Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование влияния особенностей микроструктуры конвективных облаков на рассеяние и ослабление электромагнитного излучения (прямая и обратная задачи)

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния особенностей микроструктуры конвективных облаков на рассеяние и ослабление электромагнитного излучения (прямая и обратная задачи)"

АШЕШ НАУК ГРУЗИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

- - На прзгзх рукопясн

МАРЧЕНКО Пагэг Бгг-зньог::ч

Ш 551.503.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ВДОНИЯ ОСОШНОСТБЛ МИКРОСТРУКТУРЫ НОНВВШБНЫХ ОБЛАКОВ НА РАССЕЯНИЕ И ОСЛАБЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ПРЯМАЯ Я ОБРАТНАЯ ЗАДАЧИ)

Сггацзадьаость 0?}.00.22 - Геофягзса

Автореферат диссертации на совсканна унаяой степени каким*** фмашко-матвматячевкмх науа

Тбзласн - 1990

Работа выполнена Госкоыгидроыета СССР

в

Высокогорном геофизическом институте

Научное руководители: доктор географических наук

Л.М.Федченко,

кандидат технических наук Б.Х.Тхамоков.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических паук.

Ведущая организация: Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова ОТО).

Запита диссертации состоится °.{У 0 1990 г.

ул. Рухадзо, I.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке Института геофизики АН «ХС?.

Автореферат разослан а а НОЯ6~/># 1990 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат физико-натематичес-

профессор В.Г.Хоргуаии,

кандидат физико-математических наук

Н.А.Бэгалпшши.

в /*4 часов на заседании специализированного совота К 007.14.01 в Институте геофизики АН ГССР по адресу: 330093, г.Тбилиси,

ких наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тета исследования диссертационной работу определяется "широки»-распространением экспериментальных ¡1 теоретически;: методов исследования микро- и макрофияичесгчх, а также термо-дикагсических процессов, происходящих в конвективных облаках, что связано с необходимости разработки новых и совершенствования су-г;ос?зуюлГлх методов актиткх воздействий на атмос'срт^гс образования с целью предотвращения градобитий, увеличения количества гип.ур.о-"гчх опалкой 2 з~ксг с тпосф&хзшел! регулирования

электрической активности конвективных облаков, рассели::.- т^.-ач^в и др. Исследования закономерностей рассеяния и ослабления электромагнитного излучения в облаках различных типов необходимы для разработки физико-математической модели облаков и дальнейшего развития представлений о ьгеханиэмах образования ливневых и градовых об-даков.

Вакнуто роль в развитии•конвективных облакоз играют воздушные потоки, экспериментальные исследования которых проводятся с помо-цьл доплеровсггих радиолокаторов. Однако разработанные в настояло врешт экспериментальные способы измерения скорости воздугмтх потоков обладавт рядом недостатков, связанных, в основном, с невозмот.-ностыэ их применения как для дождевых, так и для градовых облаков, и проблемами чисто Т5хни'чвского характера. В связи с этим в настоящей работе на основании исследований закономерности рассеяния и ослабления электромагнитного излучения в конвективных облаках показана возможность разработки метода определения скорости вертикальных воздушных потоков, который достаточно просто технически рэализузм и при?.!эгош как для дождей, так и для града.

Учитывал безусловную важность разработки новых дистанционных методов исследования микроструктурных характеристик гидрометеоров,

определения водности (ледности), а также параметров, характеризую гр-и: энергетику конвективных облаков, особую актуальность приобретают теоретические исследования, посвященные решению обратных задач, с помощь* которых можно определить спектральное распределение частиц дисперсной системы по данным измерений радиолокационной отражаемости кетеорадиолокатором, работающим в сантиметровом диа-. пазоне длин волн. Представляются актуальными такие исследования 'по изучению влияния вида функции диэлектрической проницаемости частиц осадков на радиолокационные характеристики и поперечные сечения обратного рассеяния и ослабления.

Цоль'з настоящей работы является исследование влияния особенностей микроструктуры конвективных облаков на рассеяние и ослабление. электромагнитного излучения, а также изучение возможности вос-стамовления микроструктурных характеристик градовых облаков по данным радиолокационных измерений. При этом решались следующие задачи:

- исследование влияния микроструктуры на радиолокационно-доп-леровские характеристики смеси довдевых капель и обводненных градин, дождевых капель, "сухих" и обводненных градин;

- разработка метода определения скорости вертикальных воздушных потоков в конвективных облаках, основанного на измерениях од-новолновым доплеровским радиолокатором;

- исследование влияния вида функции диэлектрической проницаемо"--и радииЛ'лса;дио;гные характеристики губчатого града;

- разработка методики определения радиолокационной отражаемости конвективных облаков в диапазоне длин волн 3,2 4 II см.-поданным радиолокационного зондирования на длине волны II см;

- создание метода внесения поправки на ослабление на длине полны 3,2 см;

- ^гхсг'.'^е обратной задача; восстановления спектрального рас-продйле'п'л градовых частиц.

Научная новизна. На основании исследований влияния микроструктуры облаков на рассеяние и ослабление электромагнитного излучения смесью дождевых капель, "сухих" и обводненных градин разработан метод определения скорости вертикальных воздушных потоков

-в конвективных облаках, основанный на измерениях одноволновым ра- ---------

диолокатором. Применение метода возможно как для догвдевых, так и для грозо-градовых облаков. Впервые предложен метод определения радиолокационной отражаемости конвективных облаков в диапазоне длин волн 3,2 4 II см по данным радиолокационного зондиротнпя на длине волны II см. Новым является метод внесения поправки на ослабление влентромАГнитного излучения на длине волны 3,2 см, Впервые для конкретных грозо-градовых процессов методом редукции решена обратная задача восстановления спектрального распределения градовых частиц.

Научная и практическая ценность работы определяется возможностями практического применения разработанных методов измерения скорости вертикальных воздутпных потоков и ослабления, что ва-тпо для экспериментальных исследований микроструктурных и динамических характеристик конвективных облаков, проведения активных воздействий, а также для обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов. Разработанная методика решения обратной задачи восстановления функции распределения градовых частиц по размерам в облаке может быть кспсльссга:й. для решения ряда прикладных задач физики конвективных облаков.

На защиту выносятся:

I. Результаты теоретического анализа закономерностей рассеяния и ослабления электромагнитного излучения емзеьэ дождевых капель, "сухих" и обводненных градин, а также губчатым градом с учетом возможных вариаций диэлектрической проницаемости и компонентного состава смеси.

2. Одноволновый метод определения скорости вертикальных воз-дуигных потоков в дождевых и грозо-градовых облаках.

3. Методика и математические соотношения, позволяющие определять радиолокационную отражаемость на длинах волн 3,2 4 II см по данным радиолокационного зондирования на длине волны II см для дождевых и грозо-градовых облаков.

4. Метод определения коэффициентов ослабления и интегрального ослабления в конвективных облаках на длине волны 3,2 см.

5. Методика и результаты решения обратно?! задачи восстановления функции распределения градовых частиц по размерам в облаке.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных' дистанционного зондирования окружающей среды (г.Рига,1986 г.), УП Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Суздаль, 19В6 г.), Всесоюзной конференции по актилнкм воздействиям на гидрометеорологические процессы (г.Киев, 1987 г.), Международном симпозиуме "Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере" (г.Тбилиси, 1988 г.), Всесоюзном семинаре по активным воздействиям на градовые процессу и перспективам усовершенствования реагентов дтя практики активных воздействий (г.Нальчик,1989г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных рабо?.

Структура и -объем. Диссертация ^стоит иг. введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содеряиг 184 страницы маши- . нописного текста, 44 рисунка, 34 таблищ, 115 наименований библиографий.

Содержание работа

Во введении обосновывается актуальность, ставится цель исследования и формулируются основные задачи, научная новизна, научная и практическая ценность, предмет защиты, порядок изложения подученных результатов.

В первой главе исследуется влияние микроструктуры облака на радиолокапионно-доплеровские характеристики смеси дождевых капель и обводненных градин, "сухих" и обводненных градин, дождевых

капель, "сухих'-7 и ~обводнсшгых грядин.------

В связи с проблемой активных воздействий на мгсряго конвективные облака большое значение имеют сведения о радиолокационных и Чругях характеристиках облаков при корректном учете м-.нгрг гск:: параметров указанных атмосферных образований. До н.ч'.тгг-.т времени расчеты, как правило, проводились для чкето дс..:дезых для ч;;сг~ гри^^х облакез. 55згест«<"> лка.ь рябот, в ко-

торых учитывалось, что в одном и том же радиолокационном могут одновременно при'сутств'асать различные типы гидромс-теоров. В связи, с этим первоначально рассматривалась двухфазная смесь гидрометеоров - дождевые-капли + обводненные градины. В качестве функций распределения использовались гамма- и логарифмически-нормальное распределения. Представляя рассеивание чзстицн сферами вода и льда с известными показателями преломления или поглощения, при расчетах использовалась- теория Ми. Если полагать, что в облаке находятся только дождевые- капли и обводненные градины, то.рассчитывая радиолокаготоннные характеристики, необходимо учитывать, что ьи имеем дело с двухфазной системой гггзависимо рассеивающих ¡киду."Т. каштг? ж твердых (градина) частиц. Задавая затем

.обиулс веди^ть смеси <7 и перераспрепеляя рр между дездем (водность- и градом (ледность можно рассчитывать радиолокационную отражаемость, коэффициент ослабления, средни® доплеровскул скорость частиц, обусловленную лишь их гравитационные падением:

, <*гр. Т) п "(Ы.г/>) dd.ro /

¿ты

Косл: к™ + кМгр- а^зП о;(щ&Х Т)п'(а*)**к♦

^тпСЦ.

где «¡ял,^^ вНщМгАг\.4'ЯАЛД ^ -

соответственно поперечные сечения обратного рассеяния и ослабления дождевых'капель и градин; п'(с1к) , п"(с1гр) _ функции распределения абсолютного числа частиц по размерам. Для средней гравитационной скорости имеем:

Угсм4еи" Угкапш * 47 Уггрш (3)

(смей (мш

Укшль т7 Угрш

Умеси

Расчет характеристик , ^осл(т1(и , проводился

для длин волн А = 3,2 и II см5, температура Г= -10°С, толщина водяной пленки полагалась равной ксС = 0,01 см. На основании исследований для Л = 3,2 см выявлены зависимости коэффициента ослабления и.радиолокационной отражаемости от - относительного содержания льда в общей водности смеси. Проведенные исследования сависгаосги радиолокационной отражаемости, коэффициента ослабления и средней гравитационной скорости от величины & и изменения в широком диапазоне параметров микроструктуры показали,

~ри ьагъирс"зе/:яг ^ от 0,1 до 0,9 коэффициент ослабления

т ч

изменяется от 2 до 12 дБ-км ( ^=10»' при изменении ра-

диолскеионной отражаемости при этом на порядок. Доказано, что при < <£л вариации параметров функции распределения дождевых у~т-?ль по размерам с точностью 3-4% не оказывают влияния на веди'." Уг(меи • Величина радиолокационной отражаемости зависит от значен;'* параметра с(Г1СС1к .причем влияние этого параметра прямо пргпг-рпгокально и сложным образом зависит от параметров

функции распределения уи н с1 -тоа^ .

Опираясь на уравнение теплового баланса градин, находящихся

в потеке переохлажденного водного аэрозоля, проведено исслсдоза-тггз обратного рассеяния и ослаблен;;л з градовых облаках на длинах поли 3,2; 5,6 и II см'с учетом разделения спектр! града на "сухой" и обводненный. Еиражение для расчетов критического радиуса, который разделяет спектр на две части: область обводненных градин ( £ > Икрип. ) к область "сухих" градин (Р < ЯКрит), ямгет вид:

" V V ' [и-ЫЪ-Т-)! ' (4)

где О - кинетический коэффициент молекулярной вязкости, см~А. Значения параметров в уравнении (4) следующее: # = 0,22 {3/&), СЦ'С-^, /2 = 1000 мБ - значение давления атаосферы на уровне моря, Р - значение давления на определенной высоте для стандартной ат-^ссферу5 ¿д. - 595 кал-г~*» Ьп » 80 кал-г-*, Л = 5,6'Ю~^кал/см

- »•» «з

с град; Ь (71-Т„) = 2,7'Т0~Ч Т0 - Т^ ), г-сг.Г". Провлдс-

ио срас-'зккз результатов, пелучпе-.кх с пом^ья гпра-ення (•!), я п /

смачениГ: "кри~г » рассчиткваеисс по ссотног.-с'кпз, предлс."с;!:»г:у ранее на основании исследований о т<ш?:но пленки на плпсрхпостл различных шаблонов и об обледенении самолетов в облаках. Дскаг;г'.г-ется, что для задачи разделения спектра на "сухо;"" и обводнен:-':;": уравнение (4) белее точно описывает термодинамические условия, существующие в градовых облаках. Показано, что суцеств^ст однознач-нал зависимость 'ф ♦ за исключением случаев, когда градсвыЯ

спектр наполовину и более состоит из "сухих" градин.

При разработке эмпирических и физико-математических моделей конБЗйТЯкгяг облаков с целью изыскания способов регулирования ил грозовой и градовой активности большое значение тлеют экспериментальные исследования движения в них частиц гидрометеоров и воздуха.

При этом предполагается, что если облачная частица или частига осадков находится в воздушном потоке, имевшем сктрость и* , то она движется со скоростью, равной векторной сумме скоростей и гравитационного паде ния:

(5)

где - измеренная радиолокатором средняя доплеровская скорость, м-с~*. Основным при этом для определения скорости воздушного потока является знание средней доплеровской скорости частиц, обусловленной лишь их гравитационным падением - Уг • В работе приводятся результаты по разработке одноволноиого метода измерения величины скорости воздушного потока Ш в дождевых и грозо-градошх обла* ках,- основываясь на взаимосвязи между величинами средне*? гравитационной скорости - Уг и радиолокационной отражаемостью. При этой учитывалось, что в радиолокацж ином объеме одновременно находятся дождевые капли, "сухие" и обводненные градины. Аналитически выражения для описания полученных зависимостей имеют вид:

0,30«

уг*шуи (6)

О ЗС6

Уг » 'НО (7)

Суммарные методические и инструментальные погре'лности составляют Л = II см - ± 2,0 ы с-1 для дождя, - 5,0 м с"1 для града; ■Я « 30 см - ± 2,0 м с-1 для дсждл, - 3,0 ы дЛя града. Пред ложенный метод был применен для анализа воз^""чых потоков в гро-зо-градоаоц процессе 10 июля 19^6 г. Полученные значения-сравнивались с аналогичными, полученными пятью друг и к« методами.

Глава П содержит результаты зависимости поперечных сечений, "кратного рассеяния и ослабления радиолокационного излучения, величин радиолокационной отражаемости и коэффициента ослабления губчатого града от вида функции ди э ле -гт ,. л " е с к о Я проницаемости, соотнесения между ксцг.скемт-лй' су>?:;<, а ?а.<те зида ¿унютга рас-

пределения градовых частиц по размерам.

Начиная с первых исследований радиолокационных сигналов от таградга, где считалось, что градины представляют собой одно-роднуо^скось вода п льда, и, в более поздних работах для расчетов дазлсхтрячоскоП тфонипаснсетк с:-оси нспсльаорчяось выражение, по-Дебаеы:

' г ( е * г J

е^г ' . (8)

где £ - диэлектрическая проницаемость с^с.ричоспгх вкгаченнй, вве-» п "»fi.Hii» w проницаемостью ¿т. ,

F - относительный объем включения, -мость смеси. Однако указанное соотношение, а это отмечает и сам Дебай, описывает однородные смеси веществ (близкие к растворам) и вряд ли его применение целесообразно, когда частицы включений име-зт размеры, во много раз превыюаюидее размеры молекул. Поэтому при lT-:;sc-£.-?ccorî pie-^n:::-.* ~ ослабления электромагнитного

(¿1 .;ес:'.оян:о соотно-сониП -- MaKCLur.w^-VV.rrîcvr.,, Пг/т-

случай произвольно ориентированных эллипсоидальных вкгзяз-ir.:f., - с:;:".:;;- г„Т"-*.С1ГЛЛ, п-':Св»"*тлны диэлектри-

ческие проницаемости п комплексное по^лппто-лг .-феломяския "~я v:;--poicoro диапазона длин волн от 0,8 до 35 см. При этом исследовалась засяскмость комплексного гоеломления от длины волны,-а

ДЛЯ аиксирозазюй дя;гнн вол/п; зависимость показателя прэлсулениг: п показателя поглощения от величины Г относительного о5го>:а вода (или льда) в oov'M oSwis оболочки. Учитывая еывод, полученный

в работах американских авторов, о том, что наилучшее совпадение теории и экспериментальных данных наблюдается при использовании функции Максвелла-Гарнета в случае, когда вода является матрицей, а включения"и сл,^:ат частицы льда эллипсоидальной формы, для длин волн 0,65; 3,2 и II см проведены детальные исследования зависимос-* та поперечных сечений обратного рассеяния, ослабления и поглощения от функции диэлектрической проницаемости (<2ЩП). Сравнения проводились для $ДП Дебая и "аксвелла-Гарньта. Исследовались градоше час-тигы, имеющие радиусы & от 0,3 до 0,9 см и поверхностные слои губчатого града толщиной к = 0,01; 0,05 и 0,1 см. Несмотря на полученную сложную картину зависимости поперечных сечений обратного рассеяния и ослабления от Р , Я , А и 3>ДП не вызывает сомнения факт серьезной зависимости указанной величины от и, как следствие этого, цоуло ожидать, что использование для расчетов формулы "аксвелла-Гарнета г.риведеУ к значительным изменениям по сравнению с Дебаем, уже в таких интегральных характеристиках, какими являются рлдиолокационная отражаемость и коэффициент ослабления. Для обоснования последних утверждений проведены расчета ра-^ио.покациппой отражаемости и коэффициента ослабления для длин волн 3,2 и II см, ФДП Дебая и Максвелла-Гарнета, а также двух функций распределения градин по размерам - гамма и логарифмически-нормального. Показано, что радиолокационные отражаемости, полученные, с использованием ФДП Максвелла-Iа^.—та, менее чувствительны,по сравнению с $ЦП Дебая, к появлению в воде ледяыгс включений и наоборот сильнее реагируют на появление в ледяных частицах незначительного количества вода. Аналогичные вывода могут быть сделаны н для коэффициента ослабления. Отметим такзе существенные отличия в значениях радиолокационной отраааеыссти и коэффициента ослабления при фиксировании размера града и изменении вида Ясследования показали, что изгнание вида функцни распределения частац

по размзрам но является определявшим при исследовании влияния вида ЗДП на значения радиолокационной отраааэмости. и козффяцяен-та ослабления.

3 третьей глаззу спираясь на результаты двух прададущ;с; глав, рассматривается вопрос определения радиолонагр*енннз характеристик конвективных облаков в диапазоне длин волн 3,2 * II см по данным одноводнового зо!1рировання.

Легко показать, что в частном случае рзлеовского зондирования средняя гравитационная скорость падения частиц, расстатывго-глсл з соответствии с зыра^а;™:;

й. - —Ф3*3-,

г " ' (9)

¿Ггип

где обозначения аналогичны (1-2), не зависит от зондирующей дли-ш полны, а обусловлена физическими характеристиками гидрокэтэо-роз. Учитывая, что в случае отличия рассеяния о? релеевского выражения для поперечных сечений обратного рассеяния нкаат достаточно сложный зид, тем сашм делая крайне громоздким и сдозизяя аналитическое доказательстве г гвенетт. ср^цн^х гравитационных скоростей для различных длин волн, были поставлены численные эксперименты по расчету зьачеьйй Уг , согласно огчсанньи ч преда-цуярос главах ьтодикв и ниро-тегши. Исследования показали, что б случае наложения з зондируящем обтямз только зодякых капель, для диапазона длин волн 3,2 * 30 см значения Уг можно считать одтп!а.то5ммя с точностно до нескольких процентов (при фиксировании параь-атров функции распределения). При рассмотрении съзс:: "сухих" и обзоднзншх градин, как погадали расчета для диалазонз длин ваш« 3,2 -1 20 см, различия э значениях Чг на прзвазез? 15% (достигая ас: с: цифр для ¿то*^ 1,0 ся). Если в зондируемом «бъзч«

одновременно сущестбэт дождевые капли, "сухие" и обводненные градины, то различия в VrCMteu не превышает 15-17% для того se диапазона длин волн. Учитывая сказанное, а таюке используя расчета значений радиолокационной отражаемости дождевых капель, по- • лучено соотношение, связываэщзе радиолокационные отражаемости на длинах волн 3,2 и II см со значениями ~ -JÍVr) . Прини-

мая во внимание (5), получено:

е

S'5S407« 1 (Ю)

Относительная погрешность определения отражаемости на длине волны 3,2 см в 1,78 раза превышает соответствующую погрешность на

II см.

Аналогичные исследования, проведенные для смеси до;пдевых капель, "сухих" и обводненных градин, позволили получить аналитические выражения для описания зависимостей Vr » где J! = 3,2 см, 4,0 см и 5,6 см. При этом ^ = -0,256, -0,335, -544, соответственно. Относительная погревность расчета радиолокационных отракаемостей на длинах волн 3,2 с и, 4,0 см к 5,6 см определяется погрешностью измерения отражаемости на длине волны II см и погрешность®, с которой определяется величина средней гравитационной скорости. Учитывая это, максимальная погресность мокет

о

достигать (для водностей 1-2 г-м ), соответственно, 220%, 100? к 130%. Для <7=5 погрешность лекит в пределах 30/-. При-

менение радиолокатора с длиной волны Л = 30 см дает возможность определять Vr в градошх облаках с точностьз 15-20%, что приводит к уменьшении соотватствупаргх погрсЕНОстей в определении радиолокационных отрагаемостей в 1,5-2 pasa. Ецрагленке для расчета радиолокационной отраохаемости на лвбой длине волны из диапазона 3,2 4 II cu по значении средней гравитационной скорости (предполагая её независимость от длины волны) имеет вид:"

-0.44

• в,. ~

у^ = е,85-10 (Аг^Р) Уг (II)

Принимая во внимание (6) или (7), можно Быразить у^. через значения радиолокационнойотражаемости на длина волны II и 30 см.

На основании полученных соотношений предложена мэтодлка определения ослабления в конвективных облаках, не требующая, в отличие от суцестэуящих методов, измерений значений мощности сипа-лов в областях ближней и дальней периферии. Оснозным соотнсг-знгем

позволяющим реализовать предложвншй узтод, является следующее:

о

Л0 ' 71,

о

где п„ - величина мощности радиоэха в идеальной атмосфере, п, -измеренная радиолокатором величина мощности радиоэха в данной точке облака. Для Л = 3,2 см па может быть рассчитана с помощью выражения (10) для дождя или выражения

-- 4.9А-{05р*1Я* (13)

для градовых облаков. Погрешность определения геличины п,, для градсных облаков состазляс? - 2 1 2,5 -Я, для дг.?дя - 2,5 * 3 дЬ. Предложенная методика была применена для определения значений интегрального ослабления и коэ|<*мциентов ослз'л в 2. трассогах измерениях радиолокационных отраяр.емссте/; на длинах волн 3,2 см и II см.

Для анализа взята 2 грозо-градовых процесса 10.07.76 г. и 19.07.&7 г., а также случай 7.07.75 г., стличагкаийся выпадением осадков з виде дсздя. Проведено сравнение результатов с гямогчп-ными, полученный иатсдсу, прздлс^знкым другими авторами.

В четвертой глазе рассмотрен вопрос решения обратной задлгти восстановления функции распределен:« градовых частиц по рааизрой на основами оезультатсз, полученных в зредыдутцях глазах, и при-

кгнении метода редукции.

Учитапая, что измерение величины радиолокационной отражаемое- I та у(^) проводится с определенной ошибкой , известное

п-грогенпе должно быть переписано в следующем виде:

-10 \е0 (т,а, ^ т) }(*)** + Щ-), Ш)

^тплп

где - искомая функция распределения частиц по размерам. В

операторном виде (14) имеет вид:

? - ^ (15)

Изтод редукции заключается в построении оператора Р , действуя которым на 1 моет о было бы найти оценку ~ / . При этом рассматривается частная задача редукции в следующей постановке:

Если - ресение задачи (15) (или в иной форме -•//' (№ -1)/ * К $ I - единичная матрица), то сигнал ^ мопэто рассматривать как искаженный шумом ^ выходной сигнал прибора ^ Л , с точностью до р£ совпадавшего с идеальным прибором I, при заданном ограничении на уровень пума МПС . Приводится вид решения задата в такой постановке и выражения для определения интенсипнос-ти сума к(и>) и невязки, характеризующей степень отличия 4 от "идеального прибора ^^ » гДе - параметр редукции. В известных до си_г пор работах реализуемость существующих методов решения некорректных задач для восстановления функции распределения частиц гидрометеоров по размерам доказывалась на основе математическое экспериментов. Практическая Ее их реализация в изучении процессов, происходящих в атмосфере, была невозможна из-за отсутствия измерений в достаточно Еирокои диапазоне длин волн или. для достаточного количества углов при поляризационных измерениях. Предлокенный в настоящей работе метод определения значений

радиолокационной отражаемости частиц гидромзтаоров на любой длине волны из диапазона 3,2 4 II см по измерениям на длине волны II см позволяет применить метод редукции для определения функции распределения градовых частиц по размерам в реально существующих

грозо-градовых облаках= Для этой це.т.т па основе метода редукции______

на языке программирования ФОРТРАН была составлена программа решения некорректной задачи восстановления функции распределения. Задача рсглалась в рамках моделей, когда все градины, находящиеся в радиолокационном объеме, являются либо "сухими", либо обводнениями. Грая считался сферическим.

Списанная гкзтодтеа бнла применена дяя ацартза 4-х конкретнее • грозо-градовых процессов, имевших место на территории Северного Кавказа. По данным наземной градомерной сети 2 из них (20 ишя 1983 г. и б июня 1986 г.) характеризовались "сухим" режимом роста, в двух других (12 и 13 июня 1989 г.) град был обводненным.

. п

При птом радиолокационные отражаемости были следующие:^« 1*10" и 2,5-Ю-7 (20 июня 1983 г.), у = 5'10~8см_1 (б июня 1986 г.),

от "

3-Ю"8 см"1 (12 июня 1989 г.) и 8'КГ8 см-1 (13 июня

1989 г.).

На примере конкретных случаев прс.-дализировг-Ы основные особенности решения задачи. Тя". как связ! между невязкой р^) и уровнем шума к(<0) , нааулаеглад оп;ратизнс1 характеристикой, является основным показателем качества регаения обратной задачи, проведен анализ зависимости этих величал от параметра йА,- . По-

■ а

казано^ ,что оптимальными являются значения шага дискретизации по а - дЛ • - 0,1 4 0,25 см. При выборе параметра редукции - о) ,

что является одним из наиболее сложных вопросов, щ исходили иг того, что должен обеспечивать такое решение, для которого значения и являются сбалансированными. Параллельно контролировался вопрос о том, обеспечивает ли оператор- /?(">)= - Аустоит асе ресение задачи. Приэояятся спектраль—

ные кривые, полученные в результате решения задачи в конкретных пространственно-временных точках грозо-градовых процессов, а так-&е таблицы с основными характеристиками этих кривых.

Эта see задача определения спектральных характеристик града в грозо-градовых облаках решалась затем статистическим методом, состоящим в нахождении математических выражений для описания распределения градин по размерам в облаке, и определении его параметр, на основе экспериментальных данных, полученных на земле с помощью сети пассивных индикаторов града - ПИТ, установленных на площади 3,5*10^ км^ с плотностью один прибор на 6,5 км^. Изложены методические вопросы решения задачи статистическим методом.

Применение статистического метода к указанным выше пространственно-временным точкам грозо-градовых процессов показало, что в процессах зв 20.06.83 г., 12 и 13 .06.89 г. экспериментальные

данные • наилучшим образом описываются логарифмически-нормальным

7 Т

законом распределения со следующими параметрами: 10" см -'тл = 21, еГ= 0,26; « г.б'Ю^слГ1 - т 20, 0»23;

fa* 3-Ю"8 - т - 5,5 , 6"= 0,4; Ю^см-1- m = 9, <Г«0,3

В грозо-градовом процессе 6.06.86 г. градина в облаке удовлетворительно описываются гамма-распределением с параметрами: ы в 7,

Проведено графическое сравнение результатов восстановления функций распределения, полученных обоими методами. В таблице приводятся основные параметры кривья распределеккя» полученные обоими методами. Из таблицы видно, что реализация двух различных подходов для решения задачи восстановления функций распределения . градин по размерам в облаке показала удовлетворительное совпадение результатов, полученных обоими методами.

Основные параметры

и ра-диолока-" дюнная отра*чемость-

Метод редукции

20.06.83 г.

V = Ю~7 см-1

' 7 I

V = 2,5 10 см-1

С"

6.06.В6 г.

12.06.89 г.

V З-Ю^см"1 13.06.89 г.

у» 8 ГО^см'1

а-тссС

мм

Жтщ' ММ

п, ..-з

18-19 18-19

10 9,0 II

оо 35

21

20

25

0,5 0,9

1,8 1,0

Статистический мзтод.

ММ

23-24 20-21

10 6,0 8,0

ММ

.-3

32 30

0,24-3-0,39 0,36^6,0

ГЗ 1,4 4 2.-1

18

23

5,5 * 9,0

0,8 4 1,4

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Детально исследованы связи радиолокационной отражаемости, коэ^фниеита ослабления, сг^е.щгэй гравитационной скорости и параметров микроструктуры для смеси дондеетх капель я обводненных та дин. На основании уравнения теплового болрлсл градин предложено яыражение для определения величины критического радиуса ^крип » разделяющего спектр града на две части: область обводненных градин ( £ > Якрит ) и область "сухих" градин ( /?< . Подробно исследован вопрос влияния на значения радиолокационной отражаемости и коэффициента ослабления микроструктуры я соотясзетяя в спектре "сухих" .и обводненных градин.

2. На основании проведенных исследований прздлеяея усовершенствованный одноволновый метод определения скоросгл взрт.пгадь-пыз воздупнкх потоков, прдаггнммый для измерения скорости етис

в доздевых, так и в грозо-градовых облаках. Применение метода для анализа конкретного грозо-градового процесса показало, что он более точно, по сравнению с существующими, описывает структуру вертикальных воздушных потоков.

3. Теоретически исследованы зависимости показателя преломления и поглощения, поперечных сечений обратного рассеяния и ослабления, радиолокационной отраааемости и коэффициента ослабления губчатого града от функции диэлектрической проницаемости, микро-фиаических параметров и соотношения воды и льда в смеси. Показана существенная зависимость указанных величин от вида функции диэлектрической проницаемости. Особенно ярко это проявляется при переходе от длины волны 10 см к более коротким - 3,2 и 0,86 см, где картина зависимостей особенно сложна. Доказано, что использование при интерпретации экспериментальных данных иной, по сравнению с Дебаевской, функции диэлектрической проницаемости приводит к совершенно другим значениям радиолокационной отражаемости и коэффициента ослабления и в общем изменяет сам характер зависимости этих величин от параметров микроструктуры. Изменение вида функции распределения частиц по размерам не является определяющим при исследовании влияния вида ФДП на значения у и К0СА •

4. На основании исследований/позволивших утверждать, что величина средней гравитационной скорости падения гидрсмэтеоров не Зависит от длины волны (при изменении последней от 3,2 до 30см

и одновременном сосуществовании в зондируемом объеме смеси дождевых капель, "сухих" и обводненных градин), получено математическое соотношение, связывающее значение радиолокационной отражаемости конвективных облаков в диапазоне длин волн 3,2 ♦ II см с радиолокационной отражаемостью на длине волны II см» Приводятся оценки максимальных погрешностей.

5. Предложен метод определения коэффициентов ослабления и интегрального ослабления в конвективных облаках на длине волны

3,2 см. Максимальные сукгларные погрепгности определения эвлчиикч '- -ги в-доадевых.и.градоик_о_блаках составляв? - 2,5 « 3,0 дБ. Проверка прздло-зинсЯ :..370дкки на скспериионтаяьном материала показала о 5 о!х1>з:;?:т-т;ость в повнтенич оперативности и «очнеегл »ею-

реннй.

Л, Сбосчсзан гибор метода рздукцгл для рсгсякя обрчтчоЯ яа-дачи восстаноьлёпия распр^дело-:«*:? частиц гидро:»?осро.: по

паоиогмм. па. „«»о ЛОРГРАН составлна программа,

реализующая алгоритм метода, применение мвтОд«. род^иц:::: сг~т?Г"мп с методикой, связывающей радиолокационную отражаемость конвективных облаков в диапазоне длин волн 3,2 > II см с радиолокационными измерения!.«! на длине волны II см, впервые позволило восстановить функции распределения градин по размерам з конкретных пространет-•л'нм'"-"." точках 4-х тепо-хч'-ддевйл тн^оттоссоэ. ГГг>лкля.еко

осаг.^он'/е релультатоз с анадогпчпи;.-:', ;:олучон:г.л?.-1 п помедь-о сто-т:гс.7;г;сс;;ого мо.дда, опирающегося ча дян^о, есбракнг.3 сеау> ::аг;..

ела;:": шц^каторов града. Рзалиглцкя двух различных ::а/дсд<'в д.";; ресе-н;:я задачи ь постановления функции распрзделеаия градин по размерам в облаке показала удовлетворительное собПадение резус-7атовй получениях обоими метода:.®.

Результаты, изложенные в диссертации, оиубликоза:й1 едоду?;-щкх работах:

1. рчен-:о И,5. ,Тха.чгког: Б.Х, Ц-кчпптв :т,":рострук?уру на радиол0-каздс;шс-дсплерозские характеристики градогых облэксв. -Труды ЕП1, 19С6, вип»63, с. 101-110.

2. Марченко П.Е.,Тхамоков Б.Х, Об одном методе определен; .г скорости вертикальная воздушных потокоз в дождевых и градовых.об-

лаках. - Тезисы докладов республиканской научной конференции, . Нальчик, 1985, с.54-55.

3. Марченко П.Е..Тхамоков В.Х. Свя^ь статистических характеристик радиолокационного сигнала с ¡.згкргструктурой облаков и осадков.-' Тезисы Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды, Рига, 1986, с.104.

4. Добросердов В.М..Марченко П.Е.,Тхамоков Б.Х.,Федченко JI.M. Методика, аппаратура и предварительные результаты исследования структуры воздушных потоков в градовых облаках. - Тезисы Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Обнинск, 1987, с. 155-157.

5. Марченко П.Е.»Тхамоков Б.Х. О функции диэлектрической проницаемости неоднородных градовых частиц. - Труда ВГИ, 1989, вып.72, с.35-43.

6. Инюхин B.C.,Марченко П.Е.,Толмачев В.В. Влияние функции диэлектрической проницаемости на характеристики рассеяния и ослабления радиолокационного излучения неоднородного града. - Труда ВГИ, 1989, вып.74, с.53-59.

7. Инюхин В.С.,Марченко П.Е..Толмачев В.В. Зависимость радиолокационных характеристик губчатого града от диэлектрической проницаемости. - Труда ВГИ, 1989, вып.74, с.59-65.

8. Марченко П.Е..Тхамоков Б.Х..Федченко Л.М. Методика определения скорости воздушного потока в облаках различных типов и её применение в исследовании пространственной структуры воздушных потоков в грозо-градовых облаках в регионе Северного Кавказа. -Тезисы Международного симпозиума "Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере", Тбилиси, 1988, с.93.

9. Марченко П.Е.,Тлисов М.И. .Тхамоков Б.Х.,Хучунаэв Б. 1!. О двух подходах к восстановлений микроструктуры градовых облаков. -Доклада Зсесс.-а-мого семинара по активным воздействиям на гра-

_. до виз про^сси и пзрспектягал усовершенствования льдообразуз:?*

0!5'1Г'~!!ТОЛ ддя ПСах-ГлКП а;< Г воздействий.. - ¡¡аЛЬЧНХ, 1590.

4нй

//> V ¿_---

к печати 1.11.30 г. Формат 60x8* Г/16.

100 о:;Закйо Й '.З,

Рснало; ге^^г^-лч-эсхого института Госх'мгя'ромет»

г.Нальчик, уд. Ленина, 2.