Коэффициент отражения
Коэффициент отражения (отражательная способность, радиолокационная отражаемость) Z является мерой эффективной площади рассеяния целей, которые могут быть обнаружены метеорологическим радиолокатором. По сути, этот параметр схож с эффективной площадью обратного рассеяния, используемой для радиолокаторов разведки воздушных целей. Данный параметр характеризует мощность, отраженную гидрометеорами (каплями воды, снежинками, градом или крупинками мокрого снега). Коэффициент отражения определяется как общая отражающая поверхность в одном кубическом метре маленьких частиц с диэлектрической проницаемостью больше нуля. Это значение пропорционально шестой степени диаметра объекта (частицы гидрометеора) со сферической поверхностью. Поскольку каждая дождевая капля или снежинка имеют разный диаметр, то невозможно просто перемножить это значение на количество объектов, поэтому при вычислении коэффициента отражения выполняется суммирование всех отдельных объектов, находящихся в объеме одного кубического метра. При этом учитывается модель распределения размеров разных капель:
mit
N0 – параметр формы (мм-7-µ·м3)
D – диаметр капли (мм);
Λ показатель экспоненциальной функции (мм-1)(1)
Коэффициент отражения (Z) зависит от размера и количества капель дождя в объеме и имеет размерность мм⁶·м⁻³ и пропорционален энергии, которая рассеивается назад к антенне всеми рассеивающими частицами, находящимися в разрешаемом объеме. Если капли не являются сферическими, тогда D – диаметр сферы, имеющей эквивалентный объем.
Соотношение между отражаемостью и интенсивностью дождя
Отражательная способность, измеряемая радиолокатором, может быть выражена через количество осадков, выпадающих на землю. Интенсивность дождя R зависит от количества капель в измеряемом объеме и также является функцией скорости падения осадков ν(D), которая, в свою очередь, зависит от размеров капель. Размер дождевых капель пропорционален D3:
Однако, поскольку принимаемая антенной энергия зависит от многих факторов, отражательная способность была специально определена для метеорологических объектов в виде одного коэффициента, объединяющего все эти факторы, и одного экспоненциального множителя. В таком виде отражательная способность зависит только от свойств цели. При дожде, чем больше дождевых капель находится в воздухе, тем выше отражательная способность. Обычно она имеет единицу измерения dBZ, где dB – обозначение децибела, а Z указывает, что величина относится к отражательной способности.
Коэффициенты отражения (Z) или их логарифмические значения (dBZ) могут быть преобразованы в интенсивность осадков (R, в [мм/ч]) с использованием следующего соотношения:
В результате многолетних наблюдений было определено большое количество различных значений a и b. Эти значения подбираются для каждой радиолокационной станции (в случае мобильных радиолокаторов – для каждой позиции) и записываются в таблицу.
- a равно 300 для дождя летом, 200 зимой и 1800 для снега;
- b равно 1,5 для дождя летом, зимой 1,6 и для снега 2,2.
В зависимости от конфигурации радиолокатора и конкретной метеообстановки возможны некоторые неоднозначности. Поэтому для количественного анализа интенсивности осадков необходимо проводить сравнение с последующими измерениями.
Сравнительная отражательная способность
В последние годы радиолокаторы стали важным инструментом для измерения количества осадков и обнаружения опасных погодных условий. Штормы, ураганы и т. п. возникают в результате переноса тепловой энергии от земли или теплых морей в атмосферу. Когда теплый влажный воздух поднимается вверх, водяной пар конденсируется, образуя облако и высвобождая скрытую тепловую энергию.
Шторм можно рассматривать как живое существо; он растет, достигает пика, затем распадается и затухает. Это нестабильный объект, который движется под действием ветра. Поэтому метеорологический радиолокатор должен сканировать атмосферу достаточно часто, чтобы соответствовать скорости изменения метеорологической обстановки.
Для измерений количества осадков достаточно темпа обновления 15 минут, чтобы не генерировать слишком большой объем данных за 24-часовой период, в то время как для отслеживания опасных условий предпочтительнее обновлять данные каждые 5 минут.
Метеорологические радиолокаторы предназначены для обнаружения осадков и измерения их интенсивности. Такие радиолокаторы должны быть точно откалиброваны и иметь широкий динамический диапазон (от 60 до 100 дБ или более). Этим обеспечивается обнаружение как небольшого дождя на больших расстояниях, так и сильного дождя вблизи места расположения радиолокатора. Радиолокационные эхо-сигналы от метеорологических объектов не похожи на эхо-сигналы от самолетов, птиц или наземных пассивных помех («местников»), которые, как правило, являются отдельными или групповыми эхо-сигналами. Отраженный от атмосферных осадков сигнал соответствует очень большому количеству рассеивающих частиц на единицу объема, и эти частицы могут принимать различные формы, включая капли воды, кристаллы льда, град, снег и их смеси.
По этой причине, а также из-за разброса распределения капель по размеру не существует фиксированной связи между интенсивностью осадков и отраженным радиолокационным сигналом.
Случай A |
Соответствует легким облакам (не дождевым), плотность отражения от которого является сравнительно небольшой |
|
Случай B |
Соответствует облакам с легкими осадками (небольшой дождь, изморозь). Интенсивность отражения существенно больше, чем в случае А |
|
Случай C |
Облака с интенсивными осадками (например, сильная гроза). Интенсивность отражения – самая высокая. |
|
Таблица 1. Сравнение интенсивности отражений для различных возможных погодных условий
На основе обобщения опытных данных на заданных рабочих частотах излучения может быть составлена сравнительная таблица, позволяющая сопоставлять интенсивность принятых сигналов и измеренную отражательную способность с возможными вариантами погодных условий.
Следует отметить: «уровни» ожидаемого отражения от различных объектов – это более грубая оценка (или наилучшее предположение), чем точная окончательная таблица.
Таблица отражательной способности
Примечание: конкретные значения уровней отражательной способности (принятого эхо-сигнала) для каждого типа погоды не указаны, поскольку они будут варьироваться в зависимости от частоты передатчика и, скорее всего, не будут одинаковыми для любых двух радиолокационных станций!
Каждая метеорологический радиолокатор будет иметь «справочную» таблицу значений отражательной способности, которая может использоваться при интерпретации и различении различных типов погоды и объектов на основе анализа принимаемых антенной эхо-сигналов.
| Отражаемость | Тип погоды / объекта |
|---|---|
самая сильная отражаемость
|
пассивные помехи («местники») |
Таблица 2. Сравнение отражательной способности для различных погодных условий
Отражательная способность метеорологических объектов определяется их интенсивностью. Поэтому, анализируя уровень и мощность принятых эхо-сигналов, можно сформировать обоснованные предположения о типе метеообъекта и его интенсивности.
При настройке (калибровке) радиолокатора учитывается, что уровень отражательной способности дает только приблизительную оценку.
Для настройки радиолокатора могут использоваться данные, полученные при помощи других датчиков (например, измерителя дождя или любого другого независимого точного источника данных о погоде). Настройка имеет целью получение оптимальных характеристик метеорадара и выполняется для каждой позиции.
Гидрометеоры и другие объекты отражают падающие на них радиолокационные сигналы. Очевидно, что местные предметы или летательные аппараты, попавшие в зону действия метеорадара, дают максимальное отражение по сравнению с метеообъектами.
В Таблице 2 приводится качественная характеристика, позволяющая сравнить интенсивность отражения от различных объектов. В качестве метеообъектов здесь приводятся только осадки, хотя, конечно, существуют и другие виды метеорологических явлений.
Оценка осадков чаще всего выполняется на основе зависимости между коэффициентом отражения (Z в мм⁶·м⁻³) и интенсивностью осадков (R в мм/ч). Заранее построенная таблица такой зависимости находится на метеорадаре и используется для первоначальной интерпретации результатов измерений.
Интенсивность дождя и коэффициент отражения связаны эмпирической зависимостью Z = aRb, где a и b – константы, а R – интенсивность осадков в мм/ч. Значение коэффициента отражения Z зависит от размера и количества капель дождя на единицу объема и имеет единицу измерения мм⁶·м⁻³. Разными исследователями получены различные значения констант a и b. Для каждого метеорадара они принимают свои значения и сохраняются в таблице. В зависимости от конфигурации радара и конкретной метеообстановки могут возникать некоторые неоднозначности.
Формы метеообъектов, не вошедшие в таблицу, могут быть определены путем интерполирования табличных данных.
Типы метеообъектов:
- осадки, классифицируемые по своей интенсивности (что определяет интенсивность эхо-сигналов) на шесть диапазонов (легкие, умеренные, сильные, очень сильные, интенсивные и экстремальные);
- недождевые облака;
- туман и ледяной туман (данные о них иногда используются для оценки видимости);
- турбулентность ясного неба (только для определенного диапазона длин волн, наиболее эффективны средства, работающие в L-диапазоне).
| слоистый дождь | Z = 200·R1,6 |
| орографический дождь | Z = 31·R1,71 |
| грозы | Z = 286·R1,37 |
| снег | Z = 2000·R² |
Таблица 3. Типовые выражения для разных типов осадков
При отсутствии полной информации в умеренных климатических условиях полагают Z = 200·R1,6. Обычно значения Z отсчитываются по логарифмической шкале: ZdB = 10 logZ.