Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль водяного пара в атмосферных процессах и методы его измерения
1.1 Роль водяного пара в атмосферных процессах 11
1.2 Обзор применяемых методов измерения влажности в атмосфере с использованием шар-зондов и аэростатов 15
1.2.1 Гигрометры точки инея (конденсационные гигрометры) 18
1.2.2 Флуоресцентные гигрометры 20
1.2.3 Подстраиваемые лазерно-диодные гигрометры 23
1.2.4 Радиозондовые датчики влажности 25
Глава 2. Оптический флуоресцентный гигрометр FLASH-B
2.1 Флуоресцентный метод измерения влажности 30
2.2 Общее описание и конструкция гигрометра FLASH-B 35
2.2.1 Электронный блок 38
2.2.2 Электронный фотоумножитель и интерференционный светофильтр 42
2.3 Оптическая система гигрометра: расчёт и варианты реализации 44
2.3.1 Юстировка оптической системы 45
2.3.2 Расчёт оптической системы в разных вариантах реализации 46
2.4 Водородная лампа 49
2.4.1 Исследование стабильности и мониторинг водородных ламп 53
2.5 Калибровка гигрометра 56
2.6 Оценка констант скорости дезактивации 60
2.7 Расчёт погрешности измерений гигрометра FLASH-B 65
2.7.1 Погрешность калибровки 65
2.7.2 Разброс значений в кадре данных 68
2.7.3 Суммарная погрешность гигрометра 69
Глава 3 Техника аэростатных экспериментов с гигрометром FLASH-B
3.1 Система передачи данных 74
3.2 Аэростатный подвес и схема аэростатного эксперимента 76
3.3 Программное обеспечение аэростатных экспериментов 80
3.4 Выводы к главе 3 86
Глава 4 Сравнение гигрометра FLASH-B с гигрометром NOAA и микроволновым радиометром MIAWARA по данным полевой кампании LAUTLOS-WAWAP.
4.1 Полевая кампания LAUTLOS-WAWAP 88
4.2 Сравнение данных измерений FLASH-B и NOAA 90
4.2.1 Задержка отклика гигрометра NOAA и её влияние на результаты сравнения 95
4.3 Сравнение данных измерений микроволнового радиометра MIAWARA с данными аэростатных экспериментов 98
4.4 Измерения влажности гигрометром FLASH-B в тропосфере 102
4.5 Выводы к главе 4 104
Глава 5. Особенности вертикального распределения водяного пара в зимней арктической стратосфере по данным FLASH-B.
5.1 Вертикальное распределение водяного пара внутри и вне стратосферного циклона по данным измерений FLASH-B в январе-феврале 2004 г 107
5.1.1 Полярный стратосферный циклон 2003/04 года 107
5.1.2 Анализ результатов измерений 108
5.1.3 Результаты моделирования полей потенциальной завихренности 112
5.2 Сравнение данных FLASH-B с модельными расчётами 114
5.3 Структурные особенности профилей водяного пара 118
5.3.1 Слоистая структура профиля стратосферной влажности на границе циклона 119
5.3.2 Вертикальные профили водяного пара в присутствии полярных стратосферных облаков 123
5.3.2.1 Полярные стратосферные облака и дегидрация 124
5.3.2.2 Результаты измерений и анализ 126
5.4 Выводы к главе 5 135
Заключение 138
Список литературы 141
Приложения 154
- Обзор применяемых методов измерения влажности в атмосфере с использованием шар-зондов и аэростатов
- Электронный фотоумножитель и интерференционный светофильтр
- Программное обеспечение аэростатных экспериментов
- Сравнение данных измерений микроволнового радиометра MIAWARA с данными аэростатных экспериментов
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена усовершенствованию
флуоресцентного гигрометра FLASH-B для аэростатных измерений влажности в верхней тропосфере и стратосфере и исследованию особенностей вертикального распределения водяного пара в Арктической стратосфере по данным, полученным при помощи гигрометра. Исследовательская часть работы выполнена на основе экспериментального лабораторного материала и по данным аэростатного зондирования Арктической атмосферы гигрометром FLASH-B. Актуальность темы.
Водяной пар, являясь парниковым газом, воздействует на радиационный и температурный режим атмосферы и ее химический состав. В отсутствие водяного пара температура земной поверхности была бы на 32 К ниже существующее 1]. Вклад водяного пара в парниковый эффект зависит не только от его общего содержания но и от его вертикального распределения [2].
В связи с неоднородностью распределения водяного пара, связанной с атмосферной динамикой, а также наличием его фазовых переходов, существуют различные противоречивые гипотезы, объясняющие климатические изменения и отличающиеся знаком обратной связи между содержанием водяного пара и парниковым эффектом [3,4]. Хотя повышение температуры должно приводить к увеличению влажности и потеплению (парниковый эффект), не совсем ясно, приведёт ли это потепление к дальнейшему повышению влажности вследствие испарения (положительная обратная связь), или поднимающиеся тёплые воздушные массы будут осушаться (отрицательная обратная связь).
В этой связи чрезвычайно важным является изучение долговременных изменений концентрации водяного пара. Обнаруженный по данным многолетних аэростатных наблюдений положительный тренд водяного пара в стратосфере не подтверждается спутниковыми наблюдениями [5]. Между
тем, увеличение концентрации водяного пара в стратосфере может иметь серьёзные последствия на эволюцию стратосферы и являться свидетельством серьезных климатических изменений [6]. Например, в работе [7] делается вывод о том, что удвоение содержания водяного пара в стратосфере приведёт к увеличению средней температуры земной поверхности на 1К.
Стандартные радиозондовые измерения влажности, как правило, ограничены тропосферными высотами, в то время как спутниковые и наземные дистанционные измерения не обладают достаточным разрешением и являются надёжными только на высотах более 20 км [5]. Контактные измерения водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере представляют сложную техническую задачу из-за его низких концентраций в стратосфере и высокого градиента в области тропопаузы. Аэростатные гигрометры, способные измерять концентрацию водяного пара в этой области, в большинстве своём представляют собой крупногабаритные, дорогостоящие и сложные в применении приборы. С этой точки зрения, разработанный в Центральной аэрологической обсерватории и усовершенствованный автором малогабаритный аэростатный гигрометр FLASH-B, может служить наиболее приемлемым средством для изучения вертикального распределения влажности в верхней тропосфере и стратосфере. Цель работы
Целью работы является исследование особенностей вертикального распределения водяного пара в зимней Арктической стратосфере, а также усовершенствование флуоресцентного аэростатного гигрометра FLASH-B для его массового изготовления и эксплуатации.
Поставленные цели достигались путём решения следующих задач:
1. Усовершенствование и доработка гигрометра:
доработка и оптимизация оптической системы флуоресцентного гигрометра;
разработка программного обеспечения для приёма телеметрической информации и обработки полётных данных флуоресцентного гигрометра;
исследование характеристик бортовых источников вакуумного ультрафиолетового излучения для флуоресцентного гигрометра;
определение констант скорости дезактивации возбуждённых молекул гидроксила для рабочего спектрального диапазона гигрометра (306-310 нм).
2. Оценка погрешности измерения влажности флуоресцентным гигрометром.
3. Проведение аэростатных измерений водяного пара флуоресцентным
гигрометром;
4. Сравнение гигрометра FLASH-B с гигрометром NOAA1 и микроволновым
радиометром MIAWARA2 по данным международной полевой кампании
LAUTLOS3;
5. Анализ полученных данных о вертикальном распределении водяного пара,
включая модельные представления.
Научная новизна работы
Получены новые данные о вертикальном распределении водяного пара в зимней Арктической стратосфере. Анализ данных измерений FLASH-B и модельных расчётов позволил объяснить особенности вертикального распределения водяного пара вне, внутри и на границе полярного стратосферного циклона.
Определены особенности вертикального распределения водяного пара в зимний период для сравнительно «теплой» стратосферы и для экстремально низких температур в период существования полярных стратосферных облаков в Арктическом циклоне.
Получены оценки погрешности измерений гигрометром и намечены пути их уменьшения. Установлено по данным одновременных измерений, что
1 NOAA - National Atmospheric and Oceanic Administration, США
2 MIAWARA - Middle Atmospheric WAter vapour RAdiometer, Швейцария
3 LAUTLOS-WAVVАР - LAPBIAT Upper Tropospheric and LOwer Stratospheric Water Vapour VAlidation
Project
расхождение между показаниями приборов FLASH-B и NOAA лежит в пределах заявленных погрешностей. 4. Для ограниченного (306-310 нм) спектрального диапазона флуоресценции определены константы скорости дезактивации возбужденных молекул гидроксила.
Практическая ценность работы
Усовершенствована технология сборки и настройки гигрометра с контролируемыми параметрами его оптических характеристик. Разработанный пакет программ трассировки лучей в оптической части гигрометра позволил применить пластиковые линзы, что в целом позволяет понизить вес, габариты и стоимость прибора.
Расширен высотный диапазон применения гигрометра, который с учетом полученных новых значений констант скорости дезактивации достигает 35 км.
Разработанный программный пакет HygroFLASH позволяет производить приём, обработку, запись и графическую визуализацию данных измерений гигрометра FLASH-B в полностью автоматическом режиме непосредственно во время проведения аэростатного эксперимента.
Полученный массив данных о вертикальном распределении водяного пара может быть использован:
как справочные данные по влажности Арктической стратосферы для холодной
и тёплой зимы для воздушных масс вне и внутри стратосферного циклона;
для валидации климатических моделей и спутниковых данных;
для изучения стратосферно-тропосферного обмена.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается хорошим согласием данных измерений гигрометра FLASH-B с данными измерений гигрометра NOAA и радиометра MIAWARA, полученными в ходе проведения международной кампании сравнений. Процедура калибровки с использованием лабораторного
гигрометра точки росы MBW-373L обеспечивает заданную влажность не хуже, чем ± ОД С по точке инея в диапазоне - 95 .. 20 С.
Результаты исследований, полученные в работе, в целом согласуются с ранее опубликованными результатами.
Личный вклад автора
Автором лично были выполнены следующие работы:
разработка программного комплекса для расчёта и оптимизации оптической системы гигрометра FLASH-B, а также расчёт усовершенствованной оптической системы;
проведение лабораторных экспериментов и расчетов по улучшению технических характеристик гигрометра FLASH-B, включая оценку погрешности его измерений;
разработка программного комплекса для приёма телеметрической информации и обработки полётных данных гигрометра;
подготовка аппаратуры и участие в международной полевой кампании по сравнению аэростатных гигрометров и радиозондов, а также обработка и сравнительный анализ полученных данных;
проведение анализа полученных данных о влажности Арктической стратосферы.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа вертикального распределения влажности внутри, вне и на
границе стратосферного циклона в условиях «тёплой» стратосферы (зима 2004 г.), а также в условиях экстремально низких температур в период существования полярных стратосферных облаков (зима 2005 г.).
2. Результаты сравнений гигрометра FLASH-B с гигрометром точки инея NOAA и
микроволновым радиометром MIAWARA.
3. Анализ и оценка погрешности измерений гигрометром FLASH-B и
рекомендации по улучшению его метрологических характеристик.
4. Усовершенствованная и оптимизированная оптическая система флуоресцентного гигрометра (применение линз Френеля, геометрия расположения оптических элементов), а также программный комплекс для приёма и обработки данных гигрометра в режиме реального времени.
Обзор применяемых методов измерения влажности в атмосфере с использованием шар-зондов и аэростатов
Измерения содержания водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере - чрезвычайно сложная задача. Концентрация водяного пара в стратосфере в сотни раз меньше, чем в тропосфере и имеет высокий градиент в области тропопаузы. К тому же, пространственная и временная изменчивость водяного пара в стратосфере сравнительно мала, поэтому даже незначительные изменения концентрации требуют внимательного рассмотрения. А это, в свою очередь, предъявляет высочайшие требования к точности измерений.
На сегодняшний день не существует прибора, способного производить измерения на всём диапазоне высот с достаточной точностью, и охватом во времени и пространстве. Однако спектр применяемых методов достаточно широк. На рис. 1.1 показаны высотные диапазоны, на которых работают наиболее важные из применяемых методов измерения влажности.
Чрезвычайно важной, но технически очень сложной задачей является лабораторная калибровка гигрометров - приборов для контактного измерения водяного пара. Это обусловлено сложностью воспроизведения стратосферных условий в лаборатории. Эталонными гигрометрами служат гравиметрические гигрометры и высокоточные генераторы влажного газа, работающие по принципу насыщения воздуха над поверхностью льда или воды при заданной температуре. Обзор этих методов, разработанных в середине XX века, приведён в работах [19,20 и 21]. Зачастую в качестве эталонов используются гигрометры точки инея.
В данной главе рассмотрены контактные (in-situ) методы измерения водяного пара, и представлены наиболее известные аэростатные гигрометры и радиозондовые датчики влажности. Дистанционные приборы, в том числе приборы спутникового базирования перечислены в приложении 1. Подробный обзор дистанционных методов измерения водяного пара дан в работе [2].
Контактные измерения водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере (ВТНС) проводятся уже в течение 60 лет и впервые были описаны в работах [22,23]. Среди них, наиболее важными являются: метод определения точки инея, абсорбционный и флуоресцентный методы, а также инфракрасный абсорбционный метод, применяемый в подстраиваемых лазерных спектрометрах.
Одной из важнейших проблем, связанных с контактными измерениями НгО является т.н. «контаминация», т.е. загрязнение измерительного объёма или камеры водяным паром, десорбированным с технологических поверхностей прибора или аэростатной оболочки. Для избежания этого эффекта применяются различные методы, например, подогрев стенок измерительной камеры и заборного отверстия, высокая скорость воздушного потока через прибор, а также конструкции открытого типа.
Преимуществом контактных методов измерений по сравнению с дистанционными методами является их высокая точность и пространственное разрешение Калибровка контактных приборов может регулярно осуществляться в лаборатории или в полёте, и возможные инструментальные дрейфы легко обнаружимы. Поэтому контактные приборы часто применяются в качестве эталонных для валидации дистанционных приборов спутникового базирования.
В качестве единицы измерения влажности в стратосфере принято использовать отношение смеси водяного пара (по объёму) — /и т.е. отношение объёма водяного пара к объёму сухого воздуха. Эта безразмерная величина выражается в миллионных долях (млн"1), или, в международном обозначении - ppmv (сокращение по первым буквам от parts per million by volume). Естественно, при этом, что 1 млн 1 равна 10"6.
Электронный фотоумножитель и интерференционный светофильтр
В оптическом гигрометре для измерения потока флуоресценции от возбуждённого гидроксила ОН используется фотоумножитель HAMAMATSU R647-04 (Япония). ФЭУ HAMAMATSU R647-04 относится к фотоумножителям фронтального типа, работающим в режиме счёта фотонов. Режим счёта фотонов является одним из самых эффективных использования ФЭУ для измерения очень слабых световых потоков. Он широко используется для флуоресцентной спектроскопии и астро- фотометрии. В таблице 2.3 приведены основные технические характеристики ФЭУ HAMAMATSU R647-04. Температурный дрейф чувствительности ФЭУ составляет приблизительно 0,5% на градус. Поэтому, для обеспечения стабильности характеристик гигрометра применяется термостабилизация ФЭУ с точностью +/- 2С. Продолжительность импульса измерения ФЭУ составляет 7,5 не, а мёртвое время дискриминатора, т.е. время, в течение которого фотоны не воспринимаются ФЭУ, составляет 14 не. Сигнал ФЭУ сильно зависит от напряжения питания, что предъявляет высокие требования к его стабильности. Между тем, для каждого ФЭУ существует такой диапазон напряжения, в котором сигнал слабо зависит от напряжения питания (т.н. «плато» в кривой зависимости выходного сигнала от напряжения). Этот диапазон плато индивидуален для каждого экземпляра ФЭУ и выбирается экспериментальным путём в процессе сборки гигрометра. Открытая конструкция гигрометра FLASH-B требует применения узкополосного светофильтра для отбора спектральной области флуоресценции и фильтрации фоновой засветки ночного неба. В гигрометре используется интерференционный светофильтр с центром полосы пропускания 313 нм, полушириной 10 нм и пропускаемостью до 53%.
Он сконструированв виде многослойных гафниевых и силиконовых пластин на V кварцевой подложке. В приборе фильтр установлен на приёмное окно фотоумножителя. Конструкция фильтра обеспечивает стабильное функционирование вне зависимости от внешних условий и защищённость от механических повреждений. Относительная температурная зависимость сдвига центра полосы пропускания фильтра мала. Она может быть определена как (ДА/Хтах)/ЛТ и составляет порядка 7-10"5/С. Поскольку фильтр установлен на приёмном окне ФЭУ, поддерживаемом при квазипостоянной температуре при помощи системы термостабилизации, изменения спектральной характеристики фильтра в полёте не происходят. Как видно из рис. 2.1, угол падения излучения флуоресценции на интерференционный светофильтр отличен от нуля и находится в пределах от 8 до 19 градусов. Между тем, как показано в табл. 2.4, спектральная полоса пропускания интерференционного фильтра зависит от того, под каким углом падает свет на фильтр. Поэтому при изготовлении интерференционного светофильтра учитывалась зависимость положения и формы полосы пропускания фильтра от угла падения света. Оптическая система гигрометра предназначена для сбора излучения флуоресценции на фотокатод ФЭУ. Она состоит из трёх осесимметрично расположенных кварцевых или пластиковых линз (см. рис.2 Л) в металлической оправе. В базовом варианте реализации оптической системы последняя состоит из двух двояковыпуклых кварцевых линз и одной выпукло-вогнутой линзы, расположенной вогнутой стороной наружу и служащей, также, оправой для лампы. Эскиз кварцевых линз приведён на рис. 2.5. Материал линз - оптическое кварцевое стекло U-Viol US-49 с коэффициентом преломления 1,6 и коэффициентом термического расширения 7,08" 10 6 град"1. В версии оптической системы с пластиковыми линзами вместо двух двояковыпуклых кварцевых линз используются две пластиковые линзы Френеля, что позволяет несколько понизить вес и уменьшить габариты прибора. Линзы имеют фокусное расстояние 68 мм и выполнены из пластика марки РММА 8N. Коаксиальная схема оптической системы прибора позволяет предъявлять минимальные требования к ее юстировке. Это важно для создания массовой технологии сборки многоэлементной оптической системы. При использовании линз с заданными техническими характеристиками основное требование к юстировке сводится к их ортогональному расположению относительно общей оптической оси прибора. Цилиндрический корпус оптического блока позволяет легко выполнять это требование. Дополнительная юстировка в случае необходимости достигается с помощью уплотнительных фиксирующих положение линзы прокладок, изготавливаемых из фторопласта. Собранная конструкция устойчива к вибрациям и температурным воздействиям (от +30С до -90С ). Окончательная юстировка прибора осуществляется следующим образом. В области анализируемого объема располагается фотодиод, имитирующий свечение флуоресценции. Положение катода фотоприемника определяется (в пределах ± 5мм ) таким образом, чтобы измеряемый имитационный сигнал был наибольшим. При этом положение фотоприемника фиксируется на оптической оси по отношению к линзовому блоку. Выбранное положение фотоприемника на оптической оси является рабочим и фиксируется крепежными соединениями.
В дальнейшем все калибровки прибора осуществляются при установленных размерах расположения оптических элементов. Основными требованиями, исходя из которых выбираются взаиморасположение элементов оптической системы и их оптические параметры, являются: - точная фокусировка излучения флуоресценции на фотокатод; - оптимизация расстояния между окном ВУФ лампы и центром анализируемого объёма воздуха; - уменьшение габаритов прибора. Оптимальное расстояние Ьф между окном ВУФ лампы и центром анализируемого составляет 24 мм. При увеличении этого расстояния, соответственно, возрастает, поглощение ВУФ излучения воздухом, и уменьшается чувствительность прибора. Между тем, уменьшение расстояния ведёт к повышению эффекта загрязнения анализируемого объёма водяным паром, десорбированным с поверхности прибора. В рамках данной работы был разработан программный пакет, предназначенный для расчёта и оптимизации оптической системы с кварцевыми и пластиковыми линзами. Программа позволяет рассчитать оптимальные геометрические размеры оптического блока и оптические характеристики элементов, входящих в оптическую систему гигрометра. Программа расчёта оптической системы из Зх кварцевых линз. В этой версии программы по умолчанию заданы геометрические параметры трёх кварцевых линз (см. рис. 2.5) и их относительное расположение. Входными параметрами программы являются расстояние Lj между фотокатодом и первой линзой (ближайшей к ФЭУ), а также коэффициент преломления п, единый для всех линз. Результатом работы программы являются: траектория хода лучей от области флуоресценции до окна фотоумножителя и значения объёма и геометрического положения области, из которой собирается флуоресценция.
Программное обеспечение аэростатных экспериментов
Целью международной полевой кампании LAUTLOS было проведение сравнений существующих аэростатных приборов для измерения влажности стратосферы и тропосферы, а также получение новых высокоточных данных о влажности стратосферы в Арктическом регионе. В сравнении принимали участие приборы России, США, Германии, Швейцарии и Финляндии. Кампания проводилась с 27 января по 29 февраля 2004 года в Арктическом центре Финского метеорологического института в г. Соданкюла, Финляндия (67.4 с.ш., 26.6 в.д.).
В ходе кампании было проведено 13 ночных пусков большого аэростатного подвеса на пластиковой оболочке Raven объёмом 538 м3 с 6 приборами на борту, в том числе гигрометры FLASH-B и NOAA, а также 21 дневной пуск малого аэростатного подвеса на резиновой оболочке ТА-3000 с 5 приборами на борту. Наряду с аэростатными измерениями во время проведения кампании сравнений функционировал наземный микроволновой радиометр MIAWARA (см. 3.3). Следует отметить, что такие интенсивные измерения вертикального распределения водяного пара в Арктическом регионе осуществлялись впервые. С помощью гигрометра FLASH-B было получено 11 вертикальных профилей водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере.
Пуски большого аэростата проводились в тёмное время суток приблизительно в 17.30 по Гринвичскому времени. В состав аэростатного подвеса входил парашют, мигающий фонарь, командный блок, система определения координат, уголковый отражатель и непосредственно приборный подвес. Приборный подвес был сконструирован, как две скреплённые крест накрест пластиковые трубы длиной 2 м каждая. В его состав входили следующие приборы: гигрометр FLASH-B в комплекте с радиозондом Vaisala RS-80, гигрометр точки инея NOAA-CMDL в комлекте с озонозондом (стандартная электрохимическая ячейка ЕСС) и радиозондом Vaisala RS-80, гигрометр точки инея Snow White (см. 1.2.1), радиозонд FN (см 1.2.4) и радиозонд Vaisala RS-92 (см. 1.2.4). Приборы FLASH-B, Snow White, FN и RS-92 закреплялись на концах труб, а прибор NOAA, обладая наибольшими габаритами, располагался в центре приборного подвеса. У всех гигрометров кроме Snow White, имеющего собственный телеметрический передатчик, радиотелеметрия была организована на базе радиозондов Vaisala. Каждому передатчику была назначена несущая радиочастота в диапазоне 400 .. 406 МГц с шагом 1 МГц, что обеспечивало уверенный приём сигналов всех радиозондов с помощью наземных приёмных систем.
Для синхронизации данных измерений всех приборов и в качестве опорных данных были использованы данные часов компьютера, входящего в состав наземной приёмной системы каждого прибора. Часы всех компьютеров синхронизировались перед каждым аэростатным экспериментом. .
Система определения координат позволяла отслеживать траекторию полёта аэростата и определять место приземления аэростатного подвеса. Это позволило осуществлять подбор и возвращение приборов на станцию зондирования.
Принцип действия и особенности гигрометра точки инея NOAA приведены в разделе 1.2.1. Во время проведения аэростатных экспериментов LAUTLOS переключение коэффициента обратной связи в гигрометре NOAA происходило, как правило, на уровне 150 - 200 мБар, что соответствует высоте 11-13 км. В большинстве случаев после переключения коэффициента обратной связи контроллеру требуется несколько минут, чтобы вернуться в режим устойчивого функционирования, и в это время прибор выдаёт ошибочные, зачастую сильно заниженные и зашумлённые показания [80]. Всего за время кампании с помощью гигрометра NOAA было получено 6 вертикальных профилей водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере.
В 2-х из 13-ти пусков большого аэростата вместо гигрометра NOAA участвовал его аналог - экспериментальный гигрометр CU-CFH. Криогенный Гигрометр Точки Инея CU-CFH, разработан в Колорадском Университете, США. Этот прибор представляет собой модификацию гигрометра NOAA с уменьшенным весом и энергопотреблением. Кроме того, в гигрометре CU-CFH используется цифровой контроллер обратной связи, позволяющий применять улучшенный алгоритм для поддержания постоянного слоя инея на зеркале. Во время кампании LAUTLOS этот гигрометр использовался для измерений водяного пара в реальных условиях впервые. Возникшие технические неполадки в работе этого прибора во время аэростатных экспериментов полевой кампании несколько снизили точность измерений [81], поэтому данные измерений CU-CFH не привлекались в данной работе к сравнению с данными FLASH-B в разделе 3.2, но участвовали в сравнении с дистанционными измерениями влажности, результаты которого приведены в разделе 3.3.
Для сравнения гигрометров FLASH-B и NOAA были использованы данные одновременных измерений влажности, полученные в ходе 6 аэростатных экспериментов. Даты проведения аэростатных экспериментов, данные которых использовались для сравнения гигрометров, а также максимальная высота зондирования для этих полётов приведены в табл. 4.1.
Сравнение данных измерений микроволнового радиометра MIAWARA с данными аэростатных экспериментов
Принцип действия наземного микроволнового радиометра MIAWARA основан на измерении интенсивности излучения водяного пара на линии 22,235 ГГц. Широкополосный опто-акустический спектрометр, входящий в состав радиометра, имеет ширину полосы пропускания 1 ГГц и разрешение 1,2 МГц. Узкополосный спектрометр имеет ширину полосы пропускания 40 МГц и разрешение 14 КГц. Подробное описание прибора приведено в работах [82,83].
Во время проведения полевой кампании LAUTLOS радиометр MIAWARA выполнял непрерывные измерения концентрации водяного пара в диапазоне высот 20 .. 80 км. Для сравнения с данными контактных измерений в стратосфере были привлечены результаты 10 аэростатных экспериментов с участием гигрометров FLASH-B, NOAA и CU-CFH. Результаты сравнений представлены на рис. 4.6. Совмещение результатов аэростатного и дистанционного зондирования позволил получить вертикальный профиль водяного пара в диапазоне высот 0 .. 60 км. Профили водяного пара, полученные гигрометрами, имеют значительно более высокое вертикальное разрешение, .чем профили, измеренные дистанционно радиометром MIAWARA. Поэтому для проведения сравнительного анализа вертикальное разрешение профилей, измеренных гигрометрами, было уменьшено до соответствия сетке восстановления данных MIAWARA при помощи уравнения Кёртиса-Годсона [84] в соответствии с методом, описанным в работе [85]. Профили, полученные прибором MIAWARA, рассматривались только на тех высотах, где вклад априорных данных составлял менее 30%. Поскольку аэростатные измерения во время подъёма аэростата были подвержены влиянию контаминации, для сравнения использовались только данные измерений, полученных во время спуска аэростата. Данные гигрометров NOAA и CU-CFH от зондирований 29.01, 15.02 и 16.02, показанные на рис. 4.6 пунктирными линиями, не принимались во внимание, т.к. они либо сильно завышены, (в зондировании от 29.01 и 16.02, как следствие остаточного влияния контаминации - см. 3.2), либо занижены (в зондировании 15.02, как следствие неполадок работы контроллера гигрометра CU-CFH). В зондировании от 6.02 гигрометр NOAA вышел из строя во время подъёма аэростата на высоте 16 км. Относительное расхождение между данными MIAWARA и данными аэростатных экспериментов вычислялось по формуле: Сравнение показывает, что данные дистанционных и аэростатных измерений, как видно из таблицы 4.2, находятся в хорошем согласии друг с другом. Все расхождения лежат в пределах погрешности измерений концентрации водяного пара радиометром MIAWARA, которая на этих высотах составляет 15-20% [81]. На рис. 4.7 показана эволюция содержания водяного пара по данным аэростатных и дистанционных измерений, а также значения модифицированной потенциальной завихренности, рассчитанной в соответствии с методом, описанным в работе [86] в диапазоне высот 20 ..25 км. Из графика видно, что изменение содержания водяного пара отражаются в данных измерений всех приборов. В частности, понижение отношения смеси водяного пара в период с 8.02 по 15.02, хорошо воспроизводится в данных всех приборов. Следует также отметить, что измерения, проведённые в рамках кампании LAUTLOS, были выполнены при различном положении стратосферного циклона относительно станции зондирования (более подробно об этом написано в главе 5). Как и следовало бы ожидать, большие значения отношения смеси водяного пара соответствуют большим значениям потенциальной завихренности в этом высотном диапазоне. По результатам измерений от 25.02 профиль водяного пара, полученный MIAWARA, существенным образом отличается от профилей, полученных при помощи аэростатных измерений влажности. В этот день распределение потенциальной завихренности над станцией зондирования было весьма неоднородным, а траектория полёта аэростата сильно отличалась от направления микроволновых измерений. Поэтому, разумно предположить, что микроволновое и аэростатное зондирования производились в этот день в различных воздушных массах с разным содержанием водяного пара [81]. Коэффициенты корреляции между данными отношения смеси водяного пара, измеренными различными приборами, как показано на рис. 4.7 приведены в табл. 4.3. Корреляция увеличивается при исключении из анализа данных от 25.02. Коэффициент корреляции для данных FLASH-B и MIAWARA по всем датам аэростатных экспериментов составляет 0,58, а без учёта данных от 25.02 - 0,84. Коэффициент корреляции между данными FLASH-B и NOAA по всем датам аэростатных экспериментов составляет 0,83. Значения коэффициентов корреляции превышают в 2,5 раза (при исключении данных 25.02) среднеквадратичное отклонение коэффициентов корреляции при случайном перемешивании данных измерений. Это говорит о том, что высокая корреляция не является случайным результатам и подтверждает высокую степень согласия между данными дистанционных и аэростатных измерений[81]. Измерение влажности флуоресцентным методом на тропосферных высотах существенно затрудняется сильным поглощением ВУФ излучения водородной лампы водяным паром и кислородом. Это ограничивает высотный диапазон измерений гигрометра FLASH-B верхней тропосферой (7-8 км). Сравнение данных измерений FLASH-B с данными гигрометра точки инея NOAA (см. 3.2) показало, что расхождение между данными на тропосферных высотах в среднем составляет 9,43%, т.е. лежит в пределах заявленной погрешности измерений обоих приборов. Поправка для формулы пересчёта сигнала ФЭУ в отношение смеси водяного пара, учитывающая поглощение ВУФ излучения на высотах тропосферы (см. 2.5), позволяет в некоторых случаях расширить высотный диапазон измерений до высот средней тропосферы. Данные одновременных измерений влажности, полученные в результате серии аэростатных экспериментов, проведённых в рамках полевой кампании LAUTLOS, позволили оценить качество измерений FLASH-B в тропосфере. Качественный анализ результатов экспериментов показал, что при отсутствии осадков во время пуска аэростата и в условиях невысокой влажности в пограничном слое данные измерений FLASH-B хорошо согласуются с данными других приборов, в частности с данными радиозондовых датчиков влажности, предназначенных для измерений в тропосфере (Vaisala RS-92, FN) до высоты 3-4 км. В качестве примеров хорошей производительности FLASH-B в средней тропосфере на рис. 4.8 показаны профили относительной влажности, полученные при одновременных измерениях влажности приборами NOAA/CU-CFH, FN, Vaisala RS-92, Snow White и FLASH-B в результате пусков большого аэростата 11.02.2004 и 15.02.2004. Влияние контаминации на измерения в условиях тропосферы несущественно, поэтому на рис. 4.8 показаны профили, измеренные во время подъёма аэростата. Показания влажности FLASH-B в эксперименте 11.02 (рис. 4.8а) явно занижены по сравнению с показаниями других приборов до высоты 4 км. Выше 4 км показания FLASH-B отличаются от среднего значения влажности по данным других приборов не более, чем на 4% в единицах относительной влажности, при этом структура профиля влажности одинаково точно воспроизводится всеми приборами. Аналогичное поведение гигрометра FLASH-B можно проследить в эксперименте 15.02 (рис. 4.86).
Похожие диссертации на Особенности вертикального распределения водяного пара в арктической стратосфере по данным оптического гигрометра
