Ветровой профилометр — это тип метеорологического оборудования, которое использует радар или звуковые волны ( SODAR ) для определения скорости и направления ветра на различных высотах над землей. Показания снимаются на каждом километре над уровнем моря, вплоть до тропосферы (т. е. между 8 и 17 км над средним уровнем моря). Выше этого уровня присутствует недостаточное количество водяного пара для создания «отскока» радара. Данные, синтезированные из направления и скорости ветра, очень полезны для метеорологического прогнозирования и своевременной отчетности для планирования полетов. Двенадцатичасовая история данных доступна на веб-сайтах NOAA .
В типичной реализации радар или содар может производить выборку вдоль каждого из пяти лучей: один направлен вертикально для измерения вертикальной скорости, а четыре наклонены от вертикали и ориентированы ортогонально друг другу для измерения горизонтальных компонентов движения воздуха. Способность профилировщика измерять ветер основана на предположении, что турбулентные вихри, которые вызывают рассеяние, переносятся средним ветром. Энергия, рассеиваемая этими вихрями и принимаемая профилировщиком, на порядки меньше переданной энергии. Однако, если удается получить достаточное количество образцов, то амплитуда энергии, рассеиваемой этими вихрями, может быть четко определена выше уровня фонового шума, а затем можно определить среднюю скорость и направление ветра в объеме, подлежащем выборке. Радиальные компоненты, измеренные наклонными лучами, представляют собой векторную сумму горизонтального движения воздуха к радару 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 из радиальных скоростей с поправками на вертикальные движения.
Импульсно-доплеровские радары для измерения ветра используют электромагнитные (ЭМ) сигналы для дистанционного измерения ветра на высоте. Радар передает электромагнитный импульс вдоль каждого из направлений антенны . Профилировщик УВЧ включает подсистемы для управления передатчиком радара, приемником, обработкой сигнала и системой радиоакустического зондирования (RASS), если таковая имеется, а также телеметрией данных и дистанционным управлением.
Длительность передачи определяет длину импульса, излучаемого антенной, которая, в свою очередь, соответствует объему воздуха, освещенного (в электрическом смысле) лучом радара. Небольшие количества переданной энергии рассеиваются обратно (называется обратным рассеянием ) к радару и принимаются им. Задержки фиксированных интервалов встроены в систему обработки данных, так что радар получает рассеянную энергию с дискретных высот, называемых воротами дальности. Доплеровский сдвиг частоты обратно рассеянной энергии определяется, а затем используется для расчета скорости воздуха к радару или от него вдоль каждого луча в зависимости от высоты. Источником обратно рассеянной энергии (радарными «целями») являются мелкомасштабные турбулентные флуктуации, которые вызывают неравномерности в показателе преломления радиоволн атмосферы. Радар наиболее чувствителен к рассеянию турбулентными вихрями, пространственный масштаб которых составляет ½ длины волны радара или приблизительно 16 сантиметров (см) для профилировщика УВЧ.
Ветровой профилировщик пограничного слоя может быть настроен на вычисление усредненных профилей ветра за периоды от нескольких минут до часа. Ветровые профилировщики пограничного слоя часто настраиваются на выборку в более чем одном режиме. Например, в «низком режиме» импульс энергии, передаваемый профилировщиком, может иметь длину 60 м. Длина импульса определяет глубину столба воздуха, который отбирается, и, таким образом, вертикальное разрешение данных. В «высоком режиме» длина импульса увеличивается, обычно до 100 м или более. Более длинная длина импульса означает, что для каждой выборки передается больше энергии, что улучшает отношение сигнал/шум (SNR) данных. Использование более длинной длины импульса увеличивает глубину объема выборки и, таким образом, снижает вертикальное разрешение в данных. Большая выходная энергия в высоком режиме увеличивает максимальную высоту, на которой может производиться выборка профилировщика ветра, но за счет более грубого вертикального разрешения и увеличения высоты, на которой измеряются первые ветры. Когда радиолокационные профилометры ветра работают в нескольких режимах, данные часто объединяются в один перекрывающийся набор данных для упрощения процедур постобработки и проверки данных. [1]
Радарные профилометры ветра могут также иметь дополнительные применения, например, в биологическом контексте для дополнения крупномасштабных схем мониторинга птиц. [2]
Частным случаем радарного ветрового профилометра является вертикальный профилометр осадков. Он имеет одну вертикальную ось унистатической или бистатической конфигурации. Он используется только для измерения осадков. Его можно использовать для определения высоты таяния осадков. [3] Эти типы радаров использовались для изучения взаимодействия различных уровней замерзания и атмосферных рек при наводнениях в низинных горах западной части США. [4] [5]
В качестве альтернативы, ветровой профилометр может использовать звуковые волны для измерения скорости ветра на разных 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 атмосферное рассеяние из-за колебаний температуры (в моностатических системах) или из-за колебаний температуры и скорости ветра (в бистатических системах).
Системы моностатических антенн можно разделить на две категории: те, которые используют многоосные, отдельные антенны, и те, которые используют одну фазированную антенную решетку. Многоосные системы обычно используют 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 на параболическом отражателе для формирования параболического громкоговорителя , или массив динамиков и рупоров ( преобразователей ), все из которых передают синфазно для формирования одного луча. Как угол наклона от вертикали, так и азимутальный угол каждой антенны фиксируются при настройке системы.
Вертикальный диапазон содаров составляет приблизительно от 0,2 до 2 километров (км) и является функцией частоты, выходной мощности, атмосферной стабильности, турбулентности и, что наиболее важно, шумовой среды , в которой работает содар. Рабочие частоты варьируются от менее 1000 Гц до более 4000 Гц, с уровнями мощности до нескольких сотен ватт. Из-за характеристик затухания атмосферы, высокомощные содары с более низкой частотой, как правило, обеспечивают большее покрытие высоты. Некоторые содары могут работать в разных режимах, чтобы лучше соответствовать вертикальному разрешению и диапазону для применения. Это достигается за счет релаксации между длиной импульса и максимальной высотой. [1]
В данной статье использованы общедоступные материалы из Руководства по метеорологическому мониторингу для применения в нормативном моделировании (PDF) . Правительство США .
