2.4.1. Радиолокационные измерители интенсивности атмосферных осадков

Атмосферные осадки являются одним из определяющих метеоро­логических элементов, информация о которых является важным как с точки зрения анализа и прогноза погоды, так и для обеспечения деятельности различных областей народного хозяйства, причем тре­бования, предъявляемые к точности и пространственно-временному разрешению этой информации, весьма разнообразны.

В то же время используемые в настоящее время на сети Гидро­метеослужбы методы и средства измерения осадков ограничены по своим возможностям и не всегда удовлетворяют требованиям потреби­телей к количеству и качеству информации.

В последние годы были достигнуты заметные успехи в измерении интенсивности и количества жидких осадков радиолокационными методами, характеризующимися серьезными преимуществами по сравнению с наземной сетью: дистанционность измерений, опера­тивность, охват больших площадей и т.д.

Известно несколько методов измерения количества выпадающих осадков радиолокационными средствами. Наиболее распространен­ный из них основан на взаимодействии мощности отраженного от метеообразований сигнала и интенсивности осадков. При этом обыч­но используется связь радиолокационной отражаемости Z, которая представляет собой момент шестого порядки распределения частиц осадков по размерам

с интенсивностью осадков I в виде

где А, В - коэффициенты, значения которых зависят от параметров микроструктуры метеобразований; d - диаметр частиц. Значение Z выражается в мм ⁶/м ³, а I - мм/ч. Однако данный метод не обеспечивает заданной точности изме­рений, что обусловлено изменчивостью коэффициентов, и от­сутствием информации, позволяющей корректировать эти коэффи­циенты.

Для измерения интенсивности дождя может быть использован радиолокационный метод , который основан на использовании линейной и круговой поляризации.

Капли дождя имеют форму, отличную от сферической, причем, чем больше размер капли, тем больше отличие ее формы от сферы. При этом отношение мощности связано с фактором формы следую­щим соотношением

где m = - отношение средних мощностей при круговой и линей­ной поляризациях; g - фактор формы частиц.

Если все капли имеют одинаковый размер, то измерив и Z. мож­но рассчитать интенсивность дождя по следующей формуле

I =

Для измерения интенсивности твердых атмосферных осадков осу­ществляется измерение средней мощности отраженного метеобъектом сигнала Р₂ пропорциональной радиолокационной отражаемос­ти

= ,

где С - константа, зависящая от параметров РЛС; R - расстояние до исследуемой зоны осадков: К = (m² –1)/(m² +1) - комплексный пока­затель преломления.

В области мощных восходящих потоков кучево-дождевых обла­ков образуется град. Градовые облака значительно распространяют­ся по высоте (8-15 км), их поперечные размеры достигают иногда нескольких десятков километров. Градообразование происходят в некоторой локальной зоне облака, называемой «градовым очагом». Градовый очаг может образовываться в различных частях облака, но в большинстве случаев он бывает смещен в правую сторону относи­тельно направления перемещения облака.

Проблеме борьбы с градовыми процессами в последние годы во всем мире уделяется все больше внимания как в научном, так и в оперативном плане. Интерес к проблеме борьбы с градовыми процес­сами, в первую очередь, обусловлен большими размерами материаль­ного ущерба, наносимого градобитиями посевам, садам, зеленым на­саждениям, животным и постройкам. С другой стороны, мощным стимулом развития этих работ в международном плане являются ус­пехи крупномасштабных работ по борьбе с градом, проводимых в течение почти двух десятилетий в России, а также в ряде других стран.

Современная методика воздействия на градовые процессы для предотвращения градобитии базируется на внесении кристаллизирующих реагентов с помощью специальных артиллерий­ских снарядов и ракет в локальную зону кучево-дождевых облаков, где происходят начальные стадии процесса градообразования: зарож­дение града и формирование условий для зарождения града. Внесе­ние реагента в ту часть облака, где град уже образовался, неэффек­тивно и ведет к излишним затратам средств воздействия (снарядов, ракет).

Схема обстрела облаков (т.е. место, время и интенсивность об­стрела) устанавливается в зависимости от масштаба и динамики процесса градообразования, стадии развития облаков, направления и скорости их перемещения. Успешность воздействия вследствие быстротечности процесса зарождения и роста града в кучево-дожде­вых облаках определяется оперативностью и точностью внесения ре­агента в локальную зону облака, определяемую с помощью метеоро­логического радиолокатора.

Для этого радиолокационные методы и аппаратура обслуживания грозозащиты должны обеспечить:

- оперативное выделение градоносных и потенциально градоопасных облаков на общем фоне кучево-дождевой облачности;

- определение пространственного положения зон выпадения гра­да, его роста и формирование условий для зарождения града;

- вычисление координат для внесения реагентов;

- оперативный физический контроль эффективности воздействия. В настоящее время существует несколько методов обнаружения града в облаках.

1. Вероятностно-статистический метод. Первые попытки обна­ружения града в облаках проводились по данным о структуре радио­локационных отражений от облаков, их высоты, распределению по высоте и максимальному значению радиоэха. Вероятностно-статистический метод основан на измерении максимальной радио­локационной отражаемости, температуры на уровне верхней грани­цы радиоэха и температуры на вершине зоны повышенной отражае­мости. По значениям этих параметров рассчитывается вероятность выделения града из облаков.

2. Поляризационный метод. Отличие формы градин и капель от сферической приводит к изменению плоскости поляризации (деполяризации) рассеянного радиолокационного излучения. Причем степень деполяризации тем больше, чем больше отличие форм час­тиц от сферической. Этот эффект положен в основу поляризационно­го метода обнаружения града, основанного на измерении деполяризационного отношения и радиолокационной отражаемости с помо­щью радиолокаторов с управляемой плоскостью поляризации.

3. Двухволновый метод. Интенсивность отраженного радиолока­ционного излучения зависит от размера, концентрации и диэлектри­ческих свойств гидрометеоров (капель, градин и т.д.) и длины волны радиолокатора. При увеличении размеров гидрометеоров отражае­мость увеличивается таким образом, что относительная отражаемость на двух длинах волн (например 3,2 и 10 см) при малых размерах частиц в дождях является величиной постоянной и примерно равной 100, а при появлении более крупных частиц града резко уменьшает­ся в 10 - 100 раз. Значение этого отношения не зависит от интенсив­ности осадков и может быть использовано для индикации града. Двухволновый метод обнаружения града в облаках базируется на указанных различиях в частотной зависимости рассеяния радиоволн гидрометеорами разных размеров.