Введение к работе
І. .. . _ . . .
Актуальность темы. Настоящая диссертация посвящена экспери-КСТГГГЗЛЫ1СТ.Т7 исслеяоп пространственно-временной структуры аэрозольных полей в пркзеккон и пограничной слоях атмосферы. aKiyajibKaciь темы исследования заключается в следующем:
- позз:ггкб те-срип лазерного дистанционного зондирования нукдаетсч
з лэстозр-hkv- сведениях о статистической структуро взрсзолынгг
атмосферных образований, которые необходимы для создания иатема-
іуічмСКма МОл'нМнЦ Пии Dom&UyCJf -эягтаи rTfl^w^Twijornr^TJ 'гаг'птггг ?ОттЛ7*—
рОнаНИЯ;
при проектировании и создании лидарной техники знание статистических характеристик рассеивающей среды шляется зэхнын. г.к. только они определяют частоту актов зондирования, интервалы временного и пространственного осреднения, влияют на отношение сигнал/шум. дальность зондирования и т.д.;
за исследованием статистической природы аэрозольных образований обязательно должно последовать совершенствование суи^стзудавд и сссдсппо псзих методик по опенке состояния атносферы и опрр*д^ле-izih со пар-эготроз (оптических, турбулентных, мэтео).
':с-:тог-:~'р вогдсся. Присутствие аэрозольных частиц в зтнссфср>: обусловлено рядом разнообразных физических явлений, что делзої задачу ::зучо;г.гя атмосферного аэрозоля слоеной и интересной. Аэрозоль, саэзьзал важное значение нз происходящие в атмосфере пронесем, давно привлекает к себе внимание исследователей. Eire з начале зека !(п строго ресенз задача рассеяния электромагнитных еолн диэлектрической сферой, что позволило объяснить различные атаосферныб
Зй&Р-КТН. ЙЗ^УЯПИСЬ И hpVTi»4 ПрОПеССН. ИЦОТОчио Q^xirjmOTn»?; г jvm>C*?C—
г;,-,, такие тех нухлеация, коагуляция, і операция и оседание частиц. Іі^осфсріДії аэрозоль, изходящійся в воздуаноа потоке, іїрвЛС-. тавляется как консервативная пассивная примесь, т.е. он "копирует" ' пульсации скорости потока, не влияя на эго динамику. Поскольку
пяотзгоитта в вТИОСфере ПОЧТИ ВСЄГЛЗ ТУСбтДеНТНО И Т.!Гї^ЄТ бМТЬ ОПИСАНО
только статистически, то и при изучении характеристик движения аэрозоля используется статистический подход. В настоящее вреыя вряд ли возмояно появление строгой теории, которая бы описала распределение среднего значения и пульсаций концентрація' частиц в атчосфе- ре в зависимости от ьетра, влажности, температуры, . химического ^состава и т.д., характеризующих поток и влияющих на движение час-.
тиц и протекание таких процессов, как генерация и сток частиц, укрупнение, испарение и т.д.
Исследование же случайных флуктуации концентрации частиц сопряжено с дополнительными техническими трудностями и. поэтому, в настоящее время, имеется сравнительно небольшое количество работ по этому вопросу.
Теория движения взвешенных частиц в турбулентном потоке несжимаемой жидкости (Баренблатт), основанная на решении уравнений движения и использовании полуэнпирической теории при определении величины турбулентного потока примеси, позволила получить выражение для определения мутности и показать, что перенос частиц происходит в основной массе потока, а концентрация на больших высотах приближается к предельному автомодельному распределению. Исследования параметров турбулентного движения взвешенных частиц (Шрай-бер, Хинце, Фукс) указали на возможное отличие от соответствующих характеристик воздушной среды вследствии инерции и пульсационкого скольжения.
Экспериментальные исследования аэрозольных полей проводились контактным методом забора проб при самолетных измерениях (Белан) и методом рассеяния света с помощью нефелометров (Гришин. Ковалев) и лидаров (Элоранта. Самохвалов). При этом изучались высотные профили концентрации частиц, распределение частиц по размерам, дисперсия и спектры мощности флуктуации концентрации аэрозоля. Исследования в основном носили прикладной характер и были нацелены . на развитие лидарного корреляционного метода измерения скорости ветра (Элоранта, Матвиенко). Результаты измерений одних исследователей, нередко противоречили результатам других (Матвиенко, Сазано). При решении задач, связанных с влиянием флуктуации скорости потока и турбулентной диффузии на статистические характеристики лидарного сигнала, не учитывался степенной характер спектра флуктуации концентрации частиц. Нередко использовалась одномасштабная гауссова модель спектра (Матвиенко).
Цепью работы являются комплексные теоретические и экспериментальные исследования поля концентрации аэрозоля в пределах пограничного слоя атмосферы.
Основные задачи и, одновременно. о.сновные цели исследования следующие:
- опенка границ применимости гипотезы консервативной пассивной примеси к атмосферному аэрозолю;
- исследование спектра размеров аэрозольных образований, их анизо
тропии и времени жизни:
- изучение влияния флуктуации скорости ветра и ззолгащи неодяород-
ностей на спектры когерентности и Фазы лидарных сигналов;
исследование возможности лидарного определения скорости ветра. диспепсии Флуктуации скорости ветра, скорости диссипации турбулентной кинетической энергии в тепловую;
определение вида универсальной функции дисперсии флуктуации коэффициента обратного рассеяния в зависимости от числа Ричардсонэ;
исследование влияния шумов, обусловленных атмосферой и аппаратурой, на спектральные статистические характеристики лидарных сигналов и на. качество получаемой информации;
создание новых иетодик зондирования аэрозольных полей лидарои. с одновременный определением из данных зондирования средних значений массовой концентрации аэрозоля, параметров турбулентности, оценки температурной стратификации, определения величины выброса локальных источников аэрозоля.
Научная новизна работы заключается в:
-
постановке и решении перечисленных выше задач по комплексному исследованию аэрозольных неоднородностей на более высокой методическом и техническом уровне:
-
подробной исследовании спектра флуктуации коэффициента обратного рассеяния, обнаружении участка спектра, именуемого в литературе "подобластью плавучести" и обусловленного устойчивой температурной стратификацией;
-
впервые предложен и реализован способ качественного определения температурной стратификации атмосферы,основанный на оценке наклона спектра флуктуации лидарного сигнала, когда, при переходе от безразличной стратификации к устойчивой, спектр изменяется с /""^спектр Колмогорова) на /~*'"?спекгр Болджиано-Обухова):
-
новом подходе к систематизации лидарных наблюдений с применением теории подобия Монинэ-Обуховэ;
-
разработке и апробации способа лидарного определения парэыет-' ров скорости ветра в условиях неупорядоченной конвекции.
Практическая значимость диссертационной работы заключается _ в следующем.
1. Полученные научные и практические результаты могут быть основой при решении других задач дистанционного зондирования атмосферы. 3- Полученные в работе результаты позволяют :...
на этапе разработки различных типов лидаров (аэрозольные, ветровые и т.д.) выбирать олтииальные конструкции;
на этапе планирования и проведения, эксперимента выбрать оптимальный план работы, адекватно интерпретировать результаты зондирования и предсказызать результаты последущих наблюдений;
без каких-то особых принципиальных технических доработок существенно расширить перечень определяемых аэрозольным локатором параметров (скорость ветра, дисперсия флуктуации скорости ветра, энергия диссипации, степень температурной устойчивости) за счет статистической обработки лидарных сигналов, т.е. реализовать потенциальные возможности лидаров.
Нзпринер. для расширения возиошностей лазерных аэрозольных локаторов, приниыаюшх упруго рассеянное излучение (рассеяние Ми). нужно всего лишь, чтобы лазер обладал способностью в течении некоторого времени, порядка нескольких шшут, генерировать стабильные световые капульсы. '
Достоверность результатов работы обеспечивается:
достаточным набором экспериментальных данных при - формулировании выводов, экспериментом и сопоставлением данных зондирования с показаниями приборов, работавшх на других принципах (СКР-лидзр. анемометры, датчики температуры);
качественный и количественным соответствием, результатов эксперимента с теоретический! расчетам и результатами других авторов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Подтверждена лрииенимость гипотезы консервативной пассивной принеси и колиогоровской модели спектра для "описания статистических свойств случайных аэрозольных неоднородностеи в атмосфере. Частотный спектр флуктуации коэффициента обратного рассеяния при безразличной и неустойчивой температурной стратификации описывается степенной зависимостью f~*f* В случае устойчивой стратификации в частотном спектре флуктуации Рп присутствует степенной участок /"."что подтверждает прииениность подели спектра Болджиано-Обухова для устойчивой температурной стратификации.
1. Поведение функций корреляции и когерентности существенно зависит ст Флуктуации скорости ветра и эволюции аэрозольных неоднородностеи. В то вю время фазовый спектр более устойчив к воздействию этих искаяаюших Факторов, что позволяет использовать ?ту характеристику как основную для лидарных измерений скорости
в атмосфере. Получено, что вршя гязня аэрозольных неоднородно-ностей линейно зависит сг их геометрических зазнероз.
-
Начальное приближение универсальной функции для диспеосич лпук-туазй коэффициента обратного рассеяния в приземной слое воздуха, полученное на основе теории подобия Моника-Обухова и экспериментальных ЛИЛЯПРЫХ даннкх
-
Методика лидаркого определения скорости горизонтального песете-іїєшїя аэрозольных неоднородное! ей в атмосфере и скорости вертикального Перемещения В СЛУЧ39 ВЫНужДеННОЙ H?;rTTcp"j:0"i9SI32 IvGii-5ЄКЦИИ. ІЬД72ЄРЗДСПЗ ЬОЗУСННОСТЬ ЯИДерНОГО ОТТр?Л5ЛПІЯ СКСрОСТП
диссипации турбулентной кинетической энергии в тепло. Результаты экспериментальных исследований в пограничной слое атмосферы, подтверждающие практическую пригодность разработанных методик. дготробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VI - XI Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы СТомск. 1980. 1982. 1984, 1986. 1988. 1992), на XII. XIII и XV Международных конференциях по лазерному зондирования етмссіори в 1334. !ЗК? и 1990- годах соответственно, на III Болгаро-Советском семинаре "Лазерные и радиометоды контроля окружающей среды" (София. 1990), а такие на научных семинарах Института оптики атмосферы FAH (Томск).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глаз, заключения и списка цитированной литературы. Работа содёркит 219 страниц машинописного текста, иллюстрирована 70 рисунками, предстззлензыга на 52 страницах. В работе имеется 5 таблиц. Список используемой литературы содержит 130 наименований.
