Метеорологический радар: история и применение

Погодные радары: определение осадков, отслеживание движения, прогнозирование штормов и непогоды. Доплеровский радар, история развития технологии.

21 мин чтения

100%

Источник: Weather radar — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Радар, используемый для обнаружения и мониторинга метеорологических условий.

Метеорологический радар, также называемый радаром наблюдения за погодой (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 являются импульсно-доплеровскими радарами, способными обнаруживать движение капель дождя в дополнение к интенсивности осадков. Оба типа данных могут быть проанализированы для определения структуры штормов и их потенциала вызывать опасные погодные явления. Во время Второй мировой войны операторы радаров обнаружили, что погодные условия создают помехи на экранах, маскируя потенциальные цели противника. Были разработаны методы фильтрации этих помех, но ученые начали изучать это явление. Вскоре после войны избыточные радары стали использоваться для обнаружения осадков. С тех пор метеорологические радары развивались и используются национальными метеорологическими службами, исследовательскими подразделениями университетов и в метеорологических отделах телеканалов. Исходные изображения регулярно обрабатываются специализированным программным обеспечением для краткосрочного прогнозирования будущих положений и интенсивности дождя, снега, града и других погодных явлений. Данные радаров даже включаются в модели численного прогноза погоды для улучшения анализа и прогнозов.

История

Во время Второй мировой войны операторы военных радаров заметили помехи в возвращаемых эхо, вызванные дождем, снегом и мокрым снегом. После войны военные ученые вернулись к гражданской жизни или продолжили службу в вооруженных силах и продолжили работу над поиском применения этим эхосигналам. В Соединенных Штатах Дэвид Атлас, сначала работавший в ВВС, а затем в MIT, разработал первые эксплуатационные метеорологические радары. В Канаде Дж. С. Маршалл и Р. Х. Дуглас создали «Группу изучения штормовой погоды» в Монреале. Маршалл и его аспирант Уолтер Палмер хорошо известны своими работами по распределению размеров капель в дожде умеренных широт, что привело к пониманию соотношения Z-R, которое связывает радиолокационную отражательную способность с интенсивностью осадков. В Великобритании исследования по изучению характеристик радиолокационных эхо и погодных явлений, таких как слоистый дождь и кучево-дождевые облака, продолжались, а также проводились эксперименты для оценки потенциала различных длин волн от 1 до 10 сантиметров. К 1950 году британская компания EKCO демонстрировала свое бортовое радиолокационное оборудование для предупреждения о столкновениях с облаками. В период с 1950 по 1980 год радары отражательной способности, измеряющие положение и интенсивность осадков, были внедрены метеорологическими службами по всему миру. Ранние метеорологи наблюдали за изображениями на электронно-лучевой трубке. В 1953 году Дональд Стаггс, инженер-электрик, работавший в Государственном геологическом обследовании штата Иллинойс, впервые зафиксировал на радаре «эхо крючка», связанное с торнадо. Первое использование метеорологического радара в телевещании в Соединенных Штатах состоялось в сентябре 1961 года. Когда ураган Карла приближался к штату Техас, местный репортер Дэн Ратер, подозревая, что ураган очень большой, отправился на радиолокационный объект WSR 57 Бюро погоды США в Галвестоне, чтобы оценить его размеры. Он убедил сотрудников бюро разрешить ему вести прямую трансляцию из их офиса и попросил метеоролога нарисовать приблизительный контур Мексиканского залива на прозрачном листе пластика. Во время трансляции он держал этот прозрачный лист над черно-белым радарным дисплеем компьютера, чтобы дать зрителям представление о размерах Карлы и местоположении центра урагана. Это сделало Ратера известным на национальном уровне, и его репортаж способствовал тому, что население, получившее предупреждение, согласилось на эвакуацию около 350 000 человек, организованную властями, что была крупнейшей эвакуацией в истории США на тот момент. Благодаря предупреждению погибло всего 46 человек, и, по оценкам, эвакуация спасла несколько тысяч жизней, поскольку более слабый ураган 1900 года в Галвестоне унес жизни, по оценкам, от 6000 до 12000 человек. В 1970-х годах радары стали стандартизироваться и объединяться в сети. Были разработаны первые устройства для захвата радарных изображений. Увеличилось количество углов сканирования для получения трехмерного представления об осадках, что позволило выполнять горизонтальные (CAPPI) и вертикальные срезы. Исследования организации гроз стали возможны в рамках проекта Alberta Hail в Канаде и Национальной лаборатории исследования сильных штормов (NSSL) в США. NSSL, созданная в 1964 году, начала эксперименты с сигналами двойной поляризации и применением эффекта Доплера. В мае 1973 года торнадо опустошил Юнион-Сити, штат Оклахома, к западу от Оклахома-Сити. Впервые доплеровский радар с длиной волны 10 см от NSSL зафиксировал весь жизненный цикл торнадо. Исследователи обнаружили мезомасштабное вращение в облаках над землей до того, как торнадо коснулся земли – признак торнадо вихря. Исследования NSSL помогли убедить Национальную метеорологическую службу в том, что доплеровский радар является важным инструментом прогнозирования. В Канаде Environment Canada построила станцию Кинг-Сити с 5-сантиметровым исследовательским доплеровским радаром к 1985 году; Университет Макгилла модернизировал свой радар (Радиолокационная обсерватория Дж. С. Маршалла) в 1993 году. Это привело к созданию общеканадской доплеровской сети в период с 1998 по 2004 год. Франция и другие европейские страны перешли на доплеровские сети к началу 2000-х годов. В то же время быстрый прогресс в компьютерных технологиях привел к разработке алгоритмов для обнаружения признаков опасных погодных явлений и множества приложений для средств массовой информации и исследователей. После 2000 года исследования технологии двойной поляризации перешли к практическому применению, увеличив объем информации о типе осадков (например, дождь или снег). «Двойная поляризация» означает, что излучается микроволновая радиация, поляризованная как горизонтально, так и вертикально (относительно земли). Широкое внедрение было осуществлено к концу десятилетия или в начале следующего в некоторых странах, таких как Соединенные Штаты, Франция и Канада. В апреле 2013 года все радары NEXRAD Национальной метеорологической службы США были полностью модернизированы до двойной поляризации.

During World War II, military radar operators noticed noise in returned echoes due to rain, snow, and sleet. After the war, military scientists returned to civilian life or continued in the Armed Forces and pursued their work in developing a use for those echoes. In the United States, David Atlas at first working for the Air Force and later for MIT, developed the first operational weather radars. In Canada, J. S. Marshall and R. H. Douglas formed the "Stormy Weather Group" in Montreal. Marshall and his doctoral student Walter Palmer are well known for their work on the drop size distribution in mid latitude rain that led to understanding of the Z R relation, which correlates a given radar reflectivity with the rate at which rainwater is falling. In the United Kingdom, research continued to study the radar echo patterns and weather elements such as stratiform rain and convective clouds, and experiments were done to evaluate the potential of different wavelengths from 1 to 10 centimeters. By 1950 the UK company EKCO was demonstrating its airborne 'cloud and collision warning search radar equipment'. Between 1950 and 1980, reflectivity radars, which measure the position and intensity of precipitation, were incorporated by weather services around the world. The early meteorologists had to watch a cathode ray tube. In 1953 Donald Staggs, an electrical engineer working for the Illinois State Water Survey, made the first recorded radar observation of a "hook echo" associated with a tornadic thunderstorm. The first use of weather radar on television in the United States was in September 1961. As Hurricane Carla was approaching the state of Texas, local reporter Dan Rather, suspecting the hurricane was very large, took a trip to the U. S. Weather Bureau WSR 57 radar site in Galveston in order to get an idea of the size of the storm. He convinced the bureau staff to let him broadcast live from their office and asked a meteorologist to draw him a rough outline of the Gulf of Mexico on a transparent sheet of plastic. During the broadcast, he held that transparent overlay over the computer's black and white radar display to give his audience a sense both of Carla's size and of the location of the storm's eye. This made Rather a national name and his report helped in the alerted population accepting the evacuation of an estimated 350,000 people by the authorities, which was the largest evacuation in US history at that time. Just 46 people were killed thanks to the warning and it was estimated that the evacuation saved several thousand lives, as the smaller 1900 Galveston hurricane had killed an estimated 6000 12000 people. During the 1970s, radars began to be standardized and organized into networks. The first devices to capture radar images were developed. The number of scanned angles was increased to get a three dimensional view of the precipitation, so that horizontal cross sections (CAPPI) and vertical cross sections could be performed. Studies of the organization of thunderstorms were then possible for the Alberta Hail Project in Canada and National Severe Storms Laboratory (NSSL) in the US in particular. The NSSL, created in 1964, began experimentation on dual polarization signals and on Doppler effect uses. In May 1973, a tornado devastated Union City, Oklahoma, just west of Oklahoma City. For the first time, a Dopplerized 10 cm wavelength radar from NSSL documented the entire life cycle of the tornado. The researchers discovered a mesoscale rotation in the cloud aloft before the tornado touched the ground – the tornadic vortex signature. NSSL's research helped convince the National Weather Service that Doppler radar was a crucial forecasting tool. In Canada, Environment Canada constructed the King City station, with a 5 cm research Doppler radar, by 1985; McGill University dopplerized its radar (J. S. Marshall Radar Observatory) in 1993. This led to a complete Canadian Doppler network between 1998 and 2004. France and other European countries had switched to Doppler networks by the early 2000s. Meanwhile, rapid advances in computer technology led to algorithms to detect signs of severe weather, and many applications for media outlets and researchers. After 2000, research on dual polarization technology moved into operational use, increasing the amount of information available on precipitation type (e. g. rain vs. snow). "Dual polarization" means that microwave radiation which is polarized both horizontally and vertically (with respect to the ground) is emitted. Wide scale deployment was done by the end of the decade or the beginning of the next in some countries such as the United States, France, and Canada. In April 2013, all United States National Weather Service NEXRADs were completely dual polarized.

Отправка радиолокационных импульсов

Метеорологические радары посылают направленные импульсы микроволнового излучения длительностью около одной микросекунды, используя магнетрон или клистронную трубку, соединенную волноводом с параболической антенной. Длины волн 1–10 см приблизительно в десять раз превышают диаметр капель или частиц льда, представляющих интерес, поскольку на этих частотах происходит рэлеевское рассеяние. Это означает, что часть энергии каждого импульса отражается от этих мелких частиц обратно к радиолокационной станции. Более короткие длины волн полезны для обнаружения меньших частиц, но сигнал при этом быстрее затухает. Поэтому радар с длиной волны 10 см (S-диапазон) предпочтительнее, хотя и дороже, чем система 5 см (C-диапазон). Радар диапазона 3 см (X-диапазон) используется только для устройств малого радиуса действия, а метеорологический радар диапазона 1 см (Ka-диапазон) – исключительно для исследований явлений, связанных с мелкими частицами, таких как морось и туман. Объем воздуха, занимаемый данным импульсом в любой момент времени, можно приближенно оценить по формуле , где v – объем, охватываемый импульсом, h – ширина импульса (например, в метрах, вычисленная на основе длительности импульса в секундах, умноженной на скорость света), r – расстояние от радара, которое импульс уже прошел (например, в метрах), а – ширина луча (в радианах). Эта формула предполагает, что луч имеет симметричную круговую форму, "r" значительно больше "h", поэтому значение "r" в начале и в конце импульса практически одинаково, а форма объема представляет собой усеченный конус глубиной "h". Если импульсы испускаются слишком часто, отраженные сигналы от одного импульса будут смешиваться с сигналами от предыдущих импульсов, что приведет к неверным расчетам расстояния.

Типы осадков

Некоторые дисплеи, предоставляемые коммерческими телевизионными каналами (как местными, так и национальными), а также веб-сайтами погоды, такими как The Weather Channel и AccuWeather, показывают типы осадков в зимние месяцы: дождь, снег, смешанные осадки (дождь со снегом, гололёд). Это не анализ данных радаров, а последующая обработка, выполненная с использованием других источников данных, основным из которых являются поверхностные отчёты (METAR). Над областью, охваченной радиолокационным эхом, программа определяет тип осадков в зависимости от температуры поверхности и точки росы, сообщаемых на расположенных внизу метеостанциях. Типы осадков, сообщаемые станциями, управляемыми человеком, и некоторыми автоматическими станциями (AWOS), имеют более высокий вес. Затем программа выполняет интерполяцию для создания изображения с выделенными зонами. Это включает в себя ошибки интерполяции, возникающие в процессе вычислений. Мезомасштабные изменения зон осадков также могут быть утеряны. Дифференциальная отражательная способность (Zdr) – Дифференциальная отражательная способность пропорциональна отношению отражённых горизонтальных и вертикальных мощностей в виде ZH / ZV. Помимо прочего, это хороший индикатор формы капель. Дифференциальная отражательная способность также может дать оценку среднего размера капель, поскольку большие капли более подвержены деформации аэродинамическими силами, чем меньшие (то есть, большие капли с большей вероятностью приобретают форму "булочки с котлетой"), когда они падают в воздухе. Коэффициент корреляции (ρhv) – Статистическая корреляция между отражёнными горизонтальными и вертикальными мощностями. Высокие значения, близкие к единице, указывают на однородные типы осадков, в то время как более низкие значения указывают на области смешанных типов осадков, такие как дождь и снег, или град, или в крайних случаях обломки, поднятые в воздух, обычно совпадающие с сигнатурой обломков торнадо и сигнатурой вихря торнадо. Соотношение линейной деполяризации (LDR) – Это отношение вертикальной мощности, возвращаемой от горизонтального импульса, или горизонтальной мощности, возвращаемой от вертикального импульса. Оно также может указывать на области, где наблюдается смесь типов осадков. Дифференциальная фаза – Дифференциальная фаза представляет собой сравнение разницы фаз возвращаемых сигналов 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. Её не следует путать со сдвигом частоты Доплера, который вызван движением облачных частиц и осадков. В отличие от дифференциальной отражательной способности, коэффициента корреляции и соотношения линейной деполяризации, которые все зависят от отражённой мощности, дифференциальная фаза является "эффектом распространения". Это очень хороший оценщик интенсивности дождя и не подвержен влиянию затухания. Производная по дальности дифференциальной фазы (специфическая дифференциальная фаза, Kdp) может использоваться для локализации областей сильных осадков/затухания. Благодаря более полной информации о форме частиц, радары с двойной поляризацией могут легче отличать воздушные обломки от осадков, что облегчает обнаружение торнадо. Используя эти новые знания, дополняющие данные об отражательной способности, скорости и ширине спектра, получаемые от доплеровских метеорологических радаров, исследователи разрабатывают алгоритмы для дифференциации типов осадков, неметеорологических целей и для получения более точных оценок накопления осадков. В США NCAR и NSSL являются мировыми лидерами в этой области. NOAA провела тестовое развертывание двухполяризационного радара на NSSL и оснастила все свои 10-сантиметровые радары NEXRAD двойной поляризацией, что было завершено в апреле 2013 года. В 2004 году доплеровский метеорологический радар ARMOR в Хантсвилле, штат Алабама, был оснащён антенным приёмником SIGMET, предоставив оператору возможности двойной поляризации. Радарная обсерватория Университета Макгилла Дж. С. Маршалла в Монреале, Канада, модернизировала своё оборудование (1999), и данные использовались в оперативной работе Environment Canada в Монреале до её закрытия в 2018 году. Другой радар Environment Canada, расположенный в Кинг-Сити (к северу от Торонто), был двойным поляризованным в 2005 году; он использует длину волны 5 см, которая испытывает большее затухание. Environment Canada постепенно переводит все свои радары на двойную поляризацию. Météo France планирует внедрить двухполяризационные доплеровские радары в свою сеть наблюдения.

Some displays provided by commercial television outlets (both local and national) and weather websites, like The Weather Channel and AccuWeather, show precipitation types during the winter months: rain, snow, mixed precipitations (sleet and freezing rain). This is not an analysis of the radar data itself but a post treatment done with other data sources, the primary being surface reports (METAR). Over the area covered by radar echoes, a program assigns a precipitation type according to the surface temperature and dew point reported at the underlying weather stations. Precipitation types reported by human operated stations and certain automatic ones (AWOS) will have higher weight. Then the program does interpolations to produce an image with defined zones. These will include interpolation errors due to the calculation. Mesoscale variations of the precipitation zones will also be lost. Differential Reflectivity (Zdr) – Differential reflectivity is proportional to the ratio of the reflected horizontal and vertical power returns as ZH / ZV. Among other things, it is a good indicator of droplet shape. Differential reflectivity also can provide an estimate of average droplet size, as larger drops are more subject to deformation by aerodynamic forces than are smaller ones (that is, larger drops are more likely to become "hamburger bun shaped") as they fall through the air. Correlation Coefficient (ρhv) – A statistical correlation between the reflected horizontal and vertical power returns. High values, near one, indicate homogeneous precipitation types, while lower values indicate regions of mixed precipitation types, such as rain and snow, or hail, or in extreme cases debris aloft, usually coinciding with a tornado debris signature and a tornado vortex signature. Linear Depolarization Ratio (LDR) – This is a ratio of a vertical power return from a horizontal pulse or a horizontal power return from a vertical pulse. It can also indicate regions where there is a mixture of precipitation types. Differential Phase – The differential phase is a comparison of the returned phase difference between the horizontal and vertical pulses. This change in phase is caused by the difference in the number of wave cycles (or wavelengths) along the propagation path for horizontal and vertically polarized waves. It should not be confused with the Doppler frequency shift, which is caused by the motion of the cloud and precipitation particles. Unlike the differential reflectivity, correlation coefficient and linear depolarization ratio, which are all dependent on reflected power, the differential phase is a "propagation effect." It is a very good estimator of rain rate and is not affected by attenuation. The range derivative of differential phase (specific differential phase, Kdp) can be used to localize areas of strong precipitation/attenuation. With more information about particle shape, dual polarization radars can more easily distinguish airborne debris from precipitation, making it easier to locate tornados. With this new knowledge added to the reflectivity, velocity, and spectrum width produced by Doppler weather radars, researchers have been working on developing algorithms to differentiate precipitation types, non meteorological targets, and to produce better rainfall accumulation estimates. In the U. S., NCAR and NSSL have been world leaders in this field. NOAA established a test deployment for dual polametric radar at NSSL and equipped all its 10 cm NEXRAD radars with dual polarization, which was completed in April 2013. In 2004, ARMOR Doppler Weather Radar in Huntsville, Alabama was equipped with a SIGMET Antenna Mounted Receiver, giving Dual Polarmetric capabilities to the operator. McGill University J. S. Marshall Radar Observatory in Montreal, Canada has converted its instrument (1999) and the data were used operationally by Environment Canada in Montreal until its closure in 2018. Another Environment Canada radar, in King City (North of Toronto), was dual polarized in 2005; it uses a 5 cm wavelength, which experiences greater attenuation. Environment Canada is converting graually all of its radars to dual polarization. Météo France is planning on incorporating dual polarizing Doppler radar in its network coverage.

Методы отображения радаров

Различные методы отображения данных, полученных при радиолокационном сканировании, были разработаны с течением времени для удовлетворения потребностей пользователей. Ниже представлен список распространенных и специализированных типов отображения:

Показатель позиции на плане

Поскольку данные поступают по одному углу за раз, первым способом их отображения стал индикатор планового положения (PPI), представляющий собой лишь схематичное отображение радиолокационного сигнала на двухмерном изображении. Важно отметить, что данные, полученные с разных расстояний до радара, находятся на разной высоте над землей. Это критически важно, так как интенсивность осадков, наблюдаемая вблизи радара, относительно точно отражает количество осадков, достигающих земли, в то время как сигнал с расстояния 160 км находится примерно в 1,5 км над землей и может значительно отличаться от количества осадков, достигающих поверхности. Таким образом, сложно сравнивать метеорологические эхо на разных расстояниях от радара. На PPI влияют наземные отражения вблизи радара, которые могут быть ошибочно приняты за реальные эхо. Для компенсации этих недостатков были разработаны другие продукты и методы обработки данных. Применение: Данные отражательной способности, доплеровские и поляриметрические данные могут быть представлены в формате PPI. В случае доплеровских данных возможны два подхода: относительно поверхности или относительно грозового облака. При анализе общего движения осадков для определения ветра на разных высотах предпочтительнее использовать данные относительно радара. Однако при поиске вращения или сдвига ветра под грозой лучше использовать изображения, относительные к грозовому облаку, которые исключают общее движение осадков, позволяя пользователю наблюдать движение воздуха, как если бы он находился внутри облака.

Вертикальный композит

Еще одно решение проблем PPI – создание изображений максимальной отражательной способности в слое над землей. Это решение обычно применяется, когда число доступных углов невелико или изменчиво. Национальная метеорологическая служба США использует такой композит, поскольку их схема сканирования может варьироваться от 4 до 14 углов в зависимости от потребностей, что привело бы к созданию очень грубых CAPPI. Композит обеспечивает обнаружение всех сильных эхо в слое, а обработка с использованием доплеровских скоростей позволяет исключить наземные помехи. Сравнивая основные и композитные продукты, можно выявлять зоны вирги и области восходящих потоков.

Накопления

Еще одно важное применение радиолокационных данных — возможность оценки количества осадков, выпавших на больших водосборных площадях, для использования в гидрологических расчетах. Такие данные полезны для борьбы с паводками, управления канализационными сетями и строительства плотин. Вычисленные радиолокационные данные о погоде могут использоваться совместно с данными наземных станций. Для создания радиолокационных накоплений необходимо оценить интенсивность дождя в определенной точке как среднее значение в этой точке между последовательными PPI или CAPPI, а затем умножить на интервал времени между этими изображениями. Для получения накоплений за более длительный период необходимо суммировать все накопления, полученные из последовательных изображений за этот период.

Эхотопсы

Авиация активно использует радиолокационные данные. Особо важной картой в этой области является Echotops, применяемая для планирования полетов и избежания опасных погодных явлений. Большинство метеорологических радаров сканируют достаточное количество углов для получения трехмерного набора данных в зоне покрытия. Довольно легко оценить максимальную высоту, на которой обнаружены осадки в пределах этого объема. Однако это не верхние границы облаков, поскольку они всегда простираются выше уровня осадков.

Вертикальные поперечные сечения

Для определения вертикальной структуры облаков, особенно грозовых или высоты слоя плавления, метеорологам доступен продукт радиолокационных данных в виде вертикального разреза. Он формируется путем отображения данных только вдоль линии от координат А до В, полученных при сканировании с различных углов.

Показатель высоты диапазона

Когда метеорологический радар сканирует только по вертикальной оси, он может получить данные с гораздо более высоким разрешением, чем при использовании композитного вертикального среза, сформированного из объединенных наклонов PPI. Этот тип отображения данных называется индикатором дальности-высоты (RHI) и идеально подходит для детального изучения вертикальной структуры шторма в малом масштабе. Как уже упоминалось, это отличается от вертикального сечения, описанного выше, главным образом тем, что антенна радара сканирует исключительно по вертикали и не совершает полного оборота на 360 градусов вокруг местоположения радара. Этот продукт обычно доступен только на исследовательских радарах.

Радарные сети

За последние несколько десятилетий радарные сети были расширены, чтобы создавать составные изображения, охватывающие большие площади. Например, в таких странах, как США, Канада, Австралия, Япония и большая часть Европы, изображения с радаров объединяются в единый дисплей. На самом деле, такая сеть может состоять из различных типов радаров с разными характеристиками, такими как ширина диаграммы направленности, длина волны и калибровка. Эти различия необходимо учитывать при сопоставлении данных по сети, особенно при выборе данных, когда одна и та же точка покрывается двумя радарами. Если используется более сильный сигнал, но он исходит от самого дальнего радара, то используются отражения с большей высоты, вызванные дождем или снегом, которые могут испариться, не достигнув земли (вирга). Если же используются данные с ближайшего радара, они могут быть ослаблены при прохождении через грозовое облако. Составные изображения осадков, создаваемые с использованием сети радаров, формируются с учетом всех этих ограничений.

Аномальное размножение (нестандартная атмосфера)

Первое предположение состоит в том, что радиолокационный луч распространяется в воздухе, температура которого понижается с высотой с определенной скоростью. Положение отраженных сигналов сильно зависит от этого предположения. Однако реальная атмосфера может значительно отличаться от нормальной.

Супер преломление

Температурные инверсии часто формируются у поверхности земли, например, из-за охлаждения воздуха ночью при сохранении тепла на высоте. Поскольку показатель преломления воздуха уменьшается быстрее, чем обычно, радиолокационный луч изгибается к земле, а не продолжает распространяться вверх. В конечном итоге он достигнет земли и будет отражен обратно к радару. Программа обработки затем неверно определит высоту и дальность отраженных сигналов, как если бы условия были нормальными. В некоторых случаях это может быть сложно заметить.

Под преломлением

С другой стороны, если воздух нестабилен и охлаждается быстрее стандартной атмосферы по высоте, луч оказывается выше ожидаемого. В результате, тонкие линейные структуры на изображениях с метеорологических радаров, связанные со сходящимися ветрами, в основном обусловлены отражениями от насекомых. Миграция птиц, которая обычно происходит ночью в пределах нижних 2000 метров атмосферы, искажает профили ветра, получаемые метеорологическими радарами, в частности WSR 88D, увеличивая фоновый сигнал ветра на 30–60 км/ч. Другие объекты, обнаруживаемые на радиолокационных изображениях, включают в себя: чем ближе ветропарк, тем сильнее отраженный сигнал, а суммарный сигнал от множества вышек еще сильнее. В определенных условиях радар может регистрировать лучевые скорости, приводящие к ложным срабатываниям алгоритма определения сигнатуры вихря торнадо; подобный случай был зафиксирован в 2009 году в городе Додж-Сити, штат Канзас. Как и в случае с другими объектами, находящимися в луче радара, затухание сигнала за ветряными мельницами также может приводить к занижению показаний.

Ослабление

Микроволны, используемые в метеорологических радарах, могут поглощаться дождем, в зависимости от используемой длины волны. Для радаров с длиной волны 10 см это поглощение пренебрежимо мало. Коррекция ослабления сигнала в метеорологических радарах при наличии снежных частиц – активная область исследований.

Яркая полоса

Отражательная способность радиолокационного луча зависит от диаметра цели и её способности к отражению. Снежинки крупные, но слабо отражают, в то время как капли дождя мелкие, но сильно отражают. Когда снег проходит через слой с температурой выше нуля, он тает, превращаясь в дождь. Используя уравнение отражательной способности, можно показать, что сигналы, полученные от снега до начала таяния и от дождя после таяния, не слишком сильно различаются, поскольку изменение диэлектрической проницаемости компенсирует изменение размера. Однако в процессе таяния радиолокационная волна "видит" нечто похожее на очень крупные капли, поскольку снежинки покрываются водой. Это создает своего рода треугольник ложных, ослабленных отражений, расположенных радиально позади града.

Мезонет

Другой вопрос – разрешение. Как уже упоминалось, данные радара представляют собой усредненное значение сканируемого объема луча. Разрешение можно повысить за счет использования более крупных антенн или более плотных сетей. Программа Центра совместного адаптивного зондирования атмосферы (CASA) направлена на дополнение стандартной сети NEXRAD (в Соединенных Штатах) множеством недорогих метеорологических радаров X-диапазона (3 см), установленных на вышках сотовой связи. Эти радары разделят большую территорию, охватываемую NEXRAD, на более мелкие области для наблюдения за высотами ниже его минимального угла обзора. Это позволит получить детали, недоступные другими способами. При использовании радаров с длиной волны 3 см антенна каждого радара небольшая (около 1 метра в диаметре), но разрешение на коротких расстояниях сопоставимо с разрешением NEXRAD. Ослабление сигнала значительно из-за используемой длины волны, однако каждая точка в зоне покрытия просматривается многими радарами, каждый из которых ведет наблюдение с разных направлений и компенсирует потерю данных с других радаров. В 2014 году было добавлено внутрицикловое сканирование на минимальной высоте (MESO SAILS).

Электронный зондирование

Также необходимо улучшить оперативность. Интервал в 5-10 минут между полными сканированиями метеорологического радара приводит к потере большого количества данных в процессе развития грозы. В Национальной лаборатории исследования сильных штормов в Нормане, штат Оклахома, испытывается радар с фазированной антенной решёткой для ускорения сбора данных. Японская команда также развернула радар с фазированной антенной решёткой для 3D NowCasting в Институте передовых вычислительных наук RIKEN (AICS).

Радар погоды авиатехники

Применение радарных систем на летательных аппаратах включает в себя метеорологические радары, системы предотвращения столкновений, отслеживание целей, предупреждение о приближении к земле и другие системы. Для коммерческих метеорологических радаров спецификация ARINC 708 является основной для систем, использующих бортовой импульсно-доплеровский радар.

Антенны

В отличие от наземных метеорологических радаров, установленных под фиксированным углом, бортовые метеорологические радары размещаются в носовой или крыльевой части самолета. Самолет будет не только перемещаться вверх, вниз, влево и вправо, но и крениться. Для компенсации этого антенна связана и откалибрована с вертикальным гироскопом, установленным на самолете. Это позволяет пилоту установить тангаж или угол наклона антенны, обеспечивая работу стабилизатора, который будет удерживать антенну в правильном направлении при умеренных маневрах. Небольшие сервоприводы не смогут отслеживать резкие маневры, но они будут пытаться это сделать. Таким образом, пилот может настроить радар для наведения на интересующую его метеорологическую систему. Если самолет находится на малой высоте, пилот должен установить радар выше линии горизонта, чтобы минимизировать помехи от земли на дисплее. Если самолет находится на большой высоте, пилот установит радар под низким или отрицательным углом, чтобы направить его в сторону облаков, независимо от их положения относительно самолета. При изменении положения самолета стабилизатор автоматически скорректирует положение антенны, освобождая пилота от необходимости управлять самолетом одной рукой и настраивать радар другой.

Приемники/передатчики

Существует две основные системы, когда речь идет о приемнике/передатчике: системы высокой мощности и системы низкой мощности; обе работают в диапазоне частот X-диапазона (8000 – 12500 МГц). Системы высокой мощности работают в диапазоне от 10 000 до 60 000 ватт. Эти системы состоят из магнитронов, которые достаточно дороги (около 1700 долларов США) и создают значительный шум из-за несовершенств системы. Следовательно, эти системы представляют серьезную опасность возникновения дуги и небезопасны для использования вблизи наземного персонала. Альтернативой являются системы низкой мощности. Эти системы работают на мощности от 100 до 200 ватт и требуют комбинации высокочувствительных приемников, микропроцессоров сигнала и транзисторов для достижения эффективности, сравнимой с системами высокой мощности. Сложные микропроцессоры помогают устранить шум, обеспечивая более точное и детальное изображение неба. Кроме того, благодаря меньшему количеству несовершенств в системе, маломощные радары могут использоваться для обнаружения турбулентности с помощью эффекта Доплера. Поскольку системы низкой мощности работают с существенно меньшей мощностью, они безопасны от возникновения дуги и могут использоваться практически постоянно.

Отслеживание грозы

Цифровые радарные системы обладают возможностями, значительно превосходящими возможности их предшественников. Они обеспечивают наблюдение за грозовыми фронтами, предоставляя пользователям возможность получать детальную информацию о каждом отслеживаемом грозовом облаке. Грозы идентифицируются путем сопоставления необработанных данных об осадках, полученных от радиолокационного импульса, с заранее запрограммированным шаблоном. Для подтверждения грозы она должна соответствовать строгим критериям интенсивности и формы, чтобы отличить ее от неконвективных облаков. Как правило, она должна демонстрировать признаки горизонтальной организации и вертикальной протяженности, а также иметь ядро или более интенсивный центр, который идентифицируется и отслеживается цифровыми радиолокационными трекерами. После идентификации грозовой ячейки отслеживаются и записываются ее скорость, пройденное расстояние, направление и расчетное время прибытия (ETA).

Допплеровский радар и миграция птиц

Использование допплеровского метеорологического радара не ограничивается определением местоположения и скорости осадков. Он также может отслеживать миграции птиц (в разделе о неметеорологических целях). Радиоволны от радаров отражаются как от дождя, так и от птиц (или даже от насекомых, таких как бабочки). Например, Национальная метеорологическая служба США сообщала о случаях, когда стаи птиц отображались на их радарах как облака, а затем исчезали, когда птицы садились. Национальная метеорологическая служба США в Сент-Луисе даже сообщала о появлении на ее радарах бабочек-монархов. Различные программы в Северной Америке используют как обычные метеорологические радары, так и специализированные радарные данные для определения путей миграции, высоты полета и времени ее наступления. Эта информация полезна при планировании размещения и эксплуатации ветряных электростанций, снижении гибели птиц, повышении безопасности авиации и управлении дикой природой. В Европе наблюдались аналогичные разработки и даже создана комплексная программа прогнозирования для обеспечения авиационной безопасности на основе радиолокационного обнаружения.

Обнаружение падения метеоритов

На изображении показано падение метеорита в Парк-Форест, штат Иллинойс, которое произошло 26 марта 2003 года. Красно-зелёная область в верхнем левом углу отображает движение облаков вблизи радара, а в жёлтом эллипсе в центре изображения видна траектория падающих метеоритов. Перемежающиеся красные и зелёные пиксели указывают на турбулентность, в данном случае вызванную следами от падающих метеоритов с высокой скоростью. По данным Американского метеорного общества, метеориты падают ежедневно где-либо на Земле. Однако база данных мировых падений метеоритов, поддерживаемая Метеоритным обществом, обычно регистрирует около 10–15 новых падений в год.

Метеориты образуются, когда метеороид входит в атмосферу Земли, создавая оптически яркий метеор за счёт ионизации и нагрева от трения. Если метеороид достаточно велик, а скорость падения достаточно мала, то до поверхности Земли долетят сохранившиеся метеориты. Когда скорость падающих метеоритов снижается примерно до 2–4 км/с, обычно на высоте от 15 до 25 км, они перестают генерировать яркий метеор и переходят в состояние "темного полёта". По этой причине большинство падений метеоритов в океан, днём или при других обстоятельствах остаются незамеченными. Это особенно полезно для поиска метеоритов, поскольку метеорологические радары входят в состав обширных сетей и непрерывно сканируют атмосферу. Кроме того, метеориты вызывают локальную турбулентность ветра, которая регистрируется на доплеровских данных, и падают практически вертикально, поэтому место их падения на земле находится недалеко от сигнала на радаре.