Введение к работе
Актуальность и современное состояние вопроса
С развитием технических систем точные данные о физических процессах, происходящих в осадках, представляют интерес для наземной и спутниковой радиосвязи, электроэнергетики, радиолокации, авиации, метеорологии. Тем не менее, до сих пор в распоряжении ученых и инженеров нет точных и достоверных данных об особенностях динамических атмосферных процессов, которые происходят в условиях выпадения осадков и в частности дождей. Арсенал контактных средств при помощи которых можно получать информацию о микроструктуре дождя узок и разнороден, что затрудняет сопоставление данных. Общепринятых методик радиолокационных измерений в дождях, которые допускали бы сопоставление результатов, полученных разными авторами, в настоящее время тоже не разработано.
В 60-х и 70-х годах, в Советском Союзе был выполнен широкий комплекс совместных радиолокационных, самолетных и наземных контактны* измерений микрофизических характеристик облачных систем и происходящих в них динамических процессов при выпадении дождей. В ходе этих работ была доказана необходимость дальнейшего совершенствования методов обработки и анализа радиосигналов, полученных от дождей, а так же доработки радиотехнических комплексов пусть даже ценой их усложнения. Было показано, в частности, что наиболее существенный вклад в ошибки интерпретации радиолокационных данных вносит пространственная и временная вариация микроструктуры дождя. В то же время было установлено, что контроль микроструктуры с использованием отдельных контактных инструментов, размещенных у земли, не позволяет получать достоверных данных во всем объеме дождя с необходимой точностью.
Однако надежных и хорошо обоснованных методов измерений в осадках, не требующих контроля микроструктуры дождя по данным контактных инструментов создано не было.
В нашей стране теоретические основы для разработки подобных методов были заложены в конце 50-х годов в ИРЭ АН СССР, где Г. С. Гореликом и его сотрудниками был выполнен цикл теоретических работ, позволивший связать статистические параметры радиоэхо с движением блуждающих неоднородностей. Однако полученные зависимости не позволяли связать параметры радиоэха с реальными динамическими процессами в зондируемом объеме.
В начале 60-х годов, опираясь на работы Г. С. Горелика, А. Г. Гореликом и Ю. В. Мельничуком были получены формулы связывающие спектральные параметры рассеянного поля и его интенсивности с микроструктурой осадков и динамическими процессами, происходящими в объеме зондирования. Им удалось связать спектральные параметры рассеянного поля и его интенсивности с реальными метеорологическим явлениями в объеме зондирования.
Было показано, что спектр рассеянного поля в масштабе —F повторяет
по форме распределение проекций скоростей рассеивателей на направление зондирования, с учетом того вклада, который вносит каждый рассеиватель в отраженный сигнал. Спектр интенсивности рассеянного поля на выходе квадратичного детектора повторяет по форме (в масштабе
—г) распределение разности проекции скоростей рассеивателей на
направление зондирования с учетом того, какой вклад вносят различные рассеиватели с данным значением разности скоростей в отражаемость.
С цепью проверки основных теоретических положений был проведен цикл измерений на вертикально ориентированных импульсно-когерентных локаторах с длиной волны зондирующего излучения Л = 3 см и Л = 30 см, а затем на ЛЧМ-локаторе, который работал на длине волны А = 30 см. В ходе эксперимента были зафиксированы доплеровские спектры, интерпретация которых в рамках существующих моделей
микроструктуры, включаятрехпараметрическоегамма-распределение, была невозможна. Было установлено, что достаточно часто в зондируемом объеме дождя (особенно интенсивного) присутствуют «сверхкрупные капли», появление которых даже в небольшом количестве существенно усложняло геофизическую интерпретацию радиолокационных данных, а применение методик, ориентированных на существование в зондируемом объеме «априорного распределения» капель по размерам, требовало своего переосмысления. Полученные результаты заставляли вновь вернуться к вопросу об учете микроструктуры при проведении радиолокационных измерений в дождях и, в частности, к решению вопроса о компенсации влияния на результаты радиолокационных измерений «сверхкрупных капель».
На базе полученных теоретических и экспериментальных результатов в конце 60-х решалась задача радиолокационного измерения вертикальных воздушных потоков и скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере при выпадении дождей. Этот этап исследований отличался использованием усовершенствованной модели микроструктуры, которая характеризуется трехпараметрической гамма-функцией (см. ниже (1)) аппроксимирующей распределения капель по размерам и уточненной аппроксимацией зависимости скорости падения капель в атмосфере от их размера (см. ниже (2)).
В итоге, А. Г. Гореликом и В. Ф. Логуновым в 1971 году был предложен метод измерений, который впервые позволял использовать ширину спектра интенсивности в качестве одного из информационных параметров. По оценкам авторов, использование дополнительного информационного параметра позволяло довести точность метода до порядка 0.2 м/с при измерении вертикальных воздушных потоков.
Однако, область применимости методики не была определена с необходимой точностью, а способ исключения интенсивности дождя R, из состава обязательных параметров методики с целью перехода только к
параметрам, измеряемым дистанционно, предполагал использование априорной, не изменяемой в ходе измерений, зависимости между радиолокационной отражаемостью Z и интенсивностью дождя R. Это не позволяло использовать её на малых пространственно-временных масштабах, когда - как показывает опыт - распределения капель по размерам не всегда можно описать гамма-распределением.
Цель диссертационного исследования
Разработка и теоретическое обоснование методики радиолокационных измерений скорости и знака вертикальных воздушных потоков, а также параметров атмосферной турбулентности в дождях, которая была бы применима для доплеровского локатора, работающего в режиме вертикального зондирования в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, с учетом вариации микроструктуры дождей на различных пространственно-временных масштабах. Разрабатываемая методика должна быть применима без использования «контактной информации» о микроструктуре дождя у поверхности земли.
Для достижения поставленной цели исследования было необходимо решить следующие основные задачи:
Изучить современные публикации и сформировать требования к методике дистанционного измерения динамических параметров атмосферы, применимой в широком интервале пространственно-временных масштабов и длин волн зондирующего излучения без использования контактной информации.
Провести анализ особенностей доплеровских спектров полученных от осадков и изучить специфические особенности контактных измерений микроструктуры дождя на малых пространственно-временных масштабах.
3. Разработать рекомендации по адаптации существующих методик к особенностям измерений на малых пространственно-временных масштабах, включая разработку способов оценки достоверности измерений.
Научная новизна
Впервые предложена и теоретически обоснована полностью дистанционная методика измерения скорости вертикальных воздушных потоков и параметров атмосферной турбулентности, которая применима в широком спектре пространственно-временных масштабов и длин волн зондирующего излучения.
Впервые предложена и теоретически обоснована нечувствительная к воздействию атмосферной турбулентности методика измерения скорости вертикальных воздушных потоков с использованием информации о ширине и форме распределения капель по размерам.
Сформированы концепции «обобщенного мультипликативного коэффициента», и «динамической модели дождя» позволяющие моделировать Z-R соотношение в случае «мтовенных» измерений, измерений на конечном интервале времени и с учетом условий дифракции Релея и Ми.
Предложен метод улучшения контактных оценок среднего диаметра капель с использованием классических контактных инструментов, основывающийся на исключении статистического смещения.
Практическая ценность работы
Результаты, представленные в диссертации, используются для
получения данных о протекающих в дождях динамических процессах в
широком интервале пространственно-временных масштабов с
использованием вертикально ориентированных доплеровских
радиолокаторов, работающих в широком диапазоне длин волн зондирующего излучения.
Подобная информация востребована при проведении научных исследований в области физики облаков и осадков, геофизики, метеорологии и климатологии, а также для мониторинга динамических процессов в атмосфере при решении задач, связанных с контролем и обеспечением заданных режимов полета летающих аппаратов (включая обеспечение безопасности воздушного транспорта) в наиболее неблагоприятных погодных условиях, в первую очередь при взлете и посадке.
Положения, выносимые на защиту
Определение области применимости метода Горелика-Логунова при измерениях вертикальных воздушных потоков и скорости диссипации атмосферной турбулентности в дождях и адаптация его к измерениям на малых пространственно-временных масштабах в широком диапазоне длин волн зондирующего излучения.
Концепция «обобщенного мультипликативного коэффициента», позволяющая моделировать Z-R соотношение в случае «мгновенных» измерений, измерений на конечном интервале времени и с учетом условий дифракции Релея и Ми.
Концепция «динамической модели дождя» и полученные с её использованием результаты моделирования Z-R соотношения на конечных периодах времени измерения и в различных диапазонах длин волн.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Второй международной конференции AR Ml MP -2007 «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» 25-27
сентября, 2007, г. Суздаль, XXV международном симпозиуме «Дистанционные методы исследования природной среды», 16-24 апреля, 2007, г. Санкт-Петербург, Россия, Третьей Международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и ученых "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007", 16-24 апреля, 2007, г. Севастополь, Украина, на семинарах в ИРЭ РАН, ЦАО и МГУПИ. Результаты диссертации были опубликованы в 12 печатных работах, 11 из которых - в центральных журнала и тезисах докладов международных конференций.
