Радиолокационная метеорологическая информация

Размещено на http://allbest.ru

21

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ульяновский институт гражданской авиации им. Главного маршала авиации Б.П. Бугаева»

Факультет: Факультет лётной эксплуатации и управления воздушным движением

Кафедра: Управления воздушным движением и навигации

Реферат

по учебной дисциплине «Авиационная метеорология»

Тема: «Радиолокационная метеорологическая информация»

Выполнил:

курсант Макарян Л.

Проверил:

Ульяновск 2016

Содержание

Введение

1. Общие сведения о метеорологических радиолокаторах

2. Радиолокационная метеорологическая информация

3. Радиолокационная метеорология и перспективы ее развития

Заключение

Список литературы

Введение

Различные показатели (характеристики) погоды, получаемые с помощью непосредственных наблюдений или измерений, принято называть метеорологической информацией. Метеорологическая информация может быть первичной -- сведения о погоде в целом или об отдельных метеорологических величинах (явлениях) у поверхности Земли и на высотах как результат одновременных измерений (наблюдений) и вторичной -- сводки метеорологических наблюдений, синоптические карты, аэрологические диаграммы, вертикальные разрезы атмосферы и т. п. Информация может быть регулярной -- поступает систематически в установленные сроки и нерегулярной -- поступает эпизодически.

Основными источниками метеорологической информации являются:

-- наземная сеть метеорологических и аэрологических станций (федеральная, ведомственная);

-- сеть станций, включенная в международный обмен, т. е. международная синоптическая сеть;

-- сеть автоматических станций;

-- сеть специальных радиолокационных метеорологических станций и радиотехнических средств, привлекаемых к получению метеорологической информации;

-- метеорологические космические системы (МКС);

-- системы уравновешенных шаров-зондов.

Радиолокационная метеорологическая информация дополняет информацию наземных станций данными об облачности, ливнях и грозах, их местоположении, интенсивности, направлении и скорости перемещения.

Рассмотрим подробнее информацию о метеоусловиях, получаемую с радиолокаторов.

1. Общие сведения о метеорологических радиолокаторах

Метеорологические радиолокаторы сегодня являются уникальным средством метеорологических наблюдений, которое может обеспечить в режиме реального времени точную информацию о местоположении и характере перемещения зон интенсивных осадков, гроз, града на больших территориях. Современный локатор производит циклические наблюдения с периодичностью от 3 до 15 минут в круглосуточном автоматизированном режиме, предоставляя данные с высоким пространственным разрешением (1 км) на площади до 200 тыс.км2 (радиус зоны радиолокационного обзора - 250км).

Радиолокационная информация хорошо дополняет данные метеорологических спутников, которые используют для зондирования атмосферы пассивные методы (радиометры), дающие существенно иную выходную метеорологическую информацию. Радиолокационные средства космического зондирования в настоящее время проходят этап научных исследований и пока далеки от внедрения в метеорологическую практику.

Первые метеорологические наблюдения с помощью радиолокаторов были проведены в годы Второй мировой войны. В послевоенный период были заложены теоретические основы метеорологических наблюдений, связавшие измерения параметров радиоэха с характеристиками гидрометеоров. Первые метеорологические радиолокаторы, предназначенные для оперативных наблюдений на сети, были однопараметрическими и проводили измерения только одного параметра облаков и осадков - радиолокационной отражаемости Z. Тем не менее, даже измерение только одного параметра дало специалистам-метеорологам мощный инструмент наблюдений: появилась возможность оценивать местоположение и внутреннюю структуру зон мощной облачности и осадков, их высоту, тенденцию развития, на его основе был развит р/л метод измерения осадков, в СССР большое развитие получил метод идентификации гроз на основе анализа вертикальной структуры поля р/л отражаемости. Были отработаны р/л алгоритмы идентификации града и проведена отработка методики противоградовых работ. В этот период в МРЛ использовались аналоговые приемные устройства, наблюдения проводились ручным способом, а для отображения информации использовались индикаторы кругового обзора на лучевых трубках. К данному поколению радиолокаторов относились советские метеорологические радиолокаторы МРЛ-1, МРЛ-2. Необходимо отметить, что первый из них был первым двухволновым радиолокатором, хотя миллиметровый канал достаточно быстро обнаружил свою низкую эффективность. метеорологический противоградовый радиолокатор

Следующий шаг в технике радиолокации был сделан в направлении использования доплеровских методов радиолокационных метеонаблюдений. К измерениям р/л отражаемости Z добавились - радиальная доплеровская скорость V и ширина доплеровского спектра. На основе использования этих трех измеряемых на ДМРЛ параметров в США большое развитие получили методы идентификации таких опасных явлений погоды, связанных с ветром, как смерчи и торнадо. К сожалению, в СССР в этом направлении проводились только исследовательские работы, серийный оперативный доплеровский радиолокатор разработан не был. В результате внедрения в практику радиометеорологических наблюдений доплеровской обработки были получены следующие достижения:

· разработаны методы идентификации смерчей и торнадо («сигнатуры торнадо» на картах радиальной скорости) и разработаны методы прогноза их перемещения,

· использование доплеровской фильтрации для исключения отражений от местных предметов,

· разработаны методы идентификации опасных сдвигов ветра и турбулентности в тропосфере,

В 70-е годы в нашей стране был разработан радиолокатор МРЛ-5, ставший единственным в мире серийным двухволновым радиолокатором (длина волны 3- и 10-см), который широко использовался не только для штормооповещения, но и в исследования измерения осадков двухволновым методом, и в работах по градозащите при проведении АВ с использованием двухволнового метода обнаружения града.

В конце 70-х годов прошлого века для управления радиолокатором и обработки полученной информации стали использоваться ЭВМ, р/л наблюдения стали автоматизированными. К Олимпиаде-80 в московском регионе была запущена первая отечественная радиолокационная сеть из трех радиолокаторов МРЛ-5 (Долгопрудный, Калуга, Рязань) под управлением ЭВМ семейства СМ. Объединение информации трех радиолокаторов производилось на печатающем устройстве, а информация передавалась в Гидрометцентр СССР. В 1985 г. в Москве были проведены испытания первого комплекса АКСОПРИ, на основе которого была создана радиолокационная сеть «Московское кольцо», до настоящего времени обеспечивающая оперативные наблюдения в московском регионе.

Потребителями метеорологической радиолокационной информации, в первую очередь - карт метеоявлений, ВГО, интенсивности и накопленных осадков, являются оперативные службы Росгидромета, авиационные метеорологи и службы УВД, коммунального и транспортного управления и др. Позже были разработаны другие отечественные автоматизированные системы радиолокационных метеонаблюдений - «Метеоячейка», «АСУ-МРЛ», «Мерком», «Антиград».

После внедрения автоматизации радиолокационных метеорологических наблюдений и перехода на использование в конструкции ДМРЛ твердотельных модуляторов, цифровых приемников и когерентной обработки сигналов следующим значительным шагом стало внедрение поляризационных методов.

Объединение метеорологических радиолокаторов в сеть позволяет во многих случаях компенсировать ограничения радиолокационного метода метеонаблюдений: ослабление радиоизлучения в осадках, блокировка радиоизлучения естественными (рельеф, растительность) и искусственными (здания и сооружения) препятствиями в отдельных секторах, азимутальные направления с помехами, снижение разрешающей способности радиолокатора за счет расширения луча и увеличение высоты луча за счет кривизны Земли на больших дальностях (см.разд.8).

Сегодня метеорологические радиолокационные сети созданы во всех развитых странах: в США сеть NEXRAD объединяет 156 доплеровских поляризационных радиолокаторов S-диапазона WSR-88D, в Европе в рамках международного проекта OPERA объединяются около 180 радиолокаторов различных производителей, работающих по разным программам наблюдений. Часть из них является доплеровскими и поляризационными. В Китае, Японии, Австралии радиолокаторы также объединены в национальные сети. Как правило, для объединения радиолокационной информации используются первичные данные наблюдений.

Основной выходной информацией радиолокационных метеорологических наблюдений является информация о местоположении, внутренней структуре, метеорологических характеристиках (тип метеоявления, интенсивность и фаза выпадающих осадков, ВГО, доплеровской скорости) полей облачности и осадков, а также наблюдения их перемещений и эволюции, дающая возможность сверхраткосрочного (до 1-3 часов) прогноза погоды.

Современные метеорологические радиолокаторы решают следующие актуальные практически важные задачи:

· проведение идентификации метеоявлений, связанных с облачностью и осадками, информационное обеспечение сверхкраткосрочного прогноза погоды,

· измерение характеристик осадков радиолокационным способом и использование этих данных в гидрологических расчетах и прогнозах,

· обеспечение р/л информацией численных моделей прогноза погоды для их инициализации и верификации.

Традиционно, в радиометеорологии используются три частотных диапазона длин волн: X (3,2 см), C (5,3 см) и S (10 см). Диапазон S используется в условиях интенсивных осадков, т.к. он наименее подвержен ослаблению в осадках, однако, для обеспечения ширины луча 1° приходится использовать антенны диаметром 9 м. Диапазон X почти не используется для оперативных наблюдениях, так как испытывает сильное (примерно в 100 раз по сравнению с S-диапазоном) затухание в осадках, но позволяет использовать относительно малые антенны - 2 м для формирования луча шириной 1°.

В нашей стране диапазон 3,2 см традиционно широко использовался в метеорадиолокаторах серии МРЛ. В МРЛ-5 с антенной диаметром 4,5 м использование для зондирования излучения X-диапазона обеспечивает ширину луча 0,5° что особенно эффективно в зимних условиях с низкой облачностью.

Частотный диапазон С (длина волны 5,3 см) является разумным компромиссом в радиометеорологии между размерами антенны и ослаблением в осадках. В радиолокаторе ДМРЛ-С антенна диаметром 4,3 м обеспечивает ширину луча 0,95°.

Дальность радиолокационных наблюдений сегодня определяется не столько возможностями техники (метеопотенциалы однотипных радиолокаторов различных производителей примерно равны), сколько решаемыми задачами и естественными ограничениями. Радиолокационный луч, выпущенный под нулевым углом места, из-за кривизны Земли на дальностях свыше 100 км отрывается от поверхности Земли на более чем 600 м. На дальностях более 250 км радиолокатор может обнаруживать только верхушки мощных облаков и использоваться для раннего штормооповещения.

Обзорные метеолокаторы (например, сеть NEXRAD в США) имеют луч шириной 1°, и проводят наблюдения на большой территории (до 460 км по дальности) в цикле наблюдений длительностью от 4,5 до 10 минут в зависимости от выбранного режима, который выбирает дежурный специалист NWS Regional Office (аналог российского ЦГМС) исходя из текущей обстановки. Обзорные метеорологические радиолокаторы в США, Индии, странах Юго-Восточной Азии проводят р/л наблюдения на океанском побережье с целью раннего обнаружения тропических циклонов.

Специализированные доплеровские радиолокаторы TDWR С-диапазона (США, Гонконг, Китай) устанавливаются в аэропортах для обнаружения опасных микропорывов и сдвигов ветра на малых высотах и имеют более узкий луч 0.5° и радиальное разрешение 150 м. Высокое пространственное разрешение (по углу) обеспечивается на дальностях до ~90 км от места установки из-за естественного уширения и подъема луча над поверхностью земли с расстоянием.

Кроме того, радиоизлучение на длине волны 5 см (С-диапазон) испытывает заметное ослабление в осадках по сравнению с 10-см диапазоном у радиолокаторов NEXRAD.

В отличие от обзорных, радиолокаторы TDWR используют более сложную модель сканирования: непрерывное круговое под низким углом места антенны, а в случае обнаружение радиоэха выше порога - быстрое секторное сканирование под 1-2 углами места для обнаружения зон порывов и сдвигов.

В передвижных метеорологических радиолокаторах, где ограничены размеры антенны (авиационных бортовых, автомобильных), для зондирования используют длину волны 3,2 см.

Таким образом, используемые в разных странах метеорологические радиолокаторы различаются не только используемой длиной волны. МРЛ производят наблюдения в разных режимах с разной длительностью циклов. Для метеорологической обработки данных наблюдений используется различное программное обеспечение, отличающееся выходными продуктами. Также отличаются выбор углов и программы сканирования облачной атмосферы.

2. Радиолокационная метеорологическая информация

При анализе и оценке метеорологической обстановки в районе полетов и для обеспечения безопасности полета экипажу ВС необходимо использовать данные радиолокационных наблюдений.

В аэропортах с помощью метеорологических радиолокаторов (МРЛ) ведутся наблюдения за обнаружением очагов гроз, ливневых осадков, града, определяется горизонтальная и вертикальная протяженность этих очагов, а также направление, скорость перемещения и их эволюция. МРЛ позволяют определить тип облачного поля, высоту облачности и оценить опасность обледенения ВС.

Для наблюдения за грозами на аэродромах могут быть использованы пеленгаторы азимута гроз (ПАГ), панорамные регистраторы гроз (ПРГ) и грозоотметчики. Эти датчики входят в состав комплексной радиотехнической автоматической метеорологической станции (КРАМС).

РЛС, используемые службой движения, позволяют обнаруживать мощные кучевые и кучево-дождевые облака, зоны с ливнями, определять их местоположение, размеры, направление и скорость перемещения, охарактеризовать интенсивность и тенденцию их развития.

Бортовые радиолокаторы позволяют практически определить те же атмосферные объекты, что и наземные РЛС.

Наблюдения с использованием МРЛ производятся:

· ежечасно, если есть полеты;

· каждые 30 минут, если в радиусе 100 км обнаружены градоопасные кучево-дождевые облака, ливневые осадки;

· раз в три часа, если нет полетов.

По данным МРЛ составляется карта-схема МРЛ, которая передается по факсимильной связи заинтересованным организациям.

На картах МРЛ в верхней части бланка указывается дата, срок наблюдения, период наблюдения (начало и конец наблюдения).

На карте вычерчиваются контуры, аналогичные изображениям на экране МРЛ. Условными обозначениями указываются зона и форма облаков, характеристика отражаемости, площади; цифрами в дроби указываются верхняя и нижняя граница облаков.

Рядом со знаком грозы и ливня ставится цифра, соответствующая интенсивности радиоэха. Направление перемещения зоны указывается стрелкой, рядом с которой цифрами указывается направление в градусах и скорость в км/ч.

На карте-схеме МРЛ для ближней 40 км зоны можно получить дополнительную информацию на вертикальном разрезе (на бланках справа). Здесь дается радиолокационная информация об облачности и других явлениях погоды по выбранным азимутам или в направлениях коридоров набора высоты и снижения в аэропортах. Здесь указывают: верхнюю и нижнюю границы радиоэха; зоны максимальной отражаемости (отмечаются штриховкой); формы облаков латинскими буквами; виды атмосферных осадков и явлений символами, а их интенсивность цифрами кода.

Если нет облаков и осадков, по МРЛ можно определить наличие пыльных бурь, стаи птиц, слои инверсии, под которыми обычно скапливается пыль, дым, капли воды.

На рисунке представлен пример предъявления метеорологической обстановки в Московской воздушной зоне руководителю полетов.

3. Радиолокационная метеорология и перспективы ее развития

В настоящее время специализированные метеорологические радиолокаторы широко применяются в различных областях метеорологии (включая авиационную), физики атмосферы, экологии, в службе штормооповещения, гидрологии. Велика ее роль и в решении проблем связанных с распространением радиоволн и радиосвязи.

Начало работ в области применения импульсной радиолокации для решения метеорологических задач относится к концу 40-х началу 50-хгодов прошлого столетия, и было тесно связанно с созданием радиолокационных станций 3-10 см диапазона длин волн, предназначенных для своевременного дистанционного обнаружения местоположения самолетов и кораблей противника на возможно больших удалениях.

Применение в метеорологии радиолокаторов работающих в пассивном режиме, принцип действия которых основан на приеме собственного теплового излучения атмосферы, относится к концу 50-х началу 60-х годов прошлого столетия.

Особую значимость для исследования облачности и осадков в метеорологии приобрела разработка методов, основанных на совместном применении активно-пассивных комплексов, в состав которых входят метеорологический радиолокатор, работающий в активном режиме, и микроволновая радиометрическая аппаратура

Создание таких комплексов было осуществлено совместно ИРЭ АН СССР и ЦАО в середине 60-х годов прошлого столетия. Отечественные и зарубежные работы по радиолокационной метеорологии базируются на большом объеме теоретических исследований и расчетов поперечников рассеяния и ослабления облачными образованиями и осадками в виде дождя и града для широкого диапазона длин волн.

Такие исследования были выполнены в Англии Райдом еще до и вовремя второй мировой войны, т.е. до 1945г. Первые теоретические работы, объясняющие физическую природу быстрых флуктуаций интенсивности рассеянного поля, так же относятся к середине 40-х годов прошлого столетия.

Эти работы послужили основой для дальнейшего развития исследований в этом направлении и заложили основы нового направления в радиолокационной метеорологии, а именно статистической радиолокационной метеорологии, включая доплеровскую радиолокационную метеорологию.

За прошедшие 60-65 лет радиолокационная метеорология в мире получила бурное развитие. Достаточно указать, что в США каждые 1,5-2 года, регулярно проводятся радиометеорологические конференции.

Инициаторами и вдохновителями в области применения радиолокации в метеорологии, являлись такие ведущие специалисты Американского метеорологического общества, и занимающие в нем руководящие посты, как Л. Баттан, Д. Атлас, Е. Госсард и др.

В настоящее время резко расширился круг задач, который пытаются решить при помощи радиолокации. Так помимо традиционных направлений, связанных с изучением процессов протекающих в различного типа и масштаба облачных образованиях и системах, появилось направление, связанное с изучением «тонкой структуры» и безоблачной атмосферы, недоступной для исследования при помощи иных средств и методов.

Особое место занимают в настоящее время радиолокационные исследования динамических процессов протекающих на различных высотах в свободной атмосфере, включая не только тропосферу, но и стратосферу, и нижние слои мезосферы.

Такое расширение направлений, по которым развивается современная радиолокационная метеорология, стало возможным за счет резкого увеличения потенциала радиолокационных станций, их установки не только на Земле, но и на самолетах, спутниках, расширения диапазона длин волн, в котором могут работать метеорологические радиолокаторы (от 3•10-3 до 6 метров).

Были созданы доплеровские и поляризационные радары. Широкое применение получили активно-пассивные системы радиолокации, одновременно работающие в широком диапазоне длин волн. Особенное значение приобрело введение в состав активно-пассивных радиолокационных комплексов и мощных оптических лидаров открывающих новые возможности для изучения процессов протекающих в облачных системах на различных стадиях их развития и приводящих к образованию и выпадению различных типов осадков (дождя, крупы, града и снега).

Получаемый при помощи радиолокаторов колоссальный объем информации требует, для ее обработки и применения ультрасовременной вычислительной техники и современного программного обеспечения.

Особенность применения вычислительной техники в радиолокационной метеорологии состоит в том, что первичная обработка и возможность её экспресс анализа особенно в оперативной работе, должны осуществляться непосредственно в информационной радиолокационной системе, причем в реальном масштабе времени.

В процессе своего бурного развития радиолокационная метеорология подошла к этапу, характеризующемуся тем, что она может и должна не только выполнять «наблюдательные» функции, но и превращается в настоящую измерительную систему. Измерения того или иного метеорологического параметра осуществляется с указанием достоверности и точности его измерения. И в конечном итоге полученные результаты предоставляются в величинах, которыми обычно пользуются метеорологи или специалисты занимающиеся изучением строения и динамических процессов, протекающих в атмосфере.

Сложность решения задачи в такой постановке состоит в том, что информация, полученная при помощи метеорологических радаров настолько объемна и неоднозначна, что ее очень сложно сопоставить с данными, которые получены при помощи традиционных метеорологических приборов и обычно применяемой методики измерений.

Поэтому проблемы постановки таких сравнительных измерений требуют к себе особого внимания и в конечном итоге приводят к удивительным результатам [14].

Переход от параметров, которые определяются при помощи метеорологических радиолокаторов, например «средней» мощности отраженного сигнала, параметров характеризующих переменную составляющую рассеянного поля или его интенсивности, а также изменения поляризационных параметров отраженного сигнала, относительно излученного, зависит не только от параметров самого радиолокатора, длины волны, на которой он работает, но и удаления, на котором находится облучаемый метеообъект, его микроструктуры и протекающих в нем динамических процессов, от времени, в течение которого обрабатывается и анализируется принимаемый сигнал.

Оперативный учет перечисленных выше факторов и переход непосредственно к метеорологическим параметрам, очень сложен, а во многих случаях с указанием точности и достоверности такого перехода вообще невозможен.

На рис. 1 представлена диаграмма, иллюстрирующая основные факторы, определяющие надежность и достоверность количественной информации о метеообъектах, получаемой с использованием радиолокационных средств на различных расстояниях.

Рис.2 Достоверность интерпретации радиолокационных данных в терминах геофизических и метеорологических величин дистанции зондирования и основные факторы, влияющие на достоверность и точность измерений.

Эта диаграмма носит условный характер, т.к. надежность и достоверность количественной информации о метеообъекте существенно зависит как от применяемых методов измерений и параметров радиолокационно-технических средств, так и от алгоритмов обработки информации.

Общее правило: с увеличением расстояния измерительные возможности радиолокатора уменьшаются, но сохраняется его наблюдательная и обнаружительная способность.

Измерительные функции радаров существенно зависят от угла места антенны. Измерения, выполненные в режиме вертикального зондирования, обычно легче поддаются геофизической интерпретации, по сравнению с теми данными, которые получены при наклонном зондировании.

Наиболее достоверная интерпретация данных радиолокационного зондирования метообразований возможна на удалениях до нескольких километров при наличии достоверной информации о микроструктуре и строении метеобразования.

Подобная информация может быть получена с использованием мультипараметрических измерений, включая многоволновые радиолокационные, радиометрические и контактные измерения.

Заключение

Критический анализ материалов содержащихся в периодических изданиях и трудах отечественных и зарубежных конференций 70-80-х годов, посвященные развитию исследований в области радиолокационной метеорологии, позволяют утверждать, что уровень оригинальных работ в различных областях этой науки не уступал, а часто превосходил, уровень исследований выполненых в те же годы за рубежом. Отечественные работы имели свое научное лицо.

Это относится к области теории объясняющей связь между «тонкой структурой» радиоэха и движением рассеивателя в изучаемом метеообъекте, комплексном исследовании процессов протекающих в облачных системах, которые опирались на совместную обработку и анализ одновременно полученных при помощи активно-пассивных систем работающих в различныхдиапазонах длин волн, включая ИК-радиолокаторы и оптические лидары. Первая отечественная система зондирования, осуществляющая с помощью ЛЧМ радиолокатора и RASS представляющая единый измерительный комплекс, была создана раньше, чем аналогичные зарубежные системы. Следует отметить работы связанные с установкой доплеровских радаров на самолеты для исследований мощнокучевой и кучеводождевой облачности и принципов, приводящих к образованию и выпадению града.

В заключении мне хотелось бы вспомнить имена отечественных ученных работавших в ЦАО, ИРЭ АН СССР, ГГО, ВГИ, НИРФИ которых внесли огромный вклад в становлении в стране радиолокационной метеорологии, это В.В. Костарев, А.М.Боровиков, М.А.Колосов, А.Е. Башаринов, Г.К. Сулаквелидзе и многие другие, которые вывели радиолокационную метеорологию на передовые позиции в мире.

Список литературы

1. Радиолокационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989

2. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. Д.: Гидрометеоиздат, 2000

3. Горелик А.Г., Коломиец С.Ф. Рассеяние радиоволн разряженной средой и статистическая метеорология. Научный вестник МГТУГА. Радиофизика и электроника. Вып. 137, 2006

4. Метеорологический ежемесячник. Вып. 9, ч. 3. Новосибирск: ЗапСибРВЦ, 1998-2002 гг.

5. Костарев В.В. Радиометеорология // В сб.: Сообщение о научных работах по метеорологии и физике атмосферы, 1975-1978. М.: Гидрометеоиздат, 1979

Размещено на Allbest.ru