1.2 Отражаемость метеорологических объектов.

Эффективная площадь рассеяния метеорологической цели отличается от удельной эффективной площади рассеяния, т.к. отраженный сигнал формируется не единичным объемом, а разрешаемым объемом. Удельная ЭПР метеообъекта при релеевском типе рассеяния электромагнитной волны определяется соотношением:

или

где r_i- радиус частицы; d_i- диаметр частицы.

Размерность удельной ЭПР либо.

Если обозначить и, то:

.

Соответствующие удельные ЭПР будут выражаться:

и,

где величины иz_d- радиолокационные отражаемости, выражающиеся через радиус и диаметр соответственно.

Как видно из этих трех формул определяется концентрацией и распределением частиц по размерам в единичном объеме и комплексным коэффициентом преломления вещества частиц.

Величина характеризует рассеивающие вещества метеообъектов и является физической характеристикой при однократном рассеянии. Из последней формулы можно определить радиолокационную отражаемость(1):

.

Последние две формулы для удельной ЭПР и радиолокационной отражаемости отмечают сильную зависимость этих параметров от размера частиц и концентрации (2). Если диаметр одной капли больше другой в 10 раз, то величины отраженного сигнала будут отличаться в 10⁶ раз от той капли, которая в 10 раз больше, т.е. радиолокатор наиболее эффективно обнаруживает облака, состоящие из большого числа капель больших размеров.

Если известен закон распространения капель по размерам N(d), то для полидисперсного спектра частиц:

.

Отражаемость в литературных источниках может быть выражена в [см³] или [мм⁶/м³]: 1 мм⁶/м³= 10¹²∙см³.

Удельная ЭПР , где σ_i- эффективная площадь рассеяния отдельной частицы в единичном объеме, η несет информацию о облаках и осадках, и зависит не только от размеров частиц, но и от длины волны.

Величина отражаемости - это интегральная характеристика микроструктуры облаков и осадков, а также водности облачности и не зависит от длины волны и других параметров радиолокаторов (1).

Величина z наиболее чувствительна к размерам частиц и зависит от самых крупных частиц, содержащихся в объеме.

.

. 1.2.1Эквивалентная отражаемость

На практике отражаемость облаков выражается не только как z с , но и вc [дБ]. При переводе отражаемости из мм⁶/м³ в дБ используется соотношение:

,

при этом z₀= 1.

Используется и эквивалентная отражаемость z_э- величина, характеризующая свойства единичного облачного или осадочного объема и равна отражаемости капельного облака, формирующего равный по амплитуде отраженный сигнал.

z ≡

Для ледяных облаков эквивалентная отражаемость выражается:

в

в [дБ].

Для крупных частиц, когда рассеяние отличается от релеевского:

,

где η- удельная отражаемость, выраженная в [см^-1]; λ- в [см].

1.2.2 Дифференциальная отражаемость.

При одновременном облучении объема частиц облаков и осадков электромагнитной волной горизонтальной и вертикальной поляризации волны, вводят понятие дифференциальной отражаемости z_DR в [дБ]; рассчитывается по формуле:

.

Чтобы записать в дБ используют:

,

где z_г и z_в- отражаемость в горизонтальной и вертикальной плоскостях в .

1.2.3 Радиолокационная отражаемость облаков.

Характеристика отражаемости не зависит от расстояния параметров МРЛ и является физической характеристикой, определяющей отражающие свойства цели.

Величина отражаемости в случае однократного некогерентного рассеяния определяется размерами, концентрацией и диэлектрическими свойствами отражающих частиц.

Рассеянного поля электромагнитной волны состоит из когерентной и некогерентной составляющей. Если взять облака без осадков с размером рассеивателей меньше 100 мкм, а концентрацию 10²- 10³ частиц на м³, и обозначим l- расстояние между частицами, и если длина волны λ >> l, в этом случае рассеяние радиоволн сантиметрового диапазона будет когерентным. В результате чего обратное рассеяние будет формироваться сложением амплитуд парциальных волн с учетом фазы.

Радиолокационная отражаемость при когерентном рассеянии пропорциональна концентрации частиц N², и зависит от формы зондирующих импульсов и крутизны переднего фронта.

Если расстояние между частицами l ≥ λ, то рассеяние принимает некогерентный вид. При трапецеидальной форме зондирующего импульса соотношение между когерентной и некогерентной составляющей мощности радиоэха имеет вид:

где τ- длительность зондирующего импульса; с- скорость электромагнитной волны; N₀- количество частиц в единице объема; λ- длина волны.

Радиолокационная отражаемость облаков без осадков с учётом когерентного принимаемого сигнала пропорциональна квадрату водности и непропорциональна λ⁴:

.

(3)Для кучевых, слоистых и слоисто-кучевых облаков без осадков радиолокационная отражаемость z = 10^-210² мм⁶/м³.

Удельная ЭПР при длине волны МРЛ-2 и МРЛ-5 (λ=3,2): , поэтому при столь малой отражаемости обнаружение облаков без осадков можно осуществить только в ближней зоне (30 км).

Появление капель размера 0,1-0,2 см ведет к увеличению отражаемости на 3-5 порядков. Водность облаков определяется:

.

Если диаметр частиц d ≤ 30 мкм, а водность w ≤ 1,3 г/м³, то связь между радиолокационной отражаемостью и водностью облаков будет определяться формулой:

z = 0,048 w² .

1.2.4 Отражаемость в жидких осадках.

Рассеянный и отраженный сигнал в осадках зависит от размера капель; количество капель определяет интенсивность дождя.

Радиус мороси составляет: 0,0250,25 мм. Наиболее крупные капли дождя могут достигать 34 мм. Среднее распределение капель дождя по размерам удовлетворительно описывается соотношением:

,

где v- параметр, зависящий от интенсивности дождя. При I = 1 мм/ч v = 1,3;

при I = 25 мм/ч v = 2,74.

Мелкие капли, выпадающих осадков, имеют сферическую форму; крупные капли дождя во время падения приобретают форму сплюснутого эллипсоида.

Спектр размеров капель дождя измеряется во времени и пространстве и зависит от типа облачности, из которой выпадают осадки. Интенсивность выпадающих осадков рассчитывается по формуле:

,

где ρ- плотность вещества капли; N(r)- функция распределения капель по размерам; d- диаметр; V(r)- скорость выпадения капли в зависимости от размера.

В результате микрофизических исследований распределения частиц осадков по размерам Маршела-Пальмером была получена зависимость между интенсивностью и отражаемостью:

,

где z- отражаемость в мм⁶/м³; I- интенсивность дождя в мм/ч.

Для дождей соотношение имеет вид:

.

Для удельной ЭПР зависимость Маршала- Пальмера имеет вид:

.

На основе микрофизических измерений установлена связь между интенсивностью снегопада и отражаемостью, таким образом, отражаемость снега:

.

Если отражаемость выражается в дБ_z:

Для тающего снега выражение имеет вид:

.