Радиолокация

Наиболее критичными при измерении Я являются точность горизонтирования антенной колонки и калибровка всех элементов привода антенны по углу возвышения е. При выработке методики измерений Я надо учитывать погрешности способа отсчета пока­ заний на индикационных шкалах и устройствах, а также нелиней­ ность разверток на индикаторах. Для достижения максимальной точности определения Я на ИДВ необходимо, чтобы точность со­ ответствия положения развертки на ИДВ с положением оси диа­ граммы направленности антенны была не ниже точности уста­

оценке соответствия визуальных и радиолокационных величин Я большое значение имеет способ отсчета наклонной дальности R до границы облачности с учетом нелинейности разверток индика­ торов.

При оценке величины АН по (1.45) предполагается, что все измерения высоты границ и прослоек облачности приведены коси диаграммы направленности антенны, а коэффициент ее заполне­ ния отражающими частицами Кзаи равен единице. В реальных ус­

онный объем при касании границ облака диаграммой направ­ ленности дает на экранах М РЛ хорошо различимое радиоэхо. Для слоистых облаков эти частицы обычно регистрируются ниже визуально видимой границы облака, а для конвективных за счет выброса крупных частиц восходящими потоками могут быть и выше.

Уменьшение /Сзап от 1 до 0,1 эквивалентно уменьшению Пм на 10 дБ (1.14). Д ля уменьшения влияния Кзап на точность измере­ ния высоты границ и прослоек облаков и для большего соответст­ вия границ радиоэха границам облаков в радиолокационные из­

Эти поправки необходимо вводить при условии, что во всем диапазоне расстояний измерения высоты границ облаков инстру­ ментальные ошибки, описываемые выражением (1.45), намного меньше абсолютных значений 0оР/2. Например, при 6о==12' в диа­

21

чае приходится делать тщательный анализ причин совпадения и несовпадения.

Проведем, следуя [89], анализ ошибок определения высоты верхней границы облака А Н и оценим, как влияет на точность

на верхней границе облака. Под Zmax здесь и в дальнейшем будем понимать максимальную отражаемость для данного облака.

Согласно выражению (1.44а), вследствие различных факторов, в том числе и конечной ширины диаграммы направленности, МРЛ

y ' ) d x ' d y '

— ОО

Здесь Я характеризует распределение квадрата интенсивности поля, излучаемого антенной в сечении ху, которое можно для до­ статочно больших значений дальности считать радиально симмет­ ричным:

где

Выражение (1.47) соответствует осесимметричной диаграмме направленности, квадрат интенсивности поля которой с учетом ос­ новного и первого бокового лепестков имеет следующий вид:

Здесь 00 — ширина главного лепестка по уровню половинной мощ-

22

ности. Величина А* характеризует уровень первого бокового ле­ пестка. Соответственно в (1.47)

рение метеорологических образований, расположенных достаточно высоко над поверхностью Земли — на высоте более

Нетрудно показать, что

оо оо

23

ный профиль действительной отражаемости в облаке-г (л:) зада­ дим функцией следующего вида (рис. 1.1):

Анализ значений г (ft) реальных облаков, полученных в раз­ личных экспериментах [54, 62], показывает, что подавляющее большинство облаков имеет сравнительно плоскую вершину и убывание отражаемости вблизи верхней границы близко к гаус-

X

Рис. 1.1. Действительный z( x) и усреднен­ ный М РЛ Zo{x) профили отражаемости в облаке.

сову (а не к линейному и не экспоненциальному), что и было уч­ тено при выборе аппроксимации (1.52).

Подставляя (1.47) и (1.52) в (1.51), получаем следующее вы­ ражение для 2эф, гл:

24

при больших

Очевидно, что усредненный М РЛ профиль 2эф(л:) отличается от истинного большей сглаженностью и расплывчатостью границы облака (см. рис. 1.1). При этом искажение формы профиля, обус­

как больше лггр(л:^ на рис. 1.1), так и меньше xrp(x® на рис. 1.1).

Знак ошибки радиолокационного измерения границы облака А х = = Х р — Хгр зависит от того, какой из эффектов превалирует; влия­ ние конечной ширины луча, приводящее к систематическому за ­ вышению дгр, или влияние уменьшения чувствительности радиоло­ катора на больших расстояниях, приводящее к занижению % по сравнению с истинной границей дггр. В общем случае величина х

25

принимались равными 13' и 44'. Для определения области измеления параметров облаков Zmax и р был произведен анализ дан­

полняется при 00= 13' практически на всех расстояниях вплоть до

ным образом параметром р . С увеличением р алгебраическая ве­ личина Ах уменьшается. Поскольку, как было указано выше, па­

2тах и Пм ВЛИЯЮТ на Ах В горзздо меньшей степени. С увеличе­ нием Zmax И Пм величина Ах растет.

Оценим влияние бокового лепестка. Аналитические расчеты здесь провести практически невозможно, так как гэф. бок сущест­

26

венным образом зависит от формы облака и распределения отра­ жаемости в нем. Кроме того, на достаточно больших расстояниях необходимо учитывать отражения от Земли по боковому лепестку. На основе грубых допущений можно дать лишь верхнюю оценку гаф. бок. Действительно, можно условно считать, что влияние вклада бокового лепестка на точность измерения верхней границы об-

Рис. 1.3. Зависимости ошибки А х от расстояния R для различных значе­ ний р, lg Za max И Пм^.

лака максимально при взаимном расположении границы облака и сечения диаграммы направленности, указанном на рис. 1.4. В этом положении главный лепесток дает уже пренебрежимо малый вклад в отраженный радиолокационный сигнал.

Рис. 1.4. Иллюстрация оценки влия­ ния бокового лепестка на измерение

А х.

27

Следовательно, влияние бокового лепестка можно не учитывать, если

— 25 дБ относительно максимума в главном лепестке величина А *

100 км.

Проведенный анализ показывает, что определение ошибок из­ мерения высоты облаков с помощью М РЛ лучше всего проводить

ных радиусов их обнаружения. В частности, для М РЛ-2 средние вероятные ошибки определения верхних границ кучево-дождевых

в три раза. Повторяемость ошибок будет также зависеть от повто­ ряемости микро- и макроструктуры облачности в районе наблю­ дений.

Целесообразность той или иной методики измерения Н прове­ ряется на практике. Как известно [23], в радиусе 50 км Я опреде­ ляется с помощью ИДВ М РЛ, в радиусе 40—200 км — с помощью ИКО. В качестве критерия надежности измерений _Я можно ис­

50-километровом интервале; К = 2, 3, 4 соответствуют измерениям на ИКО от 50 до 200 км) изменялось от О до 3 % для всех четы­ рех интервалов дальности.

слабо сказывается на среднем значении распределения высоты и отражаемости гроз.

воречие между эффектом конечной ширины диаграммы направ­

от повторяемости интенсивных осадков в месте размещения М РЛ.

2 8

Таблица 1.8

Отношение H k I H so оказалось хорошим показателем оценки работо­

1.4. Классификация облаков и осадков по их радиолокационным характеристикам и ее связь с данными наземных визуальных наблюдений

Сравнение большого количества фотограмм радиоэха ИДВ с данными метеорологических наблюдений за формами облаков позволило определить форму радиоэха, соответствующую жаждой форме облаков. Представленные на рис. 1.5 и 1.6 картины радио­ эха являются наиболее типичными для каждой указанной формы

в виде сплошной полосы, которая по мере увеличения расстояния может приобретать ячеистую структуру. Облака слоистые (St), Еысоко-слоистые (As) и перистые С1 также имеют радиоэхо в виде сплошной полосы. Слоисто-дождевым облакам соответст­ вует радиоэхо в виде сплошной области, а кучево-дождевым (СЬ) и мощным кучевым (Си cong.) облакам — в виде вертикально вы­ тянутых «столбов».

Из вышесказанного следует, что картины радиоэха различных облаков не всегда являются отличительным признаком их формы; очевидно, необходимы геометрические характеристики. Ими мо­ гут служить высота верхней и нижней границы радиоэха или его вертикальная мощность. Высота нижней кромки радиоэха не всегда соответствует визуально определяемой нижней границе об­ лаков из-за выпадения из облаков отдельных крупных частиц [15, 28, 50, 51], что часто приводит к занижению нижней границы облаков по сравнению с визуальной или к невозможности изме­ рить высоту нижней границы облаков радиолокационным способом.

29

Земли, а в случае облаков среднего и верхнего ярусов — до верх­ ней границы нижележащего слоя [127].

Экспериментальная оценка возможности измерения нижней границы облаков нижнего, среднего и верхнего ярусов составила

0,3; 0,8 и 0,9 соответственно [ПО, 112].

Рис. 1.5. Типичные картины радиоэха конвективных облаков в летний период (вверху) и в зимний период (внизу).

Для двух наиболее трудно распознаваемых форм облаков — Ns и СЬ — ни одна из характеристик геометрических размеров ра­ диоэха не является однозначным признаком для определения формы облаков, так как функции их распределения взаимно пе­ ресекаются. Для пяти вышеуказанных классов облаков в летний и зимний периоды были получены вертикальные профили отра­ жаемости 2 (Я) и статистические ряды измерения Ig z в четырех слоях; О—2, 2—4, 4— 6 и 6— 8 км. Численные характеристики этих параметров lg 2af и Oigai представлены в табл. 1.9. .

Специфика микроструктуры облаков зимой приводит к тому, что их отражаемость в это время на 2—3 порядка меньше по сравнению с отражаемостью облаков в летний период [112, 114].|

30