Кіріспе
Бұлтты анықтауға бағытталған ауа райы радары. Миллиметрлік толқынды бұлт радарлары, сондай-ақ бұлт радарлары деп те аталады, бұлттарды 24 және 110 ГГц аралығындағы жиіліктерде бақылауға арналған радар жүйелері болып табылады (1-кесте). Сәйкесінше, олардың толқын ұзындығы 1 мм-ден 1,11 см-ге дейін, ал NEXRAD сияқты дәстүрлі S-диапазонды радарларда қолданылатын толқын ұзындығынан он есе қысқа.
Millimeter wave cloud radars, also denominated cloud radars, are radar systems designed to monitor clouds with operating frequencies between 24 and 110 GHz (Table 1). Accordingly, their wavelengths range from 1 mm to 1.11 cm, about ten times shorter than those used in conventional S band radars such as NEXRAD.
1-кесте: Милиметрлік бұлтты радарлардың жұмыс жолақтары
Топ атауы Жиілік диапазоны [ГГц] Толқын ұзындығы диапазоны [мм] Ka 24 40 7.5 11.1 W 75 100 2.7 4.0 Осы радарлардың басты мақсаты – бұлттардың қасиеттерін және олардың өзгеруін зерттеу. Олар көбінесе Ka диапазонында 35 ГГц және W диапазонында 94 ГГц жиілікте жұмыс істейді, онда атмосфералық таралу максималды болады. Бұл жиіліктер шамамен 8 және 3 мм толқын ұзындығына сәйкес келеді. Миллиметрлік бұлт радарлары жоғары уақыт және қашықтық шешімділігіне ие: уақыт шешімділігі реттеледі және әдетте 1-ден 10 секундқа дейін, ал қашықтық шешімділігі жіберілген сигналдың жиілігін модуляциялауды қолданатын бұлт радарлары үшін бірнеше метрден басталады (мысалы, Ұлыбритания Метеорологиялық қызметінде жұмыс істейтін 94 ГГц жиілікті модуляцияланған үздіксіз толқынды (FMCW) бұлт радарі үшін 4 м), магнитронға негіделген бұлт радарлары үшін бірнеше метрге дейін (мысалы, MIRA жүйелері үшін 15-тен 60 м). Максималды анықтау қашықтығы 14-20 км, ал Доплер жылдамдығының шешімділігі бірнеше см/с құрайды. Көптеген бұлт радарлары поляриметрлік болып табылады, олар бөлшектердің симметриясыздығын сызықтық деполяризация коэффициенті (LDR) арқылы өлшеуге қабілетті. Олар көбінесе зенитке бағытталған, бірақ олардың саны артып келеді және қазіргі уақытта сканерлеу блогы бар, ол әртүрлі бұрыштарда және салыстырмалы түрде жоғары жылдамдықпен әртүрлі Range Height Indicator (RHI) сканерлеуін жүргізу кезінде көлемдік ақпаратты және зениттен бірнеше градусқа қашықтықта жазықтықтағы позициялық индикаторды (PPI) жүргізу кезінде тік жел профильдерін алуға мүмкіндік береді. Бұлт радарларының әртүрлі толқын ұзындықтарында жұмыс істеуіне байланысты, ұзын толқын ұзындығы шашын мен жаңбырдан аз әлсірейді, ал қысқа толқын ұзындығы кішірек бөлшектерге сезімтал. Сәйкесінше, Ka диапазонындағы радар сигналдары W диапазонына қарағанда аз әлсірейді, ал W диапазонындағы радарлар кішірек бөлшектерді анықтай алады. Дегенмен, бұлт радарларының сәулелері бұлттар немесе жауын-шашын бөлшектерінен лидар сәулесіне қарағанда аз әлсірейді. Бұлт радарлары қазіргі уақытта бұлттардың шекараларын (мысалы, бұлттардың төменгі және жоғарғы бөліктерін) анықтау және бөлшектердің мөлшері мен массалық құрамы сияқты бұлттардың микрофизикалық қасиеттерін бағалау үшін қолданылады, бұл бұлттардың атмосфера арқылы өтетін сәулелену энергиясын қалай шағылыстыратынын, сіңіретінін және түрлендіретінін түсінуге көмектеседі. Олар сондай-ақ тұманды зерттеуде кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, бұлт радарлары 40 жылдан бері энтомологиялық зерттеулерде қолданылып келеді, өйткені Ka және W диапазонындағы радарлар жылы бұлтсыз күндері көбінесе жәндіктерді анықтайды, ал соңғы уақыттарда алып аэрозольдерді зерттеу үшін де қолданылады. Көптеген бұлт радар жүйелері жерде орналасқан болса да, олар әуеде де және ғарышта да орналасуы мүмкін. Әуедегі жүйелердің мысалдары – HALO (Жоғары биіктіктегі және ұзақ қашықтықтағы зерттеу ұшағы) және Wyoming KingAir зерттеу ұшағында орнатылған бұлт радарлары. 2006 жылдан бері CloudSAT спутнигінде ғарышқа шығарылған бұлтты профильдеу радарі (CPR) жұмыс істейді. Доплер мүмкіндігі бар алғашқы ғарышқа жіберілетін CPR 2023 жылдың наурыз айында Жер бұлттары, аэрозольдер және радиацияны зерттеуші (EarthCARE) миссиясы аясында ұшырылады.
The main purpose of these radars is the investigation of cloud properties and evolution. They typically operate at 35 GHz in the Ka band and at 94 GHz in the W band, where the atmospheric transmission is maximum. These frequencies correspond to wavelengths around 8 and 3 mm. Millimeter cloud radars have a high temporal and range resolution: temporal resolution is adjustable and typically ranges from 1 to 10 seconds, while the range resolution ranges from a few meters for cloud radars using frequency modulation of the transmitted signal (e. g. 4 m for the Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) 94 GHz cloud radar operating at UK Met Office), to several meters for magnetron based cloud radars (e. g. from 15 to 60 m for MIRA systems). The maximum detection range is between 14 and 20 km and the Doppler velocity resolution is of few cm/s. Most of the cloud radars are polarimetric, being able to measure the particles irregularity by means of the linear depolarization ratio (LDR). Usually they operate pointing to the zenith, but an increasing number of them have nowadays scanning units, that allow to retrieve additional information such as volume information when performing various Range Height Indicator (RHI) scans at different angles and at a relatively high speed, and vertical wind profiles, when performing plan position indicator (PPI) at few degrees from the zenith. Regarding the different cloud radars operating wavelengths, it must be taken into account that longer wavelengths are less attenuated by drizzle and rain, while shorter wavelengths are more sensitive to smaller particles. Accordingly, radar signals are less attenuated in Ka band than in W band, while W band radars are able to detect smaller particles. Even though, the cloud radar beams are much less attenuated by cloud or precipitation particles than the lidar beam. Cloud radars are used nowadays to determine cloud boundaries (e. g. cloud bases and tops) and to estimate clouds microphysical properties, such as particle size and mass content, which aids in understanding how clouds reflect, absorb and transform radiant energy passing through the atmosphere. They are also intensively used to investigate fog. Furthermore, cloud radars are being used for entomology studies for more than 40 years, since Ka and W band radars detect almost exclusively insect targets on warm cloudless days, and more recently are also used for the study of giant aerosols. Even though most cloud radar systems are ground based, they can also be airborne and space based. Examples of airborne systems are cloud radars installed on HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) and Wyoming KingAir Research Aircraft. An example of spaceborne Cloud Profiling Radar (CPR) is operating in the CloudSAT satellite since 2006. The first spaceborne CPR with Doppler capability will be launched in March 2023 aboard the Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE) mission.
Допплер жылдамдығы
Орташа Доплер жылдамдығы кері шашыраған қуаттың қуат спектрінің (Доплер жылдамдығы) орташа жиілігі ретінде қарастырылуы мүмкін. Өлшенген көлемнің көзбен көру сызығы бойымен орташа Доплер жылдамдығы (қуат спектрінің орташа жиілігі) – радиалды жылдамдық болып табылады. Вертикальды өлшеулерде Доплер жылдамдығы – гравитация күшінің әсерінен және өлшенген көлемдегі ауа қозғалысынан туындаған бөлшектердің терминалдық жылдамдығының қосындысы. Терминалдық жылдамдық бұлт бөлшектерінің микрофизикалық қасиеттері туралы ақпарат береді. Бұлт радиолокациялық бақылауларынан терминалдық жылдамдықты алу үшін, Допплер спектрінен спектрді ығыстыратын ауа қозғалысының әсерін жою қажет, бұл микрофизиканың нақтылығын арттырады. Коллиас және авторлар бұл ығысты түзету әдісін ұсынады, түзетілген Доплер жылдамдығы мен бөлшектердің құлау жылдамдығы арасындағы байланыстың дәлдігін жақсартады.
Допплер ені
Допплер ені немесе Допплер спектрінің ені – спектрдің стандартты қатесі. Сәйкесінше, кішкентай мәндер тар спектрлерді көрсетеді, ал спектрдің жоғары ені жылдамдық доменінде (жиілік доменінде) гидрометеорлардың кеңірек таралуына сәйкес келеді. Жоғары еннің себептері екі немесе көп модальды спектрлер болуы мүмкін. Бұл өлшенген көлемде бірнеше гидрометеор популяциясы бар екенін білдіреді, бұл әртүрлі терминалдық жылдамдықтарға байланысты Допплер спектрінде екі немесе одан көп режимге әкеледі. Допплер енінің орташа Допплер жылдамдығымен бірге тез өзгеруі екі гидрометеор популяциясын ажырату үшін де қолданылуы мүмкін. Атмосферадағы ауа қозғалысы Допплер еніне әсер ететіндіктен, бұл параметр өлшенген көлемдегі турбуленттілік туралы ақпарат береді. Жоғары және төмен қарайғы ағындар құлау жылдамдығын баяулатып, Допплер енін азайтуы немесе арттыруы мүмкін. Егер өлшемдер зенитке қарай бағытталмаса, көлденең жел компоненті де енге әсер етеді. Атмосферадағы желдің нақты компоненттерін білу Допплер спектрін түзетуге мүмкіндік береді, соның арқасында алынған микрофизикалық параметрлерді жақсартуға және белгісіздіктерді азайтуға болады. Бұл параметр спектрдің шыңының орнын орташа спектрлік мәнге қатысты анықтайды. Осылайша, оң қисықтық мәні шықтың орташа мәнге қарағанда сол жаққа орналасқанын көрсетеді. Теріс қисықтық спектрінің шығы орташа спектрлік мәнге қарағанда оң жақта орналасқан. Нөлге жуық мән симметриялық спектрді көрсетеді. Осылайша, Допплердің пішіні бұлттың микрофизикасының немесе өлшенген көлемдегі динамикалық өзгерістердің өзгеруі туралы ақпарат береді. Радардың көтерілуі жоғары болған сайын, бұл параметрге динамикалық әсерлер де күшті болады. Желдің жылдам өзгеруі Допплер спектрінің енін кеңейтіп, қисықтықта тез өзгерістерге әкелуі мүмкін. Допплер спектрінің қисықтығының өзгеруін анықтау үшін Допплер енін де тексеру қажет. Егер радарлық өлшемдер тік бағытта жүргізілсе, Допплер спектрінің қисықтығы өлшенген бұлттың микрофизикасы туралы ақпарат береді. Өлшенген көлемдегі көлденең жел Допплер доменіндегі спектрдің жалпы ығысуына ғана әкеледі. Бұл спектр Допплер жылдамдығы осі бойымен ығысады дегенді білдіреді, бірақ спектрдің кеңеюіне әсер етпейді. Сондықтан, қисықтықтағы өзгерістер туралы ақпарат береді және қазіргі уақытта жердегі және әуедегі бұлт радарларында қолданылуда. Бұл техникалар күйкілді сүзуге, метеорологиялық және метеорологиялық емес нысандарды ажыратуға және атмосфералық шашыратуларды жіктеуге мүмкіндік береді. Бұл аралас фазалы бұлттарды қашықтықтан бақылаудағы негізгі мәселелердің бірі. Мұз кристалдарының болжамды пішіні вертикальды біріктірілген лидар және радар байқауларына негізделген өлшем және сандық концентрацияны қалпына келтірудегі қателердің басты себебі болып саналады. Сонымен қатар, қазіргі сандық ауа райын болжау модельдерінде қабылданған пішін мұз бөлшектерінің жинақталу өсу жылдамдығын және мұз кристалдарының ауданы-массасының терминалдық жылдамдық қатынастарын анықтайды. Осылайша, мұздың пішіні маңызды белгісіздіктерге әкелуі мүмкін. Теориялық және тәжірибелік зерттеулерде әртүрлі поляриметриялық конфигурациялар бағаланды және төменде түсіндіріледі. Көптеген қазіргі импульстік бұлт радарлары LDR режимінде жұмыс істейді. Бұл режимде радар көлденең поляризацияланған сәулеленуді жібереді және шашыраңқы сәулеленудің көлденең және тік компоненттерін тиісінше кополяризацияланған және кроссполяризацияланған арналарда қабылдайды. Кроссполяризацияланған арнадағы қуаттың кополяризацияланған арнадағы қуатқа қатынасы, сызықтық деполяризация қатынасы деп аталады, бұл бұлт радарлары алатын поляриметриялық айнымалы. Кейбір бұлт радарлары SLDR режимінде жұмыс істейді, бұл дәстүрлі LDR режимінің модификациясы. Көлденең және тік поляризациялық күйлер арасында импульстан импульсқа ауысуды пайдаланады. LDR-ден басқа, мұндай жүйелер дифференциалдық шағылыстықты (ZDR) және корреляциялық коэффициентті (ρHV) өлшеуге қабілетті. LDR, ZDR және ρHV-тің біріктірілген талдауын мұз бөлшектерінің пішінін жіктеу үшін ғана емес, сонымен қатар олардың бағытын сипаттау үшін де қолдануға болады. CDR режиміндегі бұлт радарлары дөңгелек поляризацияланған толқынды жібереді және кополяризацияланған және кроссполяризацияланған компоненттерді қабылдайды. Шығыс поляриметриялық айнымалысы деп аталатын дөңгелек деполяризация қатынасы (CDR) есептеледі және кроссполяризацияланған қуаттың кополяризацияланған қуатқа қатынасы ретінде есептеледі. LDR-мен салыстырғанда, CDR поляризациялық жазықтықта бағытталған бөлшектерге әсер етпейді.
about: and, currently, are being implemented in ground based and airborne cloud radars. These techniques enable advanced clutter filtering, discrimination between meteorological and non meteorological targets, and classification of atmospheric scatterers. that is one of the main problems in remote observations of mixed phase clouds. The assumed shape of ice crystals is considered to be the main source of errors in size and number concentration retrievals based on vertical combined lidar and radar observations. Furthermore, in the existing numerical weather prediction models the assumed shape defines the depositional growth rate of ice particles and the area mass terminal velocity relations of ice crystals. Thus, ice habit can lead to significant uncertainties. A number of different polarimetric configurations were evaluated in theoretical and experimental studies and are explained below. Most of the existing pulse cloud radars operate in the LDR mode. In this mode, a radar transmits a horizontally polarized radiation and receives horizontal and vertical components of the scattered radiation in co polarized and cross polarized channels, respectively. The ratio of the power in the cross polarized channel over the power in the co polarized channel, named as linear depolarization ratio, is the polarimetric variable obtained by cloud radars of this type. Often cloud radars have two receiving units,
Some cloud radars operate in the SLDR mode, that is a modification of traditional LDR mode. use pulse to pulse switching between horizontal and vertical polarization state of the transmitted wave. In addition to LDR, such systems are able to measure differential reflectivity (ZDR) and correlation coefficient (ρHV). The combined analysis of LDR, ZDR, and ρHV can be used not only for classification of ice particle habit but also for characterization of their orientations. CDR mode cloud radars transmit a circularly polarized wave and receive co polarized and cross polarized components. The output polarimetric variable is the so called circular depolarization ratio (CDR), and it is calculated as the ratio of cross polarized power over the co polarized power. In comparison with LDR, CDR is not affected by particles aligned in polarization plane,
Өлшем үлгісі
Бұлт радарлары атмосфераны сынамалап, әртүрлі гидрометеор түрлерінен (бұлт тамшылары, жаңбыр, жаңбыр тамшылары, мұз бөлшектері, қар және т.б.) шығатын кері шағылыс сигналын өлшейді, сондай-ақ гидрометеорологиялық емес нысаналарды да анықтайды. Бұл нысаналардың барлығының вертикальдық жылдамдықтары мен пішіндері әртүрлі болғандықтан, Допплер спектрлері мен LDR оларды ажыратуға мүмкіндік береді. Төменде Potenza қаласындағы MIRA 36 бұлт радарының өлшеулерінің мысалы көрсетілген, онда әртүрлі параметрлерден алынған ақпаратты пайдаланып нысаналарды анықтауға болады: Сұйық су бұлттары шағылыстыру деңгейінде белгілі бір із қалдырады, бірақ LDR-де емес, себебі сұйық тамшылар дерлік шар тәрізді болады. Мұз бұлттары олардың дұрыс емес пішіндеріне байланысты салыстырмалы түрде жоғары LDR сигналдарымен сипатталады. Жәндіктер жоғары LDR мәндерін көрсетеді және әдетте конвективтік шекаралық қабатта (CBL) кездеседі, онда үнемі жоғары және төмен қарайтын ағындар байқалады. Еріген қабатты фазалық өту кезінде сұйық сумен қапталған дұрыс емес мұз бөлшектерінен туындаған LDR-дің күшеюі арқылы анықтауға болады. Жаңбыр жоғары шағылыстыру мәндерімен, жоғары құлау жылдамдықтарымен және спектрдің кеңеюімен сипатталады. Аралас фазалы бұлттардағы сұйық қабаттарды ішкі турбуленттілік деңгейіне сәйкес, сәл жоғары биіктік ені мәндері арқылы анықтауға болады.
Liquid water clouds produce a signature in the reflectivity but not in the LDR, since the liquid droplets are almost spherical. Ice clouds are characterized by relatively high LDR signals due to their irregular shapes. Insects produce high LDR values and are usually within the Convective Boundary Layer (CBL), where up and downdrafts are observed continuously. The melting layer can be identified by an enhancement of the LDR, which is caused by irregular ice particles coated by liquid water during the phase transition. Rain is characterized by high reflectivity values, high falling velocities and a broadening of the spectra. Liquid layers within mixed phase clouds can be detected by slightly higher peak width values, in accordance to the higher turbulence within.
Бұлт радиолокациялық жүйелері
Тынық мұхитының солтүстік-батысындағы ұлттық зертханасы (PNNL) және Prosensing Inc. АҚШ Энергетика министрлігінің атмосфералық сәулеленуді өлшеу бағдарламасының әртүрлі сынақ алаңдарындағы бұлттарды бақылау үшін Сканерлеуші ARM бұлт радарын (SACR) жасады. Радарлар Оклахома, Аляска және тропикалық Батыс Тынық мұхитындағы осы алаңдарда үздіксіз жұмыс істейді және кемінде он жыл бойы минималды персонал қадағалауымен жұмыс істеуге арналған. SACR радарлары 35 және 94 ГГц жиіліктерінде жұмыс істейді, сәйкесінше KaSACR және WSACR деп аталады. 2000 жылдардың соңынан бері METEK GmbH компаниясы Харьков радиоастрономия институтымен (Украина) бірлесіп жасаған 35,5 ГГц Ka жолақты коммерциялық бұлт радары (MIRA 36) нарықта қолжетімді. Қазіргі таңдағыда, әртүрлі жерлерде, көбінесе Еуропада, бұлттардың қасиеттерін үздіксіз бақылайтын он бір жүйе бар. Cloudnet – бұлт және аэрозоль профильдерін операциялық NWP модельдерінде үздіксіз бағалауға арналған станциялар желісі, ол осы мақсатта әртүрлі алаңдардағы басқа құралдардан алынған деректермен қатар олардың деректерін де жинақтайды. Бұл желілерден тыс, кейбір зерттеу орындарында да бұлт радарлары қолданылады. Мысалы, Chilbolton обсерваториясында (Ұлыбритания) жәндіктердің қоныс аударуын зерттеу үшін екі миллиметрлік толқын ұзындығындағы радарлар 3,2 және 9 мм жиілікте үздіксіз жұмыс істейді, ал 35 ГГц бұлт радары Cabauw-да (Нидерланды) жұмыс істейді.
continuously at 3.2 and 9 mm for the study of insects migrations, while a 35 GHz cloud radar is operating in Cabauw (the Netherlands).
2-кесте: ACTRIS және NOAA жобаларына қатысатын бұлтты радар жүйелері
Орналасу Жолағы Жиілігі [ГГц] Толқын ұзындығы [мм] Түрі Орналасу ARM мобильді қондырғы 1 Ka 35 8.6 Ka SACR мобильді ARM мобильді қондырғы 1 W 94 3.2 W SACR мобильді ARM мобильді қондырғы 2 Ka 35 8.6 Ka SACR мобильді Чилболттон, Ұлыбритания Ka 35 9 Коперник Чилболттон, Ұлыбритания W 94 3.2 Галилео Кливленд, Огайо, АҚШ Ka 35.5 8.6 MIRA36 Галвей, Ирландия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Гамбург, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Икалуит, Канада Ka 35.5 8.6 MIRA36 Юэлич, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Лейпциг, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Лайнденберг, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Мюнхен, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Солтүстік Алясканың батыс беткейі, Бароу, АҚШ Ka 35 8.6 Ka SACR Солтүстік Алясканың батыс беткейі, Бароу, АҚШ W 94 3.2 W SACR Палезо, Франция W 95 3.16 BASTA Потенца, Италия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Соданкила, Финляндия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Оңтүстік жазықтар, Оклахома, АҚШ Ka 35 8.6 Ka SACR Оңтүстік жазықтар, Оклахома, АҚШ W 94 3.2 W SACR Тропикалық Батыс Тынық мұхиты, Дарвин, Австралия Ka 35 8.6 Ka SACR Тропикалық Батыс Тынық мұхиты, Манус, Папуа Жаңа Гвинея Ka 35 8.6 Ka SACR Цугшпитце, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36