Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физика образования и строение облаков верхнего яруса 9
1.1 Атмосферные процессы, приводящие к образованию ОВЯ 9
1.2 Метеорологическая обстановка на высотах ОВЯ 11
1.3 Микроструктура ОВЯ 13
1.4 Ориентация кристаллов в облаках 23
1.5 Методы исследования микроструктуры облаков верхнего яруса: контактные и бесконтактные 25
Выводы 33
ГЛАВА 2. Исследование оптических и микрофизических характеристик перистых облаков на высотном поляризационном лидаере ТГУ 35
2.1 Описание и характеристики установки 35
2.2 Метод лазерного поляризационного зондирования 38
2.3 Погрешности возникающие при расчёте элементов МОРС 41
2.4 Сезонные изменения пространственной структуры наблюдаемых облаков 48
2.5 Высотные профили элементов МОРС перистых облаков и метеорологические условия на высотах их наблюдения 55
2.6 Результаты наблюдений зеркально отражающих слоев облаков верхнего яруса, образованных преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости кристаллическими частицами 67
Выводы 80
ГЛАВА 3. Исследование физических факторов определяющих ориентацию кристаллов перистых облаков 83
3.1 Механизмы ориентации кристаллических частиц облаков верхнего яруса 83
3.2 Лазерный корреляционный метод определения скорости и направления перемещения облаков 88
3.3 Скорость и направление ветра на высотах наблюдаемых облаков 92
3.4 Определение скорости и направления перемещения облаков верхнего яруса с
использованием лидара и цифровой фотокамеры 95
Выводы 103
Заключение 104
Список литературы
- Метеорологическая обстановка на высотах ОВЯ
- Методы исследования микроструктуры облаков верхнего яруса: контактные и бесконтактные
- Погрешности возникающие при расчёте элементов МОРС
- Лазерный корреляционный метод определения скорости и направления перемещения облаков
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время мировым научным сообществом является общепризнанным факт существенного влияния облаков верхнего яруса (ОВЯ), состоящих преимущественно из кристаллов льда, на радиационные процессы в атмосфере и соответственно на особенности формирования климата Земли. Кристаллические облака могут, как отражать приходящее солнечное излучение, что приводит к охлаждению поверхности Земли, так и быть причиной парникового эффекта, выступая «экраном», противостоящим уходу тепла в космос [1,2]. При этом в настоящее время радиационные свойства ОВЯ еще слабо изучены. Одним из главных вопросов требующих уточнения – особенности микрофизики ОВЯ, связанные с проявлением преимущественной ориентации несферических частиц, которая приводит к анизотропии оптических свойств.
Факт наличия преимущественной ориентации кристаллов в облаках до сих пор практически не учитывается в расчётах радиационного баланса, что приводит к погрешностям в вычислениях. Дело в том, что определение состояния ориентированности кристаллических частиц в ОВЯ до сих пор остаётся проблематичным, из-за отсутствия доступных инструментальных методов.
Лазерное поляризационное зондирование является практически единственным
инструментом для получения информации о преимущественной ориентации кристаллов в облаках. На кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования Национального исследовательского Томского госуниверситета (ТГУ) совместно с сотрудниками Института оптики атмосферы СО РАН создан и успешно функционирует уникальный высотный поляризационный лидар. Благодаря используемой оригинальной методике возможно оперативное определение всех 16 элементов матрицы обратного рассеяния света (МОРС), которая несёт в себе информацию о микроструктуре исследуемой среды. Анализ соотношений элементов экспериментальных МОРС позволяет выделить преимущественное направление ориентации рассеивающих частиц. Накопление и систематизация результатов измерений поляризационных характеристик кристаллических облаков проводимых с помощью высотного лидара ТГУ, даёт возможность значительно расширить представления о составе и процессах формирования кристаллических облаков содержащих преимущественно ориентированные ансамбли частиц. Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью разработки микрофизической модели ОВЯ, описывающей оптические свойства облаков с учётом преимущественной ориентации кристаллических частиц.
В связи с вышесказанным цель диссертационной работы заключалось в
экспериментальных исследованиях высотных профилей элементов матрицы обратного рассеяния света облаков верхнего яруса и оценке метеорологических условий в атмосфере, способствующих
образованию в облаках слоёв кристаллических частиц, преимущественно ориентированных в пространстве.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Накопление и систематизация экспериментальных данных о высотных профилях
элементов МОРС облаков верхнего яруса, полученных в различные сезоны года (за 2010
2013гг.), а также выделение из всего массива экспериментальных данных облаков,
содержащих преимущественно ориентированные кристаллические частицы.
-
Анализ информации о высотном распределении значений метеорологических характеристик атмосферы вблизи точки наблюдения и оценка совокупности характерных значений метеопараметров, при которых формируются облака с преимущественно ориентированными кристаллическими частицами.
-
Изучение физических механизмов оказывающих влияние на ориентацию несферических частиц ОВЯ, оценка их значимости на процесс ориентации частиц и разработка метода и инструментальных средств для определения скорости ветра на нижней границе ОВЯ.
-
Проведение экспериментов по одновременному измерению поляризационных характеристик облаков и скорости воздушных потоков на высотах наблюдаемой облачности.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Количество облаков верхнего яруса наблюдаемых в 2010-2013гг. над Томском с сильной ориентацией частиц в горизонтальной плоскости (–1m44–0,8), существенной (–0,8
-
Выделено три атмосферных ситуации, при которых формируются облака с аномальным обратным рассеянием:
– при понижении относительной влажности на 10-30% за время наблюдений (12 часов) образуются оптически тонкие облака, характеризующиеся одновременно оптической толщей 0,2 и отношением рассеяния R(h)50;
– при возрастании относительной влажности на 10-30% за время наблюдений (12 часов) образуются облака средней толщины, характеризующиеся одновременно оптической толщей 0,10,4 и отношением рассеяния 10R(h)30;
– в условиях, когда относительная влажность изменяется не существенно (менее чем на 10%) за время наблюдений (12 часов) образуются оптически плотные облака, характеризующиеся одновременно оптической толщей 0,5 и отношением рассеяния R(h)30.
3. Разработанный способ лазерного дистанционного измерения горизонтальной скорости и направления перемещения облачного аэрозоля под действием ветра, основанный на анализе смещения изображений рельефа подсвечиваемых лазерным пучком неоднородностей нижней границы облачности позволяет исследовать влияние пульсаций скорости ветра на азимутальную ориентацию кристаллов облаков.
Научная новизна работы.
Впервые получена в результате статистической обработки экспериментальных данных количественная информация о сезонной изменчивости степени ориентации в горизонтальной плоскости кристаллических частиц облаков верхнего яруса.
Высотным профилям элементов МОРС полученным для облаков, содержащих ансамбли горизонтально ориентированных частиц, впервые сопоставлены данные о метеорологических параметрах атмосферы на высотах ОВЯ и определены характерные условия их формирования.
Разработан новый способ определения скорости и направления перемещения облаков, суть которого заключается в регистрации изображений рельефа подсвечиваемых лазерным пучком неоднородностей нижней границы облачности, с последующим анализом смещения полученных изображений.
Впервые проведены эксперименты по одновременному измерению оптических
характеристик облаков и скорости воздушных потоков на высотах их наблюдения, с использованием цифровой фотоаппаратуры и лидара.
Научная и практическая значимость. Результаты проведённых исследований будут положены в основу построения физической модели, позволяющей прогнозировать присутствие ориентированных частиц в облаках верхнего яруса по совокупности измеряемых метеорологических параметров атмосферы на высоте формирования облачности. Полученные данные позволят повысить точность расчётов радиационных потоков в атмосфере, что в свою очередь будет способствовать повышению точности прогнозов погоды.
Методика и полученные в работе результаты могут быть использованы в качестве основы для проектирования и построения лидаров для мониторинга ОВЯ.
Достоверность результатов работы определяется: – статистической обеспеченностью полученных экспериментальных данных, а также согласием с результатами полученными другими авторами в схожих условиях;
- предварительной калибровкой метода лазерного поляризационного зондирования на участках
трассы, где преобладает молекулярное рассеяние (R(h) 1) и совпадением в пределах допустимых
погрешностей полученных МОРС с теоретически рассчитанными;
- проведением оценок погрешностей в определении элементов МОРС и исключением из
анализа матриц, которые слишком отягощены ошибками (более 5%);
- решением экспертизы «Роспатента» о выдаче патента на изобретение.
Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы при выполнении:
грантов РФФИ №08-05- 13544-офиц, № 11-05-01200а, № 12-05-00675-а;
Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Проведение исследований в области рационального природопользования с использованием уникальных установок (мероприятие 1.8 Программы) - госконтракты: №02.518.11.7156 от 8 июня 2009г., №02.518.11.7075 от 11 апреля 2007г., №16.518.11.7048 от 12 мая 2011 г., №14.518.11.7053 от 20 июля 2012 г.
Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» государственный контракт №П264 и соглашение №14.В37.21.0612.
Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», проекты №2.1.1/6939 и №2.1.1/13333.
Также результаты были использованы в учебном процессе кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования ТГУ.
Личный вклад автора. Автор сделал сравнительный анализ используемых методик и полученных результатов отечественных и зарубежных авторов по лазерному поляризационному зондированию, осуществлял текущее планирование и проводил эксперименты на высотном поляризационном лидаре ТГУ, обрабатывал полученные экспериментальные данные и делал расчёты МОРС. Проводил анализ экспериментально полученных МОРС и сопоставление их с метеоусловиями на высотах образования ОВЯ, совместно с руководителем формулировал основные выводы и результаты.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, из которых 3 в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 4 статьи в сборниках материалов международных конференций, включенных в Web of Science. Получен патент РФ на изобретение.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Шестой конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2009г.), Молодежной научной конференции в рамках Первого Томского Фестиваля науки (Томск, 2009г.), Четвертой всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009г.), 3-й, 4-й и 5-й Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010г., 2012г. и 2013г.), XVII и XVIII Рабочих группах «Аэрозоли Сибири», (Томск, 2010-2011гг.), VIII Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2010г.), XIX Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии – 2011» (п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, 2011г.), XVII, XX и XXI Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011г., Новосибирск, 2014г., Томск, 2015г.).
Высотный поляризационный лидар ТГУ отмечен Большой золотой медалью и дипломом 7-й международной биотехнологической форум-выставки «РосБиоТех-2013», руководитель Самохвалов И.В., в составе авторского коллектива: Кауль Б.В., Волков С.Н., Брюханова В.В., Кириллов Н.С., Насонов С.В., Соковых О.А., Дорошкевич А.А., Стыкон А.П., Животенюк И.В. Также коллектив авторов Самохвалов И.В., Насонов С.В., Стыкон А.П., Животенюк И.В., Брюханов И.Д. отмечен дипломами Второй и Третьей международных выставок «Радиофизика и электроника. РиЭ-2013» и «Радиофизика и электроника. РиЭ-2014» за лучшую разработку «Высотный поляризационный лидар».
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 120 наименований цитируемой литературы. Общий объём диссертации включает в себя 54 иллюстрации, 35 таблиц и составляет 114 машинописных страниц.
Метеорологическая обстановка на высотах ОВЯ
Средняя протяженность турбулентных и спокойных участков, как видно из таблицы, составляет десятки километров.
В турбулентных зонах вертикальная компонента скорости ветра колеблется вокруг среднего нулевого значения. Горизонтальная (или продольная) компонента колеблется вокруг некоторого среднего значения компоненты скорости ветра в данном направлении. Если рассматривать индивидуальный турбулентный участок, то характеристики пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра обычно не совпадают с характеристиками пульсаций горизонтальной компоненты. Иными словами, на некоторых участках в атмосфере наблюдается определенная анизотропия турбулентности [5].
Температура воздуха на границах ОВЯ колеблется в широких пределах. Температура на нижней границе облаков в умеренных широтах в основном заключена в пределах -30 --50С, причём на интервал -35 --45С приходится до 40% всех случаев. Ближе к экватору максимальная повторяемость приходится на интервал температуры -45 --55С (около 50%). Температура верхней границы в средних широтах приходится на интервал -45 --55С (около 40%). Изменения средней температуры имеют чётко выраженный годовой ход с минимумом зимой и максимумом летом. К примеру, различие между средней температурой на верхней границе и нижней на северо-западе европейской части России составляют 12-15С, в других регионах нашей страны от 5-7 до 10С [5].
Кристаллические облака имеют водность или лёдностъ (количество воды в твердой фазе, содержащейся в единичном объёме облака) значительно меньшую, чем капельные. Как правило, водность кристаллических облаков менее 0,05 г/м . Водность более 0,2 г/м в таких облаках отмечается крайне редко [20].
Водность облаков зависит от многих факторов и не остается постоянной даже в одном и том же облаке. Если по горизонтали колебания водности можно назвать случайными, то по вертикали в среднем может проявляется определенная закономерность изменения водности.
Измерения водности ОВЯ в исследованиях ЦАО показали, что она может изменяться в пределах от 0,002 до 2г/м . Среднее значение водности составляет 0,01 г/м . Измерения водности в работе Хеймсфилда [31] для перисто-слоистых облаков показали значения обычно не превосходящие 0,02.. .0,03г/ м .
Как известно облака в атмосфере могут быть капельными, кристаллическими и смешанными, т.е. состоять одновременно из капель и кристаллов. Впервые обстоятельные измерения размеров облачных кристаллов и определения их формы, выполненные непосредственно в облаках, относятся к концу 40-х годов прошлого столетия. Тогда была установлена связь формы кристаллов с температурой при образовании облаков, однако роль пресыщения в этом процессе была не изучена.
До начала 70-х годов ХХв. считалось что ОВЯ являются чисто кристаллическим, так как находятся при достаточно низких температурах. Существование облаков смешенного фазового состава допускалось в тропических широтах, где температура на высоте ОВЯ может быть много выше -30С. Однако наблюдениями в естественных и лабораторных условиях установлено, что при определённых условиях вода в атмосфере обладает способностью к значительному переохлаждению.
При отрицательной температуре и достаточно высокой влажности (выше, чем при насыщении надо льдом) устойчивым состоянием воды является кристаллическое. Однако такие условия необходимы, но не достаточны для появления твёрдой фазы. В атмосфере при отрицательной температуре нередко можно встретить воду в виде переохлаждённых капель, а парциальное давление паров воды зачастую заметно превосходит значение, соответствующее насыщению надо льдом. Графически зависимость давления насыщения от температуры представлена на рисунке 1.2.
В атмосфере чистые (беспримесные) капли воды не могут существовать долгое время при температуре ниже -38С, это точка при которой переохлажденная вода имеет тенденцию к однородному замерзанию (предположение выдвинуто в результате экспериментов проведённых в 50-х годах и нуждается в подтверждении) [32]. При более тёплых температурах ледяные кристаллы могут формироваться только неоднородными, через действие ядер льдообразования (нерастворимые частицы, замерзшие капли и осколки кристаллов). Ледяные ядра могут действовать различными путями, главным образом проводя к образованию льда из переохлажденных капель с ядром внутри или в результате контакта ядра с поверхностью переохлажденной капли.
Иногда ледяные кристаллы могут формироваться напрямую из пара на ледяных ядрах без промежуточного состояния жидкой фазы, такой процесс называется смещенная нуклеация (образование ядра). В большинстве случаев для образования кристаллов обязательно наличие ледяных (водяных) частиц в атмосфере, так как барьер свободной энергии, который должен быть прёодолён для конденсации без таких частиц очень большой, и необходимо огромное пересыщение.
Перистые облака образуются преимущественно при температурах ниже -40С и ядра льдообразования появляются весьма редко в верхней тропосфере (так как они формируются возле земной поверхности), поэтому однородные механизмы образования льда, полагается, являются преобладающими.
Когда вода охлаждается ниже точки плавления и еще остается в жидкой стадии, говорят что она находится в переохлажденной фазе [33]. Переохлажденная вода это метастаб ильное состояние воды, на грани перехода в стабильную ледяную фазу, если дать побуждение или стимулировать. Переохлажденный режим имеет широкий научный интерес, по причине несомненного противоречивого поведения проявляющегося в виде некоторых аномальных свойств воды. Несмотря на эту присущую неустойчивость, переохлажденная вода широко распространена в природе как неотъемлемая часть атмосферных облаков. Процессы отражения и преломления, происходящие в таких облаках, не могут быть смоделированы достоверно без знаний поведения показателя преломления для переохлажденной фазы воды. Одинаковую важность он имеет как для метеорологии, так и для физики атмосферы. На рисунке 1.3 ниже приведен график зависимости показателя преломления воды от температуры. 1.3332
Перистые облака образуются в вертикальных восходящих потоках воздуха, когда поступление влаги возрастает и воздух охлаждается. До температуры -10С облака преимущественно ( 50%) капельные, а ниже -22С - главным образом кристаллические. Ниже -40С капли встречаются редко. Кристаллы в атмосфере начинают образовываться в условиях, когда влажность близка к её значению при насыщении над водой, т.е. в условиях существенного пресыщения по отношению ко льду [5]. Пресыщение увеличивает скорость роста кристаллов и скорость их выпадения.
Изучение форм облачных кристаллов началось очень давно. Уже в XVI в. исследователи пытались улавливать и зарисовывать снежинки (например, датский астроном Тихо-де-Браге, позднее Кеплер). Позже, в конце XIX начале ХХв. наблюдения проводились уже с применением техники фотографирования. Одной из первых работ по изучению метеоусловий, при которых выпадают различные формы снежинок, является работа И. Б. Шушкевича (1910г.). А в 1940-1945 гг. Вейкман впервые непосредственно исследовал формы ледяных кристаллов в перистых облаках [34]. Результаты исследований японских учёных естественных и искусственных снежинок, с попыткой их классификации были опубликованы в 1943 г. в Трудах немецкой Воздушной академии [35]. Опираясь на полученные данные, Магоно и Ли построили диаграмму, характеризующую зависимость формы кристаллов от температуры и пресыщения водяного пара в облаках, которая используется и в настоящее время (рисунок 1.4) [36].
Методы исследования микроструктуры облаков верхнего яруса: контактные и бесконтактные
При решении задач восстановления характеристик ОВЯ из измеренных данных очень важным является вопрос уменьшения искажений сигнала в результате влияния систематических и случайных погрешностей, возникающих из-за несовершенства используемой аппаратуры.
Рассмотрим основные источники ошибок, возникающих при определении элементов МОРС подробнее.
Источником погрешностей является неточность при согласовании базисов приёмника (задается призмой Волластона) и передатчика (задается призмой Глана), в которых определяются векторы Стокса излучения лазера и приходящего на приёмник рассеянного излучения. Направление оси х базиса передатчика должно совпадать с направлением аналогичной оси базиса приёмника. Несогласованность скажется на значениях компонентов приборных векторов приёмника и векторов Стокса передатчика, которые при расчётах считаются точно известными. Кроме того, фазовые сдвиги, даваемые фазовыми пластинками имеют погрешность, установленную изготовителем, порядка 1,5-2. Считается что посылаемое излучения характеризуется векторами Стокса Sj=(l, 1, 0, 0 )т; S2={1, -1, 0, 0 )т; »Vj=(l, О, О, -1)Т; »$4=(1, 0, 1, 0) . Точность первого, второго и четвертого векторов обеспечивается за счёт использования в передающей части призмы Глана. Третья поляризация может несколько отличаться от круговой из-за того, что применяемые пластинки не являются в точности четвертьволновыми.
Вышеуказанные неточности можно оценить, используя матрицы Мюллера для поляризационных элементов в общем виде. Так, например, матрица идеального линейного поляризатора, ориентированного под углом 9 имеет вид:
В результате проведённых расчётов было установлено, что наиболее чувствительными к неточностям установки поляризационных элементов в приёмном и передающим каналах являются элементы МОРС тзз, пцз, тзі, тгз, тзг и іщз- Погрешность в определении этих элементов может быть 7-8%, для остальных элементов менее 1%. Наибольшая ошибка наблюдается при определении четвёртой пары приборных векторов, которые задаются фазовыми пластинками 1/2 установленными под углом 22,5 и в случае неточности позиционирования данной пластинки погрешность в определении элемента тзг будет доходить до 14%.
В общем случае ошибки позиционирования призмы Волластона и призмы Глана, а также фазовых пластинок, неопределенность в фазовом сдвиге, даваемых пластинками, могут складываться, и реальные приборные вектора будет отличаться от идеальных. В ходе расчётов была получена нормированная МОРС возможных погрешностей в случае «наихудшего позиционирования» всех используемых в лидаре поляризационных элементов, которая имеет вид:
Однако ошибки позиционирования могут быть выявлены в процессе проведения экспериментальных измерений от «чистой», безоблачной атмосферы. МОРС для атмосферы, где облачность отсутствует (R(h) 1), имеет известный диагональный вид. При облучении среды, имеющей диагональную МОРС светом, поляризация которого характеризуется известными векторами Стокса, параметры q, и и v рассеянного излучения не должны существенно отличаться от соответствующих им параметров Стокса посылаемого излучения. Но, если имеется ошибка при позиционировании элементов, то будет наблюдаться систематическое отклонение значений определяемых параметров вектора-Стокса от известных. В этом случае проводится коррекция положений поляризационных элементов.
Кроме сказанного выше, сигналы поступающие на счётчик импульсов с фотодетекторов могут быть подвержены искажениям вследствие не идеальности используемой аппаратуры регистрации. В этом случае необходима предварительная коррекция сигналов на просчёты, последействие ФЭУ и вычитание уровня фона.
Просчёты регистрирующей аппаратуры. Для коррекции отсчётов, полученных в последовательности временных стробов счётчика фотонов используется формула [85]:
При работе ФЭУ в режиме счёта фотонов возможно проявление эффекта последействия [86]. В фотоэлектронных умножителях помимо термоэмиссии существует шум, возникающий в результате воздействия темнового и сигнального токов на остаточные газы и элементы конструкции ФЭУ. Поэтому на выходе появляются импульсы, которые имеют те же параметры, что и импульсы, обусловленные выходом фотоэлектронов. В лидарных сигналах, имеющих большой динамический диапазон, искажения вследствие последействия могут играть значительную роль.
Этот эффект различен для различных типов ФЭУ и для коррекции необходимо знать плотность вероятности выхода импульса последействия, а так как этот параметр не указывается изготовителем ФЭУ то требуется его экспериментальная оценка для каждого ФЭУ, применяемого в лидаре.
Массивом данных, подлежащих коррекции, является последовательность чисел зарегистрированных импульсов Ni, исправленных на просчёты, так как любой одноэлектронный импульс, в том числе и не посчитанный счётчиком, может возбудить импульс последействия. Суть процедуры коррекции заключается в том, что в стробе измеренного сигнала оценивается вклад от действия сигналов в предыдущих стробах и вычитается. Сигналы корректируются в соответствие с формулой:
Здесь ці - функция плотности вероятности, принимающая дискретные значения, / - номер текущего строба; j - принимает значение в интервале [к, / ]; к - начальный строб, обычно первый, Р - вероятность появления импульса последействия, AT - длительность строба счётчика.
Большие динамические диапазоны сигналов обратного рассеяния при лазерном зондировании атмосферы создают сложности в реализации линейного отклика фотоприёмника. Решить эту проблему можно использованием быстродействующего электрооптического затвора на основе ячейки Поккельса [87]. Применение такого затвора позволяет уменьшить влияние помехи «ближней зоны» и сохранить линейность световой характеристики приёмника.
Влияние уровня фона. Среди естественных посторонних источников относящимся к фоновым наиболее мощным является Солнце. Не только прямое, прошедшее через атмосферу, но и рассеянное и отраженное солнечное излучение являются основным источником фоновых помех в атмосфере.
Вычитание уровня фона из полученных сигналов производиться по методике, описанной в [86]. Сначала определяется уровень постоянного фона. Для этой цели служит усредненное количество фотоотчётов полученных в последних стробах счётчика. В этих стробах величина рассеянного лазерного излучения в зарегистрированном сигнале пренебрежимо мала. Это соответствовало временному интервалу более 50мкс после посылки зондирующего импульса.
Погрешности возникающие при расчёте элементов МОРС
Данный случай наблюдений отличен от предыдущего 21 января 2010г. Степень поляризации лидарного сигнала для излучения с линейной поляризацией и для круговой слабо отличаются между собой. Положительные значения ГП44 в нижней части облака свидетельствуют о хаотической ориентации частиц. Скорее всего, по мере гравитационного осаждения частиц из верхней части облака они попадают в нижерасположенные слои атмосферы, где, в результате роста частиц изменяется их форма и размеры. Кроме того, из-за потери симметрии может нарушаться аэродинамические характеристики кристаллов, вследствие чего происходит их дезориентация.
Далее приведены графики изображающие изменение элемента т.44 и степени поляризации с высотой, а также высотные профили метеопараметров для 11 апреля 2011г.
Для 11 апреля 2011г. метеоусловия на высоте облачности были отличны от эксперимента 21 января 2010г. Относительная влажность составляла -20%. Эксперимент проходил в условиях возрастающей относительной влажности. Уже к утру 12 апреля она достигла значения 51%. Тропопауза расположена на высоте 12км.
Рассмотрим следующий пример эксперимента проведённого 28 марта 2012г., в ходе которого было получено 16 серий измерений (с 16:21 до 20:31) с накоплением по 500 и 200 лазерных импульсов. Описаны результаты, полученные в серии №14, время начала 19:46, время окончания 20:00 (продолжительность 14 минут). Зондирование проводилось до высоты 15км с разрешением 37,5м. На высоте 7-10км наблюдалось облако.
Степень поляризации лидарного сигнала для наблюдаемого облака имеет значения 0,55-0,88 для излучения с линейной поляризацией и 0,19-0,37 для круговой (отличаются в 2 раза). Облако предположительно содержит пластинчатые кристаллы. При этом степень поляризации излучения с круговой поляризацией возрастает по мере его распространения вглубь облака -размеры частиц уменьшаются с высотой. Значения элемента ГП44 уменьшаются по мере распространения вглубь облака. В центральной части облака частицы имеют более выраженную преимущественную горизонтальную ориентацию. Число фотоимпульсов
Вертикальные профили температуры, точки росы и относительной влажности По данным станции в Колпашево на высоте 7-9км относительная влажность 28 марта 2012г. понижалась (как и в случае 21 января 2010г. рассмотренном выше) с 80% 27 марта вечером до -30% 28 марта.
Ниже приведён еще один пример эксперимента проведённого 12 октября 2013г., в ходе которого сделано 3 серии измерений с 18:01 до 18:44 и накоплением по 500 лазерных импульсов. Рассмотрим серию №3, время начала 18:30, время окончания 18:44 (продолжительность 14 минут). Зондирование проводилось до высоты 15км с разрешением 37,5м. На высоте 7-8км наблюдалось слабое облако.
Судя по приведённым в таблице поляризационным характеристикам, можно предположить, что облако состоит из равномерно перемешанных кристаллических частиц, большей частью ориентированных в горизонтальной плоскости.
В данном случае наблюдений облако только начинало формироваться в результате переноса влажного воздуха с севера. По данным Новосибирска относительная влажность на высоте 7-9км 12 октября утром и вечером была 20-25%, направление ветра - северное. По данным станции в Колпашево относительная влажность возросла с 30% утром 12 октября до 60% вечером и продолжала повышаться. Направление ветра - северное и северо-западное.
В работе приведены лишь несколько примеров наблюдений ОВЯ и анализа влияния фазового состава облаков и наличия преимущественной ориентации частиц в пространстве, на соотношение элементов матрицы обратного рассеяния света и изменение степени поляризации рассеянного назад излучения. Для наблюдаемых облаков сделаны оценки оптической толщи и отношения рассеяния. Проанализированы метеорологические условия, при которых формируется в атмосфере ОВЯ.
Всего было накоплено и обработано 428 матриц относящихся к ОВЯ и не отягощенных сильными погрешностями. В частности, по результатам статистической обработки, была исследована изменение в различное время года степени преимущественной горизонтальной ориентированности частиц наблюдаемых облаков, которая как уже упоминалась, характеризуется элементом ГП44. Изменения степени ориентации кристаллов наблюдаемых облаков в зависимости от сезона и месяца приведены в таблицах 2.9-2.10.
Особый интерес для исследований представляют горизонтальные слои кристаллических облаков с аномально высоким обратным рассеянием. Для данных слоев характерно сильное обратное рассеяние и одновременно минимальная деполяризация зондирующего излучения. Этот эффект связан с зеркальным отражением от граней кристаллов облаков, преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости [97-99]. Впервые эффект зеркального отражения при лазерном зондировании ОВЯ был описан в работе Платта [100]. Зеркально отражающие слои перистых облаков в Томске наблюдались авторами работы [101]. В данной диссертации приведены результаты экспериментов лазерного поляризационного зондирования облаков с аномальным рассеянием, а также для изучения условий формирования в атмосфере таких облаков, проводится анализ имеющейся в свободном доступе информации о метеорологических параметрах вблизи точки наблюдения.
Один из первых случаев наблюдения облаков с зеркальным отражением на лидаре ТГУ был зафиксирован 12 апреля 2011г. На рисунке 2.23 ниже приведён пример высотных профилей интенсивности обратно рассеянного излучения полученных 12 апреля 2011г. в серии № 5 (местное время 21:32-21:46). Продолжительность серии составляет 14 мин, что соответствует накоплению по 500 импульсам лазера. По оси х обозначена высота в километрах, по оси у -суммарное количество одноэлектронных импульсов, приходящих с соответствующей высоты и накопленных системой регистрации. В таблице справа приведено пояснение к каждому профилю: состояние поляризации зондирующего излучения характеризуется нормированным вектором Стокса - Si, Gj - приборный вектор приёмной системы лидара, характеризующий совокупное действие поляризационных приборов в приёмном канале.
Лазерный корреляционный метод определения скорости и направления перемещения облаков
Для автоматизации процедуры измерений и обработки экспериментальных данных была разработана программа определения скорости и направления перемещения облаков (рисунок В данной версии программы выбор рабочей области выполняется вручную. Под рабочей областью подразумевается часть изображения, содержащая небольшой фрагмент облака, размеры которого меньше всего изображения. Предварительная обработка подразумевает под собой процедуру бинаризации. Такое преобразование осуществляется в первую очередь для того, чтобы сократить информационную избыточность изображения, оставить в нём только ту информацию, которая нужна для решения задачи определения скорости облака. В бинарном изображении должны быть сохранены интересующие исследователя детали (характерные неоднородности облака) и исключены несущественные особенности (фон неба) [118,119]. Основной проблемой бинаризации является выбор порогового значения, частично это решается адаптивными алгоритмами. В работе предлагается способ, основанный на предварительном квантовании изображения [120], с заданием уровней квантования в зависимости от типов облачности. Далее на квантованном изображении выполняется бинаризация по порогу, вычисляемому в зависимости от полученного числа уровней. В результате получаем бинаризованную рабочую область, по которой выполняются все дальнейшие расчёты. На рисунке 3.13 представлен результат проведения процедуры предварительной обработки изображения облачного поля. а б
Для полученной серии изображений облаков применяется квантование на 5 уровней и ограничение по интенсивности равной 150. Выбор уровня квантования будет зависеть от того, какой уровень плотности облаков интересует исследователя: для детектирования оптически прозрачных облачных образований необходимо задавать высокий уровень квантования.
Рассчитывается центр масс рабочей области для выбранного изображения, который будет являться базовой точкой для последующих изображений:
Естественно, что центр рабочей области не будет совпадать с центром масс, поэтому для выполнения следующих расчётов и отслеживания перемещения облака центр рабочей области перемещается в точку центра масс.
Далее происходит обработка следующего изображения, по методике приведённой выше. Выполняется расчёт центра масс для текущего изображения, рассчитывается вектор смещения центра масс текущего изображения относительного базового и в соответствии с определенными параметрами эксперимента (высота облака, разрешение и угол поля зрения камеры) определяется направление движения и скорость перемещения центра масс, т.е. получаем скорость движения облака. Далее центр масс текущего изображения становится базовой точкой для следующих изображений.
Недостатком такого алгоритма расчёта вектора движения является тот факт, что не учитывается изменчивость формы неоднородностей облаков в ходе наблюдений. Т.е. за счёт изменения формы, координаты центра масс могут оставаться неизменными, хотя визуально 100 наблюдается движение облачности. Данная проблема решается путём разбиения каждого участка изображения облака на отдельные подобласти с расчётом параметров для каждой такой области и учётом вклада их в общий результат. В результате обработки серии экспериментов предлагается более простой и не менее качественный алгоритм расчёта вектора движения основанный на слежении за изменениями на всем изображении.
Идея данного алгоритма взята из решения задачи сжатия видеопотоков. С помощью скользящего сканирующего окна по двум соседним кадрам выполняется их сравнение по отличительным признакам, и в случае максимальной схожести рассчитывается вектор смещения. Коэффициент корреляции может использоваться в качестве меры схожести. К недостаткам его использования можно отнести большие временные затраты на вычисление, и необходимость в задании порогового значения для принятия решения о схожести участков изображения. Таких недостатков лишён алгоритм измерения подобия между блоками изображений на основании суммы абсолютных разностей (SAD - sum of absolute differences). Суть алгоритма проиллюстрирована на рисунке 3.14.
Поиск эталонного изображения (шаблона) на изображении претенденте На рисунке 3.14 для анализируемого изображения возможны три положения, которые можно сравнивать с шаблоном. Для каждого из этих трёх разностных изображений (по абсолютному значению) считаются суммы значений элементов. Для данного примера они будут равны 20, 25 и 17, соответственно. На основании этих значений SAD, можно предполагать, что правая часть изображения будет наиболее похожа на изображение шаблона, поскольку он имеет наименьшую сумму абсолютных разностей по сравнению с другими позициями.
Таким образом, в результате обработки серий изображений были получены следующие средние значения скорости перемещения облаков: 2,6 м/с 29 марта, 22,3 м/с 9 апреля и 12,2 м/с 16 ноября 2013г. Направление перемещения облаков 29 марта было 290, 9 апреля 230 и 16 ноября 255.
Разработан лидарный комплекс и методика получения и обработки данных, для одновременного измерения поляризационных характеристик облаков (определение МОРС) и скорости и направления перемещения облачного аэрозоля. Использование предложенного комплекса позволяет решить актуальную, научно-практическую задачу - установление взаимосвязи между ветровыми потоками на высотах наблюдаемых ОВЯ и положением в пространстве несферических частиц облаков. Реализация предложенного способа на практике позволяет проводить измерения как в тёмное, так и светлое время суток. На основе полученной информации можно будет прогнозировать оптическое состояние ансамбля облачных кристаллических частиц по данным о поле скорости ветра в верхней тропосфере.
Проведена апробация предложенного метода в натурных условиях и приведены результаты сравнения измеренных параметров ветровых потоков с помощью разработанного в диссертации способа, с данными измерений скорости и направления перемещения ветра полученными с помощью запускаемых в атмосферу зондов.
Результаты работы представляют большой интерес при изучении физических факторов определяющих преимущественную ориентацию кристаллических частиц облаков. Для этого необходимо накопление и систематизация данных измерений высотных профилей элементов МОРС и данных о скорости и направлении ветра на высотах облаков.