Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка дистанционного радиометрического метода определения ветра и параметров турбулентности в пограничном слое атмосферы

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Вязанкин, Антон Сергеевич, Долгопрудный



л г

Hl

/

Центральная аэрологическая обсерватория

На правах рукописи

Вязанкин Антон Сергеевич

РАЗРАБОТКА ДИСТАНЦИОННОГО РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕТРА И ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ

СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.

специальность 04.00.23 -физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

/у

Научные руководители: к.ф-м.н.,с.н.с. Кадыгров E.H. д. ф-м.н.,с.н.с. Троицкий A.B.

Долгопрудный - 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ. 16

1.1 Существующие методы дистанционного зондирования атмосферы. 16

1.2Выводы. 26

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ. 27

2.1 Основные законы и соотношения, описывающие радиоизлучения атмосферы в микроволновом диапазоне волн. 27

2.2 Дистанционное радиометрическое определение температурной стратификации пограничного слоя атмосферы. 40

2.3 Характеристики турбулентности в пограничном слое атмосферы по наблюдениям температурных пульсаций. 51

2.4 Возможности регистрации турбулентных температурных флуктуаций

в пограничном слое атмосферы в микроволновом диапазоне длин волн. 65

2.5 Возможности получения информации о температурных неоднородностях пограничного слоя атмосферы радиометрическим методом. 71

2.5.1 Частотно-временная локализация неоднородностей. 71

2.5.2 Определение спектральных характеристик атмосферной турбулентности в зависимости от высоты. 76

2.6 Выводы. 83 ГЛАВА 3. ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ. 84 3. Существующие методы определения скорости и направления ветра в пограничном слое атмосферы. 84

3 .2Принципиальные возможности и постановка задачи по определению скорости и направления ветра радиометрическим методом в ПСА. 87

3.3Спектральный метод. 93

3.4Корреляционный метод. 97

3.5 Выводы. 100 ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ С ПОМОЩЬЮ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И ОПИСАНИЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ. 101 4.1 Экспериментальная аппаратура для анализа температурных

пульсаций в пограничном слое атмосферы. 101 4.2Результаты наблюдения неоднородностей мезомасштабного

диапазона. 106

4.3Наблюдение мелкомасштабной турбулентности. 110

4.40пределение скорости и направления ветра. 114 4.5Использование радиометрических наблюдений для анализа

нестационарных процессов («Московский Ураган» - июнь 1998 года). 120

4.6 Выводы. 125 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 126 ИСПОЛЬЗУЕМ АЯ ЛИТЕРАТУРА. 128

ВВЕДЕНИЕ

Турбулентность относится к числу наиболее характерных свойств любой гидродинамической системы, соответственно атмосфера, являясь ярким примером такой системы, не может быть адекватно описана без понимания происходящих в ней турбулентных процессов. Турбулентность играет основную роль в формировании всех атмосферных явлений.

Турбулентность - это и слабые ветры, и ураганы, и общая циркуляция атмосферы на планете.

История изучения турбулентных режимов при протекании различных динамических процессов насчитывает уже свыше 100 лет. Ещё в 1883 году Осборном Рейнольдсом был предложен критерий превращения спокойного регулярного (ламинарного) движения в турбулентное [1].

С 1921 года начала развиваться идея описания характеристик турбулентного движения с помощью корреляционных функций и других статистических моментов гидродинамических полей [2]. Наряду с этим появляется большое количество полуэмпирических теорий, систематизирующих экспериментальные данные. Общая система уравнений замыкается на основании специальных гипотез, часто не вполне надёжно обусловленных физически.

Дальнейшее принципиальное развитие подхода к изучению турбулентных явлений связано с работами Колмогорова и Обухова [3-5]. И хотя этот последовательный естественнонаучный подход к изучению проблемы был предложен в работах Колмогорова уже почти полвека назад, замкнутой и законченной теории турбулентности не существует и в настоящее

время, что, впрочем, характерно для большинства физических теорий, предсказательная ценность которых зависит от степени глубины, на которую мы хотим проникнуть в сущность рассматриваемых явлений.

Если от развития процессов в средних и высоких слоях атмосферы зависят глобальные климатологические процессы, а также решение проблем, возникающих перед человечеством при желании «оторваться» от Земли, то развитие процессов в непосредственной близости от её поверхности влияет на самочувствие, здоровье и жизнь людей. Хотя, безусловно, что на «близких» процессах влияние свободной атмосферы проявляется в структурообразующей форме или в качестве граничных условий. Таким образом, мы подходим к необходимости особо тщательного изучения процессов в пограничном слое атмосферы (ПСА), представляющем собой прослойку между свободной атмосферой и подстилающей поверхностью Земли.

Взаимодействие атмосферы с поверхностью Земли определяет процессы превращения энергии либо способствующие развитию турбулентности в пограничном слое, либо её тормозящие. Поток, тормозящийся у подстилающей поверхности, порождает сдвиги скорости ветра, являющиеся источниками кинетической энергии. Вертикальные градиенты температуры как результат протекания радиационных процессов способствуют развитию другого источника турбулентной энергии-плавучести. И наконец, фазовые переходы активно участвуют в энергетическом балансе атмосферы.

С математической точки зрения моделирование процессов пограничного слоя атмосферы связано с немалыми трудностями[6-7,171-174]. Как уже

говорилось выше, изменения, возникающие в свободной атмосфере, выступают по отношению к планетарному пограничному слою как изменения граничных условий со временем приспосабливания от 3-7 часов при безразличной и неустойчивой стратификации до 24 часов при устойчивости [8]. Получение решения системы гидротермодинамических уравнений связано с параметризацией граничных условий, выяснением условий их стационарности, параметризацией режимов турбулентности. Таким образом, конкретный прогностический результат неразрывно связан с данными о распределении метеоэлементов в пограничном слое атмосферы и об их статистических характеристиках.

Отсюда вытекает необходимость в постоянном накоплении экспериментальной информации, получаемой различными методами, в различных географических, климатических и метеорологических условиях. Следует отметить, что получение полноценных экспериментальных данных даже о распределении основных метеоэлементов в атмосфере вызывает большие трудности, связанные как с отсутствием регулярности в проведении измерений, так и с наличием различных методологических подходов.

До последнего времени для исследования слоя атмосферы использовались самолёты-метеолаборатории, привязные аэростаты, радиозонды, также велись градиентные наблюдения на метеорологических мачтах. Кроме отсутствия непрерывных рядов данных, получаемых первыми тремя методами, далеко не все эксперименты поддерживали измерения характеристик турбулентности. Например, измерения параметров турбулентности в ходе самолётных экспериментов проводились Центральной

аэрологической обсерваторией [9] и Институтом физики атмосферы АН

СССР[ 10,11].

Особо ценную информацию об атмосферной турбулентности получают из наблюдений на метеомачтах[8]. Эти наблюдения не имеют недостатков аэрологических методов (ограничения по метеоусловиям, минимальной высоте, регулярности), способны обеспечить высокую синхронность в работе отдельных измерительных комплексов, точную привязку по высоте. Информация, получаемая по данным метеомачты, как правило, обладает максимальной полнотой и наибольшей статистической обеспеченностью. Несомненно, она должна браться за основу для проверки любых методов определения метеопараметров атмосферы[8,17-19]. К сожалению, даже если не принимать во внимание возможные ошибки в определении интересующих параметров, вносимые самой вышкой, нельзя не учитывать уникальность таких сооружений, их жёсткую привязку к местности. В настоящее время в мире насчитывается около четырёх десятков мачт и башен высотой более 100м, около половины из них имеют аппаратуру, пригодную для измерения турбулентных пульсаций.

Существуют также дистанционные методы зондирования параметров атмосферы, способные обеспечить непрерывный долговременный ряд данных в любом интересующем районе Земли.

Наибольшее распространение получили акустический,

радиоакустический и оптический методы [23-24,176,193]. Не взирая на огромные возможности и успехи, достигнутые при использовании этих методов, необходимо отметить ряд объективных трудностей, в частности:

корректная интерпретация данных в сложных метеорологических условиях сильно ограничивает применимость методов [175-176] акустические методы имеют неоднозначное разрешение по типу неоднородностей (температурные, влажностные, неоднородности плотности), что накладывает ограничения на использование получаемой информации в конкретных физических моделях зависимость информативности от антропогенных факторов (звуковые помехи, повышенная концентрация аэрозолей в воздухе и т.п.) лазерные, акустические и радиолокационные системы относятся к числу активных, т.е. их применение может быть вредно как для человека, так и для существующих линий коммуникации, навигации и т.п.

Чтобы избежать вышеперечисленных недостатков и одновременно сохранить достоинства дистанционного зондирования, целесообразно обратиться к микроволновому диапазону длин волн и радиометрическим методам исследования, основанным на регистрации собственного (теплового) излучения среды.

В последние два десятилетия радиометрические методы, основанные на измерении собственного теплового излучения атмосферы в миллиметровом диапазоне волн, находят всё более широкое применение в задачах определения газового состава атмосферы, измерения её термической стратификации, определения параметров облаков.

В системе дистанционных методов зондирования атмосферы радиофизические методы имеют ряд преимуществ, связанных с

возможностями оперативного и непрерывного получения информации в любое время суток и практически в любых метеорологических условиях.

Весьма перспективным является использование микроволновых радиометрических методов и аппаратуры в системах экологического мониторинга, где важнейшими входными параметрами является информация о термической структуре, скорости и направлении ветра, а также атмосферной турбулентности в пограничном слое атмосферы.

Первые работы, посвященные исследованию собственного излучения земной атмосферы, относятся к 50-м годам [53-55]. Тогда были разработаны методы определения поглощения радиоволн в атмосфере и получены первые данные о поглощении в кислороде и водяном паре. Исследования интегрального влагосодержания и водозапаса облаков микроволновыми методами у нас в стране были начаты А.Е. Башариновым и Б.Г. Кутузой [SÖST], Ю.И. Рабиновичем, Г.Г. Щукиным [58-59], а за рубежом - Д. Стейлином [60-61]. Идею Л. Каплана о дистанционном определении профиля температуры атмосферы в оптическом диапазоне [62] М. Микс и А.Лиллей одновременно предложили использовать в микроволновом диапазоне [63] для линии поглощения кислорода. В этих работах впервые была поставлена обратная задача дистанционного зондирования атмосферы. Первое восстановление профилей температуры из радиометрических измерений было выполнено Э.Вествотером [64-65], А.П. Наумовым, К.В. Гайковичем, A.B. Троицким, E.H. Кадыгровым [66-68]. Определение высотных распределений различных параметров атмосферы было освещено в работах [57-59,64-91].

Первые экспериментальные работы по исследованию температурных пульсаций в пограничном слое атмосферы пассивными методами на частоте у=601Тц были выполнены в 1991-92 гг. [153-155].

Вплотную к исследованию турбулентных температурных пульсаций примыкает вопрос о возможности радиометрического определения скорости ветра [68,155,160-161]. Идея состояла в следующем: параллельно использовались два пространственно разнесённых 5-мм радиометра, а смещение максимума кросскорреляционной функции регистрируемых ими сигналов относительно 0 связывалось с ветровым переносом между двумя областями пространства.

В экспериментах, проведённых в 1991 г. [68,155], два радиометра были установлены в 60м друг от друга и сканировали в плоскости преимущественного ветра, достаточно однородного по направлению в 300-метровом вертикальном слое. Эти работы показали присутствие двух слоёв и позволили определить скорости ветра в них, средняя точность составила 1-2м/сек.

Таким образом, необходимость проведения предлагаемого исследования вытекает из объективных ограничений существующих систем дистанционного зондирования ПСА.

Необходимо проводить измерения в зонах активной жизнедеятельности человека, а значит:

а) - развивать пассивные методы определения параметров атмосферной турбулентности в целях исключения влияния процесса измерений на информационные каналы связи

б)- выбрать оптимальную частоту зондирования в целях обеспечения всепогодности и исключения влияния промышленных -аэрозолей на достоверность получаемой информации.

Необходимо дополнить, если это возможно, микроволновый метод определения температурной стратификации пограничного слоя атмосферы методом получения высотного распределения скорости и направления ветра.

Целью диссертационной работы является разработка и обоснование дистанционного радиометрического метода определения ветра и параметров турбулентности в пограничном слое атмосферы.

Для достижения поставленной цели в рамках данной работы решались следующие основные задачи:

исследование возможности получения информации о скорости и направлении ветра на различных высотах и параметров атмосферной турбулентности по данным измерений собственного теплового излучения атмосферы в диапазоне миллиметровых волн; разработка методики измерений и схемы эксперимента; создание аппаратуры, обеспечивающей реализацию разработанного дистанционного радиометрического метода;

накопление, анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных;

сравнение полученных данных о скорости и направлении ветра на различных высотах в пограничном слое атмосферы с данными радиозондирования.

Научная новизна работы.

1. Разработаны основы дистанционного пассивного микроволнового метода определения скорости и направления ветра до высоты ~ 250м с вертикальным разрешением ~ 50м.

2. Показана и обоснована принципиальная возможность оценки параметров атмосферной турбулентности с помощью радиометров миллиметрового диапазона волн.

3. Разработана методика и схема эксперимента по дистанционному определению параметров атмосферной турбулентности, ветровому зондированию пограничного слоя атмосферы, а также аппаратура, обеспечивающая их реализацию.

4. На базе предлагаемой методики и аппаратурного комплекса выполнены экспериментальные исследования турбулентности и профилей скорости ветра в реальной атмосфере. Проведены сравнения результатов дистанционного измерения скорости и направления ветра с данными радиозондирования. Получены характеристики турбулентности пограничного слоя атмосферы (вк, гн) и их высотные распределения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Радиометрический метод определения модуля скорости и направления ветра в пограничном слое атмосферы.

2. Радиометрический метод дистанционного определения спектральных характеристик турбулентного пограничного слоя атмосферы до высоты 250м и разрешением по вертикали не хуже 50м, основанный

на измерении собственного теплового излучения атмосферы в диапазоне миллиметровых волн.

3. Результаты сравнения экспериментальных данных, полученных в реальной атмосфере с помощью пассивных дистанционных микроволновых методов, с данными радиозондирования.

4. Результаты экспериментальных исследований атмосферной турбулентности при разрушении температурной инверсии и при прохождении шквалов в пограничном слое атмосферы.

Практическое значение полученных результатов состоит в создании нового дистанционного метода определения скорости ветра и характеристик турбулентности ПСА.

Данный метод дополняет существующий микроволновый метод определения температурной стратификации в ПСА и тем самым значительно расширяет возможности его применения для сетевых метеорологических наблюдений. Одновременные и практически всепогодные измерения профилей температуры и ветра в ПСА необходимы при создании системы мониторинга и прогноза распространения загрязнений в районе крупн