18ЛЬВОВА М.В., ТАРАБУКИН И.А.
История и перспективы использования радиолокаторов в исследовании микрофизических параметров облаков и осадков в условиях Антарктиды
M . LVOVA, L. TARABUKIN
The history and perspective of using radio detectors in the research of microphysical parameters of clouds and precipitations under the Antarctic conditions
Сведения об авторах:
Львова Маргарита Владимировна, заведующая лабораторией научно-методических основ радиометеорологических наблюдений Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург) Rita_Lvova@mail.ru
Тарабукин Иван Алексеевич, заведующий отделом геофизического мониторинга и исследований Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург) tarabukin@mail.ru
About the authors:
Margarita Vladimirovna Lvova, Head of the Laboratory of scientific and methodological foundations of radio meteorological observations, the Voeikov Main Geophysical Observatory (Saint Petersburg) Rita_Lvova@mail.ru
Ivan Alekseevich Tarabukin, Head of the Department of Geophysical Monitoring and Research, the Voeikov Main Geophysical Observatory (Saint Petersburg) tarabukin@mail.ru
Аннотация
В данной статье обобщены наиболее важные результаты активно-пассивного исследования атмосферы, выполненные специалистами Главной геофизической обсерватории в полярных экспедициях. Предложен вариант современного
использования метеорологических радиолокаторов в составе комплексных автоматизированных информационно-измерительных систем.
Abstract
This article summarizes the most valuable results of active-passive researches of the atmosphere, made by the specialists of the Main Geophysical Observatory in Polar expeditions. The authors presented a variant of the modern use of meteorological radars in the complex automated information measuring system.
Ключевые слова:
Арктика, метеорологический радиолокатор, облака, осадки, метеообеспечение
авиации.
Keywords:
Arctic, weather surveillance radio detector, clouds, precipitation, aviation meteorological supply.
Использование дистанционных радиофизических методов измерений характеристик облачной атмосферы и параметров подстилающей поверхности в условиях Антарктиды - несомненно, важная глава в истории широчайшего спектра радиометеорологических исследований, проводимых в полярных регионах под руководством Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО).
В данной статье будут приведены наиболее важные результаты активно-пассивного исследования атмосферы и атмосферных образований, выполненные специалистами ГГО в полярных экспедициях конца ХХ в., обобщены некоторые исторические факты, связанные с пребыванием сотрудников на исследовательской базе Восточной Антарктиды, намечены возможные перспективы дальнейшего изучения погоды и климата южного континента методами активной радиолокации.
История радиолокационного исследования облаков и осадков в Антарктиде началась в мае 1980 г. с момента установки в районе авиационного метеорологического центра (АМЦ) «Молодёжная» метеорологического радиолокатора типа МРЛ-1 (с условным названием «Облако»). МРЛ-1 был разработан специалистами Всесоюзного научно-исследовательского института радиоаппаратуры (ВНИИРА) в 1962 г. под руководством главного конструктора Г.Ф. Шевелы для решения задач штормового оповещения и метеообеспечения авиации. Серийный выпуск радиолокатора организован заводом «Электромаш» в 1966 г.
Метеорологический радиолокатор МРЛ-1 представляет собой передвижную радиолокационную станцию, имеющую два независимых канала (условно именуемых I и II канал). I канал, с мощностью передатчика 65 кВт, предназначен для работы в миллиметровом диапазоне длин волн (А. = 8); II канал, с мощностью передатчика 210 кВт, - в сантиметровом (А. = 3,2)1. Первый канал используется для определения параметров облаков, находящихся на расстоянии до 10 км, второй - для обнаружения облаков и осадков в радиусе до 300 км от радиолокатора. Направленное действие антенны достигается использованием параболического зеркала с диаметром раскрыва 3 м. Диаграммы направленности антенны для обоих каналов симметричные и имеют ширину для первого канала 13', для второго канала 44'. Метеорологическая информация отображается на индикаторах «дальность - высота» (ИДВ - индикатор дальность - высота) и «дальность - амплитуда» (ИКО - индикатор кругового обзора).
Позиция размещения МРЛ (координаты: 67° 40' ю. ш., 46° 08' в. д.) была выбрана в километре от взлётно-посадочной полосы (ВПП) АМЦ «Молодёжная» на высоте 256 м над уровнем моря2 (рис. 1). Максимальный угол
Руководство по производству наблюдений и применению информации с радиолокаторов МРЛ-1 и МРЛ-2. Л., 1974. 335 с.
Степаненко В.Д., Брылёв Г.Б., Дорожкин Н.С., Ильин Я.К., Огуряев В.С., Щукин Г.Г., Воскресенский А.И. Активные и пассивные радиолокационные исследования атмосферы и атмосферных образований в Антарктиде // Метеорологические исследования в Антарктиде: сборник докладов на 2-м Всесоюзном симпозиуме. 1986. Ч. 2. С. 89-96 (все авторы, кроме А.И. Воскресенского (ААНИИ) - сотрудники ГГО).
закрытия горизонта определялся близостью горы Вечерняя и составлял 1,2° в секторе 340-350°, в остальных направлениях углы закрытия отсутствовали. Позже, в январе 1981 г., позиция МРЛ была дооснащена радиометрической аппаратурой, что позволило изучать атмосферу методами пассивной радиолокации.
МРЛ со встроенным радиометрическим комплексом позволил решить в условиях Антарктиды следующие основные задачи:
- радиометеорологическое обеспечение безопасности полётов авиации в Антарктиде. С введением в эксплуатацию уникальной снежно-ледовой ВПП АМЦ «Молодёжная» в феврале 1980 г. был открыт воздушный мост «Москва - Молодёжная». 13 февраля 1980 г. полоса впервые приняла самолёт Ил-18Д из Москвы. Впоследствии рейсы выполнялись регулярно, взлёт и посадка часто происходили «в особых метеоусловиях» с повышенными требованиями к работе метеорологического оборудования, поддержанием высокой координации оперативных служб и метеоподразделений аэропорта;
- измерение водозапаса конвективной облачности. После установки на МРЛ радиометра с \=3,2 см появилась возможность принимать собственное тепловое излучение атмосферы, несущее информацию о наличии в облачности жидкокапельной влаги. Экспериментальные наблюдения за кучево-дождевыми облаками с помощью активно-пассивного комплекса продемонстрировали перспективы комплексного исследования облачных систем в полярном регионе;
- исследование пространственной структуры облаков с целью выявления связей с характеристиками лучистого теплообмена в атмосфере. Облака являются регуляторами поставки лучистой энергии к земной поверхности, что играет немаловажную роль в формировании погодных условий и климата южного континента. Данные активно-пассивного комплекса метеорологической радиолокационной станции приобретают особое значение в силу своих возможностей определения параметров облаков на больших площадях (в радиусе до 300 км) и фактически в реальном масштабе времени;
- создание банка данных высот верхней и нижней границ различных форм облаков и их радиолокационной отражаемости для получения режимной информации об облаках Антарктиды. Результаты радиолокационных наблюдений за состоянием облачности и типом выпадающих осадков на АМЦ «Молодёжная» за период 1980-1992 гг. вошли в режимно-справочный банк данных «МРЛ-Штормооповещения». Анализ материалов двенадцатилетнего периода наблюдений показал различие в данных высоты верхней и нижней границ облачного покрова: а) над акваторией, побережьем
и материковой частью Антарктиды, б) в зависимости от сезона наблю-дений1, в) в сравнении с аналогичными показателями средних широт2;
- исследование распределения и динамики льдов и айсбергов в заливе Алашаева. Методика наблюдений за дрейфом айсбергов заключается в регулярном определении (от обзора к обзору МРЛ) местонахождения объекта импульсным методом определения дальности в пределах зоны прямой радиовидимости. Дальность обнаружения айсбергов зависит от их высоты. Например, айсберг высотой 100 м при нормальной рефракции обнаруживается на удалении более 100 км, в условиях повышенной рефракции - до 150 км. Геометрические размеры айсбергов определялись методом радиотени3. Сопоставление данных МРЛ с измерениями по теодолиту показало, что расхождение не превышает 10 %;
- решение научно-методических задач с целью расширения информативности МРЛ и повышения его эффективности. В процессе оперативного использования МРЛ накапливался репрезентативный архив фотодокументов (около 10 тыс. кадров ИДВ) и наблюдений за облачностью и осадками в зоне обзора радиолокатора, решался ряд научно-методических задач. По итогам длительного периода наблюдений было установлено, что радиус обнаружения облаков МРЛ примерно такой же, как и в северо-западном районе постсоветского пространства в холодный и отчасти в переходный периоды года4. Набранная статистика по осадкам позволила уточнить параметры (коэффициенты) 2-/-соотношения для основных метеорологических явлений, наблюдаемых на территории Антарктиды5.
Безусловно, до установки МРЛ-1 в Антарктиде был накоплен богатый опыт его использования на постсоветском пространстве.
Дорожкин Н.С., Огуряев В.С. Характеристики облачности в Антарктиде в зимний период по наблюдениям на МРЛС // Радиолокационная метеорология. Л., 1982. Вып. 2. С. 129-132.
Александров А.С., Банников В.И., Диневич В.А. Результаты радиолокационных наблюдений облачности в прибрежной зоне восточной Антарктиды. Результаты и перспективы радиолокационных метеорологических исследований в Антарктиде // Метеорологические исследования в Антарктике: сборник докладов на 3-м Всесоюзном симпозиуме. 1991. Ч. 2. С. 112-115 (все авторы, кроме А.С. Александрова (ААНИИ) - сотрудники ГГО).
Банников В.И., Брылёв Г.Б., Леонтьев А.К., Огуряев В.С., Дорожкин Н.С., Степаненко
B.Д., Устинов В.К., Фролов В.И., Щукин Г.Г., Воскресенский А.И. Результаты и перспективы радиолокационных метеорологических исследований в Антарктиде // Там же.
Банников В.И., Галкин С.И., Тарабукин И.А. Радиофизическое исследование характеристик облачной атмосферы в условиях Антарктиды // Труды ГГО. 1991. Вып. 538.
C. 71-75.
Плещеев Ю.Г., Фролов В.И. Измерение осадков в Антарктиде с помощью МРЛС // Радиолокационная метеорология. Л., 1984. Вып. 3. С. 64-67.
Одновременно с плановым оснащением крупных авиационных центров радиолокаторами типа МРЛ-1 опытно-конструкторским бюро завода «Электромаш» велась разработка нового радиолокатора типа МРЛ-2, а позднее и МРЛ-5 (условно именуемого «Радиоград»). На протяжении всего периода эксплуатации МРЛ-1 в Антарктиде радиолокационные метеорологические наблюдения велись на сети штормового оповещения Госкомгидромета с использованием 148 позиций МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. Однако опыт проведения наблюдений и дальнейшей обработки результатов МРЛ-1 АМЦ «Молодёжная» для нашей страны является единственным и уникальным по сей день1.
С 2008 г. в нашей стране взят курс на модернизацию радиолокационного оснащения: разработан и успешно применяется целый ряд МРЛ с техническими характеристиками, адаптированными под конкретные нужды потребителей (доплеровские, поляризационные), в технологичных вариантах исполнения (мобильные, малогабаритные), что, безусловно, представляет теоретический интерес применительно к антарктическим исследованиям.
Поляризационные возможности современных метеорологических радиолокаторов (в том числе и малогабаритных) позволяют классифицировать фазовое состояние и тип выпадающих осадков2. Перспектива исследования методов поляризационной селекции в условиях Антарктиды обусловлена огромным разнообразием наблюдаемых водно-ледяных частиц (метеорологических целей) как в облаках, так и в процессе выпадения осадков: на шельфовых ледниках и в краевой зоне ледникового покрова преобладают атмосферные осадки, выпадающие из облаков фронтальной и внутримассовой облачности (в виде мелких пластинчатых снежинок, снежной крупы и т. д.), во внутриконтинентальных районах наблюдаются атмосферные явления, представляющие собой результат сублимации водяного пара непосредственно из воздуха (ледяные иглы, изморозь)3.
Другое перспективное направление использования МРЛ на южнополярном континенте - измерение радиолокационным способом количества выпавших осадков. Выпадающие осадки, не имея существенного значения в водном балансе Южного океана, являются на материке единственной приходной статьёй в вещественном балансе оледенения. Измерение количества выпавших осадков в антарктическом регионе
Тарабукин И.А. Радиометеорологические исследования в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова // Труды ГГО. 2017. Вып. 585. С. 112-160. Рыжков А.В. Поляризационные методы метеорологической радиолокации // Зарубежная радиоэлектроника. 1993. № 4. С. 18-28.
Петров В.Н. Атмосферное питание ледникового покрова Антарктиды. Л., 1975. 152 с.
на протяжении всей истории метеонаблюдений представляет колоссальный интерес, но сопряжено с огромными трудностями. Дело в том, что точечные измерения осадков с использованием, например, плювиографов недостоверны ввиду преобладания сильных ветров (а следовательно, наличия существенного горизонтального переноса), сопровождающих осадкообразующую облачность.
Однако, на наш взгляд, для всех видов научно-исследовательских работ, метеорологического обслуживания авиации в условиях Антарктиды было бы актуальным использование комплексных автоматизированных информационно-измерительных систем1, в которые в качестве составной части входил бы метеорологический радиолокатор2.
Тарабукин И.А., Дорофеев Е.В. Комплексная автоматизированная информационно-измерительная система метеообеспечения авиации и прогноза опасных гидрометеорологических явлений // Труды ВНИИГМИ-МЦД. 2015. Вып. 179. С. 100-110. Дорофеев Е.В., Зверев В.В., Львова М.В., Тарабукин И.А. Развитие комплексной автоматизированной информационно-измерительной системы метеообеспечения авиации и прогноза опасных гидрометеорологических явлений «КАСМЕТЕО» // Труды ГГО. 2015. Вып. 577. С. 127-140.
