Радиолокационная отражаемость метеорологических объектов

ЭПР реальной цели отличается от удельной эффективной площади рассеяния , т.к. отраженный сигнал формируется не единицей объема, а разрешающим объемом .

Удельная эффективная площадь рассеяния определяется соотношением:

(1), где (3)

(2), где (4)

Размерность ; через обозначена отражаемость. Тогда:

(5)

(6)

и называются радиолокационной отражаемостью. Как видно из (3) и (4) радиолокационная отражаемость определяется концентрацией и распределением частиц по размерам в единичном объеме. Кроме того, присутствует комплексный коэффициент преломления . Величины и характеризуют рассеивающие свойства метеорологических объектов, являются физическими характеристиками при однократном некогерентном рассеянии.

Из (5) и (6) можно определить радиолокационную отражаемость :

(7)

Формулы (3), (4), (5) и (7) отмечают сильную зависимость рассеяния от размера частиц и концентрации их в единичном объеме. Если диаметр одной капли больше другой в 10 раз, то величины отраженного сигнала и будут в 10⁶ больше у той капли, которая больше другой в 10 раз.

Вывод: МРЛ наиболее эффективно обнаруживает облака, состоящие из большого числа крупных капель.

Если известен закон распределения капель от , то для более дисперсного спектра частиц отражаемость:

(8)

Отражаемость в литературе может выражаться в [см³] или [мм⁶/м³]: .

Размерность означает, что в единичном объеме (м³) суммируются не просто радиусы или диаметры этих частиц, а радиусы или диаметры частиц в 6 степени (мм⁶).

Величина - это интегральная величина, которая зависит от макроструктуры облаков, осадков, водности облаков, однако отражаемость не зависит от длины волны и других параметров радиолокатора.

реагирует на самую крупную часть спектра гидрометеоров. На практике отражаемость облаков и осадков выражается не только в [мм⁶/м³], но и в . Кроме того, отражаемость выражается и в ДБZ.

Пример: .

Лекция №8

Кроме отражаемости вводится эквивалентная отражаемость.

Эквивалентная отражаемость характеризует свойства единичного объема облака или осадков или равна отражаемости капельного облака, который формирует равный по амплитуде отраженный сигнал:

Если облако кристаллическое и состоит из ледяных кристаллов, то:

Для крупных частиц эквивалентная отражаемость будет отражаться следующей эмпирической формулой:

,

где .

Дифференциальная отражаемость

При одновременном облучении электромагнитным полем с горизонтальной и вертикальной поляризациями вводится понятие дифференциальной отражаемости .

и имеют размерность в [мм⁶/м³].

На практике дифференциальная отражаемость определяется не по данным микрофизическим характеристика облаков или осадков, а из уравнения радиолокации атмосферных образований.

Радиолокационная отражаемость облаков

Радиолокационная отражаемость облаков не зависит от расстояния, параметров МРЛ и является физической характеристикой, определяющей отражающие свойства объекта. Величина в случае однократного, некогерентного рассеивания определяется размерам, концентрацией и диэлектрическими свойствами рассеивающих частиц. Рассеянное поле электромагнитной волны от облака состоит из когерентной и некогерентной составляющей. В облаке без осадков размеры рассеивателей меньше 100 мкм (в среднем 5-15 мкм), а концентрация 10²-10³ частиц в м³ облачного объема.

Если обозначить расстояние между частичками в облаке, то при такой концентрации длина волны будет .

, поэтому рассеивание волны СМ-диапазона – когерентно, в результате его обратное рассеивание формируется сложением парциальных волн облачных частиц.

Радиолокационная отражаемость при когерентном рассеивании пропорциональна , где – это число частиц в единице объема, и эта отражаемость зависит от формы зондирующих импульсов, крутизны переднего фронта, неоднородности и концентрации рассеивающих частиц. Когда наблюдаются крупные капли, их концентрация уменьшается, то в этом случае расстояние между частицами будет или .

, в этом случае рассеивание принимает некогерентный характер. Радиолокационная отражаемость облака без осадков с учетом когерентности пропорциональна водности и обратно пропорциональна длине волны в 4 степени: .

Для кучевых, слоисто-кучевых и слоистых облаков без осадков [мм⁶/м³], .

Поэтому, при столь малой отражаемости, обнаружении облаков без осадков можно осуществить только в ближней зоне (до 40 км).

Появление капель в облаке, размерами 0,1-0,2 см приводит к увеличению отражаемости на 3-5 порядков. Водность облака определяется:

,

– функция распределения капель по размерам, – диаметр частиц.

Если мкм, то г/м³, поэтому при таких маленьких размерах можно оценить .

Распределение отражаемости в % для различных типов облаков:

, [мм6/м3]	Туман	Sc	Ac	Ns	Cb
	12
	6
	25
	43
	14	26	12	1
		32	28	21
		30	38	27	1
		11	18	19	8
		1	3	17	37
			2	13	26
				4	21

Из таблицы видно, что наименьшей отражательной способностью обладают туманы, а также недождевые облака слоистой и слоисто-кучевой формы. Облака такого типа можно обнаружить специальным МРЛ, работающим в диапазоне от 0,8 до 3,2 см в ближней зоне в радиусе 32-40 км.

Вертикальный профиль отражаемости облаков различных форм (1 – теплое время года; 2 – холодное время года):

Если известен средний радиус капли , то можно рассчитать отражаемость . Если имеем связь радиолокационной отражаемости с водностью и связь радиолокационной отражаемости с размерами облачных капель, мы можем при реализации метеорологического радиозондирования определить средний радиус облачных частиц и водность облака.