора проб из, как правило, недостаточно охваченной нижней тропосферы с помощью недорогих, быстро сканирующих, двухполяризационных, механически сканирующих и фазированных решеточных радаров.

В 2023 году частная американская компания Tomorrow.io запустила космический радар Ka-диапазона для наблюдения и прогнозирования погоды. ^{[13] [14]}

Принцип

Отправка радарных импульсов

Луч радара расширяется по мере удаления от радиолокационной станции, охватывая все больший объем.

Метеорологические радары посылают направленные импульсы микроволнового излучения, длиной порядка одной микросекунды , используя трубку магнетрона или клистрона, соединенную волноводом с параболической антенной . Длины волн 1–10 см примерно в десять раз больше диаметра интересующих нас капель или ледяных частиц, поскольку на этих частотах происходит рэлеевское рассеяние . Это означает, что часть энергии каждого импульса будет отражаться от этих мелких частиц обратно к радиолокационной станции. ^[15]

Более короткие длины волн полезны для более мелких частиц, но сигнал быстрее затухает. Таким образом, 10-сантиметровый ( S-диапазон ) радар предпочтительнее, но он дороже, чем 5-сантиметровая система C-диапазона . 3-сантиметровый X-диапазон радар используется только для единиц ближнего действия, а 1-сантиметровый Ka-диапазон метеорологический радар используется только для исследований явлений с мелкими частицами, таких как морось и туман. ^{[15] Системы метеорологических радаров} W-диапазона (3 мм) нашли ограниченное применение в университетах, но из-за более быстрого затухания большинство данных не являются рабочими.

Радарные импульсы расходятся по мере удаления от радиолокационной станции. Таким образом, объем воздуха, который пересекает радарный импульс, больше для областей, удаленных от станции, и меньше для близлежащих областей, что снижает разрешение на больших расстояниях. В конце диапазона зондирования 150–200 км объем воздуха, сканируемый одним импульсом, может быть порядка кубического километра. Это называется объемом импульса . ^[16]

Объем воздуха, который занимает данный импульс в любой момент времени, можно приблизительно рассчитать по формуле , где v — объем, заключенный в импульсе, h — ширина импульса (например, в метрах, рассчитанная как длительность импульса в секундах, умноженная на скорость света), r — расстояние от радара, которое импульс уже прошел (например, в метрах), и — ширина луча (в радианах). Эта формула предполагает, что луч симметрично круговой, «r» намного больше «h», поэтому «r», взятое в начале или в конце импульса, почти одинаково, а форма объема — усеченный конус глубиной «h». ^[15] ${\displaystyle \,{v=hr^{2}\theta ^{2}}}$ ${\displaystyle \,\theta }$

Прослушивание ответных сигналов

Между каждым импульсом радиолокационная станция служит приемником, поскольку она прослушивает обратные сигналы от частиц в воздухе. Длительность цикла «прослушивания» составляет порядка миллисекунды , что в тысячу раз больше длительности импульса. Длительность этой фазы определяется необходимостью распространения микроволнового излучения (которое распространяется со скоростью света ) от детектора до метеорологической цели и обратно, расстояние, которое может составлять несколько сотен километров. Горизонтальное расстояние от станции до цели рассчитывается просто из количества времени, которое проходит от начала импульса до обнаружения обратного сигнала. Время преобразуется в расстояние путем умножения на скорость света в воздухе:

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

где c = 299 792,458 км/с — скорость света , а n ≈ 1,0003 — показатель преломления воздуха. ^[17]

Если импульсы посылаются слишком часто, отраженные сигналы от одного импульса будут путаться с отраженными сигналами от предыдущих импульсов, что приведет к неверным расчетам расстояния.

Определение высоты

Траектория луча радара с высотой

Поскольку Земля круглая, луч радара в вакууме будет подниматься в соответствии с обратной кривизной Земли. Однако атмосфера имеет показатель преломления , который уменьшается с высотой из-за ее уменьшающейся плотности. Это слегка изгибает луч радара к земле, и при стандартной атмосфере это эквивалентно тому, что кривизна луча составляет 4/3 фактической кривизны Земли. В зависимости от угла возвышения антенны и других соображений, для расчета высоты цели над землей можно использовать следующую формулу: ^[18]

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

где:

r = расстояние радар-цель,

к _е = 4/3,

а _е = радиус Земли ,

θ _e = угол возвышения над горизонтом радиолокатора ,

h _a = высота облучателя над землей.

Сканированный объем с использованием нескольких углов возвышения

Сеть метеорологических радаров использует ряд типичных углов, которые устанавливаются в соответствии с ее потребностями. После каждого вращения сканирования высота антенны изменяется для следующего зондирования. Этот сценарий будет повторяться на многих углах, чтобы просканировать 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 250 км от радара. Например, в Канаде 5-сантиметровые метеорологические радары используют углы в диапазоне от 0,3 до 25 градусов. Сопроводительное изображение показывает объем сканирования при использовании нескольких углов. Из-за кривизны Земли и изменения показателя преломления с высотой радар не может «видеть» ниже высоты над землей минимального угла (показано зеленым) или ближе к радару, чем максимальный (показано красным конусом в центре). ^[19]

Калибровка интенсивности возврата

Поскольку цели не являются уникальными в каждом объеме, уравнение радара должно быть разработано за пределами базового. Предполагая моностатический радар , где : ^{[15] [20]} ${\displaystyle G_{t}=A_{r}(\mathrm {or} \,G_{r})=G}$

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

где — принимаемая мощность, — передаваемая мощность, — коэффициент усиления передающей/приемной антенны, — длина волны радара, — эффективная площадь рассеяния цели и — расстояние от передатчика до цели. ${\displaystyle \scriptstyle P_{r}}$ ${\displaystyle \scriptstyle P_{t}}$ ${\displaystyle \scriptstyle G}$ ${\displaystyle \scriptstyle \lambda }$ ${\displaystyle \scriptstyle \sigma }$ ${\displaystyle \scriptstyle R}$

В этом случае сечения всех мишеней необходимо суммировать: ^[21]

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

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

где — скорость света, — временная длительность импульса, — ширина луча в радианах. ${\displaystyle \,c}$ ${\displaystyle \,\tau }$ ${\displaystyle \,\theta }$

Объединяя два уравнения:

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

Что приводит к:

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

Возврат изменяется обратно пропорционально вместо . Чтобы сравнить данные, поступающие с разных расстояний от радара, необходимо нормализовать их с помощью этого отношения. ${\displaystyle \,R^{2}}$ ${\displaystyle \,R^{4}}$

Типы данных

Отражательная способность

Обратные эхосигналы от целей (« отражательная способность ») анализируются на предмет их интенсивности для установления скорости осаждения в сканируемом объеме. Используемые длины волн (1–10 см) гарантируют, что этот возврат пропорционален скорости, поскольку они находятся в пределах действия рэлеевского рассеяния , которое гласит, что цели должны быть намного меньше длины волны сканирующей волны (в 10 раз).

Отражательная способность, воспринимаемая радаром (Z _e ), изменяется в зависимости от шестой степени диаметра капель дождя (D), квадрата диэлектрической проницаемости (K) целей и распределения размеров капель (например, N[D] Маршалла-Палмера ) капель. Это дает усеченную гамма-функцию ^[22] в виде:

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

С другой стороны, интенсивность осадков (R) равна числу частиц, их объему и скорости их падения (v[D]) как:

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

Итак, Z _e и R имеют схожие функции, которые можно разрешить, задав между ними соотношение в форме, называемой соотношением ZR :

Z = аR ^б

Где a и b зависят от типа осадков (снег, дождь, конвективные или слоистые ), которые имеют различные , K, N0 _и v. ${\displaystyle \Lambda }$

• Когда антенна сканирует атмосферу, на каждом угле азимута она получает определенную силу отражения от каждого типа встреченной цели. Затем отражательная способность усредняется для этой цели, чтобы получить лучший набор данных.
• Поскольку изменение диаметра и диэлектрической проницаемости целей может привести к большой изменчивости мощности, возвращаемой радару, отражательная способность выражается в dBZ (10-кратный логарифм отношения эха к стандартной капле диаметром 1 мм, заполняющей тот же сканируемый объем).

Как определить отражательную способность на дисплее радара

Цветовая шкала отражательной способности NWS.

Радарные отражения обычно описываются цветом или уровнем. Цвета на радарном изображении обычно варьируются от синего или зеленого для слабых отражений до красного или пурпурного для очень сильных отражений. Цифры в устном отчете увеличиваются с интенсивностью отражений. Например, национальные радары NEXRAD США используют следующую шкалу для различных уровней отражательной способности: ^[23]

• пурпурный: 65 дБЗ (чрезвычайно сильные осадки, > 16 дюймов (410 мм) в час, но возможен град)
• красный: 50 дБЗ (сильные осадки 2 дюйма (51 мм) в час)
• желтый: 35 дБЗ (умеренные осадки 0,25 дюйма (6,4 мм) в час)
• зеленый: 20 дБЗ (небольшие осадки)

Интенсивные отражения (красного или пурпурного цвета) могут указывать не только на сильный дождь, но и на грозы, град, сильный ветер или торнадо, но их необходимо интерпретировать с осторожностью по причинам, описанным ниже.

Авиационные конвенции

При описании отраженных сигналов метеорологических радаров пилоты, диспетчеры и авиадиспетчеры обычно ссылаются на три уровня отраженных сигналов: ^[24]

• Уровень 1 соответствует зеленому отраженному радиолокационному сигналу, что обычно указывает на небольшие осадки и незначительную или отсутствующую турбулентность, что может привести к ухудшению видимости.
• Уровень 2 соответствует желтому цвету радиолокационного сигнала, указывающему на умеренные осадки, что может привести к очень плохой видимости, умеренной турбулентности и дискомфорту при полете для пассажиров самолета.
• Уровень 3 соответствует красному отраженному радиолокационному сигналу, указывающему на сильные осадки, которые могут привести к грозам, сильной турбулентности и повреждению конструкции самолета.

Самолеты будут стараться избегать возврата на уровне 2, когда это возможно, и всегда будут избегать возврата на уровне 3, если только они не являются специально спроектированными исследовательскими самолетами.

Типы осадков

Некоторые дисплеи, предоставляемые коммерческими телевизионными каналами (как местными, так и национальными) и погодными сайтами, такими как The Weather Channel и AccuWeather , показывают типы осадков в зимние месяцы: дождь, снег, смешанные осадки ( мокрый снег и ледяной дождь ). Это не анализ самих данных радара, а постобработка, выполненная с другими источниками данных, основными из которых являются отчеты о поверхности ( METAR ). ^[25]

На площади, охваченной радиолокационными эхосигналами, программа назначает тип осадков в соответствии с температурой поверхности и точкой росы , сообщаемыми на базовых метеостанциях . Типы осадков, сообщаемые станциями, управляемыми человеком, и некоторыми автоматическими станциями ( AWOS ), будут иметь больший вес. ^[26] Затем программа выполняет интерполяцию для создания изображения с определенными зонами. Они будут включать ошибки интерполяции из-за вычислений. Мезомасштабные вариации зон осадков также будут потеряны. ^[25] Более сложные программы используют численный прогноз погоды , полученный от моделей, таких как NAM и WRF , для типов осадков и применяют его в качестве первого предположения к радиолокационным эхосигналам, а затем используют данные о поверхности для окончательного вывода.

До тех пор, пока данные двойной поляризации (раздел «Поляризация» ниже) не станут широкодоступными, любые типы осадков на радиолокационных изображениях представляют собой лишь косвенную информацию и должны восприниматься с осторожностью.

Скорость

Идеализированный пример доплеровского выхода. Приближающиеся скорости показаны синим цветом, а удаляющиеся — красным. Обратите внимание на синусоидальное изменение скорости при движении по дисплею на определенном расстоянии.

Осадки выпадают в облаках и под ними. Легкие осадки, такие как капли и хлопья, подвержены воздействию воздушных потоков, а сканирующий радар может улавливать горизонтальную составляющую этого движения, что дает возможность оценить скорость и направление ветра в местах выпадения осадков.

Движение цели относительно радиолокационной станции вызывает изменение частоты отраженного радиолокационного импульса из-за эффекта Доплера . При скоростях менее 70 метров в секунду для метеорологических эхосигналов и длине волны радара 10 см это составляет изменение всего лишь 0,1 ppm . Эта разница слишком мала, чтобы быть замеченной электронными приборами. Однако, поскольку цели немного перемещаются между каждым импульсом, отраженная волна имеет заметную разность фаз или фазовый сдвиг от импульса к импульсу.

Пара импульсов

Доплеровские метеорологические радары используют эту разность фаз (разницу пар импульсов) для расчета движения осадков. Интенсивность последовательно возвращающегося импульса из того же сканируемого объема, где цели немного сдвинулись, составляет: ^[15]

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

Итак , v = скорость цели = . Эта скорость называется радиальной доплеровской скоростью, поскольку она дает только радиальное изменение расстояния от времени между радаром и целью. Реальная скорость и направление движения должны быть извлечены с помощью процесса, описанного ниже. ${\displaystyle \Delta \Theta ={\frac {4\pi v\Delta t}{\lambda }}}$ ${\displaystyle {\frac {\lambda \Delta \Theta }{4\pi \Delta t}}}$

дилемма Допплера

Максимальный диапазон отражательной способности (красный) и однозначного диапазона доплеровской скорости (синий) с частотой повторения импульсов

Фаза между парами импульсов может меняться от - до + , поэтому однозначный диапазон доплеровской скорости равен ^[15] ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle \pi }$

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

Это называется скоростью Найквиста . Она обратно пропорциональна времени между последовательными импульсами: чем меньше интервал, тем больше однозначный диапазон скорости. Однако мы знаем, что максимальный диапазон отражательной способности прямо пропорционален : ${\displaystyle \Delta t}$

х = ${\displaystyle {\frac {c\Delta t}{2}}}$

Выбор становится между увеличением дальности отражательной способности за счет дальности скорости или увеличением последней за счет дальности отражательной способности. В общем, полезный компромисс дальности составляет 100–150 км для отражательной способности. Это означает, что для длины волны 5 см (как показано на диаграмме) создается однозначный диапазон скорости от 12,5 до 18,75 метров в секунду (для 150 км и 100 км соответственно). Для 10-сантиметрового радара, такого как NEXRAD, ^[15] однозначный диапазон скорости будет удвоен.

Некоторые методы, использующие две чередующиеся частоты повторения импульсов (PRF), позволяют расширить доплеровский диапазон. Скорости, отмеченные с первой частотой импульсов, могут быть равны или отличаться от второй. Например, если максимальная скорость с определенной скоростью составляет 10 метров в секунду, а с другой скоростью — 15 м/с. Данные, поступающие от обоих, будут одинаковыми до 10 м/с, а затем будут различаться. Затем можно найти математическое соотношение между двумя возвратами и вычислить реальную скорость за пределами ограничения двух PRF.

интерпретация Допплера

Радиальная составляющая реальных ветров при сканировании на 360 градусов

При равномерном ливне, движущемся на восток, луч радара, направленный на запад, «увидит» капли дождя, движущиеся к себе, в то время как луч, направленный на восток, «увидит» капли, движущиеся от себя. Когда луч сканирует на север или на юг, относительное движение не отмечается. ^[15]

синоптический

В синоптической интерпретации шкалы пользователь может извлечь ветер на разных уровнях в области покрытия радара. Поскольку луч сканирует 360 градусов вокруг радара, данные будут поступать со всех этих углов и будут радиальной проекцией фактического ветра на отдельный угол. Образец интенсивности, сформированный этим сканированием, может быть представлен косинусоидальной кривой (максимум в движении осадков и ноль в перпендикулярном направлении). Затем можно рассчитать направление и силу движения частиц, пока на экране радара достаточно покрытия.

Однако капли дождя падают. Поскольку радар видит только радиальную составляющую и имеет определенную высоту над землей, радиальные скорости загрязнены некоторой долей скорости падения. Эта составляющая незначительна при малых углах возвышения, но должна учитываться при более высоких углах сканирования. ^[15]

Мезомасштаб

В данных о скорости могут быть меньшие зоны в зоне действия радара, где ветер отличается от упомянутого выше. Например, гроза — это мезомасштабное явление, которое часто включает вращения и турбулентность . Они могут охватывать всего несколько квадратных километров, но видны по изменениям радиальной скорости. Пользователи могут распознавать закономерности скорости ветра, связанные с вращениями, такими как мезоциклон , конвергенция ( граница оттока ) и дивергенция ( нисходящий порыв ).

Поляризация

Нацеливание с двойной поляризацией покажет форму капли

Капли падающей жидкой воды, как правило, имеют большую горизонтальную ось из-за коэффициента сопротивления воздуха при падении (капель воды). Это заставляет диполь молекулы воды ориентироваться в этом направлении; поэтому лучи радара, как правило, поляризованы горизонтально, чтобы получить максимальное отражение сигнала.

Если два импульса посылаются одновременно с ортогональной поляризацией (вертикальной и горизонтальной, Z _V и Z _H соответственно), будут получены два независимых набора данных. Эти сигналы можно сравнивать несколькими полезными способами: ^{[27] [28]}

• Дифференциальная отражательная способность ( Z _dr ) – Дифференциальная отражательная способность пропорциональна отношению отраженных горизонтальной и вертикальной мощности, как Z _H / Z _V . Помимо прочего, это хороший индикатор формы капли. Дифференциальная отражательная способность также может дать оценку среднего размера капли, поскольку более крупные капли больше подвержены деформации под действием аэродинамических сил, чем более мелкие (то есть более крупные капли с большей вероятностью примут форму «булочки для гамбургера») при падении в воздухе.
• Коэффициент корреляции ( ρ _hv ) – статистическая корреляция между отраженными горизонтальными и вертикальными возвратными сигналами мощности. Высокие значения, близкие к единице, указывают на однородные типы осадков, в то время как более низкие значения указывают на регионы со смешанными типами осадков, такими как дождь и снег, или град, или в крайних случаях мусор наверху, обычно совпадающий с сигнатурой мусора торнадо и сигнатурой вихря торнадо .
• Коэффициент линейной деполяризации ( LDR ) – это отношение вертикальной мощности, возвращаемой от горизонтального импульса, или горизонтальной мощности, возвращаемой от вертикального импульса. Он также может указывать на регионы, где наблюдается смешение типов осадков.
• Дифференциальная фаза ( ) – Дифференциальная фаза представляет собой сравнение возвращенной разности фаз между горизонтальными и вертикальными импульсами. Это изменение фазы вызвано разницей в количестве волновых циклов (или длин волн) вдоль пути распространения для горизонтально и вертикально поляризованных волн. Его не следует путать со сдвигом частоты Доплера, который вызван движением облаков и частиц осадков. В отличие от дифференциальной отражательной способности, коэффициента корреляции и линейного коэффициента деполяризации, которые все зависят от отраженной мощности, дифференциальная фаза является «эффектом распространения». Это очень хороший оценщик интенсивности дождя, и на него не влияет затухание . Производная по диапазону дифференциальной фазы (удельная дифференциальная фаза, K _dp ) может использоваться для локализации областей сильных осадков/затухания. ${\displaystyle \Phi _{dp}}$

Имея больше информации о форме частиц, радары с двойной поляризацией могут легче отличать воздушные обломки от осадков, что упрощает обнаружение торнадо . ^[29]

С добавлением этих новых знаний к отражательной способности, скорости и ширине спектра, полученным с помощью доплеровских метеорологических радаров, исследователи работали над разработкой алгоритмов для дифференциации типов осадков, неметеорологических целей и для получения более точных оценок накопления осадков. ^{[27] [30] [31]} В США мировыми лидерами в этой области являются NCAR и NSSL . ^{[27] [32]}

NOAA организовало испытательное развертывание двухполяризационного радара в NSSL и оснастило все свои 10-сантиметровые радары NEXRAD двойной поляризацией, что было завершено в апреле 2013 года. ^[12] В 2004 году доплеровский метеорологический радар ARMOR в Хантсвилле, штат Алабама, был оснащен антенным приемником SIGMET, что дало оператору возможности двойной поляризации. Радарная обсерватория Дж. С. Маршалла Университета Макгилла в Монреале , Канада, переоборудовала свой прибор (1999) ^[33] , и данные использовались в оперативном порядке Министерством охраны окружающей среды Канады в Монреале до его закрытия в 2018 году. ^{[34] [35]} Другой радар Министерства охраны окружающей среды Канады в Кинг-Сити (к северу от Торонто ) был двухполяризационным в 2005 году; ^[36] он использует длину волны 5 см, которая испытывает большее затухание . ^[37] Министерство охраны окружающей среды Канады постепенно переводит все свои радары на двойную поляризацию. ^[38] Météo-France планирует включить в свою сеть радиолокационный доплеровский радар с двойной поляризацией. ^[39]

Методы отображения радиолокационных данных

Различные методы отображения данных радиолокационного сканирования были разработаны с течением времени для удовлетворения потребностей пользователей. Это список общих и специализированных дисплеев:

Индикатор положения плана

Линия грозы, видимая в отражательной способности (dBZ) на PPI

Поскольку данные получаются по одному углу за раз, первым способом их отображения стал индикатор положения плана (PPI), который представляет собой всего лишь схему отраженного радаром сигнала на двухмерном изображении. Важно отметить, что данные, поступающие с разных расстояний к радару, находятся на разных высотах над землей.

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

На PPI влияют отражения от земли вблизи радара. Они могут быть ошибочно приняты за реальные отражения. Для устранения таких недостатков были разработаны другие продукты и дальнейшие методы обработки данных.

Использование: данные по отражательной способности, доплеровские и поляриметрические данные могут использовать PPI.

В случае данных Доплера возможны две точки зрения: относительно поверхности или шторма. При рассмотрении общего движения дождя для извлечения ветра на разных высотах лучше использовать данные относительно радара. Но при поиске вращения или сдвига ветра во время грозы лучше использовать изображения относительно шторма, которые вычитают общее движение осадков, позволяя пользователю наблюдать движение воздуха так, как если бы он сидел на облаке.

Индикатор положения плана постоянной высоты

Типичные углы, сканированные в Канаде. Зигзаги представляют углы данных, используемые для создания CAPPI на высоте 1,5 км и 4 км.

Чтобы избежать некоторых проблем PPI, канадские исследователи разработали индикатор положения плана постоянной высоты (CAPPI). Это горизонтальное сечение данных радара. Таким образом, можно сравнивать осадки на равных условиях на разном расстоянии от радара и избегать отражений от земли. Хотя данные собираются на определенной высоте над землей, можно вывести связь между сообщениями наземных станций и данными радара.

CAPPI требуют большого количества углов от почти горизонтального до почти вертикального положения радара, чтобы иметь разрез, который максимально близок к необходимой высоте на всем расстоянии. Даже тогда, после определенного расстояния, нет ни одного доступного угла, и CAPPI становится PPI самого низкого угла. Зигзагообразная линия на диаграмме углов выше показывает данные, используемые для получения CAPPI высотой 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 исходить с немного разных высот, как видно на изображении, в разных точках покрытия радара. Поэтому крайне важно иметь достаточно большое количество углов зондирования, чтобы минимизировать это изменение высоты. Кроме того, тип данных должен меняться относительно постепенно с высотой, чтобы создать изображение, которое не будет зашумлено.

Данные о отражательной способности относительно гладкие с высотой, CAPPI в основном используются для их отображения. С другой стороны, данные о скорости могут быстро меняться по направлению с высотой, и CAPPI для них не распространены. Кажется, что только Университет Макгилла регулярно производит доплеровские CAPPI с 24 углами, доступными на их радаре. ^[40] Однако некоторые исследователи опубликовали статьи, в которых CAPPI скорости использовались для изучения тропических циклонов и разработки продуктов NEXRAD . ^[41] Наконец, поляриметрические данные появились недавно и часто содержат шумы. Кажется, CAPPI для них регулярно не используется, хотя компания SIGMET предлагает программное обеспечение, способное создавать такие типы изображений. ^[42]

Вертикальный композит

Базовый ИЦП против композитного.

Другим решением проблем PPI является получение изображений максимальной отражательной способности в слое над землей. Это решение обычно принимается, когда количество доступных углов мало или изменчиво. Американская национальная метеорологическая служба использует такой Composite, поскольку их схема сканирования может варьироваться от 4 до 14 углов в зависимости от их потребностей, что позволило бы получить очень грубые CAPPI. Composite гарантирует, что ни один сильный эхо-сигнал не будет пропущен в слое, а обработка с использованием доплеровских скоростей устраняет эхо-сигналы от земли. Сравнивая базовые и композитные продукты, можно определить зоны вирги и восходящих потоков .

Накопления

24-часовое накопление осадков на радаре Валь д'Ирен в Восточной Канаде. Обратите внимание на зоны без данных на востоке и юго-западе, вызванные блокировкой луча радара горами.

Другим важным применением радиолокационных данных является возможность оценки количества осадков, выпавших над большими бассейнами, для использования в гидрологических расчетах; такие данные полезны для контроля за наводнениями, управления канализацией и строительства плотин. Вычисленные данные с радиолокационной погоды могут использоваться совместно с данными с наземных станций.

Чтобы получить накопления радаров, мы должны оценить интенсивность дождя над точкой по среднему значению над этой точкой между одним PPI или CAPPI и следующим; затем умножить на время между этими изображениями. Если кто-то хочет получить более длительный период времени, он должен сложить все накопления от изображения к изображению за это время.

Эхотопс

Авиация активно использует данные радаров. Одной из особенно важных карт в этой области является Echotops для планирования полетов и избежания опасных погодных условий. Большинство метеорологических радаров стран сканируют достаточно углов, чтобы иметь трехмерный набор данных по области покрытия. Сравнительно легко оценить максимальную высоту, на которой в объеме находятся осадки. Однако это не верхушки облаков, поскольку они всегда простираются над осадками.

Вертикальные сечения

Вертикальное сечение.

Чтобы узнать вертикальную структуру облаков, в частности грозовых, или уровень слоя таяния, метеорологам доступен продукт вертикального сечения радарных данных. Это делается путем отображения только данных вдоль линии, от координат A до B, взятых с разных углов сканирования.

Индикатор высоты диапазона

Изображение RHI.

Когда метеорологический радар сканирует только по вертикальной оси, он может получить данные с гораздо более высоким разрешением, чем с составным вертикальным срезом, используя комбинированные наклоны PPI. Этот вывод называется индикатором дальности и высоты (RHI), который отлично подходит для просмотра подробной мелкомасштабной вертикальной структуры шторма. Как уже упоминалось, это отличается от вертикального поперечного сечения, упомянутого выше, а именно из-за того, что антенна радара сканирует только по вертикали, а не сканирует на все 360 градусов вокруг участка. Этот вид продукта обычно доступен только на исследовательских радарах.

Радарные сети

Радар Беррима в Дарвине, Северная Территория , Австралия

За последние несколько десятилетий сети радаров были расширены, чтобы обеспечить возможность создания составных изображений, охватывающих большие площади. Например, такие страны, как США, Канада, Австралия, Япония и большая часть Европы, объединяют изображения со своей сети радаров в единый дисплей.

Фактически, такая сеть может состоять из различных типов радаров с различными характеристиками, такими как ширина луча, длина волны и калибровка. Эти различия необходимо учитывать при сопоставлении данных по всей сети, особенно при принятии решения о том, какие данные использовать, когда два радара покрывают одну и ту же точку. Если используется более сильный эхо-сигнал, но он исходит от самого дальнего радара, используются отраженные сигналы с большей высоты, исходящие от дождя или снега, которые могут испариться, не достигнув земли ( virga ). Если используются данные с самого близкого радара, они могут ослабнуть из-за прохождения через грозу. Составные изображения осадков с использованием сети радаров создаются с учетом всех этих ограничений.

Автоматические алгоритмы

Квадрат на этом доплеровском изображении был автоматически размещен программой радара для определения положения мезоциклона . Обратите внимание на входящий/исходящий дублет (синий/желтый) с линией нулевой скорости (серая), параллельной радиалу к радару (справа вверху). Стоит отметить, что изменение направления ветра здесь происходит менее чем на 10 км.

Чтобы помочь метеорологам обнаружить опасную погоду, в программы обработки метеорологических радаров были введены математические алгоритмы. Они особенно важны при анализе данных о доплеровской скорости, поскольку они более сложны. Для данных поляризации потребуется еще больше алгоритмов.

Основные алгоритмы отражательной способности: ^[15]

• Вертикально интегрированная жидкость (VIL) — это оценка общей массы осадков в облаках.
• Плотность VIL — это VIL, деленная на высоту верхней границы облака. Это подсказка о возможности крупного града во время гроз.
• Потенциальный порыв ветра , который позволяет оценить ветер под облаком (нисходящий поток) с использованием VIL и высоты echotops (оцененная радаром верхняя часть облака) для заданной грозовой ячейки.
• Алгоритмы определения града , которые оценивают наличие града и его вероятный размер.

Основные алгоритмы для доплеровских скоростей: ^[15]

• Обнаружение мезоциклона : срабатывает при изменении скорости на небольшой круглой площади. Алгоритм ищет « дуплет » 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 признаком вращения в грозовое облако.
• Алгоритм TVS или Tornado Vortex Signature по сути является мезоциклоном с большим порогом скорости, найденным через множество углов сканирования. Этот алгоритм используется в NEXRAD для указания возможности формирования торнадо.
• Сдвиг ветра на низких уровнях. Этот алгоритм обнаруживает изменение скорости ветра от точки к точке в данных и ищет дублет входящих/исходящих скоростей с нулевой линией, перпендикулярной лучу радара. Сдвиг ветра связан с нисходящим потоком ( нисходящим порывом и микропорывом ), фронтами порывов и турбулентностью во время гроз.
• Профиль ветра VAD (VWP) — это дисплей, который оценивает направление и скорость горизонтального ветра на различных верхних уровнях атмосферы с использованием метода, описанного в разделе «Доплеровский эффект».

Анимации

Петля отражательной способности PPI (в dBZ), показывающая эволюцию урагана

Анимация радиолокационных продуктов может показать эволюцию отражательной способности и скоростных моделей. Пользователь может извлечь информацию о динамике метеорологических явлений, включая возможность экстраполировать движение и наблюдать развитие или рассеивание. Это также может выявить неметеорологические артефакты (ложные эхо-сигналы), которые будут рассмотрены позже.

Интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами

Карта презентации RIDGE торнадо Джоплин 2011 года . ^[43]

Новое популярное представление данных метеорологических радаров в Соединенных Штатах — через интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами (RIDGE), в котором данные радара проецируются на карту с геопространственными элементами, такими как топографические карты, автомагистрали, границы штатов/округа и предупреждения о погоде. Проекция часто является гибкой, предоставляя пользователю выбор различных географических элементов. Она часто используется в сочетании с анимацией данных радара за определенный период времени. ^{[44] [45]}

Ограничения и артефакты

Интерпретация радиолокационных данных зависит от многих гипотез об атмосфере и погодных объектах, включая: ^[46]

• Международная стандартная атмосфера .
• Цели достаточно малы, чтобы подчиняться закону Рэлея, в результате чего отраженный сигнал пропорционален интенсивности осадков.
• Объем, сканируемый лучом, заполнен метеорологическими объектами (дождь, снег и т. д.), причем все они одного и того же вида и имеют равномерную концентрацию.
• Нет затухания
• Нет усиления
• Возвраты от боковых лепестков луча незначительны.
• Кривая луча близка к гауссовой функции , при этом мощность уменьшается вдвое при половине ширины.
• Исходящие и возвращающиеся волны поляризованы одинаково.
• Многократные отражения не дают результата.

Эти предположения не всегда оправдываются; необходимо уметь отличать достоверные от сомнительных отголосков.

Аномальное распространение (нестандартная атмосфера)

Первое предположение заключается в том, что луч радара движется через воздух, который охлаждается с определенной скоростью с высотой. Положение эхо-сигналов сильно зависит от этой гипотезы. Однако реальная атмосфера может сильно отличаться от нормы.

Суперрефракция

Температурные инверсии часто образуются вблизи земли, например, когда воздух охлаждается ночью, оставаясь теплым наверху. Поскольку показатель преломления воздуха уменьшается быстрее, чем обычно, луч радара изгибается к земле вместо того, чтобы продолжать движение вверх. В конце концов, он упадет на землю и отразится обратно к радару. Затем программа обработки неправильно разместит обратные эхо-сигналы на той высоте и расстоянии, на которых они находились бы в нормальных условиях. ^[46]

Этот тип ложного возврата относительно легко обнаружить на временной петле, если он вызван ночным охлаждением или морской инверсией, поскольку можно увидеть очень сильные эхо, развивающиеся над областью, распространяющиеся по размеру вбок, но не перемещающиеся и сильно различающиеся по интенсивности. Однако инверсия температуры существует перед теплыми фронтами , и аномальные эхо распространения затем смешиваются с реальным дождем.

Крайняя точка этой проблемы — когда инверсия очень сильная и неглубокая, луч радара многократно отражается в сторону земли, поскольку ему приходится следовать по волноводному пути. Это создаст несколько полос сильных эхо-сигналов на радиолокационных изображениях.

Такая ситуация может наблюдаться при инверсиях температуры на высоте или при быстром уменьшении влажности с высотой. ^[47] В первом случае это может быть трудно заметить.

При преломлении

С другой стороны, если воздух нестабилен и охлаждается быстрее, чем стандартная атмосфера с высотой, луч оказывается выше ожидаемого. ^[47] Это указывает на то, что осадки выпадают выше фактической высоты. Такую ошибку трудно обнаружить без дополнительных данных о градиенте температуры для данной области.

Нерэлеевские цели

Если мы хотим надежно оценить интенсивность осадков, цели должны быть в 10 раз меньше радарной волны согласно рэлеевскому рассеянию. ^[15] Это происходит потому, что молекула воды должна быть возбуждена радарной волной, чтобы дать ответ. Это относительно верно для дождя или снега, поскольку обычно используются радары с длиной волны 5 или 10 см.

Однако для очень больших гидрометеоров, поскольку длина волны порядка камня, возврат выравнивается согласно теории Ми . Возврат более 55 dBZ, скорее всего, исходит от града, но не будет изменяться пропорционально размеру. С другой стороны, очень маленькие цели, такие как облачные капли, слишком малы, чтобы быть возбужденными, и не дают регистрируемого возврата на обычных метеорологических радарах.

Разрешение и частично заполненный сканируемый объем

Изображение грозы в высоком разрешении, полученное с помощью Profiler (вверху) и метеорологического радара (внизу).

Гроза в суперячейке, видимая с двух почти совмещенных радаров. Верхнее изображение получено с TDWR , а нижнее — с NEXRAD .

Как было показано в начале статьи, лучи радара имеют физическое измерение, и данные собираются под дискретными углами, а не непрерывно, вдоль каждого угла возвышения. ^[46] Это приводит к усреднению значений возвратов для данных об отражательной способности, скоростях и поляризации в сканируемом объеме разрешения.

На рисунке слева вверху показан вид грозы, полученный с помощью ветрового профилировщика , когда она проходила над головой. Это похоже на вертикальное поперечное сечение облака с разрешением 150 метров по вертикали и 30 метров по горизонтали. Отражательная способность сильно варьируется на коротком расстоянии. Сравните это с смоделированным видом того, что обычный метеорологический радар увидел бы на расстоянии 60 км, в нижней части рисунка. Все было сглажено. Не только более грубое разрешение радара размывает изображение, но и зондирование включает области, свободные от эха, тем самым расширяя грозу за ее реальные границы.

Это показывает, что выход метеорологического радара является лишь приближением реальности. Изображение справа сравнивает реальные данные с двух радаров, расположенных почти рядом. У TDWR ширина луча примерно в два раза меньше, чем у другого, и можно увидеть вдвое больше деталей, чем с помощью NEXRAD.

Разрешение можно улучшить с помощью нового оборудования, но некоторые вещи — нет. Как упоминалось ранее, сканируемый объем увеличивается с расстоянием, поэтому вероятность того, что луч заполнен лишь частично, также увеличивается. Это приводит к недооценке интенсивности осадков на больших расстояниях и вводит пользователя в заблуждение, заставляя его думать, что дождь становится слабее по мере удаления.

Геометрия балки

Луч радара имеет распределение энергии, похожее на дифракционную картину света, проходящего через щель. ^[15] Это происходит потому, что волна передается на параболическую антенну через щель в волноводе в фокальной точке. Большая часть энергии находится в центре луча и уменьшается вдоль кривой, близкой к гауссовой функции с каждой стороны. Однако существуют вторичные пики излучения, которые будут отбирать цели под углами от центра. Разработчики пытаются минимизировать мощность, передаваемую такими лепестками, но их невозможно устранить.

Когда вторичный лепесток попадает на отражающую цель, такую ​​как гора или сильная гроза, часть энергии отражается на радар. Эта энергия относительно слаба, но поступает в то же время, когда центральный пик освещает другой азимут. Таким образом, эхо-сигнал смещается программой обработки. Это приводит к фактическому расширению реального погодного эха, создавая размытие более слабых значений по обе стороны от него. Это заставляет пользователя переоценивать степень реальных эхо-сигналов. ^[46]

Непогодные цели

В небе не только дождь и снег. Другие объекты могут быть ошибочно интерпретированы метеорологическими радарами как дождь или снег. Насекомые и членистоногие уносятся преобладающими ветрами, в то время как птицы следуют своим собственным курсом. ^[48] Таким образом, тонкие линейные узоры на снимках метеорологического радара, связанные со сходящимися ветрами, доминируют над возвратами насекомых. ^[49] Миграция птиц, которая, как правило, происходит ночью в нижних 2000 метрах атмосферы Земли , загрязняет профили ветра, собранные метеорологическим радаром, в частности WSR-88D , увеличивая возвраты ветра окружающей среды на 30–60 км/ч. ^[50] Другие объекты на снимках радара включают: ^[46]

• Тонкие металлические полоски ( отражательные бомбы ), сбрасываемые военными самолетами для обмана противника.
• Твердые препятствия, такие как горы, здания и самолеты.
• Загрязнение земли и моря.
• Отражения от близлежащих зданий («городские пики»).

Такие посторонние объекты имеют характеристики, которые позволяют тренированному глазу различать их. Также возможно устранить некоторые из них с помощью постобработки данных с использованием данных отражательной способности, Доплера и поляризации.

Ветряные электростанции

Отражательная способность (слева) и радиальные скорости (справа) к юго-востоку от метеорологического радара NEXRAD. Эхо-сигналы в кругах — от ветряной электростанции.

Вращающиеся лопасти ветряных мельниц на современных ветряных электростанциях могут возвращать луч радара на радар, если они находятся на его пути. Поскольку лопасти движутся, эхо будет иметь скорость и может быть ошибочно принято за реальные осадки. ^[51] Чем ближе ветряная электростанция, тем сильнее возврат, и тем сильнее объединенный сигнал от многих вышек. В некоторых условиях радар может даже видеть скорости к и от, которые генерируют ложные срабатывания для алгоритма сигнатуры вихря торнадо на метеорологическом радаре; такое событие произошло в 2009 году в Додж-Сити, штат Канзас . ^[52]

Как и в случае с другими сооружениями, находящимися в зоне действия луча, затухание радиолокационных сигналов за пределами ветряных мельниц также может привести к недооценке.

Затухание

Пример сильного затухания, когда линия грозы движется над (слева направо) метеорологическим радаром с длиной волны 5 см (красная стрелка). Источник: Environment Canada

Микроволны, используемые в метеорологических радарах, могут поглощаться дождем в зависимости от используемой длины волны. Для радаров 10 см это ослабление незначительно. ^[15] Вот почему страны с большим содержанием воды в штормах используют длину волны 10 см, например, NEXRAD в США. Стоимость более крупной антенны, клистрона и другого соответствующего оборудования компенсируется этим преимуществом.

Для 5-сантиметрового радара поглощение становится важным при сильном дожде, и это затухание приводит к недооценке эхо-сигналов в сильной грозе и за ее пределами. ^[15] Канада и другие северные страны используют этот менее дорогостоящий вид радара, поскольку осадки в таких районах обычно менее интенсивны. Однако пользователи должны учитывать эту характеристику при интерпретации данных. На изображениях выше показано, как сильная линия эхо-сигналов, по-видимому, исчезает по мере ее перемещения по радару. Чтобы компенсировать это поведение, места установки радаров часто выбираются так, чтобы они несколько перекрывались в покрытии, чтобы обеспечить разные точки обзора одних и тех же штормов.

Более короткие волны еще больше ослабляются и полезны только на радарах ближнего действия ^[15] . Многие телевизионные станции в Соединенных Штатах имеют 5-сантиметровые радары для покрытия своей аудитории. Знание их ограничений и использование их с местным NEXRAD может дополнить данные, доступные метеорологу.

Благодаря распространению систем радаров с двойной поляризацией, в настоящее время оперативные метеорологические службы реализуют надежные и эффективные подходы к компенсации затухания из-за дождя. ^{[53] [54] [55]} Коррекция затухания в метеорологических радарах для частиц снега является активной темой исследований. ^[56]

Яркая полоса

Высота CAPPI 1,5 км вверху с сильным загрязнением от яркой полосы (желтые). Вертикальный разрез внизу показывает, что этот сильный возврат только над землей.

Отражательная способность луча радара зависит от диаметра цели и ее способности отражать. Снежинки большие, но слабо отражающие, а капли дождя маленькие, но сильно отражающие. ^{[15] [57]}

Когда снег падает через слой выше точки замерзания, он тает, превращаясь в дождь. Используя уравнение отражательной способности, можно продемонстрировать, что отражения от снега до таяния и дождя после не слишком отличаются, поскольку изменение диэлектрической проницаемости компенсирует изменение размера. Однако в процессе таяния радарная волна «видит» что-то похожее на очень большие капли, поскольку снежинки покрываются водой. ^{[15] [57]}

Это дает улучшенные возвраты, которые можно ошибочно принять за более сильные осадки. На PPI это будет выглядеть как интенсивное кольцо осадков на высоте, где луч пересекает уровень таяния, в то время как на серии CAPPI только те, что находятся вблизи этого уровня, будут иметь более сильные эхо-сигналы. Хороший способ подтвердить яркую полосу — сделать вертикальное поперечное сечение данных, как показано на рисунке выше. ^[46]

Противоположная проблема заключается в том, что морось (осадки с малым диаметром капель воды) обычно не видны на радаре, поскольку отраженные сигналы радара пропорциональны шестой степени диаметра капель.

Многократные отражения

Рассеяние трех тел.

Предполагается, что луч попадает на погодные цели и возвращается прямо на радар. Фактически, энергия отражается во всех направлениях. Большая ее часть слаба, а многократные отражения уменьшают ее еще больше, поэтому то, что может в конечном итоге вернуться на радар от такого события, незначительно. Однако в некоторых ситуациях антенна радара может принять многократный отраженный луч радара. ^[15] Например, когда луч попадает на град, энергия, распространяющаяся по направлению к влажной земле, будет отражена обратно на град, а затем на радар. Результирующее эхо слабое, но заметное. Из-за дополнительной длины пути, которую ему приходится проходить, оно приходит на антенну позже и находится дальше своего источника. ^[58] Это дает своего рода треугольник ложных более слабых отражений, расположенных радиально за градом. ^[46]

Решения и будущие решения

Фильтрация

Радиолокационное изображение отражательной способности с большим количеством непогодных эхосигналов.

То же изображение, но очищенное с использованием доплеровских скоростей.

Эти два изображения показывают, чего можно добиться для очистки данных радара. На первом изображении, сделанном из сырых отраженных сигналов, трудно различить реальную погоду. Поскольку дождевые и снежные облака обычно движутся, можно использовать доплеровские скорости для устранения значительной части помех (земные эхосигналы, отражения от зданий, воспринимаемые как городские пики, аномальное распространение). Другое изображение было отфильтровано с использованием этого свойства.

Однако не все неметеорологические цели остаются неподвижными (птицы, насекомые, пыль). Другие, как яркая полоса, зависят от структуры осадков. Поляризация предлагает прямую типизацию эхо-сигналов, которая может быть использована для фильтрации большего количества ложных данных или создания отдельных изображений для специализированных целей, таких как подмножества помех, птиц и т. д. ^{[59] [60]}

Мезонет

Фазированный метеорологический радар в Нормане, Оклахома

Другой вопрос — разрешение. Как уже упоминалось, данные радара представляют собой среднее значение сканируемого лучом объема. Разрешение можно улучшить за счет более крупных антенн или более плотных сетей. Программа Центра совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA) направлена ​​на дополнение к обычному NEXRAD (сети в Соединенных Штатах) с использованием множества недорогих метеорологических радаров X-диапазона (3 см), установленных на вышках сотовой связи. ^{[61] [62]} Эти радары будут подразделять большую область NEXRAD на более мелкие области, чтобы просматривать высоты ниже ее самого низкого угла. Это даст детали, которые в противном случае были бы недоступны.

При использовании радаров 3 см антенна каждого радара мала (диаметром около 1 метра), но разрешение на коротком расстоянии похоже на разрешение NEXRAD. Затухание значительно из-за используемой длины волны, но каждая точка в зоне покрытия видна многим радарам, каждый из которых смотрит с разного направления и компенсирует потерю данных от других. ^[61]

Стратегии сканирования

Количество сканируемых высот и время, необходимое для полного цикла, зависят от погоды. Например, при небольшом количестве осадков или их отсутствии схема может быть ограничена самыми низкими углами и использовать более длинные импульсы для обнаружения смещения ветра у поверхности. С другой стороны, при сильных грозах лучше сканировать большой диапазон углов, чтобы иметь трехмерное изображение осадков как можно чаще. Для смягчения различных требований были разработаны стратегии сканирования в соответствии с типом радара, используемой длиной волны и наиболее распространенными погодными ситуациями в рассматриваемой области.

Один из примеров стратегий сканирования предлагается сетью радаров NEXRAD США , которая развивалась с течением времени. В 2008 году она добавила дополнительное разрешение данных, ^[63] а в 2014 году дополнительное внутрицикловое сканирование самого низкого уровня возвышения ( MESO-SAILS ^[64] ).

Электронное звучание

Своевременность также нуждается в улучшении. При 5-10 минутах между полным сканированием метеорологического радара большая часть данных теряется по мере развития грозы. Фазированный радар испытывается в Национальной лаборатории сильных штормов в Нормане, штат Оклахома , для ускорения сбора данных. ^[65] Группа в Японии также развернула фазированный радар для 3D NowCasting в RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS). ^[66]

Специализированные приложения

Радар Global Express Weather с поднятым обтекателем

Авиационный метеорологический радар

Применение радиолокационных систем на самолетах включает метеорологические радары, системы предотвращения столкновений, отслеживания целей, приближения к земле и другие системы. Для коммерческих метеорологических радаров ARINC 708 является основной спецификацией для метеорологических радиолокационных систем, использующих бортовой импульсно-доплеровский радар .

Антенны

В отличие от наземного метеорологического радара, который устанавливается под фиксированным углом, бортовой метеорологический радар используется с носа или крыла самолета. Самолет будет не только двигаться вверх, вниз, влево и вправо, но и крениться. Чтобы компенсировать это, антенна связана и откалибрована с вертикальным гироскопом, расположенным на самолете. Делая это, пилот может установить тангаж или угол антенны, который позволит стабилизатору удерживать антенну направленной в правильном направлении при умеренных маневрах. Небольшие серводвигатели не смогут справиться с резкими маневрами, но попытаются. При этом пилот может настроить радар так, чтобы он был направлен на интересующую погодную систему. Если самолет находится на низкой высоте, пилот захочет установить радар выше линии горизонта, чтобы помехи от земли были минимизированы на дисплее. Если самолет находится на очень большой высоте, пилот установит радар под низким или отрицательным углом, чтобы направить радар на облака, где бы они ни находились относительно самолета. Если самолет изменит положение, стабилизатор соответствующим образом отрегулируется, так что пилоту не придется одной рукой управлять самолетом и другой настраивать радар. ^[67]

Приемники/передатчики

Говоря о приемнике/передатчике, можно выделить две основные системы: первая — это высокомощные системы, а вторая — маломощные системы; обе работают в диапазоне частот X-диапазона (8000–12500 МГц). Высокомощные системы работают на мощности 10000–60000 Вт. Эти системы состоят из магнетронов, которые довольно дороги (примерно 1700 долларов США) и допускают значительный шум из-за неполадок в системе. Таким образом, эти системы очень опасны для образования дуги и небезопасны для использования рядом с наземным персоналом. Однако альтернативой были бы маломощные системы. Эти системы работают на мощности 100–200 Вт и требуют комбинации приемников с высоким коэффициентом усиления, сигнальных микропроцессоров и транзисторов для работы так же эффективно, как и высокомощные системы. Сложные микропроцессоры помогают устранить шум, обеспечивая более точное и детальное изображение неба. Кроме того, поскольку в системе меньше неровностей, маломощные радары могут использоваться для обнаружения турбулентности с помощью эффекта Доплера. Поскольку маломощные системы работают при значительно меньшей мощности, они защищены от дугообразования и могут использоваться практически в любое время. ^{[67] [68]}

Отслеживание грозы

Прогнозирование грозовой линии с помощью системы AutoNowcaster

Цифровые радиолокационные системы обладают возможностями, намного превосходящими возможности их предшественников. Они предлагают наблюдение за отслеживанием гроз , которое дает пользователям возможность получать подробную информацию о каждом отслеживаемом грозовом облаке. Грозы идентифицируются путем сопоставления необработанных данных об осадках, полученных от импульса радара, с предварительно запрограммированным шаблоном. Для подтверждения грозы она должна соответствовать строгим определениям интенсивности и формы, чтобы отличить ее от неконвективного облака. Обычно она должна демонстрировать признаки горизонтальной организации и вертикальной непрерывности: и иметь ядро ​​или более интенсивный центр, идентифицированный и отслеживаемый цифровыми радиолокационными трекерами. ^{[25] [69]} После идентификации грозовой ячейки отслеживаются и регистрируются скорость, пройденное расстояние, направление и расчетное время прибытия (ETA).

Доплеровский радар и миграция птиц

Использование метеорологического радара Доплера не ограничивается определением местоположения и скорости осадков . Он также может отслеживать миграции птиц (раздел непогодных целей). Радиоволны от радаров отражаются как от дождя, так и от птиц (или даже от насекомых, таких как бабочки ). ^{[70] [71] Например,} Национальная метеорологическая служба США сообщала о том, что стаи птиц появляются на ее радарах в виде облаков, а затем исчезают, когда птицы приземляются. ^{[72] [73]} Национальная метеорологическая служба США в Сент-Луисе даже сообщала о появлении бабочек-монархов на ее радарах. ^[74]

Различные программы в Северной Америке используют обычные метеорологические радары и специализированные данные радаров для определения путей, высоты полета и времени миграций. ^{[75] [76]} Это полезная информация при планировании размещения и эксплуатации ветряных электростанций , для снижения смертности птиц, повышения безопасности полетов и управления другими видами дикой природы. В Европе были похожие разработки и даже комплексная программа прогнозирования для безопасности полетов, основанная на обнаружении радаров. ^[77]

Обнаружение падения метеорита

Радиолокационный снимок NOAA NEXRAD на Парк-Форест, штат Иллинойс, место падения метеорита 26 марта 2003 года.

На изображении показан Парк Форест, Иллинойс, падение метеорита , которое произошло 26 марта 2003 года. Красно-зеленая деталь в левом верхнем углу — это движение облаков вблизи самого радара, а сигнатура падающих метеоритов находится внутри желтого эллипса в центре изображения. Перемешанные красные и зеленые пиксели указывают на турбулентность, в данном случае возникающую из-за следов падающих высокоскоростных метеоритов.

По данным Американского метеоритного общества , падение метеоритов происходит ежедневно где-то на Земле. ^[78] Однако база данных о падении метеоритов во всем мире , которую ведет Метеоритное общество , обычно регистрирует только около 10-15 новых падений метеоритов в год ^[79]

Метеориты возникают, когда метеороид падает в атмосферу Земли, образуя оптически яркий метеор за счет ионизации и фрикционного нагрева. Если метеороид достаточно большой и скорость падения достаточно низкая, он достигнет земли. Когда падающий метеороид замедляется ниже примерно 2–4 км/с, обычно на высоте от 15 до 25 км, он больше не создает оптически яркий метеор и переходит в «темный полет». ^{[78] [80]} Из-за этого большинство падений, происходящих в океаны, днем ​​или иным образом, остаются незамеченными. ^[78]

Именно в темном полете падающие метеороиды обычно попадают в объем взаимодействия большинства типов радаров. Было показано, что падающие метеороиды можно идентифицировать на снимках метеорологических радаров. ^{[81] [82] [83] [84] [85] [86]} Это особенно полезно для обнаружения метеоритов, поскольку метеорологические радары являются частью широко распространенных сетей и непрерывно сканируют атмосферу. Кроме того, метеориты вызывают локальную турбулентность ветра, которая заметна на выходных данных Доплера, и падают почти вертикально, поэтому их место отдыха на земле близко к их радиолокационной сигнатуре.

Ссылки

1. Атлас, Дэвид , ред. (1990). Радар в метеорологии . Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference. Бостон, Массачусетс: AMS . doi : 10.1007/978-1-935704-15-7. ISBN 978-0-933876-86-6.ISBN  978-1-935704-15-7 , 806 страниц, код AMS RADMET.
2. Douglas, RH (2000). "Stormy Weather Group". Университет Макгилла . Архивировано из оригинала 6 июля 2011 года . Получено 21 мая 2006 года .
3. Дуглас, Р. Х. (1990). "Глава 8 - Группа штормовой погоды (Канада)". В Атласе, Дэвид (ред.). Радар в метеорологии . Мемориальная и 40-я юбилейная конференция по радиолокационной метеорологии Баттана. Бостон, Массачусетс: AMS . стр. 61–68. doi :10.1007/978-1-935704-15-7. ISBN 978-1-935704-15-7.
4. «Группированные экспонаты | проиллюстрированы в основном | фотографии полетов | 1950 | 1758 | Архив полетов».
5. "Первые наблюдения эхо-сигнала торнадо". Университет штата Колорадо . 2008. Получено 30 января 2008 г.
6. Меган Гарбер (29 октября 2012 г.). Дэн Разер показал первое радиолокационное изображение урагана по ТВ. The Atlantic (репортаж).
7. Cobb, Susan (29 октября 2004 г.). "Разработка метеорологических радаров — основные моменты первых 40 лет Национальной лаборатории сильных штормов". Журнал NOAA . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Архивировано из оригинала 15 февраля 2013 г. Получено 7 марта 2009 г.
8. "NSSL Research Tools: Radar". NSSL. Архивировано из оригинала 14 октября 2016 года . Получено 1 марта 2014 года .
9. Crozier, CL; Joe, PI; Scott, JW; Herscovitch, HN; Nichols, TR (1991). «Оперативный доплеровский радар King City: разработка, всесезонное применение и прогнозирование». Атмосфера-Океан . 29 (3): 479–516. Bibcode : 1991AtO....29..479C. doi : 10.1080/07055900.1991.9649414 .
10. "Информация о канадской радиолокационной сети". Национальная радиолокационная программа . Environment Canada. 2002. Архивировано из оригинала 29 июня 2004 года . Получено 14 июня 2006 года .
11. [url=http://ams.confex.com/ams/pdfpapers/96217.pdf] Проект PANTHERE и эволюция французской оперативной радиолокационной сети и продуктов: оценка осадков, доплеровские ветры и двойная поляризация , Parent du Châtelet, Jacques et al. Météo-France (2005) 32-я конференция по радиолокации Американского метеорологического общества , Альбукерке, Нью-Мексико
12. Национальная метеорологическая служба (25 апреля 2013 г.). "Радар с двойной поляризацией: этапы создания нации, готовой к погодным условиям". NOAA . Получено 26 апреля 2013 г.
13. «Исторический запуск спутника Tomorrow.io прокладывает путь к революционному прогрессу в глобальном прогнозировании погоды». Tomorrow.io . 14 мая 2023 г.
14. Олик, Диана (16 мая 2023 г.). «Компания по разведке погоды стремится произвести революцию в прогнозировании с помощью созвездия радиолокационных спутников». CNBC .
15. Doviak, RJ ; Zrnic, DS (1993). Доплеровский радар и метеорологические наблюдения (2-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 978-0-12-221420-2.
16. (на английском) "Объем пульса". Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество. 2012. Получено 14 февраля 2021 .
17. де Подеста, М (2002). Понимание свойств материи. CRC Press. стр. 131. ISBN 978-0-415-25788-6.
18. Doviak, RJ; Zrnic, DS (1993). "ATMS 410 – Радарная метеорология: распространение луча" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 июня 2010 г. . Получено 19 февраля 2013 г. .
19. Airbus (14 марта 2007 г.). "Flight Briefing Notes: Adverse Weather Operations Optimum Use of Weather Radar" (PDF) . SKYbrary. стр. 2. Архивировано из оригинала (PDF) 31 мая 2011 г. Получено 19 ноября 2009 г.
20. Скольник, Меррилл И. (22 января 2008 г.). "1.2" (PDF) . Radar Handbook (3-е изд.). McGraw-Hill . ISBN 978-0-07-148547-0. Получено 1 апреля 2016 г.
21. Скольник, Меррилл И. (22 января 2008 г.). "19.2" (PDF) . Radar Handbook (3-е изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-148547-0. Получено 1 апреля 2016 г.
22. Яу, МК; Роджерс, РР (1989). Краткий курс физики облаков (3-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-08-034864-3.
23. Национальная метеорологическая служба. «Что означают цвета в отражательных продуктах?». Часто задаваемые вопросы о радаре WSR-88D . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Получено 20 августа 2019 г.
24. Стоен, Хэл (27 ноября 2001 г.). "Airborne Weather Radar". Aviation Tutorials Index . stoenworks.com. Архивировано из оригинала 19 декабря 2002 г. Получено 15 декабря 2009 г.
25. Haby, Jeff. "Winter Weather Radar". Прогнозирование зимних осадков в Интернете . theweatherprediction.com . Получено 14 декабря 2009 г. .
26. "Карты типов осадков". Типы карт . The Weather Network . Архивировано из оригинала 24 марта 2010 г. Получено 14 декабря 2009 г.
27. Carey, Larry (2003). "Lecture on Polarimetric Radar" (PDF) . Texas A&M University . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 года . Получено 21 мая 2006 года .
28. Schuur, Terry. «Что измеряет поляриметрический радар?». CIMMS . Национальная лаборатория сильных штормов . Архивировано из оригинала 22 августа 2018 г. Получено 19 апреля 2013 г.
29. "Вопросы и ответы по обновлению радара с двойной поляризацией" (PDF) . 3 августа 2012 г. Получено 9 мая 2013 г.
30. Национальная метеорологическая служба. Вопросы и ответы по обновлению радара с двойной поляризацией (PDF) . NOAA . Получено 18 апреля 2013 г.
31. Шур, Терри. «Как поляриметрические радиолокационные измерения могут привести к улучшению прогнозов погоды?». CIMMS . Национальная лаборатория сильных штормов . Архивировано из оригинала 22 августа 2018 г. Получено 19 апреля 2013 г.
32. Schurr, Terry; Heinselman, P.; Scharfenberg, K. (октябрь 2003 г.). Обзор совместного поляризационного эксперимента (PDF) . NSSL и CIMMS. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Получено 19 апреля 2013 г.
33. Fabry, Frédéric; JS Marshall Radar Observatory . "Определение: двойная поляризация". McGill University . Архивировано из оригинала 10 июня 2008 года . Получено 18 апреля 2013 года .
34. JS Marshall Radar Observatory . "Target ID Radar Images PPI 0.5-degree". Университет Макгилла . Получено 18 апреля 2013 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
35. "Поляризационное разнообразие в радиолокационной обсерватории Макгилла" (ppt) . 7 сентября 2014 г. Получено 8 марта 2022 г.
36. Рыжков; Джангранде; Краузе; Парк; Шур; Мельников. "Поляриметрическая классификация гидрометеоров и оценка осадков для лучшего обнаружения и прогнозирования сильных погодных явлений, включая внезапные наводнения". Исследования и разработки доплеровских метеорологических радаров . CIMMS . Архивировано из оригинала 3 июня 2009 г. Получено 12 февраля 2009 г.
37. Doviak, RJ; Zrnic, DS (1993). Доплеровский радар и метеорологические наблюдения . San Diego Cal.: Academic Press. стр. 562.
38. Правительство Канады (25 января 2012 г.). «Инфраструктура мониторинга погоды». Environment Canada . Получено 29 октября 2012 г.
39. Родитель дю Шатле, Жак; Метео-Франс ; и др. (2005). «Проект ПАНТЕРА» (PDF) . Радар 32-й конференции, Альбукерке , Нью-Мексико . Американское метеорологическое общество .
40. Fabry, Frédéric (август 2010 г.). "Лучевая скорость CAPPI". Примеры данных дистанционного зондирования по приборам . JS Marshall Radar Observatory . Архивировано из оригинала 20 июня 2017 г. Получено 14 июня 2010 г.
41. Harasti, Paul R.; McAdie, Colin J.; Dodge, Peter P.; Lee, Wen-Chau; Tuttle, John; Murillo, Shirley T.; Marks, Frank D. Jr. (апрель 2004 г.). «Реализация методов анализа одиночных доплеровских радаров для тропических циклонов в реальном времени: усовершенствования алгоритмов и их использование с данными отображения WSR-88D». Weather and Forecasting . 19 (2): 219–239. Bibcode : 2004WtFor..19..219H. doi : 10.1175/1520-0434(2004)019<0219:RIOSRA>2.0.CO;2 .
42. "CAPPI: Constant Altitude Plan Position Indicator" (PDF) . Руководство по продуктам и дисплеям IRIS : Настройка продуктов IRIS . SIGMET. Ноябрь 2004 г. Получено 9 июня 2009 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
43. Национальная метеорологическая служба. "Презентация RIDGE о торнадо Джоплин 2011 года". Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Архивировано из оригинала 28 октября 2011 года . Получено 12 июля 2011 года .
44. Доплеровский радар – RIDGE (интегрированный дисплей радара с геопространственными элементами) ^{[ постоянная неработающая ссылка ]} , Национальная метеорологическая служба (Техасское географическое общество – 2007)
45. Национальная метеорологическая служба (31 января 2011 г.). "Загрузка изображений радара RIDGE". Онлайн-школа погоды Jetstream . Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Архивировано из оригинала 16 сентября 2011 г. Получено 12 июля 2011 г.
46. "Ошибки общего характера при интерпретации радаров". Environment Canada. Архивировано из оригинала 30 июня 2006 г. Получено 23 июня 2007 г.
47. Herbster, Chris (3 сентября 2008 г.). "Аномальное распространение (AP)". Введение в аномалии NEXRAD . Университет аэронавтики Эмбри-Риддла . Получено 11 октября 2010 г.
48. Диана Йейтс (2008). Птицы мигрируют вместе ночью в разрозненных стаях, показывают новые исследования. Университет Иллинойса в Урбане – Шампейн. Получено 2009-04-26
49. Барт Гиртс и Дэйв Леон (2003). P5A.6 Мелкомасштабная вертикальная структура холодного фронта, выявленная бортовым радаром 95 ГГц. Университет Вайоминга . Получено 26 апреля 2009 г.
50. Томас А. Низиол (1998). Загрязнение ветров WSR-88D VAD из-за миграции птиц: исследование случая. Восточный регион WSR-88D Operations Note № 12, август 1998 г. Получено 26 апреля 2009 г.
51. National Weather Service Office, Buffalo NY (8 июня 2009 г.). «Помехи от ветряных электростанций, обнаруженные на доплеровском радаре». Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Архивировано из оригинала 20 июня 2009 г. Получено 1 сентября 2009 г.
52. Ламмерс, Дирк (29 августа 2009 г.). «Ветряные электростанции могут показаться синоптикам зловещим явлением». Houston Chronicle . Associated Press . Архивировано из оригинала 31 августа 2009 г. . Получено 1 сентября 2009 г. .
53. Тестю, Ж.; Ле Буар, Э.; Облиджис, Э.; Али-Мехенни, М. (2000). «Алгоритм профилирования дождя, применяемый к поляриметрическому метеорологическому радару». J. Atmos. Oceanic Technol . 17 (3): 332–356. Bibcode : 2000JAtOT..17..332T. doi : 10.1175/1520-0426(2000)017<0332:TRPAAT>2.0.CO;2 .
54. Vulpiani, G.; Tabary, P.; Parent-du-Chatelet, J.; Marzano, FS (2008). "Сравнение передовых методов поляриметрии радаров для оперативной коррекции затухания в диапазоне C". J. Atmos. Oceanic Technol . 25 (7): 1118–1135. Bibcode : 2008JAtOT..25.1118V. doi : 10.1175/2007JTECHA936.1 . S2CID  55123714.
55. Carey, LD; Rutledge, SA; Ahijevych, DA; Keenan, TD (2000). «Коррекция эффектов распространения в поляриметрических радиолокационных наблюдениях тропической конвекции с помощью C-диапазона с использованием дифференциальной фазы распространения». J. Appl. Meteorol . 39 (9): 1405–1433. Bibcode :2000JApMe..39.1405C. CiteSeerX 10.1.1.324.4101 . doi :10.1175/1520-0450(2000)039<1405:CPEICB>2.0.CO;2. 
56. Джошил, Шашанк С. (2023). «Коррекция затухания в метеорологических радарах для снега». Труды IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 61 : 1–14. Bibcode : 2023ITGRS..6154555J. doi : 10.1109/TGRS.2023.3254555. S2CID  257448887.
57. "Brught band". Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество . Получено 21 февраля 2022 г.
58. Lemon, Leslie R. (июнь 1998 г.). «Радарный «пик рассеяния трех тел»: оперативная сигнатура крупного града». Weather and Forecasting . 13 (2): 327–340. Bibcode : 1998WtFor..13..327L. doi : 10.1175/1520-0434(1998)013<0327:TRTBSS>2.0.CO;2. ISSN  1520-0434.
59. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G. (июль 2019 г.). «Обнаружение помех от земли для метеорологического радара с двойной поляризацией с использованием новой трехмерной дискриминантной функции». Журнал атмосферных и океанических технологий . 36 (7): 1285–1296. Bibcode : 2019JAtOT..36.1285G. doi : 10.1175/JTECH-D-18-0147.1 .
60. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G.; Li Y.; Doviak R. (июнь 2016 г.). «Обнаружение помех от земли с помощью метеорологического радара с использованием метода двойной поляризации и двойного сканирования». Атмосфера . 7 (6): 83. Bibcode : 2016Atmos...7...83G. doi : 10.3390/atmos7060083 .
61. Дэвид, Маклафлин и др. (декабрь 2009 г.). «Коротковолновая технология и потенциал для распределенных сетей малых радиолокационных систем». Бюллетень Американского метеорологического общества . 90 (12): 1797–1817. Bibcode : 2009BAMS...90.1797M. CiteSeerX 10.1.1.167.2430 . doi : 10.1175/2009BAMS2507.1. ISSN  1520-0477. S2CID  2391544. 
62. "Список лекций по CASA". Американское метеорологическое общество . 2005. Получено 31 августа 2010 .
63. "RPG SW BUILD 10.0 – ВКЛЮЧАЕТ ОТЧЕТЫ ДЛЯ SW 41 RDA". Центр радиолокационных операций . Национальное управление океанических и атмосферных исследований.
64. Поддержка WDT (7 июля 2015 г.). "Что такое режим SAILS". Radarscope . Архивировано из оригинала 4 февраля 2017 г. . Получено 9 февраля 2017 г. .
65. Национальная лаборатория сильных штормов. «Новая радиолокационная технология может увеличить время предупреждения о торнадо» (PDF) . Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Архивировано из оригинала (PDF) 27 мая 2010 года . Получено 29 сентября 2009 года .
66. Otsuka, Shigenori; Tuerhong, Gulanbaier; Kikuchi, Ryota; Kitano, Yoshikazu; Taniguchi, Yusuke; Ruiz, Juan Jose; Satoh, Shinsuke; Ushio, Tomoo; Miyoshi, Takemasa (февраль 2016 г.). "Precipitation Nowcasting with Three-Dimensional Space–Time Extrapolation of Dense and Frequent Phased-Array Weather Radar Observations". Weather and Forecasting . 31 (1): 329–340. Bibcode : 2016WtFor..31..329O. doi : 10.1175/WAF-D-15-0063.1. ISSN  0882-8156.
67. Bendix Corporation. Avionics Division. Метеорологическая радиолокационная система RDR-1200. Rev. Jul/73 ed. Форт-Лодердейл: Bendix, Avionics Division, 1973.
68. Барр, Джеймс С. Воздушный метеорологический радиолокатор. 1-е изд. Ames: Iowa State UP, 1993.
69. "IntelliWeather StormPredator". IntelliWeather Inc. 2008. Архивировано из оригинала 5 декабря 2011 года . Получено 26 ноября 2011 года .
70. "Обнаружение птиц с помощью допплеровского радара". srh.noaa.gov . Архивировано из оригинала 30 октября 2015 г. Получено 9 ноября 2015 г.
71. Диана Йейтс (2008). «Птицы мигрируют вместе ночью в разрозненных стаях, показывает новое исследование». Урбана – Шампейн, Иллинойс.: Университет Иллинойса . Получено 9 ноября 2015 г.
72. «Как красиво отображаются миграции птиц на доплеровском радаре». Smithsonian.com . Получено 9 ноября 2015 г.
73. "Following Bird Migration with Doppler". aba blog . 10 апреля 2011 г. Получено 9 ноября 2015 г.
74. «На метеорологическом радаре замечена стая бабочек, летящих в сторону». USA Today .
75. Диль, Роберт Х.; Ларкин, Рональд П.; Блэк, Джон Э. (апрель 2003 г.). «Радарные наблюдения за миграцией птиц над Великими озерами». The Auk . 120 (2): 278–290. doi :10.1642/0004-8038(2003)120[0278:ROOBMO]2.0.CO;2. ISSN  1938-4254. S2CID  86080517.
76. Ганьон, Франсуа; Белиль, Марк; Ибарзабаль, Жак; Вайянкур, Пьер; Савар, Жан-Пьер Л. (январь 2010 г.). «Сравнение ночных слуховых подсчетов воробьиных и радиолокационной отражательной способности канадского метеорологического радара» (PDF) . The Auk . 127 (1): 119–128. doi :10.1525/auk.2009.09080. ISSN  1938-4254. S2CID  84619921.
77. "Модуль прогнозирования миграции птиц FlySafe". /www.flysafe-birdtam.eu . Архивировано из оригинала 20 ноября 2015 г. Получено 9 ноября 2015 г..
78. "Часто задаваемые вопросы о шаровой молнии". Американское метеорное общество . Получено 28 февраля 2017 г.
79. "Метеоритный бюллетень: Поиск в базе данных". www.lpi.usra.edu . Получено 28 февраля 2017 г. .
80. "Огненные шары и падения метеоритов". Международная метеорная организация . 2023. Получено 12 мая 2023 г.
81. Фрайс, Марк; Фрайс, Джеффри (1 сентября 2010 г.). «Доплеровский метеорологический радар как инструмент для обнаружения метеоритов». Метеоритика и планетарная наука . 45 (9): 1476–1487. Bibcode : 2010M&PS...45.1476F. doi : 10.1111/j.1945-5100.2010.01115.x . ISSN  1945-5100.
82. Brown, P.; McCAUSLAND, PJA; Fries, M.; Silber, E.; Edwards, WN; Wong, DK; Weryk, RJ; Fries, J.; Krzeminski, Z. (1 марта 2011 г.). «Падение метеорита Гримсби — I: динамика и орбита огненного шара по данным радара, видео и инфразвука». Meteoritics & Planetary Science . 46 (3): 339–363. Bibcode :2011M&PS...46..339B. doi : 10.1111/j.1945-5100.2010.01167.x . ISSN  1945-5100.
83. Дженнискенс, Питер; Фрайс, Марк Д.; Инь, Цин-Чжу; Золенский, Майкл; Крот, Александр Н.; Сэндфорд, Скотт А.; Сирс, Дерек; Бофорд, Роберт; Эбель, Дентон С. (21 декабря 2012 г.). «Радарное восстановление метеорита Саттерс-Милл, углеродисто-хондритовой реголитовой брекчии». Science . 338 (6114): 1583–1587. Bibcode :2012Sci...338.1583J. doi :10.1126/science.1227163. hdl : 2060/20140017286 . ISSN  0036-8075. PMID  23258889. S2CID  206543838.
84. Fries, MD; Fries, JA (1 сентября 2010 г.). «Наблюдения с помощью доплеровского метеорологического радара за падением метеорита на юго-западе Висконсина 14 апреля 2010 г.». Приложение к «Метеоритика и планетарная наука» . 73 : 5365. Библиографический код : 2010M&PSA..73.5365F.
85. Fries, M.; Fries, J. (1 марта 2010 г.). «Частично облачно, возможен выпадение хондритов — изучение падений метеоритов с помощью доплеровского метеорологического радара». Конференция по науке о Луне и планетах . 41 (1533): 1179. Bibcode : 2010LPI....41.1179F.
86. Fries, M.; Fries, J.; Schaefer, J. (1 марта 2011 г.). «Вероятное неисследованное падение метеорита обнаружено в архивных данных метеорологического радара». Конференция по науке о Луне и планетах . 42 (1608): 1130. Bibcode : 2011LPI....42.1130F.

Библиография

• Atlas, David , ред. (1990). Радар в метеорологии . Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference. 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, код AMS RADMET.
• Бланшар, Ив (2004). Le Radar, 1904–2004: histoire d'un siècle d'innovations, technology et opérationnelles (на французском языке). Париж, Франция: Эллипсы. ISBN 2-7298-1802-2.
• Doviak, RJ; Zrnic, DS (1993). Доплеровский радар и метеорологические наблюдения . San Diego Cal.: Academic Press, второе издание. стр. 562.
• Ганн, KLS; Ист, TWR (1954). «Микроволновые свойства частиц осадков». Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 80 (346): 522–545. Bibcode : 1954QJRMS..80..522G. doi : 10.1002/qj.49708034603.
• Яу, МК; Роджерс, РР (1 января 1989 г.). Краткий курс физики облаков, третье издание . Баттерворт-Хайнеманн. С. 304 страницы. ISBN 9780750632157. ISBN  0-7506-3215-1
• Рипеси, П. (2023). «Автоматическая идентификация кучево-дождевых и башенных кучевых облаков на основе данных итальянской сети метеорологических радаров». Погода . 79 (5): 163–169. doi :10.1002/wea.4482.
• Wakimoto, Roger M.; Srivastava, Ramesh (август 2003 г.). Radar and Atmospheric Science: A Collection of Essays in Honor of David Atlas . Meteorological Monograph. Vol. 30. Boston: American Meteorological Society. p. 270. ISBN 1-878220-57-8.; Код АМС MM52.
• Бринги, В. Н.; Чандрасекар, В. (2001). Поляриметрический доплеровский метеорологический радар . Нью-Йорк, США: Cambridge University Press. ISBN 0-521-01955-9.
• История оперативного использования метеорологических радаров Метеорологической службой США:
  • Whiton, Roger C.; Smith, Paul L.; Bigler, Stuart G.; Wilk, Kenneth E.; Harbuck, Albert C. (февраль 1998 г.). "Часть I: Эра до NEXRAD". Weather and Forecasting . 13 (2): 219–243. doi : 10.1175/1520-0434(1998)013<0219:HOOUOW>2.0.CO;2 .
  • Whiton, Roger C.; Smith, Paul L.; Bigler, Stuart G.; Wilk, Kenneth E.; Harbuck, Albert C. (февраль 1998 г.). "Часть II: Разработка эксплуатационных доплеровских метеорологических радаров". Weather and Forecasting . 13 (2): 244–252. doi : 10.1175/1520-0434(1998)013<0244:HOOUOW>2.0.CO;2 . S2CID  123719565.
  • "Особенности метеорологического радара за первые 40 лет NSSL". Highlight . Первые 40 лет Национальной лаборатории сильных штормов . Получено 15 марта 2021 г. .

Смотрите также

Похожие статьи

• Австралийские метеорологические радары
• Обратное рассеяние
• Парикмахерский шест
• Локхид WP-3D Орион (P-3)
• Национальная лаборатория по исследованию ураганов

Внешние ссылки

Общий

• "Атмосфера, погода и полеты (Глава 19 метеорологических радаров)" (PDF) . Environment and Climate Change Canada . Архивировано (PDF) из оригинала 7 августа 2016 г. . Получено 5 января 2021 г. .

• «Распространенные ошибки при интерпретации радаров». Environment and Climate Change Canada . Получено 5 января 2021 г.

• «Понимание метеорологического радара». Weather Underground о радаре . Получено 5 января 2021 г.
• Джефф Дуда. «Как использовать и интерпретировать доплеровский метеорологический радар» (PDF) . Университет штата Айова . Получено 5 января 2021 г. .

Исследования сетей и радаров

• Центр атмосферных радиолокационных исследований Университета Огайо
• Канадский метеорологический радар FAQ
• Домашняя страница радара Макгилла
• Галерея изображений радара Гонконга
• Исследовательский радар с двойной поляриметрией в диапазоне C Университета Алабамы в Хантсвилле
• Информация о сети доплеровских радаров NEXRAD: Инструменты исследования: Двойной поляризованный радар
• Совместный эксперимент по поляризации – исследования и разработки двойной поляризации в Университете Оклахомы

Данные в реальном времени

Африка

• Южная Африка — метеорологический радар в реальном времени для Южной Африки от Южноафриканской метеорологической службы

Америка

• Аруба (через Каракас)
• Белиз
• Барбадос (Карибский композит)
• Министерство окружающей среды Канады
• Каймановы острова
• Куба
• Кюрасао (Карибский композит)
• Радиолокационные станции Сальвадора Марна
• Заморские департаменты Франции (Гваделупа, Мартиника)
• Французская Гвиана
• Ямайка
• Пуэрто-Рико
• Тринидад
• Национальная метеорологическая служба США

Азия

• Китай (материковая часть)
• Гонконг
• Индия
• Япония
• Оман
• Пакистан
• Филиппины
• Тайвань
• Таиланд
• Турция
• Вьетнам
• Южная Корея

Австралия и Океания

• Австралийские радиолокационные станции
• Метеорологическая служба - Новая Зеландия

Европа

• Чешская Республика
• Финляндия
• Франция
• Германия
• Норвегия
• ПОЛРАД – Польша
• Португалия
• Испания
• Швеция (и Скандинавия и Балтийское море)
• Радиолокационные станции Великобритании и Ирландии
• Дания — установка доплеровского радара X-диапазона в Копенгагене