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.

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.

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.

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.

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.

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