Основы радиолокации

Изображения, формируемые по данным метеорадаров

На основе данных, получаемых при помощи метеорологических радиолокаторов, генерируются различные радиолокационные изображения метеообстановки: локальные или объединенные. Если радиолокационные данные комбинируются при помощи математических алгоритмов, то говорят об объединенном изображении. Это может быть как локальное объединение (когда данные, полученные за несколько оборотов антенны, накладываются друг на друга), так и объединение данных от разных радиолокаторов и радиолокационных позиций. Например, изображения радиолокаторов обнаружения осадков (так называемых «дождевых» радиолокаторов), распространяемые в сети Интернет, всегда объединенные (составные).

Локальные радиолокационные изображения

Первичные данные, получаемые радиолокационным методом, (или его базовые данные) – это только отражательная способность (значение коэффициента отражения) и, возможно, радиальные скорости. В зависимости от используемого метода сканирования данные отображаются либо на индикаторе типа ИКО (с вращением антенны по азимуту), либо на индикаторе «дальность-высота» (с качанием антенны по углу места). Базовые данные, измеряемые радиолокатором, – отражательная способность и скорость – могут отображаться на индикаторах обоих типов. На основе этих данных создаются различные радиолокационные изображения с использованием различного количества классов (количество уровней интенсивности, отображаемых цветами и их оттенками), с разным разрешением по дальности и по углам, для разной максимальной дальности и разных первичных данных (сканирование объема или сканирование осадков), а также различных программных алгоритмов сжатия.

Рисунок 2. Индикатор «Дальность – Высота»

Рисунок 2. Индикатор «Дальность – Высота»

На индикаторах кругового обзора метеобразования представляются на плоскости (подобно карте), при этом центр соответствует местоположению метеорадара. Положение эхо-сигналов определяется направлением и дальностью, то есть задается в полярной системе координат относительно точки стояния радиолокатора. Цветовая шкала используется для отображения интенсивности эхо-сигналов. Каждый оборот антенны выполняется с разным углом места луча. Изначально на индикаторе отображается только результат сканирования при одном угле места, который записан в течение одного оборота антенны. Цвета изображения соответствуют отраженной мощности, принятой антенной радиолокатора от определенной точки пространства. Следовательно, одиночное изображение на ИКО не может дать полной картины вертикальной структуры области осадков. Оно показывает только коническое сечение метеообразования.

На индикаторе «дальность-высота» (Рисунок 2) отображаются данные только для одного углового (азимутального) положения антенны. Антенна радиолокатора качается вверх и вниз по углу места. Полученное изображение позволяет исследовать вертикальную протяженность и распределение эхо-сигналов (например, для определения высоты нижней и верхней границ облачности, области осадков или грозовых облаков). В современных радиолокаторах антенне не нужно останавливаться и после этого поворачиваться на следующий азимут: изображение «дальность-высота» составляется из данных, полученных за несколько оборотов антенны.

Классическое изображение «дальность-высота» начинается в точке местонахождения радиолокатора и имеет вид сектора определенного углового размера, ограниченного максимальной дальностью действия. При этом пользователь может задавать начальную и конечную границы этого сектора. Следовательно, в данном случае построение вертикального сечения метеообразования является возможным.

Рисунок 3. Объединение различных угломестных сканирований в одно CAPPI-изображение

Рисунок 3. Объединение различных угломестных сканирований в одно CAPPI-изображение

Локальное объединение данных

Комбинация данных, полученных погодным радиолокатором за несколько оборотов антенны, представляет собой локальное объединенное радиолокационное изображение. Оно состоит из разных последовательностей изображений, постороенных в результате сканирования под всеми углами места в пределах зоны действия радиолокатора в угломестной плоскости.

Рисунок 4. Радиолокационное изображение вида PZ от DWD: локальное CAPPI-изображение, показывающее метеообстановку на высоте 3 000 м (10 000 футов),
(© 2020 Deutscher Wetterdienst)

Рисунок 4. Радиолокационное изображение вида PZ от DWD: локальное CAPPI-изображение, показывающее метеообстановку на высоте 3 000 м (10 000 футов),
(© 2020 Deutscher Wetterdienst)

Объединенная отражательная способность

Объединенная отражательная способность получается в результате наложения всех данных сканирования объема. Отображается наиболее интенсивный эхо-сигнал из угломестных зондирований. Каждая точка радиолокационного изображения показывает максимальное значение (в дБZ) коэффициента отражения в воздушном «столбе» над этой точкой.

Эхо топ (Echo top)

Эхо топ – это вид радиолокационного изображения, который также формируется путем наложения данных, полученных при разных углах места. Цветовая гамма используется для отображения интенсивности отражения. Такое изображение дает возможность определить максимальную высоту, на которой сосредоточены осадки (что отличается от высоты облаков). Построенная таким образом карта особенно актуальна для обеспечения безопасности полетов авиации.

CAPPI

CAPPI (Constant Altitude PPI) – индикатор кругового обзора (ИКО) для постоянной высоты – горизонтальное двумерное представление результатов измерения радиолокатора для определенной высоты. Изображение САPPI формируется расчетным способом, в том числе, с использованием интерполяции данных, полученных для разных высот. На индикаторе данные для разных высот отображаются разными цветами. Так называемый псевдо-CAPPI отличается тем, что при его формировании используются также дополнительные значения, полученные в результате экстраполяции данных в дальней зоне.

сечения

вертикальное сечение

плоскость земли

горизонтальное сечение

медиальное сечение

зональное сечение

Рисунок 5. Структура Vol-CAPPI-изображения

сечения

вертикальное сечение

плоскость земли

горизонтальное сечение

медиальное сечение

зональное сечение

Рисунок 5. Структура Vol-CAPPI-изображения

Vol-CAPPI

Следующим вариантом отображения радиолокационных данных о метеообстановке является объемный ИКО для постоянной высоты (англ. Volume Constant Altitude Plan Position Indicator, Vol-CAPPI). Такой вид радиолокационного изображения дает представление об эхо-сигнале во всех трех сечениях (Рисунок 5). В дополнению к плоскому изображению для горизонтальной плоскости отображается также изображение для разных угов (с востока на запад) и сечение для одного заданного угла (с севера на юг). С помощью курсора-перекрестия можно выбирать положение этих сечений.

MAX-CAPPI

В данном случае отображаются максимальные CAPPI-данные для различных высот. Такое изображение включает в себя, с одной стороны, максимальную вертикальную проекцию, а с другой стороны – максимальные горизонтальные проекции с юга на север или с запада на восток. На боковых изображениях шкала высоты отображается в километрах. В радиолокационных изображениях такого типа, как правило, отображается измеренная отражательная способность.

Объединение данных от разных радиолокаторов

Объединение радиолокационных данных, полученных метеорадарами, расположенными на разных позициях, дает дополнительные возможности для анализа и прогнозирования метеообстановки. В большинстве случаев объединению подлежат локальные данные об отражательной способности. Достоинством такого подхода является формирование изображения большего масштаба. Недостатком является более низкая точность по сравнению с локальным изображением.

Радиолокационные изображения WX и RX

Объединение данных о коэффициенте отражения, полученных со всех позиций метеорадаров Германии, формирует двумерную стандартную оценку распределения радиолокационной отражательной способности с разрешением 1 км × 1 км. При построении изображения WX используются только данные сканирования осадков, полученные метеорадарами. Эта картинка обновляется каждые 5 минут. Такое изображение или их последовательность в виде анимации публикуются как данные от радиолокатора обнаружения осадков («Rain Radar»). Для формирования RX изображения используются локальный объединенные данные коэффициента отражения, то есть данные для всех углов места.

VIL-изображение

VIL-изображение (от англ. Vertical Integrated Liquid) отображает общее количество дождя, которое выпало бы, если бы вся влага в столбе в пределах дождевого облака достигла земли. При построении такого изображения количество влаги, оцененное по измеренному коэффициенту отражения, определяется для единичного элемента площади, совокупность которых образуют сетку на поверхности земли.

VIL-изображение строится исключительно вычислительными методами на основе данных об отражательной способности, измеренных метеорадаром. Поэтому все факторы, влияющие на измерение коэффициента отражения, оказывают влияние и на изображение такого вида.