Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 2, стр. 245-258

1. ВВЕДЕНИЕ

Традиционно радиолокационные измерения профиля ветра в тропосфере (ветровые профайлеры) основываются на использовании дециметровых или сантиметровых длин волн. В настоящее время в США используются сети радаров, рабочие частоты которых составляют 404, 449 или 915 МГц [1, 2]. Они рассчитаны на измерение профиля ветра до 8–12 км и способны регистрировать отражения от чистой атмосферы. В Европе широкое распространение получили более компактные профайлеры, работающие в диапазоне 1280–1290 МГц [3–6]. Нередко такие профайлеры дополняются акустическими системами RASS, которые обеспечивают измерения ветра при низком уровне радиолокационных отражений [7]. Аналогичные сети развернуты в Японии, Китае, Австралии и ряде других стран [8–10]. В России используется сеть доплеровских РЛС, работающая на длине волны 5 см, которая наряду с измерением метеопараметров в зоне 300 км, позволяет проводить измерения профиля ветра над станцией [11, 12]. Профайлеры миллиметрового диапазона длин волн до 2000-х гг. практически не использовались. В эти годы общепринятым являлось мнение, что использование миллиметровых длин волн для измерения ветра в тропосфере является нецелесообразным по ряду объективных причин. Основная из этих причин связывалась с тем, что в ясную погоду радиолокационные отражения в миллиметровом диапазоне будут очень слабыми, что не позволит проводить измерения. Физическим обоснованием этого мнения являлась теория рассеяния микроволн, разработанная в работе [13]. В данной работе показано, что отражения от ясного неба формируются на турбулентных неоднородностях показателя преломления, имеющих пространственный период вдвое меньший, чем длина волны излучения. Минимальный размер турбулентных неоднородностей у поверхности земли составляет единицы миллиметров и растет с высотой, достигая 4–6 мм на высотах 1–3 км. Это значение превосходит половину длины миллиметровых профайлеров, и выше 1–2 км сигналы формироваться не должны. Следовательно, потолок зондирования в ясную погоду будет мал, что не удовлетворяет потребностям потребителей. В начале 2000-х гг. в Московском государственном университете приборостроения и информатики (ныне Российском технологическом университете РТУ МИРЭА) проводились работы по исследованию возможности создания малогабаритного ветрового профайлера, работающего в диапазоне частот 35 ГГц. При этом предполагалось, что он обеспечит измерения ветра в сложных метеорологических условиях: при наличии осадков, облаков, крупных аэрозолей в приземном слое атмосферы. По результатам этих исследований, в рамках опытно-конструкторской работы в 2003 г. в АО Центральное конструкторское бюро аппаратостроения (АО ЦКБА), г. Тула, был изготовлен экспериментальный образец профайлера. Опыт уже первых экспериментов показал, что созданный макет позволяет регистрировать не только отражения от облаков и осадков, но и сигналы в ясную погоду. Оказалось, что отражения от диэлектрических неоднородностей атмосферы удается регистрировать намного чаще, чем ожидалось по теории, причем нередко такие отражения формируются до высот 2–3 км. К тому же потенциал созданного прибора позволял регистрировать почти все виды облаков, что позволило проводить аппроксимацию ветрового профиля в области без отражений между нижним слоем и слоями облачности. Поскольку в средней полосы России вероятность облачности превышает 80%, созданный ветровой профайлер оказался эффективным средством ветрового зондирования.

Аналогичные работы по использованию 35 ГГЦ диапазона длин волн для измерения ветрового профиля начались в США в более поздний период. Были созданы доплеровские облачные радиолокаторы, предназначенные для исследования микрофизики облаков [14–16]. Методика использования миллиметровых радиолокаторов для ветрового зондирования описана в работах [17, 18].

В последние годы фирмой QinetiQ North America (QNA) был представлен малогабаритный ветровой доплеровский профайлер WiPPR, который был разработан по заданию министерства обороны США в Lincoln Laboratory (Massachusetts Institute of Technology). Он позволяет проводить измерения профиля ветра и ряда других параметров до высоты 6 км [19, 20]. Данный профайлер работает в миллиметровом диапазоне длин волн и, по данным разработчиков, позволяет проводить измерения в ясную погоду и при наличии облаков и осадков.

В настоящей работе приводятся некоторые технические характеристики серийных 35ГГц доплеровских профайлеров, разработанных в АО ЦКБА, описана методика измерений и обработки данных. Проводится анализ опыта использования таких профайлеров в условиях измерений в средних широтах.

2. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Малогабаритные ветровые профайлеры, работающие в диапазоне 35 ГГц были разработаны и изготовлены в Центральном конструкторском бюро аппаратостроения (АО ЦКБА, г. Тула) [21, 22]. В настоящее время создана линейка изделий, предназначенных для метеорологического обеспечения различных потребителей. На рис. 1 представлена фотография ветрового доплеровского профайлера, который имеет рабочее название “Беззондовый определитель параметров ветра” (БОПВ). Аналогичные модели используются для решения специфических задач метеорологического обеспечения аэродромов, например для предсказания опасных ситуаций на глиссаде с заданной заблаговременностью. В табл. 1 представлены некоторые технические характеристики профайлера.

Опыт эксплуатации профайлера показал, что в нижнем слое атмосферы до высот 300–500 м радиолокационные отражения регистрируются почти в любые времена года. Потенциал радиолокатора был рассчитан как из технических характеристик РЛС [21, 22], так и подтвержден по радиолокационно радиометрическим натурным измерениям [23, 24]. БОПВ позволяет на дальности 1 км регистрировать метеорологические объекты с радиолокационной отражаемостью Z_min > > –55 dBZ при времени усреднения 1 с. С учетом некогерентного накопления сигналов в течение 6–10 с минимальная регистрируемая радиолокационная отражаемость на дальности 1 км снижается до Z_min = –60 dBZ. Это обеспечивает работоспособность радиолокатора в большом диапазоне метеоусловий. Чем сложнее метеоусловия – наличие осадков, облачность, интенсивная турбулентность, сильный ветер – тем надежнее работает радиолокационная система [25, 26].

Режим измерения профиля ветра заключается в коническом сканировании по 12 азимутальным направлениям через каждые 30° (10°), рис. 2. В этом режиме на каждом высотном уровне (100 уровней до высоты 4200 м или 200 уровней до высоты 8400 м) регистрируют отраженные сигналы и получают полную форму доплеровских спектров. Время усреднения в каждом направлении может гибко изменяться и обычно составляет 3–8 с, при этом каждый спектр является результатом обработки от 75 000 до 200 000 импульсов. Совместная обработка полученных данных позволяет получать более 10 метеорологических параметров, включая скорость и направление ветра и его статистические характеристики. Важным элементом программного обеспечения является обнаружение зон интенсивной турбулентности и сдвигов ветра.

На рис. 3а представлен типичный вид доплеровской спектрограммы, полученной в окрестности г. Тула в летний период 16.06.2016 г. в 09:51 (UTC). Спектральная плотность доплеровского сигнала в относительных единицах отмечена на спектрограмме в псевдоцвете в логарифмическом масштабе, шкала которой представлена справа от рисунка. При этом наряду с сигналами от ясного неба, которые регистрировались до высоты 2500 м, регистрировались сигналы от облачных слоев, сформированных на высотах выше 6200 м. Симметричная часть спектрограммы обусловлена неполной селекцией (на –23 дБ) при квадратурной обработке сигнала, что не мешало автоматической обработке сигналов при нахождении положения максимума спектра и его ширины. На рис. 3 снизу показан доплеровский спектр, полученный на высоте h_j = 8070 м, что соответствует одной строке спектрограммы. По положению максимума спектра определяется значение проекции скорости рассеивателей V_ср (α_i, h_j) на данном α_i направлении зондирования и на высоте h_i. С правой стороны рисунка приведена зависимость мощности сигнала от высоты, которая рассчитывалась как интеграл от доплеровского спектра, умноженный на квадрат расстояния до рассеивателей. Эта величина соответствует радиолокационной отражаемости Z и представлена в дБZ. Из рисунка видно, что отражения, которые наблюдались в нижнем 2500-метровом слое тропосферы, имеют высокие значения радиолокационной отражаемости, доходящие до –20 дБZ. В интервале высот от 2600 до 6200 м радиолокационные отражения не регистрировались, и на рис. 3 справа видна гладкая линия, соответствующая отсутствию сигнала. В данном слое, несмотря на наличие турбулентности и неоднородностей ветрового поля, радиолокационные отражения очень слабы, так как нижний масштаб турбулентных вихрей растет с высотой и превышает половину длины волны РЛС. Выше 6200 м вновь регистрировались сигналы от облачности. Более подробно особенности отражений от ясного неба будут рассмотрены в последующем разделе.

На рис. 4 в полярных координатах скорость–азимут представлена типичная диаграмма для измеренных проекций скоростей рассеивателей, полученная на различных направлениях зондирования, i = 1–12 для фиксированной высоты h_i. В предположении горизонтальной однородности ветрового поля, отсутствий турбулентности и пульсаций проекция скорости ветра на направление зондирования описывалась бы соотношением:

где ${{V}_{j}}$ – скорость ветра на j-той высоте; $~{{\alpha }_{j}}$ – азимут ветра на данной высоте; β – угол места; ${{V}_{{{\text{г}},j}}}$ – скорость гравитационного падения рассеивателей на данной высоте (скорость падения рассеивателей под действием силы тяжести в отсутствии вертикальных воздушных потоков). При отсутствии гравитационного падения рассеивателей уравнение (1) дало бы значения проекций, которые точно легли бы на окружность, диаметром которой является вектор ветра, который задается скоростью ветра ${{V}_{j}}$ и азимутом ветра ${{\alpha }_{j}}.$ За счет гравитационного падения рассеивателей проекция ветра, полученная при зондировании навстречу ветру, будет отклоняться от идеальной окружности, увеличивая модуль проекции скорости рассеивателей на ${{V}_{{{\text{г}},j}}}{\text{Sin}}\left( \beta \right).$ При зондировании по ветру модуль скорости проекции рассеивателей будет уменьшен на ту же величину. Это заметно на рис. 4а, который отображает зависимость модуля проекции рассеивателей от азимута зондирования. При направлении зондировании ${{\alpha }_{8}} = 210^\circ $ навстречу ветру проекция скорости выходит за окружность, в то время как при противоположном направлении зондирования по ветру ${{\alpha }_{2}} = 30^\circ $ значение проекции находится внутри окружности. Аналогичная ситуация наблюдается и для других противоположных парных направлений, например $~{{\alpha }_{7}} = 180^\circ $ и ${{\alpha }_{1}} = 0^\circ .$ При изображении диаграммы проекций скоростей с учетом знака проекции мы получаем рис. 4б, на котором при наличии гравитационного падения значения проекции отклоняются от идеальной окружности на $ \pm {{V}_{{\text{г}}}}\left( {{{h}_{j}}} \right){\text{Sin}}\left( \beta \right)$ для противоположных направлений зондирования.

При решении набора двенадцати уравнений (1) на каждой j-той высоте искомыми величинами являются три скалярные величины: модуль скорости ветра ${{V}_{j}},$ азимут ветра ${{\alpha }_{j}}$ и гравитационная скорость падения рассеивателей ${{V}_{{{\text{г}},j}}}.$ Формально для их нахождения достаточно трех уравнений, полученных для трех направлений зондирования. Горизонтальные и вертикальные неоднородности ветрового поля, наличие турбулентности и пульсаций приводит к отличию измеренных значений проекций скоростей от теоретических, рассчитанных для однородного поля ветра по формуле (1). Поэтому наилучшее решение задачи получается путем минимизации невязки между измеренными и теоретическими значениями проекции скоростей. Более подробно такая процедура описана в работах [24, 25].

Минимизируя невязку по параметрам ${{V}_{j}},$ ${{\alpha }_{j}}$ и ${{V}_{{{\text{г}},j}}},$ можно определить данные величины, т.е. тем самым для каждой высоты определить скорость и направление ветра, а также скорость гравитационного падения рассеивателей [22]. На рис. 4 представлен результат минимизации невязки в виде окружности, которая опирается на вектор скорости ветра. Однако наличие такой информации позволяет рассчитывать не только скорость и направление ветра, но и другие характеристики ветра, связанные с его нестабильностью, порывистостью, интенсивностью турбулентности среднего и большого масштаба. Физическим обоснованием такой возможности является эргодичность ветрового поля, позволяющая перейти от наблюдения во времени одного и того же элемента разрешения к сравнению поля ветра в соседних элементах пространства. Пульсации П на заданной высоте оцениваются по формуле:

где N – количество направлений зондирования, (обычно N = 12); $V_{{i,j}}^{{{\text{эксп}}}}$ – измеренное значение проекции скорости рассеивателей при азимуте зондирования ${{\alpha }_{i}},$ на высоте ${{h}_{j}};$

$V_{{i,j}}^{{{\text{теор}}}}$ – проекция средней скорости рассеивателей, вычисленная для каждого ${{\alpha }_{i}},$ ${{h}_{j}}$ по формуле (1), в которой используются рассчитанные по невязке значения ${{V}_{j}},$ ${{\alpha }_{j}}$ и ${{V}_{{{\text{г}},j}}}.$

По своему физическому смыслу параметр П(h) формируется из отклонений измеренных значений проекций скорости рассеивателей от средних значений на данном высотном уровне, которые соответствуют горизонтально однородному полю ветра. Поэтому все факторы, вносящие неоднородность поля ветра: крупномасштабная турбулентность, вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, ветровые порывы – будут автоматически учтены в параметре П. Можно отметить, что этот параметр является интегральной оценкой неоднородности поля ветра. По этой причине он вполне может служить параметром, отвечающим за опасный характер структуры поля ветра.

Пример измерений скорости и направления ветра в окрестности г. Тула от 16.06.2016 г. в 09:51 (UTC) приведен на рис. 5. В данных условиях сигналы формировались от ясного неба до высоты 3200 м, а также регистрировались отражения от облаков на высотах 6100–8500 м. Надежные измерения на графиках представлены кружками, а в интервале высот 3100–6100 м, на котором отсутствовали отражения, проводилась линейная аппроксимация.

Наряду с профилем ветра потребителям может поступать другая метеорологическая информация, получаемая доплеровским профайлером. Например, высота нижней и верхней границы облачности, величина сдвига ветра на различных участках зондирования, скорость гравитационного падения рассеивателей, интенсивность осадков, интенсивность турбулентности и др. Методика таких измерений вполне стандартная, описана в работах [21, 22, 26], поэтому здесь на ней останавливаться не будем.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ МЕТЕОУСЛОВИЯХ

В процессе отработки изделия проводились сравнительные испытания ветрового профайлера с данными ветровых измерений полученными в Институте экспериментальной, метеорологии (ФГБУ “НПО “Тайфун”) г. Обнинск на 310-метровой метеорологической мачте (ВMM-310). Испытания проводились в различные сезоны 2011 г. На рис. 6 представлены результаты сравнения данных 8-миллиметрового серийного ветрового профайлера с данными, полученными на близко расположенной метеорологической мачте ВMM-310. По результатам испытаний получено, что среднеквадратичное различие по измеряемым скоростям ветра составило менее 1 м/с, а расхождение по направлению ветра не превышало 6 градусов.

Интерес представляет возможность радиолокационной регистрации струйных течений. В данном разделе мы рассмотрим метеоситуацию в г. Тула 17.01.2016 г. в 09:40 (UTC), при которой было зарегистрировано струйное течение, скорость в котором достигала 64 м/с. На рис. 7 представлены доплеровские спектрограммы, полученные при различных направлениях зондирования. Частота повторения импульсов при данных измерениях составляла ${{f}_{{{\text{повт}}}}} = 25000\,\,{\text{Гц}},$ что позволяло однозначно регистрировать проекции скоростей ${{V}_{{\max }}} = {{f}_{{{\text{повт}}}}}{\lambda \mathord{\left/ {\vphantom {\lambda 4}} \right. \kern-0em} 4} = 52.5\,{\text{м/с}}.$ С учетом местного угла зондирования β = 45°, максимальная однозначная регистрируемая горизонтальная скорость ветра составила ${{V}_{{гор}}} = {{V}_{{\max }}}\,\sqrt 2 = 74.2\,{\text{м/с}}.$ На спектрограмме на рис. 7а видно, что на участке высот от 3.2 до 4 км горизонтальная скорость плавно изменилась с 53 до 64 м/с. В таком режиме зондирования проекции скорости всех рассеивателей регистрируются однозначно, однако может возникать неоднозначность дальности рассеивателей. Следует отметить, что при частоте повторения ${{f}_{{{\text{повт}}}}} = 25\,\,{\text{кГц}},$ однозначные измерения проводятся до дальности ${{R}_{{\max }}} = {c \mathord{\left/ {\vphantom {c {2{{f}_{{{\text{повт}}}}}}}} \right. \kern-0em} {2{{f}_{{{\text{повт}}}}}}} = 6000\,\,{\text{м}}$ или до максимальной высоты ${{H}_{{\max }}} = {{R}_{m}}\sin (\beta ) = 4240\,\,{\text{м}}.$ Следовательно, сигнал, зарегистрированный на спектрограмме на дальности 3.1–3.7 км, мог формироваться на второй дальности 7.34–7.94 км. (Поскольку на высоте выше тропопаузы рассеивание бывает крайне редко, то вариант третьей дальности, которая соответствует высоте 11.58–12.18 км, следует отбросить).

Так как скорости свыше 64 м/с на высоте 3.5 км крайне невероятны, очевидно, что струйное течение сформировалось на высоте 7–8 км. Следует отметить, что систематический характер изменения доплеровских спектров при изменении высоты зондирования и направления зондирования указывает на корректность проведенных измерений. Так, измеренные проекции скоростей рассеивателей на высоте 7940 м с высокой точностью расположились на окружности, имеющей диаметр 64 м/c, что подтверждает надежность полученных данных.

Результаты радиолокационных измерений также подтверждаются данными радиозондирования в трех пунктах, расположенных на расстояниях 130–200 км от места измерений: в населенном пункте Сухиничи, в г. Рязань и г. Долгопрудный. На рис. 9 представлены результаты радиозондирования и данные доплеровского профайлера. Географическое положение пунктов радиозондирования и положение ветрового профайлера в г. Тула показано на карте на рис. 10. Направление ветра на высотах 7200–8200 м в среднем составляло 250°, что соответствовало переносу по оси Сухиничи–РЛС (г. Тула)–Рязань (с запада на восток).

Из данных радиозондирования видна корреляция как модуля скоростей ветра, так и направления ветра во всех трех пунктах измерений. Отличие радиолокационных данных от средних данных радиозондирования в Рязани и Сухиничах составило менее 2 м/c по скорости и 5° по направлению. Учитывая направление потока с запада на восток, из данных радиозондирования видна хорошая корреляция с пунктами зондирования, лежащими вдоль направления потока и худшая корреляция с пунктом в г. Долгопрудный, который отстоит примерно на 200 км поперек потока.

Таким образом, ветровой профайлер миллиметрового диапазона длин волн позволяет регистрировать струйные течения со скоростями до 72 м/c. Очевидно, что условием регистрации является наличие отражений на соответствующих высотах. В рассмотренном случае гравитационная скорость рассеивателей на высотах 7.2–8.2 км была близка к нулю. Температура на высоте 7–8 км составляла –40–50°С. Радиолокационная отражаемость рассеивателей на данной высоте составляла Z = –45–55 дбZ. В таких условиях наиболее вероятный источник отражений – мелкие кристаллы.

4. ОТРАЖЕНИЯ ОТ ЯСНОГО НЕБА (АНГЕЛЫ)

Отражения от ясного неба (ангелы) играют существенную роль при работе 35 ГГц ветрового профайлера. При этом практика измерений такова, что ангелы в нижнем 500-метровом слое регистрируются в большинстве метеоситуаций, что обеспечивает решение задачи ветрового зондирования в нижнем слое тропосферы [23]. Примером могут служить летние измерения, представленные на рис. 3, и зимние измерения, показанные на рис. 7. При этом значения удельного сечения обратного рассеяния на практике нередко оказываются больше, чем это предсказывает теория. Существует общепринятое соотношение для расчета удельной площади рассеяния для развитой турбулентности [13, 27]:

где $\eta $ выражена в см^–1, $C_{n}^{2}$ – является мерой интенсивности флуктуаций показателя преломления и имеет размерность см^–2/3, а $\lambda $ – длина волны в сантиметрах. Традиционно считается, что $C_{n}^{2}$ может изменяться в диапазоне от 4 × 10^–14–10^–16 см^–2/3 [26]. Согласно теории Брэгга, рассеяние должно происходить на неоднородностях с масштабами кратными d = mλ/2, где m – произвольное целое число. Однако, согласно [13], рассеяние назад будет происходить лишь на одной гармонике с периодом d = λ/2, поскольку каждая гармоника – это синусоида, а не ряд дискретных рассеивателей. У турбулентных вихрей имеется минимальный масштаб (внутренний масштаб турбулентности), ниже которого вихри разрушаются за счет вязкого трения. Для нижней тропосферы внутренний масштаб составляет единицы миллиметров и растет с высотой до 30 мм на высоте 10 км. Следовательно, миллиметровые волны либо находятся на границе, либо выходят за рамки диапазона, где возможно использование соотношения (4). Подтверждением данного заключения служит тот факт, что результаты натурных измерений отличаются от теоретических расчетов. Так, из формулы (4) следует, что максимальная удельная отражаемость при самой интенсивной турбулентности $C_{n}^{2} = 4 \times {{10}^{{ - 14}}}\,\,{\text{с}}{{{\text{м}}}^{{{{ - 2} \mathord{\left/ {\vphantom {{ - 2} 3}} \right. \kern-0em} 3}}}}{\text{\;}}$ на частоте 35 ГГц будет составлять $\eta = 1.6 \times {{10}^{{ - 14}}}$ см^–1 или Z = –47 dBZ. Однако в натурных экспериментах при отсутствии облаков и осадков и визуально ясном небе нередко регистрируется сплошная радиолокационная засветка на уровне Z = –30–20 dBZ. Летние измерения, проведенные 16.06.2016 г. в 10:40 (UTC) в окрестности г. Тула, рис. 3в, показали, что радиолокационная отражаемость в ясном небе до высоты 1600 м составляла около –25 dBZ при незначительных флуктуациях ±5 dBZ [28]. Аналогичные профили отражаемости были на всех 12 направлениях зондирования. Это превышает теоретические оценки на 15–20 dBZ. Кроме того, доплеровские спектры имели изрезанный многопичковый характер, рис. 11. Первое предположение, которое возникает, связано с тем, что возможный источник отражений – насекомые или крупные аэрозоли. Нередко именно насекомые, которые двигаются разнонаправленно, приводят к изрезанности спектров [17, 18]. Однако такие предположения не стыкуются со статистическими свойствами сигналов. Действительно, если насекомые или крупные аэрозоли создают отражения, то за счет их малой концентрации в одних элементах рассеивающего объема их будет много, а в некоторых элементах их не будет вовсе. Тем более с учетом их стайного поведения и неравномерности распределения насекомых у поверхности земли. При отсутствии насекомых или аэрозолей в некоторых элементах пространственного разрешения отражаемость по теории должна упасть ниже уровня –47 dBZ, а в элементах объема с большой концентрацией резко возрастать на десятки децибелл. В проведенных измерениях при 12 различных направлениях зондирования до высоты 1600 м отражаемость не опускалась ниже 0–30 dBZ, а ее изменчивость не превышала ±5 dBZ! При этом скорость гравитационного падения во всей области измерений была близка к нулю. Следовательно, присутствием насекомых или крупных аэрозолей объяснить такой результат не удается.

Следует отметить, что усиление обратного рассеяния возможно на телах, помещенных в среду со случайными неоднородностями [29, 30 ] . По оценкам масштаб данного эффекта не превышает 3 дБ и не может объяснить наблюдаемые интенсивности рассеяния.

В настоящее время нам представляется затруднительным указать источник и физику таких радиолокационных отражений. Этот вопрос требует дальнейших целенаправленных комплексных исследований. Возможной причиной мощных сигналов и изрезанности доплеровских спектров может быть неравномерный прогрев поверхности земли (t = 28°C) и формирование вертикальных термиков, которые сопровождаются не только восходящими движениями, но и нисходящими потоками в соседних областях пространства, а также большими градиентами температур на границах потоков.

5. СТАТИСТИКА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖЕНИЙ

На рис. 12 представлена статистика радиолокационных измерений ветра для 35 ГГц доплеровского профайлера БОПВ в различные времена года. Результаты относятся к измерениям ниже 56° северной широты. На рис. 12а статистика разделена на сезоны весна–лето, осень, зима, а на рис. 12б представлена общая вероятность формирования отражений. Как правило, в большинстве случаев отражения имеются в нижнем слое до высот 300–1000 м, а также формируются отражения от большинства видов облаков. При наличии сигналов в нижних и верхних слоях в промежуточной области высот, между которыми отсутствовали отражения, применялась статистическая аппроксимация. Общая статистика прямых измерений в диапазоне 35 ГГц показывает, что отражения от ясного неба и других отражателей на уровне выше –55 дБZ формируются до высоты 300–500 м в 82% случаев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлено описание 35 ГГц ветрового доплеровского профайлера, его технические характеристики и методика обработки получаемых данных. Отмечено, что измерения в миллиметровом диапазоне длин волн могут проводиться не только при наличии осадков или любых видов облаков, но и в условиях ясного неба. При этом отражения в нижнем 300–500-метровом слое тропосферы на широте ниже 56° формируются примерно в 82% случаев. Учитывая, что облачность в наших широтах наблюдается примерно в 80% случаев, получаем, что ветровой профайлер регистрирует ветер как в нижнем слое, так и в верхнем. Пропуск среднего слоя тропосферы без облаков компенсируется возможностью аппроксимации профиля на этом участке высот. Показано, что уровень отражений от ясного неба иногда превышает теоретические значения, описываемые традиционной теорией турбулентности на 15–20 дБ. Причина таких расхождений пока не выяснена. Статистические особенности спектров отражений от ясного неба нередко проявляются в изрезанности и многопичковости спектров, во временной нестабильности отражений. Опыт многолетней эксплуатации 35 ГГц ветровых профайлеров показал, что они являются эффективным средством ветрового зондирования в большинстве метеорологических условий. В работе приведен пример регистрации струйного течения на высоте 7500–8000 м. Следует отметить, что миллиметровый диапазон длин волн имеет определенные недостатки по сравнению с сантиметровыми и дециметровыми волнами. Связано это с тем, что чем больше длина волны, тем более крупные турбулентные структуры может регистрировать профайлер в ясную погоду и тем выше получается потолок зондирования при отсутствии облаков и осадков. Однако более длинноволновые системы проигрывают в том, что нередко не могут получить сигнал от облаков, т.к. в соответствии с законом Рэлея сигналы от капель падают как 1/λ⁴. Профайлеры диапазона 35 ГГц обладают относительно невысокой стоимостью, малым весом и небольшими габаритами, что является несомненным достоинством по сравнению с длинноволновыми аналогами. Линейка радиолокаторов, разработанная в ЦКБА, г. Тула, предусматривает как переносные версии, так и перевозимые на легком транспорте. Предусмотрена возможность использования таких радиолокаторов для метеорологического обеспечения аэродромов и предупреждения о развитии или приближении опасных явлений.