Как радар определяет турбулентность и скорость ветра?

В ответе на вопросы о турбулентности в этом ответе упоминалось, что самолеты используют радар, чтобы помочь обнаружить наиболее турбулентные области шторма, чтобы пилоты могли их избежать.

Как это делает радар? Связано ли это с дождем внутри бури, движущейся вверх и вниз вместе с ветром? И если да, то может ли радар вообще определять скорость ветра вне шторма?

Вы читали здесь ответы ?
@fooot Сейчас есть, но ни один из этих ответов не отвечает на мой вопрос. Они дают хорошее общее представление о метеорологическом радаре, но не дают подробностей о том, как метеорологический радар видит турбулентность.
Подробнее об обнаружении CAT с помощью бортового УФ-лидара: система DELICAT LIDAR предупреждает пилотов о воздушной турбулентности впереди .
@mins Вы можете подумать о том, чтобы превратить это в ответ и посмотреть, как все проголосуют за него.
Подробнее об обнаружении сдвига ветра на малых высотах в аэропорту Японии с помощью лидара и радара. Также эта презентация .
@JayCarr: Я хотел бы предоставить полное резюме, однако у меня нет хорошего опыта в этой теме, я просто вспоминаю некоторые чтения о лидаре. Я надеюсь, что кто-то сможет включить эти элементы в полный ответ.

Ответы (2)

Ответ , на который вы ссылаетесь, объясняет, как радар используется для полета через линию шквала , избегая при этом самых турбулентных областей.

Обычный метеорологический радар не может напрямую определять скорость ветра или турбулентность, он обнаруживает только твердые и жидкие объекты размером выше порогового.

Наиболее неспокойными областями гроз являются также те области, которые содержат больше всего воды и льда. Эти осадки очень хорошо отражают радиолокационные волны, поэтому самые турбулентные области имеют самые сильные отражения и отображаются на прицеле красным/фиолетовым цветом. Область с подветренной стороны от ядра обычно также очень турбулентна.

Таким образом, метеорологический радар просто обнаруживает присутствие воды. Именно пилот, интерпретирующий изображение, действительно обнаруживает турбулентность.

Турбулентность ясного воздуха (CAT) не содержит водяного конденсата и поэтому не может быть обнаружена обычным радаром. Существуют такие системы, как LIDAR, которые могут обнаруживать CAT, но обычно они не устанавливаются на самолеты.

Как отметил @reirab в комментарии, доплеровский радар можно использовать для определения относительной скорости частиц от самолета. Это не используется для надежного определения скорости ветра, но при больших колебаниях скорости ветра (турбулентность) доплеровский сдвиг в отражениях от частиц приводит к расширению спектра. Это признак турбулентности. Традиционные бортовые метеорологические радары S-диапазона не имеют такой возможности, но более новый радар X-диапазона (например, этот радар Honeywell (PDF) ) может обнаруживать влажную турбулентность на расстоянии до 40-60 морских миль, используя эту технику.

LIDAR (сочетание слов Light и RADAR) — это технология, использующая свет вместо радиоволн. Лидар может измерять положение и относительную скорость аэрозолей и, следовательно, его можно использовать для обнаружения турбулентности. Он успешно использовался для обнаружения сдвигов ветра и картирования вихревых следов на конечном этапе захода на посадку с земли ( документ в формате PDF ).

В настоящее время продолжается расследование ( бумажный PDF , презентационный PDF ) использования LIDAR в воздухе для обнаружения CAT. Одной из трудностей является обнаружение вертикальных составляющих турбулентности. Это вызывает очень небольшой доплеровский сдвиг, но в то же время оказывает наибольшее влияние на самолет (поскольку вертикальная составляющая турбулентности вызывает изменения угла атаки).

Насколько мне известно, в настоящее время нет коммерческого применения лидара для обнаружения турбулентности в воздухе.

Обычный радар не может обнаруживать ветер напрямую, но он может обнаруживать движение твердых частиц (например, капель воды) с помощью эффекта Доплера (именно поэтому метеорологические радары часто называют «доплеровскими радарами»). быть более или менее равным местной скорости ветра, мы можем вычислить скорость ветра (по крайней мере, ее составляющую в сторону или от радара), используя этот эффект. Однако вы правы, что для CAT это сложнее из-за меньших отражений от твердых частиц.
@reirab Вы не можете надежно различить составляющую ветра с бортового метеорологического радара. Когда доплеровский сдвиг приводит к расширению спектра, вы можете обнаружить изменение скорости ветра при влажной турбулентности. Это используется в метеорологических радарах X-диапазона нового поколения. Многие самолеты до сих пор летают с более традиционным метеорологическим радаром S-диапазона, у которого нет этого режима турбулентности. Типы X-диапазона могут обнаруживать влажную турбулентность в диапазоне до 40-60 морских миль.
@reirab Я не думаю, что типичные метеорологические радары что-то делают для измерения этих скоростей, или, по крайней мере, они не отображаются. Дисплеи радара обычно показывают «базовую отражательную способность» в дБм. Это не имеет никакого отношения к скорости отражающих частиц.
@ДжоэлМ. Насчет бортовых радаров не уверен, но на наземных метеорологических радарах так постоянно делается. В США Национальная метеорологическая служба делает общедоступными графические изображения данных о ветре со всех своих радаров Nexrad. См. здесь , например. Это особенно полезно для обнаружения высоких уровней сдвига ветра, которые могут указывать на вращение (и, следовательно, на образование торнадо). Это один из основных инструментов NWS для выпуска предупреждений о торнадо.
@ДжоэлМ. Обратите внимание, что здесь измеряется другое. Для скорости ветра они измеряют доплеровский сдвиг, то есть частоту принятого сигнала (и ее отличие от частоты, которая была первоначально передана). Амплитуда принятого сигнала отображается в дБм, что дает вам информацию об осадках . интенсивность. Однако информация как о частоте, так и об амплитуде извлекается из одного и того же принятого сигнала.
Я знаю, что их нет в самолетах, но не могли бы вы немного объяснить, что такое лидар, как он обнаруживает CAT и почему его нет на самолетах. Я надеюсь, что это поможет контекстуализировать ответ Кейси, если вы вставите это в свой.
@reirab Я понимаю сделанные измерения (я работаю на радаре), просто не думал, что они отображают какие-либо данные Доплера на таких сайтах, как NWS. Интересно посмотреть, что они делают.
@JayCarr LIDAR, как правило, слишком большой, сложный, тяжелый, дорогой и т. д., чтобы его можно было установить на что-либо, кроме специального самолета с датчиками. Я полагаю, что лидары, которые они используют для измерения CAT, также обычно наземные. Не знаю многих деталей того, как они обнаруживают CAT, но он основан на изменениях преломления в атмосфере, которые присутствуют в областях турбулентности. Это будет очень трудно сделать с движущейся платформы, если не невозможно.
@ДжоэлМ. Возможно, вы могли бы отредактировать это в ответе? Я знаю, что это не принесет вам прямой пользы, но было бы неплохо получить реальный ответ... Я также до сих пор не уверен, как работает лидар? Использует ли он другую частоту, чтобы показания были более точными?
@JayCarr Я добавлю информацию о лидаре завтра, сейчас слишком занят другими неотложными делами с банкоматами.
@DeltaLima Сладко! Спасибо, буду читать :)
@JayCarr Это заняло немного больше времени, чем ожидалось, но лидар добавлен.

Короткий ответ: радар не может напрямую наблюдать за ветром. Что радар может обнаружить, так это скорость мелких частиц, поднятых в воздух. Это делается путем измерения доплеровского сдвига энергии, возвращаемой радару. Радар может обнаруживать только составляющую скорости по направлению к радару или от него.

Радару не нужно диагностировать турбулентность внутри конвекции, поскольку предполагается, что она уже существует и является частью природы конвекции. Гораздо ценнее обнаружить турбулентность ясного воздуха, которая не имеет визуальных признаков, которые имеют кипящие кучевые облака.

К счастью, чистый воздух, как правило, не совсем чистый. Если есть аэрозоли или насекомые, которые достаточно велики, чтобы рассеивать энергию радара, то радар может определить их движение как движение ветра. Для мелких вещей, таких как пыль и насекомые, это неплохое приближение. Энергия возврата этих рассеивателей очень мала и, как правило, ниже порога, который отображает дисплей радара (в отличие от птиц или летучих мышей), но компьютеры могут интерпретировать данные.

Обнаружение турбулентности является алгоритмическим, и хотя я не знаю конкретных используемых алгоритмов, мое первое предположение состоит в том, что они рассматривают изменение доплеровской скорости с расстоянием от самолета и рассматривают временные ряды доплеровских скоростей на каждое выбранное местоположение в последующих сканированиях. Если отклонение соответствует некоторым критериям, это может быть классифицировано как «турбулентность» и сигнализировать пилотам. Возможности такой системы также зависят от физических возможностей радара, включая длину волны, на которой работает радар, разрешение и частоту дискретизации.

Радар фактически обнаруживает турбулентность чистого воздуха, используя изменения рефракции, вызванные турбулентностью, а не движением частиц. Ни один из известных мне радаров не может видеть и измерять движение таких маленьких объектов, как жуки, они фактически невидимы для радаров любой длины волны, достаточно большой, чтобы распространяться в атмосфере. Однако измерить рефракцию очень сложно, и, насколько я знаю, очень мало радаров, которые на самом деле предназначены для этого. См.: journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/…
На самом деле я говорю, что CAT (турбулентность ясного неба) обычно не измеряется с помощью радара. Это выводится из таких вещей, как конвективная погода и осадки, но не измеряется.
@ДжоэлМ. Я приветствую редактирование моего поста, если вы хотите поделиться своими знаниями. Что касается ошибок, я не могу подтвердить бортовой радар, но я думаю, что вы найдете множество примеров в S-диапазоне, например, в сети WSR88D. Я также видел аналогичное использование поднятых насекомых, вызывающих тонкие линии радара на границах схождения, как на WSR-88D, так и на различных воплощениях автомобилей DOW. Недавно были даже проведены некоторые исследования сигнатур двойного поляризации насекомых, например, journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JTECH-D-13-00247.1 .
похоже, ваш опыт в этой области больше моего, поэтому я могу только предполагать, но я знаю, что радар сможет обнаруживать такие вещи, как жуки и твердые частицы, только в больших и плотных количествах. Поэтому, хотя я полагаю, что таким образом можно обнаружить турбулентность, этот метод не кажется очень надежным.
Знаете ли вы какую-либо радиолокационную систему, которая регулярно используется для непосредственного обнаружения турбулентности? Единственные, о которых я слышал, использующие метод рефракции, были построены для других целей, а затем использовались для обнаружения CAT в исследованиях.
@ДжоэлМ. К сожалению, нет, но меня не удивило бы то, что некоторые исследовательские радары, которые я видел, способны на это. Это может быть хороший вопрос, чтобы задать на науке о Земле .
Итак... Это система, которая в настоящее время используется в самолетах? А этот ответ правильный? Мне трудно понять это после прочтения комментариев.
Как радар определяет турбулентность и скорость ветра?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v