Reflectividad de radar

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La reflectividad radar es un parámetro que se utiliza en problemas de meteorología radar para describir las propiedades reflectantes de una unidad de volumen de un medio que contiene una determinada cantidad de hidrometeoros . En varias publicaciones científicas, la reflectividad del radar aparece bajo el término "reflectividad del objetivo" o "multiplicador de reflexión" [1] .

Desde el punto de vista de la microfísica, en una buena aproximación, podemos suponer que la reflectividad del radar está determinada por el índice de refracción complejo de las partículas reflectantes, su distribución de tamaño y concentración en una unidad de volumen de aire atmosférico [2] [3] . Se sabe que durante el sondeo de radar de la precipitación atmosférica (nubes), la reflectividad de la señal de radar recibida depende de la intensidad de estas precipitaciones ( contenido de agua del ambiente nublado) [4] , sin embargo, numerosos estudios experimentales también indican que la relación entre la reflectividad medida y la intensidad de precipitación observada puede variar mucho dependiendo del tipo de masas de aire y la orografía del área de observación [5] .

Definición y descripción

Tradicionalmente, la reflectividad del radar se denota con el símbolo , medida en mm 6 /m 3 y expresada por la ecuación básica del radar meteorológico en términos de potencia radiada y distancia al objetivo de la siguiente forma [6] : $Z$ ${\ Displaystyle P_ {r}}$ $r$

{\displaystyle Z=C_{r}r^{2}P_{r))

donde es la constante de radar del sistema de radar activo. Por regla general, esta expresión se utiliza para la evaluación en diversas aplicaciones de radar meteorológico [7] . ${\ Displaystyle C_ {r}}$ $Z$

En la aproximación de dispersión de Rayleigh , es decir, cuando las partículas de dispersión son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la radiación incidente y su forma es casi esférica , la reflectividad del radar toma la siguiente forma [8] [9] :

Z={\frac {1}{V}}\sum _{i=1}^{N}{D_{i}^{6}}

donde está el volumen del entorno atmosférico iluminado por el haz del radar, es el diámetro de los objetos que se dispersan en el aire. $V$ $D$

En esta expresión, se interpreta como la suma promedio de todos los diámetros de partículas en una unidad de volumen, que se elevan a la sexta potencia [9] . Por conveniencia, esta fórmula a veces se reescribe como la siguiente integral de la función continua de la densidad de distribución de gotas por unidad de volumen [1] : $Z$

Z=\int _{0}^{Dmáx}N(D)D^{6}\mathrm {d} D

donde es el diámetro de las partículas que se dispersan en la atmósfera y es la distribución del tamaño de las partículas. $D$ ${\ estilo de visualización N (D)}$

Obviamente, la expresión de la reflectividad del radar es extremadamente sensible al diámetro de las gotas de agua o los cristales de hielo que reflejan, ya que este valor entra en la expresión de la sexta potencia. Como resultado, un aumento de 2 veces en el tamaño de la gota conduce a un aumento en la potencia de la señal recibida por un factor de 64, o un aumento de ocho veces en el rango de detección. El número total de gotas en una unidad de volumen no puede tener un efecto tan fuerte en la señal de entrada resultante como el tamaño de la más grande de ellas, sin embargo, las gotas pequeñas no deben despreciarse porque su concentración puede exceder la concentración de las grandes por siete o más. ocho órdenes de magnitud [10] . Otra consecuencia de esta regularidad es el hecho de que el sondeo Doppler de nubes mixtas proporciona la información más completa sobre la fase del hielo, ya que los cristales de hielo en las nubes mixtas son mucho más grandes que las gotas de agua presentes allí. Por lo tanto, la contribución de la fase acuosa a la reflectividad del radar resulta despreciable en comparación con la contribución de los cristales de hielo [11] . $Z$ $Z$

La reflectividad del radar está relacionada con el área de dispersión efectiva del meteoobjetivo (por unidad de volumen) de la siguiente manera: $Z$ $\eta$

\eta ={\frac {\pi ^{5}}{\lambda ^{4}}}\left|K\right|^{2}Z

donde es la longitud de onda de la radiación incidente, , a es el índice de refracción complejo del objeto de dispersión. No existe una diferencia fundamental entre la reflectividad del radar de un objetivo meteorológico y su superficie de dispersión efectiva , pero sucedió históricamente que los meteorólogos prefieren la primera a la segunda [8] . Una de las razones de este estado de cosas es la ausencia en la definición de una dependencia explícita de la longitud de onda, lo que no puede evitarse en la expresión para [9] . $\lambda$ $K={\frac{m^{2}-1}{m^{2}+2))$ $metro$ $Z$ $\eta$ $Z$ $\eta$

Si la aproximación de Rayleigh no es aplicable, entonces, sobre la base de la sección transversal de dispersión efectiva, se introduce el concepto de reflectividad del objetivo meteorológico equivalente , que tiene la siguiente forma [12] : $\eta$ $Z_{e}$

{\displaystyle Z_{e}={\frac {\lambda ^{4}\eta }{\pi ^{5}\left|K\right|^{2))))

Dado que los valores de la reflectividad del radar pueden variar en un amplio rango, se introdujo una escala logarítmica en dBZ [8] para la medición : $Z$

dBZ=10lgZ

Los valores de reflectividad del radar, expresados en diferentes unidades de medida, están relacionados entre sí de la siguiente manera [9] :

Z

(mm 6 / m 3 ) \u003d 10 18 (m 3 ) \u003d 10 12 (cm 3 )

Z

Z

La presencia de precipitación en el aire atmosférico se manifiesta en forma de cambios en la reflectividad del radar desde 0 en condiciones de tiempo despejado hasta 60 dBZ en áreas de lluvia intensa o granizo [8] . Con base en el procesamiento de grandes volúmenes de datos experimentales, la intensidad de la precipitación se relaciona con la reflectividad radar de la señal a través de parametrizaciones convenientes de la siguiente forma: $Z$

Z=AS^{B}

donde es la reflectividad del radar, expresada en mm 6 /m 3 , es la intensidad de la precipitación, expresada en mm/h, ay son coeficientes empíricos. Una comparación de las regularidades obtenidas indica que su forma depende esencialmente de la elección del material experimental. Un análisis de las expresiones para la reflectividad del radar muestra que el rango de incertidumbre en la estimación de la intensidad de la precipitación basada en los datos del radar puede llegar a triplicarse [13] . $Z$ $S$ $A$ $B$

Notas

↑ 1 2 Skolnik, 2014 , Ecuación de radar de objetivos meteorológicos, p. 944.
↑ Directrices, 2013 , p. Dieciocho.
↑ Directrices, 2019 , p. 26
↑ Shchukin, Bulkin, Pervushin, 2017 , Principios del radar meteorológico, p. 132.
↑ Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Criterios de riesgo de radar, p. 134.
↑ Rauber, Nesbitt, 2018 , La ecuación del radar meteorológico, p. 98.
↑ Zhukov, Schukin, 2016 , pág. 931.
↑ 1 2 3 4 Doviak, Znich, 1988 , Radar reflectividad, p. 81.
↑ 1 2 3 4 Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Ecuación de radar para formaciones atmosféricas, p. 5.
↑ Stepanenko, 1966 , Dispersión de ondas de radio por partículas esféricas de agua, su constante dieléctrica, p. 74.
↑ Matrosov, Korolev, Heymsfield, 2002 , pág. 1004.
↑ Brylev, Gashina, Nizdoiminoga, 1986 , Ecuación de radar para formaciones atmosféricas, p. 6.
↑ Matrosov, Campbell, Kingsmill, Sukovich, 2009 , pág. 2329.

Fuentes

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R. Doviak, D. Znich. Radares Doppler y observaciones meteorológicas. - L . : Gidrometeoizdat, 1988. - UDC 551.501.81 . - ISBN 5-286-00063-0 .
V. Yu. Zhukov, G. G. Schukin. Problemas modernos del radar meteorológico // Ingeniería de radio y electrónica . - 2016. - T. 61, N° 10. - S. 927-939. - CDU 551.501.815.003.121 .
V. D. Stepanenko. Radar en meteorología: (Radiometeorología). - L. : Editorial Hidrometeorológica, 1966. - UDC 551.5:621.396.96 .
G. G. Schukin, V. V. Bulkin, R. V. Pervushin. Aplicación de sistemas de radar activo en el seguimiento de fenómenos meteorológicos peligrosos. — Problemas de teledetección, propagación y difracción de ondas de radio. - Murom: MI VIGU, 2017. - 155 p. - BBK 32.841 + 26.2 . - CDU 621,37 + 537,86 . — ISSN 2304-0254 .
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