Радиотехника и электроника, 2023, T. 68, № 6, стр. 615-620

1.1. Определение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков

В случае наблюдения малооблачной атмосферы (не содержащей осадков) влагозапас атмосферы (Q) и водозапас облаков (W) определяют по результатам измерений характеристик радиотеплового излучения с помощью регрессионных уравнений [1, 10, 15]:

где ${{a}_{j}}$, ${{b}_{j}}$ – коэффициенты регрессии, полученные по данным радиозондирования атмосферы и эмпирическим моделям облаков; $\tau \left( {{{f}_{k}}} \right)$ – оптическая толщина атмосферы при частоте ${{f}_{k}}$. Оптическую толщину атмосферы определяют по измеряемой радиояркостной температуре атмосферы [1]. При этом измерения радиояркостной температуры атмосферы проводят на частотах вблизи центра линии молекулярного поглощения водяного пара 22.235 ГГц и в окне прозрачности атмосферы 30…38 ГГц. По теоретическим оценкам погрешность определения влагозапаса атмосферы зависит от точности измерения радиояркостной температуры и определения оптической толщины атмосферы [1]. Погрешность определения водозапаса облаков зависит от неопределенности оценивания температуры облаков и может составлять 20…30%. Кроме того, уравнения (1) некорректно использовать при наличии осадков при нарушении приближения рэлеевского поглощения в облаках.

В экспериментах данной работы применяли двухчастотный вариант СВЧ-радиометра с центральными частотами каналов около 20.7…22.23 и 31…36 ГГц. Полоса усиления радиометрических приемников составляла 200…500 МГц. Были использованы малошумящие антенны с шириной луча 7…9 град по уровню половинной мощности. Дискретность измерений выбирали в интервале 5…1000 с. Погрешность определения влагозапаса атмосферы составляла около 0.5…1 кг/м², водозапаса облаков около 0.03 кг/м².

1.2. СВЧ-радиометрические исследования конвективных облаков

Метод наземной СВЧ-радиометрии эффективен для исследования водозапаса (содержания жидкокапельной влаги) конвективных облаков [1, 13, 15]. При исследовании конвективных облаков на различных стадиях наиболее информативные участки спектра радиотеплового излучения находятся в области малого ослабления излучения 6…14 ГГц и “окнах” прозрачности атмосферы при частотах 30…37 и 75…95 ГГц. Погрешность определения водозапаса конвективных облаков оценивается величиной около 20…40% [1].

При экспериментальных исследованиях водозапаса конвективных облаков использовали СВЧ-радиометры, работающие в диапазонах частот 9.5 и 36.5 ГГц. Полоса усиления радиометрических приемников составляла 250…500 МГц. Использовали полноповоротные антенны с шириной диаграммы направленности по уровню половинной мощности менее 1 град, что позволяло исследовать пространственное распределение собственного излучения конвективных облаков с достаточно высоким пространственным разрешением. Методика исследований конвективных облаков состояла в получении последовательности радиотепловых карт переохлажденной части конвективных облаков и определении водозапаса по направлению луча антенны. На рис. 1а–1г приведены результаты СВЧ-радиометрического зондирования мощного конвективного облака и определения водозапаса облака вдоль луча антенны $W\left( {\varphi ,\theta } \right)$, где $\varphi ~$ – азимут, $\theta $ – угол места антенны (пос. Тургошъ Ленинградской обл.). Представленные четыре карты водозапаса облака, полученные в период времени с 18 ч 42 мин до 19 ч 02 мин, демонстрируют эволюцию пространственного распределения водозапаса конвективного облака на стадии его диссипации.

Метод комплексного СВЧ-радиометрического и радиолокационного зондирования облаков (пассивно-активный метод) применяется для определения профилей водности, средней водности конвективных облаков, водозапаса переохлажденной части конвективных облаков и интенсивности осадков [1, 10, 13, 20]. Реализация метода направлена на повышение точности определения водности облаков и интенсивности осадков (по сравнению с методом классической метеорологической радиолокации). Вариант современной реализации метеорологического радиолокатора со встроенным радиометром на базе современной ДМРЛ-С был рассмотрен в [21].

2.1. СВЧ-радиометрический критерий опасных явлений

Комплексные экспериментальные исследования мощных конвективных облаков, грозовых процессов были основаны на применении средств радиолокации, атмосферно-электрических измерений и СВЧ-радиометров и направлены на изучение сложных процессов, происходящих при развитии связанных с облаками опасных явлений, взаимосвязи микрофизических, динамических и электрических процессов в облаках [11, 13, 14, 22–26]. Метеорологические радиолокаторы (длина волны 8 мм, 3.2 и 10 см) применялись для обнаружения частиц облаков и осадков. Для детектирования ионизированных каналов молний применялись радиолокаторы с длиной волны 11, 35 и 200 см, а также осуществлялась регистрация электромагнитного излучения в диапазоне частот 0.4…60 и 150 МГц. Влагозапас атмосферы и водозапас облаков определяли с помощью СВЧ-радиометров (22 и 36 ГГц). Сканирующие СВЧ-радиометры, работающие в диапазоне частот 9.5 и 36.5 ГГц, использовались совместно с радиолокатором для детального исследования содержания жидкокапельной влаги в переохлажденной части конвективных облаков.

Одновременное использование перечисленных технических средств позволяет исследовать микрофизические характеристики областей мощных конвективных облаков, в которых происходят генерация электрических зарядов, их разделение и появление сильноточных разрядов молний. Кроме того, такие комплексные наблюдения позволяют рассматривать относительное расположение зон молниевой активности, осадков, турбулентности, повышенного содержания переохлажденной влаги в облаках, особенности фазового состава облаков.

По результатам предыдущих исследований параметров атмосферы, конвективных облаков, грозовых процессов с применением средств СВЧ-радиометрии и радиолокации и можно сделать следующие выводы:

– полученные с помощью двухчастотного радиометра 22 и 36 ГГц данные о влагозапасе атмосферы согласуются с данными аэрологического зондирования атмосферы (СКО при влагозапасах атмосферы в интервале 4…45 кг/м² составляет около 1 кг/м²);

– полученные с помощью двухчастотного радиометра 22 и 36 ГГц данные о водозапасах облаков слоистых форм согласуются с соответствующими оценками по эмпирическим моделям водности облаков, а также с данными спутникового зондирования (для экспериментов, выполненных с борта научно-исследовательского судна погоды над океаном);

– пространственно-временное распределение водности мощного конвективного облака по данным СВЧ-радиометрических не соответствует распределению радиолокационной отражаемости;

– полученные при комплексных радиолокационно-радиометрических исследованиях мощных конвективных (грозовых) облаков данные СВЧ-радиометров (центральные частоты 9.5 и 36 ГГц) указывают на возможность существования локальных зон переохлажденной влаги в верхней части мощного конвективного облака на высотах 6…9 км с характерным пространственным размером 1…2 км;

– вариации влагозапаса атмосферы (по данным двухчастотного СВЧ-радиометра 22 и 36 ГГц) в окрестности грозового облака могут значительно превышать значения, характерные для невозмущенной атмосферы.

Эксперименты показали возможность использования оперативных данных о влагозапасе атмосферы для раннего предупреждения развития мощных конвективных облаков и грозовых процессов [25, 26]. На основе анализа данных наземного СВЧ-радиометра о влагозапасе атмосферы и радиолокационной информации предложен СВЧ-радиометрический критерий развития мощных конвективных облаков, гроз. В качестве предикторов использовались значения влагозапаса атмосферы и его изменения во времени, которые определяли по данным двухчастотного микроволнового радиометра (при частотах около 22.2 и 36.5 ГГц). Для оценивания прогностического критерия использовали данные СВЧ-радиометра по влагозапасу атмосферы, а критерий определяли из соотношения:

где ${{c}_{i}}$ – коэффициенты регрессии; $\Delta Q\left( t \right)$ – изменение влагозапаса атмосферы за период времени t. Предварительное тестирование критерия было проведено в п. Воейково Ленинградской обл. в теплый период года с применением радиолокатора МРЛ-5 для распознавания мощных конвективных облаков, гроз, ливней. Получено, что заблаговременность прогноза опасных явлений может составлять 1…12 ч, а оправдываемость составляет около 76%.

Дальнейшее совершенствование метода раннего предупреждения развития грозовых процессов определяется применением комплексных методов радиолокации, СВЧ-радиометрии и атмосферно-электрических измерений для определения параметров атмосферы и характеристик облаков, осадков. Метод включает: а) мониторинг состояния атмосферы с применением СВЧ-радиометров влажностного (температурно-влажностного) зондирования атмосферы с целью заблаговременного выявления благоприятных условий для развития мощных конвективных облаков и грозовых процессов; б) выявление зон повышенного содержания жидкокапельной влаги в переохлажденной части облака с помощью СВЧ-радиометров, работающих совместно с радиолокатором.

2.2. СВЧ-радиометрия атмосферных фронтов

Применение наземных двухчастотных СВЧ-радиометров (22 и 36 ГГц) позволяет исследовать синоптические, мезомасштабные а также микромасштабные вариации влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков [12, 16–19, 24]. В комплексных экспериментах проводился анализ данных наземных двухчастотных СВЧ-радиометров (22 и 36 ГГц) и фронтологический анализ обстановки (с привлечением данных спутниковых наблюдений облаков) с целью исследования особенностей мезомасштабной структуры атмосферных фронтов циклонов. Эксперименты показали возможности для оперативного уточнения синоптической обстановки и совершенствования методов раннего предупреждения развития опасных явлений погоды при использовании наземных СВЧ-радиометров влажностного зондирования атмосферы.

Наземные СВЧ-радиометры влажностного зондирования атмосферы позволяют выявить характерные особенности временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков при прохождении атмосферных фронтов:

– в области атмосферных фронтов регистрировались значительные изменения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, которые уверенно регистрируются СВЧ-радиометрами;

– в области теплых фронтов циклонов рост влагозапаса атмосферы обычно предшествовал росту водозапаса облаков.

В экспериментах, проводимых в обсерватории п. Лехтуси в 2018 г. был использован двухчастотный (20.7 и 31.4 ГГц) СВЧ-радиометр водяного пара, разработанный в Институте прикладной астрономии РАН [12]. Для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков измерения радиояркостных температур в зенитном направлении проводились с дискретностью 5 с. В качестве примера на рис. 2 показан временной ход водозапаса облаков и влагозапаса атмосферы в зените при прохождении атмосферных фронтов 10‒12 июня 2018 г. в п. Лехтуси Ленинградской обл. Как следует из рис. 2, СВЧ-радиометрические данные по влагозапасу атмосферы согласуются с расчетными данными аэрологического зондирования, полученными в п. Воейково. Из рисунка видно, что влагозапас атмосферы в период с 10 по 12 июня изменялся в интервале от 10 до 30 кг/м². Значения водозапаса облаков (в зените) 11 и 12 июня достигали значений 2 кг/м² и более. Как показал синоптический анализ, такие изменения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков были обусловлены последовательным прохождением 10–12 июня 2018 г. двух циклонов и связанных с ними атмосферных фронтов. Периоды прохождения теплых фронтов на рис. 2 соответствуют областям 1 и 3. Периоды прохождения холодных атмосферных фронтов на рис. 2 соответствуют областям 2 и 4.