Лекция №15

Важную роль в процессе формирования сигнала играет коэффициент отраженного сигнала от ионизированного канала. Для расчета коэффициента отражения используется формула Френеля:

,

где - параметр, которые характеризуется как коэффициент преломления на границе ионизированного канала.

,

где – электрическая проводимость среды, – длина волны, на которой работает радиолокатор, – диэлектрическая проницаемость, - скорость распространения электромагнитных волн, – коэффициент поглощения электромагнитной волны.

Как показывают расчеты, среднее значение коэффициента отражение существенно зависит от длины волны:

, см	3	10	20	100	300
	0,25	0,59	0,74	0,85	0,91

Как видно из таблицы отмечается зависимость коэффициента отражения от длины волны.

Если возьмем время с с момента возникновения молниеносного разряда, то продолжительность существования канала молнии, с учетом коэффициента отражения, для РЛС с длиной волны равной 300 см по сравнению с РЛС с длиной волны 3 см изменяется в 500 раз.

Указанные обстоятельства являются причиной хорошего радиолокационного обнаружения молний РЛС, работающих на длинах волн от 100 до 300 см.

При аппроксимации канала молнии тонким цилиндром наблюдается плотная плазма. Эффективная отражательная поверхность (ЭОП) канала молнии при прямолинейном участке канала может быть рассчитана:

,

где – коэффициент отражения, - средний радиус канала, - длина прямолинейного участка канала.

Для плотной плазмы .

Средняя эффективная отражающая поверхность молнии может быть оценена:

,

где - число отдельных прямолинейных участков канала, - сумма длин отдельных прямолинейных участков канала молнии.

Диаметр ионизированной зоны, где формируется отраженный канал, составляет от 1 до 10 м.

Распад канала по наблюдениям РЛС метрового диапазона происходит в течение 0,1-0,2 секунд при условии одноимпульсной вспышки.

Если возьмем среднее значение самого канала , а , то средняя эффективная отражающая поверхность канала молнии составит 65 м².

Более справедливая модель для расчета ЭОП может быть представлена в виде некогерентной совокупности сигналов, отраженных отдельными произвольно ориентированными разрядными промежутками.

ЭОП - независимых ориентированных отражений может рассматриваться в виде случайной функции, подчиняющейся экспоненциальному закону.

Если обозначим плотность распределения величины , то:

,

где – среднее значение ЭОП.

Для оценки ЭОП ионизированных каналов с неплотной плазмой ( ), в этом случае частота радиоволн становится больше частоты колебаний электрона. В этом случае используются другие подходы и соотношения.

Радиолокационные методы измерения осадков

Применение МРЛ обеспечивает возможность получения информации об осадках на площади до 150 тыс. км² с одного пункта наблюдения за несколько минут.

При измерении количества осадков и интенсивности осадков необходима тарировка для перехода к абсолютным результатам, т.е. получение коэффициентов согласования и перехода.

Коэффициент согласования и перехода рассчитывается как по декадным, так и по сезонным данным с помощью телеметрических дождемеров, которые могут рассчитывать коэффициенты согласования с момента выдачи информации об осадках потребителю.

При производстве наблюдений с помощью МРЛ необходимо учитывать следующие поправки:

1. Поправка на мокроту радиопрозрачного укрытия;

2. Условия аномального распространения радиоволн с учетом рефракции;

3. Ослабление электромагнитных волн в осадках.

Для уменьшения влияния ослабления радиоволн в осадках для умеренного климата с низкой повторяемостью - с оптимальной длиной волны 5 см (Европа, Канада); 10 см (США и тропические регионы); 3 см – полярные широты.

На основе 10-летних наблюдений за осадками автоматизированными системами было установлено, что МРЛ занижает количество осадков по сравнению с данными наземной дождемерной сети.

При этом предполагается, что измерения осадков проводилось современными некогерентными радиолокаторами без корректировки по алгоритму и при этих условиях дисперсия равна 100%.

Таблица: Оценка уменьшения дисперсии и возможной затраты при радиолокационном измерении осадков относительно метеорологических измерений осадков на некогерентном МРЛ, работающем по алгоритму .

Мероприятия	% уменьшения дисперсии		% затрат
	До 30 км	До 200 км
Корректировка данным наблюдения с использованием данных дождемерной сети;	30	20	5
Использование для введения поправок в измерения МРЛ данных вертикальной отражаемости;	20	50	5
Измерение осадков с использованием доплеровских МРЛ;	10	20	30
Измерение осадков из космоса с помощью спутников;	5	20	3
Введение в измерения поправок с учетом распределения капель по размерам;	25	10	3
Использование для измерения осадков поляризационных МРЛ;	15	5	30
Использование волнового радиолокатора для измерения осадков;	10	2	5
Комбинированные мероприятия (использование пунктов от 1 до 4).	50	70	43

В пункте 8 таблицы 70% означает, что от общей дисперсии остается 30%. За такое уменьшение дисперсии необходимо заплатить от общей стоимости 43%. Т.е., использование корректировки в радиусе 200 км при учете вертикального профиля отражаемости, произведение наблюдения с помощью доплеровских МРЛ и, привлекая искусственные спутники Земли для исключения влияния аномальных распространений, радиоволн, позволит уменьшить дисперсию на 70% (по сравнению измерения интенсивности и количества осадков некогерентными автоматизированными МРЛ).

Радиолокационные измерения жидких осадков

Отражаемость и интенсивность осадков зависят от распределения капель по размерам.

Знаем, что , где:

– функция распределения капель по размерам в интервале диаметра ; - единичный объем [м³].

Интенсивность:

(2), где - зависит от размера частиц, – пропорциональная скорость падения частиц, .

Если возьмем:

, а от 0,2 до 1,2 мм;

, от 0,4 до 3,4 мм;

, от 0,8 до 5 мм.

Лекция №16

Радиолокационное измерение жидких осадков

Функция распределения капель в единичном объеме в интервале от диаметра до диаметра может быть описана:

(3),

где – диаметр капель; – медианный диаметр капель.

Частным случаем выражения (3) является функция распределения капель Маршала-Пальмера, которая пытается определить связь между размерами частиц и интенсивностью выпадающих осадков.

Если мы возьмем , , тогда:

(4),

где [мм], [мм/час].

Связь между отражаемостью и интенсивностью выпадающих осадков можно представить в следующем виде:

Для жидких осадков .

Эта зависимость получена Маршалом и Пальмом на основе аппроксимации экспериментальных данных по распределению частиц в осадках. При сравнении радиолокационных и наземных данным приходится сталкиваться с разными объемами измерений.

В оптической методе измерения осадков объем составляет 1 дм³, в дождемере Третьякова – 36 м³, в импульсном объеме МРЛ – 1 км³.

Занижение измеренных осадков РЛС, видимо, связано с различными объемами измеренных осадков.

Погрешности измерения осадков:

– эквивалентная и - микрофизическая связаны статистической зависимостью и описываются уравнением линейной регрессии.

Среднее значение будет определяться уравнением линейной регрессии:

При коэффициенте корреляции 0,82 и коэффициенте вариации равном 70%, во всем диапазоне средняя разность между и составляет примерно 3 дБ.

Относительная погрешность измерения интенсивности осадков в % по формуле в зависимости от ошибки измерения представлена в таблице:

Ошибка измерения , дБ	Ошибка измерения , %
0,5	7,5
1,0	16
2,0	33
3,0	53
4,0	77
5,0	105

Измерения находится по формуле:

,

где – коэффициент мокрости радиопрозрачного укрытия, – коэффициент, учитывающий ослабление.

Требования к точности определения и поправок на ослабление не должны превышать 2 дБ. Только эти условия обеспечивают относительную погрешность измерения , равную 33%.

Относительная среднеквадратическая погрешность измерения будет составлять не менее 3 дБ.

Соотношение :

В зависимости от физикогеографических районов подбирались коэффициенты и , чтобы снизить дисперсию радиолокационных наблюдений.

Для разных районов подбирались такие коэффициенты, чтобы дисперсия составляла не более 25%.

, мм/ч	Значения дисперсии в %
	Умеренные широты	США	Тропические районы
1	23	-	24
5	34,2	34,7	32
10	35	39	36
25	45	44	41
50	50	49	45
100	55	52	48
	(1)	(2)	(3)

Как показывает таблица соотношение (1) можно считать оптимальным в радиусе обзора МРЛ как для ливневых, так и обложных осадков.