1.2 Отражаемость метеорологических объектов.
Эффективная площадь рассеяния метеорологической цели отличается от удельной эффективной площади рассеяния, т.к. отраженный сигнал формируется не единичным объемом, а разрешаемым объемом. Удельная ЭПР метеообъекта при релеевском типе рассеяния электромагнитной волны определяется соотношением:
или
где ri- радиус частицы; di- диаметр частицы.
Размерность удельной ЭПР либо.
Если обозначить и, то:
.
Соответствующие удельные ЭПР будут выражаться:
и,
где величины иzd- радиолокационные отражаемости, выражающиеся через радиус и диаметр соответственно.
Как видно из этих трех формул определяется концентрацией и распределением частиц по размерам в единичном объеме и комплексным коэффициентом преломления вещества частиц.
Величина характеризует рассеивающие вещества метеообъектов и является физической характеристикой при однократном рассеянии. Из последней формулы можно определить радиолокационную отражаемость(1):
.
Последние две формулы для удельной ЭПР и радиолокационной отражаемости отмечают сильную зависимость этих параметров от размера частиц и концентрации (2). Если диаметр одной капли больше другой в 10 раз, то величины отраженного сигнала будут отличаться в 106 раз от той капли, которая в 10 раз больше, т.е. радиолокатор наиболее эффективно обнаруживает облака, состоящие из большого числа капель больших размеров.
Если известен закон распространения капель по размерам N(d), то для полидисперсного спектра частиц:
.
Отражаемость в литературных источниках может быть выражена в [см3] или [мм6/м3]: 1 мм6/м3= 1012∙см3.
Удельная ЭПР , где σi- эффективная площадь рассеяния отдельной частицы в единичном объеме, η несет информацию о облаках и осадках, и зависит не только от размеров частиц, но и от длины волны.
Величина отражаемости - это интегральная характеристика микроструктуры облаков и осадков, а также водности облачности и не зависит от длины волны и других параметров радиолокаторов (1).
Величина z наиболее чувствительна к размерам частиц и зависит от самых крупных частиц, содержащихся в объеме.
.
. 1.2.1Эквивалентная отражаемость
На практике отражаемость облаков выражается не только как z с , но и вc [дБ]. При переводе отражаемости из мм6/м3 в дБ используется соотношение:
,
при этом z0= 1.
Используется и эквивалентная отражаемость zэ- величина, характеризующая свойства единичного облачного или осадочного объема и равна отражаемости капельного облака, формирующего равный по амплитуде отраженный сигнал.
z ≡
Для ледяных облаков эквивалентная отражаемость выражается:
в
в [дБ].
Для крупных частиц, когда рассеяние отличается от релеевского:
,
где η- удельная отражаемость, выраженная в [см-1]; λ- в [см].
1.2.2 Дифференциальная отражаемость.
При одновременном облучении объема частиц облаков и осадков электромагнитной волной горизонтальной и вертикальной поляризации волны, вводят понятие дифференциальной отражаемости zDR в [дБ]; рассчитывается по формуле:
.
Чтобы записать в дБ используют:
,
где zг и zв- отражаемость в горизонтальной и вертикальной плоскостях в .
1.2.3 Радиолокационная отражаемость облаков.
Характеристика отражаемости не зависит от расстояния параметров МРЛ и является физической характеристикой, определяющей отражающие свойства цели.
Величина отражаемости в случае однократного некогерентного рассеяния определяется размерами, концентрацией и диэлектрическими свойствами отражающих частиц.
Рассеянного поля электромагнитной волны состоит из когерентной и некогерентной составляющей. Если взять облака без осадков с размером рассеивателей меньше 100 мкм, а концентрацию 102- 103 частиц на м3, и обозначим l- расстояние между частицами, и если длина волны λ >> l, в этом случае рассеяние радиоволн сантиметрового диапазона будет когерентным. В результате чего обратное рассеяние будет формироваться сложением амплитуд парциальных волн с учетом фазы.
Радиолокационная отражаемость при когерентном рассеянии пропорциональна концентрации частиц N2, и зависит от формы зондирующих импульсов и крутизны переднего фронта.
Если расстояние между частицами l ≥ λ, то рассеяние принимает некогерентный вид. При трапецеидальной форме зондирующего импульса соотношение между когерентной и некогерентной составляющей мощности радиоэха имеет вид:
где τ- длительность зондирующего импульса; с- скорость электромагнитной волны; N0- количество частиц в единице объема; λ- длина волны.
Радиолокационная отражаемость облаков без осадков с учётом когерентного принимаемого сигнала пропорциональна квадрату водности и непропорциональна λ4:
.
(3)Для кучевых, слоистых и слоисто-кучевых облаков без осадков радиолокационная отражаемость z = 10-2102 мм6/м3.
Удельная ЭПР при длине волны МРЛ-2 и МРЛ-5 (λ=3,2): , поэтому при столь малой отражаемости обнаружение облаков без осадков можно осуществить только в ближней зоне (30 км).
Появление капель размера 0,1-0,2 см ведет к увеличению отражаемости на 3-5 порядков. Водность облаков определяется:
.
Если диаметр частиц d ≤ 30 мкм, а водность w ≤ 1,3 г/м3, то связь между радиолокационной отражаемостью и водностью облаков будет определяться формулой:
z = 0,048 w2 .
1.2.4 Отражаемость в жидких осадках.
Рассеянный и отраженный сигнал в осадках зависит от размера капель; количество капель определяет интенсивность дождя.
Радиус мороси составляет: 0,0250,25 мм. Наиболее крупные капли дождя могут достигать 34 мм. Среднее распределение капель дождя по размерам удовлетворительно описывается соотношением:
,
где v- параметр, зависящий от интенсивности дождя. При I = 1 мм/ч v = 1,3;
при I = 25 мм/ч v = 2,74.
Мелкие капли, выпадающих осадков, имеют сферическую форму; крупные капли дождя во время падения приобретают форму сплюснутого эллипсоида.
Спектр размеров капель дождя измеряется во времени и пространстве и зависит от типа облачности, из которой выпадают осадки. Интенсивность выпадающих осадков рассчитывается по формуле:
,
где ρ- плотность вещества капли; N(r)- функция распределения капель по размерам; d- диаметр; V(r)- скорость выпадения капли в зависимости от размера.
В результате микрофизических исследований распределения частиц осадков по размерам Маршела-Пальмером была получена зависимость между интенсивностью и отражаемостью:
,
где z- отражаемость в мм6/м3; I- интенсивность дождя в мм/ч.
Для дождей соотношение имеет вид:
.
Для удельной ЭПР зависимость Маршала- Пальмера имеет вид:
.
На основе микрофизических измерений установлена связь между интенсивностью снегопада и отражаемостью, таким образом, отражаемость снега:
.
Если отражаемость выражается в дБz:
Для тающего снега выражение имеет вид:
.