Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере

Каплан, Лев Григорьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере
ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере"

Федеральная служба Российской Федерации по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Высокогорный геофизический институт

На правах рукописи УДК 532.51:551.51.511

Каплан Лев Григорьевич

Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере

11.00.09 метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нальчик, 1998

Работа выполнена в Ставропольском научно-производственном геофизическом центре

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук проф. Ашабоков Б.А. (Нальчик)

доктор физ.-мат. наук проф. Скибин Ю.Н. (Ставрополь)

действительный член Ньюйоркской Академии наук (США) доктор физ.-мат. наук проф. Хворостьянов В.И. (Москва)

Ведущая организация Главная Геофизическая Обсерватория (С.-Петербург)

дпи^ерюцпилпи! и иисс 1а • ¡¿Р. <0^

Высокогорного геофизического института

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института, г. Нальчик

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: Россия, 360030, Нальчик, ул. Ленина, 2, ВГИ

на заседании

Автореферат разослан ¿/К?1998

г,

диссертационного совете докт. физ.-мат. наук проф. Тлисов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Термодинамические процессы естественного или искусственного происхождения, проходящие в сплошной жидкой среда, т.е., в жидкости или газе, часто имеют локальный и стационарный характер. Вследствие сосредоточения энергии в ограниченной области локальные процессы, как правило, более интенсивны, чей процессы, распределенные в пространстве.

Ураганы, смерчи, грозо-градовые процессы - это мощные локальные процессы в атмосфере. Эти процессы единовременно охватывают сравнительно небольшой объем воздушного пространства, однако благодаря своей интенсивности оказывают большое влияние на жизнь планеты, существенно влияя на климат в целом. Порой они вызывают стихийные бедствия, последствия которых сказываются на жизни регионов и целых государств в течение ряда лет.

С тем, чтобы уменьшить последствия опасных атмосферных процессов используются две возможности. Первая - пассивная: организация системы мониторинга опасных явлений погоды с целью своевременного предупреждения промышленных и сельскохозяйственных предприятий и населения об ожидаемом бедствии. Вторая - активная: воздействие на атмосферные процессы таким образом, чтобы направить их развитие в желаемом направлении. При реализации этой второй возможности мониторинг еще более необходим, чем при пассивном наблюдении.

Впервые локальный процесс в виде одной из возможных форм -одномерной уединенной волна - наблюдался Дж. Схотток Расселом (1834 г.). При теоретическом рассмотрении установлено, что многие нелинейные одномерные, а также двумерные дифференциальные уравнения в частных производных приводят к солитонам, т.е. локальным решениям с некоторыми специальными свойствами. В настоящее время известны десятки таких уравнений: уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КдФ), модифицированное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение мКдф), нелинейное уравнение Шрёдингера, уравнение Б1.п-Гордон, уравнение в11-Гордон, уравнение Нуссинеска, уравнение Кадомцева-Петвиашвили или двумерное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КП), двумерное уравнение Б1п-Гордон и т.д.. Развиты методы решения подобных уравнений. В соответствии определением [Абловиц М.Д., Сигур Н. Солитоны и метод обратной задачи, 1987] солипонани называются любые локализованные нелинейные волны, которые, взаимодействуя с произвольными локальными возмущениями, всегда восстанавливают свою форму.

Существующий теоретический подход при исследовании локальных процессов направлен на построение нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, адекватно описывающих физическое явление, поиск их решений, среди которых могут быть солитонные, и анализ самих решений.

На этом пути имеется ряд трудно преодолимых препятствий принципиального и технического характера.

1. Исходные свойства локальных термодинамических процессов не в полной мере соответствуют свойствам солитона, определенным выше. Ввиду этого для описания локальных процессов различного вида, не подпадающих под определение уединенной волны, употребля-

ются термины: квазисолитон, модон, солитоноподобное возбужден! ламп (двумерный солитон) и др.

В настоящей работе преимущественно исследуются двумерные трехмерные локальные процессы (коротко локалы) различного типа му не используем какого либо другого термина для ях названия.

2. Многие локальные реальные процессы настолько сложны, ч более или менее адекватная система уравнений не находит аналит ческого решения.

Указанные выше трудности б полной мере относятся к локальн термодинамическим процессам в атмосфере. При построении систс-дифференциальных уравнений необходимо учесть множество фактор (например, фазовые переходы воды и выпадение осадков различно типа). В результате эта система становится несбоаримоР;. Решен невозможно получить в аналитической форме, а свойства решения д леко не всегда соответствуют свойствам классического солитона.

Применение численных методов при исследовании атмосферн процессов встречает свои трудности. Среди проблем - тяжело еыпо нимые требования по информации о начальных условиях из-за большого объема, неустойчивость получающихся решений и больш требования к быстродействию и объему оперативной памяти компьют ров. Быстрый прогресс вычислительной техники, происходящий последнее время, не в состоянии компенсировать другие трудности

Е то же время накоплен значительный наблюдательный материа который позволил выявить характерные особенности, провести кла сификацию, определить усредненные параметры интенсивных локальн1 атмосферных процессов. В частности, для грозо-градовых процесс определены типовые высоты, площадь, особенности структуры, ааро дения, роста и диссипации градовых ячеек, схорость и направлен! перемещения процесса в целом, скорость воздушных потоков, микр физика зарождения града и т.д. Предложены упрощенные зависимост! позволяющие рассчитать отдельные параметры процессов, однако о щие соотношения отсутствуют. Выявлена сложная структура гр зо-градового процесса, элементами которой являются более прост1 локальные процессы меньшего масштаба. Один из таких элементо определяющий интенсивность процесса в целом, - восходящая возду ная струя.

Существенным фактором, определяющим достоверность и информ; тивность наблюдательных данных, являются методы и средства изм< рений. При изучении атмосферных процессов используются прямые дистанционные методы. Посредством измерительных приборов, устг новленных на борту самолета, вертолета, на воздушном шаре или 1 ракете, получают точные непосредственные данные о параметрах а: мосферы по линии полета летательного средства. Однако таким обрг зом нельзя получить информацию о пространственной структуре прс цесса в целом.

Посредством метеорадиолокатора (МРЛ) осуществляют практичес ки одномоментное дистанционное зондирование атмосферы в полусфе{ обзора при дальности до 300 км. При надлежащем выборе длины вол! радиолокационный луч способен пронизать облако, что дает возмоя ность получить данные об облачности во всей полусфере.

Качество метеорадиолокатора как измерительного прибора опрс деляют такие параметры как достоверность, точность, разрешаюсь

способность, способность идентифицировать тонкую структуру сигнала. С применением объективных автоматизированных методов становится возможным обработать практически всю получаемую информацию и выделить особенности тонкой локальной структуры метеоцели в реальном времени. Однако необходимо учитывать неточность и пространственные искажения, присущие метеорадару как измерительному средству. Свои сложности привносит и статистическая природа облака как объекта наблюдений, определяющая шумовую природу отраженного от него радиолокационного сигнала.

Таким образом, теоретическое изучение локальных атмосферных процессов, создание средств их наблюдения, получение наблюдательных данных и их сопоставление с теоретическими результатами -комплексная задача, которая может быть решена только при едином всестороннем подходе.

Цель работы:

развитие нового научного направления, зключающего теоретическое исследование общей структуры и обобщенную оценку параметров локальных процессов в сплошной жикой среде и атмосфере, а также статистические методы синтеза и анализа качества радиолокационных систем обнаружения и измерения локальных атмосферных процессов .

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие проблемы:

- построение и анализ общей модели стационарного локального термодинамического процесса в сплошной жидкой среде;

- исследование движения и силового равновесия локального термодинамического процесса как целого;

- анализ силового воздействия полей скорости и массовой силы в подвижной жидкой среде на локальный термодинамический процесс;

- построение модели, исследование структуры и взаимозависимостей усредненных параметров локального атмосферного процесса -восходящей воздушной струи грозо-градового облака;

- построение модели, исследование взаимозависимостей усредненных параметров локального атмосферного процесса - всплывающего воздушного пузыря (термика);

- исследование достоверности и точности отображения локальных метеоцелей при радиолокационном зондировании атмосферы;

- решение отдельных практических задач по расчету термодинамических характеристик и наблюдению за локальными процессами в атмосфере при их естественном развитии и искусственном воздействии ;

- сопоставление теоретических выводов и имеющихся данных наблюдений.

Научная новизна работы

Автором впервые получены следующие результаты.

1. Предложена общая модель локального термодинамического процесса в неподвижной в целом сплошной жидкой среде, в рамках которой получены взаимозависимости интегральных параметров: уравнение движения, уравнения силового равновесия по осям и глобальное уравнение силового равновесия.

2. Проведена классификация и определены соотношения интег-

ральных параметров для слабо и сильно локализованных процессоЕ имеющих ядоо и не имеющих ядра, статических и динамических, дб^ мерных и трехмерных.

4. Исследовано движение локального термодинамического прс цесса как целого в подвижной сплошной жидкой среде и получек уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс полях массовой силы и скорости вещества в среде в целом.

5. В рамках общей модели локального процесса построены идее лизированные модели, изучено движение и силовое равновесие лс кальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воз душной струи грозо-градового процесса и всплывающего воздушног пузыря (термика).

6. Поставлены и решены задачи оптимизации обнаружения, исс ледования точности, измерения параметров и оценки разрешающей сп собности при радиолокационном отображении локальной метеоцели.

7. Решены отдельные практические задачи по расчету термоди намических параметров локальных процессов в атмосфере при естест венном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению.

8. Корректность полученных теоретических выводов и эффектив ность практических решений подтверждена отдельными наблюдениям локальных облачных процессов.

Практическая ценность работы

Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, был выполнены в соответствии с общегосударственными научно-техничес кими программами ГКНТ, планами НИР и ЦНТП Росгидромета (те мы: 111.19.3., Ш.1.1., 111.1.8., III.5.1., ЦНТП-5: 1.5.1.1. 1.5.1.3., 1.5.1.5., 1.5.1.7., 1.5.2.1.), предусматривающими про работку теоретических проблем, связанных с атмосферными процесса ми при их естественном развитии и искусственном воздействии, раз работку методов и средств наблюдения за облачностью, воздействи на нее и оценки результатов этого воздействия.

Автором был выполнен ряд хоздоговорных тем, связанных с раз работкой автоматизированных радиолокационных методов, аппаратур и проведением соответствующих исследований, в частности, РМ-5/8 по заказу Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры (ВНИИРА) и "Грань" п заказу концерна "Ленинец"-

Отчеты по указанным выше научным и хоздоговорным темам был приняты с высокой оценкой.

При непосредственном участии автора поставлен и решен ря теоретических и практических задач термодинамики атмосферы, ис кусственного увеличения осадков и метеорадиолокации, включая про ведение теоретических исследований, подготовку методических ука заний, разработку аппаратуры, проведение натурных экспериментов оценку их результатов.

В частности, результаты исследований используются с 1986 го да для выполнения производственных работ по искусственному увели чению осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край Ростовская область. Республика Калмыкия) с целью интенсификаци сельскохозяйственного производства на посевной площади 2,5 млн га зерновых. Средний ежегодный физический эффект этих рабо составляет 10-15% увеличения осадков.

На защиту выносятся:

- общая модель локального термодинамического процесса (лока-ла) в сплошной жидкой среде, неподвижной в целом, взаимозависимости интегральных параметров для этой модели;

- классификация локальных процессов и соотношения интегральных параметров для стационарного и квазистационарного процессов, для статического и динамического процессов, для смещающегося в среде и неподвижного процессов, для процессов, имеющих ядро и не имеющих ядра;

- модель локального термодинамического процесса в подвижной сплошной жидкой среде и уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс;

- аналогии движения локала в сплошной жидкой среде и твердого тела во вращающемся пространстве, а также движения локала и заряженной частицы в электромагнитном поле и соответствующие взаимозависимости параметров;

- модели и расчетные соотношения для локальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи гро-зо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика);

- алгоритмы и структурные схемы устройств,■ обеспечивающие оптимальные обнаружение, измерение параметров и разрешающую способность при радиолокации локальных метеоцелей;

- решения отдельных практических задач по расчету параметров локальных термодинамических процессов в атмосфере при естественном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению;

- результаты сопоставительного анализа теоретических выводов и данных наблюдений.

Личный вклад автора

В диссертацию вошли результаты теоретических исследований, в основном полученные автором лично. Вклад автора являлся определяющим при получении в составе соавторов теоретических и практических результатов, вошедших в диссертацию. Автором лично проведен общий анализ и интерпретация результатов, вошедших в диссертационную работу, получены выводы и дано обоснование для практического применения.

По теме диссертации автором ранее опубликовано: одна монография, 67 статей, из них лично - 26, с соавторами - 41, сделано ' 10 изобретений, три из которых внедрены в аппаратуру, выпускаемую серийно промышленностью.

N Апробация работы

Основное содержание работы было представлено и докладывалось на семинарах и итоговых сессиях организаций и учреждений Росгидромета и других ведомств России и СССР, отечественных и международных конференциях: IV Всесоюзной конференции по лазерам и газоразрядным приборам (Рязань, 1974), б-м Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Таллин, 1982), Межведомственном Всесоюзном совещании по методам дистанционного зондирования атмосферы (Минск, 1983), 7-ой Всесоюзной конференции по радиометеорологии (Суздаль, 1986), Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки

- б -

данных (Юрмала, 1986), Всесоюзной конференции по физике облаког (Нальчик, 1987), V Всесоюзном семинаре-совещании по ИУО (Ставрополь, 1990), Всесоюзной конференции по методам и средстваи дистанционного зондирования атмосферы (Киез, 1991), Всесоюзной конференции по АВ на гидрометеопроцессы (Нальчик, 1991), VI Международной конференции ВМО по модификации погоды (Пестум, Италия, 1994 г.), XIX Международной конференции по облакам и осадкам (Цюрих, Швейцария, 1996 г.). Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометпроцессы (Нальчик, 1997), Международном симпозиуме по гидрометеорологии (С.-Петербург, 1997), Международной выставке "Гидрометеорология - человеку" (С.-Петербург, 1997).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы.

Общий объем диссертации составляет 346 страниц основного тек ста, включая 295 страниц машинописного текста и 51 рисунок.

Список литературы содержит 416 наименований, из них 360 - на русском и 56 - на английском языке.

Содержание диссертационной работы

Диссертация является результатом обобщения научно-исследовательских работ, выполненных автором в соответствии с планами НИР и ОКР, а также в инициативном порядке.

Во введении обоснована актуальность работы, определены научная проблема, цели, задачи и методы их решения, оценены научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, личном вкладе автора, публикациях и структуре диссертации.

В диссертационной работе рассматривается термодинамика локальных процессов (локалов) в сплошной жидкой среде и атмосфере, включая методы радиолокационного обнаружения и отображения локальных атмосферных процессов, связанных с образованием облачности, при их естественном развитии и искусственном воздействии.

В первой главе предложена общая модель термодинамического локального стационарного процесса в сплошной жидкой среде.

Локальный процесс - это возмущение з некоторой области пространства на фоне спокойной или почти спокойной среды в целом. Таковым возмущением может быть значительное отличие плотности р, давления р, скорости v, других локальных (т.е. в точке) параметров вещества от соответствующих параметров на большом удалении.

Если локальный процесс и среду в целом разделяют поверхности разрыва параметров, то эти поверхности и являются границами области локализации процесса (ОЛП). Однако чаще такие поверхности отсутствуют и с увеличением расстояния интенсивность процесса уменьшается постепенно. В этом случае границы ОЛП выделяются условно, так, чтобы локальная интенсивность процесса в произвольной точке вне ОЛП была близка нулевой (рис. 1).

Процесс как единое целое характеризуют интегральные параметры . Ряд этих параметров определяется интегралами по объему ОЛП от локальных параметров плотности, давления, скорости и др. Среди

них: разностная масса, кинетическая энергия эквивалентного твердого тела, интегральное количество движения, суммарная кинетическая энергия, интегральное разностное давление, введенный нами интегральный скалярный момент силы, который характеризует общее растянутое или сжатое состояние вещества в ОЛП.

Многие интегральные параметры определяются интегралами от локальных параметров по поверхности ОЛП в. Среди них суммарная сила, действующая на вещество в ОЛП, расходы массы, количества движения и кинетической энергии и др. Эти интегралы определяют взаимодействие ОЛП в ее принятых условных границах и среды в целом. Основные интегральные параметры приведены ниже:

К = ( р V ¿IV - интегральное количество движения;

ОЛП

Ек = ^ / Р ^ ~ кинетическая энергия процесса; ОЛП

Екх = \ { Р V2* д.4. Еку = ^ / Р ¿IV, Ек2 = ^ | р (IV -ОЛП ОЛП ОЛП

- кинетическая энергия процесса по соответствующим осям (Ек = Екх + Еку + Ек2 ) •

шд= | рдйУ - интегральная разностная масса (если Шд< О, ОЛП

то в объеме ОЛП имеет место дефицит массы);

Рд = | ~ интегральное разностное давление;

ОЛП

Гс = | £С<ЗУ, Гр = | рдй3' ри = / ) - соответственно

ОЛП

сила сторонняя, давления и инерции протекающих масс, ДБ - элемент поверхности ОЛП, направленный внутрь;

К = Гс + Гр + Ти - интегральная сила, действующая на вещество в объеме ОЛП;

(Г * г) ¿IV - интегральный скалярный момент силы, (впер-

олп

вые введен автором), Г - объемная плотность силы, г - радиус-вектор точки приложения, (*) - скалярное произведение, (При М > О вещество в целом растянуто, при М < О сжато) ;

! Рис.1. Смещение локального стационарного процесса в сплошной жидкой ! среде; х,у - положение абсолютных и переносных осей в мо-

| мент -абсолютное положение переносных осей в момент /1;

1 1, 2, 3, 4 - линии тока в переносной системе в момент 5, 6, 7, 8 - ли-

ымм тпк-я я пяоеносной системе в момент Л. •

М = Мх + Му + М2 , (1)

где

мх = I *хх Му = | ^уУ ЙУ, М2 = I ¿V. (2)

олп олп олп

Сила давления, сила инерции протекающих масс и ряд других параметров определяются интегралами от локальных параметров по поверхности ОЛП. Процессы, для которых можно выделить достаточно большую ОЛП, такую, чтобы указанные интегралы по поверхности имели практически нулевые значения считаются нами сильно локализованными. Таким образом, при надлежащем выборе ОЛП сильно локализованные процессы не взаимодействуют со сплошной среды вне ее.

Для слабо локализованных процессов при произвольном расширении ОЛП хотя бы некоторые интегральные параметры, определяющие взаимодействие ОЛП и среды, имеют пределом ненулевые значения.

Первоначально рассматриваются сильно локализованные процессы. Сделаны следующие исходные допущения.

1. Среда однородна, баротропна, бесконечна, в целом неподвижна.

2. Все силы, кроме сил давления и сил инерции протекающих масс, считаются сторонними. За пределами ОЛП сторонняя сила отсутствует .

3. Положение ОЛП в сплошной среде может изменяться со временем, т.е. локал как единое целое может смещаться относительно среды. Скорость движения локала относительно среды постоянна. В системе координат, связанной с ОЛП, поля всех физических величин неизменны во времени.

4. Изменения давления и плотности при прохождении локального процесса малы по сравнению с их значениями в неподвижной среде

Рдн Р " Ро< 1РД1 « Ре.

Рд = Р - Ро . I Рд I < Ро -

. (3)

Неравенства (3) выполняются, в частности, для процессов в атмосфере.

5. Процессы баротропны, для них малые изменения давления и плотности связаны линейно:

Рд = РдС2, (4)

где с - скорость звука в среде.

Рассмотрен интегральный скалярный момент силы, имеющей потенциал Г = - дгас! и, причем вне ОЛП потенциал и = О. Применительно к силе давления потенциалом является разностное давление

Рд= Р - Ро

Показано, что для этой силы

мх = му = м2 = 1и; м = 31„; 1и = | и ау. (£

олп

В частности, для силы давления

Мх = Му = М2 = Р: Мр = ЗР. (С

Во второй главе автором получены следующие уравнения £ взаимозависимостей интегральных параметров сильно локализован!! процессов.

1. Уравнение линейной связи интегральных разностных давлс ния и массы:

Р = т с2 . (7

Д Д

2. Уравнение движения, т.е. следующая зависимость между количеством движения, разностной массой и скоростью локала:

К = т . (8

При отрицательной разностной массе т < 0 скорость локала

его количество движения антипаралельны.

3. Уравнение силового равновесия локала как единого цело по оси х (по направлению движения локала в сплошной среде):

Рд + «ох + 2ЕЦХ - 2ЕТ = 0. (9

Здесь Ет = (0)/2 - кинетическая энергия эквивалентног

твердого тела, имеющего такие же массу и скорость, как лока Полной аналгии нет, так как Ет < 0 при т <0.

4. Уравнения силового равновесия локала как целого по ос у и г, ортогональным направлению движения лохала:

Рд + Мсу + 2Еку = 0, (1

Рд + Мс2 + 2ЕКг = 0. (1

Уравнения равновесия по осям х, у, г могут быть написаны нескольких эквивалентных формах, учитывая (5,6).

5. Глобальное уравнение силового равновесия локала как цел го, полученное суммированием (9, 10, 11):

ЗРД + Мс + 2Ек - 2ЕТ = 0. (1

Глобальное уравнение равновесия - наиболее общее равенств включающее в себя интегральные силовые, динамические и энергет ческие параметры локала.

В зависимости от соотношений или величины параметров, входящих в глобальное уравнение равновесия и уравнения равновесия по координатам, проведена классификация локальных процессов.

1. Неподвижный процесс, скорость смещения которого v(D) = О.

2. Статический процесс. Вещество неподвижно Ekx=Eky=Ekz = О.

3. Статический процесс по одной из осей характеризуется

выполнением одного из равенств Екх = О, Еку = О, Ekz=0.

3.1. Продольный процесс, для которого энергия движения вещества в поперечном направлении меньше, чем в продольном

Ekx * Eky + EKz =

3.2. Поперечный процесс, для которого энергия движения в поперечном направлении больше, чем в продольном

Ekx < Еку + Ekz •

4. Квазиидеальный процесс. Процесс считается квазиидеальньм,

если скалярный момент сторонней силы Мс=0, хотя fc= О может не выполняться.

4.1. Квазиидеальный процесс по одной оси (например у, тогда Мсу = О) или двум осям (например у и z, тогда Мсу = О, Hcz = О).

5. Плоский (или двумерный) процесс. Этот процесс интерпретируется как процесс на плоскости или пространственный процесс с постоянными при изменении одной из координат (обычно z) параметрами. Для этого процесса vz=0 всюду. Для плоского процесса Ekz =0 и уравнение равновесия по оси z считается автоматически выполненным MpZ + Мс2 =0. Глобальное уравнение равновесия для этого процесса получается сложением двух равенств (9,10):

2Рд + Мс + 2Ек - 2ЕТ = 0. (13)

Пример 1. Неподвижный плоский вихревой локал в несжимаемой жидкости. Этот локал характеризуется скоростью жидкости, зависящей от удаления от центральной точки v = v(r). При г > R0 (R0 -радиус области, охваченной процессом) v(r) = 0. Глобальное уравнение равновесия для этого локала трансформируется в формулу

Ек = - т.с2 . (14)

к Д

Пример 2. Неподвижный вихревой трехмерный локал в виде кольца в несжимаемой жидкости. Такие локалы наблюдаются в воздухе (пускание колец дыма курильщиком). Предполагается, что воздух движется только внутри кольца, а вне его неподвижен. Каждая точка внутри кольца имеет составляющую скорости ветра v8, направленную по кольцу, и vr по малому кругу.

Из уравнений равновесия следует соотношение для средних энергий продольного (вдоль кольца) ekR и поперечного ветра еКг :

2ekR = ekr• (15>

и соотношение между среднеквадратическими значениями продольной и

поперечной скоростей ветра:

1 ~ = - укг •

Формулы (15, 16) могут служить в качестве оценки равнов произвольной струи. Когда продольная скорость меньше, чем в (

то струя склонна к выпрямлению, а если больше, то к увелич изгиба.

При дальнейшем рассмотрении исходное предположение 4 гла расширено и заменено предположением квазистационарности.

Для квазистационарного локального процесса получены ура ние движения, уравнения силового равновесия по осям и глобал уравнение силового равновесия локала как целого:

К = Шд У(й), (1

рд+ мсх + 2Екх - 2ЕХ = О, Рд+ Мсу + 2Еку = О, Рд+ Мс2 + 2Ек2

Рд+ Мс + 2Ек - 2ЕТ = О.

Некоторые интегральные параметры представлены в этих фо лах усредненными значениями.

В третьей главе рассмотрена динамика локального термодии ческого процесса под влиянием поля скоростей вещества и поля совой силы в подвижной среде. Предполагается, что силы, вызы ные этими полями, меньше чем сторонние силы, действующие вн локала и определяющие его силовое равновесие. Поэтому локал должает существовать как единое целое.

Сделаны допущения: малой интенсивности полей в сплошной де в целом сравнительно с ОПЛ, автомодельности локала, локаль ти сторонней силы.

Введены в рассмотрение автомодельные характеристики:

1. Отношение количеств движения ядра и области обтекания пк=Кя/Коб. Когда разностная плотность вещества в ОЛП близка к левой (что характерно для атмосферных процессов), выполня приближенное равенство Кя ~ -К0 6 и соответственно пк к - 1.

2. Коэффициент, характеризующий распределение сопутству силы давления между ядром и областью обтекания, если внешняя прилагается только к ядру: Пр = Гр Я/Рр 0б >0.

Движущееся в сплошной жидкой среде тело (самолет, кора рыба) может интерпретироваться как ядро локала. Для этих тел, правило, пр < 1 и роль живой природы или конструктора заключа в максимальном уменьшении этого коэффицента.

3. Коэффициент пг = (1 + пк )/(пк - пр) определяет зав мость суммарной силы, фактически действующей на локал, от пр женной к ядру внешней силы Г = п{ Рвк . В естественнонаучных п ложениях важен случай альтернативности суммарной и внешней с

р = ~ рвн ' пг = *

Принято, что при ускоренном движении локала все три коэ циента: пк , пр , пг остаются неизменными.

При расчете динамики локала уравнение Эйлера в форме Гр

ка-Лэмба взято за основу и получено уравнение, характеризующее силовое равновесие ОЛП в цело«:

dK(D) - --

F(D) = - = K(D) " rot v0 + nf g m . (18)

dt A

Таким образом, действующая на локал сила F(D) является суммой двух сил. Одна из них - это векторное произведение количества движения локала K(D) на ротор невозмущенной скорости среды rot v0= = Q. Другая сила равна произведению автомодельной характеристики локала nf, плотности массовой силы в месте его расположения g и разностной массы локала. Величина rot v0 характеризует завихренность среды.

После деления на m , равенство (18) принимает вид А

dv(D) - --

- = v(D) " rot v0 + nf g. (19)

Ускорение локала зависит от его скорости v(D), плотности массовой силы g и автомодельной характеристики локала nf. При и^

> 0, nf < 0 ускорение локала коитрпараллельно плотности массовой силы.

Пример. Жидкость вращается против часовой стрелки (взгляд "сверху") вокруг оси z как твердое тело (рис. 2), соответственно rot v0 = 20) = const.

При произвольном движении локала в плоскости хоу ускорение направленно вправо от его скорости. В соответствии с (19) величина ускорения равняется

dv(D)

- = 2v(D) ~ Ш. (20)

Этот результат в точности соответствует формуле для ускорения Кориолиса во вращающемся пространстве. Исходя из этого примера, можно интерпретировать ротор скорости как вращение пространства для локала.

Далее в главе 3 проведена аналогия между движением локального процесса в сплошной жидкой среде и движением заряженной частицы в электромагнитном поле. Для этого выбран пример локала, автомодельная характеристика которого равна nf = - 1.

Сопоставлены вихрь невозмущенной скорости Q = rot v0 в сплошной жидкой среде и напряженность магнитного поля В, плотность

Рис. 2. Движение локала во вращающейся жидкости. Отклонение вправо при вращении против часовой стрел стрелки.

массовой силы д и напряженность электрического поля с обратным

знаком - Е, разностная масса m и заряд q

rot v0 -» В, g - Е, v(D) v, m, -» q (21)

В новых обозначениях основное уравнение динамики локала имеет форму закона Лоренца при воздействии электромагнитного поля на движущийся заряд q в свободном пространстве:

F = q (Е + v " В)

(22)

Показано, что

— rot v = rot g,

(23)

С учетом обозначений (21) формула (23) переходит в закон Фа-радея для электромагнитной индукции

5в

rot Е = -

5t"

(24)

Выполняя операцию div над обеими частями равенства Q = rot v0 , получаем div Q = О. с учетом эквивалентности Q и В полученное

выше равенство соответствует формулировке третьего уравнения Максвелла:

div в = О.

Получено следующее уравнение:

5v02 - „---6д

—у = с* Vе v0 + сГ rot rot v0 + — Ot ot

После преобразований и замен оно принимает форму

--- 1 5е

rot В + [ ] v0 = — —,

(25)

(26)

(27)

п? - 1 52v0 где П Vo =V2 Vo

оператор Даламбера от скорости v0 .

Формула (27) отличается от четвертого уравнения Максвелла только дополнительным слагаемым в левой части: даламберианом невозмущенной скорости.

В четвертой главе рассмотрены мощные локальные термодинамические процессы в атмосфере - одна из возможных областей применения полученных общих теоретических результатов по процессам в сплошной жидкой среде, в рамках бароклинной модели дополнительно учтена неоднородность атмосферы по влажности, водности, фазовому

составу. Показано, что уравнения равновесия движущегося квазис ционарного атмосферного процесса имеют форму общих уравнений р новесия для локала, причем роль сторонней силы играет сила тяж ти.

Рассмотрены два мезомасштабных термодинамических локаль процесса: восходящая струя грозо-градового процесса и всплываю воздушный пузырь (термик). Эти процессы интерпретированы нами слабо локализованные.

Показано, что уравнения равновесия стационарного атмосфер го процесса, движущегося в горизонтальном направлении

со скоростью = - уп, имеют следующий вид:

Рд + 2Екх = 0, (28

Рд + 2Еку = 0, (29

Рд + Мт + 2Ек2 = О. (30

Здесь х - направление движения процесса относительно атмосферы целом; 7. - вертикальная ось; Мт - скалярный момент силы тяжест!

Для макропроцессов (ураган) вертикальная скорость ветра I щественно меньше горизонтальной и член Ек2 = 0 может быть иск. чен. Уравнение (30) записывается в виде Рд+ Мт = 0.

Для этих процессов система трех уравнений (28, 29, 30) р; деляется на систему двух уравнений динамического равновесия (; 29) и отдельное уравнение статистического равновесия по вертик; (30). Считая уравнение (30) выполняющимися автоматически, но перейти к двумерности.

Для двумерных процессов удобно рассматривать энергию проц< са по горизонтали в целом:

Екг = ЕКх + ЕКу •

Суммируя уравнения (28, 29), получаем глобальное динамит кое уравнение равновесия:

Рд + Екг = 0. (31

Для макромасштабных процессов энергия Екг = Ек , так как Ек2 =

Таким образом, для макромасштабных процессов уравнение (31) им( вид

Р + Ек = 0. (32]

Учитывая (7),

Ек = - и. с2 .

к Д

Здесь ш - дефицит массы воздуха в ОЛП процесса по отношению к

возмущенной атмосфере; Ек - суммарная энергия ветра в процессе, Далее рассмотрены термодинамические характеристики ст восходящего воздушного потока мощного мезомасштабного грозо-г дового процесса. Вследствие разности давлений в свободной атм

фере и в струе, воздух вытекает в нижнюю часть струи и выбрасывается из верхней, в средней части струи вток воздуха мал благодаря компенсации разности ветра.

В произвольном горизонтальном сечении вертикальной воздушной струи выделена центральная зона, где движение воздуха преимущественно вертикально (рис. 3). Центральная зона окружена зоной преимущественно горизонтального ветра. Показано, что горизонтальное равновесие струи характеризуется балансом (32) интегральной разности давлений и интегральной энергии горизнтальной составляющей ветра в ее произвольном сечении. Среднее по сечению разностное давление непосредственно связано со среднеквадратической скоростью горизонтального ветра

- Рд(Н) = р ^г/2.

Далее"показано, что среднее разностное давление на высоте Н связано с расчетной разность» температур в струе и окружающей атмосфере Атр (Т0=273°С, д=9,8 м/с2, р - средняя плотность воздуха между максимальной высотой струи Н^х и Н).

Рд(Н) Щ д

"■»* Дт.

д —сШ.

1 т„

Как следует из этой зависимости, в зосходящей воздушной струе имеются области более теплого и более холодного воздуха, чем воздух окружающей атмосферы на той же высоте. Наиболее характерно распределение этих областей, когда на средних высотах воздух воздушной струи теплее окружающего, а на верхних и нижних холоднее. Отсюда становится понятной большая высота грозо-градовых облаков (11-14 км), существенно превышающая уровень равенства температур воздуха внутри и вне струи (уровень конвекции), бывающий обычно на высотах 7-9 км.

Показано, что при втоке воздуха в нижнюю часть струи скорости горизонтального и вертикального ветра связаны неравенством

а при вытекании воздуха вверху уг < Усредненной оценкой отношения горизонтальной и вертикальной

скорости в струе в целом является уг/мг=

Далее рассмотрена динамика одиночной грозо-градовой ячейки зоны в атмосфере со сдвигом ветра. Показано, что величины продольной (по ведущему потоку) и поперечной составляющих скорости грозо-градовой ячейки зависят от циркуляции скорости ветра и вто-ка в нижней части струи, а также скорости ветра в невозмущенной атмосфере на высотах преимущественного вращения и втока. в соответствии с полученными зависимостями, двигаясь по потоку, гро-зо-градовое облако смещается вправо (при вращении воздушной массы против часовой стрелки). При увеличении циркуляции сравнительно с втоком, что, как известно, характерно для мощного облака, его движение по ведущему потоку замедляется, а поперечная скорость

ь,

Нтах Н2

'ср

Нвип

Н2

Н1 ■На

н/

Те Ре Ре

Т1 - Те зона растекания Р1 - Ре

вертикальный 'ветер

средняя зона

Т! Р1 Р1

Те Ре Ре

горизонтальный ветер

зона втока

зона под струей

ипш/пшишииитшиишит.

Рис. 3 . Схематическое разделение воздушных потоков при высотном формировании восходящей струи.

увеличивается. Поперечная скорость особо мощных гроэо-градовых облаков может приближаться к продольной, а угол между направлением движения и направлением ведущего потока может в этом случае достигать 45°.

Этот результат подтверждается экспериментальными данными. Известно, что с увеличением мощности грозо-градового процесса отклонение от ведущего потока увеличивается. Наибольшие углы отклонения отмечаются у наиболее мощных суперячейковых градовых процессов .

Далее рассмотрена трехмерная идеализированная модель движения воздушного пузыря (терника), воздух которого теплее, чем в окружающей атмосфере и поэтому он двигается вверх. Сам пузырь принят за ядро локального процесса шарообразной формы. Вовлечение и смешивание воздуха пузыря и окружающей атмосферы не учитывается. Процесс всплывания пузыря сопровождается компенсационным движением соседних слоев атмосферы вниз и внутренним движением воздуха внутри пузыря. Таким образом, воздух пузыря участвует одновременно в двух движениях: поступательном вверх и вращательном внутри ядра. Это внутреннее вращательное движение воздуха в пузыре оказывает противодействие силам, стремящимся его деформировать .

Как известно, энергия жидкости в области обтекания шара равна половине его энергии Е как целого при плотности, равной плотности жидкости, а присоединенная масса - половине массы шара. Нами показано, что энергия внутри пузыря лежит в пределах (0,7 -0,9) Е. Из этого следует, что полная энергия процесса всплывания пузыря оказывается в 2,2 + 2,4 раза превосходит Е. Присоединенная масса равняется 1,2 - 1,4 собственной массы пузыря.

Как следует из изложенного, большая величина присоединенной массы заметно уменьшает величину ускорения первоначального воздушного пузыря. Этот факт поясняет то обстоятельство, что ранее вычисленные скорости (до 30 + 50 м/с по формуле Экслера) всплывания термиков никогда не измерялись на практике.

В пятой главе модель локального термодинамического атмосферного процесса с заданными параметрами (локальная метеоцель) использована нами как опорная единица для сравнения истинных и наблюдаемых данных при решении статистических задач, связанных с метеорадиолокацией .

При решении задачи оптимизации радиолокационного обнаружения цели применен известный метод: вычисление логарифма отношения правдоподобия 1п Х(^) = 1п (М(3/Ь0 )), т.е. отношения плотностей вероятности данных на входе Э при наличии \й(3/Ь0) и отсутствии М(5) цели в произвольный момент времени ^ и последующее сравнение с порогом, который зависит от соотношения стоимостей пропуска цели и ложной тревоги.

Первоначально рассмотрено оптимальное обнаружение известной локальной метеоцели (ЛЦ) на фоне белого шума (БШ) при одном периоде зондирования. Показано, что в этом случае

mX(t0) =— f B(t!) [mod fstto+tj+t) s3 - codT^dt!, (:

w02 J

где W0/2 - спектральная мощность белого шума, B(t) - завис мость удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) метеоцели дальности (во временном масштабе t=2r/c, с - скорость светг S(t) - принятый сигнал на входе приемника в аналитической форь S3'(t) - сопряженный зондирующий сигнал, бесконечные пределы у тегрирования не указаны.

При реализации вычисления отношения правдоподобия синтезир вана структура радиолокационного приемника. Этот приемник включ ет в себя сопряженный с зондирующим сигналом радиофильтр с пер ходной функцией й(Т) = S3'(-T), детектор огибающей, квадратичн устройство, видеофильтр (интегратор) с переходной функцией Hg ( = B(-t') и пороговое устройство.

Далее рассмотрено оптимальное обнаружение ЛЦ при сигна многих периодов зондирования, поступающем на вход радиолокацио ного приемника при вращении антенны.. Помимо БШ учтено мешающ воздействие сигналов, отраженных от местных предметов (МП) (го зданий и т.п.). Использовано отличие статистических характерист сигналов метеоцелей и местных предметов.

Применен метод максимального правдоподобия. Показано, ч оптимальная система обнаружения ЛЦ (рис. 4) на фоне совместно мешающего действия местных предметов и белого шума включает в с бя последовательно установленные радиофильтры, осуществляющие в< совое суммирование принятого сигнала по дальности и по уг л; квадратичное устройство, интеграторы по дальности и по углу и m роговое устройство. Для фильтров по дальности и по углу получе! оптимальные амплитудно-частотные характеристики. Фильтр по дал] ности является полоснопропускающим, его реализация ке вызыва< осложнений. Фильтр по углу должен обеспечивать весовое суммиров; ние данных многих периодов зондирования при фиксированной дал: ности и может быть реализован на базе цифровой техники.

В шестой главе произведена оценка эффективности метеоради« локатора при измерении размеров и УЭПР метеоцели. Использова! известный критерий качества: отношение сигнал/шум на выходе си< темы.

Первоначально рассмотрен один период зондирования. Показан« что математическое ожидание сигнала локальной метеоцели на выхо; системы обработки равняется

={sm Buxft)} = Ij B(t-l-T) hB(T) S3p2(l) fit dl.

(3'

где S3p(t) = - зондирующий сигнал на выходе радиофильтра радиоле кационного приемника, hB(Т) - переходная функция видеофильтра, B(t) - зависимость УЭПР метеоцели от дальности.

Мощность шума равна сумме трех слагаемых

P(t) = Pj(t) + P2(t) + P3(t), обусловленных наличием на входе системы шума (Pj), статистически

фильтр по углу

линия задержки радиосигналов (К-3)Т0в | (К-2)Трб | (К-1)Тоб|гКТоб \ (К4-1)Тов[ (К+2)Т^

Умножители Ну

Н-2

Н-1

Но Н1

Н2

сумматор

Детектор огибающем

Квадратичное устройство

Интегратор по дальности Ве-(Ь)

интегратор по углу

Умножители Ву

линия задержки радиосигналов

(К-З)Тое (К-2)Т06 ,(К-1)Той,КТ06 г(К+1)Т0б ,(К+2)Той 1

В-2 В-1 Во В1 В2

сумматор

порог пороговое устройство выход

Рис. 4. Структура оптимальной системы обнаружения метеоцели на фоне белого шума и местных предметов.

ми свойствами ЛЦ, приводящими к возникновению так называемого метеошума (Р2), и взаимодействием сигнала ЛЦ и БШ в квадратичном устройстве, вызывающим появление комбинационного шума (Р3).

Метеошум и комбинационный шум не являются мешающими факторами при обнаружении метеоцели, так как определяют только колебания сигнала метеоцели около среднего значения.

Поэтому в знаменателе отношения сигнал/шум при обнаружении только мощность собственно шума:

т овн1Ъ> ~ о

Показано, что для известной метеоцели максимум т206н достигается при длительности переходной функции радиофильтра, равной длительности зондирующего сигнала Т3 =Тр.

Показано, что- для протяженной ЛЦ (Т„>ТВ) величина отношения сигнал/шум

»2обн = :----(35)

Ж Р„г Т„ X

Ы ^B ^3

2\/~2

(И0/2)2

увеличивается с увеличением времени интегрирования Тв и увеличением длительности зондирующего сигнала Т3.

При измерении УЭПР метеоцели предполагается, что обнаружение уже выполнено с высокой степенью достоверности, т.е., что отношение (35) велико. При этом условии главной помехой при измерении УЭПР ЛЦ становится метеошум, а мощность собственно шума и комбинационного шума будет сравнительно маша. Поэтому отношение сигнал/шум при измерении параметров равно:

_2 _ ^ вих > из"" '

Показано, что для протяженной ЛЦ ("С„>ТВ):

т из* = —• (36)

Улучшение отношения сигнал/шум при измерении достигается при укорочении зондирующего сигнала, а не при его расширении, как в случае обнаружения. Поэтому на практике длительность зондирующего сигнала должна выбираться из компромиссных соображений.

Заключительные формулы для отношений сигнал/шум при осреднении по углу имеют вид:

п2Изы = П1П2- (37)

п1пгк2/г

т ООН = --(38)

(/я

Принято, что угловой размер протяженной ЛЦ существенно больше ширины диаграммы направленности антенны по мощности 8, угол осреднения У=п, ШТоб (п4 - число суммируемых периодов, Ш - угловая скорость антенны, Т0б - длительность периода зондирования) равен этой ширине (К=9), п2=Тв/Т3 - число "независимых" отсчетов по дальности; Тв - время осреднения интегратора по дальности, к2 -отношение сигнал/шум на входе приемника.

Показано, что при значении т20би > 4,5 и правильном выборе порога можно гарантировать практически безошибочное обнаружение и отсутствие ложной тревоги.

Пространственно-временное осреднение приводит к улучшению обнаружения и точности измерения УЭПР протяженной метеоцели. На практике используются системы с большими параметрами осреднения П!>1 и п2>1. Для таких систем значения т20вн>1 достигаются уже при значениях отношения сигнал/шум на входе, меньших единицы (к < 1), и становится возможным так называемое подпороговое обнаружение. В известных метеорадиолокационных комплексах параметры осреднения имеют типовые значения п1=4^10, п2 = 8 * 48, при которых выигрыш в улучшении отношения сигнал/шум составляет не менее 25 раз. Это в принципе позволяет во столько же раз уменьшить мощность передатчика после установки системы осреднения. Однако практическая реализация "подпорогового" обнаружения встречает определенные трудности из-за необходимости обеспечения повышенной стабильности и точности аппаратуры.

Разрешающая способность характеризует минимальное расстояние между раздельно воспроизводимыми целями. Повышение разрешающей способности приводит к улучшению точности определения местоположения цели. Рассмотрена разрешающая способность систем при отображении метеоцелей. Показано, что существуют следующие зависимости для протяженностей целей на выходе приемника:

В1 ' = V В^ + ^ Б3г + - + Ьгг , (39)

2- 2

В2 ' = / В22 + - ^е2 + Ъ2Ш2Т0б2 Ы2, (40)

где В], В! 1; В2, В2' - соответственно истинный и воспроизведенный радиальный и тангенциальный размеры метеоцели,

- длительность зондирующего сигнала, Тоб- длительность периода обзора,

Ьц - длительность переходной функции радиофильтра, Ь2 - длительность переходной функции видеоинтегратора по дальности ,

9 - ширина диаграммы направленности антенны по мощности.

N - ширина переходной функции видеоинтегратора по углу в числ осредняемых периодов зондирования, 10 - угловая скорость антенны (рад/с),

t - дальность цели во временной масштабе (t = 2г/с, с - скорост света.

Радиальный размер локальной цели на выходе системы обнаруже ния Bt 1 зависит, кроме ее действительного размера Bt , от протя женностей зондирующего импульса S3 и переходных функций высоко частотного hj и низкочастотного h2 фильтров. Тангенциальный раз мер метеоцели на выходе системы обработки В2' определяется, крон ее действительного размера В2 , расстоянием до радиолокатора t шириной диаграммы направленности антенны 8, угловой скорость вращения антенны <0 и длительностью периода зондирования Т0 6.

Следующие приближенные равенства справедливы, если вкла первых слагаемых (39, 40) в конечный результат наиболее значите лен.

Bl ' = В! + ( J S32 + i hl2 + I h^J/Bj . (41

Eg B2 + ( i t2^ + | t2C02 To62 N2)/B2 . (42

Разрешающая способность радиолокатора одинакова по двум из мерениям на некотором критическом расстоянии Црит , определяемо из (41, 42):

Чрит = / (S32 + hj2 + 2h22 )/(в2 + 2Ъ?Т06гНг). (43

Только на этом расстоянии круглые цели сохраняют свою форму хотя их размеры увеличиваются. В других случаях эти цели буду индицироваться эллиптическими. На расстоянии меньшем, чем крити ческое, эллипс будет вытянут в радиальном направлении, на больше: - в тангенциальном (рис. 5).

Для метеорадиолокатора МРЛ-5, работающего совместно с авто матизированной системой, (масштаб 100 км: S3 = 2 икс; hj = 2 икс h2 = 6,7 мкс; Тоб = 4 млс; Ш = Зб°/с = 0,58 рад/с; К = 8; 8 = 1,5° = 1/40 рад) Црит = 370 мкс -> 56 км.

На большей части наблюдаемой площади разрешающая способност системы по тангенциальной составляющей хуже, чем по радиальной.

В седьмой главе описан некогерентный метод и устройство дл обнаружения и измерения локальных зон турбулентности в облаках реализованный в автоматизированной системе на базе МРЛ-5. Получе ны экспериментальные результаты. Исследования поддерживались i финансировались концерном "Ленинец", С.-Петербург, тема "Грань".

Турбулентность в облачности характеризуется среднеквадратич ной величиной бч случайной компоненты скорости частиц, котора определяется пульсациями скорости воздушного потока.

Как показано, существует пропорциональная зависимость сред ней величины абсолютного значения череспериодной разности сигна

лов на выходе логарифмического приемника |AP(t)| и стандарта 6V

Рис. 5. Отображение формы метеоцели в зависимости от расстояния до радиолокатора.

радиальной скорости турбулентных пульсаций. Кроме этих параметров, основные характеристики метеорадара: длина волны и длительность периода входят в полученную зависимость:

= 9,2*10~3 (Х/Т) |АР(г)| (44)

где бу измеряется в м/с, X - в см, Т - мкс.

В 1991 г. на полигоне Кызбурун близ Нальчика различными прямыми и дистанционными методами были проведены наблюдения локальных зон турбулентности в облачности. В качестве прямых были использованы самолетный и ракетный метод. Самолетным методом измерение турбулентности производилось непосредственно при пролете через облако. При втором прямом методе ракета использовалась для запуска зонда. В верхней части траектории ракеты зонд отстреливался и далее спускался на парашюте. Положение зонда измерялось наземным радаром и турбулентность определялась по величине ускорения как вторая производная расстояния до зонда.

Использовались два дистанционных метода измерения турбулентности. Первый - некогерентный, при помощи метеолокационной системы, описанной выше, второй - обычный допплеровский. Для этого был задействован специальный дополнительный радар ка длине волны Х=3,2 см.

Сравнение показало хорошее количественное согласие данных, полученных тремя методами: самолетным, допплеровским и некогерентным. Величины турбулентности, полученные при помощи ракетного зонда, превышали данные трех других методов. Причина этого осталась невыясненной. Пространственное положение локальных зон турбулентности в облачности было идентичным для всех четырех методов.

Ряд очень интересных экспериментальных результатов был получен . Оказалось, что локальные зоны сильной турбулентности часто не совпадают с зонами большой УЭПР. Особенно это характерно для мощных грозо-градовых процессов. В частности, наблюдались: зона высокой УЭПР, окаймленную сильной турбулентной зоной, имеющей форму кольца; сдвиг зон высокой УЭПР турбулентности и другие более сложные случаи. Очень часто максимум турбулентности был на границе облачности при ее наблюдении на волне ^ = 3,2 'см. Вследствие малой величины УЭПР на длине волны Х2 = 1С см турбулентность оставалась вне отображаемой зоны. Исходя из этого было сделано заключение о преимуществе канала 3,2 си при наблюдении турбулентности.

Другой интересный результат - более раннее развитие турбулентности по сравнению с УЭПР. При развитии процесса локальные зоны сильной турбулентности появляются сначала на фоне относительно низкой УЭПР. Максимум УЭПР достигается с задержкой по отношению к максимуму турбулентности. В локальной зоне сначала происходит резкое уменьшение турбулентности, в то время как УЭПР еще близка к максимуму.

В седьмой главе также рассмотрены физико-статистические методы автоматизированной радиолокационной оценки эффекта воздействия при искусственном увеличении осадков в реальном времени. Применительно к работам по ИУО реальным временем следует считать.

если запаздывание оценки эффекта воздействия после внесения реагента не превышает 1-=-1,5 ч. При таком запаздывании еще может быть осуществлена коррекция маршрута находящегося в воздухе самолета, уточнен выбор объектов и методики воздействия.

Неформальный выбор объектов воздействия и невозможность рандомизации приводят к некорректности сопоставления в рамках простых моделей развития облаков-объектов воздействия и всей облачности в целом как естественного фона.

Нами сделан вывод, что для оценки эффекта воздействия в реальном масштабе времени целесообразно использовать непосредственно измеряемые радиолокационные параметры облачности. При этом не ставится задача о расчете количества дополнительных осадков за счет каждого воздействия, однако остается возможность ее решения по результатам большого количества воздействий.

ЭПР облачности увеличивается после внесения реагента и при благоприятных условиях воздействия изменение ЭПР пропорционально его количеству, хотя бы в среднем и в некотором диапазоне величин

1Г2(х,уЛ) - 1г(х,у,4) = а <Э2(х,уЛ). (45)

где 1Г2(х,у,Ь) - ЭПР облачности по высоте после воздействия в момент времени 12(х,у^) - ожидаемая ЭПР облачности по высоте при естественном развитии облачности; <22(х,у^) - удельное количество реагента в активном слое. С учетом данных прямых наблюдений допустимый временной интервал для расчетов по формуле (45) составляет 0,5-1,5 часа.

Для получения оценки наиболее целесообразно использовать дополнительное допущение о характере изменения ЭПР в естественных условиях. Выделены два возможных простых допущения.

1. Тренд ЭПР в естественных условиях отсутствует.

2. Тренд ЭПР в естественных условиях имеется и линеен.

Выбор одного из допущений может быть осуществлен на основе

экспертной оценки при радиолокационных наблюдениях.

Основные выводы

В диссертационной работе нами получены следующие основные результаты.

1. Общая модель локального процесса в сплошной жидкой среде и описание его локальных и интегральных параметров

За локальный процесс принято возмущение, т.е., изменение одного или нескольких физических параметров (давление, плотность, скорость и др.) в некоторой области - области локализации процесса (ОЛП) на фоне невозмущенной среды в целом. Локальная интенсивность процесса характеризуется величиной возмущения, т.е., разностями этих параметров в выбранной точке и на большом удалении от ОЛП (разностными параметрами). При постепенном уменьшении интенсивности процесса с увеличением расстояния границы ОЛП выделяются условно, таким образом, чтобы локальная интенсивность процесса в произвольной точке вне ОЛП была близка нулевой.

Введены интегральные параметры, характеризующие процесс как единое целое. Ряд этих параметров определяется интегралами по

объепу ОЛП от локальных параметров: разностной плотности, разностного давления, скорости и др. Среди них введенный нами интегральный скалярный момент силы, который характеризует общее растянутое или сжатое состояние вещества в ОЛП.

Ряд интегралов от локальных параметров по поверхности 0ЛГ (например, общая сила давления) определяют взаимодействие ОЛП I ее принятых границах и среды в целом. Процессы считаются сильнс локализованными. если можно выделить достаточно большую ОЛП, такую, чтобы имели практически нулевые значения параметры, определяющие взаимодействие этой ОЛП и среды. Сильно локализованные процессы не взаимодействуют со сплошной средой в целом. Для слабс локализованных процессов некоторые интегральные параметры, определяющие взаимодействие ОЛП и среды в целок, имеют пределом некулевые значения при произвольном расширении ОЛП.

2. Исследование движения и силового равновесия баротропныу стационарных сильно локализованных процессов

Показано, что существуют взаимозависимости интегральных параметров :

- равенство интегрального скалярного момента силы давления трем величинам интегрального разностного давления;

- уравнение линейной связи интегральных разностных давления и массы;

- уравнение движения, т.е. зависимость между количеством движения, разностной массой и скоростью локала;

- уравнение силового равновесия локала как единого целого по оси, соответствующей направлению движения локала в сплошной среде, в которое входят перечисленные выше интегральные параметры;

- уравнение силового равновесия локала как единого целого по ортогональным осям к направлению движения локала;

- глобальное уравнение силового равновесия локала как единого целого;

Глобальное уравнение равновесия - наиболее общее равенство, включающее в себя интегральные силовые, динамические и энергетические параметры локала.

Показано, что для квазистационарных процессов указанные выше зависимости сохраняют свою форму, но некоторые интегральные параметры представляются усредненными по времени значениями.

3. Общая классификация локальных процессов

Классификация выполнена в зависимости от соотношений или величины параметров, входящих в глобальное уравнение равновесия, уравнения равновесия по координатам и уравнение движения:

- статический процесс (давление и плотность б ОЛП отличается от этих параметров на большом удалении, вещество всюду неподвижно);

- статический процесс по одной из осей;

- неподвижный процесс (ОЛП неподвижна в сплошной среде в целом) ;

- продольный процесс (движение вещества в ОЛП происходит вдоль направления смещения локала в сплошной жидкой среде);

- поперечный процесс (движение вещества в ОЛП происходит в основном ортогонально направления смещения локала в сплошной жидкой среде);

- квазиидеальный процесс (интегральный скалярный момент сторонней силы равен нулю);

- квазиидеальный процесс по одной оси;

- плоский (или двумерный) процесс.

Эта классификация использована при рассмотрении реальных процессов.

4. Динамика слабо локализованного процесса

Получено уравнение динамики локального процесса для силы, действующей ка ОЛП, в полях кассовой силы и скоростей вещества в среде в целом. Указанная сила имеет две составляющие. Одна - векторное произведение количества движения локала на ротор невозмущенной скорости среды в ОЛП. Другая равна произведению одной из автомодельных характеристик локала, плотности массовой силы в месте его расположения и разностной массы локала. Из основного уравнения следует, что при отсутствии массовой силы в завихренной среде на движущийся локал действует сила, направленная ортогонально его скорости.

Выявлена аналогия между движением локального процесса в сплошной жидкой среде и движением" заряженной частицы в электромагнитном поле. Эта аналогия позволяют использовать существующие представления и математический аппарат электромагнитной теории при расчете силового взаимодействия между средой в целом и лока-лом.

5. Общая структура и взаимозависимости усредненных параметров восходящей воздушной струи гоозо-градового облака

Восходящая воздушная струя грозо-градового облака интерпретирована как слабо локализованный термодинамический процесс в атмосфере. Учтены сдвиг ветра, изменение давления с высотой и стратификация атмосферы по температуре.

Показано, что уравнения равновесия движущегося квазистационарного атмосферного процесса имеют форму общих уравнений равновесия для локала, причем роль сторонней силы играет сила тяжести.

Из этих уравнений получен ряд следствий для взаимозависимостей параметров. Среднее по сечению разностное давление в восходящей воздушной струе связано со среднеквадратической скоростью горизонтального ветра. В свою очередь, разностное давление определяется расчетной разностью температур в струе и окружающей атмосфере. В нижней и верхней частях восходящей воздушной струи воздух холоднее, чем в окружающей атмосфере, а в средней - теплее. Усредненной оценкой отношения горизонтальной и вертикальной скоростей

ветра в струе в целом является уг у2.

Исходя из основного уравнения динамики локала, исследовано горизонтальное движение воздушной струи при сдвиге ветра в атмосфере. Показано, что продольная и поперечная скорости восходящей струи по отношению к ведущему потоку определяются соотношением втока и циркуляции скорости в ее нижней части. При этом большая величина циркуляции приводит к замедлению движения грозо-градового облака по ведущему потоку и его отклонению вправо при вращении воздуха в струе против часовой стрелки (т.е. в циклональном нап-

равлении для Северного полушария).

Полученные теоретические выводы подтверждены опубликованным! данными наблюдений.

6. Трехмерная идеализированная модель воздушного пузыр: (териика ^ в атмосфере

Непосредственно термик принят за ядро локального процесса, имеющее шарообразную форму. Трение, вовлечение и смешивание воздуха пузыря и окружающей атмосферы не учитывается. Процесс всплы-вания пузыря сопровождается компенсационным движением соседни: слоев атмосферы вниз и внутренним движением воздуха внутри пузыря. Таким образом, воздух пузыря участвует одновременно в дву> движениях: поступательном вверх и вращательном внутри ядра.

Известно, что энергия жидкости в области обтекания равна половине энергии шара Е как целого при его плотности, равной плотности жидкости, а присоединенная масса - половине массы шара. Е работе показано, что энергия ветра внутри пузыря лежит в предела* (0,7-0,9)Е и, таким образом, полная энергия процесса всплывания пузыря в 2,2 2,4 раза превосходит Е. Присоединенная масса равняется 1,2 - 1,4 собственной массы пузыря. Большая величина присоединенной массы заметно уменьшает величину ускорения воздушного пузыря. Этот факт поясняет то обстоятельство, что ранее вычисленные скорости всплывания термиков (до 30 50 м/с по формуле Экс-лера) никогда не измерялись на практике.

7. Оптимизация структуры, параметров и статистическая оценка достоверности. точности и разрешающей способности нетеорадара при обнаружении и измерении параметров локальной метеоцели (Л1Л

Показано, что при одном периоде зондирования радиолокационный приемник, обеспечивающий оптимальное обнаружение ка фоне белого шума слабой локальной метеоцели заранее известных размеров, включает в себя сопряженный с зондирующим сигналом радиофильтр, детектор огибающей, квадратичное устройство, видеофильтр и пороговое устройство.

При синтезе методов и систем для выделения метеоцели на фоне шума и мешающих отражений от местных предметов (гор, зданий и т.п.) использовано отличие статистических характеристик соответствующих сигналов. Показано, что оптимальная система обнаружения при многих периодах зондирования включает в себя последовательно установленные фильтры по дальности и по углу, квадратичное устройство, интеграторы по дальности и по углу и пороговое устройство. Оптимальный фильтр по дальности имеет полосу пропускания специальной формы, которая несколько шире спектра зондирующего импульса. Оптимальный фильтр по углу обеспечивает весовое суммирование данных многих периодов зондирования в каждом подинтервале дальности и может быть реализован посредством гребенчатого фильтра.

8. Оценка эффективности метеорадара по отношению сигнал/шум на выходе приемного устройства при измерении удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) локальной метеоцели

Показано, что мощность шума на выходе приемного устройства равна сумме трех слагаемых, обусловленных: наличием на входе сис темы шума; статистическими свойствами метеоцели, приводящими к возникновению метеошума, и взаимодействием сигнала метеоцели и

шума в квадратичном устройстве, вызывающем появление комбинационного шума.

Показано, что для протяженной метеоцели величина отношения сигнал/шум при обнаружении увеличивается с увеличением времени интегрирования и увеличением длительности зондирующего сигнала. В то же время улучшение отношения сигнал/шум при измерении достигается при укорочении зондирующего сигнала. На практике длительность зондирующего сигнала должна выбираться из компромиссных соображений .

Рассчитаны достоверность обнаружения и точность измерения УЭПР протяженной метеоцели при увеличении числа осредняемых периодов и времени интегрирования. В известных метеорадиолокационных комплексах Еыигрыш в улучшении отношения сигнал/шум составляет потенциально не менее 25 раз. Показано, что осреднение делает возможным подпороговое обнаружение, т.е., если даже мощность сигнала ЛЦ меньше мощности шума.

9. Разрешающая способность метеорадара

Показано, что разрешающая способность метеорадара в радиальном направлении не зависит от расстояния до радара и определяется протяженностями зондирующего импульса и переходных функций высокочастотного и низкочастотного фильтров приемника. В тангенциальном направлении разрешающая способность зависит от расстояния до радиолокатора, ширины диаграммы направленности антенны, угловой скорости антенны и длительности периода зондирования.

Введено понятие критического расстояния, на котором разрешающая способность одинакова по двум измерениям и круглые локальные матеоцели сохраняют свою форму, хотя их размеры увеличиваются. В других случаях эти цели будут индицироваться эллиптическими. На расстоянии меньшем, чем критическое, эллипс будет вытянут в радиальном направлении, на большем - в тангенциальном.

10. Обнаружение и измерение турбулентности в облачности

Показано, что на выходе некогерентного метеорадиолокационного приемника с логарифмической амплитудной характеристикой средняя величина .абсолютного значения череспериодной разности сигналов пропорциональна стандарту радиальной скорости турбулентных пульсаций. Это обстоятельство использовано при разработке предложенного метода и устройства для измерения турбулентности посредством некогерентного радара.

Произведены натурные измерения с использованием указанных метода и устройства, которые показали, что положение локальных зон сильной турбулентности часто не совпадает с положением зон большой эффективной площади рассеяния. Особенно это характерно для мощных локальных мезомасштабных процессов. Очень часто максимум турбулентности бывает на границе облачности при ее наблюдении на волне 3,2 см и вне отображаемой зоны на длине волны 10 см. Исходя из этого, сделано заключение о преимуществе канала 3,2 см при наблюдении турбулентности.

11. Отображение и оценка эффекта при воздействии на облачность с целью искусственного увеличения осадков

Показано, что для оценки эффекта воздействия в реальном масштабе времени целесообразно использовать величины изменений непосредственно измеряемых радиолокационных параметров таких, как

УЭПР, высота и площадь облачных зон. При этом некорректно ставя задачу оценки по радарным данным количества дополнительных оса ков при единичном воздействии, однако остается возможность ее р шения по результатам большого количества опытов.

Основные публикации по теме диссертации

1. Некоторые возможности радиолокационного обнаружения рас ределенной множественной цели на фоне местных предметов и беле шума. - Труды ВГИ, 1982, вып. 48. Соавтор - Абшаев M.T.

2. Аппаратура первичной обработки сигналов применительно задаче градозащиты. Тезисы докладов 6-го Всесоюзного совещания радиометеорологии, Таллинн, 1982. Соавторы - Абшаев М.Т., Кап танников A.B.

3. Селекция радиоэха нетеообъектов с подавлением мешающ отражений от местных предметов. - Тезисы дохладов б-го Всесоюзн го совещания по радиометеорологии, Таллинн, 1982, с.69-70. Coa торы - Абшаев М.Т., Капитанников A.B.

4. Аппаратура первичной обработки сигналов применительно задаче градозащиты. - Тезисы докладов 6-го Всесоюзного совещан по радиометеорологии, Таллинн, 1982, с.68. Соавторы - Абша М.Т., Капитанников A.B., Тапасханов В.О.

5. Формоотображение метеоцелей при первичной обработке- си нала метеорадиолокатора// Труды ВГИ. - 1984. - Вып.55. Соавторы Абшаев М.Т., Капитанников A.B., Петрушевский В.А., Шевела Г.Ф.

6. Аппаратура первичной-обработки сигналов . - Труды VI Вс союзного совещания по радиометеорологии, 1984. Соавторы - Абша М.Т., Капитанников A.B., Тапасханов В.О.

7. Селекция радиоэха метеообъектов с подавлением местн предметов// Труды VI Всесоюз. совещания по радиометеорологии. 1984. Соавторы - Абшаев М.Т., Капитанников A.B., Тапасханов В.О

8. Двухволновый метеорадиолокатор// A.C. N 1185987

15.06.1985. Соавторы - Абшаев М.Т., Атабиев М.Д., Дадали Ю.А.

9. Двухволновый метеорадиолокатор// A.C. N 14682119

11.12.1986. Соавторы - Абшаев М.Т., Тапасханов В.О.

10. О выборе параметров метеорадиолокатора// VII Всес. конф по радиометеорологии. - Суздаль. - 1986. Соавторы - Абшаев М.Т Атабиев М.Д.

11. Обнаружение радиолокационного сигнала турбулентной цел на фоне мешающих отражений от земной поверхности// Всес. конф. статистическим методам обработки данных. - Юрмала. - 1986. Coa торы - Абшаев М.Т., Родригес О.

12. Двухволновый метеорадиолокатор// A.C. N 1417618 о

21.04.1986. Соавторы - Абшаев М.Т., Атабиев М.Д.

13. Двухволновый метеорадиолокатор// A.C. N1369526 о

22.09.1987. Соавторы - Абшаев М.Т., Атабиев М.Д., Байси Х.-М.Х., дадали Ю.А., Макитов B.C.

14. Метеорадиолокатор// A.C. N 1443617 от 04.03.1987. Соав торы - Абшаев М.Т., Атабиев М.Д., Байсиев Х.-М.Х.

15. Метеорадиолокатор// A.C. N 1540505 от 24.06.1987. Соав торы - Абшаев М.Т., Атабиев М.Д., Канарейкин Д.Б., Потехин В.И.

16. О выборе параметров метеорадиолокатора// Труды VII Всес

совещания по радиометеорологии. - Ленинград. - 1989. Соавторы -Абшаев М.Т., Атабиев М.Д.,

17. Трехволновый автоматизированный радиолокационный комплекс// Труды ВГИ. - 1989. - Вып. 74. Соавторы - Абшаев М.Т. , Атабиев М.Д.

18. Способ двухволновой метеорадиолокации градовых облаков// A.C. N 1661701 от 08.03.1991. Соавторы - Абшаев М.Т., Атабиев М.Д., Ваксенбург С.И., Пашкевич М-Ю.

19. Роль термического и динамического факторов в разрешении энергии неустойчивости атмосферы //Тр. ВГИ.-1990.-вып. 81.-С. 84-91. Соавторы - Бадахова Г.Х., Гораль Г.Г., «Редченко Л.М.

20. Многоканальный импульсный передатчик// АС N 34630667 / 18 - 09, 1/9 от 05.07.1982. Соавторы - Истомин B.C., Куриленко Л.М., Лисичкин Л.И.

21. Метод расчета переходной функции фильтра радиолокационного приемника, позволяющего улучшить параметры выходного сигнала. "Вопросы радиоэлектроники", 1968, вып. 4.

22. Оптимальное обнаружение объекта на фоне нормального шума сигналов от других объектов, "вопросы радиоэлектроники", 1968, вып. 8.

23. К вопросу об оптимизации фильтра радиолокационного приемника системы обнаружения множества целей. Материалы научно-технической конференции ЛЭИС, Ленинград, 1968.

24. Энергетический критерий качества системы обработки при радиолокационном обнаружении множества целей. Материалы научно-технической конференции ЛЭИС, Ленинград, 1968.

25. Принцип построения модулятора малогабаритного передающего устройства. "Вопросы специальной радиоэлектроники", 1970, вып. 3. Соавторы - Истомин B.C., ОричеВ Б.И.

26. Импульсный модулятор. АС N 1445702 от 17.03.70. Соавтор

- Истомин Б.С.

27. Устройство запуска. АС N 1417618 от 05.01.70. Соавтор -Нахамчин P.M.

28. Тиратронно-тиристорный модулятор. IV Всесоюзная конференция по лазерам и газоразрядным приборам. Тезисы докладов, 1974. Соавтор - Истомин Б.С.

29. Тиратронно-тиристорный- модулятор. Электронная техника. "Электровакуумные и газоразрядные приборы", 1975, вып. 6. Соавтор

- Истомин Б.С.

30. Оптимизация обнаружения распределенной множественной цели на фоне белого шума. - Труды ВГИ, 1981, вып. 50.

31. Разрешающая способность метеорологического радиолокатора. - Труды ВГИ, 1982, вып. 51.

32. Оптимизация радиолокационного обнаружения метеоцелей. Труды ВГИ, 1982, вып. 51.

33. Оптимизация радиолокационного обнаружения метеоцелей. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по радиометеорологии, Таллинн, 1982.

34. Эффективность метеорадиолокатора оптимальной структуры.

- Труды ВГИ, 1983, вып. 48.

35. Оптимизация системы радиолокационного обнаружения метеоцели. Тезисы докладов межведомственного всесоюзного совещания.

Минск, 1983.

36. Искажение формы метеоцелей при их радиолокационном отоб ражении. Тезисы докладов межведомственного всесоюзного совещани: Минск, 1983.

37. Оптимизация радиолокационного обнаружения турбулентно множественной цели. - Труды ВГИ, 1984, вып. 53.

38. Оптимизация радиолокационного обнаружения метеоцелей Труды VI Всесоюзного совещания по радиометеорологии, 1984.

39. О движении стационарных объектов в сплошной жидкой среде. - Труды ВГИ, 1986, вып. 63.

40. Обнаруживающая способность метеорадиолокационной системы. - Труды ВГИ, 1986, вып. 63.

41. О динамическом равновесии струи восходящего потока I грозо-градовых облаках. Конференция по физике облаков, Нальчш 1987. Соавтор - Макитов B.C.

42. Исследование характеристик обнаружения метеорадиолокатора. - Труды VII Всесоюзного совещания по радиометеорологии, Лс нинград, 1989.

43. Обнаруживающая способность метеорадиолокационной системы. Доклад на VII Всесоюзном совещании по радиометеорологии, Ле нинград, 1989.

44. О движении грозо-градового процесса в атмосфере со сдвигом ветра. - Труды ВГИ, 1990, вып. 81. Соавтор - Макитов В.,с.

45. Изменение термодинамических характеристик атмосферы прк искусственном воздействии на облачность. V Всесоюзный семинар-сс вещание по ИУО, Ставрополь, 1990.

46. Радиолокационные и прямые измерения турбулентности в облачности. Тезисы Всесоюзной конференции по методам и средства дистанционного зондирования атмосферы, Киев, 1991. Соавторы Атабиев М.Д., Капитанников А.В., Канарейкин Д.Б.

47. Разностно-амплитудный метод обнаружения и измерения турбулентности метеоцели. Тезисы Всесоюзной конференции по методам средствам дистанционного зондирования атмосферы, Киев, 1991. Сс автор - Сарычев в.А.

48. Некоторые модельные соотношения для стационарных процессов в сплошной жидкой изотермической среде. - Труды ВГИ, 1991 вып. 83.

49. Вертикальные движения облачных объемов при AB с цельс увеличения осадков. Всесоюзная конференция по AB на гидрометеоп роцессы, Нальчик, 1991. Соавтор - Экба Я.А.

50. Некогерентный радиолокационный метод, аппаратура и результаты исследований турбулентности з облачности. Всесоюзна конференция по АВ на гидрометпроцессы, Нальчик, 1991. Соавторы Атабиев М.Д., Капитанников А.В.

51. О вертикальных движениях облачных объемов при искусственном увеличении осадков. - Труды СЧ> ВГИ, вып. 1, 1993. Соавто - Экба Я.А.

52. Локальные процессы в жидкой сплошной среде и атмосфере. ACOK-пресс, Ставрополь, 1993.

53. Физико-статистичекие- методы автоматизированной радиолокационной оценки эффекта воздействия при ИУО."Обозрение приклад ной и промышленной математики", Т. 3, вып. 2, 1996. Соавторы

Бадахова Г.Х., Ватиашвили М.Р., Экба Я.А.

54. Методика работ по искусственному увеличению осадкоЕ на Северном Кавказе. Труды СФ ВГИ, вып. 1, 1993. Соавторы - Экба Я.А., Атабиев М.Д.

55. Оптимизация сети автоматизированных метеорологических радиолокационных комплексов в работах по ИРО на Северной Кавказе.

- Труды Сч> ВГИ, вып. 1, 1993. Соавторы - Экба Я.А., АтабиеЕ М.Д., Капитанников А.В., Мадаминов В.М., Янюк S.M.

56. К теории неадиабатического подъема сухого (или влажного ненасыщенного) термика при переменном показателе вовлечения. Труды СФ ВГИ, вып. 1, 1993. Соавторы - Экба Я.А., Закинян Р.Г.

57. Всплывание воздушного пузыря (термика) в атмосфере. - Инженерно-физический журнал, том 71, вып. 3, май-июнь 1998. Соавтор

- Несис Е.И.

58. Оценка физического эффекта воздействия при ИУО в Ставропольском крае. " Обозрение прикладной и промышленной математики" Сер. "Вероятность к статистика" т. 2, вып.2, 1995. Соавторы - Экба Я.А., Закинян Р.Г.

59. Dynamics of Upward Jet of Thunder Hall Processes, VI WMO Conf. on Weather Modification Paestum, Italy, 1994. WMO/TD - N 596.

60. The Artificial Enhancement of the liquid Precipitations on the North Caucasus. VI WMO Conf. on Weather Modification Paestum, Italy, 1994. WMO/TD - N 596. Co-authors - Ya.A. Ekba, G.Kh. Badakhova.

61. Incoherent Radar Method, Equipment and the Investigation results of Turbulence in Cloud. VI WMO Conf. on Weather Modification Paestum, Italy, 1994. WMO/TD - N 596. Coauthors - M.D. Ata-biev, A.V. Kapitannikov.

62. The local processes in the Continuous Liquid Medium and atmosphere. VI WMO Conf. on Weather Modification Paestum, Italy, 1994. WMO/TD - N 596.

63. Vertical Movement of Cloud Volumes at the Artificial Enhancement of Liquid Precipitation. VI WMO Conf. on Weather Modification Paestum, Italy, 1994. WMO/TD - N 596.

64. Dynamics of Upward Jet of Thunder-hail Processes, VI WKO Conf., on Weather Modification Paestum, Italy, 1994. WMO /TD - N 596.

65. Kinematics of cloud-scale local atmospheric processes. 12th International Conference on Clouds and Precipitation Proceedings - Volume 2, Zurich, 1996.

66. Dynamics of a cloud-scale vortical atmospheric process. 12th International Conference on Clouds and Precipitation Proceedings - Volume 2, Zurich, 1996.

67. Dynamics of a strong upward flow jet in atmosphere. 12th International Conference on Clouds and Precipitation Proceedings

- Volume 2, Zurich, 1996.

68. Automated radar system MRL-INFO. 12th International Conference on Clouds and Precipitation Proceedings - Volume 1, Zu-zich, 1996. Co-authors - Ya. A. Ekba, M.D. Atabiev, A.V. Kapitannikov .

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора физико-математических наук, Каплан, Лев Григорьевич, Нальчик

f J J ?

Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Высокогорный геофизический институт

На правах рукописи УДК: 532.51:551.51.511

Каплан Лев Григорьевич

Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере

11.00.09 метеорология, климатология, агрометеорология

Г*

Диссертация на соискание ученой степе, доктора физико-зуртшатичёски^ ^аук

■г íj

áPc' ' .. у

Нальчик 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕШОДИНАМШЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В СПЛОШНОЙ ЖИДКОЙ СРЕДЕ 14

ll Первоначальные допущения 14

1.2, Область D 16

1.3, Абсолютная и переносная системы координат 17

1.4, Плотность, объемная сила и потенциал силы 22

1.5, Интегральные характеристики локального процесса 24

¡о

о о ■!_- ,

M -а

КИНЕМАТИКА ЛОКАЛЬНЫК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Л, Уравнение связи разностной массы и интегрального

разностного давления ,2, Уравнение движения локального процесса

в оплошной жидкой среде ,3, Уравнение силового равновесия статического процесса

2.4, Уравнение силового равновесия локального стационарного термодинамического процесса

2.5, Классификация локальных процессов

,6, Взаимосвязи интегральных характеристик квазистационарного процесса

3, ДИНАМИКА ЛОКАЛЬНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 96

3,1, Основные допущения и определения 96

Интегральные характеристики лекала 102

Взаимодействие локала со средой 106

3.4, Характеристики локала при взаимодействии

со средой 119

3.5, Основное уравнение динамики локала 122

3.6, Динамика локального процесса 130

4, ЛОКАЛЬНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ 139

4.1, Общие положения 139

4.2, Мощная восходящая воздушная струя 151

4.3, Вертикальное движение воздушного пузыря в

атмосфере Ш2

4.4, Обсуждение полученных результатов 217

5, СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ ОПТИМАЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ МЕТЕОЦЕЛЕЙ 221

5.1, Обнаружение и измерение о точки зрения теории статистических решений 221

5.2, Статистические характеристики метеорадиолокационного сигнала 223

5,3= Оптимизация радиолокационного обнаружения

локальной метеоцели на фоне белого шума 230

5,4, Оптимизация радиолокационного обнаружения метеоцели на Фоне местных предметов и белого шума 234

6, АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТЕОЛОКАЦИОННЫК СИСТЕМ 247

6.1, Эффективность метеорадиолокатора оптимальной структуры 247

6.2, Обнаруживающая способность метеорадиолокационной системы 255

6.3, Разрешающая способность метеорадиолокатора 266

7, ЛОКАЛЬНЫЙ ПОДХОД ПРИ РЕШЕНИИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЛАЧНЫХ ПРОЦЕССОВ 272

7.1, Некогерентный радиолокационный метод, радар и результаты исследования турбулентных зон в облачности 272

7.2, Вертикальное движение облачных объемов

при искусственном увеличении осадков 282

7.3, Физико-статистические методы автоматизированной радиолокационной оценки эффекта воздействия при искусственном увеличении осадков 301

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 320

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

327

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Термодинамические процессы естественного или искусственного происхождения., проходящие в сплошной жидкой среде, т.е., в жидкости или газе, часто имеют локальный и стационарный характер. Вследствие того, что в ограниченной области происходит сосредоточение энергии, локальные процессы, как правило, более интенсивны, чем процессы, распределенные в пространстве.

Впервые локальный процесс в виде одной из возможных форм -одномерной уединенной волны (солитона) - наблюдался и был введен в научное общение известным английским ученым и инженером Дж. Скоттом Расселом. Эта волна сформировалась после остановки баржи в узком канале и сохраняла форму на протяжении нескольких миль до своей диссипации. В конце 19-ого века голландские ученые Кортевег и де Фриз при изучении волн на мелкой воде получили и точно решили одномерное нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных, приведшее к уединенной волне.

Широкомасштабное теоретическое исследование солитонов как решений некоторых нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных началось в 70-ые годы нашего века. В настоящее время известны десятки эволюционных уравнений, приводящих к солитонным решениям. Среди них наиболее известны уравнение Кортевега-де Фри-

за (уравнение КдФ), модифицированное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение мКдФ), нелинейное уравнение Шрёдингера, уравнение sin-Гордон, уравнение sh-Гордон, уравнение Буссинеска, уравнение Кадомцева-Петвиашвили или двумерное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КП), двумерное уравнение sin-Гордон. Развиты методы решения подобных уравнений.

Эти уравнения находят практические приложения, порой неожиданные, как, например, при описании явления самофокусировки при распространении луча в нелинейной среде.

Было установлено, что при внешних воздействиях солитоны обладают устойчивостью подобно частицам микромира (электрон, нейтрон и др.). По аналогии с этими терминами и используя слово soli trary - уединенный, имевшееся в первой публикации Дж. Скотта Рассела, солитон получил свое название в 1964 г. В соответствии с определением [Абловиц М.Д., Сигур Н. Солитоны и метод обратной задачи, 1987] солитонами называются любые локализованные нелинейные волны, которые, взаимодействуя с произвольными локальными возмущениями, всегда восстанавливают свою форму.

Таким образом, существующий теоретический подход при исследовании локальных процессов направлен на построение нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, адекватно описывающих физическое явление, поиск их решений, среди которых могут быть солитонные, и анализ самих решений.

На этом пути имеется ряд трудно преодолимых препятствий принципиального и технического характера.

В настоящей работе преимущественно исследуются двумерные и трехмерные локальные процессы (коротко локалы) различного типа и мы не используем какого либо другого термина для их названия.

2. Многие локальные реальные процессы настолько сложны, что более или менее адекватная система уравнений не находит аналитического решения.

Указанные выше трудности в полной мере относятся к локальным

термодинамическим процессам в атмосфере. При построении системы дифференциальных уравнений необходимо учесть множество факторов (например, фазовые переходы воды и выпадение осадков различного типа). В результате эта система становится необозримой. Решение невозможно получить в аналитической форме, а свойства решения далеко не всегда соответствуют свойствам классического солитона.

Применение численных методов при исследовании атмосферных процессов встречает свои трудности. Среди проблем - тяжело выполнимые требования по информации о начальных условиях из-за ее большого объема, неустойчивость получающихся решений и большие требования к быстродействию и объему оперативной памяти компьютеров. Быстрый прогресс вычислительной техники, происходящий в последнее время, не в состоянии компенсировать другие трудности.

В то же время накоплен значительный наблюдательный материал, который позволил выявить характерные особенности, провести классификацию, определить усредненные параметры интенсивных локальных атмосферных процессов. В частности, для грозо-градовых процессов определены типовые высоты, площадь, особенности структуры, зарождения, роста и диссипации градовых ячеек, скорость и направления перемещения процесса в целом, скорость воздушных потоков, микрофизика зарождения града и т.д. Предложены упрощенные зависимости, позволяющие рассчитать отдельные параметры процессов, однако общие соотношения отсутствуют. Выявлена сложная структура грозо- градового процесса, элементами которой являются более простые локальные процессы меньшего масштаба. Один из таких элементов, определяющий интенсивность процесса в целом, - восходящая воздушная струя.

Существенным фактором, определяющим достоверность и информативность наблюдательных данных, являются методы и средства измерений. При изучении атмосферных процессов используются прямые и дистанционные методы. Посредством измерительных приборов, установленных на борту самолета, вертолета, на воздушном шаре или на ракете, получают точные непосредственные данные о параметрах атмосферы по линии полета летательного средства. Однако таким образом нельзя получить полную информацию о пространственной структуре процесса в целом.

Посредством метеорадиолокатора (МРЛ) осуществляют практически одномоментное дистанционное зондирование атмосферы в полусфере

обзора при дальности до 300 км. При надлежащем выборе длины волны радиолокационный луч способен пронизать облако, что открывает возможность получить полной информации об облачности.

Качество метеорадиолокатора как измерительного прибора определяют такие параметры как достоверность, точность, разрешающая способность, способность идентифицировать тонкую структуру сигнала. С применением объективных автоматизированных методов становится возможным обработать практически всю получаемую информацию и выделить особенности тонкой локальной структуры метеоцели в реальном времени. Однако необходимо учитывать неточность и пространственные искажения, присущие метеорадару как измерительному средству. Свои сложности привносит и статистическая природа облака как объекта наблюдений, определяющая шумовую природу отраженного от него радиолокационного сигнала.

Цель работы

Целью работы является:

построение общей модели и исследование локального термодинамического процесса в сплошной жидкой среде; в рамках общей модели построение и исследование мезомасштабных локальных процессов в атмосфере; теоретическое обоснование и решение отдельных практических задач радиолокационного отображения локальных процессов в атмосфере.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие проблемы:

- построение и анализ общей модели (квази) стационарного локального термодинамического процесса в сплошной жидкой среде;

- введение комплекса интегральных характеристик локального термодинамического процесса и изучение их взаимозависимостей;

- исследование движения и силового равновесия локального термодинамического процесса как целого;

- построение модели и изучение локальных термодинамических

процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи грозо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика);

- сопоставление теоретических выводов и имеющихся данных наблюдений.

Научная новизна работы

Автором впервые получены следующие результаты.

1. Предложена общая модель локального термодинамического процесса в целом неподвижной сплошной жидкой среде, в рамках которой получены взаимозависимости интегральных параметров: уравнение движения, уравнения силового равновесия по осям и глобальное уравнение силового равновесия.

2. Проведена классификация и определены соотношения интегральных параметров для слабо и сильно локализованных процессов, имеющих ядро и не имеющих ядра, статических и динамических, двумерных и трехмерных.

4. Исследовано движение локального термодинамического процесса как целого в подвижной сплошной жидкой среде и получено уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс в полях массовой силы и скорости вещества в среде в целом.

5. В рамках общей модели локального процесса построены идеализированные модели, изучено движение и силовое равновесие локальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи грозо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика).

6. Поставлены и решены задачи оптимизации обнаружения, исследования точности, измерения параметров и оценки разрешающей способности при радиолокационном отображении локальной метеоцели.

7. Решены отдельные практические задачи по расчету термодинамических параметров локальных процессов в атмосфере при естественном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению.

8. Корректность полученных теоретических выводов и эффективность практических решений подтверждена отдельными наблюдениями

локальных облачных процессов.

Практическая ценность работы

Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, были выполнены в соответствии с общегосударственными научно-техническими программами ГКНТ, планами НИР и ЦНТП Росгидромета (темы: III.19.3., Ш.1.1., Ш.1.З., III.5.1., ЦНТП-5: '1.5.1.1., 1.5.1.3., 1.5.1.5., 1.5.1.7., 1.5.2.1.), предусматривающими проработку теоретических проблем, связанных с атмосферными процессами при их естественном развитии и искусственном воздействии, разработку методов и средств наблюдения за облачностью, воздействия на нее и оценки результатов этого воздействия.

Автором был выполнен ряд хоздоговорных тем, связанных с разработкой автоматизированных радиолокационных методов, аппаратуры и проведением соответствующих исследований, в частности, РМ-5/80 по заказу Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры (ВНИИРА) и "Грань" по заказу концерна "Ленинец".

Отчеты по указанным выше научным и хоздоговорным темам были приняты с высокой оценкой.

При непосредственном участии автора поставлен и решен ряд теоретических и практических задач термодинамики атмосферы, искусственного увеличения осадков и метеорадиолокации, включая проведение теоретических исследований, подготовку методических указаний, разработку аппаратуры, проведение натурных экспериментов и оценку их результатов.

В частности, результаты этих исследований используются с 1986 года для выполнения производственных работ по искусственному увеличению осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край, Ростовская область, Республика Калмыкия) с целью интенсификации сельскохозяйственного производства на посевной площади 2,5 млн. га зерновых. Средний ежегодный физический эффект этих работ составляет 10-15% увеличения осадков.

На защиту выносятся:

среде и неподвижного процессов, для процессов, имеющих ядро и не имеющих ядра;

- модель локального термодинамического процесса в подвижной сплошной жидкой среде и уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс;,

- модели и расчетные соотношения для локальных т�

Информация о работе

Каплан, Лев Григорьевич
доктора физико-математических наук
Нальчик, 1998
ВАК 11.00.09

Диссертация

Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере - тема диссертации по географии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы