Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основные характеристики микроволнового радио излучения земной атмосферы 34.
1.1 Отавные законы и соотношения для интенсивности излучения атмосферы в радиодиапазоне 34.
1.2. Уравнение для вариаций яркостной температуры атмосферы в микроволновом диапазоне 39.
1.3. Общие вопросы описания поглощения и прелом ления микрорадиоволн в атмосфере
1.4. Молекулярное поглощение радиоволн в атмосферных парах воды ?9.
1.5. Поглощение радиоволн в молекулярном кислороде 84.
1.6. Суммарный коэффициент ослабления атмосферы... 92.
1.7. Преломляющие свойства земной атмосферы
1.8. Количественные характеристики радиоизлучения земной атмосферы
Глава II. Статистическая радио модель земной атмосферы
2.1. Постановка задачи
2.2. Методические основы построения статистической радио модели атмосферы 438.
2.3. Схема и элементы статистической радиомодели атмосферы 439.
2.4. О структуре основных метеорологических элементов атмосферы ., <48.
2.5. Вертикальная структура коэффициентов поглощения и преломления микрорадиоволн І59.
2.6. Спектральная структура радиохарактеристикатмосферы І65.
2.7 Угловая структура радиохарактеристик атмосферы т.
2.8. Оптимальные ортогональные системы функций основных радиохарактеристик атмосферы
Глава III. Физические основы постановки задач по радио тепло локации атмосферы 204.
3.1. Особенности формирования атмосферного радиоизлучения в микроволновом диапазоне 20.
3.2. Количественные характеристики вариаций яркостных температур атмосферы
3.3. О статистической зависимости условий зондирования атмосферы в микроволновом диапазоне 234.
3.4. О количестве информации, содержащейся в яркостных температурах атмосферы 239.
3.5. Перечень основных задач по радиотеплолокации земной атмосферы 0.4%.
Глава ІV. Определение высотных профилей температуры и давления по наземным радиотеплолокационным измерениям атмосферного излучения
4.1. О ценности радиотешюлокационных измерений атмосферного излучения для определения высотных распределений температуры и давления в атмосфере
4.2. Постановка задачи термического зондирования атмосферы
4.3. К оптимизации условий дистанционного зондирования атмосферы в резонансных областях 0Р. 264.
4.4. Оценки влияния облачности на результаты дистанционного зондирования атмосферы в
резонансных областях 09
4.5. Основные результаты дистанционного определения высотных профилей температуры.
4.6 Об определении давления и геопотенциала по результатам радиотеплолокационного зондирования атмосферы в области А 5 мм 300.
4.7. Сравнение результатов определения профилей температуры различными наземными методами дистанционного зондирования
Глава V. Наземные исследования влагосодержания атмосферы дистанционными радиофизическими методами , 343.
5.1. О ценности радиометрических измерений полной массы водяного пара
5.2. Постановка задачи по определению полной массы водяного пара методами наземной
радиотешюлокации
5.3. К оптимизации определения полной массы водяного пара радиотеплолокационным мето
дом 323.
5.4* Экспериментальная проверка радиометрического метода определения полной массы водяного пара с поверхности Земли зз4.
5.5. Основные результаты, полученные о полной массе водяного пара наземным радиотеплолокационным методом . 338.
5.6. Статистические оценки ошибок восстановления высотных профилей влажности атмосферы из решения обратной задачи в областях А I»35 см и А 1,64 мм ъ&.
5.7« Методические аспекты радиотеплолокационных исследований влагосодержания облачной атмосферы 3?*.
Глава VІ. Некоторые физические вопросы интерпретации радиотеплолокационных измерений атмосферного излучения 368.
6.1. Особенности физической интерпретации уходящего радиоизлучения 368.
6.2. 0 возможном влиянии димерных молекул водяного пара на интерпретацию уходящего радиоизлучения в миллиметровом диапазоне волн... 384
6.3. Постановка задачи по статистической проверке гипотезы поглощения радиоволн димерными молекулами водяного пара 388.
6.4. О возможностях индикации наземным радиофизическим методом аммиачного загрязнения атмосферы 392.
Глава VII. Исследования возможностей определения атмосферной рефракции на малых углах места и вертикального поглощения радиоволн по стати стическим характеристикам и по результатам радиотеплолокационного зондирования 401.
7.1. Современные направления исследований по оперативному определению поправок на рефракцию и фазовое запаздывание радиоволн при малых углах места 401.
7.2. Результаты теоретических исследований по определению текущих значений рефракционных характеристик тропосферы радиометрическими методами 410
7.3. Об определении вертикального поглощения радиоволн по статистическим соотношениям. 419.
Приложение. К интерпретации радиотешюлокационных исследований планетных атмосфер 428.
Заключение. Итоги работы и выводы 449.
Литература 46А.
- Отавные законы и соотношения для интенсивности излучения атмосферы в радиодиапазоне
- Методические основы построения статистической радио модели атмосферы
- Особенности формирования атмосферного радиоизлучения в микроволновом диапазоне
- О ценности радиотешюлокационных измерений атмосферного излучения для определения высотных распределений температуры и давления в атмосфере
- О ценности радиометрических измерений полной массы водяного пара
Отавные законы и соотношения для интенсивности излучения атмосферы в радиодиапазоне
Теории переноса излучения в атмосферах планет, включая земную атмосферу, посвящено большое количество работ. Детальное рассмотрение переноса излучения в атмосферах выполнено в монографиях [5, 11-13, 101,102, 122 ] . Особенности излучения атмосферы в радиодиапазоне рассмотрены в [15, 103-105 3 В данном параграфе приведены сведения по интенсивности радиоизлучения атмосферы, которые содержатся в упомянутых выше работах и используются в последующем нашем изложении. Дано обобщенное выражение для яркостной температуры атмосферы»
Радиоизлучение неравномерно нагретого тела, обладающего поглощением, впервые было рассмотрено в приближении Рэлея -Джинса для уравнения переноса излучения в классической работе Пиддингтона и Миннета [ЮбЗ При отсутствии в среде поверхности раздела и для коэффициента поглощения среды, зависящего от координаты, из решения уравнения, полученного в [Юб] , сразу же следует выражение (1.6) для яркостной температуры Тя (о) +/« Это выражение широко используется в настоящее время при решении прямых задач по радиоизлучению земной атмосферы. Начало применения выражения (1 6) для Т к атмосферным задачам было положено в работе [15] , в которой учтен вклад в суммарное радиоизлучение и компоненты, падающей на атмосферу извне. Выражение (1.6) для яркостной температуры (как и соответствуадий аналог для уходящего излучения) часто называют основными уравнениями радиотеплолокации атмосферы (см.например, [108,109 ] ).
Однако в практике радиотеплолокационного зондирования часто приходиться иметь дело не с самими яркоетными температурами атмосферы, а с их вариациями (отклонениями от некоторых средних значений) - i V . Вариации о ! удобно использовать и для процедуры линеаризации исходных уравнений соответствующих обратных задач (см. 4.2, 5.6). Выражения для ЬЧ , до сих пор получались различными авторами с помощью приближенных (и для каждой конкретной задачи - различающихся) методов из общего выражения для яркоетных температур +Л Но при частных для каждой задачи подходах к определению 41 не все специфические аспекты задач проявляются сразу: выявление некоторых (и важных) особенностей этих задач требовало проведения весьма громоздких дополнительных исследований. Поэтому представляется целесообразным получение достаточно общего выражения для ва -риаций яркостных температур атмосферы.
Такое выражение получено в 1.2 в качестве решения преобразованного уравнения переноса излучения в среде. При этом классическое выражение (1.6) для яркостной температуры атмо -сферы получается из преобразованного уравнения путем формального введения соответствующего обозначения с постулированием его физического смысла, адекватность которого можно установить при сравнении с экспериментальными данными. Таким образом,для постановки полной задачи переноса радиоизлучения в атмосфере в принципе достаточно решить соответствующее уравнение только в одной форме, а именно - для вариаций излучения. Такой путь изложения, вне сомнения отвечает определенному логическому порядку.
Методические основы построения статистической радио модели атмосферы
Для решения широкого круга физических задач используются различные модели земной атмосферы (см., например, [97,188,215, 232,286] ) В существующих моделях обобщены ранее полученные сведения об основных атмосферных параметрах: температуре, давлении, влажности + В радиофизике модели атмосферы при -меняются при интерпретации радиометрических данных и для прогнозирования условий распространения радиоволн. Совокупность характеристик структуры атмосферных параметров, определяющих вариации радиационного поля Земли, можно рассматривать как радиационно-метеорологическую модель атмосферы в соответствующих диапазонах спектра В [12] построена оптико-метеорологическая модель атмосферы Основы построения радиомодели атмосферы были заложены еще в 50-х годах [103,232] В перечисленных работах рас -сматривались экспоненциальные зависимости коэффициентов поглощения Ї и преломления Я радиоволн от высоты \ь в тро -посфере. помощью экспоненциальных функций неплохо описываются высотные зависимости средних величин (см.также 1 4, 1 5, 1 7), но подобное описание текущих значений радиохарактеристик может приводить к заметным неточностям, особенно при наличии инверсий метеопараметров атмосферы Подобно методам экстраполяции метеорологических полей по определенным принципам [25б] ,методы интерполяции и экстраполяции радиометеорологических полей также целесообразно иодразделить на формальные, динамические и статистические. Упомянутые выше экспоненциальные аппроксимации высотных зависимостей tf(b/) »-Л (Ю в этом случае следует отнести к формальным методам экстраполяции. В [25б] отмечаетея,что термин "формальные методы" отнюдь не следует понимать в том смысле, что применение этих методов обязательно приводит к плохим результатам, формальные методе экстраполяции при некоторых условиях могут давать даже более предпочтительные результаты по сравнению, например, со статистическими аппроксимациями (в частности, при малых значениях коэффициентов корреляции). Однако формальная природа экстраполяции уже сама по себе является определенным стимулом для поисков более физиче -ских и более эффективных аппроксимаций.
В 50-х годах А.М.Обуховым [257,258] были выекаэаны фундаментальные идеи о статистическом описании случайных непрерывных полей. Статистический характер полей метеорологических элементов определяет подобный характер и радиопараметров атмосферы в СВЧ диапазоне. Поэтому можно ожидать, что статистические методы в общем будут столь же эффективными и при анализе радиохарактеристик атмосферы. В даввой главе диссертации идеи [257,258] используются и развиваются для исследования статистической структуры радиометеорологических характеристик, которые могут быть положены в основу построения статистиче -ской радиомодеди земной атмосферы в микроволновом диапазоне .
class3 Физические основы постановки задач по радио тепло локации атмосферы class3 .
Особенности формирования атмосферного радиоизлучения в микроволновом диапазоне
В соответствии е результатами, приведенными в главе 1,весь спектр радиоизлучения атмосферы можно разделить на области с малыми ОТ /бІ) и большими (/С Г I) оптическими толщинами. Із решения (1.6) уравнения переноса излучения в атмосфере, которое (без учета внеатмосферной части излучения) можно пред -ставить в виде что в оптически толстых спектральных областях основной вклад в радиоизлучение вносят слои с f І. в астрофизической литературе [iOl] высоту Нд , соответствующую условию наземного зондирования в зенитном направлении обычно называют "уровнем выхода" излучения.
Актин в [274] обратил внимание на то обстоятельство, что в случае, когда коэффициент поглощевия ве зависит от температуры и давления среды, величина Т определяется лишь интегральным содержавием активвой компоненты и повятие "уровня выхода", таким образом, утрачивает физическое содержание Для газовых компонент реальных атмосфер планет зависимость Всегда meQT место по диапазону (см гл I), и если Т1 и -f на некоторых интервалах высот могут быть постоянными, то давление Р , в соответствии с основным уравнением статики атмосферы и гидросферы (см. [268J ), всегда уменьшается с увеличением высоты над поверхностью Поэтому "уровни выхода" или "уровни формировавия" атмосферного радиоизлучения являются весьма удобными, хотя и несколько условными характеристиками поскольку слои атмосферы с Т 1 8 тоже дают определенный (хотя и существенно меньший) вклад в значения яркоствых температур. Условие, аналогичное (3 2),можно записать для случаев зондирования как под произвольными углами Q (с учетом конкретного вида Т ),так и с летательных аппаратов.
Уровни "выхода" излучениям можно определить и из соотношения непосредственно для яркостной температуры атмосферы, например, при наземном зондировании (0=0): где константа От» определяется точностью интерпретации ре -зультатов (и ее выбор может быть поставлен в зависимость от уровня ошибок практических измерений Та ) Очевидно, что е помощью условия (3 3) можно определить уровень формирования излучения Ид для оптически тонкой (Iw I) области спектра атмосферы Соответствующее значение W\ по поглощению можно определить выражениемю
О ценности радиотешюлокационных измерений атмосферного излучения для определения высотных распределений температуры и давления в атмосфере
Перед решением задач по исследованию возможностей дистанционного определения метеорологических параметров целесооб -разно поставить вопрос об объективной мере ценности соответствующих радиометрических измерений. Постановка этого вопроса обусловлена тем обстоятельством, что в некоторых случаях не исключается существенная корреляционная связь высотных распределений метеоэлементов и измеряемых радиохарактеристик атмосферы с приземными значениями метеопараметрог Подобные корреляционные зависимости могут налагать более жесткие требования к точности дистанционного зондирования атмосферы для последующего восстановления распределений метеоэлементов по сравнению с теми требованиями, которые следуют из анализа вариаций радиохарактеристик (см. 3.2). В данном параграфе рассматриваются корреляционные связи между яркостными температурами Па атмосферы в области Д 5 мм и приземными значениями температуры То «которые могут быть легко измерены прямыми методами одновременно с измерениями Tij ,а также обсуждаются ошибки статистической экстраполяции высотных про -филей температуры по соответствующим приземным значениям а) В предыдущей главе ( 3.2) уже отмечалась предпочтительность условий термического зондирования атмосферы в области резонанса 0g \ 5 мм по сравнению с условиями зондирования в окрестности синглетной линии д 2,53 мм. Это обстоятельсїво
предопределило и выбор частоты для численного эксперимента по исследованию корреляционной зависимости Та от Т0 .Численный эксперимент проведен нами для случая угломестного сканирования атмосферы на частоте = 53,4 ГГц [50] .
Вычисленные по результатам аэрологического зондирования (январь, апрель, июль 197Ш974г.г.; см.главу П ) значения яркостиой температуры атмосферы на выбранной частоте у для зенитных углов Q в 0 и Q = 85 сопоставлены на рис 4.1 с соответствующими величинами приземных температур в Центральной части II СССР. На рисунке видны слабая корреляция значений Та (0) и Т0 в зимний период года и наличие линейной корреляции тех же величин с умеренным рассеянием весной и летом. Оценки коэффициентов корреляции по приведенным на рисунке выборочным значениям дают зимой.
Следует, однако, отметить, что, несмотря на незначительную корреляцию значений Та и TJj в зимний период года для зе -нитного направления наблюдений, гипотеза 3C Y J s 0 отклоняется при 5-процентном уровне значимости (см.,соответствующий критерий, например, в [264] ). В физическом аспекте немаловажное значение для уменьшения корреляционной связи между обсуждаемыми величинами имеют инверсии температур, которые наиболее часто реализуются зимой.
О ценности радиометрических измерений полной массы водяного пара
Подобно тому, как в 4.1 была установлена ценность тер -мического зондирования атмосферы в СВЧ-диапазоне, рассмотрим вопрос о ценности радиометрических измерений полной массы водяного пара. На рис. 5.1, 5.2 представлены диаграммы рассея -ния приземной абсолютной влажности рц0()= Рл й полной массы водяного пара Q , которые вычислены по ежедневным данным аэрологического зондирования атмосферы (срок зондирования: 14 час. 30 мин.) в континентальном районе в 1971 г. (летний и зимний периоды года). Для каждого графика методом наименьших квадратов находилась линейная зависимость Q(p0) (прямые I на рис. 5.1, 5.2) и проводились прямые, отстоящие на + 10 % и на + 15 % от полученной регрессионной зависимости Q ( Ро ) Вероятности $ прогнозов значений Q по 0о с заданными точностями (10 % и 20 %) по соответствующим регрессионным уравнениям, которые определялись для нормального закона распределения ошибок (см. табл. 2.1 и формулу (3.8)), приведены в табл. 5.1.
Из таблицы видно, что надежность определения Q по при -земным значениям 0о » например, с точностью ЬО/Q ai 1Щ составляет 30 % зимой и не превышает 50 % летом, и, следовательно, радиофизические методы измерения полной массы водяного пара с указанной (и лучшей) точностью [5,41,91,92,141, 293,335] действительно обеспечивают получение новой метеорологической информации.