Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Применение автоматизированного акустического локатора для исследований структуры и динамики атмосферного пограничного слоя

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Применение автоматизированного акустического локатора для исследований структуры и динамики атмосферного пограничного слоя"

РГ6 од

Российская Академия Наук Институт Физики Атмосферы им. А.М. Обухова

На правах рукописи

ШУРЫГИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АКУСТИЧЕСКОГО ЛОКАТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

(04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Институте Физики Атмосферы им. A.M. Обухова РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических, наук

Каллистратова Маргарита Александровна.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Налбандян Овик Гагикович,

кандидат физико-математических наук Ветров Валерий Иванович.

Головная организация - НПО "Тайфун" Роскомгидромета.

Защита диссертации состоится "/?" 1998 г.

в /Г час. на заседании Специализированного совета КООЗ. 18.01 Института Физики Атмосферы РАН (109017, Москва Ж-17, Пыжевский пер., д. 3.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физики Атмосферы РАН.

Автореферат разослан » ^ДаУ_1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета ИФА РАН кандидат географических наук Л^С^**__Краснокутская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена вопросам автоматизации работы акустических локаторов (содаров), первичной обработки эхо-сигналов, статистической обработки данных акустического и совмещенного акустического-радиоакустического зондирования, а также использованию разработанных методов и программного обеспечения в экспериментальных исследованиях атмосферного пограничного слоя над равнинной и горной местностью, над океаном и крупными городами.

Актуальность темы. Детальное знание и понимание динамических процессов, протекающих в атмосферном пограничном слое (АПС), необходимо для совершенствования прогноза погоды и теории климата, для моделирования влияния промышленных и транспортных выбросов на качество воздуха. Важнейшими практическими задачами являются: непрерывный контроль (мониторинг) АПС в промышленных районах и крупных городах для выявления и предсказания опасных с точки зрения загрязнения воздуха метеорологических условий и оперативное предоставление этих данных для принятия мер по регулированию режима работы промышленных предприятий; непрерывный контроль АПС вблизи аэродромов для обнаружения ветровых порывов и сдвигов ветра, могущих привести в аварийным ситуациям при взлете и посадке самолетов; получение данных о влиянии температурной турбулентности в АПС на распространение света. ;

Потребность в увеличении объема экспериментальных данных об АПС привела к интенсивному развитию в последние десятилетия дистанционных методов зондирования, так как данную задачу невозможно выполнить с помощью только традиционных локальных измерений на высотных метеорологических мачтах, радиозондах, самолетах, привязных аэростатах и других носителях.

Активные дистанционные методы зондирования атмосферы с поверхности Земли основаны на рассеянии электромагнитных и звуковых волн объектами различной природы, присутствующими в атмосфере. Лидары используют рассеяние на частицах аэрозоля и молекулах атмосферных газов; погодные радары - рассеяние на гидрометеорах; радары ясного неба (wind profiler radars) - рассеяние на турбулентных неоднородностях показателя преломления. Акустические локаторы (содары) используют в качестве рассеивателей неоднородности показателя преломления звука, обусловленные турбулентными флуктуациями температуры и скорости ветра, а системы радиоакустического зондирования (РАЗ) - рассеяние на созданной с помощью звуковых волн периодической структуре плотности воздуха.

Методы акустического и радтоакустического зондирования атмосферы обладают многими достоинствами по сравнению с традиционными: высокое временное и пространственное разрешение, экономическая эффективность, отсутствие искажений воздушной среды, возможность наблюдать структуру турбулентных образований и регистрировать ее изменения одновременно во всем доступном диапазоне высот, способность проводить длительный и непрерывный мониторинг.

Широкое применение акустических локаторов и систем РАЗ в качестве приборов для количественных дистанционных измерений параметров поля ветра и термической структуры АПС началось только с развитием компьютеризации научных исследований. Именно компьютерная обработка эхо-сигналов в реальном масштабе времени, а также накопление в цифровом виде длинных рядов измерений и их последующая статистическая обработка, позволяют выявить большие возможности и преимущества дистанционного зондирования. Применение современных вычислительных средств и программного обеспечения позволяет снизить требования к квалификации обслуживающего персонала и сделать акустические методы пригодными для регулярных измерений метеорологических параметров. В настоящее время в США и в объединенной Европе приняты программы внедрения дистанционных методов в существующие сети гидрометеорологических служб, что является подтверждением перспективности данного направления исследований.

Целью диссертации является разработка и усовершенствование системы автоматизированного сбора и обработки данных дистанционного зондирования АПС методами акустического и радиоакустического зондирования, а также применение этой системы в конкретных геофизических исследованиях.

Для осуществления поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать алгоритмы и программы первичной обработки сигналов амплитудного и частотного каналов акустического локатора ИФА РАН (учитывающие акустическую калибровку содара, поглощение звука в воздухе и влияние внешних акустических шумов), а также алгоритмы и программы для наглядного представления оперативной содарной информации о параметрах АПС (вертикальных профилях скорости и направления ветра, структурной характеристики температурных флуктуаций и их временной изменчивости).

2. Разработать алгоритмы и программы для визуализации ветрового поля в АПС, для записи, хранения и выборочного извлечения данных долговременных

непрерывных содарных измерений, для расчетов и анализа параметров плотности вероятности распределения интенсивности эхо-сигналов.

3. Разработать метод автоматического распознавания атмосферной стратификации по временным характеристикам вариаций амплитуды эхо-сигнала с учетом данных о вертикальной компоненте скорости ветра.

4. Проверить работоспособность и достоверность разработанных методов и программ обработки путем сопоставления результатов дистанционных измерений с синхронными измерениями тех же параметров на метеорологических мачтах, самолете, привязном аэростате.

5. Получить данные о структуре и динамике атмосферного пограничного слоя в натурных экспериментах, проводившихся в ровной степной местности, в высокогорных районах, над океаном, в городской и в пересеченной сельской местности.

Научная новизна работы и выносимые на защиту результаты заключаются в следующем:

1. Разработана автоматизированная интерактивная система сбора и обработки данных системы РАЗ и многофункционального моно-бистатического содара ИФА дом различных режимов исследований АПС и регулярных измерений его параметров, превосходящая по гибкости и универсальности существующие зарубежные коммерческие содарные системы.

2. Существенно расширены возможности автоматического распознавания типов атмосферной стратификации по структуре эхо-сигнала путем привлечения информации о поле вертикальной составляющей скорости ветра.

3. Разработаны оригинальные методики подавления внешних акустических шумов и оценки доплеровского спектра эхо-сигнала с помощью квазипериодов, позволившие значительно усовершенствовать методы получения и обработки содарной информации.

4. Проведена акустическая калибровка антенной системы, амплитудная калибровка содара с учетом поглощения звука, позволяющая проводить количественные измерения профилей структурной характеристики

температуры С\.

5. Получен обширный материал по сопоставлению результатов содарных и контактных измерений параметров АПС, подтверждающий обоснованность разработанных методов обработки эхо-сигнала и достоверность содарных данных.

6. Исследована плотность распределения вероятности интенсивности эхо-сигнала, обнаружен бимодальный характер распределения в конвективных условиях, отражающий отличие интенсивности турбулентности внутри термиков от ее фонового значения.

7. С помощью разработанных методов и программ проведен ряд исследований поля ветра, температуры и их изменчивости в АПС над разнообразными видами подстилающей поверхности (степь, высокогорье, океан, городская и пересеченная сельская местность). Получены новые данные о влиянии температурных флуктуации в АПС над изолированными горными вершинами на качество астрономического изображения, о связи сдвига ветра в АПС над ровной степью с приземным значением числа Ричардсона, о повторяемости разных типов атмосферной стратификации над сушей и океаном, о горизонтальной неоднородности слоя перемешивания в городских условиях. Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанная автоматизированная система сбора и обработки данных системы РАЗ и многофункционального моно-бистатического содара ИФА обеспечивает оперативное получение одновременных вертикальных профилей

температуры, структурного параметра температуры Су , трех компонент скорости ветра и их дисперсий, полного модуля горизонтального ветра и его направления до высот в несколько сотен метров, а также визуализацию полей скорости ветра и температуры. Эта система используется в проводимых в ИФА работах по исследованию загрязнения воздушного бассейна Москвы, по распространению инфразвуковых волн, по исследованию организованных вихревых структур в АПС. Алгоритмы и программы первичной обработки акустического эхо-сигнала рассчитаны на использование ЭВМ с невысокими параметрами, что позволяет удешевить стоимость прибора.

2. Разработанные методы подавления внешних акустических шумов и оценки доплеровского спектра эхо-сигнала с помощью квази-периодов позволяют увеличить диапазон зондирования в условиях сильных внешних акустических шумов и могут быть применены для усовершенствования других содарных систем.

3. Предложенный метод автоматического распознавания типов атмосферной стратификации может быть использован при климатологической обработке данных длительных содарных наблюдений.

Апробация работы и публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на семинарах отдела динамики атмосферы ИФА и на следующих всесоюзных и международных семинарах и симпозиумах: Международный семинар КАПГ-15 (Хуранов, ЧССР, 1983 г.), 9-ый Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987 г.), Всесоюзный семинар по акустическому зондированию атмосферы (Москва, 1990 г.), 5-ый Международный симпозиум по дистанционному акустическому зондированию (Нью-Дели, Индия, 1990 г.), 7-ой Международный симпозиум по дистанционному акустическому зондированию (Боулдер, США, 1994 г.), 8-ой Международный симпозиум по дистанционному акустическому зондированию (Москва, 1996 г.), Международный симпозиум по определению высоты слоя перемешивания (Ризо, Дания, 1997 г.).

По теме диссертации опубликовано 31 работа, в том числе 11 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах.

Личный вклад автора. Содержание диссертации является частью работы, проводимой в Радиоакустической лаборатории Института Физики Атмосферы им. A.M. Обухова Российской Академии Паук (ИФА РАН), по развитию методов акустического и радиоакустического зондирования и их применению в исследованиях атмосферного пограничного слоя, и отражает результаты исследований, в которых автор принимал непосредственное личное участие. Все последовательно реализовавшиеся в лаборатории алгоритмы и программы для сбора, обработки и наглядного представления информации дистанционного зондирования атмосферного пограничного слоя, а также основы распознавания типов стратификации АПС с привлечением информации о вертикальной составляющей поля ветра, разработаны автором самостоятельно.

В полевых экспериментах, посвященных как методическим работам, так и конкретным геофизическим исследованиям, которые выполнялись коллективом сотрудников ИФА РАН, автор активно участвовал в разработке планов исследований, проведении измерений, их обработке и интерпретации результатов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложения. Объем диссертации составляет/¿^страниц, включая-^¿рисунков, ^ 2. таблиц и список литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность работы, ее цели и задачи, научная новизна и практическая ценность, а также перечислены положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о структуре работы. Кратко описаны современные методы дистанционного зондирования атмосферы с поверхности Земли, приведена сводная таблица, показывающая пространственное разрешение, диапазон зондирования и точность основных методов дистанционного измерения вертикальных профилей температуры и скорости ветра. Показаны преимущества методов акустического и радиоакустического зондирования при исследовании АПС, как обладающих наилучшим пространственным разрешением.

В первой главе подробно рассматриваются методы акустического и радиоакустического зондирования и их аппаратурная реализация.

В разделе 1.1. описываются физические основы акустической и радиоакустической локации атмосферы, возможности и ограничения этих методов. Приводятся схемы, поясняющие работу акустических локаторов (содаров) в моностатической и бистатической конфигурациях и в системе радиоакустического зондирования (РАЗ). Приведен краткий обзор этапов развития автоматизации дистанционных измерений. В заключении этого раздела указывается, что в настоящее время одной из основных задач развития дистанционного зондирования АПС является внедрение современных вычислительных средств и соответствующего программного обеспечения. Переход от получения ограниченного объема данных, аккуратно просмотренных и отобранных экспертами в своих областях, к полностью автоматизированным измерениям и обработке информации, полученной от объединенных в единую информационную сеть отдельных комплексов научной аппаратуры, позволяет повысить оперативность и надежность измерений, снизить их стоимость. Решение данной задачи в будущем позволит перейти к широкому использованию содаров и систем РАЗ в мониторинге окружающей среды и в регулярной метеослужбе.

В разделе 1.2. приведены блок-схемы разработанных в ИФА многокомпонентного доплеровского акустического локатора и системы радиоакустического зондирования, рассмотрены циклы работы этих приборов. Импульсный трех-компонентный доплеровский моностатический содар ИФА имеет следующие основные параметры: диаметр антенн 1,2 м, главный лепесток

диаграммы направленности (по половинной мощности) 8°, рабочая частота 2000 Гц, мощность излучения в импульсе 5 Вт, длительность импульса (выбирается из ряда) 10/20/50/100/200 мс, минимальная высота зондирования 25 м, максимальная высота зондирования 850 м (при ливневых осадках, ветре более 15 м/с на уровне антенн и сильных внешних шумах диапазон зондирования резко снижается), разрешение по высоте (выбирается из ряда) 1,7/3,4/8,5/17/34 м. Диапазон измерений параметров

АПС: структурного параметра температуры Cj - 1-И0"8 К2м_2/3, горизонтальной компоненты скорости ветра - 0,2: 20 м/с, ее направления - 0^-360°, вертикальной компоненты скорости ветра - ±2 м/с. '

Основной цикл работы содара состоит из повторения процесса излучения звука и приема рассеянного сигнала последовательно каждой из трех приемо-передаклцих антенн содара, одна из которых направлена вертикально вверх, а две другие наклонены на 30° к вертикали и развернуты под прямым углом по азимуту. При обработке эхо-сигналов, принятых каждой антенной, определяется доплеровский сдвиг частоты излучения; кроме того, определяется интенсивность эхо-сигнала, принятого с вертикального направления.

Принятый сигнал в амплитудном канале содара детектируется и затем оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя. Определение частоты рассеянного сигнала производится в частотном канале содара методом "счета нулей", путем формирования цифрового кода временного интервала, длительность которого равна установленному числу периодов измеряемого сигнала. Одновременно с измерением частоты выполняется анализ отношения сигнал/шум путем сравнения амплитуды измеряемого сигнала с уровнем шумов, определяемых на краях принимаемого диапазона частот с помощью двух узкополосных фильтров с шириной полосы 24 Гц и центральными частотами 1800 Гц и 2200 Гц. Если в процессе измерения частоты для данной точки профиля уровень шума на 6 дБ превысит уровень измеряемого сигнала, то вырабатывается сигнал ошибки, вводимый в ЭВМ наряду с данными по амплитудному и частотному каналам. Набор данных для получения средних профилей ветра и интенсивности рассеянного сигнала обычно производится в течение 20 -4- 40 минут.

Взаимодействие ЭВМ с внешними устройствами происходит в диалоговом режиме (асинхронно), при котором процесс ввода и вывода информации в ЭВМ синхронизирован определенными управляющими комбинациями кодов (командами) и синхроимпульсами, поступающими из управляющего блока содара. Начало процесса ввода информации синхронизированно с моментом посылки звукового

импульса. Особенностью данного содара является автоматический ввод в ЭВМ информации о положении переключателей содара, задаваемых оператором перед началом работы, что позволяет избегать возможных ошибок при ручном вводе этих параметров и оперативно изменять текущие режимы работы. При работе в номинальном режиме работы скорость ввода данных составляет 40 байт в секунду. Объем введенной информации за 20-ти минутную серию измерений равен 48 Кб. При работе в режимах высокого разрешения скорость ввода может достигать 2 Кб/с, а объем ввода за серию - 2,5 Мб и больше.

В разделе 1.3. рассмотрена необходимая точность и диапазон измерений атмосферных параметров. Показано, что точность дистанционных измерений

2

вертикальных профилей V, С-р, Т лимитируется, главным образом,

многочисленными природными факторами, которые являются источниками так называемых геофизических погрешностей. К таким факторам относятся: влияние метеорологических полей на звуковую волну при ее распространении к рассеивающему объему и обратно (эффекты рефракции, турбулентного уширения звукового пучка и т.д.); влияние влажности на поглощение звука; неоднородное рапределение рассеивателей в пределах рассеивающего объема; акустические шумы; отражение звуковых волн от поверности земли и местных предметов; рассеяние звука на птицах, насекомых и т.д. Часть геофизических погрешностей исключается методически, например, с помощью режехторных фильтров убирается паразитный сигнал от местных отражений. Поправки на некоторые погрешности рассчитываются и учитываются при обработке, например, поправка на поглощение звука (по данным о средней влажности и температуре воздуха у поверхности земли)

при определении величины Су. Приведенные оценки погрешностей показывают, что точность дистанционно измеряемых метеорологических параметров составляет: скорости ветра - ±0,5 м/с, его направления - +5°, температуры - ±0,5° К, верхняя оценка ошибки в привязке данных измеряемого профиля по высоте - +8 м на высоте 100 м. Отмечается, что теоретическое рассмотрение геофизических и аппаратурных погрешностей дает лишь предварительную информацию о достижимой точности дистанционных измерений. Для реальной оценки точности необходимы натурные сравнения результатов измерений, проводимых одновременно дистанционными и контактными методами. Результаты такой верификации дистанционных измерений содаром ИФА описаны в следующей главе.

Во второй главе описываются алгоритмы и программы (приведены в приложении) для первичной и статистической обработки и представления оперативных данных о средних профилях структурной характеристики температурных пульсаций, вертикальной составляющей скорости ветра, скорости и направления среднего ветрового потока. Описание процедуры извлечения количественной информации сопровождается данными натурных сопоставлений прямых и дистанционных измерений, подтверждающими надежность последних.

Обоснована необходимость тщательного определения параметров приемопередающей системы содара: мощности излучения, ширины диаграммы направленности антены, параметров электроакустического преобразователя.

Приведены полные расчетные формулы определения Cj- с учетом особенностей обработки сигнала в содаре ИФА (учет коэффициентов усиления малошумящего антенного усилителя, схемы компенсации сферической расходимости с коэффициентом усиления, линейно зависящим от времени и т.д.).

Величина коэффициента поглощения звука в воздухе вычисляется перед началом каждого сеанса измерений на основе значений температуры Т (К), атмосферного давления р (мбар) и относительной влажности воздуха Are! (в %), измеренных вблизи содара с помощью стандартных метеоприборов, по формулам, учитывающим поглощение звука на релаксационных колебаниях молекул кислорода и азота. Точность определения коэффициента поглощения равна ±10% в диапазоне температур 0° 40° С и относительных влажностей 10% ~ 100%. При определении вертикальных профилей Cj-(z) принимается допущение о постоянстве коэффициента поглощения по всей трассе зондирования. Определение всех параметров, входящих в локационную формулу содара, было произведено с такой

точностью, что суммарная ошибка при измерении Cj- не превышает 40 %, что является приемлемой погрешностью для величины, изменчивость которой в пределах пограничного слоя достигает 4-х порядков.

При работе в автоматическом режиме набора данных контроль аппаратуры осуществляется периодической проверкой параметров содара с помощью тестовых программ, описанных в разделе 1.2. В процессе ввода данных амплитудного канала программа непрерывно анализирует интерфейс обмена на наличие аппаратных сбоев (зависания и темп обмена информацией) и при необходимости выдает сигналы для оператора. Предусмотрена также подача звуковых сигналов, подтверждающих окончание ввода каждого профиля в ЭВМ.

Для повышения надежности данных о вертикальной структуре поля температурных флуктуации при сильных акустических шумах (на корабле, вблизи автотрасс, аэродромов и т.п.) предусмотрена многоэтапная противошумовая защита. Эта защита обеспечивает автоматическую подстройку режима отбраковки зашумленных данных к внешним шумовым условиям. Как показал опыт работы, сильный спорадический шум в течение 10 % времени осреднения данных может увеличить средний уровень принимаемого сигнала более чем в пять раз и полностью исказить результаты измерений. Поэтому на первом этапе из массива данных измерений для каждого высотного слоя выбраковываются те данные, для которых логарифм интенсивности шума (измеренного в боковых полосах приема) в два раза превышает средний логарифм интенсивности принятого из этого слоя сигнала. Затем по гистограммам распределения интенсивности шума и принятого сигнала определяются и отбрасываются из статистической обработки все данные со значением интенсивности, превышающим удвоенную дисперсию сигнала. На третьем этапе обработки производится вычитание интенсивности шума из интенсивности принятого эхо-сигнала.

Применение такой противошумовой защиты при содарных измерениях в пункте, расположенном в 30 м от автомагистрали с двусторонним движением, в 800 м от железнодорожного пути ив 15 км авиабазы (самолеты пролетали непосредственно над содаром), привело к увеличению в дневное время высотного диапазона зондирования на 80% (до 600 м).

Сопоставление результатов синхронных содарных и микротемпературных

измерений структурного параметра температуры на мачте и аэростате, проведенное во время экспедиции 1985 г. на горе Санглок (Таджикистан), показало их удовлетворительное согласие.

В разделе 2.2. описано определение доплеровской частоты методом счета нулей и показана высокая точность этого метода: при отношении сигнал-шум больше трех децибеял относительная точность определения частоты гармонического сигнала при осреднении по 20 измерениям составляет 0,01%, что дает аппаратную точность определения вертикального ветра 0,034 м/с. Приведены расчетные формулы определения компонент скорости ветра и его направления. Рассмотрено спектральное уширение принятого сигнала из-за флуктуации скорости ветра внутри рассеивающего объема, конечности ширины луча антенны, уширение из-за конечности импульса звука. Показано, что основной вклад в уширение доплеровского сигнала вносят турбулентные флуктуации скорости ветра,

приводящие при усреднении по 100 импульсам к ошибке в определении вертикальной компоненты скорости ветра порядка 0,1 м/с.

В разделе 2.2.4. представлен разработанный при участии автора метод оценки первого и второго момента узкополосного сигнала при малом отношении сигнал/шум из гистограммы распределения временных интервалов между моментами пересечения сигналом нулевого уровня. Плотность вероятности мгновенной частоты узкополосного сигнала определяется лишь одним параметром, характеризующим ширину спектра сигнала, и не зависит от формы спектра сигнала (при условии его симметричности). Измеряя временной интервал Т между последовательными моментами пересечения сигналом нулевого уровня (квазипериоды) и считая, что Т'1 дает оценку мгновенной частоты (при полосе рассеянного сигнала 10 -г- 20 Гц относительная поправка второго порядка составляет 10~4), мы оцениваем среднюю частоту спектра принятого сигнала как положение максимума в гистограмме величины ?= \Г£ к ширину его спектра по величине максимума функции плотности вероятности \¥тм(0- Сравнение экспериментально измеренной гистограммы по методу квази-периодов с теоретическим распределением плотности распределения мгновенной частоты узкополосного сигнала показывает справедливость сделанных допущений. Дополнительным преимуществом метода квази-периодов является его способность обнаружить и отсортировать выбросы в величине мгновенной частоты из-за эффекта скачков фазы. При использовании традиционного метода счета нулей, когда подсчитывается число пересечений за определенный промежуток времени или измеряется временной интервал, соответствующий определенному числу пересечений, этот эффект приводит к значительным ошибкам при оценке средней частоты при небольших временах усреднения и к росту оценки дисперсии частоты. Сортировка выбросов происходит путем задания пределов гистограммы по частоте, определяемых исходя из физически реализуемых скоростей ветра. Эксперименты показывают существенно меньшую изрезанность профилей вертикального ветра при измерении методом квазипериодов по сравнению с обычным методом счета нулей, что дает основание считать эту оценку более устойчивой и достоверной.

Верификация дистанционных измерений скорости ветра проводилась во время международного эксперимента по сравнению приборов в Тушимице (ЧССР). Для горизонтального ветра, измеренного содаром производства фирмы БЕ^ГЛЮМ и содаром ИФА статистический анализ данных дал следующую формулу регрессии: ■УиФА — 0,99У5еж + 0,55 м/с, с коэффициентом корреляции около 0,97. Для датчика

ветра на высоте 90 м: Уифа= 0,91 Vmast- 0,01 м/с, с тем же коэффициентом корреляции.

В разделе 2.3. описана методика вычисления температуры воздуха по доплеровскому сдвигу радиочастоты, определяемому скоростью распространения отражающей звуковой решетки. Одним из основных источников ошибок при измерении температуры является вертикальная компонента скорости ветра w (при w=l м/с ошибка в определении Т составляет 1,7° К ). Для уменьшения этой погрешности производилось осреднение Т за промежутки времени, при которых среднюю вертикальную скорость можно считать равной нулю. В случае устойчивых вертикальных потоков, вызванных орографическими особенностями места измерения, вводились поправки на основании синхронных содарных намерений w.

: г При измерении температуры значительные ошибки на малых высотах зондирования (ниже 100 м) возникают из-за бистатичности схемы РАЗ: пространственная разнесенность передающей и принимающей антенн приводит к значимому отклонению угла отражения электромагнитной волны от 180°. Поправку для данного эффекта трудно рассчитать корректно, поскольку размеры рассеивающего объема, расстояние до него от антенн и размеры антенн сравнимы с размером ближней зоны. Ошибки в определении температуры могут достигать 1° К . Для учета влияния этой погрешности нами были определены эмпирические члены, полученные из сравнений данных РАЗ с контактными измерениями температуры на метеорологической мачте.

В разделе 2.4. описывается алгоритм автоматического распознавания типа атмосферной стратификации по высотной и временной изменчивости интенсивности эхо-сигнала (цифровой факсимильной записи) с привлечением информации о вертикальной составляющей скорости ветра. Для очистки факсимильной записи от внешних акустических шумов применяется эффективная процедура пространственной фильтрации изображения и информация о соотношении сигнал/шум, вырабатываемая содаром. По наличию локальных максимумов на вертикальных профилях амплитуды рассеянного эхо-сигнала определяется количество слоев в изображении и их высота. Анализ формы турбулизированных слоев основан на определенном наборе эмпирических правил. В отличие от описанных в литературе сложных методов анализа амплитудных характеристик факсимильного изображения, для обнаружении конвективных условий привлекается информация о вертикальной составляющей скорости ветра и используется критерий существования направленных вверх вертикальных потоков с дительностью более 30

секунд в центре предполагаемого термика, сопровождаемых направленными вниз потоками по обеим сторонам от него. Предварительная проверка работы алгоритма на факсимильных записях, проведенных при разных стратификациях, показала его удовлетворительную работу.

В третьей главе приведены результаты дистанционных исследований атмосферного пограничного слоя, выполненных с помощью разработанного программного обеспечения. Эти результаты относятся к широкому кругу проблем, связанных с атмосферным пограничным слоем, и отражают влияние характера подстилающей поверхности (ровная и пересеченная местность, высокогорье, океан, городская застройка) на поле ветра и интенсивность температурных флуктуаций в АПС.

В разделе 3.1. приведены результаты содарных исследовании поля скорости ветра в нижней тропосфере, полученные в экспедиции 1983 г. на Цимлянской научной станции ИФА РАН. Показано, что в стационарных условиях ветровой режим в районе г.Цимлянска на высотах около 100 м существенным образом определяется степенью устойчивости приземного слоя. Наибольшие величины разности скорости ветра на высоте 110 м (по содарным измерениям) и 4 м (по мачтовым измерениям) наблюдаются в условиях устойчивой стратификации (при Ш > 0,05) в ночное время, но при усилении устойчивости (И > 0,5) и при неустойчивой стратификации (И < -0,03) скорость ветра с высотой растет слабо. При нестационарных условиях скорость ветра на этих высотах слабо связана со степенью устойчивости приземного слоя.

В разделе 3.2. приведены результаты совместных содарных и

микропульсационных измерений структурной характеристики температуры С\ в нижней части атмосферного пограничного слоя над несколькими горными астрономическими обсерваториями, расположенными на высотах 2,0 -;- 2,6 км над уровнем моря (ВНП САО 1984 г., Санглок 1985 г., Манданак 1990 г.). Данные

аэрофизических измерений Су использовались для получения оценок структурной характеристики показателя преломления и турбулентного оптического фактора (ТОФ, характеризующего искажающее воздействие атмосферного слоя на астрономическое изображение) в приземном и пограничном слое. Получены характерные вертикальные профили в этих слоях в ясное ночное время для всех мест наблюдения.

Показано, что характерная интенсивность оптически активной турбулентности ночью в нижней части АПС над горой Санглок (Таджикистан) на порядок ниже, чем в других местах (исследованных разными методами), а ее вклад в искажения астрономического изображения на полтора порядка меньше вклада турбулентности во всей толще атмосферы (определяемого по оптическим измерениям). При измерениях на горе Санглок обнаружен значительный минимум величины ТОФ, наблюдаемый в утренние часы в период восхода Солнца.

Практически отсутствует эмпирическая взаимосвязь между индивидуальными значениями турбулентного оптического фактора во всей толще атмосферы (или оценками атмосферного качества астрономического изображения) и его значениями в приземном или пограничном слое. При этом наилучшее качество изображения не сопровождается наименьшими значениями оценок турбулентного оптического фактора в АПС. Приведены относительные вклады (в процентах) приземного, пограничного слоев и их суммы в атмосферное качество изображения для трех горных обсерваторий. Полученные результаты свидетельствуют, что атмосферное качество астрономического изображения в горных обсерваториях на уединенных верщинах определяется прежде всего атмосферными слоями, расположенными на высотах более 500 м над вершиной. В характерных случаях на эти слои приходится почти 90 % интегральной интенсивности оптически активной турбулентности всей ■ атмосферы.

В разделе 3.3. представлены результаты содарных исследований АПС над океаном, проводившиеся в течение 48-го рейса НИС "Академик Курчатов" в 1988 г. и 46-го рейса НИС "Дмитрий Менделеев" в 1991 г.

Получено общее и суточное распределение типов стратификации АПС над океаном. Преобладающим типом является неустойчивая стратификация (конвекция), наблюдаемая в 84 % случаев. Достаточно высока вероятность устойчивой стратификации (инверсии), имевшей место в 26 % случаев. Основной особенностью структуры АПС над океаном является отсутствие суточного хода, существующего, как правило, над сушей. Высотный ход профилей скорости ветра для однотипных условий стратификации .над океаном и над сушей совпадает. Обнаружен наблюдавшийся между Азорскими и Канарскими островами аномальный (по сравнению с сушей) суточный ход интенсивности конвекции с максимумом в предутренние часы.

Обнаружено, что структура и интенсивность турбулентности в стационарных конвективных условиях до высот 100-200 м в значительной мере определяется

разницей температур воды и воздуха. В диапазоне разностей температур от 0 до 14° С наблюдается монотонный рост интенсивности турбулентности.

Показано сильное влияние островов на структуру АПС, проявляющееся в существовании инверсионных слоев на расстояниях в нескольких десятков миль от берега.

В разделе 3.4. приведены результаты исследования термической стратификации и ветрового режима пограничного слоя над крупными городами на примере Алма-Аты и Москвы.

Измерения в Алма-Ате проводились в рамках эксперимента АНЗАГ-87 в ноябре-декабре 1987 г. В течение всего времени работы содара велась непрерывная факсимильная запись принятого эхо-сигнала до высоты 600 м, а также в начале каждого часа проводились количественные измерения профилей структурной характеристики температуры, скорости и направления ветра, вертикальной компоненты скорости ветра и ее дисперсии с осреднением 20т40 мин (всего 219 серий). Результаты измерений показали:

а). АПС над г.Алма-Ата в осенне-зимний период обладает очень сложной структурой. Большую часть времени наблюдалась многослойная (до 7 слоев) инверсия с верхней границей 300-400 м. Хорошо развитая конвекция не наблюдалась ни разу.

б). Скорость ветра в слое до 300 м более чем в 50 % случаев не превышала 2 м/с. Характерного высотного хода ни в скорости, ни в направления ветра обнаружено не было, что указывает на необходимость при анализе динамики загрязнений измерять профиль ветра во всем АПС.

в). Сравнение содарных данных с данными аэрологических измерений показало, что существует горизонтальная пространственная неоднородность в АПС как поля ветра, так и высоты инверсии.

Результаты синхронных содарные измерения в Москве и на Звенигородской научной базе, проводившиеся в течение августа-сентября 1991 года для получения оценки пространственной неоднородности АПС между этими пунктами, показали:

1. Типы стратификации над центром города и периферией значительно отличаются, причем эти различия чаще проявляются в утреннее и вечернее переходное время . Совпадение типа стратификации в центре и на периферии наблюдалось в 40% случаев;

2. При совпадении типа температурной стратификации в центре города высота слоя перемешивания на 50-150 м выше при инверсиях, а при развитой конвекции -одинакова по сравнению с периферией;

3. В условиях несовпадения типа стратификации различие в высотах слоя перемешивания может достигать 200 м.

В разделе 3.5. описываются результаты измерений распределения вероятности интенсивности акустического эхо-сигнала в конвективном атмосферном пограничном слое в диапазоне высот от 50 до 300 м. Обнаружено, что функция плотности вероятности интенсивности эхо-сигнала хорошо аппроксимируется комбинацией двух логнормальных распределений, взятых с соответствующими весами, что интерпретируется как наличие двух режимов температурной турбулентности, а именно; слабой фоновой турбулентности и сильной турбулентности внутри конвективных вихрей. Аппроксимирующая программа выделяет эти два режима и определяет вероятность существования конвективных термиков.

В заключении перечислены основные результаты работы:

1. Разработан базовый комплекс программ первичной обработки сигналов акустического локатора ИФА РАН, системы РАЗ и многофункционального моно-бистатического содара, включающий в себя:

а), программы для оперативного тестирования основных аппаратных блоков этих приборов;

б), программы для автоматического сбора и обработки данных дистанционного зондирования АПС с целью получения вертикальных профилей интенсивности температурной турбулентности, модуля и направления ветра, температуры в реальном времени.

в), программы для непрерывной записи и визуализации данных долговременных непрерывных содарных измерений на основе графического представления информации.

Данный комплекс программ применяется во всех модификациях акустических локаторов, разработанных в Радио-акустической лаборатории ИФА РАН.

2. Предложены методы подавления внешних акустических шумов и оценки доплеровского спектра эхо-сигнала с помощью "квази-периодов", позволяющие значительно повысить достоверность полученных данных и увеличить диапазон зондирования.

3. Обнаружено бимодальное распределение плотности вероятности интенсивности эхо-сигналов, интерпретируемое как наличие двух режимов температурной турбулентности, а именно: слабой фоновой турбулентности и сильной турбулентности внутри конвективных вихрей.

4. Разработан метод автоматического распознавания атмосферной стратификации по временным характеристикам вариаций амплитуды эхо-сигнала с учетом информации о поле вертикальной составляющей скорости ветра.

5. Проведены содарных исследования зависимости поля скорости ветра в нижней тропосфере от степени устойчивости приземного слоя.

6. Проведены астроклиматические исследования в нескольких горных астрономических обсерваториях. Изучен вклад оптически активной турбулентности в нижней части АПС в искажения астрономического изображения.

7. Получены предварительные результаты по структуре и динамике АПС над океаном.

8. Проведены исследования термической стратификации и ветрового режима пограничного слоя над крупными городами. Получена оценка пространственной неоднородности АПС и разницы в высоте слоя перемешивания между городом и пригородом.

В приложении представлены тексты программ, которые используются для первичной обработки сигналов акустического локатора ИФА РАН.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петенко И.В., Шурыгин Е.А. Радиосодарный комплекс для измерения метеорологических и турбулентных параметров пограничного слоя атмосферы. VII Всесоюзн. симп. по лазер, и акуст. зондир. атмосферы. Тезисы докладов, ч.И, Томск, 1982, 270-272.

2. Каллистратова М. А., Петенко И. В., Шурыгин Е. А. Синхронные акустические измерения температуры, скорости ветра и С? в инверсионных условиях. В кн.: КАПГ-15, Сборник семинара, Хураков, 23-27 мая 1983 г. Прага : Институт Физики Атмосферы АН ЧССР, 1984, 137-144.

3. Петенко И.В., Шурыгин Е.А. Радиосодарный комплекс для дистанционных синхронных измерений скорости ветра, температуры и ее флуктуации. Изв. АН СССР, ФАО, 1984, 20, № 8, 771-773.

4. Каллистратова М.А., Карюкин Г.А., Петенко И.В., Тиме Н.С., Шурыгин Е.А. Содарные измерения турбулентного оптического фактора в CAO АН СССР. Астроном, циркуляр, № 1388, август 1985, 5-7.

5. Жежерин В.Р., Каллистратова М.А., Князев Л.В., Петенко И.В., Шишков П.О., Шурыгин Е.А. Температурное зондирование пограничного слоя атмосферы с помощью системы РАЗ с автомагической подстройкой под условие Брэгга. В сб. Тезисы докладов 7-го Всесоюзн. сов. по радиометрии, М., Госкомгидромет, 1986, 118 с.

6. Каллистратова М.А., Нестерова Т.Н., Петенко И.В., Симрнов A.C., Тиме Н.С., Шурыгин Е.А. Измерения статистических характеристик эхо-сигнала при акустическом зондировании атмосферы. Изв. АН СССР, ФАО, 1986, 22, № 9, 987-990.

... 7. Пекур М.С., Петенко И.В., Шурыгин Е.А. Утренний минимум Cj на горе Санглок. Астрономический циркуляр, 1986, № 1469,4-5.

8. Горелик А.Г., Жежерин В.Р., Каллистратова М.А., Князев Л.Б., Петенко И.В., Шишков П.О., Шурыгин Е.А. Радиоакустическое зондирование АПС с автоподстройкой частоты. В сб. Метеорол. исслед., Взаимодействие атмосферы с подстил, поверхн., ред. Цванг J1.P., Москва, Геофизический Комитет АН СССР, 1987, № 28, 82-92.

9. Гурьянов А.Э., Каллистратова М.А., Пекур М.С., Петенко И.В., Тиме Н.С., Шурыгин Е.А. Сравнение содарных и микропульсационных измерений структурной

характеристики температуры с\ в горной местности. Изв. АН СССР, сер. ФАО, 1987, 23, № 9, 922-929.

10. Гурьянов А.Э., Каллистратова М.А., Петенко И.В., Пекур М.С., Тиме Н.С., Шурыгин Е.А. Применение содара в комплексных исследованиях астроклимата в горных обсерваториях. В сб. IX Всесоюз. симп. по лазерн. и акуст. зондир. Атмосф.,Томск, Изд. ИОА СО АН СССР, ч. II, 1987, 93-97.

11. Каллистратова М.А., Петенко И.В., Шурыгин Е.А. Некоторые результаты содарных исследований поля скорости ветра в нижней тропосфере. Изв. АН СССР, сер. ФАО, 1987, № 5, 451-461.

12. Тиме Н.С., Шурыгин Е.А., Нестерова Т.Н. Перемежаемость турбулентности и флуктуации эхо-сигнала при акустическом зондировании конвективной атмосферы. Изв. АН СССР, сер. ФАО, 1987, 23 , № 1, 21-30.

13. Гурьянов А.Э., Иркаев Б.Н., Каллистратова М.А., Пекур М.С., Петенко И.В., Рыльков В.П., Семеникин А.А., Тиме Н.С., Шурыгин Е.А., Щеглов П.В. Комплексное исследование оптически активной атмосферной турбулентности в двух горных обсерваториях. Астрон.журнал, 1988, 65, № 3,637-644.

14. Гурьянов А.Э., Иркаев Б.Н., Каллистратова М.А., Пекур М.С., Петенко И.В., Рыльков В.П., Семеникин А.А., Тиме Н.С., Шурыгин Е.А., Щеглов П.В. Комплексное исследование астроклимата в двух горных обсерваториях. Астрон.журнал, 1988, 65, вып. 3,637-634.

15. Petenko, I. V., Ye. A. Shurygin, J. Neisser, and Th. Foken. Comparison of sodar and turbulent measurement. 1988, Proc. of the Field Experiment KLOPEX-86, Prague, 37-54.

16. Тиме H.C., Шурыгин E.A. О частотном спектре флуктуации амплитуды эхо-сигнала при акустическом зондировании атмосферы. Изв. АН СССР, ФАО, 25, № 4, 376-373.

17. Белявская В.Д., Пекур М.С., Пегенко И.В., Шурыгин Е.А. Содарные исследования АПС над океаном. Исследования пограничного слоя атмосферы над сушей и океаном акустическими методами, препр ИФА АН СССР, 1990, № 7, ч.1, 55-61.

18. Белявская В.Д., Пекур М.С., Петенко И.В., Шурыгин Е.А. О структуре АПС над г. Алма-Ата по результатам акустического зондирования. В сб. Исследования пограничного слоя атмосферы над сушей и океаном акустическими методами, препринт ИФА АН СССР, ред. Каллистратова М.А., 1990, № 7,ч. 2, 5-14.

19. Bedulin, A. N., I. V. Petenko, and Ye. A. Shurygin. Estimation Doppler spectrum parameters by "quasi-period" technique. Acoustic Remote Sensing. Proc. of 5th Int. Symp. on Acoust. Remote Sensing, New-Delhi, India, 1990, 173-176.

20. Beljavskaya, V.D., M.S. Peqour, I.V. Petenko, Ye.A. Shurygin. Investigation of boundary layer over the ocean by Doppler sodar. Acoustic Remote Sensing. Proc. of 5th Int. Symp. on Acoust. Remote Sensing, New-Delhi, India, 1990, 308-314.

21. Бедулин A.H., Гурьянов А.Э., Данилов С.Д., Каллистратова М.А., Петенко И.В., Шурыгин Е.А. Взаимные сравнения микротермометров и содара ИФА АН СССР на горе Майданак. ГАИШ, МГУ, М., 1991, препринт №18, 34-59.

22. А.Н.Бедулин, А.Э. Гурьянов, М.А. Каллистратова, И.В. Петенко, Е.А.Шурыгин, А.С. Кутырев, А.А. Токовинин, П.В. Щеглов, С.П. Ильясов.

Комплексное исследование оптически активной атмосферной турбулентности ночью над западной вершиной горы Майданак. ГАИШ, МГУ,М., 1991, препринт № 18, 533.

23. Бедулин А.Н., Петенко И.В., Шурыгин Е.А. Некоторые предварительные результаты содарного исследования АБЛ в "ASTEX-91". В сб. - Предварительные результаты эксперимента в Атлантическом Океане по программе ASTEX-91, ред. Волков Ю.А., Москва, ИФА АН СССР, 1992, препринт N9 4, часть 1, 63-76.

24. A.N. Bedulin, М.А. Kallistratova, M.S. Pekour, I.V. Petenko, Ye.A. Shurygin. Cliraatologic study of microwave-active turbulence behavior over a big city by sodar. Preprints of papers International Symposium URSI Commission F. CLIMPARA'94, 31 May -3 June 1994, Moscow, Russia, 1994, 8.1.1-8.1.5.

25. I.V. Petenko, Ye.A. Shurygin. A method of interference suppression in sodar. Ed. W.D. NefT. Proceedings 7th International Symposium on Acoustic Remote Sensing, 3-7 October 1994, Boulder, Colorado, USA, 3.115-3.120.

26. Petenko, I.V., A.N.Bedulin and Ye. A. Shurygin. Sodar observations of the atmospheric boundary layer over the ocean during the ASTEX-91. Proc. 7th Int. Symp. Acou. Rem Sens., 1994, Boulder, 4-1..4-8. 3.

27. I.V. Petenko, E.A. Shurygin. Probability distribution of echo-signal intensity in the convective atmospheric boundary layer. Proc. Sib International Symposium on Acoustic Remote Sensing, 1996, Moscow, Russia, 6.47-6.52.

28. Ye.A. Shurygin. On automatic recognition of echo-sounder patterns using Doppler sodar. Proc. 8th International Symposium on Acoustic Remote Sensing, 1996, Moscow, Russia, 3.61-3.66.

29. Petenko, I.V., A.N.Bedulin and Ye. A. Shurygin. Sodar observations of the atmospheric boundary layer over the ocean during ASTEX-91. Boundary-Layer Meteorology, 1996, 81, 1, 63-73.

30. Shurygin Ye. A. Sodar measurements of the mixed-layer depth over a large city. Proceedings of EURASAP Workshop 'The Determination of the Mixing Height', Riso National Laboratory,Denmark, 1997, 153-156.

31. I.V. Petenko, Ye.A. Shurygin. Two-regime model for probability distribution function of echo-signal intensity and vertical velocity in the convective atmospheric boundary layer. Boundary-Layer Meteorology, 1997 (to be published).