Divkāršās polarizācijas radars uzlabo laika prognožu precizitāti, precīzi analizējot nokrišņu daļiņu izmēru un formu. Izmantojot dažādus izejas mainīgos, tas var atšķirt spēcīgas lietusgāzes, krusu un citus lietusgāzes, kā arī nodrošināt ātru reaģēšanu uz laikapstākļiem.
Nokrišņu prognozēšanas un laika apstākļu novērošanas nozīme
Tādas laikapstākļu parādības kā spēcīgas lietusgāzes, krusa un spēcīga snigšana var izraisīt katastrofas, tāpēc ir svarīgi prognozēt nokrišņus un sagatavoties postījumiem. Pēdējos gados duālās polarizācijas radaru novērojumi ir ļāvuši veikt ātrākus un precīzākus laikapstākļu novērojumus, nokrišņu informāciju atjauninot ik pēc 10 minūtēm. Šiem laikapstākļu novērošanas tehnoloģiju sasniegumiem ir svarīga loma dabas katastrofu mazināšanā. Jo īpaši laikapstākļu novērošana ir būtiska arī lauksaimniecībā, ūdens apsaimniekošanā, pilsētplānošanā un citās nozarēs. Tā sniedz svarīgu informāciju, lai pareizi regulētu kultūraugu augšanai nepieciešamo ūdensapgādi, novērstu plūdus un sausumu, kā arī projektētu pilsētu drenāžas sistēmas.
Kā darbojas divkāršās polarizācijas radars?
Tātad, kā duālās polarizācijas radars novēro laika apstākļus? Būtībā laika apstākļu radari sūta radioviļņus atmosfērā, un, kad tie atstarojas no nokrišņu daļiņām, tie analizē uztvertos viļņus un aprēķina vairākus mainīgos, lai analizētu nokrišņu daļiņas. Arī duālās polarizācijas radars izmanto šo principu, vispirms nosakot nokrišņu daļiņu aptuveno izmēru un skaitu, izmantojot atstarošanas spēju, kas ir pārraidīto un uztverto viļņu stipruma salīdzinājums.
Divkāršās polarizācijas radara pārraidītie un uztvertie radioviļņi sastāv no horizontāla viļņa, kas svārstās virzienā, kas ir perpendikulārs zemei, un vertikāla viļņa, kas svārstās virzienā, kas ir perpendikulārs zemei. Katra viļņa atstarošanos sauc par horizontālo un vertikālo atstarošanos, un to mēra decibelos uz kvadrātmetru (dBZ). Atstarošanās spēja, ko izmanto kā divkāršās polarizācijas radara izejas mainīgo, ir horizontālā atstarošanās spēja, kas ir proporcionāla nokrišņu daļiņu izmēram un skaitam uz 1 m³ tilpuma vienību. Parasti smidzinošam lietum ar mazām un dažām nokrišņu daļiņām ir vērtība 1 dBZ vai mazāka, savukārt spēcīgam lietum ar lielām un daudzām nokrišņu daļiņām ir vērtība 20 dBZ vai vairāk. Tomēr krusas gadījumā dažreiz ir grūti atšķirt nokrišņu daļiņu veidu, pamatojoties tikai uz atstarošanos, jo atstarošanās spēja var šķist līdzīga lietusgāzes atstarošanās spējai, pat ja nokrišņu daļiņu izmērs un skaits atšķiras. Tāpēc, lai tās atšķirtu, ir nepieciešami citi izejas mainīgie.
Izmantojot dažādus izejas mainīgos
Pirmkārt, diferenciālo atstarošanos var izmantot, lai noteiktu nokrišņu daļiņu izmēru un formu. Diferenciālā atstarošanās ir horizontālā atstarošanās, no kuras atskaitīta vertikālā atstarošanās, ar pozitīvu vērtību, ja nokrišņu daļiņas ir garākas horizontāli, un negatīvu vērtību, ja tās ir garākas vertikāli, un to mēra decibelos (dB). Piemēram, spēcīgā lietusgāzē ar lielām nokrišņu daļiņām gaisa pretestība, ar kuru saskaras lietus lāses, krītot, izraisa to horizontālu izkliedi, kā rezultātā diferenciālā atstarošanās ir lielāka par 2 dB. No otras puses, ja krusa vai sniegs nav izkusis un sastāv no tīra ledus, pat ja daļiņas ir lielas, tās neizplatās horizontāli, un, tā kā tās krīt rotācijas kustībā, tās ir gandrīz sfēriskas un bieži vien to diferenciālā atstarošanās vērtība ir 0 dB. Tas ļauj atšķirt tādas laikapstākļu parādības kā spēcīgas lietusgāzes un krusa, pat ja tām ir līdzīgas atstarošanās vērtības. Tomēr pat smidzināšana ar nokrišņu daļiņām, kas ir mazākas par 0.3 mm, saskaras ar ļoti mazu gaisa pretestību, tāpēc diferenciālā atstarošanās bieži vien ir 0 dB, jo nokrišņu daļiņas paliek sfēriskas. Tāpēc, lai atšķirtu nokrišņu daļiņu veidus, ir jāņem vērā gan atstarošanas spēja, gan diferenciālā atstarošanas spēja kombinācijā.
No otras puses, zināšanas par nokrišņu daļiņu veidu, piemēram, lietus vai krusa, un nokrišņu daļiņu izmēru nav pietiekamas, lai precīzi novērtētu nokrišņu daļiņu skaitu tilpuma vienībā. Tāpēc informācija par nokrišņu daļiņu skaitu tiek iegūta, izmantojot izejas mainīgos, ko sauc par diferenciālo fāzes starpību un nediferenciālo fāzes starpību. Kad radara viļņi trāpa nokrišņu daļiņai, nokrišņu daļiņas izmērs un forma izraisa horizontālās un vertikālās polarizācijas progresēšanu ar atšķirīgu ātrumu. Abu polarizāciju fāze mainās attiecīgi, un šo fāžu starpības kumulatīvā vērtība ir diferenciālā fāzes starpība. Vienība ir grādi (°), un fāzes starpību iegūst, no horizontālās polarizācijas fāzes atņemot vertikālās polarizācijas fāzi. Jo lielāks ir nokrišņu daļiņas šķērsgriezuma diametrs, caur kuru iziet radioviļņi, jo lielāka ir fāzes vērtība, tāpēc, tāpat kā diferenciālajai atstarošanai, tai ir pozitīva vērtība, ja nokrišņu daļiņa ir garāka horizontāli, un negatīva vērtība, ja tā ir garāka vertikāli. Tā kā diferenciālā fāzes starpība turpina uzkrāties pa izplatīšanās virzienu, to raksturo fakts, ka tā var dot nulles vērtības pat tad, ja nokrišņu daļiņu nav.
Diferenciālās fāzes starpības izmaiņu ātrumu noteiktā novērošanas diapazonā sauc par nediferenciālo fāzes starpību. Ja diferenciālā fāzes starpība ir 0° punktā, kas atrodas 5 kilometru attālumā no radara, un 10° punktā, kas atrodas 10 kilometru attālumā, tad diferenciālā fāzes starpība starp 5 un 10 kilometriem ir 1°/km, kas ir diferenciālās fāzes starpības izmaiņas 10° apmērā, dalītas ar 10 kilometru apļveida attālumu. Atšķirībā no diferenciālās fāzes starpības, nediferenciālā fāzes starpība dod vērtību, kas nav nulle, tikai tur, kur ir klātesošas nokrišņu daļiņas, sniedzot precīzāku nokrišņu daļiņu skaita novērtējumu konkrētajā novērojamajā sadaļā.
Krusteniskās korelācijas koeficientu nozīme
Tomēr, ja sajaucas divu vai vairāku veidu nokrišņu daļiņas, piemēram, kad kūst sniegs un krīt gan kā sniegs, gan lietus, izejas mainīgais var šķist lielāks vai mazāks nekā faktiskais laikapstākļu notikums, kas var radīt neskaidrības. Izejas mainīgais, lai to risinātu, ir krusteniskās korelācijas koeficients. Krusteniskās korelācijas koeficients ir horizontālās un vertikālās polarizācijas signālu līdzības mērs, un jo vērtības ir tuvākas 1, jo līdzīgāks ir nokrišņu daļiņu izmērs un veids. Kopumā krusteniskās korelācijas koeficients ir augsts (0.97 vai augstāks), ja lietus vai sniega laikā novērošanas diapazonā ir izkliedētas viena veida un līdzīga izmēra nokrišņu daļiņas. Tomēr, ja ir dažādu veidu nokrišņu daļiņu maisījums vai ja nokrišņu daļiņas ir viena veida, bet atšķiras pēc izmēra, piemēram, spēcīgā lietusgāzē, krusteniskās korelācijas koeficients var būt mazāks par 0.97.
Tādējādi duālās polarizācijas radars var izmantot dažādus izejas mainīgos, lai precīzāk novērotu un analizētu laikapstākļu parādības. Tas ļauj mums novērst katastrofas un ātri reaģēt uz laikapstākļu izmaiņām. Laika apstākļu novērošanas tehnoloģiju attīstība padarīs mūsu ikdienas dzīvi drošāku un ērtāku.
