Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

СВЧ-радиометрические исследования влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "СВЧ-радиометрические исследования влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков"

На правах рукописи УДК 551.051

КАРАВАЕВ Дмитрий Михайлович

СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГОЗАПАСА АТМОСФЕРЫ И ВОДОЗАПАСА ОБЛАКОВ

25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена в ГУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Г.Г. Щукин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ю.А.Мельник,

кандидат физико-математических наук, доцент Ю.А.Довгалюк

Ведущая организация: Военно-космическая академия

им. А.Ф. Можайского

Защита состоится « 6 » ИЮЛЯ_ 2005 Г. В 14 часов на заседании диссертационного совета 0.327.005.01 при ГУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова» по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»

Автореферат разослан "_"мая 2005г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор географических наук у/-.Л/^^а^а А. В. Мещерская

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы и состояние вопроса. Радиофизические методы дистанционного зондирования занимают важное место при исследовании атмосферных процессов для решения различных задач метеорологии, климатологии, физики облаков, астрономии. Применение средств активной и пассивной радиолокации для получения информации о температуре, влажности атмосферы, водности облаков и осадков как глобального, так и регионального значения открывает новые возможности для решения ряда таких важных проблем как взаимодействие атмосферы и океана, общая циркуляция атмосферы и изменение климата, моделирование процессов облако-образования и осадкообразования, распространение микрорадиоволн в атмосфере.

СВЧ-радиометрический метод является одним из немногих эффективных методов определения интегральных параметров облачной атмосферы (влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков) с поверхности Земли. Такие преимущества метода как дистанционность, оперативность (непрерывность), высокое пространственное разрешение, автономность и "всепогодность" особенно важны для разработки методов краткосрочного и сверхкраткосрочного прогноза, предупреждения об опасных явлениях, контроля результатов активных воздействий, проведения валидационных экспериментов. Важность решения перечисленных и других прикладных задач метеорологии определяет актуальность разработки и совершенствования СВЧ-радиометри-ческого метода определения параметров атмосферы.

За последние более чем 30 лет решены фундаментальные вопросы теории переноса излучения в атмосфере, разработаны основы методов решения обратных задач, созданы высокочувствительные СВЧ-радио-метры. Значительный для разработки методов СВЧ-радиометрии атмосферы вклад внесли К.С. Шифрин, А.Е. Башаринов, А.Г. Горелик, А.П.Наумов, Б.Г.Кутуза, В.Д.Степаненко, Г.Г.Щукин, ЕйЯ^ей-waler. Выполненные исследования показывают принципиальные возможности СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков.

Вместе с тем, задача повышения информативности, достоверности, точности данных дистанционного зондирования атмосферы и облаков остается актуальной (это показал, в частности, международный эксперимент BALTEX, проводившийся в 2001-2002гг.). Решение этой задачи подразумевает обоснование и разработку оптимальных технических решений и методик автоматизированных СВЧ-радиометрических измерений, оптимизацию спектрального состава анализируемого излучения, совершенствование алгоритмов обработки результатов дистанционного зондирования, и т.д., особенно актуально при разработке экономичных автономных СВЧ-радиометрических сетевых станций.

Среди важных задач особое место занимают комплексные экспериментальные исследования атмосферы и конвективных облаков на различных стадиях развития (в том числе грозовых облаков). Применение средств пассивно-активного зондирования атмосферы с элементами поляризационного анализа СВЧ-радиометрических данных актуально при изучении особенностей пространственно-временной изменчивости параметров влагосодержания атмосферы, облаков и осадков, фазового состава облаков, содержания переохлажденной влаги в мощных конвективных облаках.

Цель работы и задачи исследования. Основной целью работы являлось развитие СВЧ-радиометрического метода измерения интегральных параметров (влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков), разработка автоматизированной аппаратуры, методики измерения и обработки данных, обеспечивающей минимальные погрешности определения характеристик влагосодержания атмосферы. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• теоретические исследования переноса микроволнового излучения в облачной атмосфере для случая зондирования с поверхности Земли, разработка и обоснование СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, анализ реальных погрешностей определения интегральных параметров атмосферы;

• систематизация принципов построения наземной автоматизированной СВЧ-радиометрической аппаратуры для определения влагоза-паса атмосферы и водозапаса облаков из измерений характеристик нисходящего радиотеплового излучения атмосферы, обоснование выбора структурной схемы и параметров аппаратурного комплекса, исследование характеристик радиометров и разработка алгоритмов обработки радиометрических данных;

• подготовка и проведение экспериментов, изучение временной (пространственной) изменчивости характеристик нисходящего радио-

теплового излучения облачной атмосферы в микроволновом диапазоне, влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в различных регионах при различных метеоусловиях;

Научная новизна работы состоит в совершенствовании СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и во-дозапаса облаков, обеспечивающего повышение точности определения параметров атмосферы. В этих целях выполнено следующее:

• обоснована и реализована структурная схема автономного автоматизированного двухволнового СВЧ-радиометрического комплекса, позволяющего определять в реальном масштабе времени влагозапас атмосферы и водозапас облаков;

• оптимизирована методика измерения характеристик радиотеплового излучения атмосферы, обеспечивающая минимальные погрешности определения характеристик влагосодержания атмосферы;

• впервые проведен анализ реальной погрешности определения влагозапаса облачной атмосферы из измерении характеристик радиотеплового излучения атмосферы на длинах волн 13,5-14.3 мм и 8-10 мм в различных регионах при различных метеоусловиях;

• впервые выполнен анализ пространственно-временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков различных типов в различных регионах, при различных синоптических ситуациях;

• получены и проанализированы экспериментальные данные комплексного пассивно-активного зондирования атмосферы в период развития мощных конвективных (грозовых) облаков.

Научная и практическая ценность работы. Наиболее важными представляются следующие результаты исследований:

• обоснован выбор структурной схемы автоматизированной аппаратуры и методики СВЧ-радиометрических измерений, обеспечивающие заданную точность определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков с поверхности Земли для различных моделей облачной атмосферы;

• анализ реальной погрешности определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков СВЧ-радиометрическим способом при различных метеоусловиях подтверждает правильность выбора технических решений, методики измерений и обработки СВЧ-радиометрических данных;

• экспериментальные данные СВЧ-радиометрических измерений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в различных регионах (над океаном и над сушей) в различные сезоны, при различных метеоусловиях.

Предложенные методики и средства определения параметров атмосферы применялись при проведении комплексных экспериментов по изучению параметров облачной атмосферы для решения проблем энергетики взаимодействия атмосферы и океана, контроля результатов АВ, определения условий распространения радиоволн в тропосфере Земли. Результаты работы использовались в отчетах по ряду научно-исследовательских тем, выполненных по программе "Разрезы", связанных с АВ на облака, по программе МНТП России "Физика микроволн", по международному проекту БЛЬТЕХ. Исследования, выполненные в работе могут использоваться при разработки наземной автоматизированной многочастотной радиометрической аппаратуры температурно-влажностного зондирования атмосферы для целей метеорологии и физики атмосферы.

Апробация работы и публикации. Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

1. IV Всесоюзная конференция по исследованию роли энергоактивных зон океана в короткопериодных колебаниях климата (Одесса, октябрь 1990г);

2. II, III научные конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Муром, июль 1992г., июнь 1999г.);

3. Международная конференция по применению дистанционных методов (Денвер, США, январь 1992г);

4. XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн (С-Петербург, сентябрь 1996г);

5. XIV Всероссийский симпозиум "Радиолокационные исследования природных сред" (С-Петербург, 1996г);

6. Всероссийская конференция по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, октябрь 1997г.);

7. III международная выставка и симпозиум по дистанционным средствам (Копенгаген, Дания, июль 1997г);

8. Региональные III, IV, VIII, ГХ конференции по распространению радиоволн (С-Петербург, октябрь 1997,1998,2002,2003гг.);

9. XXIII Генеральная ассамблея Европейского геофизического общества (Ницца, Франция, апрель 1998г);

10. V Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, июнь 1998г.);

11. II Всероссийский семинар по физике микроволн (Н.Новгород, март 1999г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 22 работы.

На защиту выносятся основные положения и результаты исследований автора:

1. Результаты разработки и исследования автоматизированной двух-канальной СВЧ-радиометрической аппаратуры, обоснование выбора структурных схем аппаратуры и методика измерений и обра- ботки СВЧ-радиометрических данных;

2. Результаты анализа погрешностей СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, методика определения влагозапаса атмосферы и водозапаса над океаном;

3. Результаты обработки СВЧ-радиометрических данных влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, полученных в различных регионах при различных метеоусловиях над океаном, в районе энергоактивной зоны океана и над сушей, в том числе в период развития мощных конвективных (грозовых) облаков;

4. Результаты исследований временных (пространственных) вариаций влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков;

5. Результаты оценки влияния вариаций влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков на интегральное ослабление микрорадиоволн в облачной атмосфере.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы из наименований,содержит ,|30страниц, основного текста, рис, • и о? ( таблицу.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, сформулированы основная цель работы и задачи исследования, научная новизна работы и ее практическая значимость, положения, которые выносятся на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены физические основы переноса микроволнового излучения в облачной атмосфере, методика определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков из результатов наземных измерений интенсивности собственного радиотеплового излучения атмосферы. Выполненный подробный анализ погрешностей измерений характеристик радиотеплового излучения определяет требования к техническим характеристикам аппаратупного комплекса.

В разделе 1.1. показано, что основной вклад в излучение (поглощение) атмосферой в СВЧ-диапазоне вносят водяной пар, кислород, жидкокапельные облака и осадки. Из уравнения переноса радиотеплового излучения получены выражения для характеристик нисходящего радиотеплового излучения атмосферы (радиояркостной тем-

пературы и интегрального поглощения), использованные для модельных расчетов.

В разделе 1.2.1. представлена линейная модель для интегрального поглощения т(Л )=а(Л)-в + ч>(г^ф, + г„(Л)» где: гдд>- поглощение

в кислороде; ¿^х), ч^г^, Л) ~ удельные коэффициенты поглощения в водяном паре и жид кока пел ьных облаках, соответственно; ТЭфф -эффективная температура атмосферы; Я -длина волны излучения; О - влагозапас атмосферы, ^ = р^) - профиль абсолютной

влажности; ]¥- водозапас облаков, ^ я^иф.ць»"**) - профиль водно-

»1

сти, г,, г2 - высоты верхней и нижней границ облака. Использование данного соотношения допускает постановку различных задач влажностного зондирования облачной атмосферы. Наиболее информативные участки спектра излучения атмосферы для решения этих задач на основе применения статистических методов оценки следующие: 4.2-3.0 мм, 6 мм, 7-9.5 мм, 12.8-14.3 мм, 20-32 мм. Для атмосферы, содержащей слоистообразные облака определение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков осуществляется из результатов измерения характеристик радиотеплового излучения на двух частотах вблизи центра линии поглощения водяного пара 21.0 ГГц и 36.5 ГГц. Для модели атмосферы, содержащей мощные конвективные облака, решается задача определения водозапаса облаков, оптимальные частоты зондирования 9.3 ГГц и 36.5 ГГц.

Проанализированы основные факторы, оказывающие влияние на погрешность определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков: погрешность алгоритмов расчета поглощения в кислороде, водяном паре, погрешность оценки температуры капельных облаков, рассеяние излучения на крупных каплях, погрешность измерения характеристик радиотеплового излучения.

В разделе 1.2.2. получены регрессионные соотношения, связывающие искомые параметры атмосферы О, и IV радиояркостными температурами в зенитном направлении гя(Л,), Гя(л2),(л,= 14мм, я,=82мм):

е = в0+а,-Гл(Л, ) + а2-Тя(Л2 ), ГГ =Ь> + 6гТя(Л,) + Ьг-Гя(Лг)-

В общем случае коэффициенты регрессии а1, Ь, зависят от распределения метеоэлементов в атмосфере. Поэтому дискретный набор коэффициентов регрессии получен для различных моделей атмосферы и типичных синоптических ситуаций. Коррекция коэффициентов

регрессии может осуществляться в результате итерационной процедуры и учитывает особенности текущего распределения метеопараметров атмосферы. В качестве исходной информации использовались данные радиозондирования (профили температуры, давления, влажности атмосферы) и водности облаков, полученная из данных самолетного зондирования.

В разделе 1.3. проанализированы основные погрешности измерения характеристик радиотеплового излучения атмосферы. Получены оценки вклада различных составляющих (потери антенны, влияние поля рассеяния и радиояркостного фона, погрешности измерения антенной температуры) в суммарную погрешность измерения радиояр-костной температуры и требования к параметрам антенны и радиометра для достижения необходимой погрешности измерений радиояркостностной температуры.

Проанализированы методы определения характеристик радиотеплового излучения атмосферы с поверхности Земли (метод относительных угломестных/азимутальных «разрезов», метод абсолютных измерений, радиоастрономический метод). Отмечены достоинства и недостатки методов, использующих особенности углового распределения собственного излучения атмосферы (методы утломестных и азимутальных "разрезов**) и метода временных "разрезов" при фиксированном положении диаграммы направленности антенны (например, в зените). Обоснованы требования к радиометрической аппаратуре при использовании различных методов исследования излучения атмосферы. Для реализации непрерывных измерений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков предложено применить методику временных "разрезов" в сочетании с методами внешней калибровки излучения.

Выполнен анализ схем калибровки, используемых в зарубежных СВЧ-радиометрических системах дистанционного зондирования атмосферы. На основе сравнения результатов синхронного дистанционного зондирования атмосферы радиометрами различных производителей в период эксперимента СЬША-КБТ (август 2001 г) получены оценки погрешности СВЧ-радиометрических измерений радиоярко-стных температур на частотах 21-36 ГГц на уровне 0.5-2 К.

Вторая глава посвящена обоснованию схем построения автоматизированной аппаратуры, предназначенной для определения параметров атмосферы, систематизации методов калибровки и разработке алгоритмов обработки СВЧ-радиометрической информации.

В разделе 2.1. выполнен анализ схем построения компенсационного, модуляционного, нулевого, с пилот-сигналом радиометров, антенных систем и систем сбора и обработки данных. Изучено влияние ха-

рактеристик отдельных узлов (приемных, усилительных устройств и т.д.) на технические параметры аппаратуры. Применимость компенсационного радиометра ограничивается флуктуациями коэффициента передачи приемника. В тоже время показано, что флуктуационная чувствительность модуляционного радиометра ухудшается по сравнению с компенсационной схемой (радиометр полной мощности), тем не менее модуляционая схема, реализующая «нулевой» режим позволяет компенсировать флуктуации коэффициента передачи.

Задача оптимизации схемы радиометрической аппаратуры рассматривается как задача минимизации шумов антенны (применение антенных систем с низким уровнем бокового излучения -коэффициент рассеяния порядка <0.02), минимизация потерь входного тракта и стабилизация его температуры, применение в схеме непрерывной внутренней калибровки стабильных эталонов шума на уровне измеряемых интенсивностей излучения, применение технологичных и надежных приемных устройств, удовлетворяющих требованиям шумовых свойств, обеспечивающих стабильность усиления. Анализ погрешностей СВЧ-радиометрических измерений позволяет сформулировать требования к аппаратуре, обеспечивающей точность измерения радиояркостных температур на уровне 0.5-1 К.

В разделе 2.2. приводится описание разработанной в конце 80х годов радиометрической аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, которая включает двухканальный радиометр (а, =14 мм, х2 =&2 мм) с антенной системой, и систему сбора данных. Радиометры, входящие в состав аппаратуры относятся к классу модуляционных радиометров, использующих во входном тракте СВЧ-переключатели, программно-управляемые полупроводниковые генераторы шума с мощностью тш .[зю-Гя(я,)], где Гя{Х1) -

средняя радиояркостная температура на длине волны инжектируемой на вход приемника через направленный ответвитель с переходным ослаблением £н.о.®25 дБ, что позволяет для линейного усилительного тракта строить шкалу абсолютных температур. В супергетеродинном приемнике используются балансные смесители с диодами Шоттки, генераторы Ганна в волноводном исполнении и усилители промежуточной частоты с полосой усиления (ЮО...4ОО)Мщ. Требуемая стабильность усиления и калибровочного уровня достигается стабилизацией температуры и питающих напряжений (токов) генераторов шума и активного термостатирования. Основные параметры радиометров и антенн исследованы по стандартным методикам. Флук-туационная чувствительность радиометров составляла не хуже 0.5 К/с°5, ширина луча диаграммы направленности антенны по уров-

ню ЗдБ равнялась Юградусам (скалярный рупор) и 0.7 градусов (параболическая антенна). Процесс сбора данных автоматизирован: система сбора данных выполняет функции управления антенной системой, режимами работы радиометров (СВЧ-переключателями, генераторами шума), преобразование выходных аналоговых сигналов радиометров в цифровой код, измерение/накопление сигналов соответствующих выходных сигналов радиометров формирование массивов данных с временной /угловой привязкой.

В разделе 2.3. выполнен анализ схем построения радиометров-поляриметров, используемых для атмосферных измерений с поверхности Земли, реализующих как полный поляризационный анализ (измерение 4х параметров Стокса излучения), так и частичный анализ наиболее информативных первых трех, двух параметров Стокса.

Приводится описание радиометрической аппаратуры, используемой для исследования конвективных облаков. В состав аппаратуры входит радиометр-поляриметр (к=8.2 мм), построенный по модуляционной схеме с супергетеродинным приемником. На входе радиометра установлен электрически управляемый ферритовый переключатель Фарадея с поляризационной развязкой не менее 20 дБ. Выходные сигналы радиометров пропорциональны сумме и разности яркостных температур на вертикальной и горизонтальной поляризациях. Скалярный рупор, имеющий осесимметричную диаграмму направленности, используется в качестве облучателя системы Кассегрена. Ширина диаграммы направленности антенны по уровню ЗдБ составляет 15 угловых минут. Реализована схема калибровки радиометра-поляриметра, в соответствии с которой, для калибровки канала мощности используется метод относительных угломестных разрезов, а для калибровки канала поляризации - установленный в плоскости отражателя системы Кассегрена электрически управляемый полупроводниковый генератор шума с приведенной ко входу радиометра температурой шума 20 К.

В разделе 2.4. систематизированы методы калибровки СВЧ-радиометрических измерений. Выполнены оценки погрешности используемых для калибровки методов (метод угломестных "разрезов", метод широкоапертурных излучателей - абсолютно черных тел на уровнях 80К и 290К, метод расчета характеристик радиотеплового излучения безоблачной атмосферы по данным синхронного радиозондирования). Погрешность калибровки для различных методов оценена уровнем (0.5...2) К.

В разделе 2.5. приводятся описание и основные технические характеристики многочастотных СВЧ-радиометров, которые использовались в международном эксперименте BALTEX в период 20012002гг.

представлены результаты экспериментальных исследований влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, выполненных в различные сезоны 1988-2003гг. в Ленинградской области и весной 1990г. в районах Северной Атлантики. Экспериментальное определение характеристик радиотеплового излучения атмосферы осуществлено по методике относительных угломестных и азимутальных "разрезов" или временных "разрезов" радиотеплового излучения атмосферы с помощью наземных автоматизированных СВЧ-радиометров (длины волн 8мм/ 13.5 мм, 8 мм / 14 мм и 8 мм/ 32 мм), а для оценки влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков применены уточненные регрессионные методики.

В разделе 3.1.1. выполнений совместный анализ временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и синоптической ситуации над океаном показал существенное влияние синоптических процессов, протекающих в атмосфере, на изменение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в районе Ньюфаундлендской зоны океана: в интервале 4...45 кг/м2 наибольшие значения влагозапаса атмосферы отмечались в восточной части циклонов, там же отмечались и большие значения водозапаса облаков, а минимальные значения влагозапаса атмосферы наблюдались в ядрах высокого давления, формирующихся в тыловых частях циклонов. Для типичных синоптических ситуаций получены количественные оценки средних значений (СЗ) и средних квадратических отклонений (СКО) влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. Проанализированы пространственные вариации влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков (на масштабах порядка 1000 км) в Северной Атлантике.

В разделе 3.1.2. изучена сезонная изменчивость влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в Ленинградской области.

Результаты сравнений радиозондовых и радиометрических значений влагозапаса показали, что для атмосферы, содержащей слоисто-образные облака без ос2 адков, при вариациях влагозапаса атмосферы в интервале 2...45 кг/м2, водозапасах облаков менее 2 кг/м2 средняя квадратическая погрешность определения влагозапаса атмосферы в зените по регресионной методике для районов исследований составляла 0.7... 1.3 кг/м2 с доверительной вероятностью 0.9.

В разделе 3.2. выполнен анализ эмпирических (самолетное зондирование) данных о водности облаков различных типов. Полученные в различные периоды года СВЧ-радиометрические средние значения водозапасов различных типов слоистообразных облаков находятся в удовлетворительном согласии с эмпирическими моделями, основанными на данных самолетного и радиозондирования атмосферы в северо-западном регионе. В частности, отмечается относительная

устойчивость измеренных в теплый и холодный периоды года средних значений водозапасов слоистообразных облаков Sc, St, в отличие от соответствующих оценок, выполненных для облаков Ns. Выполненный анализ сезонных и региональных особенностей статистики водозапасов (интегральных функций распределения водозапаса облаков P(W>X)), иллюстрирует различия для теплого и холодного периодов года. В частности, показано, что в холодный период в 95% времени водозапас облаков в зените не превышал 0.28 кг/м2, а значения водозапаса облаков, превышающие 0.52 кг/м2 регистрировались лишь в 1% случаев. Над океаном в 90% времени водозапас облаков составлял менее 0.50 кг/м2, а в Ленинградской области в теплый период года лишь в 5% случаев водозапас облаков превышал 0.7 кг/м .

В разделе 3.3. проанализированы результаты измерения влагозапа-са атмосферы и водозапаса облаков в период развития мощных конвективных облаков. Изложены основы пассивно-активного метода определения средней водности, профиля водности конвективного облака, осадков и методика пассивно-активного зондирования атмосферы, используемая при исследовании динамики развития конвективных (грозовых) облаков. СВЧ-радиометрические измерения на длинах волн 8.2 мм и 3.2 см, выполненные с помощью радиометров, работающих синхронно с метеорологическим радиолокатором МРЛ-2, позволяли определять водозапас конвективного облака (в частности, переохлажденной части облака) на различных стадиях развития, а также оценивать среднюю водность облака. Для обнаружения грозовых облаков в радиусе 100 км использовался радиолокатор МРЛ-1 (3.2 см), а координаты молний в таких облаках устанавливались радиолокационными станциями метрового (длина волны 200 см) и дециметрового диапазона (длина волны 10 см и 35 см), которые обнаруживают ионизированные каналы молний как типа облако-облако, так и облако-земля. Кроме того, грозовые разряды фиксировались грозопеленгаторами.

Выполненные эксперименты (июль 1993- 1996гг, п. Тургош, Ленинградская область) подтверждают связь влагозапаса атмосферы с процессами образования и эволюции конвективных облаков. Для стадии грозового облака характерны наибольшие значения влагозапаса, а также его значительные мезомасштабные вариации, которые в области грозового облака в отдельных случаях превышали 50% среднего значения. Количественные сравнительные оценки СВЧ-радиометрических СЗ и СКО влагозапаса атмосферы для периодов развития конвективных облаков разной мощности (Си hum, Си med и Cb, Cb грозовых) отражены в Таблице 1.

Таблица1.

Влагозапас атмосферы в период развития конвективных облаков

Си Ииш, Си шеё СЬ, СЬ гр Весь период

СЗ, кг/м2 19,73 29,65 23,78

СКО, кг/м2 3,17 2,93 5,97

Эксперименты показали, что для водозапаса переохлажденной части облака характерны значительные дисперсии, существует корреляционная связь влагозапаса атмосферы и параметров конвективного облака на стадии максимального развития.

Раздел 3.3.1. посвящен анализу временной изменчивости характеристик влагосодержания атмосферы в период мероприятий по метеозащите С-Петербурга 30-31 мая 2003г. Анализ СВЧ-радиоме-трических, радиозондовых и радиолокационных данных, позволил выделить мезомасштабные вариации влагозапаса атмосферы с характерными размерами 2-3 часа, не регистрируемые на пунктах сетевого радиозондирования, установить связь временной изменчивости влаго-запаса атмосферы с динамикой развития процессов образования облаков в радиусе 50-100км, дать количественные оценки водозапаса облаков (в частности, 31 мая 2003 г в п. Воейково максимальное значение водозапаса облаков составляло 0.26 кг/м2, среднее значение 0.06 кг/м2).

В разделе 3.4. выполнены исследования временных (пространственных) вариаций интегральных метеопараметров атмосферы с использованием аппарата структурных функций. Оценки средних интенсивно-стей временных флуктуации влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков выполнены на масштабах от единиц минут до нескольких суток в различные сезоны года. Показано, что временные структурные функции влагозапаса атмосферы описываются степенной функцией:

Получены оценки структурных коэффициентов: се =о.4бк рм1 мин-°3'(лето), с0=о.15к рм'2 мин-°33(зима).

В разделе 3.5.1. выполнен анализ СВЧ-радиометрического метода оценки интегральных радиохарактеристик атмосферы в микроволновом диапазоне. Получены регрессионные соотношения, связывающие интегральное ослабление на различных длинах волн 32... 3 мм с влагозапасом атмосферы и водозапасом облаков и построены полуэмпирические спектры интегрального ослабления реальной атмосферы.

В разделе 3.5.2. выполнены экспериментальные оценки второго параметра Стокса радиотеплового излучения различных типов облаков и дождя при Л = 8.2 мм*, деполяризация излучения мощных конвективных облаков составляет несколько ед. К в случае осадков средней интенсивности, причем, на наклонных трассах излучение на горизонтальной поляризации превышало излучение на вертикальной поляризации. Полученные экспериментальные оценки степени деполяризации собственного излучения конвективных облаков с осадками на наклонных трассах составляют менее 3% и согласуются с приближенными теоретическими оценками степени деполяризации излучения осадков. Вместе с тем обнаружены аномальные значения деполяризации излучения переохлажденной части грозового облака порядка (10-15)К.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. На основании выполненного анализа погрешностей измерения характеристик нисходящего радиотеплового излучения облачной атмосферы обоснован выбор структурной схемы и параметров автоматизированной СВЧ-радиометрической аппаратуры для непрерывной диагностики влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. В разработанном двухканальном (длины волн 14 мм, 8 мм) радиометре применены модуляционные радиометры с супергетеродинным приемником и схемой компенсации флуктуации коэффициента усиления, процесс сбора данных автоматизирован.

2. Усовершенствована методика измерения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков из результатов наземных абсолютных измерений радиотеплового излучения на двух частотах вблизи 21ГГц и 36ГГц;

3. Получены оценки реальной погрешности определения интегральных параметров атмосферы из сравнительного анализа радиометрических и расчетных (радиозондовых) значений. Средняя квад-ратическая погрешность определения влагозапаса атмосферы из результатов СВЧ-радиометрических измерений по регресионной методике для случая атмосферы, содержащей слоистообразные облака без осадков, при вариациях влагозапаса атмосферы в зените 2...45 кг/м2, для различных районов исследований составляла 0.7... 1.3 кг/м2 с доверительной вероятностью 0.9.

4. Выполненный статистический анализ СВЧ-рациометрических данных о воцозапасах слоистообразных облаков обнаруживает удовлетворительное согласие средних значений водозапасов слоистообразных облаков с имеющимися эмпирическими данными о воцозапасах различных видов облаков. Впервые экспериментально изучены региональные и сезонные особенности интегральных вероятностных распределений водозапаса облаков.

5. Впервые на основании анализа синоптических и мезомасштаб-ных вариаций влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в Северной Атлантике в районе Ньюфаундлендской энергоактивной зоны океана и в Ленинградской области, в том числе в период развития мощных конвективных (грозовых) облаков экспериментально изучены сезонные и региональные особенности корреляционной связи между влагозапасом атмосферы и водозапасом облаков. В частности, наибольшая корреляция между влагозапасом атмосферы и водозапасом облаков отмечается в холодный период времени, когда row =0.7.

6. Получены статистические оценки вариаций влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. Показано, что в предположении "замороженной турбулентности" средние структурные функции влагозапаса атмосферы в интервале масштабов от единиц до 1000 км аппроксимируются типичным для двухразмерной турбулентности законом "степени 2/3". Даны оценки сезонной изменчивости структурного коэффициента влагозапаса атмосферы в интервале (0.17...0.52) кгм-2км-1/3;

7. Проанализировано влияние временных и пространственных вариаций влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков на интегральное ослабление облачной атмосчферы в СВЧ-диапазоне.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гальперин СМ., Караваев ДМ., СтасенкоВ.Н., Щукин Г.Г. Исследование электроактивных зон в облаках в интересах установления их связи с градовыми процессами. Тезисы докладов Всеросийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, КБР, 1997, с. 83-86.

2. караваев ДМ., Попова Н.Д., Щукин ГГ. СВЧ-радиометрическое зондирование влагосодержания атмосферы. Тезисы докладов II научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды. М, 1992, с. 159-160.

3. Караваев ДМ., Щукин ГГ. Радиофизические исследования характеристик влагосодержания атмосферы. Тезисы докладов III научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды. Муром, 1999, с.57-58.

4. Караваев Д.М., Щукин Г.Г. Влагозапас атмосферы и водозапас облаков по данным СВЧ-радиометрических измерений.-Труды НИЦ ДЗА, "Прикладная метеорология", вып.1 (546), 1996, с. 6-13.

5. Караваев ДМ., Щукин Г.Г. Результаты исследования влагозапаса атмосферы в период образования конвективных облаков. Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Москва, 1996 г., с. 95-96.

6. Караваев Д.М., Щукин Г.Г. СВЧ-радиометрические исследования влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. Тезисы докладов региональной XXIII конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 1997, с.76.

7. Караваев ДМ., Щукин Г.Г. Радиометрические исследования ослабления микроволн в тропосфере. Тезисы докладов региональной IV конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 1998, с.42.

8. Караваев ДМ., Щукин Г.Г. СВЧ-радиометрические исследования интегральных радиохарактеристик атмосферы. Тезисы докладов XIX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Казань, 1999,2с.

9. Караваев ДМ, Рыбаков Ю.В., Щукин Г.Г. Валидация сетевых СВЧ-радиометров в период BALTEX. Тезисы докладов региональной 8 конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, окт. 2002, с.46-47.

10. Караваев ДМ., Рыбаков Ю.В., Щукин Г.Г. СВЧ-радиометрические измерения характеристик влагосодержания атмосферы в период метеозащиты С-Петербурга 30-31 мая 2003г. Тезисы докладов региональной 9 конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, окт. 2003, с. 72-73.

11. Караваев ДМ., Рыбаков Ю.В., Щукин Г.Г. Разработка метеорологической сети СВЧ-радиометров. Тезисы докладов региональной 8 конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, окт. 2004, с.85-86.

12. Щукин ГГ., Кутуза Б.Г., Дорожкин КС, Загорин Г.К., Караваев Д.М., Образцов СИ, Рыбаков Ю.В., Собачкин А.А. Многоволновое СВЧ-радиометрическое зондирование атмосферы, Прикладная метеорология, вып.4(552), 2002.С.87-104.

13. Тарабукин И.А., Караваев Д.М., Попова КД., Щукин Г.Г. Автоматизированное пассивно-активное зондирование облачной атмосферы. Труды ГТО. Экспериментальная метеорология, 1995, вып.545, с.53-60.

14. Щукин ГГ., Стасенко В.Н., Образцов СП., Караваев ДМ. Проект 2.7. Дистанционное исследование малых газовых составляющих атмосферы влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и осадков на основе применения методов СВЧ-радиометрии и активной локации. Физика микроволн, т.1, РАН ИПФ, Новгород, 1996, с. 128-136.

15. Щукин Г.Г, Стасенко В.Н., Образцов СП., Караваев ДМ. Проект 2.7. Дистанционное исследование малых газовых составляющих атмосферы влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и осадков на основе применения методов СВЧ-радиометрии и активной локации. Сб. отчетов по научным проектам МНТП России за 1996г, Физика микроволн, Москва, 1997, с.68-71.

16. Щукин Г.Г., Стасенко В.Н., Образцов СП., Караваев ДМ. Проект 2.7. Дистанционное исследование малых газовых составляющих атмосферы влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и осадков на основе применения методов СВЧ-радиометрии и активной локации. Сб. отчетов по научным проектам МНТП России за 1997г, Физика микроволн, Н.Новгород, 1998, с.85-89.

17. Щукин Г.Г., Стасенко В.Н., Образцов СП., Караваев ДМ. Проект 2.7. Дистанционное исследование малых газовых составляющих атмосферы влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и осадков на основе применения методов СВЧ-радиометрии и активной локации. Сб. отчетов по научным проектам МНТП России, Физика микроволн, Н.Новгород, 1999, с. 150-156.

18. Щукин Г.Г., Степаненко В.Д., Егоров А.Д., Гальперин СМ., Караваев ДМ. Радиофизические исследования атмосферы и подстилающей поверхности. Юбилейный сб. "Современные исследования Главной геофизической обсерватории" к 150-летию со дня основания. Т. 1. СПб., Гидрометеоиздат, 1999, с. 172-190.

19. Karavayev DM, Popova N.D., Shchukin G.G. Some results of at-mosperic moisture sounding. Proceedings of specialist meeting on microwave radiometry and remote sensing applications. Boulder, Colorado, USA, Jan. 1992, p.404-407.

20. Karavayev D, Shchukin G., Stasenko V. Multiwave active-passive sounding of atmospheric moisture. J. Physics and Chemistry of the Earth, 1998, lp.

21. Karavayev DM, Shchukin G.G. Radiophvsical investigations of water vapor and cloud liquid water content Fifth International Symposium on Atmospheric and ocean Optics. Proc. SPIE 3583,1998, p.407-413.

22. Stasenko V., Galperin SM, Karavayev D, Shchukin G. Investigations of electric and microphysic properties of a thundercloud using active-passive multiwave radar system. Proc. WMO workgroup on measurements of cloud properties for forecast of weather and climate, Mexico city, 23-27 June 1997, WMO/ td № 852, p.271-275.

23. Караваев ДМ., Щукин Г.Г. Применение методов СВЧ-радиометрии для диагноза содержания жидкокапельной влаги в облаках. Труды НИЦ ДЗА, 2004. вып.5 (553), с. 99-120.

Отпечатано в тшкирафии «Текст». Подписано к печати 18.05.05. Тираж 100 экз. Заказ №

* ¿ле^я-тям I \ "