Reflexivitate radar

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 18 ianuarie 2021; verificarea necesită 1 editare .

Reflexivitatea radar este un parametru care este utilizat în problemele de meteorologie radar pentru a descrie proprietățile reflectorizante ale unei unități de volum a unui mediu care conține o anumită cantitate de hidrometeori . Într-o serie de publicații științifice, reflectivitatea radar apare sub termenul „reflexivitate țintă” sau „multiplicator de reflexie” [1] .

Din punct de vedere al microfizicii, într-o bună aproximare, putem presupune că reflectivitatea radar este determinată de indicele complex de refracție al particulelor reflectorizante, de distribuția mărimii și concentrația acestora într-o unitate de volum de aer atmosferic [2] [3] . Se știe că în timpul sondării radar a precipitațiilor atmosferice (nori), reflectivitatea semnalului radar recepționat depinde de intensitatea acestor precipitații ( conținutul de apă al mediului înnorat) [4] , cu toate acestea, numeroase studii experimentale indică, de asemenea, că relația între reflectivitatea măsurată și intensitatea observată a precipitațiilor poate varia foarte mult în funcție de tipul maselor de aer și orografia zonei de observare [5] .

Definiție și descriere

În mod tradițional, reflectivitatea radarului este indicată prin simbolul , măsurată în mm 6 /m 3 și exprimată prin ecuația de bază a radarului meteorologic în termeni de putere radiată și distanță până la țintă în următoarea formă [6] : $Z$ $P_{r)$ $r$

Z=C_{r}r^{2}P_{r)

unde este constanta radar a sistemului radar activ. De regulă, această expresie este folosită pentru evaluare în diverse aplicații ale radarului meteorologic [7] . $C_{r)$ $Z$

În aproximarea împrăștierii Rayleigh , adică atunci când particulele de împrăștiere sunt mult mai mici decât lungimea de undă a radiației incidente și forma lor este apropiată de sferică , reflectivitatea radar ia următoarea formă [8] [9] :

Z={\frac {1}{V}}\sum _{i=1}^{N}{D_{i}^{6}}

unde este volumul mediului atmosferic iluminat de fasciculul radar, este diametrul obiectelor împrăștiate în aer. $V$ $D$

În această expresie, este interpretată ca suma medie a tuturor diametrelor particulelor dintr-o unitate de volum, care sunt ridicate la a șasea putere [9] . Din motive de comoditate, această formulă este uneori rescrisă ca următoarea integrală a funcției continue a densității de distribuție a picăturilor pe unitatea de volum [1] : $Z$

Z=\int _{0}^{Dmax}N(D)D^{6}\mathrm {d} D

unde este diametrul particulelor care se împrăștie în atmosferă și este distribuția mărimii particulelor. $D$ $N(D)$

Evident, expresia reflectivității radar este extrem de sensibilă la diametrul picăturilor de apă reflectorizante sau al cristalelor de gheață, deoarece această valoare intră în expresia pentru a șasea putere. Ca rezultat, o creștere de 2 ori a dimensiunii picăturilor duce la o creștere a puterii semnalului recepționat cu un factor de 64 sau o creștere de opt ori a domeniului de detectare. Numărul total de picături dintr-o unitate de volum nu poate avea un efect atât de puternic asupra semnalului de intrare rezultat ca mărimea celui mai mare dintre ele, totuși, picăturile mici nu trebuie neglijate deoarece concentrația lor poate depăși concentrația celor mari cu șapte sau opt ordine de mărime [10] . O altă consecință a acestei regularități este faptul că sondarea Doppler a norilor amestecați oferă cele mai complete informații despre faza de gheață, deoarece cristalele de gheață din norii mixți sunt mult mai mari decât picăturile de apă prezente acolo. Prin urmare, contribuția fazei apoase la reflectivitatea radar se dovedește a fi neglijabilă în comparație cu contribuția cristalelor de gheață [11] . $Z$ $Z$

Reflexivitatea radarului este legată de aria de împrăștiere efectivă a meteoțintei (pe unitate de volum), după cum urmează: $Z$ $\eta$

\eta ={\frac {\pi ^{5}}{\lambda ^{4}}}\left|K\right|^{2}Z

unde este lungimea de undă a radiației incidente, , a este indicele complex de refracție al obiectului care se împrăștie. Nu există o diferență fundamentală între reflectivitatea radar a unei ținte meteorologice și suprafața sa de împrăștiere efectivă , dar s-a întâmplat din punct de vedere istoric că meteorologii preferă primul celui de-al doilea [8] . Unul dintre motivele acestei stări de fapt este absența în definiție a unei dependențe explicite de lungimea de undă, care nu poate fi evitată în expresia pentru [9] . $\lambda$ $K={\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2)}$ $m$ $Z$ $\eta$ $Z$ $\eta$

Dacă aproximarea Rayleigh nu este aplicabilă, atunci pe baza secțiunii transversale efective de împrăștiere se introduce conceptul de reflectivitate echivalentă a țintei meteorologice , care are următoarea formă [12] : $\eta$ $Z_{e}$

Z_{e}={\frac {\lambda ^{4}\eta }{\pi ^{5}\left|K\right|^{2)})

Deoarece valorile reflectivității radar pot varia într-o gamă largă, pentru măsurare a fost introdusă o scară logaritmică în dBZ [8] : $Z$

dBZ=10lgZ

Valorile reflectivității radar, exprimate în diferite unități de măsură, sunt legate între ele după cum urmează [9] :

Z

(mm 6 / m 3 ) \u003d 10 18 (m 3 ) \u003d 10 12 (cm 3 )

Z

Z

Prezența precipitațiilor în aerul atmosferic se manifestă sub forma unor modificări ale reflectivității radar de la 0 în condiții de vreme senină la 60 dBZ în zonele cu ploaie abundentă sau grindină [8] . Pe baza prelucrării unor volume mari de date experimentale, intensitatea precipitațiilor este legată de reflectivitatea radar a semnalului prin parametrizări convenabile de următoarea formă: $Z$

Z=AS^{B}

unde este reflectivitatea radar, exprimată în mm 6 /m 3 , este intensitatea precipitațiilor, exprimată în mm/h, a și sunt coeficienți empirici. O comparație a regularităților obținute indică faptul că forma lor depinde în principal de alegerea materialului experimental. O analiză a expresiilor pentru reflectivitatea radar arată că intervalul de incertitudine în estimarea intensității precipitațiilor pe baza datelor radar poate ajunge de trei ori [13] . $Z$ $S$ $A$ $B$

Note

↑ 1 2 Skolnik, 2014 , Ecuația radarului țintei meteorologice, p. 944.
↑ Ghid, 2013 , p. optsprezece.
↑ Ghid, 2019 , p. 26.
↑ Shchukin, Bulkin, Pervushin, 2017 , Principiile radarului meteorologic, p. 132.
↑ Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Criteriile de hazard radar, p. 134.
↑ Rauber, Nesbitt, 2018 , Ecuația radarului meteo, p. 98.
↑ Jukov, Schukin, 2016 , p. 931.
↑ 1 2 3 4 Doviak, Znich, 1988 , Reflexivitate radar, p. 81.
↑ 1 2 3 4 Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Ecuația radar pentru formațiuni atmosferice, p. 5.
↑ Stepanenko, 1966 , Scattering of radio waves by spherical water particules, their dielectric constant, p. 74.
↑ Matrosov, Korolev, Heymsfield, 2002 , p. 1004.
↑ Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Ecuația radar pentru formațiuni atmosferice, p. 6.
↑ Matrosov, Campbell, Kingsmill, Sukovich, 2009 , p. 2329.

Surse

G. B. Brylev, S. B. Gashina, G. L. Nizdoiminoga. Caracteristicile radar ale norilor și precipitațiilor. - L . : Gidrometeoizdat, 1986. - UDC 551.501.8:551.509 .
R. Doviak, D. Znich. Radar Doppler și observații meteorologice. - L . : Gidrometeoizdat, 1988. - UDC 551.501.81 . - ISBN 5-286-00063-0 .
V. Yu. Jukov, G. G. Schukin. Probleme moderne ale radarului meteorologic // Inginerie radio și electronică . - 2016. - T. 61, nr. 10. - S. 927-939. - UDC 551.501.815.003.121 .
V. D. Stepanenko. Radar în meteorologie: (Radiometeorology). - L . : Editura Hidrometeorologică, 1966. - UDC 551.5:621.396.96 .
G. G. Schukin, V. V. Bulkin, R. V. Pervushin. Aplicarea sistemelor radar active în monitorizarea fenomenelor meteorologice periculoase. — Probleme de teledetecție, propagare și difracție a undelor radio. - Murom: MI VlGU, 2017. - 155 p. - BBK 32.841 + 26,2 . - UDC 621,37 + 537,86 . — ISSN 2304-0254 .
Orientări pentru producerea de observații meteorologice radar pe DMRL-S pe rețeaua Roshydromet. - Sankt Petersburg. : Serviciul Federal pentru Hidrometeorologie și Monitorizarea Mediului , 2013.
Orientări pentru utilizarea informațiilor de la radarul meteorologic Doppler DMRL-S în practica sinoptică. - al 3-lea. - M. : Serviciul Federal de Hidrometeorologie și Monitorizare a Mediului, 2019.
Manual de radar: Cartea 2 / M. I. Skolnik. - M. : Technosfera, 2014. - 680 p. - LBC 32,95 . - UDC 621.396.86 . — ISBN 978-5-94836-381-3 .
S.Y. Matrosov, A.V. Korolev și A.J. Heymsfield. Profilarea masei de gheață a norilor și a dimensiunii caracteristice a particulelor din măsurători radar Doppler : [ ing. ] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2002. - Vol. 19, nr. 7. - P. 1003-1018. - doi : 10.1175/1520-0426(2002)019<2108:C>2.0.CO;2 .
S.Y. Matrosov, C. Campbell, D. Kingsmill și E. Sukovich. Evaluarea ratelor de ninsoare din măsurătorile reflectivității radarului X-Band : [ ing. ] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2009. - Vol. 26, nr. 11. - P. 2324-2339. doi : 10.1175 / 2009JTECHA1238.1 .
RM Rauber, SW Nesbitt. Meteorologie radar: un prim curs ] . - Wiley Blackwell, 2018. - ISBN 9781118432631 .