Радиолокационное зондирование представляет собой важнейший инструмент в изучении атмосферных процессов, обеспечивающий получение детализированных данных о распределении осадков, облачности, турбулентности, ветровых полей и других параметров атмосферы. В отличие от пассивных методов наблюдения, основанных на регистрации естественного излучения атмосферы, радиолокационное зондирование является активным методом: оно предполагает излучение радиоволн и анализ характеристик их рассеяния при взаимодействии с атмосферными объектами.
В основе работы радиолокатора лежит излучение электромагнитных волн в радиодиапазоне, которые распространяются в атмосфере, рассеиваются или отражаются от различных объектов (гидрометеоров, границ турбулентных слоёв и пр.) и принимаются приемной антенной. Важнейшими характеристиками радиолокационного сигнала являются:
Используемая длина волны варьируется от сантиметрового до дециметрового диапазона, что определяет чувствительность радара к различным типам рассеивателей.
Отражательная способность атмосферы обусловлена в первую очередь наличием в ней гидрометеоров — капель воды, кристаллов льда, снега, града, а также неравномерностей показателя преломления, вызванных турбулентностью. Радиолокационное уравнение, описывающее получаемый сигнал, можно выразить как:
$$ P_r = \frac{P_t G^2 \lambda^2 \sigma}{(4\pi)^3 R^4 L} $$
где:
Для облаков и осадков отражательная способность пропорциональна шестой степени диаметра частиц, что делает радиолокатор особенно чувствительным к крупным каплям или градине.
1. Метеорологические радиолокаторы (Weather Radar) Они используются для наблюдения за осадками и облачными системами. Современные системы, как правило, работают в C-диапазоне (5–6 см) или S-диапазоне (10 см) и обеспечивают данные о трехмерной структуре осадков.
2. Доплеровские радиолокаторы (Doppler Radar) Доплеровский эффект позволяет измерять скорость перемещения гидрометеоров вдоль луча радара. Эти данные используются для анализа движения воздушных масс, определения шквалов, вихрей, градиентов ветра.
3. Поляриметрические радиолокаторы (Dual-Pol Radar) Используют излучение с различной поляризацией (горизонтальной и вертикальной), что позволяет уточнять микрофизические характеристики осадков — различать дождь, снег, мокрый снег, град, выявлять формы капель и льдин.
4. Профилометры ветра (Wind Profilers) Работают в метровом или дециметровом диапазоне. Позволяют получать вертикальные профили горизонтального ветра на высотах до 20 км, используя отражение от турбулентных неоднородностей воздуха.
Радиолокаторы позволяют в реальном времени отслеживать развитие конвективных ячеек, зон сильного дождя, града и молний. Системы радиолокационного мониторинга являются основой современных прогнозов опасных явлений погоды, в том числе:
На основе данных радиолокации возможно определение интенсивности осадков, суммарного количества осадков по территории, скорости перемещения фронтов.
С использованием поляриметрических радиолокаторов можно получать информацию о форме, фазе и размерах частиц в облаках. Это существенно для валидации моделей микрофизики облаков, оценки эффективности процессов осадкообразования и интенсификации конвекции.
Доплеровские радары высокой чувствительности, ориентированные вертикально, регистрируют мелкомасштабные неоднородности в атмосфере. Такие радары используются для:
С развитием радиолокационных сетей (например, европейская OPERA, американская NEXRAD) стало возможным построение трёхмерных карт отражательной способности атмосферы, позволяющих реконструировать пространственную структуру метеорологических явлений. Композитные изображения, построенные на основе множества радаров, применяются:
Многоракурсные измерения позволяют также вычислять векторы горизонтального ветра методом перекрестного анализа доплеровских скоростей от нескольких радаров.
В метровом диапазоне радиоволны могут рассеиваться на ионизационных неоднородностях в ионосфере. Такие радары применяются для:
Примером является сеть SuperDARN — глобальная система HF-радаров, обеспечивающая картину плазменных потоков на высоких широтах.
Несмотря на широкие возможности, радиолокационное зондирование имеет ряд ограничений:
Радиолокационная информация используется в численных моделях прогноза погоды для:
Особое значение имеет ассимиляция радиолокационных данных в моделях высокого разрешения, где они дополняют спутниковые и наземные наблюдения.
Современные тенденции в развитии радиолокационного зондирования включают:
Эти направления способствуют повышению точности и оперативности диагностики состояния атмосферы, особенно в условиях стремительно меняющегося климата и роста числа экстремальных погодных явлений.