Погодный радар: принцип работы¶

Погодный радар (метеорологический радиолокатор, метеорадар) — устройство для дистанционного зондирования атмосферы, основанное на излучении радиоволн и приёме отражённого от метеорологических объектов сигнала. Относится к классу активных радиолокационных систем и служит для обнаружения, определения местоположения и оценки интенсивности осадков, а также для наблюдения за связанными с ними опасными явлениями — грозами, градом, шквалами, смерчами.

¶Принцип работы

Действие метеорадара основано на эффекте рассеяния радиоволн на неоднородностях атмосферы. Передатчик генерирует импульс электромагнитной энергии в сантиметровом или миллиметровом диапазоне, который излучается направленной антенной. Часть энергии, рассеянная каплями воды, кристаллами льда, градинами или снежинками, возвращается к антенне. Приёмник фиксирует отражённый сигнал, а по времени его возврата вычисляется расстояние до цели.

Интенсивность отражения зависит от размера, формы, агрегатного состояния и числа частиц в единице объёма. Крупные капли и градины отражают радиоволны значительно сильнее мелких, поэтому грозовые облака дают мощный отклик. Величина, характеризующая отражательную способность объёма, называется радиолокационной отражаемостью и обычно выражается в децибелах относительно опорного уровня (dBZ).

Направленная антенна вращается по азимуту и меняет угол места, что позволяет получать объёмную картину атмосферы. Современные системы выполняют такие обзоры за несколько минут, формируя серию срезов на разных высотах.

¶Устройство

Типовой метеорологический радиолокатор включает:

• Передатчик — источник мощных импульсов, часто на магнетроне или клистроне.
• Антенну — параболическое зеркало с облучателем, обеспечивающее узкий луч.
• Приёмник — малошумящий тракт для регистрации слабых отражённых сигналов.
• Систему обработки — вычислительный комплекс, преобразующий сигналы в метеорологические данные.
• Систему отображения — средства визуализации радиолокационной картины.

Ключевой характеристикой является длина волны. Диапазоны подразделяются на S (около 10 см), C (около 5 см), X (около 3 см) и другие. Длинные волны меньше ослабляются в осадках и подходят для обзора больших территорий, короткие дают лучшее разрешение, но сильнее затухают.

¶Измеряемые величины

Помимо отражаемости, радар определяет радиальную скорость частиц по доплеровскому сдвигу частоты. Это позволяет выявлять вращение в грозовых ячейках, зоны сдвига ветра и нисходящие потоки, связанные со шквалами. Двухполяризационные радары, излучающие и принимающие волны разной поляризации, различают тип осадков — дождь, снег, град — и оценивают их количество.

¶История

Радиолокационные методы изучения атмосферы начали развиваться в 1940-е годы, когда операторы военных радаров стали замечать помехи от осадков. В послевоенный период эти «помехи» превратились в самостоятельный объект исследования. В СССР метеорологические радиолокаторы разрабатывались с 1950-х годов; серийные станции использовались в системе службы погоды. В дальнейшем появились доплеровские, а затем поляриметрические системы.

¶Применение

Метеорадары применяются в гидрометеорологической службе для краткосрочного прогноза и штормового оповещения, в авиации для обеспечения безопасности полётов, в сельском хозяйстве для оценки осадков, в гидрологии для прогноза паводков. Данные радаров входят в системы теперькастинга — прогноза на срок до нескольких часов.

¶Сети и современное состояние

Отдельные радары объединяются в национальные сети, что позволяет покрывать сплошным наблюдением большие территории. В России развивается сеть доплеровских метеорологических радиолокаторов, данные которых интегрируются в информационные системы Росгидромета. Современные комплексы работают автоматически, а их продукция распространяется в цифровом виде.

¶Ограничения

Точность данных ограничивают кривизна Земли и рельеф, создающие радиотень, ослабление сигнала в сильных осадках, помехи от подстилающей поверхности и технических объектов. Калибровка и интерпретация измерений требуют осторожности, поэтому радарные оценки дополняют данными наземных станций и спутников.

Источники: материалы по радиометеорологии, справочные издания по метеорологическим радиолокаторам, публикации гидрометеорологических служб.