CC BY
23
УДК 551.577.61
СОПОСТАВЛЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ОСАДКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ 2010 ГОДА В ГОРНЫХ РАЙОНАХ КАБАРДИНО-БАЛКАРИИ
© 2011 г. К.Б. Лиев, А.С. Малкаров
Высокогорный геофизический институт, High-Mountain Geophysical Institute,
пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030,
vgikbr@rambler.ru vgikbr@rambler.ru
Радиолокационный метод измерения осадков имеет преимущества по сравнению с наземными измерениями — охват большой территории (в радиусе 128 км), оперативность (в режиме реального времени). Основной проблемой реализации данного метода является точность регистрации. Для её определения нами в работе с помощью локатора и сети плювиографов исследуются ошибки радиолокационного измерения осадков. Исследования показали, что радиолокатор при условии его калибровки наземными данными является весьма надежным и точным измерительным прибором. Разработанный нами радиолокационный метод измерения интенсивности и количества жидких и смешанных (град с дождем) осадков адаптирован к измерениям в горных районах, где высота местности значительно превышает уровень размещения радара.
Ключевые слова: осадки, радиолокатор, плювиограф, корреляция, погрешность.
The radar-tracking method of measurement of deposits has advantages in comparison with land measurements — coverage of the big territory (in radius of 128 km), efficiency (in a mode of real time). The basic problem of realisation of the given method is accuracy of registration. For its definition we in work by means of a locator and a network pluviographs investigate errors of radar-tracking measurement of deposits. Researches have shown, that a radar under condition of its calibration by land data, is rather reliable and the exact measuring device. The radar-tracking method of measurement of intensity developed by us and quantity liquid and mixed (hailstones with a rain) deposits is adapted for measurements in mountain areas where the district height considerably exceeds level ofplacing of a radar.
Keywords: precipitations, radar, pluviograph, correlation, error.
Количество выпадающих осадков измеряют различными приборами-дождемерами. В некоторых используется открытый металлический дождемерный сосуд диаметром 20-25 см, который градуируется с помощью находящегося в нем стержня. Выпадающие осадки улавливаются сосудом, а высоту выпавшего слоя определяют по делениям измерительного стержня. Для различных целей применяют дождемеры различной конструкции. Весовые дождемеры снабжены взвешивающим устройством, позволяющим получить сумму осадков для заданного района. Другой вариант дождемера имеет два поочередно действующих сосуда диаметром по 0,25 м каждый. Когда один сосуд наполняется, он наклоняется, собранные им осадки выливаются и автоматически начинает действовать второй сосуд. Число сливов каждого сосуда прибор автоматически записывает. Запись количества выпавших осадков производится с помощью плювиографов. В некоторых плювиографах используется лишь один опрокидывающийся сосуд. Количество выпавшего снега измеряется аналогичным способом, но выпавшему снегу сначала дают растаять. В качестве обычного эмпирического правила считают, что 250 мм снега соответствует 25 мм дождя. Недостатками существующих методов измерения осадков являются измерение осадков в одной точке и малая оперативность.
Мы предлагаем радиолокационный метод измерения осадков, имеющий преимущества над вышеописанными: большой охват территории в радиусе 128 км и высокая оперативность получения результатов. Разработанный нами радиолокационный метод измерения интенсивности и количества жидких и смешанных (град с дождем) осадков адаптирован к измерениям в горных районах, где высота местности значи-
тельно превышает уровень размещения радара. Основные принципы разработанного метода изложены в работах [1-5], наше исследование является их продолжением.
Основные цели работы:
- определить возможность измерения осадков в горных и предгорных районах только радиолокационным методом без привлечения дополнительной информации;
- оценить погрешности радиолокационного метода измерения характеристик осадков в горах.
Радиолокационные измерения проводились с помощью метеорологического радиолокатора МРЛ-5 и автоматизированной радиолокационной системы измерения осадков АСУ «Антиград» на научно-исследовательском полигоне Высокогорного геофизического института (НИП ВГИ). Радиус действия системы составляет 128 км. Для проведения измерений на земле плювиографы были расставлены в районе г. Нальчика.
В работе приводятся данные по дождям за три летних месяца 2010 г. (86 дней), в течение которых проводились совместные наземные и радиолокационные измерения. При этом данные по дождям сопоставляются с радиолокационными параметрами облаков и синоптическими характеристиками дня наблюдений. На рис. 1 представлены зоны зарождения (закрашенный кружок), перемещения (стрелка) и диссипация (кружок) мощных конвективных облаков на территории Кабардино-Балкарской Республики. Штрихпунктирная стрелка показывает направление ведущего потока. С помощью нанесенной на карте сетки 10 х 10 км наглядно показано расстояние прохождения облака.
Рис.1. Перемещение градовых облаков в 2010 г. на территории КБР
Рассмотрим пример измерения осадков.
21.06.2010 г. Погода определялась циклоном на северо-востоке Турции и влиянием теплого фронта с волнами вдоль гор и холодного фронта с запада. По высотам передняя часть термобарического высотного циклона с центром на северо-западе Турции, и термический гребень с юга. Влажность - 49 %, ведущий поток южный - 28 км/ч, высота нулевой изотермы Но = 4 100 м, скорость восходящего потока - 11 м/с. Ожидалось развитие кучевой, кучево-дождевой облачности, во второй половине дня дождь, местами сильный, гроза, град.
Радиолокационные наблюдения за облаками велись с 13 до 23 ч. В районах расположения дождемеров наблюдались дожди. В табл. 1 приводятся данные о количестве выпавших осадков, измеренные наземными и радиолокационными методами.
Таблица 1 Количество выпавших осадков за 21.06.2010 г., мм
№ плювиографа Количество осадков
Плювиограф Радиолокатор
1 31 31,5
2 35 30
3 8,3 7
4 16,1 13
5 11,3 12,5
6 19,2 20
7 17,6 20
Для иллюстрации радиолокационного измерения интенсивности осадков на рис. 2 приведена карта количества выпавших осадков, на фоне которой показано местоположение плювиографов. С помощью палитры цветов можно оценить количество осадков в каждой точке поля.
Показания наземных измерений (количество осадков, температура, давление) даны на рис. 3 на примере автоматическо-
го осадкомера (Davis) № 1, отмеченного кружком на рис. 2.
Результаты наземных и радиолокационных наблюдений за все дни сведены в табл. 2. При сопоставлении результатов нами использована методика совместных наблюдений [1, 3].
По данным наземных и радарных измерений, проведенных нами на территории КБР в летний период 2010 г., был построен график корреляционной зависимости (рис. 4), из которого следует, что наземные и радарные данные разнятся в пределах погрешности, величина достоверности аппроксимации R2 = 0,8171.
Точность измерений количества осадков зависит от погрешностей инструментальных измерений радиолокационной отражаемости Z, а также от ошибок, связанных с допущениями относительно однократности и некогерентности рассеяния, формы гидрометеоров, их диэлектрических свойств и вида функции распределения по размерам.
Погрешности инструментальных измерений нами
оценены по формуле 8 = 100
Z
f
' 1 JXy J dX,
где
8 - относительная среднеквадратичная ошибка измерения интенсивности осадков /; /(X,) - функции, по которым определяются параметры; X.] - переменные, от которых зависит измеряемый параметр.
Рис. 2. Карта распределения количества осадков за 21.06.2010 г. на территории КБР
n
2
<7
i=1
Радиолокационная отражаемость метеообъектов на длинах волн 3,2 и 10 см в п-й ячейке дальности рассчитывается по формулам: 2^=115,3 5+(Р^+ +ЛРз,2п+Кз,2п)+20-№-10-1яСз,2; ^1сь=135,62+(Рюп+АР10п)+20 ■ -Ш-^Сю, где Рз,2п и Рюп - мощности радиоэха на длинах волн 3,2 и 10 см в п-м элементе дальности, азимута и угла места в соответствии с таблицей сквозной градуировки системы АСУ «Антиград»; ДР3,2 и ДР10 - поправки на изменение потенциала МРЛ-5 по обоим каналам; Яп -расстояние до п-го элемента дальности; С32 и С10 - постоянные обоих каналов МРЛ-5; К32п -ослабление радиоволн в осадках на длине волны X = 3,2 см на пути до п-й ячейки дальности.
Кроме инструментальных ошибок, на точность измерения параметров микроструктуры облаков существенное влияние оказывают ошибки, связанные с несоответствием заданной модели спектра гидрометеоров, их диэлектрических свойств и характера рассеяния. Эти параметры полидисперсной системы гидрометеоров в градовых облаках могут варьироваться в значительных пределах. Поэтому оценка погрешностей одно- и двухволнового методов радиолокационного измерения параметров микроструктуры градовых осадков и сопровождающих их ливневых дождей проведена нами путем статистического моделирования процесса измерений с помощью метода Монте-Карло.
Таблица 2
Сводная таблица количества осадков по наземным и радиолокационным данным, мм
День № Осадки День № Осадки
Плювиограф Радиолокатор Плювиограф Радиолокатор
05.06.2010 1 1,4 1,5 29.06.2010 6 6,5 8
7 7,4 10 2 2,2 1,7
5 0,8 1,5 7 30 30
4 3,6 1,5 5 12,5 7
06.06.2010 3 5,3 3,5 4 1 5,5
1 0,8 0,5 30.06.2010 3 1 0,8
6 2 1,5 2 2 1
7 3,2 3 5 0,9 0,9
5 3 2,5 4 1 0,9
4 6 4 04.07.2010 3 0,4 0,6
8 1,8 1 2 0,4 0,6
07.06.2010 1 15,2 2 4 0,6 0,6
6 1,6 2,5 8 0,6 0,6
7 9,4 7 08.07.2010 7 1 0,6
4 1,6 1,5 12.07.2010 3 1,4 1
8 4,2 3 1 4 3
16.06.2010 3 1,4 1,5 6 1,6 1,5
6 0,6 1 2 8,8 4
4 1,45 1,5 7 1 1,2
17.06.2010 3 0,8 0,5 21.07.2010 3 3,8 1
1 4,4 5,5 1 4,3 2
6 0,8 1 6 3,7 2
18.06.2010 3 6,6 2 7 1,6 2
1 6,2 2 22.07.2010 3 2,4 3
6 7,9 4 1 2,6 3
2 1,5 1 6 21,2 17
7 2,2 3,5 2 7,1 1
4 7 2 7 21,9 13
21.06.2010 3 8,3 7 5 21 7
1 31 31,5 25.07.2010 3 0,8 0,6
6 19,2 20 6 0,45 0,6
2 35 30 2 1,7 0,6
7 17,6 20 12.08.2010 3 6 4
5 11,3 12,5 1 8 4
4 16,1 13 6 1,6 2
24.06.2010 6 0,7 1 2 8,8 7
7 0,4 0,5 4 7,8 7
27.06.2010 6 0,8 0,5 7 1 2
2 2 1,8 15.08.2010 2 0,5 0,5
4 1,4 1,5 16.08.2010 7 1,1 1
28.06.2010 3 0,4 0,5 17.08.2010 7 2,1 2,5
7 0,4 0,5 2 2,5 1
29.06.2010 3 13,1 7 22.07.2010 2 0,4 0,5
1 7 6,5
1 2 16.5 -
ШШ ::;
о 15.0 -
о. е (D Ё Ё 11.5 ^
^ Ш TD Rain 14.0 ;
О 13.5 -13.0-
12.5|-
1 3
2\
3
ш
761.5
1D 11 N 1 2
Mon 21 June 2010
Рис. 3. Показания осадкомера 21.06.2010 г. 38
35
30
R2 = 0,8171
♦
♦ ♦ ♦>-•-» ♦ ♦ ♦
♦ ♦ ♦ ♦
С
15
10
5
10
25
30
15 20
Плювиограф
Рис. 4. Корреляционная зависимость количества осадков по радиолокационным и наземным измерениям
35
По результатам расчетов построено распределение ошибок при определении количества осадков в однородных (дождь) и смешанных осадках (дождь с градом) (рис. 5).
Ошибки при измерении количества осадков / в однокомпонентных средах (дождь) составляют около 83 и 32 %, в двухкомпонентной среде (дождь с градом) ошибки могут увеличиваться до 40 %.
Серьезным источником ошибок двухволновых измерений могут быть также различия в объемах зондирующего импульса на разных длинах волн, связанные с конструктивными и техническими характеристиками радиолокатора:
- разные объемы зондирования;
- разный уровень излучения в боковых лепестках, могущих создавать радиоэхо, сравнимое с радиоэхо основного луча.
Применение метеорологического радиолокатора МРЛ-5, специально созданного для двухволновых измерений, практически исключает эти ошибки, так как диаграммы направленности излучения по обоим каналам имеют одинаковую ширину и совмещены в
30,-
20
10
P, %
J = 22,0 мм/ч Mj= 18,0 мм/ч Qj = 0,58 8 = 32 %
J_L
п
СП
J
пространстве. Длительности зондирующих импульсов и их огибающие одинаковы и совмещены во времени.
Из результатов работы следует:
- коэффициент взаимной корреляции для слоя осадков, измеренных наземными и радиолокационными методами за весь сезон, оказался 0,82, т.е. между осадкомерными и радиолокационными данными существует достаточно тесная корреляционная связь, что свидетельствует о репрезентативности результатов радиолокационных измерений;
- средняя относительная ошибка измерений суммарных осадков за весь период их выпадения не превышает 40 %;
- радиолокационно-наземный способ измерения среднего слоя осадков является весьма надежным, его погрешность не превышает 11 % для измерений за весь сезон.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию (проект НК-199П), Государственного контракта №П1148 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.
б
J = 22,0 мм/ч Mj = 18,2 мм/ч Qj = 0,60 8 = 40 %
Lh.
j
22
а
33
J, мм/ч
22
33
J, мм/ч
б
Рис. 5. Погрешности двухволновых радиолокационных измерений 8 (%) параметров: а - в ливневых осадках; б - в смешанных осадках (град с дождем) при 60 % содержании града
25
20
5
0
0
0
9
9
Литература
1. Абшаев А.М., Лиев К.Б. Оповещения о паводках и селях ливневого происхождения радиолокационным методом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Спецвыпуск. Науки о Земле. 2007. С. 49 - 53.
2. Абшаев М.Т., Инюхин В.С., Лиев К.Б. Некоторые результаты измерения дождей радиолокационным и наземным методами // Тр. ВГИ. 2005. Вып. 92. С. 121.
3. Абшаев М.Т., Лиев К.Б. Оповещение о паводках и селях ливневого происхождения радиолокационным мето-
дом // Безопасность жизнедеятельности. 2007. № 12 (84). С. 29 - 33.
4. Лиев К.Б. Результаты апробации радиолокационного метода оповещения о ливневых паводках на Северном Кавказе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2010. № 5. С. 41 - 44.
5. Лиев К.Б. Оценка эффективности оповещения о паводках и селях ливневого происхождения радиолокационным методом // Природные процессы, геодинамика : материалы всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи. Нальчик, 2010. С. 328 - 333.
Поступила в редакцию_4 мая 2011 г.
