Что такое доплеровский погодный радар
Метеорологические радиолокаторы
Автор: Маглипогода · Опубликовано 19.06.2019 · Обновлено 27.06.2021
Огромную роль в диагностике и прогнозировании конвективных явлений и процессов играют метеорологические радиолокаторы (МРЛ). Принцип действия метеолокатора основан на сравнении отправленного к облаку сигнала с исходным. Проще говоря, если речь идёт о грозовом облаке, то высокая отражаемость прямо указывает на интенсивные процессы в нём и соответственно, вероятность локализации ОЯП (опасных явлений погоды) в том месте возрастает.
Отражённый сигнал измеряется в коэффициентах dbZ (безразмерная логарифмическая величина сигнала). Наиболее современными локаторами являются доплеровские (ДМРЛ), принцип действия которых основан на эффекте Доплера (изменение параметров сигнала вследствие смещения объекта). Такие радары позволяют не только анализировать облачность и её структуру, но также определять скорость и направление смещения воздушных масс, облаков и отдельных элементов в самом облаке (как например, идентификация торнадо). В зависимости от полученной картинки на дисплее радара, можно выявлять некоторые особенности мощных конвективных штормов. Самые основные из них представлены ниже.
2. Если мы построим вертикальный профиль суперячейки, то на полученном разрезе увидим ещё одну особенность – ограниченная область слабого радиоэхо (bounded weak echo region – BWER, рис. 2). Частичное или полное отсутствие отражённого сигнала в нижней и средней тропосфере в этом месте связано с интенсивным восходящим потоком. Формирование BWER объясняется тем, что мощные потоки воздуха выносят частицы (капли, пыль) в более верхние слои, прежде, чем они увеличатся до таких размеров, когда станут видимыми на радаре. BWER обычно прослеживается на высотах от 3 до 10 км и имеет несколько км в поперечнике. Выше области BWER находится зона интенсивного радиоэха, называемая «Нависание» (Overhang), которая как бы нависает над «пустой» зоной.
3. Иногда на радаре можно увидеть ещё один элемент суперячейки – V-выемка (V-notch), рисунок 3. Отражаемость подобной формы указывает на расхождение основных потоков в грозовой системе вокруг одного мощного восходящего потока. Также иногда можно заметить «выемку притока» (Inflow notch) — вогнутое радиоэхо в области тёплого сектора мезоциклона.
4. Bow echo (эхо-лук), ДДС (дугообразная долгоживущая система) – дугообразное изображение на радаре, иногда наблюдаемое в структуре линейных гроз (на линиях шквала, либо как элемент внутри мезомасштабной конвективной системы – МКС). Прохождение такого шторма сопровождается почти всегда сильными шквалами, крупным градом, иногда возникают отдельные торнадо. Горизонтальные размеры ДДС составляют в пределах 50 – 200 км, а продолжительность существования может варьировать от 2 до 6 часов в среднем. На заключительном этапе существования, Bow-echo может эволюционировать в «comma echo» (эхо-запятая). Под действием силы Кориолиса, происходит развитие циклонического вихря (точка «С» на рисунке 4) с последующим ослаблением остальной части конвективной системы за счёт усиления в тех частях антициклонической циркуляции (применительно для Северного полушария).
Рисунок 4. Радарное изображение шторма по типу «лук эхо», а также процесс его эволюции с дальнейшим переходом в «comma echo».
5. Line echo wave pattern (LEWP) – линейное эхо волнообразной структуры. Достаточно редкий тип отражённого сигнала, который создаётся целым комплексом или системой связанных между собой ДДС (рис.5). По сути, это линия шквалов (squall line), в которой разные её части смещаются с различной скоростью, что формирует волновую структуру.
6. Иногда бывает, что от небольшой зоны с высокой отражаемостью отходит прямой луч с низкой отражаемостью в противоположную от радара сторону (см. рис.6) — это градовый шип (англ.: Hail spike или TBSS — three body scatter spike). Этот «шип» представляет собой ложный сигнал, являющийся следствием двукратного отражения (от градового очага к земле и обратно). Из-за этого, часть сигнала приходит с запаздыванием в виде чётко выраженного луча. И чем ярче будет этот луч, тем крупнее градины присутствуют в грозовом облаке.
7. В случае появления на радаре радиоэха в виде компактного циклонического вихря с выраженными рукавами, первоначально конвективного происхождения, то можно уверенно идентифицировать такой тип шторма как мезомасштабный конвективный вихрь (МКВ — MCV). В поперечнике такие вихри имеют размеры от нескольких десятков до нескольких сотен км (рис.7).
8. Если в наличие имеется карта радиальных скоростей, то по ней можно идентифицировать присутствие мезоциклона и / или торнадо. Для этого достаточно заметить метку по типу Tornado vortex signature (TVS). Она будет видна как область с резким изменением скорости и направления воздушных потоков, ограниченная по территории сотнями метров или парой километров. Ведь согласно эффекту Доплера, сигналы удаляющихся объектов испытывают красное смещение спектра, а приближающегося — синего. Соответственно, если на экране мы видим пару ярких цветов красного и синего оттенков, то в данном случае имеется место наличие вихря практически в 100% случаев (см. рис. 8).
Следите за погодой и климатом вместе с нами!
Погодные радары: как они помогают предсказывать погоду?
У природы есть плохая погода, и мы в Toshiba в этом не сомневаемся. Но эффективно прогнозировать ненастья человечество научилось совсем недавно, и путь к этим достижениям лежал через личные трагедии, мировые войны и «партизанские ливни». Проводим краткий экскурс в историю метеорологии, рассказываем, как появились метеорадары и почему новейший погодный суперкомпьютер назвали именем древнейшего бога.
Недавно палеоклиматологи пришли к выводу, что древнее Аккадское государство (существовало оно около 4 тыс. лет назад) пришло в упадок из-за усиления в Месопотамии сезонных пылевых бурь (так называемых «шамалов»), нарушивших сельское хозяйство. И уже тогда человечество пыталось следить за погодой и предсказывать её. Но получалось не очень — бедные аккадцы.
Прорыв наступил только в XIX веке, ведь первый секрет успешного прогноза — наблюдение за погодой из разных географических точек одновременно. Впервые это стало возможным с появлением нового средства связи — телеграфа, который помог построить первую метеорологическую службу, которая не только наблюдала за погодой, но и предсказывала её (как умела). Речь о Департаменте метеорологии при британском правительстве. Его создателем в 1854 году стал офицер ВМФ Великобритании Роберт Фицрой, капитан корабля «Бигль», на котором Чарльз Дарвин совершил знаменитое кругосветное путешествие. За свою долгую карьеру Фицрой задокументировал огромное количество погодных наблюдений. Правда, деятельность нового органа ограничилась созданием карты ветров для капитанов флота, которую прогнозом, конечно, назвать было нельзя.
25 октября 1859 года у берегов Англии потерпело крушение пассажирское судно «Роял Чартер». Внезапный мощный шторм разбил его о скалы у западного побережья Англии, в результате чего погибли 456 человек. Крушение «Роял Чартер» в родных водах поразило Фицроя (интересно, как бы он отреагировал на историю «Титаника» спустя полвека). Глава Департамента метеорологии распорядился создать сеть из 24 метеостанций в крупных портах Англии, Дании, Голландии и Франции для предупреждения штормов. Помог в этом Фицрою недавно изобретённый телеграф, который передавал в штаб-квартиру погодные данные морзянкой.
Помимо этого, Фицрой приказал установить на всех кораблях королевского флота штормглассы — герметично запаянные колбы со смесью из воды, этанола, нитрата калия, хлорида аммония и камфоры. Жидкость в этом приборе реагирует на изменение погоды, к примеру, помутнение предвещает дождь, а прозрачность — ясную погоду.
Судя по высоко поднявшимся большим кристаллам, этот штормгласс обещает сильный мороз и стужу. Впрочем, дальнейший технический прогресс в метеорологии выбросил этот прибор на свалку истории, даже не оставив учёным времени на изучение принципа его действия. Источник: ReneBNRW / Wikimedia Commons
Вооружившись термометрами, барометрами, штормглассами, многолетней «биг датой» наблюдений, а также показаниями сети метеостанций, Роберт Фицрой начал публиковать прогнозы погоды на 1-2 дня вперёд. Первый такой прогноз появился в The Times в 1861 году.
Прогноз погоды на 1 августа 1861 года. В Лондоне ожидалась ясная погода, умеренный юго-западный ветер и 17 градусов тепла. Сбылся ли прогноз, мы не знаем. Источник: Official blog of the Met Office News Team
Первый синоптик быстро нажил себе врагов. Учёные критиковали его методы. Британская пресса смаковала неудачи. Владельцы рыболовного бизнеса готовились предъявить счёт за убытки, ведь рыбаки часто отказывались выходить в море, получая прогноз плохой погоды от Фицроя. К 1865 году уже немолодой контр-адмирал синоптик впал в депрессию, растратив почти все своё состояние на метеорологические исследования, и 30 апреля наложил на себя руки.
Прогнозы Фицроя не могли быть точными: метеостанций было мало, обработка данных велась вручную, а экстраполяция старых погодных наблюдений часто подводила. Но главным слабым местом его практики были погодные замеры на основе косвенных данных (температура, давление), тогда как для успешного прогноза необходимо непосредственное наблюдение за передвижением воздушных масс.
Прошёл ещё век, прежде чем человечество научилось этому. Как в случае со многими другими техническими решениями XX столетия, прогрессу помогла гонка вооружений.
На погодном фронте: как военные научились предсказывать погоду?
В 1904 году 22-летний германский инженер Кристиан Хюльсмайер презентовал в Кёльне загадочный прибор, который назывался «телемобилоскопом» (Telemobiloskop). Каждый раз, когда на определённом участке протекающего неподалёку Рейна проходил корабль, телемобилоскоп издавал звон. Этот прибор состоял из искрового радиопередатчика, подключённого к множеству антенн. Телемобилоскоп улавливал отражённые от крупных металлических объектов (кораблей) электромагнитные волны. Однако присутствовавшие на презентации представили ВМФ Германии тогда аппарат не оценили.
И очень зря, потому что уже в 1930-е гг. ученые США, Великобритании, Германии, Франции, СССР, Японии, Италии и Нидерландов практически одновременно начали разработку похожих приборов, основанных на трансляции радиосигналов и улавливании отраженного от различных объектов эха. Призваны они были выявлять на дальних дистанциях движение самолетов и кораблей потенциального противника. Принцип работы этих передатчиков был положен в основу и метеорадаров, работающих до сегодняшнего дня.
Антенна излучает радиоволны сверхвысокочастотного диапазона в виде кратковременных импульсов большой мощности. Излучение фокусируется в узкий радиолуч. Когда импульс наталкивается на своём пути на препятствие, часть его энергии рассеивается в том числе и по направлению к приёмнику, который обычно работает рядом с передатчиком на одной антенне. Радиоэхо слабее отправленного импульса и возвращается с задержкой. Разность в мощности и скорости этих импульсов и позволяет определить положение в пространстве, скорость, плотность и другие физические параметры препятствия, например, самолёта или грозового облака.
К началу Второй Мировой войны такие системы были созданы, и одна из них (американская) дала миру новое слово «радар» (образовано от аббревиатуры RADAR, Radio Detection And Ranging).
В 1941 году английские операторы впервые наблюдали на индикаторе радара засвеченные участки от ливневых осадков. Позже военные обратили внимание на радиошум, который исходил от туч, снегопадов и града. Эти данные начали использовать для уточнения погоды и координации лётчиков и моряков. А после войны часть военных радаров передали метеорологам для наблюдения за погодой. К примеру, в США военно-морские силы перестроили радар AN/APS-2, ранее использовавшийся для поиска германских подводных лодок, и отдали его в Бюро погоды США в 1946 году под названием WSR-1 (Weather Surveillance Radar).
Таким увидели американские метеорологи торнадо с помощью погодного радара WSR-3, а Hook Echo — это название наблюдаемого на радаре облачного образования, похожего на торнадо (hook по-английски — «петля»). Источник: Wikimedia Commons
В послевоенный период принцип работы погодных радаров уже не менялся, но усложнялось их устройство — для получения более точных данных о размере и количестве осадков, их распределении в атмосфере, скорости и направлении передвижения. Однако климат на планете постепенно меняется, и в некоторых регионах усиливаются самые разные разрушительные погодные явления, требующие новых методов прогнозирования.
Что такое «партизанские ураганы» и почему обычные радары с ними не справляются?
Для прогнозирования таких явлений два основных типа традиционных метеорадаров — многопараметрические и с фазированной антенной решёткой — не подходят.
Многопараметрические метеорологические радары имеют двойную поляризацию, то есть они могут одновременно передавать и принимать горизонтально и вертикально поляризованные волны. Это позволяет им эффективно отслеживать количество осадков вплоть до размеров капель дождя. Однако у такого радара есть и недостатки: его параболическая антенна (в форме тарелки) может передавать и принимать электромагнитные волны только в том направлении, к которому она обращена. Сигнал имеет форму тонкого луча, поэтому чтобы вычислить распределение осадков, нужно, словно прожектор, повернуть антенну вверх, а затем постепенно наклонять её к земле. Для наблюдения за распределением осадков вблизи уровня земли может потребоваться от одной до пяти минут, а для замера осадков в трёхмерном проекции более — пяти минут. Именно это не даёт быстро «вычислить» кучевую тучу, в которой прячется «партизанский ливень».
Первый вид радара излучает более мощный сигнал, а второй — более рассеянный. Источник: Toshiba Clip
В отличие от многопараметрических радаров, погодные радары с фазированной решёткой представляют собой плоские антенны, как правило, квадратной или многоугольной формы. Точнее говоря, они состоят из множества маленьких антенн, размещённых на плоскости (нечто похожее на фасеточный глаз насекомого). Его структура позволяет мгновенно изменять направление волн без необходимости перемещать антенну вверх или вниз. Этот вид радара позволяет излучать и принимать волны (от земли до уровня неба) практически непрерывно. Но его слабое место — вычисление количества осадков, ведь их сигнал более рассеянный.
Если многопараметрический радар хорошо замеряет количество осадков, то радар с фазированной решёткой лучше справляется с построением картины их распределения. Но чтобы обнаруживать «партизанский ураган» нужно было соединить эти два радара в одном.
Ужа с ежом: как в Toshiba соединили круг и квадрат?
Инженеры Toshiba в составе исследовательской группы Совета по науке, технологии и инновациям при правительстве Японии создали первый в мире многопараметрический радар с фазированной решёткой, то есть объединили два традиционных типа радаров в одно устройство. Оно имеет двойную поляризацию и может формировать пучок сигналов одновременно в десять направлений. Благодаря этому, такой радар способен всего за 30 секунд отыскать «партизанскую тучу» в радиусе 60 км (и за минуту — в радиусе 80 км).
Первый многопараметрический метеорологический радиолокатор с фазированной решёткой разместился на крыше Университета Саитама в декабре 2017 года. Источник: Toshiba Clip
Максимальная дальность охвата в 80 км позволяет одному радару контролировать погодную обстановку практически над всем столичным районом Токио. К примеру, в летнее время года радары смогут предупреждать о «партизанских ливнях» и помогать городским властям координировать передвижение туристов и горожан в случае неблагоприятной погоды.
Впоследствии в Японии может быть создана сеть из новых метеорадаров, которые покроют всю территорию страны. Однако чем больше инструментов исследования погоды, тем сложнее обрабатывать и интерпретировать получаемую информацию. Поэтому в будущем человечеству необходимо решить проблему создания глобальной системы контроля за погодными условиями на основе суперкомпьютеров. Похоже, прорыв в этой области подготовили наши коллеги из IBM.
Бог ясного дня: как будет предсказывать погоду новый суперкомпьютер?
В ноябре 2019 года компания IBM объявила о разработке глобальной системы высокоточного погодного прогнозирования GRAF (Global High-Resolution Atmospheric Forecasting System). Её основу составит суперкомпьютер DYEUS, построенный специально для управления виртуальной моделью глобальной погоды. Кстати, имя DYEUS («Дьеус») неслучайно — так звали верховного бога праиндоевропейского пантеона, который отвечал за ясное небо над головами наших предков 3-5 тыс. лет назад.
Доплеровский радар
СОДЕРЖАНИЕ
Концепция [ править ]
Эффект Доплера [ править ]
Эффект Доплера (или доплеровский сдвиг), названный в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который предложил его в 1842 году, представляет собой разницу между наблюдаемой частотойи излучаемая частота волны для наблюдателя, движущегося относительно источника волн. Обычно это слышно, когда автомобиль, включающий сирену, приближается, проезжает и удаляется от наблюдателя. Принимаемая частота выше (по сравнению с излучаемой частотой) при заходе на посадку, идентична в момент прохождения и ниже во время спада. Это изменение частоты также зависит от направления, в котором источник волны движется по отношению к наблюдателю; он максимален, когда источник движется прямо к наблюдателю или от него, и уменьшается с увеличением угла между направлением движения и направлением волн, пока, когда источник движется под прямым углом к наблюдателю, смещения не происходит.
Представьте себе бейсбольного кувшина, бросающего один мяч каждую секунду кэтчеру (частота 1 мяч в секунду). Если предположить, что шары движутся с постоянной скоростью, а питчер неподвижен, ловитель ловит один мяч каждую секунду. Однако, если питчер бежит к ловцу, ловец ловит шары чаще, потому что шары меньше разнесены (частота увеличивается). Обратное верно, если питчер удаляется от ловца. Кэтчер реже ловит мячи из-за обратного движения питчера (частота уменьшается). Если питчер движется под углом, но с той же скоростью, изменение частоты, с которой принимающий улавливает мячи, меньше, поскольку расстояние между ними изменяется медленнее.
Вариация частоты [ править ]
«Частота биений» (Доплеровская частота) ( ), таким образом: [4] ж d <\ displaystyle f_ 
Технология [ править ]
Есть четыре способа создания эффекта Доплера. Радары могут быть:
Доплеровский режим позволяет использовать узкополосные фильтры приемника, которые уменьшают или устраняют сигналы от медленно движущихся и неподвижных объектов. Это эффективно устраняет ложные сигналы, создаваемые деревьями, облаками, насекомыми, птицами, ветром и другими факторами окружающей среды. Дешевый ручной доплеровский радар может давать ошибочные измерения.
CW доплеровский радар обеспечивает только выход скорости, поскольку принимаемый сигнал от цели сравнивается по частоте с исходным сигналом. Ранние доплеровские радары включали CW, но они быстро привели к развитию РЛС с непрерывной частотной модуляцией ( FMCW ), который сканирует частоту передатчика для кодирования и определения дальности.
История [ править ]
Доплеровский радар имеет тенденцию быть легким, потому что он устраняет тяжелое импульсное оборудование. Соответствующая фильтрация удаляет стационарные отражения при интегрировании сигналов за более длительный промежуток времени, что улучшает характеристики дальности при одновременном снижении мощности. Военные использовали эти преимущества в 1940-х годах.
Ранние доплеровские радары полагались на большие аналоговые фильтры для достижения приемлемых характеристик. Аналоговые фильтры, волноводы и усилители улавливают вибрацию, как микрофоны, поэтому требуется громоздкое гашение вибрации. Этот дополнительный вес привел к неприемлемым кинематическим ограничениям характеристик, которые ограничивали использование самолетов только ночью, в плохую погоду и в условиях сильных помех до 1970-х годов.
Антенны для CW и FM-CW начинались как отдельные приемные и передающие антенны до появления доступных микроволновых конструкций. В конце 1960-х годов начали производить радары с одной антенной. Это стало возможным благодаря использованию круговой поляризации и многопортовой секции волновода, работающей в X-диапазоне. К концу 1970-х это изменилось на линейную поляризацию и использование ферритовых циркуляторов как в X-, так и в K-диапазонах. Радары частичного разряда работают при слишком высоком PRF для использования переключателя, заполненного передающим-приемным газом, и в большинстве из них используются твердотельные устройства для защиты малошумящего усилителя приемника при включении передатчика.
Приложения [ править ]
Погода [ править ]
Работа над функцией Доплера для метеорологических радиолокаторов имеет долгую историю во многих странах. В июне 1958 года американские исследователи Дэвид Холмс и Роберт Смит смогли обнаружить вращение торнадо с помощью мобильного радара непрерывного излучения (фото справа). Лаборатория Нормана, которая позже стала Национальной лабораторией сильных штормов (NSSL), модифицировала этот радар, сделав его импульсным доплеровским радаром, позволяющим легче определять положение эхосигналов и иметь большую мощность [13].
Навигация [ править ]
Навигация на основе локуса [ править ]
Доплеровские методы на основе местоположения также использовались в исторической спутниковой навигационной системе ВМС США Transit со спутниковыми передатчиками и наземными приемниками и в настоящее время используются в гражданской системе Argos., в котором используются спутниковые приемники и наземные передатчики. В этих случаях наземные станции либо неподвижны, либо медленно движутся, а измеряемое доплеровское смещение вызвано относительным движением между наземной станцией и быстро движущимся спутником. Комбинация доплеровского смещения и времени приема может быть использована для создания геометрического местоположения, которое будет иметь измеренное смещение в точке пересечения поверхности Земли в этот момент: путем объединения этого с другими точками измерений в другое время, истинное местоположение наземная станция может быть определена точно. [ необходима цитата ]