Введение

Погодные радары, настроенные на обнаружение облаков

Радары миллиметрового диапазона, также называемые облачными радарами, – это радарные системы, предназначенные для мониторинга облаков с рабочими частотами от 24 до 110 ГГц (таблица 1). Соответственно, их длины волн составляют от 1 мм до 1,11 см, что примерно в десять раз меньше, чем у традиционных радаров S-диапазона, таких как NEXRAD.

Таблица 1: Операционные диапазоны радиолокационных радарных аппаратов с миллиметровой облачностью

Название полосы частот диапазон [ГГц] Диапазон длин волн [мм] Ka 24 40 7.5 11.1 W 75 100 2.7 4.0 Основная цель этих радаров – исследование свойств облаков и их эволюции. Они обычно работают на частоте 35 ГГц в полосе Ka и на частоте 94 ГГц в полосе W, где атмосферное пропускание максимально. Эти частоты соответствуют длинам волн около 8 и 3 мм. Миллиметровые облачные радары обладают высоким временным и дальностным разрешением: временное разрешение регулируется и обычно составляет от 1 до 10 секунд, а дальностное разрешение варьируется от нескольких метров для облачных радаров, использующих частотную модуляцию передаваемого сигнала (например, 4 м для облачного радара с частотно-модулируемой непрерывной волной (FMCW) 94 ГГц, работающего в UK Met Office), до нескольких метров для облачных радаров на основе магнитронов (например, от 15 до 60 м для систем MIRA). Максимальная дальность обнаружения составляет от 14 до 20 км, а разрешение по скорости Доплера – несколько см/с. Большинство облачных радаров являются поляриметрическими, способными измерять неоднородность частиц с помощью коэффициента линейной деполяризации (LDR). Обычно они работают, направленные в зенит, но все большее число из них оснащаются сканирующими устройствами, позволяющими получать дополнительную информацию, такую как объемное представление при выполнении различных сканирований индикатора высоты и дальности (RHI) под разными углами и с относительно высокой скоростью, а также профили вертикальной скорости ветра при выполнении планового индикатора положения (PPI) на несколько градусов от зенита. При рассмотрении различных рабочих длин волн облачных радаров необходимо учитывать, что более длинные волны меньше ослабляются моросью и дождем, в то время как более короткие волны более чувствительны к мелким частицам. Соответственно, радиолокационные сигналы в диапазоне Ka ослабляются меньше, чем в диапазоне W, в то время как радары диапазона W способны обнаруживать более мелкие частицы. При этом, лучи облачных радаров ослабляются облачными или осадками значительно меньше, чем лучи лидара. В настоящее время облачные радары используются для определения границ облаков (например, оснований и вершин облаков) и оценки микрофизических свойств облаков, таких как размер частиц и массовое содержание, что помогает понять, как облака отражают, поглощают и преобразуют проходящую через атмосферу энергию излучения. Они также широко используются для исследования тумана. Кроме того, облачные радары применяются в энтомологических исследованиях уже более 40 лет, поскольку радары диапазонов Ka и W обнаруживают почти исключительно насекомых в теплые безоблачные дни, а в последнее время – и для изучения гигантских аэрозолей. Хотя большинство облачных радарных систем наземного базирования, они также могут быть установлены на борту самолетов и космических аппаратов. Примерами бортовых систем являются облачные радары, установленные на HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) и Wyoming KingAir Research Aircraft. Пример космического радара профилирования облаков (CPR) работает на спутнике CloudSAT с 2006 года. Первый космический CPR с функцией измерения эффекта Доплера будет запущен в марте 2023 года на борту миссии Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE).

Скорость Допплера

Средняя доплеровская скорость может рассматриваться как средняя частота спектра мощности (доплеровская скорость) отраженного сигнала. Зная среднюю доплеровскую скорость (среднюю частоту спектра мощности) измеренного объема вдоль линии визирования, можно определить радиальную скорость. При вертикальных измерениях доплеровская скорость является суммой конечной скорости падения частиц, обусловленной силой тяжести, и движений воздуха внутри измеренного объема. Конечная скорость падения содержит информацию о микрофизических свойствах облачных частиц. Для определения конечной скорости падения по данным облачного радара необходимо исключить влияние движений воздуха, вызывающих сдвиг спектра, из доплеровских спектров, тем самым повышая репрезентативность микрофизических характеристик. Метод коррекции этого сдвига предложен Коллиасом и др., что повышает точность соотношения между скорректированной доплеровской скоростью и скоростью падения частиц.

Ширина доплера

Допплеровская ширина, или ширина доплеровского спектра, – это стандартное отклонение спектра. Соответственно, малые значения указывают на узкие спектры, а большая ширина спектра соответствует большему разбросу гидрометеоров по области скоростей (области частот). Причинами большей ширины могут быть би- или мультимодальные спектры. Это означает, что измеремый объем содержит более одной популяции гидрометеоров, что приводит к двум или более модам в доплеровском спектре из-за различных конечных скоростей. Быстрое изменение доплеровской ширины в сочетании со средней доплеровской скоростью также может быть использовано для разделения двух популяций гидрометеоров. Поскольку движение воздуха в атмосфере влияет на доплеровскую ширину, этот параметр предоставляет информацию о турбулентности в пределах измеряемого объема. Восходящие и нисходящие потоки замедляют конечные скорости падения и могут уменьшить или увеличить доплеровскую ширину. Если измерения не производятся в направлении зенита, горизонтальная составляющая ветра также влияет на ширину. Знание фактических составляющих ветра в атмосфере может быть использовано для коррекции доплеровского спектра, чтобы улучшить полученные микрофизические параметры и уменьшить неопределенность. Этот параметр определяет положение пика спектра относительно среднего значения спектра. Следовательно, положительная асимметрия указывает на то, что пик расположен левее среднего значения. Спектр с отрицательной асимметрией имеет пик справа относительно среднего значения спектра. Значение около нуля указывает на симметричный спектр. Таким образом, форма доплеровского спектра дает информацию об изменениях микрофизики облаков или динамических изменениях в измеряемом объеме. Чем выше высота установки радара, тем сильнее динамическое влияние на этот параметр. Поскольку сдвиги ветра приводят к расширению ширины доплеровского спектра, они также могут привести к быстрым изменениям асимметрии. Для установления связи с изменением асимметрии доплеровского спектра необходимо также перекрестно проверять доплеровскую ширину. Если радарные измерения выполняются вертикально, асимметрия доплеровского спектра дает информацию об измеренной микрофизике облаков. Горизонтальный ветер в измеряемых объемах вызывает только сдвиг всего спектра в доплеровской области. Это означает, что спектр смещается вдоль оси доплеровской скорости, но это не влияет на расширение спектра. Таким образом, изменения асимметрии дают информацию о: и в настоящее время внедряются в наземных и бортовых облачных радарах. Эти методы обеспечивают расширенную фильтрацию помех, различие между метеорологическими и неметеорологическими целями и классификацию атмосферных рассеивателей. Это одна из основных проблем при дистанционном зондировании смешанных облаков. Предполагаемая форма кристаллов льда считается основным источником ошибок при определении размера и концентрации, основанных на вертикальных комбинированных измерениях лидара и радара. Кроме того, в существующих моделях численного прогноза погоды предполагаемая форма определяет скорость осаждения частиц льда и соотношения между терминальной скоростью и массой кристаллов льда. Таким образом, форма кристаллов льда может привести к значительной неопределенности. Ряд различных поляриметрических конфигураций был оценен в теоретических и экспериментальных исследованиях и описан ниже. Большинство существующих импульсных облачных радаров работают в режиме LDR. В этом режиме радар передает горизонтально поляризованное излучение и принимает горизонтальные и вертикальные компоненты рассеянного излучения в сополяризованных и перекрестно поляризованных каналах соответственно. Отношение мощности в перекрестно поляризованном канале к мощности в сополяризованном канале, называемое коэффициентом линейной деполяризации, является поляриметрической переменной, получаемой облачными радарами этого типа. Часто облачные радары имеют два приемных устройства. Некоторые облачные радары работают в режиме SLDR, который является модификацией традиционного режима LDR, используя импульс-за-импульсом переключение между горизонтальным и вертикальным состоянием поляризации передаваемой волны. Помимо LDR, такие системы могут измерять дифференциальную отражательную способность (ZDR) и коэффициент корреляции (ρHV). Совместный анализ LDR, ZDR и ρHV может быть использован не только для классификации формы частиц льда, но и для определения их ориентации. Облачные радары в режиме CDR передают циркулярно поляризованную волну и принимают сополяризованные и перекрестно поляризованные компоненты. Выходной поляриметрической переменной является так называемый коэффициент круговой деполяризации (CDR), который рассчитывается как отношение мощности перекрестно поляризованного сигнала к мощности сополяризованного сигнала. По сравнению с LDR, CDR не подвержен влиянию частиц, выровненных в плоскости поляризации.

Пример измерения

Когда облачные радары исследуют атмосферу, они измеряют сигнал обратного рассеяния, создаваемый различными типами гидрометеоров (облачные капли, морось, капли дождя, ледяные частицы, снег и т. д.) и негидрометеорологическими объектами. Все эти объекты имеют различные вертикальные скорости и формы, поэтому доплеровские спектры и LDR могут быть использованы для их различения. На рисунке ниже представлен пример измерений облачного радара MIRA 36 в Потенце, где, используя информацию, предоставляемую различными параметрами, можно идентифицировать объекты: облака жидкой воды создают сигнал в отражательной способности, но не в LDR, поскольку жидкие капли почти сферические. Ледяные облака характеризуются относительно высокими сигналами LDR из-за их неправильной формы. Насекомые создают высокие значения LDR и обычно находятся в пределах конвективного пограничного слоя (CBL), где постоянно наблюдаются восходящие и нисходящие потоки. Тающий слой можно идентифицировать по увеличению LDR, вызванному неправильными ледяными частицами, покрытыми жидкой водой во время фазового перехода. Дождь характеризуется высокими значениями отражательной способности, высокой скоростью падения и расширением спектра. Жидкие слои в облаках смешанной фазы могут быть обнаружены по немного более высоким значениям ширины пика, что соответствует более высокой турбулентности внутри.

Радарные системы облачных систем

Национальная лаборатория Тихоокеанского Северо-Запада (PNNL) и Prosensing Inc. разработали сканирующий облачный радар ARM (SACR) для мониторинга облаков над различными испытательными площадками программы измерения атмосферного излучения Министерства энергетики США. Радары работают непрерывно на этих площадках в Оклахоме, Аляске и в тропической части западной акватории Тихого океана и рассчитаны на функционирование в течение не менее десяти лет с минимальным контролем со стороны персонала. Радары SACR работают на частотах 35 и 94 ГГц и обозначаются как KaSACR и WSACR соответственно. С конца 2000-х годов на рынке представлен метеорологический коммерческий облачный радар в диапазоне Ka 35,5 ГГц (MIRA 36), разработанный компанией METEK GmbH в сотрудничестве с Институтом радиоастрономии в Харькове (Украина). В настоящее время существует одиннадцать систем, непрерывно осуществляющих мониторинг свойств облаков в различных точках, большинство из которых расположены в Европе. Cloudnet, сеть станций для непрерывной оценки профилей облаков и аэрозолей в оперативных моделях NWP, использует их данные, а также данные, полученные другими приборами на этих площадках с этой целью. Помимо этих сетей, облачные радары также используются на некоторых исследовательских площадках. Например, на обсерватории Chilbolton (Великобритания) два радара миллиметрового диапазона с длиной волны 3,2 и 9 мм работают непрерывно для изучения миграции насекомых, а в Cabauw (Нидерланды) работает облачный радар на частоте 35 ГГц.

Таблица 2: Радарные системы облачных систем, участвующие в проектах ACTRIS и NOAA

Местоположение Диапазон Частота [ГГц] Длина волны [мм] Тип Местоположение ARM Mobile Facility 1 Ka 35 8.6 Ka SACR ARM Mobile Facility 1 W 94 3.2 W SACR ARM Mobile Facility 2 Ka 35 8.6 Ka SACR Chilbolton, Великобритания Ka 35 9 Copernicus Chilbolton, Великобритания W 94 3.2 Galileo Cleveland, Ohio, США Ka 35.5 8.6 MIRA36 Galway, Ирландия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Hamburg, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Iqaluit, Канада Ka 35.5 8.6 MIRA36 Jülich, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Karlsruhe, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Leipzig, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Lindenberg, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Munich, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36 North Slope of Alaska, Barrow, Alaska, США Ka 35 8.6 Ka SACR North Slope of Alaska, Barrow, Alaska, США W 94 3.2 W SACR Palaiseau, Франция W 95 3.16 BASTA Potenza, Италия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Sodankylä, Финляндия Ka 35.5 8.6 MIRA36 Southern Great Plains, Oklahoma, США Ka 35 8.6 Ka SACR Southern Great Plains, Oklahoma, США W 94 3.2 W SACR Tropical Western Pacific Darwin, Австралия Ka 35 8.6 Ka SACR Tropical Western Pacific Manus, Papua New Guinea Ka 35 8.6 Ka SACR Zugspitze, Германия Ka 35.5 8.6 MIRA36