Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эффекты влияния мезомасштабных неоднородностей в нижней тропосфере на дальнее распространение импульсных акустических сигналов

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Перепелкин, Виталий Георгиевич

Введение

Глава 1. Обзор результатов исследований дальнего распространения акустических волн в нижней атмосфере

Глава 2. Результаты экспериментов по регистрации акустических сигналов в условиях различной стратификации температуры и ветра

2.1 Комплекс для исследования дальнего распространения акустических импульсов в нижней атмосфере.

2.2 Схема расположения пунктов наблюдений.

2.3 Методика обработки экспериментальных данных.

2.3.1 Программа оцифровки акустических сигналов "БИИ^гНег".

2.3.2 Программа просмотра данных "8ЬЯеас1ег ".

2.3.3 Вычисление множественной функции когерентности Ко, азимутов и углов наклона лучей.

2.4 Данные регистрации акустических сигналов на различных расстояниях от источника в условиях устойчивой стратификации атмосферного пограничного слоя

2.5 Данные регистрации акустических сигналов в условиях неустойчивой стратификации атмосферного пограничного слоя.

Глава 3 Флуктуации длительности, азимутов и углов скольжения акустических сигналов, их взаимосвязь с флуктуациями скорости ветра

3.1 Данные эксперимента о флуктуациях длительности акустических сигналов.

3.2 Горизонтальная когерентность и масштабы флуктуаций времени пробега акустических импульсов в устойчивом АПС.

3.2.1. Определение периодов и горизонтальных масштабов флуктуаций 5Т(1), вызванных внутренними волнами.

3.2.2. Стратификация АПС и тропосферы в период наблюдений ВГВ.

3.3 Частотные спектры флуктуаций времени пробега акустических импульсов в устойчиво-стратифицированной нижней атмосфере.

3.3.1. Теоретическая модель частотно-волнового спектра ВГВ в устойчиво-стратифицированном слое атмосферы.

3.3.2. Модель частотного спектра флуктуаций времени пробега акустических импульсов.

3.3.3. Сравнение экспериментальных и теоретических частотных спектров флуктуаций времени пробега.

3.4 Данные эксперимента о флуктуациях азимутов и углов скольжения акустических сигналов.

3.5 Анализ взаимосвязи между наблюдаемыми величинами флуктуаций параметров акустических сигналов (длительность сигнала - г, азимут -(р, угол скольжения - в) и характеристиками анизотропной турбулентности в тропосфере.

Глава 4 Научно - методические основы дистанционного акустического метода частичных отражений для исследования нижней тропосферы 98 4.1 Явление частичного отражения акустических импульсов от слоистых структур поля скорости ветра и температуры в нижней тропосфере.

4.2 Экспериментальное обоснование возможности регистрации акустических сигналов, соответствующих частичному отражению импульсов от анизотропных неоднородностей температуры и ветра на различных высотных уровнях в нижней тропосфере.

4.3 Оценка вертикальных градиентов эффективной скорости звука, полученные акустическим методом частичных отражений для нижней тропосферы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Эффекты влияния мезомасштабных неоднородностей в нижней тропосфере на дальнее распространение импульсных акустических сигналов"

Работа посвящена исследованию эффектов влияния мезомасштабных анизотропных структур в нижней тропосфере на дальнее распространение импульсных акустических сигналов и разработке на этой основе экспериментального метода исследования тропосферных неоднородностей. Применение предложенного метода позволяет получить новые данные о пространственных и временных характеристиках анизотропной структуры нижней тропосферы в области малоисследованных горизонтальных масштабов до нескольких километров и на интервалах времени до 1 часа

Актуальность

Атмосфера по своим акустическим свойствам является существенно неоднородной и нестационарной средой, в которой помимо регулярных сезонных изменений наблюдаются также флуктуации её акустических параметров, обусловленные внутренними гравитационными волнами (ВГВ), наличием турбулентности и т.д., что приводит к значительным искажениям структуры звукового поля в атмосфере, качественным и количественным изменениям его характеристик. Особенно это проявляется в нижней тропосфере, в которой дополнительным важным фактором влияния является неоднородность прогрева подстилающей поверхности.

Анизотропные мезо-масштабные неоднородности поля скорости ветра и температуры (горизонтальные размеры от 100 м до 2-нЗ км, время жизни от 1 до 30 минут) повсеместно обнаруживаются в тропосфере. Такие неоднородности, в отличие от крупномасштабных «когерентных структур» типа тайфунов, иногда называются мезо-масштабными «когерентными структурами» (КС).

Целенаправленные экспериментальные исследования КС в атмосфере начались в России и зарубежных странах всего несколько лет тому назад, и находятся в самой начальной стадии накопления фактических данных.

Сведения о метеорологических условиях, способствующих образованию КС, а так же о формах, размерах, времени жизни и других характеристиках КС, необходимы для уточнения локальных прогнозов погоды, в том числе и для обеспечения безопасности взлета и посадки самолетов; для исследований процессов распространения и диффузии радионуклеидных и химических примесей; для разработки методов дальнего обнаружения взрывов; для прогноза помех при распространении лазерного и радио излучения, и т.д.

Когерентные структуры возникают в случайных местах, в случайное время, и надежных методов заблаговременного прогноза их появления пока не существует.

В настоящей работе для мониторинга КС в нижней тропосфере предлагается бистатический акустический метод, основанный на эффектах воздействия мезомасштабных неоднородностей в нижней тропосфере на дальнее распространение импульсных акустических сигналов.

Преимущества использования акустических волн связаны с зависимостью вариаций скорости распространения звука от вариаций скорости ветра, и сильной ее зависимостью (на три порядка величины большей, чем для скорости радиоволн) от вариаций температуры. При этом, амплитуда информативного (рассеянного от КС) акустического сигнала имеет прямую зависимость от вертикальных градиентов температуры и ветра в КС, что не требует его усреднения по вертикали.

Полученные в диссертации экспериментальные данные об эффектах влияния мезомасштабных тропосферных неоднородностей на характеристики импульсных акустических сигналов, распространяющихся на большие расстояния в нижней тропосфере, дают уникальные возможности для исследования пространственно-временной структуры таких неоднородностей.

В связи с вышесказанным, очевидна актуальность проводимых исследований.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование эффектов влияния мезомасштабных неоднородностей в нижней тропосфере на дальнее распространение импульсных акустических сигналов; разработка основ методики наклонного зондирования нижней тропосферы; её апробация в натурных условиях, а также получение с её помощью численных оценок тропосферных мезо-масштабных когерентных структур, их размеров, скоростей переноса и времени жизни.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие конкретные задачи:

1. Проведены экспериментальные исследования эффектов влияния мезомасштабных неоднородностей в нижней тропосфере на дальнее распространение импульсных акустических сигналов для различных типов стратификации атмосферы, определяемой в реальном времени независимыми калиброванными методами.

2. Разработаны основы методики оценки параметров нижней тропосферы с использованием бистатического акустического метода частичных отражений.

3. Разработана и реализована структурная схема комплекса акустического зондирования нижней тропосферы, включающего в качестве источника звука детонационный акустический генератор.

4. Проведены сравнительные эксперименты по оценке вертикальных градиентов скорости ветра акустическим методом частичных отражений и независимыми локационными методами.

Научная новизна:

1. Впервые проведены систематические исследования распространения акустических импульсов в нижней тропосфере на расстояния несколько километров от источника при одновременном непрерывном измерении вертикальных профилей температуры и ветра в атмосферном пограничном слое (АПС).

2. Предложен и экспериментально апробирован метод бистатического акустического зондирования нижней тропосферы, использующий явление частичного отражения звука от ее неоднородностей.

3. Приведены оценки пространственных и временных масштабов неоднородностей скорости ветра в АПС и нижней тропосфере.

4. Впервые исследованы и получены спектры флуктуаций длительности, азимутов прихода и углов скольжения импульсных акустических сигналов на больших расстояниях от источника в атмосферном пограничном слое.

5. Впервые разработана модель и получены численные оценки влияния анизотропной турбулентности в тропосфере на характеристики акустических сигналов (время распространения, азимут и угол скольжения звукового луча).

На защиту выносится:

1. Результаты экспериментальных исследований дальнего распространения акустических импульсов в нижней тропосфере при одновременном непрерывном измерении вертикальных профилей температуры и ветра в атмосферном пограничном слое независимыми калиброванными методами.

2. Результаты сопоставления данных эксперимента о структуре акустических сигналов на больших расстояниях от источника с результатами расчета методом параболического уравнения.

3. Экспериментальные данные о флуктуациях длительности, азимутов и углов скольжения акустических сигналов в нижней тропосфере, обусловленных эффектами влияния мезомасштабных неоднородностей стратификации температуры и ветра.

4. Научно-методические основы и экспериментальное обоснование возможности использования акустического метода частичных отражений для оценки ветровых сдвигов в нижней тропосфере.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались:

- на семинарах Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН;

- на Всероссийских конференциях: XIII - XVI сессиях Российского Акустического общества (2003-2005); конференциях «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере» (Москва, 2004; Борок, 2005);

- на международных конференциях: International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans -ISARS (Окленд, Новая Зеландия, 2000; Рим, Италия, 2002; Кембридж, Англия, 2004); International Workshop Tomography and Acoustic, Leipzig, Germany, 2001; Infrasound Technology Workshop (Сан-Диего, Калифорния, США, 2003; Хобарт, Тасмания, Австралия, 2004; Папетте, Таити, Французская Полинезия, 2005).

По теме диссертации опубликовано: 10 работ.

Личный вклад автора

Содержание диссертации является частью работы, проводимой в Радиоакустической лаборатории ИФА им. A.M. Обухова РАН по развитию и применению метода акустической томографии для исследования структуры пограничного слоя атмосферы.

Автор принимал непосредственное участие во всех полевых измерениях на экспериментальном полигоне ИФА им. A.M. Обухова РАН, проводившихся с 2000-го года.

Автором самостоятельно разработаны структурная схема комплекса бистатического акустического зондирования нижней атмосферы и методика сбора данных; предложены электронные схемы и изготовлено несколько новых датчиков для регистрации акустических сигналов; создан комплекс программ для сбора и обработки данных.

Автором проведена вся первичная и статистическая обработка акустических сигналов; разработана методика и осуществлен анализ и интерпретация данных эксперимента.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 135 страниц текста, включая 68 рисунков и список литературы на 133 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Перепелкин, Виталий Георгиевич

Заключение

В заключение, перечислим основные результаты, полученные при выполнении настоящей диссертационной работы:

1. Проведены экспериментальные исследования и получен архив данных о влиянии мезомасштабных неоднородностей в нижней тропосфере на время распространения, азимут и угол скольжения, а также форму импульсных акустических сигналов на больших расстояниях от источников при одновременном непрерывном измерении вертикальных профилей температуры и ветра в атмосферном пограничном слое (АПС). 1

2. Разработаны основы методики оценки параметров нижней тропосферы с использованием бистатического акустического метода. Разработана и реализована структурная схема комплекса наклонного акустического зондирования нижней тропосферы.

3. Проведено сопоставление данных эксперимента о структуре акустических сигналов на больших расстояниях от источника с результатами расчета методом параболического уравнения.

4. Экспериментально обнаружено наличие локализованных слоев в нижней тропосфере с аномально большими вертикальными градиентами скорости ветра (до 7 м/с на 40 м), опасными для взлета и посадки самолетов. ^г

5. Разработана методика оценки погрешностей измерений времени распространения импульсных акустических сигналов, азимутов и углов скольжения лучей на основе типовых моделей структуры и спектров неоднородностей скорости ветра и температуры.

6. Проведены сравнительные эксперименты по определению значений вертикальных градиентов скорости ветра бистатическим акустическим методом и независимыми локационными методами.

7. Выявлены доминантные периоды флуктуаций характеристик акустических сигналов, соответствующие диапазону периодов внутренних гравитационных волн. Для этих периодов оценены соответствующие им горизонтальные масштабы и скорости переноса этих флуктуаций.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Перепелкин, Виталий Георгиевич, Москва

1. Embleton T.F.W. Tutorial on sound propagations outdoors // J.Acoust.Soc.Am.1996. V 100(1), July 1996. pp.31-48.

2. Piercy J.E., Embleton T.F.W., and Sutherland L.C. Rewiew of noise propagation in the atmosphere // J.Acoust.Soc. Am. 1977. V.61. pp. 1403-1418.

3. Attenborough K. Acoustical impedance models for outdoor ground surface // J.Sound. Vib. 1985. V.99.pp.521-544.

4. Brown E.H., and Hall F.F.,Jr. Advances in atmospheric physics // Rev.Geoph.Space.Phys.1978. V.16.pp.47-110.

5. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя.- Томск: Институт оптического мониторинга СО РАН, 2001. 278 с.

6. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1986. 167 с.

7. Красильников В.А. О распространении звука в турбулентной атмосфере// ДАН СССР. 1945. Т.47. № 7. С.486.

8. Красильников В.А. О флуктуациях фазы ультразвуковых волн при их распространении в приземном слое воздуха // ДАН СССР. 1953. Т.88. № 4. 657 с.

9. Brian G. Ferguson, Lionel G. Criswick, and Kam W. Lo. Locating far-field impulsive sound sources in air by triangulation // J. Acoust. Soc. Am. 2002. V.l 11 (1), Pt. 1, pp.104 116.

10. Brian G. Ferguson and Kam W. Lo. Passive ranging errors due to multipath distortion of deterministic transient signals with application to the localization of small arms fire // J.Acoust.Soc. Am. 2002. V.l 11 (l),Pt. 1, p.p.l 17-128.

11. Кузнецов P.Д. Акустический локатор JIATAH-3 для исследований атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосферы и океана.2006 (в печати).

12. Kadygrov Е., Viazankin A., Shur G. Investigations of atmospheric boundary layer temperature turbulence and wind parameters on the basis of passive microwave remote sensing //Radio Science, 2003,V.38.No.3.pp. 13.1-13.12.

13. Gurvich A.and I. Chunchuzov. Estimates of characteristic scales in the spectrum of internal waves in the stratosphere obtained from space observations of stellar scintillations // J. of Geophys. Res., 2005. V.110 (D3), D03114, doi:10.1029/2004D005199.

14. Chunchuzov, I.P. 'On the high-wavenumber form of the Eulerian internal wave spectrum in the atmosphere' J. Atm. Sci., 2002, V.59, №14, P.1753-1772.

15. Каллистратова M.A. Экспериментальное исследование рассеяния звука в турбулентной атмосфере //ДАН СССР 1959. Т.125.№1. С.69.

16. Kallistratova М.А., Coulter R.L. Application of SODARs in the study and monitoring of the environment // Meteorology and Atmospheric Physics 2004. V.85.No.l-3.pp 21-37.

17. Бреховских JI.M.,.Годин О.А. Акустика слоистых сред. Москва : Наука. 1989. 416 с.

18. Красненко Н.П. Приземное распространение звуковых волн в атмосфере // Сборник трудов XV сессии Российского акустического общества, 15-18 ноября 2004 г., Нижний Новгород, 2004, С.97-102.

19. Krasnenko N.P. Sound propagation in the atmosphere above the ground surface at long distances // Proc. SPIE, vol 6160, Part 2, (2005), p. 1 12.

20. Абрамов Н.Г., Богушевич А.Я., Карпов Н.П., Фомичев A.A. Возможности оперативного прогноза приземного распространения акустических шумов в атмосфере с учетом метеорологических условий // оптика атмосферы и океана 1994. Т.7. № 3. рр.403-413.

21. Ir. A.C.van Koersel Acoustic helicopter and FW aircraft detection and classification// Proceedings of the 9 th Annual International Symposium on Long Range Sound Propagation, September 14-15, 2000, TNO-FEL, Amsterdam The Netherlands, pp.108-118.

22. Bass Н.Е., Sutherland L.C., and Zuckerwar A.J. Atmospheric absorption of sound: Update // J.Acoust.Soc.Am. 1990 V.88. 2019-2021.

23. Embleton T.F.W., Piercy J.E., and Olson N. Outdoor sound propagation over ground of finite impedance // J. Acoust. Soc. Am. 1976. V.59. pp.267-277.

24. Tillostson Attenuation of sound over snow-covered fields // J. Acoust. Soc. Am. 1965. V. 39. pp.171-174.

25. Dickinson P.J., and Doak P.E. Measurement of normal acoustic impedance of ground surfaces // J. Sound Vib. 1970. V.13. pp.309-322.

26. Aylor D. Noise reduction by vegetation and ground // J. Acoust. Soc. Am. 1971. V.51. pp. 197-205.

27. Bass H.E., Bolen L.N., Cress D., Lundien J., and Flohr M. Coupling of airborne sound into the earth : Frequency dependence // J.Acoust.Soc. Am. 1980. V. 67. pp. 1502-1506.

28. Chessel C.I. Propagation of noise along a finite impedance boundary // J. Acoust. Soc. Am. 1977. V.62. pp.825-834.

29. Attenborough K. Acoustical characteristics of rigid fibrous absorbents and granular materials // J Acoust. Soc. Am. 1983. V.73. pp. 785-799.

30. Keith Attenborough, Patrice Boulanger and Qin Qin. Models and measurements over rough porous surfaces // Proceedings of the 11 th International Symposium on Long Range Sound Propagation, 2-3 June 2004, Fairiee, VT, USA. pp. 8-26.

31. Donald G. Albert. Terrain effects on acoustic pulse propagation // Proceedings of the 11 th International Symposium on Long Range Sound Propagation, 2-3 June 2004, Fairiee, VT, USA. pp.69-74.

32. Michelle Swearingen and Michael White. Sound propagation through a forest a predictive model // Proceedings of the 11 th International Symposium on Long Range Sound Propagation, 2-3 June 2004, Fairiee, VT, USA. pp.75-90.

33. Татарский В.И.Распространение волн в турбулентной атмосфере.М.:Наука. 1967.548 с.

34. Голицын Г.С., Гурвич А.С., Татарский В.И. Исследование частотных спектров флуктуаций амплитуды и разности фаз звуковых волн в турбулентной атмосфере // Акуст.ж. 1960. Т.6. вып.2. 187 с.

35. A.N.Dubrovskii, O.V.Rudenko, V.A.Khokhlova. Fluctuation characteristics of sonic booms traversing a random inhomogeneitious layer. Acoust.Physics.l996.V.42. p.p. 550-554

36. B.Lipkens. Model experiment to study sonic boom propagation through turbulence. Part III: Validation of sonic boom propagation modeles // J. Acoust Soc. Am. 2002. V.l 1 l.N.l.Pt.2. pp.509-519;

37. Красильников В.А. //Акустический журнал. 1998. T.44.№4. С.

38. Ostashev V.E., I.P. Chunchuzov, and D.K. Wilson. Sound propagation through and scattering by internal gravity waves in a stably stratified atmosphere // J. Acoust. Soc. Am.2005/1. V. 118(6), December 2005.

39. Wilson D.K. Calculated coherence and extinction of sound waves propagating through anisotropic, shear-induced turbulent velocity fluctuations // J.Acoust. Soc. Am. 1999. V.l05 (2). Pt.l. pp. 658-671.

40. Буш Г.А., Мартвель Ф.Э., Мордухович М.И.,' Отрезов А.И. О влиянии стратификации атмосферы на распространение низкочастотного звука //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985.Т.21.№4. С.423-426.

41. Отрезов А.И., Чунчузов И.П. Распространение низкочастотных звуковых волн в приземном слое атмосферы //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.1986.Т.22.№4. С.358-362.

42. Отрезов А.И., Чунчузов И.П. Об амплитудном распределении низкочастотного звукового поля вблизи поверхности земли //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.1987.Т.23. №1. С.103-1066.

43. I.P.Chunchuzov, G.A.Bush, and S.N.Kulichkov. On acoustical impulse propagation in a moving inhomogeneous atmospheric layer// J.Acoust.Soc. Am. 1990. V88.N1, July 1990. pp. 455-461.535657,58,59