Содержание к диссертации
Введение
Влияние условий рефракции на распространение УКВ
1.1. Диэлектрическая проницаемость тропосферы и метеорологические процессы
1.2. Слоистые неоднородности тропосферы
1.3. Прогнозирование ослабления поля при дальнем тропосферном распространении УКВ
1.4. Исследования по моделированию тропосферы как среды распространения радиоволн
Пространственно-временное распределение показателя преломления атмосферы Дальнего Востока
2.1. Краткая физико-климатическая характеристика исследуемого региона
2.2. Структура информационной базы данных
2.3. Сезонные вариации коэффициента преломления тропосферы Дальнего Востока
2.4. Суточный ход коэффициента преломления
Вариации вертикального градиента коэффициента преломления в тропосфере дальневосточных районов
Сезонные и суточные изменения верти:сального градиента коэффициента преломления 18 Параметры интегрального статистического распределения
Статистика аномальных условий рефракции в тропосфере тихоокеанского побережь.. России CLASS Вариации основных характеристик слоистых не-однородностей атмосферы Дальнего Востока CLASS
Исследование зависимости характеристик УКВ сигнала при ДТР от рефракционных свойств тропосферы
Особенности статистических характеристик сигнала при загоризонтном распространении радиоволн на тихоокеанском побережье
Анализ корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами
Статистические модели тропосферы дальневосточных районов
Радиометеорологическое картирование пограничного слоя атмосферы над территорией Дальнего Востока
Выводы
Заключение
Литература
- Слоистые неоднородности тропосферы
- Исследования по моделированию тропосферы как среды распространения радиоволн
- Сезонные вариации коэффициента преломления тропосферы Дальнего Востока
- Анализ корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами
Введение к работе
L
Актуальность проблемы изучения рефракционных свойств
атмосферы в различных физико-климатических регионах России
предопределена нарастающим темпом использования
радиометеорологических параметров при проектировании и эксплуатации
ультракороткоюяговых радиоэлектронных средств (УКВ РЭС). Успешное
решение вопросов повышения эффективности и надежности
функционирования радиотехнических комплексов, задач
электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС общего и специального назначения, а также расширение физических представлений и построение математической модели механизмов влияния радиометеорологических факторов на характеристики распространения радиовола - все это требует как непосредственных комплексных, с радиотехническими измерениями на реальных радиотрассах, оперативных измерений ссютветствующнх параметров атмосферы, так и набора большого статистического массива фондовых данных об основных метеоэлементах атмосферы Земли в ее приземных слоях.
Состояние вопроса и цель работы. Перспективы решения перечисленных выше проблем связаны с разработкой модели пространственно-временного распределения радиометеорологических параметров тропосферы в различных регионах, как основного фактора, влияющего на энергетические и флуктуационные характеристики распространения радиоволн на приземных трассах. Ограниченное число подобных исследований как в России, так и за рубежом, прежде всего обусловлено трудностью постановки экспериментов, связанных с многообразием физических процессов, происходящих в приземных слоях атмосферы, формирующих сложную структуру показателя преломления. Это относится и к слабоизученным обширным территориям Дальнего Востока, так как атмосферные процессы, происходящие между Азиатским континентом и Тихим океаном, формируют специфические радиометеорологические условия распространения радиоволн.
В России достаточно подробно исследованы характеристики радиометеорологических параметров в районах умеренной климатической зоны, где сезонные изменения коэффициента преломления атмосферы имеют один летний максимум и один зимний минимум. Резко континентальные районы средних широт характеризуются сезонной
вариацией другого типа: два максимума зимой и летом, два минимума весной и осенью. Радиометеорологические характеристики тропосферы дальневосточных районов России не являлись предметом специальных исследований и приведены в обобщенном виде, наряду с характеристиками других районов мира, в трудах Б.Р.Бина и Е.Дж.Даттона, А.Н.Рукиной. В известных работах Г.С.Шарыгина, В.И.Слуцкого и др., посвященных распространению ультракоротких волн, объектом исследования является воздушное пространство над акваторией Тихого океана. Отсюда вытекает необходимость изучения радиометеорологических характеристик тропосферы над территорией дальневосточного региона.
Цепь диссертационной работы заключается в исследовании особенностей пространственно-временного распределения показателя преломления воздуха и их влияния на распространение УКВ в условиях дальневосточных районов России.
Научная новизна работы заключается в том, что:
исследованы основные закономерности пространственно-временного распределения радаометеорологаческих параметров в приземном слое атмосферы Дальнего Востока на границе "суша-океан";
впервые построены статистические распределения коэффициента преломления и его вертикального градиента в различных слоях атмосферы до высоты 3000 метров от поверхности земли;
установлены закономерности формирования слоистых неоднородностей тропосферы;
выявлены особенности распространения УКВ в исследуемом регионе и корреляционная взаимосвязь вариаций характеристик радиорефракцин и уровня радиосигнала на трассах ДТР;
разработаны статистические модели дальневосточной тропосферы для прогнозирования условий распространения УКВ на приземных трассах;
проведено радиометеорологическое картографирование дальневосточных регионов России на основе базы данных аэрологических наблюдений.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в работе особенности распределения коэффшщента преломления атмосферы и его вертикальной структуры, а также статистические характеристики уровни сигнала имеют важное практическое значение при
проектировании, совершенствовании и эксплуатации УКВ линий связи и других радиотехнических систем (телевидения, радиолокации, радиопеленгации, радионавигации и т.д.), работающих в дальневосточном регионе. Решение поставленных в работе задач значительно расширяет представление о физических механизмах формирования вариаций радиометеорологических параметров и способствует дальнейшей разработке статистической модели тропосферы. Диссертационная работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 94-02-04197). Результаты диссертационной работы переданы для дальнейшего использования в НИИССУ в виде составных частей отчетов по хоздоговорной НИР 'Тракай-ЗРАН-Саян". На защиту выносятся:
1. Особенности вариаций характеристик радиорефракции тропосферы
дальневосточных районов России;
три типа сезонных вариаций радиометеорологических параметров;
максимальные значения вертикального градиента коэффициента преломления в переходные сезоны и в дневные часы.
-
Оценка вероятности формирования сверхрефракционных условий в зимний период и субрефракционных условий во все сезоны года на загоризонтных субарктических трассах.
-
Закономерности распределения слоистых неоднородностей как основной причины глубоких замираний тропосферного сигнала: увеличение высоты нижней границы и мощности слоистых неоднородностей в холодный период, повышение интенсивности слоев в теплый период года.
-
Результаты исследования вариаций усредненных составляющих сигнала на загоризонтных тропосферных трассах и их корреляции с вариациями радиометеорологических параметров тропосферы тихоокеанского побережья.
-
Статистические модели тропосферы Дальнего Востока, описывающие пространственно-временные изменения усредненных значений коэффициента преломления.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XYI Всесоюзной конференции но распространению радиоволн (Харьков, 1990), ХУЛ конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, Г993), ХУШ Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 19%), Международном
симпозиуме Оівдрага-94 (Москва, 1994), Региональной научной конференции "Радиофизика и электроника; проблемы науки и обучения" (Иркутск, 1995), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн (Улан-Удэ, 1996), научных сессиях БНЦ СО РАН, были представлены на международных симпозиумах (Вроддав-1990, Ахмедабад-1995, Осло-1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей и тезисов докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, иллюстрируется 39 рисунками, содержит 21 таблицу и библиографию из 104 наименований.
Слоистые неоднородности тропосферы
При распространении УКВ необходимо учитывать и отражения от инверсионных слоев тропосферы. Физические причины дальнего тропосферного распространения (ДТР) ультракоротких радиоволн - переизлучение электромагнитной энергии слабыми объемными и слоистыми неодно-родностями в тропосфере и когерентное отражение электромагнитной энергии от всей толщи атмосферы, причем на различных расстояниях и в разные моменты времени роль каждого из них различна [20]. Одной из основных причин отклонения зависимости s(h) от экспоненциальной является наличие слоистых неоднородностей в тропосфере, обусловленных появлением температурных инверсий [1]. Такие инверсии во всей толще атмосферы наблюдаются практически постоянно, однако наибольшая их интенсивность отмечается в приземном слое, где она может достигать 3-9 при перепаде высот 100-400 м. Особенно резкое уменьшение s(h) в приземном слое наблюдается в тех случаях, когда наряду с температурной инверсией происходит уменьшение влажности воздуха с высотой, например, при вторжении нагретых сухих масс воздуха с суши на море.
Слоистые образования в тропосфере имеют разнообразные размеры, интенсивности, распределения є в пределах слоя. Наиболее часто встречаются слои переходного типа, в которых s монотонно увеличивается или уменьшается, а также слои симметричного типа, когда на нижней и верхней границах слоя значения є примерно одинаковы, а в пределах слоя є достигает максимума или минимума. Количество слоистых неоднородно-стей неравномерно по высоте, наибольшее число достаточно интенсивных слоев обнаруживается на высотах до 2 км [10]. Обзор основных физических параметров и свойств тропосферы, влияющих на условия распространения радиоволн УКВ-диапазона сделан в работе [26]. Подробно рассмотрены условия и причины возникновения аномальных рефракционных эффектов в тропосфере. В [27] рассмотрено влияние вертикальной стратификации показателя преломления на распространение радиоволн и на работу РЛС. Отмечены трудности, связанные с недостатками радиозондов - погрешностями, плохой дискретизацией по высоте, неопределенностью горизонтального положения. Указано на неточность приближения горизонтально однородной атмосферы на границе "земля-море", при наличии атмосферных фронтов, а также при неровной подстилающей поверхности.
Обзор современных экспериментальных данных по загоризонтному распространению УКВ при рассеянии на тропосферных неоднородностях приводится в [28]. В [29] дается объяснение необычным наблюдениям тропосферного рассеяния УКВ на трассе Стокгольм-Мора протяженностью 259 км. Экспериментальные данные сравниваются с расчетами рассеяния радиоволн на резких случайно-неоднородных слоях тропосферы, протяженность которых менялась от 10 до 100 км. Сравнение показало совпадение с экспериментом и позволило определить параметры слоистых тропосферных неоднородностей. Результаты наблюдений за состоянием атмосферы и ее влиянием на распространение УКВ применительно к радиолиниям прямой видимости (РПВ), проводившихся с помощью звукового локатора, рассматриваются в [30]. Он был создан Индийским статистическим институтом и развернут в Калькутте для изучения атмосферных инверсионных слоев, обусловленных изменениями турбулентных процессов, и температурных инверсий. Установлено большое влияние таких слоев, образующихся в нижней атмосфере (высоты до 400 м над Землей), на уровни сигналов РПВ протяженностью до 75 км, работающих вблизи Калькутты в диапазонах от 60 до 1500 МГц, а также на частотах 6.7 и 7.4 ГГц. Отмечается хорошая корреляция между характеристиками слоев и замираниями сигналов на ряде РПВ. Приводятся статистические данные, относящиеся к появлению инверсионных слоев в рассматриваемом районе. На основе обобщения экспериментальных данных делаются следующие выводы:
В [31] описываются результаты экспериментальных и теоретических исследований тонкой структуры поднятых рефракционных слоев. Измерения велись путем акустического и радиолокационного зондирования слоев, располагавшихся над 300-м метеобашней Колорадской обсерватории, а также путем измерения зависимостей изменения с высоток основных метеорологических параметров. Установлено, что градиенты коэффициентов преломления слоев обычно столь велики, что вызывают оегулярное отражение УКВ. Показано что, тонкие, ограниченные по горизонтали, поднятые слои с большим градиентом коэффициента преломления, по-видимому играют значительную роль в загоризонтном распространении УКВ.
На основе данных аэрологического зондирования дрейфующих (1954-1988 гг.) и стационарных советских и зарубежных станций (1961-1970 гг.) рассмотрена в [32] пространственно-временная изменчивость основных характеристик приземных инверсий в Арктике. Впервые приводятся для января и июля карты распределения средних месячных значений мощности приземных инверсий по северной полярной области.
В 1982-1985 годах в южной части Охотского моря ТИАСУР совместно с ТГУ, г.Томск проводились исследования тонкой вертикальной структуры индекса преломления [33]. Анализ результатов рефрактометрических измерений показывает, что в циклонах профиль N близок к экспоненциальному и гладкий, а в антициклонах профиль N изрезан и в зоне мощной температурной инверсии формируются слои с резким падением N с высотой (градиент N до 2 JV-ед./м) толщиной до 50 м. Эти слои имеют значительную временную устойчивость (до 7-8 часов) и горизонтальную протяженность (до 300 км). Зафиксированы случаи существования слоистых не-однородностей при ясном небе в антициклонах. В работе [34] обобщаются результаты рефрактометрических измерений, проведенных в 1982-1989 гг. над южной частью Охотского моря с помощью самолетных и вертолетных радиорефрактометров, разработанных в Сибирском филиале ВНИИФТРИ (г.Иркутск). Анализ данных рефрактометрических измерений показал, что максимальное количество неоднородностей N и аномальных слоев сосре 22
доточено в слое атмосферы от 1 до 2 км. В теплый период года аномалий в профилях N наблюдается существенно больше, они отличаются большей мощностью и интенсивностью и встречаются в более высоких слоях атмосферы. Большинство аномальных слоев имеет вертикальную мощность порядка 10-30 м, а также отмечено существование очень интенсивных (градиент N до 2 N-ед./м) приподнятых волноводных слоев толщиной от 30 до 150 м и более, которые в большинстве случаев имеют длительные горизонтальные размеры (до 300 км). Полученные результаты исследований позволяют на основе анализа синоптической информации давать заключение о возможном характере распределения индекса преломления с высотой, о наличии отражающих слоев в атмосфере и их параметрах для целей предсказания механизма распространения сигнала. Распределение основных характеристик слоистых неоднородностей тропосферы Дальнего Востока мало исследовано к настоящему времени. В данное время имеются публикации, освещающие основные закономерности распределения слоистых неоднородностей дальневосточной тропосферы [35-36].
Исследования по моделированию тропосферы как среды распространения радиоволн
Исследование основных закономерностей сезонных вариаций N в основных климатических районах Дальнего Востока проводилось на основе данных зондирования на 27 станциях за десятилетний период (1961-1970 гг.). На рис.2.3 приведена карта расположений станций аэрологического зондирования исследуемого региона.
Сезонное распределение коэффициента преломления по континентальным субарктическим станциям Марково и Сеймчан представляет собой двугорбую кривую с двумя максимумами (зимой и летом) и двумя минимумами (весной и осенью) (рис.2.4). Главный максимум приходится на январь, а основной минимум сезонного хода коэффициента преломления наблюдается весной, что совпадает с сезонным ходом N в резко континентальных районах умеренных и высоких широт [13,15]. Наибольшие значения N наблюдаются зимой из-за крайне низких температур и высокого атмосферного давления и достигают 329 JV-ед. Климат субарктической зоны характеризуется суровыми зимами. С удалением от берегов эти особенности проявляются сильнее, внутри района преобладают северные ветры, дующие с большим постоянством. Средняя температура января изменяется в пределах от -30С до -40С на континентальных участках [74]. Минимальное значение сезонного хода N наблюдается весной и составляет 301 JV-ед. по ст.Сеймчан. Дисперсия годовых значений N больше по станции Сеймчан, чем по станции Маркове Видимо, здесь сказывается более высокая континентальность из-за близости к Якутии, к полюсу холода (ст.Оймякон), где наблюдается наибольшая континентальность по России, равная 100% [75].
Сезонные вариации N по прибрежным субарктическим станциям Анадырь, Гижига, Магадан и Корф Сезонный ход по прибрежным станциям субарктической климатической зоны Анадырь, Гижига, Магадан и Корф приведен на рис.2.5. Главный максимум сезонных вариаций в этой зоне приходится на июль и достигает 327 /У-ед. на станции Корф, второй максимум сдвинут на февраль-март месяцы и не превышает 319 JV-ед. Основной минимум наблюдается в октябре и составляет 308 JV-ед. по ст. Гижига. На побережье зима мягче, лето прохладнее. Средняя температура декабря в районе Магадана на 5,5-6,0С выше, а средняя температура июня на такую же величину ниже, чем в Марково. В годы с интенсивной циклонической деятельностью в области Алеутского минимума осадков больше на побережье. Вынос влаги из Алеутской депрессии происходит преимущественно в сторону Тихого океана, почему горные цепи Дальнего Востока и не служат большим препятствием для распределения осадков. В теплое полугодие (с мая по сентябрь) благодаря влажным восточным ветрам на побережье погода большей частью пасмурная, ветреная. Лето в исследуемом районе холодное. Наиболее низкими летними температурами отличается побережье Берингово моря, где средняя температура июля -августа изменяется от 1С до И С [74]. Летний главный максимум сезонного хода N в прибрежных районах субарктической климатической зоны обусловлен невысокими температурами и большой влажностью воздуха.
Сезонный ход N по станциям муссонной лесной области умеренной климатической зоны Хабаровск, Николаевск-на-Амуре, Советская Гавань, Владивосток и Терней характеризуется главным максимумом летом и небольшим максимумом зимой, а основной минимум приходится на весну (рис.2.6). Летний главный максимум, достигающий 347 N-QR. по станции Владивосток и основной весенний минимум обусловлены тем, что в отличие от всех других областей России в исследуемой области относительная влажность убывает только в первой половине весны, в мае же снова возрастает и продолжает увеличиваться к лету в связи с летним муссоном. Зимний максимум сезонного хода N связан с поступлением холодного воздуха из Забайкалья по восточной окраине континентальных антициклонов, а его небольшая амплитуда (307 N-ед,.) - с отепляющим действием незамерзающего Японского моря. Пределы изменений среднегодовых значений N составляют 304- 347 N-ед.
Сезонные изменения среднемесячных значений N по островным и полуостровным станциям тихоокеанской лесной области умеренной климатической зоны (Петропавловск-Камчатский, Южно-Курильск, Поро-найск, о.Беринга, Южно-Сахалинск, Александровск-на-Сахалине, о.Симушир, М.Васильева и Ключи) имеют простой ход с одним максимумом и одним минимумом, как в умеренных широтах Европейской территории РФ [10] (рис.2.7). Летний максимум сдвинут на август и обусловлен высокой влажностью воздуха при незначительном повышении температуры и достигает 342 N-ед. по станции Южно-Курильск. Континентальный зимний муссон почти не влияет на климат этой области и зимние температуры недостаточно низкие, чтобы образовать зимний максимум годового хода.
Амплитуда годового хода N составляет по субарктическим дальневосточным станциям: континентальным - 27 N-ед.; по прибрежным - 12 JV-ед., что превышает соответствующие значения амплитуд годового хода N в Арктике [14]. По станциям умеренной зоны Дальнего Востока амплитуда годового хода N составляет: континентальным - 40 N-ед. и островным - 36 N-ед. [85], тогда как наибольшие амплитуды годового хода N в регионах с резко континентальным климатом (Монголия, Якутия, Забайкалье) достигают 35 N-ед. [20].
На основе ежедневных данных аэрологического зондирования за 3 года (1984-1986 гг.) получены статистические распределения JV для четырех типичных месяцев (январь, апрель, июль и октябрь) по пяти станциям: Марково, Анадырь, Гижига, Магадан и Корф. На всех пунктах измерения проводились четыре раза в сутки. На рис.2.8 приведен сезонный ход параметров интегрального распределения N для 1, 10, 50, 90 и 99% времени наблюдения по станции Марково. Максимальные значения N„, отмечаются на станции Марково зимой и летом. Кривые годового хода для 1, 90 и 99% имеют главный максимум зимой, что характерно для сезонных вариаций по континентальным станциям субарктической зоны. Годовой ход Nm по прибрежной субарктической станции Гижига имеет максимальные значения зимой и летом, причем летний максимум превышает зимний (рис.2.9). Кривые годового хода для 1, 10, 90 и 99% времени наблюдения повторяют сезонный ход медианных значений. Соответствующие интегральные кривые распределения N для субарктических станций Марково (а) и Анадырь (б) за январь (1), апрель (2), июль (3) и октябрь(4) месяцы показаны на рис.2.10: по оси абсцисс отложены проценты случаев в вероятностном Гауссовом масштабе от общего числа измерений, в течение которых значения N превышают указанные на оси ординат. Статистические распределения значений N удовлетворительно аппроксимируются нормальным законом распределения случайных величин [86].
Сезонные вариации коэффициента преломления тропосферы Дальнего Востока
Возможность распространения радиоволн УКВ диапазона далеко за пределы горизонта (дальнее тропосферное распространение) возникает вследствие электрической неоднородности атмосферы. По своей природе неоднородности обусловлены пространственно-временной неоднородностью физических параметров воздуха: температуры, давления и влажности. На границах неоднородностей эти параметры изменяются скачками, что приводит к скачку диэлектрической проницаемости є и явлениям преломления, а также частичного отражения и рассеяния радиоволн. Такие неоднородности турбулентного и слоистого характера существуют постоянно во всем слое тропосферы. Неоднородность атмосферы сильно усложняет процесс распространения радиоволн, вызывая преломление радиоволн в атмосфере, отражение радиоволны неоднородностями тропосферы и т.д. Вследствие большого многообразия и сложности физических факторов, вызывающих постоянную пространственно-временную изменчивость характеристики тропосферы, описание неоднородных свойств возможно лишь приблизительно. Основным методом анализа свойств и характеристик тропосферы являются статистические методы, как наиболее полно отображающие случайный характер проходящих физических процессов [90].
Поскольку по мере удаления от прямой линии, соединяющей передатчик и приемник, интенсивность переизлучения каждой неоднородностью уменьшается, поэтому в переизлучении радиоволн основную роль играет некоторый объем тропосферы, ограниченный со всех сторон. Эта область пространства, наиболее существенная в процессе распространения радиоволн в однородной сфере, представляет собой эллипсоид вращения с фокусами, находящимися в точках передачи и приема, и охватывает при 78 мерно 8-12 первых зон Френеля (примерно 90% мощности распространения радиоволн).
Высота нижней точки объема переизлучения h0 определяется касательными к горизонту, проведенными из точек передачи и приема, и для стандартных условий распространения радиоволн где L - протяженность трассы распространения; R3 - эквивалентный радиус земли, равный 8500 км. Статистические распределения вертикального градиента коэффициента преломления дальневосточной ропосферы рассматриваются по характеристикам слоев 0 100, 0+300, 0+( 30, 0+900, 300+600 и 600+900 м. В таблице 3.2 приведены значения вертик; іьного градиента для 1,10, 50, 90 и 99% времени наблюдения, полученные з интегральных распределений величин g„ в слое 0- 100 м, построенных тдельно по месяцам для пяти исследуемых станций: Марково, Анадырь, Гижига, Магадан и Корф. Случайные временные изменения условий распространения приводят к тому, что вклад распространенных трех основных процессов распро странения радиоволн (дифракция, рефракция, отражение) в суммарный сигнал постоянно изменяется, что в свою очередь приводит к непрерывным колебаниям уровня сигнала в приемной точке. Эти колебания имеют различную глубину и длительность [90].
Быстрые замирания, часто называемые интерференционными, накладываются на медленные замирания уровня сигнала, которые вызываются изменением метеорологических условий. Медленные замирания в тропосферном радиоканале подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Глубина замираний при логарифмически нормальном законе распределения определяется величиной стандартного отклонения. Как показывают многочисленные экспериментальные измерения на трассах с тропосферным рассеянием, величина стандартного отклонения изменяется с изменением протяженности трассы, кроме того, и численные значения стандартного отклонения зависят от диаграммы направленности применяемых антенн и метеорологических условий на трассе распространения. Для борьбы с затуханиями сигнала в радиоканале, и не только в тропосферном, наибольшее развитие получил метод разнесенного приема. Для исследования влияния тропосферы на распространение УКВ необходимо рассматривать слои разной мощности и высоты в зависимости от длины исследуемой трассы ДТР.
Для 1% времени наблюдения по станции Марково характерен сверхкритический градиент (g„ -15.7-10"8 м-1) во все сезоны года, а для 99% времени наблюдения положительный градиент (g„ 0) также во все сезоны года. Зимой медианные значения g„ по континентальной станции Марково существенно больше значений g,„ наблюдаемых в другие сезоны года. Это обусловлено особенностями высокоширотной тропосферы. Сезонный ход значений gn для 10% и 50% от времени наблюдения имеет два максимума и два минимума, как и годовой ход среднемесячных значений N по станции Маркове Значения g„ на 90% и 99% времени наблюдения характеризуются одним максимумом зимой и одним минимумом в осенне - летний сезоны. Сезонные вариации диапазона изменения градиентов коэффициента преломления в приземном слое мощностью 100 м не согласуются с сезонным ходом медианных значений. Максимум диапазона изменений g„ в пункте Марково приходится на апрель. Сезонный ход медианных значений g„ по станции Анадырь в исследуемом слое согласуется с сезонным ходом диапазона изменений gn и имеет максимум в летний период, превышающий зимний. Летние значения g„ -15.7-10"8 м"1, а зимние значения g„ близки к сверхкритическим gn для 1% времени наблюдения, а для 99 % времени наблюдения зимой, летом и осенью наблюдаются положительные градиенты коэффициента преломления. В рассматриваемых пунктах Марково и Анадырь медианные значения g„ по всем сезонам превышают по абсолютной величине значения градиента, характерного для стандартной атмосферы.
К югу усиливается муссонный характер климата и медианные значения gn по станциям Гижига, Магадан и Корф превышают значение g„, характеризующее стандартную радиоатмосферу только в летний период. Диапазон сезонных изменений вертикального градиента коэффициента преломления больше по континентальным субарктическим станциям, чем по прибрежным субарктическим станциям. Это объясняется большой кон 81 трастностью климатических параметров сезонов года по континентальным станциям, а на прибрежных станциях - интегрирующим влиянием водных масс на статистические характеристики метеопараметров,
В таблицах 3.3, 3.4 и 3.5 приведены значения вертикального градиента для 1, 10, 50, 90 и 99% времени наблюдения в слоях Оч-ЗОО, О-І-600 и О-т-900 м, построенных отдельно по месяцам для станций Марково, Анадырь, Гижига, Магадан и Корф. С увеличением мощности слоя особенности сезонных вариаций медианных значений g„ сохраняются. В приземных слоях мощностью 600 и 900 м по станции Марково основной максимум сезонной вариации наблюдается летом. В слое 0ч-300 м в 99% времени наблюдения по станции Марково весной, летом и осенью значения g„ 0; по станции Гижига - летом и осенью наблюдаются положительные градиенты коэффициента преломления. В слоях 0 -600 и 0+900 м не наблюдаются сверхкритические и положительные значения g„. С увеличением мощности слоя абсолютная величина медианных значений g„ и диапазон изменений g„(l-99%) уменьшаются по всем станциям и во все сезоны года. Повышенные условия рефракции наблюдаются по станциям Марково и Анадырь во всех исследуемых слоях.
Анализ корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами
Тропосферные линии связи занимают особое место среди применяемых на практике телекоммуникационных систем. Эти линии обеспечивают передачу дискретной информации на интервалах 100-500 км в диапазоне частот до 8 Ггц при общей протяженности линий до 1000...2000 км. Тропосферные системы имеют преимущества в случае организации связи в труднодоступных и малонаселенных районах, особенно расположенных в высокоширотных областях Земли, а также в чрезвычайных условиях когда другие виды связи не эффективны [95].
В этом параграфе приведены результаты исследований на тихоокеанском побережье, в условиях сложного климатообразующего процесса на границе "суша-океан". В указанном районе ранее проводились исследования статистических характеристик сигнала при загоризонтном распространении радиоволн [48, 96]. Однако, в данных работах вопросы, касающиеся сезонных и суточных вариаций сигнала, а также вопросы влияния радиометеорологических факторов на формирование этих закономерностей не явились предметом специальных исследований. Следует также отметить цикл работ, посвященных аналогичным исследованиям в данном регионе, но на акваториях дальневосточных морей [40,50,51]. Как и ожидалось, сравнение результатов двух указанных групп исследований показывает заметное отличие характеристик флуктуации УКВ на эквивалентных по протяженности тропосферных трассах. Исследования проводились с целью изучения основных радиометеорологических закономерностей и выявления физических механизмов, приводящих к специфическим характеристикам флуктуации сигнала в различные сезоны года и часы суток.
Исследования проводились на двух трассах радиорелейной линии ДТР УКВ с общим приемным пунктом Ї З промежуточной станции вблизи г.Магадан. Продольные профили исследуемых трасс (трасса 1 и 2) показаны нарис.4.1а,б.
Географическая длина трассы 1 - 204.6 км, а трассы 2 - 415.3 км. Эквивалентные длины составляют соответственно 167.1 км и 383.7 км. Углы рассеяния на этих интервалах при нормальной атмосферной рефракции (а=8500 км) равны соответственно 19.7 и 45.1 миллирадианам. Обе трассы являются резкопересеченными, горными и проходят по прибрежной полосе Охотского моря. Трасса 1 проходит над полуостровом, объем тропосферного рассеяния удален от береговой полосы около 100 км и закрыт со стороны океана системой горных хребтов, а трасса 2 проходит вблизи береговой полосы.
Оборудование тропосферных систем одно из наиболее сложных в техническом отношении, по сравнению с другими средствами телекоммуникации. Такая сложность обусловлена характером распространения волн, для которого свойственны как случайные параметры, так и большие энергетические потери на трассе.
На исследуемых интервалах использовалась типовая тропосферная радиорелейная станция "Горизонт-М", оснащенная параболическими антеннами размерами 20x20 м на трассе 1 и 30x30 м - на трассе 2, и работающая по схеме счетверенного приема на длине волны 36 см. Коэффициенты приемопередающих антенн на трассе 1 составляли 41.5 дБ и 42.0 дБ, а на трассе 2 -46 и 46.5 дБ соответственно.
На исследуемых трассах из-за нестационарности процессов дальнего тропосферного распространения наблюдались замирания сигналов различных типов - на медленные изменения уровня сигнала длительностью от нескольких минут до нескольких десятков минут накладывались быстрые флуктуации длительностью порядка долей секунды - десятков секунд. В связи с этим указанный характер флуктуации сигнала приводит к необходимости условного деления замираний на быстрые и медленные. Непрерывная и круглосуточная регистрация сигнала проводилась на быстродействующий самописец Н-338/3 с контрольной точки, на которую флуктуирующий тропосферный сигнал поступает через амплитудный детектор после третьего каскада усиления в блоке УПЧ-Ц, Регистрация быстрых замираний сигнала проводилась один раз в три часа продоллсительностью от 5 до 50 мин. Интервал времени записи быстрых замираний выбирался соответственно с характером флуктуации и был по длине достаточным для того, чтобы в нем укладывалось несколько десятков ра-диусов автокорреляции. Калибровка измерительной аппаратуры производилась генератором Г4-76А. Абсолютная погрешность в определении уровня сигнала составляет 1,5 дБ. Построение характеристик флуктуирующего сигнала проводилось путем аналого-цифрового преобразования информации с ленты самописца и последующей статистической обработки на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ StatGraphics.
Интегральные статистические распределения медленных флуктуации тропосферного сигнала, построенные по результатам сезонных измерений на трассах 1 и 2, соответственно представлены на рис.4.2а и 4.26. Распределения часовых медиан уровня сигнала за каждый сезон построены относительно его медианного уровня. При этом на представленных рисунках минимальные значения уровня медианы за сезон принято за ноль.
Из представленных рисунков видно, что максимальные значения медианного уровня сигнала на трассе 1 наблюдаются осенью, на трассе 2 - летом. Минимальные значения медианного уровня сигнала на обеих трассах наблюдаются зимой. Это обусловлено особенностями сезонной вариации радиометеорологических параметров исследуемого периода. На исследуемых трассах в летне-осенний период наблюдается наибольший уровень сигнала, что характеризует этот период как наихудший с точки зрения ЭМС РЭС. Максимум уровня сигнала, наблюдаемый в летний период, обусловлен большой повторяемостью инверсий вертикальных профилей TV, формирующих интенсивные отражающие тропосферные слои, а также появлением условий, близких к волноводным условиям распространения радиоволн на северо-западном побережье Охотского моря. Слабые уровни сигнала в зимний период обусловлены пониженной рефракцией, возникающей вследствие натекания холодного континентального воздуха на относительно теплый воздух, образующийся вследствие инертности водных масс океана. Наименьшие уровни сигнала связаны с меньшими значениями влажности атмосферы в указанный период года, что является причиной слабой интенсивности рассеивающих неоднород-ностей на общем фоне пониженной рефракции.
Из рисунков 4.2а и 4.26 видно, что амплитуда сезонной вариации сигнала на уровнях медианы на трассе 1 составляет 9.4 дБ, а на трассе 2 - 14.8 дБ. Дисперсии сезонных распределений сигнала на трассе 2 также значительно превышают дисперсии, наблюдаемые на трассе 1. Указанная закономерность обусловлена особенностями расположений исследуемых трасс относительно береговой полосы. Как было отмечено выше, трасса 2 в отличие от трассы 1 проходит вдоль береговой полосы, что вызывает значительно большую изменчивость формирования различных радиометеорологических условий как во всей толще тропосферы, так и в переизлучаемом объеме. При прочих равных условиях величина стандартного отклонения 5 для аппроксимирующего логарифмически-нормального закона распределения должна уменьшаться при увеличении протяженности трассы, что объясняется увеличением высоты переизлучающего объема, где интенсивность, размеры и форма неоднородно-стей более стабильны [45]. Однако, несмотря на сравнительно большую протяженность трассы 2, амплитуда сезонной вариации сигнала и значения дис 128
Персии сезонных распределений оказались существенно превышающими величины аналогичных статистических параметров трассы 1. Отсюда следует, что при формировании флуктуационного режима на прибрежной трассе, доминирующую роль играют тропосферные лроцессы, происходящие вблизи границы "суша-океан". Смена направлений бризовой циркуляции в достаточно мощном по вертикали потоке в зависимости от времени суток и сезона года вызывает противоположные по знаку радиометеорологические условия, которые играют существенную роль в формировании флуктуационного режима.
Судя по интегральным распределениям, наибольшей устойчивостью сигнала на трассе 1 характеризуется осенний сезон, а на трассе 2 - зимний и весенний сезоны. По-видимому, указанная зг кономерность обусловлена сезонной зависимостью изменчивостей структуры, динамики, интенсивности и формы тропосферных неоднородностей, которые стабилизируются в тропосфере на прибрежной трассе 2 в зимний и весенний периоды, когда подстилающая поверхность становится однородной после замерзания Охотского моря.
