Быстроразвивающиеся паводки: международная версия


Метеорологические радиолокаторы

Данные радиолокаторов, если таковые имеются, могут быть полезнее спутниковых для мониторинга и прогнозирования быстроразвивающихся паводков. Пространственное разрешение радиолокаторов, в зависимости от длины волны применяемого сигнала, может составлять всего несколько сотен метров, что существенно превышает пространственное разрешение данных об осадках, которые можно получить с помощью самых лучших спутниковых технологий, упомянутых выше. На расположенном ниже рисунке сравниваются результаты, полученные для выбранного района с помощью алгоритма Hydro-Еstimator и данных спутника NOAA/NESDIS, и оценки, основанные на данных радиолокатора. Легко заметить, что локатор обеспечивает заметно более высокую детальность информации.

A hydroestimator 24 hour precipitation total estimate for tropical storm Fay, August, 2008.
A radar-based 24 hour precipitation total estimate for tropical storm Fay, August, 2008.

Радиолокатор, по сравнению со спутниками, позволяет гораздо быстрее получать данные об осадках в окружающем его пространстве. Метеорологические радиолокационные станции могут получить данные из всей доступной области охвата за 5 минут. Это особенно ценно при быстро изменяющихся условиях, характерных для быстроразвивающихся паводков. Помимо того, что данные локатора используются для автономного оценивания осадков, они также часто включаются в мультисенсорные продукты для определения осадков и используются в СОРВБП.

Действие радиолокаторов по обнаружению осадков основано на использовании микроволнового излучения. Количество отраженного частицами осадков излучения, зависящего от их количества и размера, фиксируется радиолокатором. Это вернувшееся обратно излучение, или "отражательная способность", может быть преобразовано в информацию об интенсивности осадков. При оценивании паводочной ситуации на основе данных радиолокатора необходимо учитывать некоторые моменты.

Во-первых, зондирующий сигнал радиолокатора излучается под различными углами. Поэтому, как показано ниже, луч радиолокатора при движении оказывается все выше и выше.

Conceptualized image of a radar scanning two thunderstorms.  A mountain range lies between the radar and one of the thunderstorms.  This impedes the radar beam at low elevation angles.

Следовательно, осадки, зафиксированные радиолокатором, не обязательно будут эквивалентны количеству осадков, выпадающих на поверхность. В процессе прогнозирования это учесть непросто, особенно если на рассматриваемой территории недостаточно осадкомеров для верификации реальной ситуации. Радиолокаторы могут как завысить, так и занизить величину измеряемых осадков по некоторым другим причинам, которые включают не только блокировку луча, рефракцию, ослабление и засветку.

Наиболее важной особенностью радиолокационных данных, которую следует учитывать при прогнозировании быстроразвивающихся паводков, является "низкая область радиоэха". Это означает, что во время ливня наибольшие значения отражательной способности наблюдаются на небольших высотах, в основном ниже уровня замерзания. Если ливень имеет низкую область радиоэха, то основное увеличение осадков происходит в жидкой фазе в нижней части облаков – то есть, наблюдается процесс теплого дождя, рассмотренный ранее. На расположенном ниже рисунке показана низкая область радиоэха урагана в Канзасе, США, который был, в большой степени, обусловлен процессом теплого дождя и быстро сформировал значительный паводок.

Radar reflectivity cross-section of Kansas, USA thunderstorm containing a low echo centroid, which is evident as the area of highest reflectivity being located in the low levels of the thunderstorm (below the altitude of the freezing level)

Следующей особенностью, которую следует учитывать при использовании данных радиолокационного зондирования, особенно при прогнозировании количества осадков в условиях благоприятных для теплого дождя, является то, как локатор оценивает интенсивность осадков. Величина отражаемости зависит от количества осадкообразующих частиц и от их диаметра в шестой степени. Значения интенсивности осадков вычисляются по отражаемости, в соответствии с простым соотношением, которое основано на эмпирических оценках доли капель каждого размер в общей массе осадков. При теплом дожде обычно наблюдаются высокие концентрации капель от малого до среднего размера. И, наоборот, при холодном дожде, концентрация гидрометеоров ниже, а их размеры могут изменяться от малых до значительных.

DSDs with and without hail

Поэтому, если синоптики отмечают или предполагают наличие такой особенности теплого дождя как низкая область радиоэха, будет разумнее использовать другое соотношение между отражаемостью и интенсивностью осадков, которое учитывает более высокую плотность более мелких капель. Данные в приведенной ниже таблице демонстрируют, насколько велико различие между соотношением интенсивность осадков – отражаемость для стандартного конвективного холодного дождя и подобным соотношением для конвективного теплого дождя.

Comparison of a typical contintental, cold rain reflectivity factor - rainrate relationship and a typical maritime, warm rain reflectivity factor - rainrate relationship for several reflectivity values.  For 45 dbz, the cold rain relationship shows a rainrate of 27.9 mm per hour while the warm rain relationship shows a rainrate of 56.5 mm per hour.  For 50 dbz, the cold rain relationship shows a rainrate of 63.4 mm per hour while the warm rain relationship shows a rainrate of 147.2 mm per hour.  For 55 dbz, the cold rain relationship shows a rainrate of 144.2 mm per hour while the warm rain relationship shows a rainrate of 384.6 mm per hour.

Ниже приведены данные радиолокационного зондирования теплого ливня того же урагана в Канзасе, США. Снимок слева расшифрован с помощью соотношения интенсивность конвективного холодного дождя – отражаемость, а снимок справа – с помощью подобного соотношения для конвективного теплого дождя. Разница между двумя оценочными значениями суммарных осадков составляет от 60 до 80 миллиметров. В данном случае изображение справа намного точнее. Такое значительное несоответствие (в случае использования исключительно данных радиолокатора) может повлиять на принятие решения: будет или нет население информировано об угрозе паводка соответствующим предупреждением.

Radar plan view of storm-total rainfall amounts for Kansas, USA storm.  Comparison between continental, cold rain reflectivity factor - rainrate relationship and maritime, warm rain reflectivity factor - rainrate relationship.  Warm rain maximum is approximately 150 mm while the cold rain maximum is about 71 mm.

В будущем, при более широком распространении поляризационных радиолокаторов с двойной поляризацией, такая проблема, вероятно, будет решена. Поляризационные локаторы с двойной поляризацией способны к двумерной, а не только одномерной, фиксации частиц осадков, и поэтому могут предоставить более детальную информацию о размере и типе частиц.