Radarreflektivitet

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 18. januar 2021; verifikation kræver 1 redigering .

Radarreflektivitet er en parameter, der bruges i problemer med radarmeteorologi til at beskrive de reflekterende egenskaber af en enhedsvolumen af et medium, der indeholder en vis mængde hydrometeorer . I en række videnskabelige publikationer optræder radarreflektivitet under begrebet "målreflektivitet" eller "reflektionsmultiplikator" [1] .

Fra et mikrofysisk synspunkt kan vi i en god tilnærmelse antage, at radarreflektiviteten er bestemt af det komplekse brydningsindeks for reflekterende partikler, deres størrelsesfordeling og koncentration i en enhedsvolumen af atmosfærisk luft [2] [3] . Det er kendt, at under radarsounding af atmosfærisk nedbør (skyer), afhænger reflektiviteten af det modtagne radarsignal af intensiteten af disse nedbør ( vandindholdet i det overskyede miljø) [4] , men talrige eksperimentelle undersøgelser indikerer også, at sammenhængen mellem den målte reflektivitet og den observerede intensitet af nedbør kan variere meget i afhængigt af typen af luftmasser og orografi af observationsområdet [5] .

Definition og beskrivelse

Traditionelt er radarreflektivitet angivet med symbolet , målt i mm 6 /m 3 og udtrykt ved den grundlæggende vejrradarligning i form af udstrålet effekt og afstand til målet i følgende form [6] : $Z$ ${\displaystyle P_{r))$ $r$

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

hvor er radarkonstanten for det aktive radarsystem. Som regel bruges dette udtryk til evaluering i forskellige anvendelser af meteorologisk radar [7] . ${\displaystyle C_{r))$ $Z$

I Rayleigh-spredningstilnærmelsen , dvs. når spredningspartiklerne er meget mindre end bølgelængden af den indfaldende stråling, og deres form er tæt på sfærisk , antager radarreflektiviteten følgende form [8] [9] :

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

hvor er volumenet af det atmosfæriske miljø oplyst af radarstrålen, er diameteren af spredeobjekter i luften. $V$ $D$

I dette udtryk fortolkes det som gennemsnitssummen af alle partikeldiametre i en enhedsvolumen, som er hævet til sjette potens [9] . For nemheds skyld omskrives denne formel nogle gange som følgende integral af den kontinuerlige funktion af fordelingstætheden af dråber pr. volumenenhed [1] : $Z$

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

hvor er diameteren af spredningspartikler i atmosfæren og er partikelstørrelsesfordelingen. $D$ $N(D)$

Det er klart, at udtrykket for radarreflektivitet er ekstremt følsomt over for diameteren af reflekterende vanddråber eller iskrystaller, da denne værdi kommer ind i udtrykket for til sjette potens. Som et resultat fører en 2-fold stigning i dråbestørrelsen til en stigning i den modtagne signaleffekt med en faktor på 64 eller en otte gange stigning i detektionsområdet. Det samlede antal dråber i en enhedsvolumen kan ikke have en så stærk effekt på det resulterende inputsignal som størrelsen af de største af dem, men små dråber bør ikke negligeres, fordi deres koncentration kan overstige koncentrationen af store med syv eller otte størrelsesordener [10] . En anden konsekvens af denne regelmæssighed er, at doppler-sounding af blandede skyer giver den mest fuldstændige information om isfasen, da iskrystaller i blandede skyer er meget større end vanddråber der findes der. Derfor viser den vandige fases bidrag til radarreflektiviteten at være ubetydelig sammenlignet med iskrystallers bidrag [11] . $Z$ $Z$

Radarreflektivitet er relateret til meteomålets effektive spredningsområde (pr. volumenenhed) som følger: $Z$ $\eta$

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

hvor er bølgelængden af den indfaldende stråling, , a er det komplekse brydningsindeks for spredningsobjektet. Der er ingen grundlæggende forskel mellem radarreflektiviteten af et meteorologisk mål og dets effektive spredningsoverflade , men det skete historisk, at meteorologer foretrækker det første frem for det andet [8] . En af årsagerne til denne situation er fraværet i definitionen af en eksplicit afhængighed af bølgelængden, hvilket ikke kan undgås i udtrykket for [9] . $\lambda$ $K={\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2))$ $m$ $Z$ $\eta$ $Z$ $\eta$

Hvis Rayleigh-tilnærmelsen ikke er anvendelig, introduceres konceptet med ækvivalent meteorologisk målreflektivitet på grundlag af det effektive spredningstværsnit , som har følgende form [12] : $\eta$ $Z_{e}$

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

Da værdierne af radarreflektivitet kan variere over et bredt område, blev en logaritmisk skala i dBZ [8] indført til måling : $Z$

dBZ=10lgZ

Radarreflektivitetsværdier, udtrykt i forskellige måleenheder, er relateret til hinanden som følger [9] :

Z

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

Z

Z

Tilstedeværelsen af nedbør i den atmosfæriske luft viser sig i form af ændringer i radarreflektiviteten fra 0 i klare vejrforhold til 60 dBZ i områder med kraftig regn eller hagl [8] . Baseret på behandlingen af store mængder eksperimentelle data er nedbørsintensiteten relateret til signalets radarreflektivitet gennem praktiske parametreringer af følgende form: $Z$

Z=AS^{B}

hvor er radarreflektiviteten, udtrykt i mm 6 /m 3 , er intensiteten af nedbør, udtrykt i mm/h, a og er empiriske koefficienter. En sammenligning af de opnåede regelmæssigheder viser, at deres form i det væsentlige afhænger af valget af forsøgsmateriale. En analyse af udtrykkene for radarreflektivitet viser, at rækkevidden af usikkerhed ved estimering af nedbørsintensiteten baseret på radardata kan nå tre gange [13] . $Z$ $S$ $EN$ $B$

Noter

↑ 1 2 Skolnik, 2014 , Meteorologisk målradarligning, s. 944.
↑ Retningslinjer, 2013 , s. atten.
↑ Retningslinjer, 2019 , s. 26.
↑ Shchukin, Bulkin, Pervushin, 2017 , Principles of meteorological radar, s. 132.
↑ Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Radarfarekriterier, s. 134.
↑ Rauber, Nesbitt, 2018 , Vejrradarligningen, s. 98.
↑ Zhukov, Schukin, 2016 , s. 931.
↑ 1 2 3 4 Doviak, Znich, 1988 , Radarreflektivitet, s. 81.
↑ 1 2 3 4 Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Radarligning for atmosfæriske formationer, s. 5.
↑ Stepanenko, 1966 , Spredning af radiobølger med sfæriske vandpartikler, deres dielektriske konstant, s. 74.
↑ Matrosov, Korolev, Heymsfield, 2002 , s. 1004.
↑ Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Radarligning for atmosfæriske formationer, s. 6.
↑ Matrosov, Campbell, Kingsmill, Sukovich, 2009 , s. 2329.

Kilder

G. B. Brylev, S. B. Gashina, G. L. Nizdoiminoga. Radarkarakteristika for skyer og nedbør. - L . : Gidrometeoizdat, 1986. - UDC 551.501.8:551.509 .
R. Doviak, D. Znich. Doppler-radarer og meteorologiske observationer. - L . : Gidrometeoizdat, 1988. - UDC 551.501.81 . - ISBN 5-286-00063-0 .
V. Yu. Zhukov, G. G. Schukin. Moderne problemer med meteorologisk radar // Radioteknik og elektronik . - 2016. - T. 61, nr. 10. - S. 927-939. - UDC 551.501.815.003.121 .
V. D. Stepanenko. Radar i meteorologi: (Radiometeorologi). - L. : Hydrometeorological Publishing House, 1966. - UDC 551.5:621.396.96 .
G.G. Schukin, V.V. Bulkin, R.V. Pervushin. Anvendelse af aktive radarsystemer til overvågning af farlige meteorologiske fænomener. — Problemer med fjernmåling, udbredelse og diffraktion af radiobølger. - Murom: MI VlGU, 2017. - 155 s. - BBK 32.841 + 26.2 . - UDC 621,37 + 537,86 . — ISSN 2304-0254 .
Retningslinjer for produktion af meteorologiske radarobservationer på DMRL-S på Roshydromet-nettet. - Sankt Petersborg. : Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring , 2013.
Retningslinjer for brug af information fra Doppler meteorologisk radar DMRL-S i synoptisk praksis. - 3. - M. : Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring, 2019.
Håndbog i radar: Bog 2 / M. I. Skolnik. - M. : Technosfera, 2014. - 680 s. - LBC 32,95 . - UDC 621.396.86 . — ISBN 978-5-94836-381-3 .
S.Y. Matrosov, A.V. Korolev og A.J. Heymsfield. Profilering af sky-ismasse og partikelkarakteristisk størrelse fra Doppler-radarmålinger : [ eng. ] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2002. - Bd. 19, nr. 7. - S. 1003-1018. - doi : 10.1175/1520-0426(2002)019<2108:C>2.0.CO;2 .
S.Y. Matrosov, C. Campbell, D. Kingsmill og E. Sukovich. Vurdering af snefaldsrater fra X-Band Radar Reflektivitetsmålinger : [ eng. ] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2009. - Bd. 26, nr. 11. - P. 2324-2339. doi : 10.1175 / 2009JTECHA1238.1 .
RM Rauber, SW Nesbitt. Radar Meteorologi: Et første kursus ] . - Wiley Blackwell, 2018. - ISBN 9781118432631 .