Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ 17
1.1 Особенности измерения термического режима атмосферного пограничного слоя (АПС) методом и с применением микроволновой радиометрии 17
1.2 Анализ требований к радиометрической аппаратуре и методике измерений, обеспечивающих измерение профилей температуры АПС с необходимыми точностными характеристиками 28
1.3 Расчет коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых волнах, сравнение расчетных и экспериментальных данных 35
1.4 Оценка потенциальных возможностей метода измерений профилей температуры АПС на базе использования сканирующего по углу места микроволнового радиометра с частотой в центре полосы поглощения молекулярного кислорода 60 ГГц 48
1.5 Оценка влияния облаков и осадков, влияния парообразной влаги 62
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АПС 68
2.1 Структурная схема измерительного комплекса, требования к его основным составляющим 68
2.2 Разработка методики автоматизированных измерений и методов калибровок 76
2.3 Весовые функции и оптимизация метода восстановления профилей температуры АПС по измеренным радиояркостным температурам 83
2.4 Этапы разработки принципиальных схем основных узлов измерительного комплекса 89
2.5 Макетирование, лабораторные и натурные испытания экспериментального
и опытных образцов микроволнового профилемера 94
2.6 Различные модификации температурных микроволновых профилемеров и анализ их потенциальных возможностей 118
ГЛАВА З КОМПЛЕКСНЫЕ СРАВНЕНИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АПС С ДРУГИМИ СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ 123
3.1 Сравнительный анализ измерительных средств, участвующих в комплексных сравнениях 123
3.2 Анализ результатов комплексных сравнений (радиометрическая система, радиозонды, контактные датчики, установленные на высотных метеорологических вышках, привязных аэростатах, радио-акустическая система зондирования RASS, лидары) 129
3.3 Сертификация разработанной измерительной аппаратуры 150
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АПС С ПОМОЩЬЮ МИКРОВОЛНОВЫХ ПРОФИЛЕМЕРОВ 152
4.1 Исследование вертикальной структуры городского АПС и «острова тепла» над крупными городами 152
4.2 Исследования термического режима АПС во время лесных пожаров под Москвой и во время прохождения урагана 180
4.3 Исследование термического режима АПС над Антарктическим плато 185
4.4 Исследование особенностей термического режима АПС во время полных солнечных затмений; в условиях сложной орографии горной местности; в аридном районе в жаркий период времени; над водными поверхностями 189
ГЛАВА 5 ОПЕРАТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ПРОФИЛЕМЕРОВ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ СВЕРХКРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯВЛЕНИЙ 211
5.1 Визуализация данных, полученных микроволновыми профилемерами 211
5.2 Идентификация термического состояния АПС и его динамики 213
5.3 Анализ состояния атмосферного пограничного слоя 219
5.4 Диагностика признаков изменения погодных условий и предикторов с целью уточнения сверхкраткосрочного прогноза метеорологических элементов и
явлений 234
ГЛАВА 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ВЫСОТЫ
ЗОНДИРОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АПС 241
6.1 Результаты разработки экспериментального комплекса с повышенной высотой зондирования 241
6.2 Концепция применения наземных радиометрических комплексов для мониторинга термической стратификации АПС на базе проведенных исследований 259
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 263
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 267
ПРИЛОЖЕНИЕ А Сертификат Госстандарта России 283
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Сертификат Федерального агентства по метрологии и стандартизации 284
ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельство Росгидромета 285
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Диплом Росгидромета за разработку микроволнового дистанционного метода измерения профилей температуры и ветра 286
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Сертификат СЕ на соответствие европейским требованиям к радиоэлектронным приборам 2
Введение к работе
Температура является важнейшим параметром при описании ряда процессов, происходящих в атмосфере: термический режим, циркуляция, волны и т.д. Не случайно наиболее распространенной является стратификация атмосферы по температурному признаку: тропосфера (0 4- 15 км), стратосфера (15 55 км), мезосфера (55-85 км), термосфера (85 4- 400 км), экзосфера (выше 400 км) [11]. В тропосфере в среднем температура убывает с высотой с вертикальным градиентом 6,5° С на 1 км. Однако в нижнем слое тропосферы довольно часто бывают метеорологические ситуации, когда температура на определенных высотах не убывает, а увеличивается с повышением высоты. Особенно часто это бывает в атмосферном пограничном слое (АПС) - от поверхности Земли до максимальных высот 1,0 -г 1,5 км, для которого определяющим фактором является турбулентное трение [11,19,88,99,122,131]. Исследования нижней тропосферы, или атмосферного пограничного слоя (АПС), расположенного между поверхностью Земли и свободной атмосферой, необходимы для целого ряда фундаментальных задач физики атмосферы и практической метеорологии и экологии. В АПС происходит обмен импульсом, теплом и влагой между подстилающей поверхностью (поверхностью суши и океана) и атмосферой [18,19,21,48,56,72,86,88,97,122,124,131]. При этом одним из важнейших метеорологических параметров АПС является температура и ее высотное распределение (термическая стратификация), характеризующее степень устойчивости состояния атмосферы. Указанный параметр широко используется в системах экологического мониторинга, контроля условий распространения радиоволн, прогноза опасных метеорологических явлений, исследованиях так называемого «острова тепла» - термического купола над крупными городами, в моделях переноса загрязняющих примесей [11,18,65,79,86,99,100,131]. Традиционно для измерения профилей температуры атмосферы использовались контактные датчики (термометры сопротивления, термисторы), поднимаемые на радиозондах, привязных и свободных аэростатах, самолетах, метеорологических ракетах, либо установленные на высотных метеорологических мачтах [11,60,79]. Их наиболее важным преимуществом является высокое вертикальное разрешение и относительная простота используемой аппаратуры. К недостаткам следует отнести отсутствие возможности проведения непрерывных измерений (кроме высотных метеорологических мачт), высокая стоимость эксплуатации, невозможность глобальных измерений и сложность введения различных радиационных поправок к данным датчиков температуры при наличии прямого солнечного излучения. В конце 50-х — 60-х гг. начали развиваться дистанционные методы исследования атмосферы, резким толчком к дальнейшему развитию которых было появление искусственных спутников Земли [10,13,23,27,29,61,64,79,158,159]. В зависимости от используемого диапазона волн эти методы подразделялись на инфракрасные, оптические, микроволновые и акустические. Идея восстановления профиля температуры по данным спутниковых наблюдений теплового инфракрасного излучения была впервые выдвинута в 1956 году [158]. Было показано, что угловое распределение интенсивности излучения является лапласовским преобразованием распределения интенсивности Планка как функции оптической глубины, и продемонстрирована возможность получения профиля температуры по данным спутниковых сканирующих измерений интенсивности. В 1959 году эта идея была развита в [159], при этом было показано, что вертикальный профиль температуры атмосферы можно получить из спектрального распределения ее излучения. Позднее стали появляться наземные дистанционные приборы: лидары, системы радиоакустического зондирования (RASS) [11,13,14,57,58,72,73,79,83,154].
Развитие получили и методы измерения температуры атмосферы, основанные на использовании радиодиапазона волн. Интенсивное развитие дистанционных радиофизических методов исследования земной атмосферы в последние четыре десятилетия связано, в первую очередь, с освоением микроволнового диапазона волн и возможностью использования результатов зондирования для изучения физико-химических параметров окружающей среды и метеорологии [5,14-16,29,49,61,78,79,101,103,107,154]. В системе дистанционных методов зондирования радиофизические методы имеют существенные преимущества, связанные с возможностью оперативного и непрерывного получения информации в любое время суток и практически при любых метеорологических условиях. Радиофизические методы по принципу действия подразделяются на активные (радарные, радиоакустические) и пассивные (обычно называемые радиометрическими) [2,6,10,79,109,117]. Радиометрические методы зондирования основаны на приёме собственного (теплового) радиоизлучения среды исследования и на взаимосвязи радиохарактеристик этого излучения (интенсивности, поглощения, поляризации) с физическими параметрами среды [14-16,78,79,169,197]. Особенностью микроволнового излучения земной атмосферы является чувствительность его характеристик к большому числу физико-химических параметров - температуре, влажности, водности облаков, давлению, газовому составу, параметрам турбулентности [14].
Первые работы по радиометрическому исследованию собственного излучения земной атмосферы относятся к 50-м - 70-м годам прошлого века [9,14,15,42,51,52-55,75,87,101,123,137,136,163,169,176-178,197,198]. В них разработаны методы измерения поглощения радиоволн в атмосфере и получены первые сведения о поглощении радиоволн в кислороде и водяном паре. В то же время М. Микс и А. Лиллей выдвинули идею дистанционного определения профиля температуры атмосферы с использованием микроволновой линии поглощения кислорода [169]. В этих работах впервые сформулирована постановка обратной задачи дистанционного зондирования температуры атмосферы. Первые радиометрические приборы для измерения профилей температуры атмосферы были использованы на искусственных спутниках Земли [14,29,61,79]. В 70 - 80-х годах прошлого века в NOAA (Боулдер, США) и в СССР (НИРФИ, г. Н.Новгород; ИРЭ РАН, г. Москва), на фоне общего развития радиофизических методов исследования атмосферы были созданы экспериментальные образцы наземных радиометрических комплексов для измерения профилей температуры тропосферы, но они были сложными в обслуживании приборами, требующими трудоемких калибровок и высококвалифицированного персонала для проведения измерений, изготовлены были в единственном экземпляре и при этом не обладали необходимой чувствительностью для измерения профилей температуры АПС [1,14, 49,50,75,116,117,134,137]. Использовался частотный метод измерений на склоне полосы поглощения молекулярного кислорода, центрированной к длине волны 5 мм, что не обеспечивало необходимого вертикального разрешения при измерениях нижних слоев тропосферы. В это же время, как в нашей стране, так и за рубежом появился ряд теоретических работ, описывающих возможность измерений профилей температуры в АПС с использованием методов пассивной радиолокации [2,14,37,38,82,109,185,197]. Однако не удавалось реализовать эти рассуждения на практике из-за наличия серьезных специфических трудностей проведения таких измерений: необходимости измерений приращений в доли градусов на фоне мощного (300 К) излучения атмосферы в этом диапазоне, что требовало очень высокой чувствительности приемного радиотеплолокационного устройства; многообразия типов профилей температуры и их сильной изменчивости, что усложняло решение обратной задачи; высоких требований к форме диаграммы направленности приемной системы [22,37,38,72,145,149]. Измерительный прибор должен быть компактным, переносным, легко калибруемым и всепогодным. В 1989-1991 г.г. в рамках создания микроволнового радиометрического комплекса для измерения температуры стратосферы автором совместно со специалистами ИКИ РАН (И.А. Струков и его сотрудники) были успешно проведены измерения профилей температуры стратосферы с борта высотных аэростатов [25-28,62-64,146,195]. Основой комплекса был новый твердотельный компактный высокочувствительный микроволновый радиометр с рабочими длинами волн в районе 5 мм, экспериментальные технологии которого были взяты за основу создания наземного микроволнового радиометра для измерения профилей температуры АПС [25,28]. Учитывая специфически высокие требования к измерениям профилей температуры АПС по сравнению со стратосферой и тропосферой, необходимо было решить задачи по созданию высокочувствительных радиометров 5 мм диапазона с высокой стабильностью, сделать теоретические оценки достоверности получаемой информации, разработать методику автоматизированных измерений, проведения калибровок, разработать конструкцию метеозащиты аппаратуры для работы в широком диапазоне внешних температур и метеоусловий, преодолеть специфические трудности при решении обратной задачи по восстановлению температурных профилей, провести сравнения с традиционными средствами измерений, сертифицировать разработанную измерительную аппаратуру и обеспечить ее внедрение на наблюдательных сетях [72]. Все эти проблемы были успешно решены, что вносит свой вклад в дальнейшее развитие современных радиофизических методов и аппаратуры для исследования природной среды. Для измерений был выбран метод углового сканирования в максимуме полосы поглощения молекулярного кислорода [37,38,72,187]. Важным достоинством радиофизических методов исследования атмосферы является тот факт, что микроволновые измерения менее зависят от погодных условий и аэрозольной компоненты атмосферы в отличие от измерений в оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн. В работе представлен результат комплекса теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских исследований, которые обеспечили создание и внедрение автоматизированной дистанционной всепогодной системы контроля термического режима атмосферного пограничного слоя (АПС) и получение новых уникальных данных о его особенностях в различных внешних условиях [30, 38, 45, 65, 72, 81, 85, 121, 125,140,145, 148,149, 150, 155, 157, 187, 201]. Проведены многочисленные сравнения новых дистанционных данных с традиционными методами измерений, что позволило сертифицировать разработанную аппаратуру в государственных органах [31, 66, 71, 145, 149, 181, 201]. Микроволновые температурные профилемеры внесены в государственный реестр средств измерений, и рекомендованы для использования на наблюдательной сети Росгидромета. Совместно со специалистами Гидрометцентра РФ разработаны Методические рекомендации по анализу данных профилемеров и их использованию в оперативной практике сверхкраткосрочного прогноза погоды и прогноза метеорологических явлений, утвержденные Центральной методической комиссией по прогнозам (ЦМКП) Росгидромета и внедренные на всех пунктах наблюдательной сети Росгидромета, оснащенных микроволновыми температурными профилемерами. Автоматизированный комплекс создан на базе разработанного в ходе данной многолетней работы уникального сканирующего микроволнового радиометра, работающего в центре полосы поглощения молекулярного кислорода (частота 60 ГГц или длина волны 5 мм). Измерительный комплекс обеспечивает непрерывность, мобильность и всепогодность измерений профилей температуры в АПС, что не давали традиционные методы измерений [22,31,32,60,68,70,72,142,145,147,149,153,154,155]. Благодаря этому с помощью микроволновых температурных профилемеров впервые получены уникальные данные о физических процессах в атмосфере: исследована вертикальная структура городского острова тепла и ее сезонные и межгодовые особенности [33,36,65,67,72,85,140,141,150,152,156]; получены непрерывные статистические данные о характеристиках температурных инверсий над крупнейшими городами Российской Федерации [65,67]; исследовано воздействие высоких концентраций аэрозоля на термическую стратификацию в городе и в пригороде [121,141]; исследованы особенности термической стратификации АПС над Антарктическим плато во все сезоны [68,125-127,151]; исследованы особенности термической стратификации АПС во время полных солнечных затмений, как на равнине, так и в горной местности [39,45,46,156]; исследовано влияние ветров ураганной силы на термическую стратификацию АПС [30, 102]; исследованы особенности термической стратификации АПС в береговой зоне о. Сахалин во время становления льдов в Охотском море [68,148]; исследована динамика термической стратификации АПС в разных синоптических ситуациях в аридном регионе в жаркий период времени [69,157]; исследованы особенности и закономерности термической стратификации в ущельях и долинах Альп и Кавказа [35,84,181].
