• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 1028-821X (Online)
ISSN 2415-3400 (Print)

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СНЕГОПАДОВ. ОБЗОР

Веселовская, АБ
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: veselovskaya3@ukr.net

https://doi.org/10.15407/rej2015.03.038
Язык: русский
Аннотация: 

Снег является самым распространенным видом твердых осадков, поэтому значительный интерес представляет разработка методов дистанционного исследования характеристик снега путем решения обратных задач на основе детального изучения свойств подобных явлений. В общем случае проблема вычисления характеристик отражения частиц осадков несферической формы имеет давнюю историю, однако наибольшей завершенностью отличаются исследования обратного радиолокационного рассеяния частиц только жидких осадков. В данной статье приведен обзор физико-механических и электрофизических свойств снега, а также анализируются особенности физического и численного моделирования характеристик радиолокационного рассеяния частиц осадков. В работе показана целесообразность изучения характеристик радиолокационного рассеяния частиц осадков и проанализиро-ваны достоинства и недостатки известных современных методов расчета радиолокационных характеристик рассеяния диэлектрических объектов. Дистанционное измерение интегральных характеристик снегопадов на больших площадях позволяет определять запасы воды для нужд сельского хозяйства, а также составлять гидрологические прогнозы для обеспечения снеголавинной безопасности в горных районах.

Ключевые слова: интенсивность осадков, кристалл снега, эффективная площадь рассеяния

Статья поступила  02.07.2015 г.
PACS     07.07.Vx
УДК 528.88:551.578.41(047)
Radiofiz. elektron. 2015, 20(3): 38-48
Полный текст (PDF)
 

References: 
  1. Дюнин А. К. В царстве снега / А. К. Дюнин. – Новосибирск: Наука, 1983. – 161 .
  2. Nakaya U. Snow crystals: Natural and artificial / U. Nakaya. – 1st ed. – Harvard Univ. Press, 1954. – 510 р.
  3. Относительная влажность [Электронный ресурс]. – Режим доступа: /: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C. – Заглавие с экрана.
  4. Kobayashi T. The growth of snow crystals at low supersaturations / T. Kobayashi // Phil. Mag. – 1961. – 6, Iss. 71. – P. 1363–1370.
  5. Pruppacher H. R. / Microphysics of Clouds and Precipitation / H. R. Pruppacher, J. D. Klett. – 2nd ed. – Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1997. – 954 p.
  6. Auer A. H. The dimension of ice crystals in natural clouds / A. H. Auer, D. L. Veal // J. Atmos. Sci. – 1970. – 27, N 6. – P. 919–926.
  7. Davis 1974: PhD. Thesis, Depart. Environ. Sciences, Univ. of Wyoming, Laramie, Wyoming.
  8. Heymsfield A. J. Ice crystal terminal velocities / A. J. Heyms-field // J. Atmos. Sci. – 1972. – 29, N 7. – P. 1348–1357.
  9. Hobbs P. V. The Dimensions and Aggregation of Ice Crystals in Natural Clouds / P. V. Hobbs, S. Chang, J. D. Locatelli // J. Geoph. Res. – 1974. – 79, N 15. – P. 2199–2206.
  10. Klaassen W. Radar observations and simulation of the melting layer of precipitation / W. Klassen // J. Atmos. Sci. – 1988. – 45, N 24. – P. 3741–3753.
  11. Matsuo T. Melting of snowflakes below freezing level in the atmosphere / T. Matsuo, Y. Sasyo // J. Meteorological Society of Japan. – 1981. – 59, N 1. – P. 10–24.
  12. Magono C. Aerodynamic study of falling snowflakes / C. Magono, T. Nakamura // J. Meteor. Soc. Japan. – 1965. – 43. – P. 139–143.
  13. Диэлектрическая проницаемость доступа: /: 0%94%0%8%1%8%0%%0%5%0%%1%82%1%80%0%8%1%87%0%5%1%81%0%%0%0%1%8_%0%%1%80%0%%0%%0%8%1%86%0%0%0%5%0%%0%%1%81%1%82%1%8. – Заглавие с экрана.
  14. Hallikainen M. Measurements of the dielectric properties of snow in the 4–18 GHz frequency range / M. Hallikainen, F. T. Ulaby, M. Abdel-Razik // 12th Eur. Microwave Conf. Proc. – Kent: Microwave Exhibitions and Publ. Ltd., 1982. – P. 151–156.
  15. Ambach W. The dielectric behavior of snow: A study versus liquid water content / W. Ambach, A. Denoth // NASA Workshop on the Microwave Remote Sensing of Snowpack Properties. – Ft. Collins, CO, NASA CP-2153, 1980. – P. 69.
  16. A comparative study of instruments for measuring the liquid water content of snow / A. Denoth, A. Foglar, P. Weiland et al. // J. Appl. Phys. – 1984. – 57, N 7. – P. 2154– 2160.
  17. Gunn K. L. S. The distribution with size aggregate of snowflakes / K. L. S. Gunn, J. S. Marshall // J. Met. – 1958. – 15, N 5. – P. 452–461.
  18. Абшаев М. Т. Исследования микроструктуры снегопадов / М. Т. Абшаев, Ю. А. Дадали, С. М. Сижажев // Труды ВГИ. – 1971. – Вып. 19. – С. 49–56.
  19. Литвинов И. В. Опыт изучения распределения частиц снегопадов по величине / И. В. Литвинов // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. – 1959. – № 10. – С. 22–27.
  20. Harimaya T. Characteristics of snowflake size distributions connected with the difference of formation mechanism / T. Harimaya, H. Ishida, K. Muramoto // J. Meteor. Soc. Japan. – 2000. – 78. – Р. 233–239.
  21. Senn P. In-situ observations and modeling of aggregation of snowfall / P. Senn, E. Barthazy // Proc. Europ. Conf. on Radar Meteorology (ERAD-2004). – Visby, 2004. – P. 253–256.
  22. Gunn K. L. S. The distribution with size of aggregate snowflakes / K. L. S. Gunn, J. S. Marshall // J. Meteorol. – 1958. – 15. – P. 452–461.
  23. Sekhon R. S. Snow size spectra and radar reflectivity / R. S. Sekhon, R. C. Srivastava // J. Atmos. Sci. – 1970. – 27, Iss. 2. – P. 299–307.
  24. Львова Л. А. Радиолокационная заметность летательных аппаратов / Л. А. Львова. – Снежинск: РФЯЦ – ВНИИТФ, 2003. – 232 с.
  25. Experimental determinations of the back-scattering cross-sections of water drops and of wet and dry ice spheres at 3.2 centimeters / J. R. Gerhardt, C. W. Tolbert, S. A. Brun-stein, W. W. Bahn // J. Meteorol. – 1961. – 18. – P. 340–347.
  26. Allan L. E. Measurements of the backscatter matrix of dielectric spheroids / L. E. Allan, G. C. McCormick // IEEE Trans. Antennas Propagat. – 1978. – AP-26, Iss. 4. – P. 579–587.
  27. Allan L. E. Measurements of the backscatter matrix of dialect-ric bodies / L. E. Allan, G. C. McCormick // IEEE Trans. Antennas Propagat. – . – 1980. – AP-28, .2 – . 166–169.
  28. Хлопов Г. И. Когерентная радиолокация в миллиметровом диапазоне / Г. И. Хлопов // Зарубежная радиоэлектрон. Успехи современной радиоэлектрон. – 1999. – № 9. – C. 3–27.
  29. Коростелев В. С. Экспериментальные исследования спект-ров когерентных сигналов, отраженных от снегопада в диапазоне 140 ГГц / В. С. Коростелев, Г. И. Хлопов, В. П. Шестопалов // Изв. вузов. Радиофизика. – 1991. – 34, № 3. – C. 227–233.
  30. Khlopov G. I. Spectra of the Coherent Millimeter Wave Signals, reflected from Hydrometeors / G. I. Khlopov // Telecommunications and Radio Engineering. – 1997. – 51, N 1. – P. 17–24.
  31. Yurkin M. A. The discrete dipole approximation: an overview and recent developments / M. A. Yurkin, A. G. Hoekstra // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2007. – 106, Iss. 1–3. – P. 558–589.
  32. Taflove A. Review of FDTD Numerical Modeling of Electromagnetic Wave Scattering and Radar Cross Section / A. Taflove, K. R. Umashankar // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. – 1989. – 77, N 5. – P. 682–699.
  33. Shankar V. A Time-Domain Differential Solver for Electromagnetic Scattering Problems / V. Shankar, W. F. Hall, A. H. Mohammadian // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. – 1989. – 77, N 5. – P. 709–721.
  34. Cole J. B. High-Accuracy Yee Algorithm Based on Nonstandard Finite Differences: New Development and Verifications / J. B. Cole // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. – 2002. – 50, N 9. – P. 1185–1191.
  35. Rylander T. Application of Stable FEM-FDTD Hybrid to Scattering Problems / T. Rylander, A. Bondeson // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. – 2002. – 50, N 2. – P. 141–144.
  36. Radar Cross Section (RCS) Modeling and Simulation, Part 1: A Tutorial Review of Definitions, Strategies, and Canonical Examples / Ç. Uluişik, G. Çakir, M. Çakir, L. Sevgi // IEEE Antennas and Propagations Magazine. – 2008. – 50, N 1. – P. 115–126.
  37. Sun W. Finite-difference timedomain solution of light scattering by dielectric particles with a perfectly matched layer absorbing boundary condition / W. Sun, Q. Fu, Z. Chen // Appl. Optics. – 1999. – 38, Iss. 15. – P. 3141–3151.
  38. Mishchenko M. I. Light scattering by nonspherical particles: Theory, measurements, and applications / M. I. Mishchenko, J. W. Hovenier, L. D. Travis. – Academic Press, 2000. – 690 p.
  39. Barber P. Scattering of electromagnetic waves by arbitrarily shaped dielectric bodies / P. Barber, C. Yeh // Appl. Opt. – 1975. – 14, Iss. 12. – P. 2864–2872.
  40. Вычислительные методы в электродинамике / под ред. Р. Митры; пер. с англ. под ред. Э. Л. Бурштейна. – М.: Мир, 1977. – 485 с.
  41. Васильев Е. Н. Возбуждение тел вращения / Е. Н. Васильев. – М.: Радио и связь, 1987. – 272 с.
  42. Дмитриев В. И. Интегральные уравнения в краевых задачах электродинамики / В. И. Дмитриев, Е. В. Захаров. – М.: МГУ, 1987. – 167 с.
  43. Harrington R. F. Boundary Integral Formulations for Homogeneous Material Bodies / R. F. Harrington // J. Electromagnetic Waves and Applications. – 1989. – 3, N 1. – P. 1–15.
  44. Хижняк М. А. Теорія хвильових процесів: навч. посібник / М. А. Хижняк – Х.: Штріх, 2003. – 308 с.
  45. Ylä-Oijala P. Application of Combined Field Integral Equation for Electromagnetic Scattering by Dielectric and Composite Objects / P. Ylä-Oijala, M. Taskinen // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2005. –53, N 3. – P. 1168–1173.
  46. Ylä-Oijala P. Well-Conditioned Müller Formulation for Electro-magnetic Scattering by Dielectric Objects / P. Ylä-Oijala, M. Taskinen // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2005. – 53, N 10. – P. 3316–3323.
  47. Ylä-Oijala P. Surface integral equation method for General Composite Metallic and Dielectric Structures with Junctions / P. Ylä-Oijala, M. Taskinen, J. Sarvas // Progress in Electromagnetics Research. – 2005. – 52. – P. 81–108.
  48. Yan S. Improving the Accuracy of the Second-Kind Fredholm Integral Equations by Using the Buffa-Christiansen Functions / S. Yan, J. M. Jin, Z. Nie // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. – 2011. – 59, N 4. – P. 1299–1310.
  49. Ubeda E. Taylor-Orthogonal Basis Functions for the Discretization in Method of Moments of Second Kind Integral Equations in the Scattering Analysis of Perfectly Conducting or  Dielectric Objects / E. Ubeda, J. M. Tamayo, L. M. Rius //    Progress in Electromagnetics Research. – 2011. – 119. – P. 85–105.
  50. Volakis J. L. Integral Equation Methods for Electromagnetics / J. L. Volakis, K. Sertel. – Raleigh: SciTech Publ., Inc. –  2012. – 391 p.
  51. Сухаревский О. И. Расчет характеристик радиолокацион-ного рассеяния гидрометеоров методом интегральных уравнений / О. И. Сухаревский, Г. С. Залевский, А. Б. Весе-ловская // Прикладная радиоэлектрон. – 2015. – 14, № 1. – С. 111–118.
  52. Oguchi T. Scattering and absoption of a millimeter wave due to melting hailstones / T. Oguchi // J. Radio Res. Labs. – 1966. – 13. – P. 141–172.
  53. Holt A. R. Electromagnetic wave scattering by spheroids: A comparison of experimental and theoretical results / A. R. Holt // IEEE Trans. Antennas Propagat. – 1982. – AP-30. – P. 758–760.
  54. Nomarich J. Backscatter and Attenuation by Falling Snow and Rain at 96, 140 and 225 GHz / J. Nomarich, R. J. Welman, J. Lacomb // IEEE Trans. in Geosc. And Remote Sens.  – 1988. – 26, 3. – . 39–329.
  55. Кулемин Г. П. Обратное рассеяние радиоволн санти-метрового и миллиметрового диапазонов осадками и другими атмосферными образованиями / Г. П. Кулемин. – Х.: ИРЭ НАН Украины, 1985. – 34 с. – (Препр. / АН Украины, Ин-т радиофизики и электрон., № 287).
  56. Гейстер С. Р. Статистические характеристики спектраль-ного портрета помех от дождевых облаков в сантиметро-вом диапазоне / С. Р. Гейстер // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2000. – 5, № 2. – С. 25–34.
  57. Wallace A. B. Millimeter-wave propagation measurements at the ballistic research laboratory / A. B. Wallace // IEEE Trans on Geosc. and Remote Sensing. – 1988. – 26, N 3. – P. 253–258.
  58. Richard V. W. Rain backscatter measurements at millimeter wavelengths / V. W. Richard, J. F. Kammerer, A. B. Wallace // IEEE Trans. on Geosc. and Remote Sensing. – 1988. – 26, N 3. – P. 244– 252.
  59. Ван-де-Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами / Г.Ван-де-Хюлст; пер. с англ. под ред. В. В. Соболева. – М.: Изд. иностр. лит. – 1961. – 536 с.
  60. Веселовская А. Б. Обратное рассеяние электромагнитных волн полидисперсной средой несферических капель в задачах двухачстотного дистанционного зондирования: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.03 / А. Б. Веселовская. – Х., 2014. – 147 с.
  61. Шупяцкий А. Б. Радиолокационное измерение интенсивности и некоторых других характеристик осадков / А. Б. Шупяцкий. – М.: Гидрометеоиздат, 1960. – 119 с.
  62. Kane Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media / Yee. Kane // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 1966. – 14, Iss. 3. – P. 302–307.