Радиолокация

Д ля кучевообразных облаков отмечается более четкая стати­ стическая связь Z Vi К', обе величины возрастают одновременно по мере развития облака и перехода его из одной стадии в дру­ гую. Поэтому сведения об отражаемости конвективных облаков могут служить в известной мере критерием интенсивности турбу­ лентности.

Различные физические процессы, приводящие к электризации частиц в облаках и разделению зарядов, являются причинами об­ разования электрического поля. Напряженность этого поля Е (В/см) и особенно скорость ее изменения A E j A t — весьма важные характеристики электрического состояния облака и его грозо­ опасности. Так как величина заряда отдельных частиц зависит от тех же факторов, что и отражаемость, представляет интерес вопрос

^ 10 В/см), так как в этих облаках механизмы интенсивной элек­ тризации частиц и разделения зарядов не действуют. В таких об­ лаках напряженность электрического поля растет за счет умень­ шения проводимости воздуха в них'. Проводимость падает тем быстрее, чем больше частиц в облаке; это подтверждается "разли­ чием между средними величинами z r Е ъ облаках Ас, Sc, As. Облака Ci, состоящие из ледяных кристаллов, имеют меньшую отражаемость, чем капельно-жидкие Sc и Ас. Однако ледяные частицы в таких облаках более интенсивно, чем капли, умень­ шают проводимость воздуха, в результате чего напряженность электрического поля в них больше, чем в Sc и Ас. В облаках Ns и в той части облака As, которая дает осадки, напряженность электрического поля возрастает весьма слабо, поскольку несмотря на то, что в этих облаках действует механизм относительной силь­ ной электризации отдельных частиц, разделения частиц, заряжен­ ных разноименно, не происходит. Очевидно, отражаемость в этих облаках возрастает за счет появления частиц осадков.

В кучевообразных облаках с того момента, когда в них начи­ нается интенсивное укрупнение частиц, проявляющееся в увеличе­ нии отражаемости, происходит интенсивная электризация отдель­ ных частиц и разделение разноименных .зарядов. Электризация в основном происходит в зоне, где существуют и капли, и кри­ сталлы. Эта же зона имеет и наибольшую отражаемость. Таким образом, между электрическим полем в облаке и его отражаемо­ стью существует тесная связь, поскольку электрическое поле и отражаемость увеличиваются с ростом концентрации и размеров частиц. Зависимость между z я Е показывает, что напряженность поля достигает значений, необходимых для проявления грозовых процессов, только при достаточно больших величинах отражаемо­ сти. Для облаков, переходящих в грозовое состояние, характерно чрезвычайно быстрое нарастание напряженности электрического поля по времени [11]. Не менее быстро растет на этой стадии и

отражаемость. Поэтому для уточнения грозоопасностй облака су­ щественно знать не только средние значения этих характеристик, но и скорость их изменения во времени.

Электризация самолета при полетах в облаках происходит за счет его контакта с электрически заряженными частицами обла­ ков и осадков. Величина заряда зависит от водности облаков и их агрегатного состояния [11]. В чисто водяных облаках самолеты заряжаются отрицательно, в чисто ледяных — положительно. При этом в ледяных облаках электризация самолетов происходит ин­ тенсивнее, чем в водяных. Так, например, в Cs, состоящих в ос­ новном из ледяных кристаллов, заряд, приобретаемый самолетом, велик, несмотря на малую водность и отражаемость таких обла­ ков. Однако сложная зависимость электризации самолета от мик­ роструктуры облаков не позволяет надеяться на получение хоро­ шей корреляции между зарядом самолетов и отражаемостью.

5.1.2. Радиолокационные критерии опасности

Как известно, гроза, град, ливни и ливневой снег («снежные заряды») представляют собой явления, которыми сопровождаются СЬ. Определение этих явлений при визуальных наблюдениях про­ изводится следующим образом; грозы — по факту молнии и грома; град — по виду выпадающих осадков; ливневой снег — по форме облаков и интенсивности снега.

Определение гроз с помощью пеленгационных устройств осу­ ществляется по наличию и количеству разрядов [26, 41, 48]. МРЛ сантиметрового диапазона обычно не фиксируют разряды, а ве­ роятность обнаружения радиосигнала от молнии ничтожно мала из-за кратковременности ее существования и узкой диаграммы направленности антенны. Факт выпадения осадков фиксируется по наличию радиоэха у Земли, однако это возможно лишь в ра­

занных с СЬ, несколько отличается от общеизвестной метеороло­ гической классификации. Явления, связанные с СЬ, разделяют на три группы; I — градоопасные СЬ и грозовые облака с градом; П — грозоопасные облака и ливневой дождь с грозой; П1 — негро­ зоопасные конвективные облака и негрозовые ливни.

К I группе относятся кучево-дождевые облака, сопровождаю­ щиеся грозовыми разрядами и в большинстве случаев выпаде­ нием града. Однако из облаков этой группы град может и не вы­ падать, т. е. облако может находиться в градоносном состоянии. Ко II группе относятся облака СЬ, сопровождающиеся ливневым дождем с грозовыми разрядами, а также облака СЬ, образование которых связано с большой скоростью восходящих потоков, интен­ сивной турбулентностью и высокой напряженностью электриче­ ского поля. Это так называемая предгрозовая стадия, которая ви­

132

зуально фиксируется как СЬ без явлений. К П1 группе относятся облака Си cong.— СЬ, которые за время их жизни не переходят в грозовые облака. Из них в процессе развития может выпадать ливневой дождь различной интенсивности и продолжительности.

Необходимость получения прямых характеристик степени опас­ ности явлений с помощью М РЛ заставляет использовать в каче­ стве критерия распознавания косвенные признаки, основанные на различных физико-статистических закономерностях, установлен­ ных для определенных физико-географических условий, конкрет­ ных М РЛ и методик наблюдения путем статистической обработки и анализа данных. На существование ряда таких радиолокацион­ ных признаков указывалось в исследованиях отечественных и за ­

радиолокационным наблюдениям в сантиметровом диапазоне ра­ диоволн основано на неоднократно проверенном эксперименталь­ ном факте: наиболее высокие конвективные облака, которые дают интенсивные осадки, имеют и максимальную молниевую актив­

ражений молнией самолета приходится на область нулевой изо­ термы (3—7 км), где отмечается и наибольшая турбулентность в облаках. Таким образом, для отдельного одноячейкового грозо­ вого СЬ, приближающегося к аэропорту, можно предложить схему

гаемая зона восходящего потока; определяется зона максимальной отражаемости 2щах в области

выпадающих осадков.

В результате определяется зона наибольшей молниевой актив­ ности, которая будет находиться в слое от нулевой изот;ермы до

грозовая активность может возрастать при взаимодействии между отдельными СЬ. По этой причине и другим, о которых будет сооб­ щено далее, при анализе поля РКО выявляется наиболее опасное явление над площадью заданных размеров [23], а не зона молние­ вой активности в СЬ.

133

Используемый в практике сети М РЛ критерий грозоопасностй Y = H \ g Z s позволяет распознать грозу в квадрате 30X30 км с ис­ пользованием максимальной высоты радиоэха Я и отражаемости lg 2з в слое Аз, на 2—2,5 км превышающем уровень нулевой изо­ термы.

Хорошо известно, что важнейшим моментом в развитии конвек­ тивного облака в средних широтах является начало оледенения его вершины, с которым тесно связан процесс интенсивного разде­ ления электрических зарядов и превращение облака в кучево­ дождевое с последующим образованием ливней и гроз.

Экспериментальные данные Байеса и Брейама [182] указы ­ вают, что температура на уровне вершин радиоэха гроз должна

вения грозы принимается достижение вершинами облаков уровня,, на котором температура составляет —2 0 ... —25 °С. Таким обра­ зом, можно считать первым необходимым условием выделения грозы по радиолокационным данным превышение верхней грани­ цей радиоэха конвективных облаков уровня изотермы —22 °С, т. е.

Я^ Я —22 'С-

Вконвективных облаках восходящие потоки в основном управ­ ляют и количеством осадков [91]. Тесная связь отражаемости облака с его микрофизикой, скоростью восходящих потоков и интен­

сивностью выпадающих осадков позволяет применить минималь­ ное значение I g z s в грозах (Igzsmin^) в качестве второго необхо­ димого критерия грозового состояния. Многочисленные иссле­ дования [7, 13, 14, 20] показали, что зависимость между отражаемостью и интенсивностью осадков будет заметно раз­ личаться для районов с разной орографией и для разных воз­ душных масс.

В слое кз отмечается наибольший рост облачных частиц, кото­ рый является косвенным индикатором разделения зарядов в СЬ.

совпадает с началом выпадения осадков. (В этой главе отражае­ мость дана в lg Za (1.19), индекс « а » ниже будет опущен.)

=3 см может являться следствием ряда причин:

а) скопления частиц осадков в конвективных ячейках, которые лишь через некоторый промежуток времени становятся грозовыми;

б) ослабления радиоволн в избыточной жидкости на высотах, лежащих над нулевой изотермой;

134

в) ослабления радиоволн на малых высотах в устойчивом эк­ ранирующем ливне;

г) образования пористого града в наклонном восходящем по­ токе, насыщенном облачной влагой, с последующим выбросом этих частиц в гораздо более сухую область, в которой при опус­ кании градин до нулевой изотермы их оболочка замерзает. Эф­

ков. Однако М РЛ по критерию Y уже в стадии роста распознает грозовое состояние [120].вНадо учесть, что само время стадии ро­ ста для отдельных СЬ может изменяться в широких пределах и зависит в общем случае от интенсивности процессов конвекции в районе наблюдения. Поэтому можно предположить, что чем ин­ тенсивней и стремительней развивается конвективный процесс на наблюдаемой территории, тем меньше будет опережение опреде­ ления грозы по данным МРЛ.

Кучево-дождевые облака в первой стадии развития опасны для полетов самолетов, поскольку попадание самолета в такое облако может вызвать разряд и спровоцировать начало грозы [11]. По­ этому опережение визуальных данных о грозах безусловно поло­

полняются следующие соотношения; для гроз с вероятностью рас­

производится по данным метеостанций, расположенных в преде­ лах 30 км от зоны максимальной отражаемости в грозе, за сроки, отличающиеся от моме?1та наблюдения радиоэха не более, чем на 1 ч. Несмотря на такой сравнительно большой период сопостав­

раньше наблюдателей метеостанции, что особеннополезно при метеообеспечении полетов. При этих условиях сопоставления ве­

1,35

30X30 км имеет еще одно достоинство. Оно позволяет оценивать наличие турбулентности, опасной для полетов воздушных судов. Частота пульсаций и интенсивность турбулентности прямо свя­ заны с увеличением Zmax Cb. Сильная турбулентность, при кото­

центральной оси многоячеистой грозы на всех высотах встреча­ ется умеренная и сильная турбулентность. В грозовом СЬ с нако­ вальнями (см. рис. 4.1а) сильная турбулентность отмечается на расстоянии до 36 км от центра грозы в направлении вектора ветра. Сильную турбулентность следует ожидать на расстоянии до 36 км от края радиоэха интенсивной грозы. При нечетких внеш­ них границах радиоэха грозового СЬ это расстояние уменьшается до 18 км [172]. Линейные размеры молний могут достигать десят­ ков километров, особенно при межоблачных разрядах.

Однако критерий грозоопасностй Y имеет общий для всех кри­ териев, основанных на косвенных признаках, недостаток: сравни­ тельно высокий уровень «ложных тревог» и оправдываемость ме­ нее 100 %.

Ежедневное корректирование У по Я_22°с [91] особенно эффек­

торые позволяют сделать следующее: уменьшить при интерпрета­ ции радиолокационную информацию о количестве гроз ( К ) и К ) по сравнению с информацией о количестве гроз К ; применять со­ вместно критерий У и критерий, основанный на методе квадратич­ ного дискриминантного анализа; увеличить достоверность распоз­ навания гроз с невысокой электрической активностью («слабых» гроз). Рекомендации разработаны на основе численного экспери­ мента.

В качестве исходного материала для численного эксперимента, как и в работе [94], были выбраны 8673 случая радиоэха гроз и 2333 случая радиоэха ливней, полученных в разных физико-гео­ графических условиях. Повторяемость используемых на сети гра­ даций гроз и ливней по величине Ккр [92] приведена в табл. 5.1, 5.2 и на рис. 5.2. При анализе первичных данных в табл. 5.1 по _соотношению повторяемостей гроз и ливней можно выделить сле­

Л36

137

Т а б л и ц а 5 .2

Повторяемость (% ) гроз и ливней при различных значениях IgZmin ^

V

20 % гроз и 15,7 % ливней от общего количества. В оперативной

так и к увеличению на 3 % гроз, отнесенных к ливням. Возрастает при этом суммарная ошибка распознавания ливней и ( К ) и уменьшается ошибка распознавания ливней и гроз вообще. Увели­ чение Igzsmin^ до 1,5 при ослаблении радиоволн в осадках ближ­ ней зоны М РЛ, когда значение lg Zmm будет меньше фактического, приводит к неправильной интерпретации радиоэха.

Таким образом, анализ данных табл. 5.1 и 5.2 позволяет счи­ тать ливнями все случаи наблюдений РКО с У ^ 9, а грозами К

зону принятия неоднозначных решений и увеличивает надежность распознавания гроз. Одним из недостатков принятой схемы рас­ чета У является неопределенность величины IgZming , которая имеет сезонные и суточные вариации в каждом отдельном пункте наблюдений.

5.1.3. Критерий распознавания гроз на основе дискриминантного анализа

Проанализированные недостатки критерия У можно устранить при использовании техники квадратичного дискриминантного ана­ лиза [94—96, 98], который, кроме выделения грозовых зон, пре­ дусматривает возможность применения дискриминантной функции, полученной на основе данных одного какого-либо М РЛ, для рас­ познавания гроз и ливней в других физико-географических райо­ нах и контроля радиолокационной информации конкретного М РЛ . Максимальная суммарная ошибка распознавания в предположе-

138

НИИ, что классы явлений равновероятны, составляет 12,6% . При этом вероятность распознавания отдельных классов колеблется в следующих пределах: 1,2— 14,8 %> для гроз и 5,9—34 % для лив­ ней [95, 96].

Суть метода квадратичного дискриминантного анализа на ста­ тистических главных компонентах — наиболее разработанного с теоретической точки зрения метода распознавания образов — со­ стоит в следующем. Предполагается, что каждый из двух рассмат­ риваемых классов — класс грозовых и класс ливневых радиоэхо — в пространстве признаков характеризуется многомерным нормаль­

классов, вообще говоря, различны. Построение критерия распозна­ вания в этом случае сводится к проведению в пространстве при­ знаков разделяющей (дискриминантной) поверхности, уравнение которой имеет вид

Ипоследующему сравнению вычисленного для данного х значения

и{ х ) с порогом, значения которого зависят от соотношения стои­

мостей ошибок распознавания первого и второго рода и априор­ ных вероятностей классов.

Поскольку среди первичных характеристик радиоэха могут быть несущественные для распознавания или существенные, но по-разному проявляющие себя в различных физико-географиче­ ских условиях, то дискриминантную функцию (5.1) целесообразно выразить через статистические главные компоненты распределе­

139

признаками он используется. Более строго можно показать, что ошибка распознавания Р е лежит в следующих пределах;

где В — так называемое расстояние Бхаттачария:

(5.7)

® = , 1 т [ T q i r + ■" (2 + ^< + Т 5 -) - ‘“ 'I

а /* — дивергенция Кульбака:

5

Поскольку обе эти меры ошибки распознавания, как это видно из (5.7) и (5.8), аддитивны относительно статистических главных компонент, то

важности для распознавания.

При практическом использовании техники квадратичного дис­ криминантного анализа на статистических главных компонентах для распознавания радиоэха грозовых и ливневых СЬ важным об­ стоятельством является отсутствие точных сведений о средних и ковариационных матрицах классов (в случае применения гипо­ тезы нормальности). Эти величины приходится оценивать по вы­ боркам. При этом оказывается, что значения расстояния Бхатта­

венных чисел к, систематически завышаются. Завышение это, как можно показать, используя разложение (5.7) и (5.8) в ряд Тей­ лора относительно истинных значений т я К, обратно пропорцио­ нально объему обучающей выборки и прямо пропорционально числу используемых главных компонент. Помимо систематических ошибок вследствие завышения, имеются такж е случайные ошибки оценки. Средние квадратические отклонения их также пропорцио­ нальны числу признаков и обратно пропорциональны объему обу­ чающей выборки.

С целью выяснения, насколько применима дискриминантная функция, полученная при обучении на данных одной какой-то

140