Кіріспе

Метеорологиялық жағдайларды анықтау және бақылау үшін қолданылатын радарлар. Ауа-райы радары, сондай-ақ ауа райын қадағалау радары (WSR) және Доплер ауа-райы радары деп аталатын бұл радар түрі жауын-шашынды анықтау, оның қозғалысын есептеу және оның түрін (жаңбыр, қар, бұршақ сияқты) бағалау үшін қолданылады. Қазіргі заманғы ауа-райы радарлары көбінесе импульстік Доплер радарлары болып табылады, олар жауын-шашынның қарқындылығынан өзге, жаңбыр тамшыларының қозғалысын да анықтауға қабілетті. Осы екі түрдегі деректер дауылдардың құрылымын және олардың ауа-райының күшті болу ықтималдығын анықтау үшін талдауға қолданылады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде радар операторлары ауа-райының экранда эхо тудырып, жаудың нысандарын жасыратынын байқады. Оларды сүзуге арналған техникалар жасалды, бірақ ғалымдар бұл құбылысты зерттеуге кірісті. Соғыстан кейін көп ұзамай, артық радарлар жауын-шашынды анықтау үшін пайдаланыла бастады. Одан бері ауа-райы радарлары дамып, ұлттық ауа-райы қызметтері, университеттердегі зерттеу бөлімдері және телеарналардың ауа-райы бөлімдері қолданып келеді. Жаңбыр, қар, бұршақ және басқа да ауа-райы құбылыстарының болашақ орналасуын және қарқындылығын қысқа мерзімді болжау үшін шикі суреттерді арнайы бағдарламалық жасақтамалар жүйелі түрде өңдейді. Радардан алынған мәліметтер тіпті сандық ауа-райы болжау модельдеріне енгізіліп, талдау мен болжамдарды жақсартады.

Тарих

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде әскери радар операторлары жаңбыр, қар және қыраудан туындаған эхолардағы шуды байқады. Соғыстан кейін әскери ғалымдар бейбіт өмірге оралды немесе Қарулы күштерде қызметін жалғастырып, осы эхоларды пайдалануды дамыту жұмысын күйзеді. АҚШ-та Дэвид Атлас әуе күштері үшін, кейін MIT үшін жұмыс істей отырып, алғашқы операциялық ауа райы радарларын жасады. Канадада Дж. С. Маршалл және Р. Х. Дуглас Монреальде «Дауылды ауа райы тобын» құрды. Маршалл және оның докторанты Уолтер Палмер орта ендіктегі жаңбырдың тамшы мөлшерінің таралуы жөніндегі жұмыстарымен белгілі, бұл Z R қатынасын түсінуге әкелді, ол радарлық шағылыстыруды жаңбыр суының түсу жылдамдығымен байланыстырады. Ұлыбританияда радар эхо үлгілерін және жаңбыр және конвективті бұлттар сияқты ауа райы элементтерін зерттеу жұмыстары жалғасты, сондай-ақ 1-10 сантиметрге дейінгі әртүрлі толқын ұзындықтарының мүмкіндіктерін бағау үшін тәжірибелер жүргізілді. 1950 жылы Ұлыбританияның EKCO компаниясы әуедегі «бұлт және соқтығысу ескерту іздеу радиолокациялық жабдығын» көрсетті. 1950-1980 жылдар аралығында жауын-шашынның орнын және қарқындылығын өлшейтін радарлар әлемдегі ауа райы қызметтеріне енгізілді. Алғашқы метеорологтар катодты сәуле түтігін бақылауға мәжбүр болды. 1953 жылы Иллинойс штатының су зерттеу басқармасында жұмыс істейтін электр инженері Дональд Стаггс торнадолық дауылмен байланысты «құйрық эхосын» алғашқы рет радарлық бақылауға алды. АҚШ-та теледидардағы ауа райы радары алғаш рет 1961 жылдың қыркүйегінде қолданылды. «Карла» дауылы Техас штатына жақындаған кезде жергілікті тілші Дэн Раттер дауылдың өте үлкен екеніне күмәнданып, дауылдың мөлшері туралы түсінік алу үшін АҚШ Метеорологиялық бюросының Галвестон қаласындағы WSR 57 радарлық станциясына сапар жасады. Ол бюро қызметкерлерін тікелей эфирде хабар таратуға көндірді және метеорологтан Мексика шығанағының схемасын мөлдір пластик параққа салуын сұрады. Хабар беру кезінде ол компьютердің қара-ақ радар дисплейінің үстіне мөлдір қабатты ұстап, көрермендерге «Карланың» мөлшері мен дауылдың ортасының орналасқан жері туралы түсінік берді. Бұл Раттерді ұлттық деңгейде танымал етті және оның хабарламасы биліктің шамамен 350 000 адамды эвакуациялауын қабылдауға көмектесті, бұл сол кезде АҚШ тарихындағы ең ірі эвакуация болды. Ескертудің арқасында 46 адам ғана қаза тапты және эвакуация бірнеше мың адамның өмірін сақтап қалды деп есептелді, өйткені 1900 жылы Галвестон қаласындағы кішігірім дауыл шамамен 6000-12000 адамды өлтірді. 1970 жылдары радарлар стандарттастырыла бастады және желілерге біріктірілді. Радарлық суреттерді түсіретін алғашқы құрылғылар жасалды. Сканерленген бұрыштар саны көбейтілді, осылайша жауын-шашынның үш өлшемді көрінісін алу үшін көлденең және тік қималарды жасау мүмкін болды. Осыдан кейін Канададағы Альберта жобасы және АҚШ-тағы Ұлттық қатты дауылдар зертханасы (NSSL) үшін найзағайлардың ұйымдастырылуын зерттеу мүмкін болды. 1964 жылы құрылған NSSL қос поляризациялық сигналдар мен Допплер эффектісін пайдалану бойынша тәжірибелер жүргізе бастады. 1973 жылдың мамыр айында Оклахома штатының Юнион-Сити қаласын торнадо қиратты, ол Оклахома-Сити қаласының батысында орналасқан. NSSL-дің 10 см толқын ұзындығындағы допплерлік радары алғаш рет торнадоның өмірлік циклын толыққанды тіркеді. Зерттеушілер торнадо жерге тимегенге дейін бұлттың мезомасштабты айналуын анықтады – торнадолық вортекс сигналы. NSSL-дің зерттеулері Ұлттық ауа райы қызметін Допплер радарының маңызды болжам құралы екеніне көндірді. Канадада 1985 жылы Экология Канада 5 см зерттеу Допплер радарымен Кинг-Сити станциясын салдырды; Макгилл университеті 1993 жылы оның радарларын (Дж. С. Маршалл радар обсерваториясы) екі есе арттырды. Бұл 1998 және 2004 жылдар аралығында Канаданың толық Допплер желісіне әкелді. Франция және басқа да еуропалық елдер 2000 жылдардың басында Допплер желілеріне ауысты. Сонымен қатар, компьютерлік технологияның жылдам дамуы ауа райының қолайсыздықтарын анықтау алгоритмдерін және бұқаралық ақпарат құралдары мен зерттеушілерге көптеген қосымшаларды әкелді. 2000 жылдан кейін қос поляризациялық технологияны зерттеу операциялық пайдалануға көшті, жауын-шашынның түрі туралы ақпараттың санын арттырды (мысалы, жаңбыр мен қар). «Қос поляризация» дегеніміз – жерге қатысты көлденең және тік поляризацияланған микротолқынды сәулеленудің шығарылуы. Кейбір елдерде, мысалы, АҚШ, Франция және Канадада он жылдың соңында немесе келесі жылдың басында кең ауқымды енгізу жүзеге асырылды. 2013 жылдың сәуір айында АҚШ-тың барлық Ұлттық ауа райы қызметінің NEXRAD радарлары толыққанды қос поляризацияланған.

Радар импульстерін жіберу

Ауа-райы радарлары параболалық антеннаға толқын жетекпен қосылған қуыс магнитрон немесе клистрон түтігін пайдалана отырып, шамамен бір микросекунд ұзақтығындағы микротолқын сәулеленуінің бағытталған импульстарын жібереді. 1–10 см толқын ұзындығы қызығушылық тудыратын тамшылар немесе мұз бөлшектерінің диаметрінен шамамен он есе үлкен, себебі осы жиіліктерде Рейлидің шашырауы жүзеге асады. Бұл дегеніміз, әрбір импульстің энергиясының бір бөлігі осы кішкентай бөлшектерге соғылып, радар стансасына қайта оралады. Ұзындығы қысқа толқын ұзындығы кішірек бөлшектер үшін тиімді, бірақ сигнал тез әлсірейді. Сондықтан 10 см (S жолағы) радары артық көрінеді, бірақ 5 см C жолағы жүйесінен қымбат. 3 см X жолағы радиолокаторы тек қысқа қашықтықтағы құрылғылар үшін, ал 1 см Ka жолағы ауа-райы радары жаңбыр және тұман сияқты кішкентай бөлшектердің құбылыстарын зерттеу үшін ғана қолданылады. Белгілі бір импульстің кез келген уақытта қамтитын ауа көлемі мына формуламен шамаланады: , мұнда v – импульспен қоршалған көлем, h – импульс ені (мысалы, метрмен, импульстың секундтардағы ұзақтығын жарық жылдамдығына көбейту арқылы есептеледі), r – импульстың радардан өткен қашықтығы (мысалы, метрмен) және – сәуленің ені (радианымен). Бұл формула сәуленің симметриялық дөңгелек деп есептейді, «r» «h»-дан әлдеқайда үлкен болғандықтан, импульстің басында немесе соңында алынған «r» шамамен бірдей, ал көлемнің пішіні «h» тереңдігі бар конус қимасы болып табылады. Егер импульстар тым жиі жіберілсе, бір импульстан алынған сигналдар бұрынғы импульстардан алынған сигналдармен шатастырылып, қашықтық есептеулерінде қателіктерге әкелуі мүмкін.

Жауын-шашын түрлері

Коммерциялық телеарналар (жергілікті және ұлттық) және The Weather Channel және AccuWeather сияқты ауа райы веб-сайттары ұсынатын кейбір дисплейлер қыс айларында жауын-шашын түрлерін көрсетеді: жаңбыр, қар, аралас жауын-шашын (жаңбыр және мұзды жаңбыр). Бұл радар деректерінің талдауы емес, басқа дерек көздерімен, ең алдымен жер бетіндегі есептермен (METAR) жасалған кейіннен өңдеу. Радар эхосымен қамтылған аймақта бағдарлама жер бетіндегі температура мен төмендегі метеостанциялардан алынған шөл нүктесіне сәйкес жауын-шашын түрін анықтайды. Адамдармен басқарылатын станциялар мен кейбір автоматты станциялар (AWOS) хабарлаған жауын-шашын түрлеріне үлкен салмақ беріледі. Содан кейін бағдарлама интерполяция жасап, белгілі аймақтармен сурет шығарады. Бұл есептеуден туындаған интерполяциялық қателерді қамтиды. Жауын-шашын аймақтарының мезомасштабтық өзгерістері де жоғалады. Дифференциалдық шағылыстырмалылық (Zdr) – Дифференциалдық шағылыстырмалылық ZH / ZV ретінде шағылыстырылған көлденең және тік қуат қайтарымының қатынасына пропорционалды. Бұл, басқа нәрселермен қатар, тамшы пішінінің жақсы көрсеткіші болып табылады. Дифференциалдық шағылыстырмалылық сонымен қатар орташа тамшы мөлшерінің шамасын береді, өйткені үлкен тамшылар аэродинамикалық күштердің деформациясына ұшырайды, бұл кішірек тамшыларға қарағанда (яғни үлкен тамшылар ауаға түсіп, «гамбургер пішініне ие болады») бейім. Корреляция коэффициенті (ρhv) – Шағылыстырылған көлденең және тік қуат қайтарымдары арасындағы статистикалық корреляция. Жоғары мәндер, бірге жақын, біртекті жауын-шашын түрлерін көрсетеді, ал төменгі мәндер жаңбыр мен қар немесе бұрқасын сияқты аралас жауын-шашын түрлерін немесе төбедегі қалдықтарды көрсетеді, әдетте торнадо қалдықтарымен және торнадо тұмандылық белгісімен сәйкес келеді. Сызықтық поляризацияны жою қатынасы (LDR) – Бұл көлденең импульстен келетін вертикальді қуаттың немесе тік импульстен келетін көлденең қуаттың қатынасы. Ол сондай-ақ жауын-шашынның әртүрлі түрлері бар аймақтарды көрсете алады. Дифференциалдық фаза – Дифференциалдық фаза – көлденең және тік импульстер арасындағы қайтарылған фаза айырмашылығының салыстыруы. Фазаның бұл өзгеруі көлденең және тік поляризацияланған толқындар үшін таралу жолындағы толқын циклдерінің (немесе толқын ұзындығы) санының айырмашылығынан пайда болады. Оны бұлт пен жауын-шашын бөлшектерінің қозғалысынан пайда болатын Доплер жиілік ауытқуымен шатастыруға болмайды. Дифференциалдық шағылыстығы, корреляциялық коэффициенті және сызықтық деполяризациялық қатынасынан айырмашылығы, олардың барлығы шағылыстырылған қуатқа тәуелді, дифференциалдық фаза «таралу эффектісі» болып табылады. Бұл жауын-шашынды өте жақсы бағалаушы және оның әлсіреуіне әсер етпейді. Дифференциалдық фазаның диапазондық туындысы (конкретті дифференциалдық фаза, Kdp) қатты жауын-шашын / әлсірету аймақтарын анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Қалдықтардың пішіні туралы көбірек ақпаратпен қос поляризациялық радарлар ауадағы қалдықтарды жауын-шашыннан оңай ажырата алады, бұл торнадоларды табуды жеңілдетеді. Доплер ауа райы радарлары өндірген рефлективтілік, жылдамдық және спектр кеңдігіне қосылған бұл жаңа біліммен зерттеушілер жауын-шашын түрлерін, метеорологиялық емес мақсаттарды ажырату және жауын-шашынның жинақталуын жақсы бағалау үшін алгоритмдер әзірлеуде жұмыс істейді. АҚШ-та NCAR және NSSL осы салада әлемдік көшбасшылар болды. NOAA NSSL-де қос поляризациялық радар үшін сынақ орнатты және барлық 10 см NEXRAD радарларын қос поляризациямен жабдықтады, ол 2013 жылдың сәуірінде аяқталды. 2004 жылы Алабама штатының Хантсвилл қаласында орналасқан ARMOR Доплер ауа райы радары SIGMET Антенналық қабылдағышпен жабдықталды, бұл операторға қос полярметрлік мүмкіндіктер берді. Канаданың Монреаль қаласындағы МакГилл университеті Дж. С. Маршалл радарлық обсерваториясы өзінің аспаптарын (1999) түрлендірді және деректерді Монреаль қаласындағы Экология Канадасы 2018 жылы жабылып қалмайынша пайдалануда болды. Экология Канадасының тағы бір радары 2005 жылы Кинг-Ситиде (Торноттың солтүстігінде) қос поляризацияланды; ол 5 см толқын ұзындығын пайдаланады, ол үлкен әлсіретуді бастан кешіреді. Экология Канада барлық радарларын екі жақты полярландыруға ауыстырып жатыр. Météo France өзінің желілік қамтуына қос поляризациялық Доплер радарын қосуды жоспарлап отыр.

Радарлық көрсету әдістері

Радарлық сканерлерден алынған деректерді көрсетудің әртүрлі әдістері пайдаланушылардың қажеттіліктерін қанағаттандыру мақсатында уақыт өте келе жасалған. Бұл – жиі қолданылатын және арнайы дисплейлердің тізімі:

Жобалық позиция көрсеткіші

Деректер бір мезгілде бір бұрыштан алынатындықтан, оларды көрсетудің алғашқы тәсілі – жоспарлы позициялық индикатор (PPI) болды, ол радардан келетін сигналдардың екі өлшемді кескіндегі орналасуын ғана көрсетеді. Маңыздысы, радарға әртүрлі қашықтықтағы деректер жер бетінен әртүрлі биіктікте орналасады. Бұл өте маңызды, себебі радарға жақын жерде байқалатын жоғары жаңбыр мөлшері жерге жететін жаңбырға салыстырмалы түрде жақын, ал 160 км қашықтықтағы жаңбыр шамамен 1,5 км биіктікте болады және жер бетіне жететін мөлшерден мүлдем өзгеше болуы мүмкін. Сондықтан радардан әртүрлі қашықтықтағы ауа райы эхоларын салыстыру қиын. PPI радардың жерден келетін эхоларының әсеріне ұшырайды. Оларды нақты эхо деп қате түсінуге болады. Мұндай кемшіліктерді жою үшін басқа өнімдер мен деректерді өңдеу әдістері әзірленді. Қолданылуы: PPI рефлексиялық, Допплерлік және поляриметриялық деректерді пайдалануға болады. Допплер деректері үшін екі көзқарас мүмкін: жер бетіне немесе дауылға қатысты. Жаңбырдың жалпы қозғалысын қарастырып, әртүрлі биіктіктегі желді анықтау үшін радарға қатысты деректерді пайдалану тиімді. Бірақ дауыл астында айналу немесе желдің бағытын өзгертуін іздегенде, жауын-шашынның жалпы қозғалысын алып тастайтын, пайдаланушыға ауа қозғалысын бұлт үстінде отырғандай сезінуге мүмкіндік беретін дауылға қатысты суреттерді пайдалану жақсы.

Тік композит

PPI проблемаларына тағы бір шешім – жер бетінен жоғары қабатта максималды шағылыстыратын кескіндерді жасау. Бұл шешім әдетте қолданыстағы бұрыштар саны аз немесе өзгеріп тұрған кезде қолданылады. Американың Ұлттық ауа-райы қызметі мұндай композитті пайдаланады, себебі олардың сканерлеу схемасы қажеттілікке қарай 4-тен 14 бұрышқа дейін өзгеруі мүмкін, бұл өте жалпы CAPPI-лерді тудырады. Композит қабаттағы күшті эхоның қалыпқа келтірілуін қамтамасыз етеді және Доплер жылдамдықтарын қолданатын өңдеу жер эхоларын жояды. Базалық және композиттік өнімдерді салыстыру арқылы вирга мен көтерілу аймақтарын анықтауға болады.

Жинақталу

Радарлық деректердің тағы бір маңызды қолданысы – гидрологиялық есептеулерде пайдаланылатын үлкен алқаптарға түскен жауын-шашын мөлшерін анықтау мүмкіндігі; мұндай деректер су тасқынын бақылау, кәріз жүйесін басқару және тоғандар салуда пайдалы. Радар арқылы алынған ауа райы деректері жердегі станциялардан алынған деректермен бірге қолданылуы мүмкін. Радарлық жиынтықтарды жасау үшін, біз бір PPI немесе CAPPI және келесі аралықтағы бір нүктедегі жаңбыр қарқынын орташа мәнмен бағалауымыз керек, содан кейін осы суреттер арасындағы уақытқа көбейту қажет. Егер ұзақ мерзімді жиынтықтар қажет болса, осы кезеңдегі суреттен суретке жиналған жиынтықтарды қосу керек.

Эхотоптар

Әуе қатынасы радиолокациялық деректерді кеңінен пайдаланады. Осы салада ерекше маңызды карта – ұшу жоспарлау және қауіпті ауа райынан қашу үшін қолданылатын Эхотопс. Көптеген елдердің ауа райы радарлары жабын аймағында 3D деректер жинау үшін жеткілікті көлемде бұрыштарды сканерлейді. Көлемдегі жауын-шашынның ең жоғары биіктігін анықтау салыстырмалы түрде жеңіл. Дегенмен, бұл бұлттардың ең жоғарғы бөлігі емес, себебі олар жауын-шашыннан әрқашан биікке көтеріледі.

Тік көлденең қималар

Бұлттардың тік құрылымын, әсіресе найзағайларды немесе балқыған қабат деңгейін білу үшін метеорологтар радар деректерінің тік қимасын пайдалана алады. Бұл, радар сәулесімен сканерленген әртүрлі бұрыштардан алынған А нүктесінен В нүктесіне дейінгі сызық бойымен деректерді көрсету арқылы жасалады.

Қашықтық биіктігі көрсеткіші

Метеорологиялық радар тек тік ось бойынша сканерлеген кезде, біріктірілген PPI көлбеулерін пайдаланып алынған құрама тік кесіндіге қарағанда әлдеқайда жоғары ажыратымды деректерді алады. Бұл деректер Диапазон-Биіктік Индикаторы (RHI) деп аталады, және ол дауылдың кішкентай масштабтағы тік құрылымын егжей-тегжейлі көрсете беруге өте қолайлы. Бұрын айтылғандай, бұл жоғарыда аталған тік қимадан өзгеше, себебі радар антеннасы тек тік бағытта сканерлейді, және 360 градусқа толық айналып сканерлемейді. Мұндай өнімдер көбінесе ғылыми зерттеу радарларында ғана қолжетімді.

Радар желілері

Соңғы онжылдықтарда радар желілері кеңейтіліп, үлкен аумақтарды қамтитын композиттік суреттер жасауға мүмкіндік берді. Мысалы, АҚШ, Канада, Австралия, Жапония және Еуропаның көп бөлігі сияқты елдер өздерінің радар желілерінен алынған суреттерді біріктіріп, бір экранда көрсетеді. Шындығында, мұндай желілер сәуле ені, толқын ұзындығы және калибрлеу сияқты әртүрлі сипаттамалары бар түрлі радарлардан құралады. Желідегі деректерді салыстыру кезінде, әсіресе екі радар бір нүктені қамтығанда, осы айырмашылықтарды ескеру қажет, қандай деректерді пайдалану керектігін шешетінде. Егер күшті эхо алынса, бірақ ол ең алыс радардан келсе, онда жерге жетпей буланып кетуі мүмкін жаңбыр немесе қардан алынған, биік қабаттағы сигналдар қолданылады (вирга). Ал егер жақын орналасқан радардан алынған деректер қолданылса, олар найзағай арқылы өту кезінде әлсіреуі мүмкін. Радар желісін пайдаланып жасалған жауын-шашынның композиттік суреттері осы шектеулерді ескере отырып құрылады.

Аномальды көбею (стандартты емес атмосфера)

Бірінші болжам – радар сәулесі биіктікпен бір белгілі деңгейде суынатын ауа қабатынан өтеді деген пікір. Эхо сигналының орны осы гипотезаға тікелей байланысты. Дегенмен, шын атмосфера нормадан күрт айырылуы мүмкін.

Супер жарылу

Температура инверсиясы көбінесе жер бетіне жақын қалыптасады, мысалы, түнде ауа салқындағанда, ал биікте жылы болып қалады. Ауаның рефракция индексі қалыптыдан тез төмендегендіктен, радар сәулесі жоғары қарай емес, жерге қарай иіледі. Соңында ол жерге соғылып, радарға кері шағылысады. Өңдеу бағдарламасы кері шағылысқан эхоны қалыпты жағдайдағы биіктік пен қашықтыққа қате орналастырады. Мұндай жағдайда оны байқау қиын болуы мүмкін.

Қиындықта

Екінші жағынан, егер ауа тұрақсыз болса және биіктікпен стандартты атмосферадан тезірек салқындаса, сәуле күтілгеннен жоғары шығады. Осылайша, ауа райы радиолокациялық суреттеріндегі жіңішке сызықты үлгілер, жиналатын желдермен байланысты, көбінесе жәндіктерден келетін сигналдармен анықталады. Құстардың көші-қоны, әдетте Жер атмосферасының ең төменгі 2000 метрінде түнде жүреді, ауа райы радарымен, әсіресе WSR 88D радарымен алынған жел профильдерін бұзады, қоршаған ортадағы желдің қайта оралуын 30–60 км/сағ дейін арттырады. Радарлық суреттердегі басқа да нысандар: жел электр станциясы неғұрлым жақын болса, сигнал соғұрлым күшті болады, ал көптеген мұнаралардан келетін біріктірілген сигнал күшейеді. Кейбір жағдайларда, радар ауа райы радарларындағы торнадо воронкасының белгісін анықтайтын алгоритмге қате оң нәтижелер беретін жылдамдықтарды тіркеуі мүмкін; мұндай жағдай 2009 жылы Канзас штатының Додж-Сити қаласында тіркелді. Басқа да құрылымдар сияқты, сәуледе тұрған жел турбиналарынан келетін радар сигналының әлсіреуі де нәтиженің дұрыс емеуіне алып келуі мүмкін.

Көшірілу

Микротолқынды радарлар жаңбырға түскенде, қолданылатын толқын ұзындығына қарай оның қуаты жұтылуы мүмкін. 10 см радарлар үшін бұл әлсіреу ескерілмейді. Ауа райы радарларында қар бөлшектерінен туындайтын әлсіреуді түзету – қазіргі зерттеулердің маңызды тақырыбы болып табылады.

Жарық жолақ

Радар сәулесінің шағылыстыру қабілеті нысананың диаметріне және оның шағылыстыру қабілетіне байланысты. Қар кристалдары үлкен, бірақ нашар шағылыстырады, ал жаңбыр тамшылары кішкентай, бірақ жақсы шағылыстырады. Қар нөл градустан жоғары температуралы қабаттан өтетін кезде еріп жаңбырға айналады. Шағылыстыру теңдеуін қолдану арқылы, ерігенге дейінгі қар мен ерігеннен кейінгі жаңбырдың қайтарылу деңгейлерінің көп айырмасы жоқ екенін көрсетуге болады, себебі диэлектрлік тұрақтының өзгеруі көлемнің өзгеруін толықтырады. Дегенмен, еріген кезде радар толқыны қар кристалдары сумен қапталғанда, өте үлкен тамшыларға ұқсас нәрсені "көреді". Бұл шешімдердің радиалды түрде астыңғы бөлігінде орналасқан жалған, әлсіз шағылыстардан тұратын үшбұрыш тәрізді пішінге әкеледі.

Мезонет

Тағы бір мәселе – ажыратымдылық. Бұрын айтылғандай, радар деректері – сәулемен сканерленген көлемнің орташа мәні. Ажыратымдылықты үлкен антенналар немесе тығыз желілер арқылы жақсартуға болады. Атмосфераны ұжымдық адаптивті сенсорлау орталығының (CASA) бағдарламасы, ұялы телефон мұнараларына орнатылған көптеген төмен құнға ие X-диапазонды (3 см) ауа райы радарларын пайдаланып, тұрақты NEXRAD (Америка Құрама Штаттарындағы желіге) қосымша жасауды мақсат етеді. Бұл радарлар NEXRAD-тың кең аумағын кішірек аймақтарға бөліп, оның ең төменгі бұрышынан төменгі биіктіктерді қарастырады. Бұл басқаша алуға болмайтын егжей-тегжейлі мәліметтерді ұсынады. 3 см радарларды қолдану арқасында әр радардың антеннасы кішкентай (шамамен 1 метр диаметрлі), бірақ жақын қашықтықта ажыратымдылығы NEXRAD-қа ұқсас. Қолданылған толқын ұзындығына байланысты әлсіреу айқын, бірақ жабу аймағындағы әрбір нүкте көптеген радарлармен көріледі, олардың әрқайсысы әртүрлі бағыттан қарап, басқаларынан жоғалған деректерді толықтырады. Ал 2014 жылы ең төменгі деңгейдің цикл ішіндегі қосымша сканерлеуі (MESO SAILS) жүзеге асырылды.

Электрондық сондау

Уақытылылықты жақсарту да қажет. Ауа райы радарын толық сканерлеу аралығы 5-10 минутты құрайды, ал дауыл дамитын кезде көптеген деректер жоғалады. Норман, Оклахомадағы Ұлттық қатты дауылдар зертханасында деректерді жинау жылдамдығын арттыру мақсатында фазалық массивтік радар сынақтан өтуде. Жапониядағы команда RIKEN Есептеу ғылымының кеңейтілген институтында (AICS) 3D NowCasting үшін фазалық массивтік радарды қолданысқа енгізді.

Авиациялық ауа райы радары

Радарлық жүйелерді ұшақтарда қолдануға ауа райы радары, соқтығысудан сақтану, нысананы іздеу, жерге жақындық және басқа да жүйелер жатады. Әуе кемелерінде қолданылатын импульстік Допплер радары негізінде жұмыс істейтін коммерциялық ауа райы радары үшін ARINC 708 – басты талаптар жиынтығы.

Антенналар

Жердегі ауа райы радарларынан өзгеше, олар белгілі бір бұрышта орнатылса, әуедегі ауа райы радарлары ұшақтың мұрнынан немесе қанатынан қолданылады. Ұшақ тек жоғары, төмен, солға және оңға ғана емес, сонымен қатар домалап та жүреді. Мұны өтеу үшін антенна ұшақта орналасқан тік гироскопқа байланыстырылып, калибрленеді. Осы арқылы ұшқыш антеннаның көлбеуін немесе бұрышын орната алады, бұл тұрақтандырғышқа антеннаны орташа маневрлер кезінде дұрыс бағытта ұстауға мүмкіндік береді. Шағын сервомоторлар кенеттен жасалатын маневрлерге жете алмайды, бірақ оған тырысады. Осылайша ұшқыш радарды қызығушылық тудыратын ауа райы жүйесіне қарай бағыттауға мүмкіндік алады. Егер ұшақ төмен биіктікте болса, ұшқыш радарды көкжиектің жоғары жағына орнатып, экрандағы жердің кедергісін азайтады. Ал ұшақ өте биік болса, ұшқыш радарды төмен немесе теріс бұрышқа қойып, бұлттар қайда болса да, оларға қарай бағыттайды. Егер ұшақ қозғалысын өзгертсе, тұрақтандырғыш өзіне-өзі сәйкес реттеледі, сондықтан ұшқышқа бір қолымен ұшуға, екіншісімен радарды реттеуге қажеттілік тумайды.

Қабылдаушылар/берушілер

Қабылдағыш/таратушы туралы сөз қозғалғанда екі негізгі жүйе бар: біріншісі – жоғары қуатты жүйелер, ал екіншісі – төмен қуатты жүйелер; екеуі де X жолағы жиілік диапазонында (8000–12500 МГц) жұмыс істейді. Жоғары қуатты жүйелер 10000–60000 Вт қуатпен жұмыс істейді. Бұл жүйелер өте қымбат (шамамен 1700 доллар тұратын) магнетрондардан тұрады және жүйедегі бұзылыстарға байланысты көп шу тудырады. Осы себепті, бұл жүйелер доға түзілуіне өте қауіпті және жердегі персоналдың жанында қолдану қауіпсіз емес. Дегенмен, альтернатива – төмен қуатты жүйелер. Бұл жүйелер 100–200 Вт қуатпен жұмыс істейді және жоғары қуатты жүйелермен салыстырылатын тиімділікке қол жеткізу үшін жоғары сезімтал қабылдағыштар, сигналды өңдеу микропроцессорлары және транзисторлардың үйлесімін қажет етеді. Күрделі микропроцессорлар шуды жоюға көмектеседі, нәтижесінде аспанның дәлірек және егжей-тегжейлі суреті алынады. Сонымен қатар, жүйедегі бұзылыстардың азаюының арқасында, төмен қуатты радарлар Доплер эффектісі арқылы турбуленттікті анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Төмен қуатты жүйелер айтарлықтай аз қуатпен жұмыс істейтіндіктен, доға түзілуінен қорғалған және дерлік кез келген уақытта қолданылуы мүмкін.

Жел дауылдарын бақылау

Цифрлық радар жүйелері бұрынғы жүйелерінен әлдеқайда артық мүмкіндіктерге ие. Олар найзағайды қадағалау мүмкіндігін ұсынады, бұл пайдаланушыларға қадағаланатын әрбір дауыл бұлты туралы толыққанды ақпарат алуға мүмкіндік береді. Найзағайлар радар импульсінен алынған жауын-шашын деректерін алдын ала бағдарламаланған үлгімен салыстыру арқылы анықталады. Найзағайды растау үшін, оның қарқындылығы мен пішіні қатаң талаптарға сай келуі керек, осылайша конвекциялық емес бұлттан ажыратылады. Әдетте, ол көлденең құрылым мен тік үзділіктің белгілерін көрсетуі керек, сондай-ақ цифрлық радар трекерлері анықтап, қадағалайтын өзегі немесе күштірек орталығы болуы керек. Найзағай ошағы анықталғаннан кейін, оның жылдамдығы, жүріп өткен қашықтығы, бағыты және болжамды келу уақыты (ETA) қадағаланып, тіркеледі.

Допплер радары мен құстардың көшіп-қонуы

Допплер ауа райы радарларын пайдалану жауын-шашынның орналасуы мен жылдамдығын анықтаумен ғана шектелмейді. Ол құстардың көшіп-қонуын да қадағалай алады (құстар емес нысандар бөлімі). Радарлардың радио толқындары жаңбырға де, құстарға де (тіпті көбелектер сияқты жәндіктерге де) соғылады. Мысалы, АҚШ Ұлттық метеорологиялық қызметі өз радарларында құстардың бұлттар түрінде пайда болатынын және құстар қонғанда олардың жоғалып кететінін хабарлады. АҚШ Ұлттық метеорологиялық қызметінің Сент-Луис бөлімі тіпті монарх көбелектерінің радарларда пайда болатынын хабарлады. Солтүстік Америкадағы түрлі бағдарламалар ауа райы радарларын және арнайы радарлық деректерді құстардың бағыттарын, ұшу биіктігін және көші-қон уақытын анықтау үшін пайдаланады. Бұл ақпарат жел жетекші фермаларын орналастыру және пайдалануды жоспарлауда, құстардың қаза болуын азайтуда, авиация қауіпсіздігін жақсартуда және жануарлар дүниесін басқаруда пайдалы. Еуропада да осындай дамулар болды, тіпті радарлық анықтауға негізделген авиация қауіпсіздігін болжауға арналған толыққанды бағдарлама құрылды.

Метеоритті анықтау

Бейнеде 2003 жылғы 26 наурызда болған Парк-Форест, Иллинойс штатындағы метеорит құлауы көрсетілген. Сол жақ жоғарғы жақтағы қызыл-жасыл белгі – радардың өзіне жақын бұлттардың қозғалысы, ал түсіп жатқан метеориттердің іздері сурет ортасындағы сары эллипстің ішінде көрінеді. Қызыл және жасыл пиксельдердің араласуы турбуленттілікті көрсетеді, бұл жағдайда жоғары жылдамдықты метеориттердің құлауынан туындаған құбылыс. Америкалық метеор қоғамының мәліметінше, Жер бетіне күн сайын бірде-бір метеорит түседі. Дегенмен, Метеориттік қоғам күткен бүкіл әлемдік метеорит құлауларының деректер базасы әдетте жылына шамамен 10-15 жаңа құлауды тіркейді. Метеориттер метеороид Жер атмосферасына түскен кезде пайда болады, иондану және үйкеліс салдарынан жарқын метеор туады. Егер метеор жеткілікті үлкен болса және түсу жылдамдығы жеткілікті төмен болса, тірі қалған метеориттер жерге жетеді. Түсіп келе жатқан метеориттердің жылдамдығы шамамен 2-4 км/с төменге дейін төмендегенде, әдетте 15-25 км биіктікте, олар енді жарқын метеор тудырмайды және «қара ұшу» фазасына өтеді. Осы себепті, көптеген метеориттер мұхитқа түсіп, күндіз немесе басқа жағдайларда байқалмай қалады. Бұл метеориттерді табуға өте ыңғайлы, себебі ауа-райы радарлары кең желілердің бөлігі болып табылады және атмосфераны үздіріссіз сканерлейді. Сонымен қатар, метеориттер жергілікті жел турбуленттілігін тудырады, ол Допплер деректерінде байқалады, және тік түсуге бейім болғандықтан, олардың жерге түскен жері радар сигналына жақын болады.