Введение к работе
Актуальность проблемы
Термодинамические процессы естественного или искусственного происхождения, проходящие в сплошной жидкой среде, т.е., Е жидкости или газе, часто имеют локальный и стационарный характер. Вследствие сосредоточения энергии в ограниченной области локальные процессы, как правило, более интенсивны, чей процессы, распределенные в пространстве.
Ураганы, смерчи, грозо-градовые процессы - это кощные локальные процессы в атмосфере. Эти процессы единовременно охватывают сравнительно небольшой объем воздушного пространства, однако благодаря своей интенсивности оказывают большое влияние на жизнь планеты, существенно влияя на климат в целом. Порой они вызывают стихийные бедствия, последствия которых сказываются на жизни регионов и целых государств в течение ряда лет.
С тем, чтобы уменьшить последствия опасных атмосферных процессов используются две возможности. Первая - пассивная: организация системы мониторинга опасных явлений погоды с целью своевременного предупреждения промышленных и сельскохозяйственных предприятий и населения об ожидаемом бедствии. Вторая - активная: воздействие на атмосферные процессы таким образом, чтобы направить их развитие в желаемом направлении. При реализации этой второй возможности мониторинг еще более необходим, чем при пассивном наблюдении.
Впервые локальный процесс в виде одной из возможных форм -одномерной уединенной волна - наблюдался Дж. Схотток Расселом (1834 г.). При теоретическом рассмотрении установлено, что многие нелинейные одномерные, а также двумерные дифференциальные уравнения в частных производных приводят к солипюнаи, т.е. локальным решениям с некоторыми специальными свойствами. В настоящее время известны десятки таких уравнений: уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КдФ), модифицированное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение мКдф), нелинейное уравнение Шрёдингера, уравнение sin-Гордон, уравнение sh-Гордон, уравнение Нуссинеска, уравнение Кадомцева-Петвиашвили или двумерное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КП), двумерное уравнение sin-Гордон и т.д.. Развиты методы решения подобных уравнений. В соответствии сг определением [Абловиц М.Д., Сигур Н. Солитоны и метод обратной задачи, 1987] солитонами называются любые локализованные нелинейные волны, которые, взаимодействуя с произвольными локальными возмущениями, всегда восстанавливают свою форму.
Существующий теоретический подход при исследовании локальных процессов направлен на построение нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, адекватно описывающих физическое явление, поиск их решений, среди которых могут быть солитонные, И анализ самих решений.
На этом пути имеется ряд трудно преодолимых препятствий принципиального и технического характера.
1. Исходные свойства локальных термодинамических процессов не в полной мере соответствуют свойствам солитона, определенным выше. Ввиду этого для описания локальных процессов различного вида, не подпадающих под определение уединенной волны, употребля-
ются термины: квазисолитон, модон, солитоноподобное возбужден! ламп (двумерный солитон) и др.
В настоящей работе преимущественно исследуются двумерные трехмерные локальные процессы (коротко локалы) различного типа міі не используем какого либо другого термина для их названия.
2. Многие локальные реальные процессы настолько сложны, ч более или менее адекватная система уравнений не находит аналит ческого решения.
Указанные выше трудности в полной мере относятся к локальн термодинамическим процессам в атмосфере. При построении систс-дифференциальных уравнений необходимо учесть множество фактор (например, фазовые переходы воды и выпадение осадков различно типа). В результате эта система становится несбоаримоР;. Решен невозможно получить в аналитической форме, а свойства решения д леко не всегда соответствуют свойствам классического солитона.
Применение численных методов при исследовании атмосфери процессов встречает свои трудности. Среди проблем - тяжело ЕЫПО нимые требования по информации о начальных условиях из-за большого объема, неустойчивость получающихся решений и больш требования к быстродействию и объему оперативной памяти компьют ров. Быстрый прогресс вычислительной техники, происходящий последнее время, не в состоянии компенсировать другие трудности
Е то же время накоплен значительный наблюдательный материа который позволил выявить характерные особенности, провести кла сификацию, определить усредненные параметры интенсивных локалыг атмосферных процессов. В частности, для грозо-градовых процесс определены типовые высоты, площадь, особенности структуры, заро дения, роста и диссипации градовых ячеек, схорость и направлені перемещения процесса в целом, скорость воздушных потоков, никр физика зарождения града и т.д. Предложены упрощенные зависимості позволяющие рассчитать отдельные параметры процессов, однако о щие соотношения отсутствуют. Выявлена сложная структура гр зо-градового процесса, элементами которой являются более прост1 локальные процессы меньшего масштаба. Один из таких элементо определяющий интенсивность процесса в целом, - восходящая возду ная струя.
Существенным фактором, определяющим достоверность и информ; тивность наблюдательных данных, являются методы и средства иэм< рений. При изучении атмосферных процессов используются прямые дистанционные методы. Посредством измерительных приборов, устг новленных на борту самолета, вертолета, на воздушном шаре или і ракете, получают точные непосредственные данные о параметрах а: мосферы по линии полета летательного средства. Однако таким обрг зом нельзя получить информацию о пространственной структуре прс цесса в целом.
Посредством метеорадиолокатора (МРЛ) осуществляют практичес ки одномоментное дистанционное зондирование атмосферы в полусфеї обзора при дальности до 300 км. При надлежащем выборе длины волі радиолокационный луч способен пронизать облако, что дает возмоя ность получить данные об облачности во всей полусфере.
Качество метеорадиолокатора как измерительного прибора опрс деляют такие параметры как достоверность, точность, разрешают.;:
способность, способность идентифицировать тонкую структуру сигнала. С применением объективных автоматизированных методов становится возможным обработать практически всю получаемую информацию и выделить особенности тонкой локальной структуры метеоцели в реальном времени. Однако необходимо учитывать неточность и пространственные искажения, присущие метеорадару как измерительному средству. Свои сложности привносит и статистическая природа облака как объекта наблюдений, определяющая шумовую природу отраженного от него радиолокационного сигнала.
Таким образом, теоретическое изучение локальных атмосферных процессов, создание средств их наблюдения, получение наблюдательных данных и их сопоставление с теоретическими результатами -комплексная задача, которая может быть решена только при едином всестороннем подходе.
Цель работы:
развитие нового научного направления, зключающего теоретическое исследование общей структуры и обобщенную оценку параметров локальных процессов в сплошной жикой среде и атмосфере, а также статистические методы синтеза и анализа качества радиолокационных систем обнаружения и измерения локальных атмосферных процессов .
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие проблемы:
построение и анализ общей модели стационарного локального термодинамического процесса в сплошной жидкой среде;
исследование движения и силового равновесия локального термодинамического процесса как целого;
анализ силового воздействия полей скорости и массовой силы в подвижной жидкой среде на локальный термодинамический процесс;
построение модели, исследование структуры и взаимозависимостей усредненных параметров локального атмосферного процесса -восходящей воздушной струи грозо-градового облака;
построение модели, исследование взаимозависимостей усредненных параметров локального атмосферного процесса - всплывающего воздушного пузыря (термика);
исследование достоверности и точности отображения локальных метеоцелей при радиолокационном зондировании атмосферы;
решение отдельных практических задач по расчету термодинамических характеристик и наблюдению за локальными процессами в атмосфере при их естественном развитии и искусственном воздействии ;
сопоставление теоретических выводов и имеющихся данных наблюдений.
Научная новизна работы
Автором впервые получены следующие результаты.
-
Предложена общая модель локального термодинамического процесса в неподвижной в целом сплошной жидкой среде, в рамках которой получены взаимозависимости интегральных параметров: уравнение движения, уравнения силового равновесия по осям и глобальное уравнение силового равновесия.
-
Проведена классификация и определены соотношения интег-
ральных параметров для слабо и сильно локализованных процессої имеющих ядро и не имеющих ядра, статических и динамических, дб> мерных и трехмерных.
-
Исследовано движение локального термодинамического прс цесса как целого в подвижной сплошной жидкой среде и получеі уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс полях массовой силы и скорости вещества в среде в целом.
-
В рамках общей модели локального процесса построены идее лизированные модели, изучено движение и силовое равновесие лс кальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воз душной струи грозо-градового процесса и всплывающего воздушног пузыря (термика).
-
Поставлены и решены задачи оптимизации обнаружения, исс ледования точности, измерения параметров и оценки разрешающей сп собности при радиолокационном отображении локальной метеоцели.
-
Решены отдельные практические задачи по расчету термоди намических параметров локальных процессов в атмосфере при естест венном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению.
-
Корректность полученных теоретических выводов и эффектив ность практических решений подтверждена отдельными наблюдениям локальных облачных процессов.
Практическая ценность работы
Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, был выполнены в соответствии с общегосударственными научно-техничес кими программами ГКНТ, планами НИР и ЦНТП Росгидромета (те мы: III.19.3., Ш.1.1., III.l.s., III.5.1., ЦНТП-5: 1.5.1.1. 1.5.1.3., 1.5.1.5., 1.5.1.7., 1.5.2.1.), предусматривающими про работку теоретических проблем, связанных с атмосферными процесса ми при их естественном развитии и искусственном воздействии, раз работку методов и средств наблюдения за облачностью, воздействи на нее и оценки результатов этого воздействия.
Автором был выполнен ряд хоздоговорных тем, связанных с раз работкой автоматизированных радиолокационных методов, аппаратур и проведением соответствующих исследований, в частности, РМ-5/8 по заказу Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры (ВНИИРА) и "Грань" п заказу концерна "Ленинец"..
Отчеты по указанным выше научным и хоздоговорным темам был приняты с высокой оценкой.
При непосредственном участии автора поставлен и решен ря теоретических и практических задач термодинамики атмосферы, ис кусственного увеличения осадков и метеорадиолокации, включая про ведение теоретических исследований, подготовку методических ука заний, разработку аппаратуры, проведение натурных экспериментов оценку их результатов.
В частности, результаты исследований используются с 1986 го да для выполнения производственных работ по искусственноку увели чению осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край Ростовская область. Республика Калмыкия) с целью интенсификаци сельскохозяйственного производства на посевной площади 2,5 млн га зерновых. Средний ежегодный физический эффект этих рабо составляет 10-15 увеличения осадков.
На зашиту выносятся:
общая модель локального термодинамического процесса (лока-ла) в сплошной жидкой среде, неподвижной в целом, взаимозависимости интегральных параметров для этой модели;
классификация локальных процессов и соотношения интегральных параметров для стационарного и квазистационарного процессов, для статического и динамического процессов, для смещающегося в среде и неподвижного процессов, для процессов, имеющих ядро и не имеющих ядра;
модель локального термодинамического процесса в подвижной сплошной жидкой среде и уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс;
аналогии движения локала в сплошной жидкой среде и твердого тела во вращающемся пространстве, а также движения локала и заряженной частицы в электромагнитном поле и соответствующие взаимозависимости параметров;
модели и расчетные соотношения для локальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи гро-зо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика);
алгоритмы и структурные схемы устройств, обеспечивающие оптимальные обнаружение, измерение параметров и разрешающую способность при радиолокации локальных метеоцелей;
решения отдельных практических задач по расчету параметров локальных термодинамических процессов в атмосфере при естественном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению;
результаты сопоставительного анализа теоретических выводов и данных наблюдений.
Личный вклад автора
В диссертацию вошли результаты теоретических исследований, в основном полученные автором лично. Вклад автора являлся определяющим при получении в составе соавторов теоретических и практических результатов, вошедших в диссертацию. Автором лично проведен общий анализ и интерпретация результатов, вошедших в диссертационную работу, получены выводы и дано обоснование для практического применения.
По теме диссертации автором ранее опубликовано: одна монография, 67 статей, из них лично - 26, с соавторами - 41, сделано ' 10 изобретений, три из которых внедрены в аппаратуру, выпускаемую серийно промышленностью.
n Апробация работы
Основное содержание работы было представлено и докладывалось на семинарах и итоговых сессиях организаций и учреждений Росгидромета и других ведомств России и СССР, отечественных и международных конференциях: IV Всесоюзной конференции по лазерам и газоразрядным приборам (Рязань, 1974), 6-м Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Таллин, 1982), Межведомственном Всесоюзном совещании по методам дистанционного зондирования атмосферы (Минск, 1983), 7-ой Всесоюзной конференции по радиометеорологии (Суздаль, 1986), Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки
- б -
данных (Юрмала, 1986), Всесоюзной конференции по физике облаког (Нальчик, 1987), V Всесоюзном семинаре-совещании по ИУО (Ставрополь, 1990), Всесоюзной конференции по методам и средстваи дистанционного зондирования атмосферы (Киез, 1991), Всесоюзной конференции по АВ на гидрометеопроцессы (Нальчик, 1991), VI Международной конференции ВМО по модификации погоды (Пестум, Италия, 1994 г.), XII Международной конференции по облакам и осадкам (Цюрих, Швейцария, 1996 г.). Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометпроцессы (Нальчик, 1997), международном симпозиуме по гидрометеорологии (С.-Петербург, 1997), Международной выставке "Гидрометеорология - человеку" (С.-Петербург, 1997).
Структура и объем диссертации
