cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-2-49-60caht-2171Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGКритерии принятия решений для классификации метеоявлений в метеорологическом радиолокационном комплексе ближней аэродромной зоныDecision criteria for the classification of meteorological phenomena in the weather radar complex of the near-airfield zoneВасильевО. В.VasilievO. V.

Васильев Олег Валерьевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта

Москва

Oleg V. Vasiliev, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Technical Maintenance of Radio Electronic Equipment of Air Transport Chair 

Moscow

vas_ov@mail.ruКоротковС. С.KorotkovS. S.

Коротков Сергей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта

Москва

Sergei S. Korotkov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Technical Maintenance of Radio Electronic Equipment of Air Transport Chair

Moscow

vas_ov@mail.ruГалаеваК. И.GalaevaK. I.

Галаева Ксения Игоревна, преподаватель кафедры технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта

Москва

Ksenia I. Galaeva, Assistant of Technical Maintenance of Radio Electronic Equipment of Air Transport Chair

Moscow

ks.galaeva@mail.ruБояренкоЭ. С.BoyarenkoE. S.

Бояренко Эльвира Сергеевна, аспирант кафедры технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта

Москва

Elvira S. Boyarenko, Post-graduate of the Technical Maintenance of Radio Electronic Equipment of Air Transport Chair

Moscow

boyarenko.elvira@mail.ruМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian Federation2023020520232624960Copyright © Васильев О.В., Коротков С.С., Галаева К.И., Бояренко Э.С., 20232023Васильев О.В., Коротков С.С., Галаева К.И., Бояренко Э.С.Vasiliev O.V., Korotkov S.S., Galaeva K.I., Boyarenko E.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2171

Возрастающая необходимость получения данных о метеорологической обстановке для обеспечения безопасности полета воздушных судов актуализирует разработку радиолокационных систем дистанционного сбора и обработки информации, в том числе для решения задач классификации опасных метеоявлений. Это определило первостепенную разработку отечественного метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны (МРЛК БАЗ). В статье представлены особенности построения МРЛК БАЗ, а также решаемые им основные задачи. Для классификации метеоявления от облачности до шквала в метеорологическом радиолокационном комплексе ближней аэродромной зоны предложено взять за основу критерии, апробированные метеорологическими радиолокационными станциями предыдущих поколений. Данные критерии основаны на анализе распределения отражаемости по высотам с учетом вертикального профиля температуры. Кроме того, в МРЛК БАЗ дополнительно введен критерий классификации грозы в холодный период времени. Для калибровки значений критериев были разработаны математический аппарат и специальное программное обеспечение. Для набора статистических данных МРЛК БАЗ были установлены в различных климатических районах: Центральном и Северо-Западном федеральных округах и Республике Крым. Далее была проведена эффективная валидация полученной информации. В настоящее время МРЛК БАЗ прошел предварительные, приемочные, сертификационные испытания, опытную эксплуатацию, показав при этом эффективную классификацию метеорологических явлений благодаря корректному подбору критериев принятия решений. В статье рассматривается возможность повышения достоверности и оправдываемости классификации опасных метеорологических явлений за счет дополнительного использования в критериях информации о распределении по высотам удельной скорости диссипации турбулентной энергии атмосферы, а также дополнительный набор статистических данных в различных климатических зонах Европейской территории России – Верхнем Поволжье и Краснодарском крае.

The increasing need to obtain data on the meteorological situation to ensure the safety of aircraft flight actualizes the development of radar systems for remote collection and processing of information, including for solving the problems of classifying dangerous weather phenomena. This determined the primary development of the domestic weather radar complex of the near airfield zone (WR BZ). The article presents the features of the construction of the WR BZ, as well as the main tasks it solves. To classify meteorological phenomena from cloudiness to squall in the weather radar complex of the near airfield zone, it is proposed to take as a basis the criteria tested by weather radar stations of previous generations. These criteria are based on an analysis of the height distribution of reflectivity, taking into account the vertical temperature profile. In addition, a criterion for classifying thunderstorms in the cold period of time has been additionally introduced in the WR BZ. To calibrate the values of the criteria, a mathematical apparatus and special software were developed. To collect statistical data, WR BZ were installed in various climatic regions: the Central and North-Western Federal Districts and the Republic of Crimea. Further, an effective validation of the information received was carried out. At present, WR BZ has passed preliminary, acceptance, certification tests, trial operation, while demonstrating an effective classification of meteorological phenomena, thanks to the correct selection of decision criteria. The article considers the possibility of increasing the reliability and justification of the classification of dangerous meteorological phenomena through the additional use of information on the distribution of altitudes of the specific rate of dissipation of turbulent energy of the atmosphere, as well as an additional set of statistical data in various climatic zones of the European territory of Russia – the Upper Volga Region and the Krasnodar Region. 

метеорологический радиолокаторближняя зона аэродромаопасные явления погодыиспытаниясертификациявалидация метеорологических данныхкритерий принятия решенийклассификация метеорологических явленийweather radarnear-airfield zonedangerous weather phenomenatestingcertificationvalidation of meteorological datadecision criterionclassification of weather phenomenaReferencesВельтищев Н.Ф., Степаненко В.М. Мезометеорологические процессы: учеб. пособие. М.: МГУ, 2007. 127 с.Veltishchev, N.F., Stepanenko, V.M. (2007). Mesometeorological processes: tutorial. Moscow: MGU, 127 p. (in Russian)Гущина Д.Ю. Синоптическая метеорология: учеб. пособие. М.: МГУ, 2013. 103 с.Gushchina, D.Yu. (2013). Synoptic meteorology: tutorial. Moscow: MGU, 103 p. (in Russian)Богаткин О.Г. Основы авиационной метеорологии: учебник. СПб.: РГГМУ, 2009. 339 c.Bogatkin, O.G. (2009). Fundamentals of aviation meteorology: textbook. St. Petersburg: RGGMU, 339 c. (in Russian)Иванова А.Р. Опыт верификации численных прогнозов влажности и оценка их пригодности для прогноза зон обледенения воздушных судов // Метеорология и гидрология. 2009. № 6. C. 33–46.Ivanova, A.R. (2009). An experience of the humidity forecasts verification and assessment of their applicability in forecasting of the aircraft icing zones. Russian Meteorology and Hydrology, vol. 34, no. 6, pp. 354–363. DOI: 10.3103/S106837390906003X (in Russian)Fabry F. Radar meteorology: principles and practice. Cambridge University Press, 2015. 248 p. DOI: 10.1017/CBO9781107707405Fabry, F. (2015). Radar meteorology: principles and practice. Cambridge University Press, 248 p. DOI: 10.1017/CBO9781107707405Kumjian R.M. Weather radars. In: Remote sensing of clouds and precipitation. Cham: Springer International Publishing, 2018. Pp. 15–63. DOI: 10.1007/978-3-319-72583-3_2Kumjian, R.M. (2018). Weather Radars. In: Remote Sensing of Clouds and Precipitation. Cham: Springer International Publishing, pp. 15–63. DOI: 10.1007/978-3-319-72583-3_2MacGorman D.R., Biggerstaff M.I., Schuur T.J. Formation of charge structures in a supercell // Monthly Weather Review. 2010. Vol. 138, iss. 10. Pp. 3740–3761. DOI: 10.1175/2010MWR3160.1MacGorman, D.R., Biggerstaff, M.I., Schuur, T.J. (2010). Formation of charge structures in a supercell. Monthly Weather Review, vol. 138, issue 10, pp. 3740–3761. DOI: 10.1175/2010MWR3160.1Emersic C., Saunders C.P.R. Further laboratory investigations into the Relative Diffusional Growth Rate theory of thunderstorm electrification // Atmospheric Research. 2010. Vol. 98, iss. 2–4. Pp. 327–340. DOI: 10.1016/ j.atmosres.2010.07.011Emersic, C., Saunders, C.P.R. (2010). Further laboratory investigations into the Relative Diffusional Growth Rate theory of thunderstorm electrification. Atmospheric Research, vol. 98, issue 2–4, pp. 327–340. DOI: 10.1016/j.atmosres.2010.07.011Albrecht B., Fang M., Ghate V. Exploring stratocumulus cloud-top entrainment processes and parameterizations by using Doppler cloud radar observations // Journal of the Atmospheric Sciences. 2016. Vol. 73, iss. 2. Pp. 729–742. DOI: 10.1175/JAS-D-15-0147.1Albrecht, B., Fang, M., Ghate, V. (2016). Exploring stratocumulus cloud-top entrainment processes and parameterizations by using Doppler cloud radar observations. Journal of the Atmospheric Sciences, vol. 73, issue 2, pp. 729–742. DOI: 10.1175/JAS-D-15-0147.1Koistinen J., Hohti H., Pohjola H. Diagnosis of precipitation detection range [Электронный ресурс] // The 32nd International Conference on Radar Meteorology. AMS, 2005. 3 p. URL: https://ams.confex.com/ams/32Rad11Mes o/webprogram/Paper96254.html (дата обращения: 13.05.2022).Koistinen, J., Hohti, H., Pohjola, H. (2005). Diagnosis of precipitation detection range. The 32nd International Conference on Radar Meteorology. AMS, 3 p. Available at: https://ams. confex.com/ams/32Rad11Meso/webprogram/ Paper96254.html (accessed: 13.05.2022).Nanding N., Rico-Ramirez M.A. Precipitation measurement with weather radars. ICT for smart water systems: measurements and data science. The Handbook of Environmental Chemistry, 2019. Vol. 102. Pp. 1–24. DOI: 10.1007/ 698_2019_404Nanding, N., Rico-Ramirez, M.A. (2019). Precipitation measurement with weather radars. ICT for smart water systems: measurements and data science. The Handbook of Environmental Chemistry, vol. 102, pp. 1–24. DOI: 10.1007/698_2019_404Boodoo S. Quantitative precipitation estimation from a C-band dual-polarized radar for the 8 July 2013 flood in Toronto, Canada / S. Boodoo, D. Hudak, A. Ryzhkov, P. Zhang, N. Donaldson, D. Sills, J. Reid // Journal of Hydrometeorology. 2015. No. 16. Pp. 2027–2044. DOI: 10.1175/JHM-D-15-0003.1Boodoo, S., Hudak, D., Ryzhkov, A., Zhang, P., Donaldson, N., Sills, D., Reid, J. (2015). Quantitative precipitation estimation from a C-band dual-polarized radar for the 8 July 2013 flood in Toronto, Canada. Journal of Hydrometeorology, no. 16, pp. 2027–2044. DOI: 10.1175/JHM-D-15-0003.1Ефремов В.С. Поляризационный доплеровский метеорологический радиолокатор С-диапазона со сжатием импульсов / В.С. Ефремов, Б.М. Вовшин, И.С. Вылегжанин, В.В. Лаврукевич, Р.М. Седлецкий [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. 2009. № 10. С. 4. URL: http://jre.cplire.ru/ iso/oct09/6/text.html#1 (дата обращения: 29.10.2021).Efremov, V.S., Vovshin, B.M., Vylegzhanin, I.S., Lavrukevich, V.V., Sedletsky R.M. (2009). Polarized Doppler C-band Weather Radar with Pulse Compression. Journal of Radio Electronics, no. 10, p. 4. Available at: http://jre.cplire.ru/iso/oct09/6/text.html#1 (accessed: 29.10.2021). (in Russian)Battaglia A. G band atmospheric radars: a new frontier in cloud physics / A. Battaglia, C.D. Westbrook, S. Kneifel, P. Kollias, N. Humpage, U. Löhnert, J. Tyynelä, G.W. Petty // Atmospheric Measurement Techniques. 2014. Vol. 7, iss. 6. Pp. 1527–1546. DOI: 10.5194/ amt-7-1527-2014Battaglia A., Westbrook, C.D., Kneifel, S., Kollias, P., Humpage, N., Löhnert, U., Tyynelä, J., Petty, G.W. (2014). G band atmospheric radars: a new frontier in cloud physics. Atmospheric Measurement Techniques, vol. 7, issue 6, pp. 1527–1546. DOI: 10.5194/amt-7- 1527-2014Bechini R., Baldini L., Chandrasekar V. Polarimetric radar observations of the ice region of precipitation clouds at C-band and X-band radar frequencies // Journal of Applied Meteorology and Climatology. 2013. Vol. 52, iss. 5. Pp. 1147–1169. DOI: 10.1175/JAMC-D-12-055.1Bechini, R., Baldini, L., Chandrasekar, V. (2013). Polarimetric radar observations of the ice region of precipitation clouds at C-band and X-band radar frequencies. Journal of Applied Meteorology and Climatology, vol. 52, issue 5, pp. 1147–1169. DOI: 10.1175/JAMC-D12-055.1Жуков В.Ю., Щукин Г.Г. Состояние и перспективы сети метеорологических радиолокаторов // Распространение радиоволн (РРВ-24): сборник трудов XXIV Всероссийской научной конференции. Иркутск, 29 июня – 05 июля 2014 г. Иркутск: ИСЗФ СО РАН, 2014. T. 3. C. 133–136.Zhukov, V.Y., Shchukin, G.G. (2014). Status and prospects of weather radar network. Rasprostraneniye radiovoln (RRV-24): sbornik trudov XXIV Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii. Irkutsk: ISZF SO RAN, vol. 3, pp. 133– 136. (in Russian)Немудрый К.В. Аэродромы и аэропорты как один из элементов системы региональной авиации России [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2014. № 75. 9 c. URL: https://mai.ru/upload/iblock/3d8/3d861abaea6ea cea2d677527b4fe34ca.pdf (дата обращения: 29.10.2021).Nemudryi, K.V. (2014). Airdromes and airports as one of the elements of Russian regional aviation system. Trudy MAI, no. 75, 9 p. Available at: https://mai.ru/upload/iblock/3d8/ 3d861abaea6eacea2d677527b4fe34ca.pdf (accessed: 29.10.2021). (in Russian)Istok M., Crum T. WSR-88D and TDWR-SPG data status and plans [Электронный ресурс] // National Weather Service. Family Of Services. Partners Meeting. Phoenix, AZ. 15 January 2009. URL: https://www.roc.noaa. gov/WSR88D/PublicDocs/Level_II/FOS_01150 9.pdf (дата обращения: 29.10.2021).Istok, M., Crum, T. (2009). WSR-88D and TDWR-SPG data status and plans. National Weather Service. Family of Services. Partners Meeting. Phoenix, AZ. 15 January. Available at: https://www.roc.noaa.gov/WSR88D/PublicDocs/ Level_II/FOS_011509.pdf (accessed: 29.10.2021).Germann U. Radar network / U. Germann, J. Figueras, M. Gabella, A. Hering, I. Sideris, B. Calpini // The international review of weather, climate and hydrology technologies and services. April 2016. Pp. 62–65.Germann, U., Figueras, J., Gabella, M., Hering, A., Sideris, I., Calpini, B. (2016). Radar network. The international review of weather, climate and hydrology technologies and services, April, pp. 62–65.Vasiliev O. The design and operation features of the near-airfield zone weather radar complex “Monocle” / O. Vasiliev, E. Bolelov, K. Galaeva, N. Gevak, S. Zyabkin, E. Kolesnikov, A. Peshko, I. Sinitsyn // 2021 XVIII Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky (TSCZh), 2021. Pp. 64–72. DOI: 10.1109/TSCZh53346. 2021.9628352Vasiliev, O., Bolelov, E., Galaeva, K., Gevak, N., Zyabkin, S., Kolesnikov, E., Peshko, A., Sinitsyn, I. (2021). The design and operation features of the near-airfield zone weather radar complex “Monocle”. 2021 XVIII Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky (TSCZh), pp. 64–72. DOI: 10.1109/TSCZh53346.2021. 9628352Галаева К.И. Анализ результатов испытаний и сертификации метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны // Научный Вестник МГТУ ГА. 2020. Т. 23, № 1. С. 28–40. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-1-28-40Galaeva, K.I. (2020). Results analysis of the tests and certification of near-airfield meteorological radar complex. Civil Aviation High Technologies, vol. 23, no. 1, pp. 28–40. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-1-28-40 (in Russian)Bolelov E.A. Analysis of the height difference of the zero isotherm according to two temperature profilers / E.A. Bolelov, O.V. Vasiliev, K.I. Galaeva, S.A. Ziabkin // Научный Вестник МГТУ ГА. 2020. Т. 23, № 1. С. 19–27. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-1-19-27Bolelov, E.A., Vasiliev, O.V., Galaeva, K.I., Ziabkin, S.A. (2020). Analysis of the height difference of the zero isotherm according to two temperature profilers. Civil Aviation High Technologies, vol. 23, no. 1, pp. 19–27. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-1-19-27Галаева К.И. Обоснование требований к современным метеорологическим локаторам ближней зоны аэродрома // Перспективные бортовые радиоэлектронные комплексы и системы: сборник трудов XIV Всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского». Москва, 13–14 апреля 2017. М., 2017. С. 45–48.Galaeva, K.I. (2017). Substantiation of requirements for modern meteorological locators of the near zone of the aerodrome. Perspektivnyye bortovyye radioelektronnyye kompleksy i sistemy: sbornik trudov XIV Vserossiiskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Nauchnyye chteniya po aviatsii, posvyashchennyye pamyati N.E. Zhukovskogo». Moscow, pp. 45–48. (in Russian)Галаева К.И. Обоснование задач, решаемых метеорологическим радиолокацион 59 ным комплексом ближней аэродромной зоны / К.И. Галаева, Э.А. Болелов, И.Б. Губерман, А.А. Ещенко, С.В. Далецкий // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2018. № 20 (331). C. 74–81.Galaeva, K.I., Bolelov, E.A., Guberman, I.B., Eschenko, A.A., Daletskiy, S.V. (2018). Justification of tasks, solved by nearairfield meteorological radar complex. Scientific Bulletin of the State Scientific Research Institute of Civil Aviation (GosNII GA), no 20 (331), pp. 74–81. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.