Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА Ї. РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРАТИФИКАЦИИ АТМОСФЕРЫ 17
1.1.. Рефракция электромагнитных волн в атмосфере V
1.2. Определение метеопараметров атмосферы по измерениям оптической рефракции изкосмоба
Ї.З. Определение метеопараметров по внутриат мосферным измерениям оптической рефракции 53
1.4. Решение обратной задачи рефракции при наличии волновода 44
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ ПО И РАДИООПТИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ, ФРАКЦИИ 56
2.1. Использование измерений рефракции в радио диапазоне для восстановления метеопарамет ров 56
2.2. Совместные измерения радио и оптической рефракции из космоса ° 2.3. Внутри атмосферные радио оптические рефрактометрические измерения 70
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ РДЦИОТЕПЛОДОКАЩОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ 76
3.1. Физические основы радиотеплолокационных методов 76
3.2. Определение влагосодержания мезосферы и стратосферы радиометрическим методом
3.3. Регрессионные методы определения температуры и влагосодержання безоблачной тропосферы по наземным измерениям радиоизлучения ;
ГЛАВА 4. РАДИОТЕПЛОЯОКАЩОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕФРАКЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДЛИНЫ ПУТИ РАДИОВОЛН В АТМОСФЕРЕ 426
4.1. Влияние рефракции на яркостные температуры теплового радиоизлучения атмосферы 28
4.2. Использование микроволнового радиоизлучения атмосферы для определения рефракции радиоволн 32
4.3. Определение электрической длины пути радиоволн по радиотеплолокационным данным
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие радиофизических дистанционных методов исследования атмосферы обусловлено непрерывно возрастающими потребностями в получении все более точных данных для метеорологии, физики атмосферы, океанологии, гидрологии, связи, навигации, астрометрии и других областей науки и техники. Часто получение таких данных традиционными прямыми методами практически невозможно. Так, сетью аэрологического зондирования не охватываются пространства мирового океана и труднодоступные районы континентов, что затрудняет задачу развития методов долгосрочного прогноза погоды [31,167] . Сложны прямые измерения в пограничном слое атмосферы, который играет определяющую роль во взаимодействии атмосферы с подстилающей поверхностью [37] . Известны трудности прямых измерений влагосодержания в стратосфере и мезосфере 6,43,120] . При определении характеристик распространения электромагнитных волн в тропосфере требуется непрерывное определение метеопараметров вдоль пути луча в реальном масштабе времени.
Перечисленные и многие другие задачи по определению состава, параметров и радиохарактеристик атмосферы требуют развития принципиально новых, дистанционных методов исследования. Эти методы используют распространение в атмосфере и взаимодействие с ней электромагнитных (или акустических) волн. Очень большое многообразие процессов взаимодействия этих волн с различными атмосферными компонентами обусловливает информативность соответствующих измерений. Полезная информация о тех или иных свойствах и параметрах атмосферы может быть получена практически во всем диапазоне электромагнитных волн от ультрафиолетового до СВЧ.
Используются как пассивные методы, основанные на изучении спектральных и угловых характеристик.интенсивности собственного теплового излучения атмосферы (методы термического зондирования), так и активные (лазерные, радиолокационные, акустические, радиоакустические) методы, а также различные их комбинации. Интерес к дистанционным методам существенно возрос с развитием космонавтики, поскольку спутниковые измерения даст возможность получения данных, в частности, метеорологических, в глобальном масштабе. Несмотря на большое число уже существующих методов, рост требований к качеству получаемых данных побуждает к поиску новых возможностей. Так например, методы термического зондирования со спутников пока не обеспечивают точность и разрешение по высоте метеопараметров, необходимые для долгосрочного прогноза погоды [34,І67Д , в силу трудностей, возникающих из за некорректности соответствующих математических задач [ 2] . Это стимулировало интерес к исследованию рефрактометрических методов 25-30, 34-35,
40-42, 168-170, І76], которые уже успешно применялись для исследования атмосфер Земли и планет Солнечной системы из космоса. Эти методы основаны на использовании измерений рефракции электромагнитных волн в атмосфере и имеют ряд важных преимуществ, таких, как хорошее разрешение по высоте и корректность постановки обратных задач. Среди этих работ видное место занимают работы, выполненные в ИМ АН СССР по исследованию атмосферы Земли и в ИРЭ АН СССР по исследованию атмосферы Венеры и Марса. В наших работах [34-35, 40-42} показана эффективность рефрактометрических методов и при внутриатмосферных наблюдениях.
Вместе с тем следует отметить, что существует большое число задач, где могут быть весьма эффективны и методы термического зондирования, в частности, в радиодиапазоне (радиотеплодокация), где по измерениям в линиях поглощения атмосферных газов даже при наличии облачности может быть получена ценная информация о распределении температуры и влагосодержання атмосферы, а также о характеристиках распространения радиоволн - рефракции, электрической длине пути. Здесь можно отметить интересные результаты, полученные по радиотеплолокации атмосферы в ИРЭ АН СССР, НИРФИ, ИФА АН СССР, ИКИ АН СССР, ГГО, ВШИ. Непрерывный мониторинг атмосферных характеристик весьма важен для радиолокации, навигации, астрометрии, длиннобазовой радиоинтерферометрии и их многочисленных приложений к задачам геодинамики, сейсмических наблюдений, радиолокации ИСЗ для эфемеридного обеспечения космических средств, измерения взаимного положения наземных точек и др. [149,156,172] . В диссертационной работе осуществлено развитие рефрактометрических методов исследования атмосферы и решены характерные задачи радиотеплолокационного зондирования. Указанное выше значение этих задач определяет актуальность работы.
Цель работы заключалась:
- в теоретической разработке рефрактометрических методов изучения тонкой структуры пограничного слоя атмосферы по внутри-атмосферным измерениям;
- в исследовании возможностей определения метеорологических элементов, включая влажность, из результатов измерений атмосферной рефракции с ИСЗ в радиодиапазоне и при комплексных радио-оптических измерениях;
- в исследовании возможностей определения малых количеств влаги в стратосфере и мезосфере по спутниковым измерениям на просвет теплового радиоизлучения атмосферы в резонансах 0 1,35 см и 1,64 мм;
- в исследовании эффективности регрессионных методов определения метеопараметров (температуры, влажности) и рефракционных характеристик атмосферы (рефракции и электрической длины пути радиоволн) в широком интервале углов, включая и малые углы места 8 = 0,5-5°, по наземным радиотеплолокационным измерениям излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Научная новизна работы состоит:
- в постановке и решении задач внутриатмосферного рефрактометрического зондирования атмосферы; в физической интерпретации искажений солнечного диска при внутриатмосферных наблюдениях;
- в установлении возможностей восстановления метеорологических элементов, включая влажность,из спутниковых рефрактометрических данных в радиодиапазоне и из результатов комплексного радиооптического эксперимента; в определении точностей восстановления и интервалов высот, в которых возможно восстановление метеопараметров;
- в решении обратной задачи рефракции при наличии атмосферного волновода;
- в установлении возможностей восстановления высотных профилей влажности в стратосфере и мезосфере (высоты fts 20-90 км)
по яркостным температурам теплового радиоизлучения атмосферы, принимаемого с ИСЗ в направлении на просвет, вблизи резонансов водяного пара 1,35 см и 1,64 мм;
- в применении регрессионных методов к решению задач по восстановлению высотных профилей температуры и влажности атмосферы из результатов наземных радиометрических измерений;
- в оптимизации использования данных наземной радиотешюло-кации для оперативного определения астрономической рефракции и электрической длины пути (включая поправки к дальности на кривизну луча) на основе регрессионного анализа в широком диапазоне углов наблюдения, включая малые углы места.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Предложенный в работе метод решения обратной задачи рефрак -8 ции для внутриатмосферных измерений позволяет исследовать тонкую слоистую структуру и весьма малые изменения вертикальных градиентов плотности,давления и температуры (а при наличии измерений в радиодиапазоне и влажности) в приземном или приводном слое атмосферы, который играет определяющую роль во взаимодействии атмосферы с подстилающей поверхностью. При этом возможно получение мгновенного распределения метеопараметров. Метод был экспериментально проверен сотрудниками ИФА АН СССР и ИЭМ Гос-комгидромет СССР в экспедиционных условиях на Дальнем Востоке (на берегу Японского моря) [168} , с ї2-го балкона метеорологической вышки в г. Обнинске [170] и с борта самолета [169] . Соответствующие экспериментальные результаты полностью подтвердила сделанные в работе выводы и оценки.
Результаты исследований по восстановлению высотных профилей метеопараметров из рефрактометрических данных с ИСЗ в оптическом диапазоне дополнили известные результаты [25-29] : исследована связь среднеквадратичных погрешностей восстановления температуры и давления в зависимости от ошибок измерения рефракции в различных климатических условиях.
Установленные в работе возможности определения метеопараметров, включая влажность, из рефрактометрических измерений в радиодиапазоне и при комплексных -радиооптичееких измерениях стимулируют постановку соответствующих экспериментов с ИСЗ и в наземном варианте.
Результаты, полученные по определению влагосодержания стратосферы и мезосферы по спутниковым измерениям на просвет теплового радиоизлучения в узких полосах вблизи резонансов водяного пара 1,35 см и 2,64 мм, могут оказаться полезными при развитии спутниковых методов и позволят при реализации соответствующих измерений установить степень влажности труднодоступных для прямых измерений слоев атмосферы.
Эффективность исследованного в работе регрессионного метода восстановления высотных профилей температуры из наземных радио-теплолокационных измерений атмосферного радиоизлучения в полосе Og 5 мм установлена при обработке результатов натурных наблюдений, выполненных в загородной лаборатории НИРФИ "Зименки" [173]. Предложенный метод решения обратной задачи практически не уступает в точности другим известным методам восстановления метеэле-ментов, но требует меньше машинного времени и памяти, что дает возможность успешно применять его в мини-ЭВМ и получать результаты в реальном масштабе времени.
Изложенные достоинства регрессионных методов имеют место и при определении интегральных характеристик распространения радиоволн (рефракции и электрической длины пути). Использование для прогноза рефракционных радиохарактеристик атмосферы прямых регрессионных связей между искомыми величинами и яркостными температурами позволяет упростить состав необходимой радиометрической аппаратуры (в;смысле числа и выбора частот каналов зондирования). Разработанные алгоритмы определения рефракции и электрической длины пути радиоволн в атмосфере (включая малые углы места) по измерениям теплового радиоизлучения в линиях поглощения f O- и 0 позволяют вносить текущие поправки на атмосферу при работе координатных и астрометрических систем, систем дальнометрии и длин-нобазовой радиоинтерферометрии, позволяя реализовать их существующую аппаратурную точность, что имеет большое значение для задач, решаемых названными средствами для целого ряда упомянутых выше разделов науки и техники.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
У (Кишинев, 1978) и УІ (Таллин, 1982) Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии, на совещании проблемно-тематической группы по теоретической астрометрии секции астрометрии АС АН СССР "Влияние атмосферы на астрометрические наблюдения в оптическом и радиодиапазонах" (Иркутск, 1980), на заседании Головного Совета по исследованиям природных ресурсов Минвуза РСФСР (Горький, 1980), на Межведомственных Всесоюзных совещаниях научного совета АН СССР по статистической радиофизике, посвященных проблеме "Статистические методы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды" (Минск, 1980; 1983), на ХШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Горький, 1981), на объединенном научном семинаре ИФА АН СССР и МІЙ АН УССР "Учет атмосферных факторов в задачах гидрофизики" (Севастополь, 1981), на Всесоюзной школе-симпозиуме по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (Москва, 1982), на межведомственном научном семинаре по применению методов рефрактометрии и радиопросвечивания для изучения атмосферы Земли (Москва,1983), на Всесоюзном совещании по рефракции электромагнитных волн в атмосфере (Томск, 1983) и на международном симпозиуме по дистанционному зондированию при XX Генеральной Ассамблее УРСИ (США, Вашингтон, 1981).
Результаты, полученные в диссертации, систематически обсуждались также на тематических семинарах НИРФИ.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 16 печатных работ [30,35,40-42,117,121,126,128-130,152,155,163-165] . +)
Эти результаты содержат материалы исследований, выполненных в НИРФИ как в плановом порядке (6 научно-исследовательских работ), так и в рамках ответственных тем, поручаемых институту решениями директивных органов.
-11 Объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. В работе 415 страниц текста, 31 рисунок, библиография включает 177 названий; общий объем работы - 468 страниц.
Личный вклад автора в публикациях.
Из работ, в которых изложены основные результаты диссертации, 4 работы [41,42,128,-155] выполнены автором диссертации без соавторов.
В работах [30,35,40] автор принимал участие в постановке задач, выполнил моделирование физических процессов на ЭЦВМ, составившее основное содержание работ, предложил метод решения обратной рефрактометрической задачи для внутриатмосферных наблюдений.
В работе [121] самостоятельно осуществил физическую постановку задачи и предложил метод определения влагосодержания в стратосфере и мезосфере.
В работе [152] участвовал в постановке задачи.
В работах [117,126,129,163-165] самостоятельно выполнил разделы по исследованию регрессионных методов определения метеопараметров атмосферы и рефракционных характеристик по ра-диотеплолокационным данным.
Положения, выносимые на защиту.
1. Теоретически разработан рефрактометрический метод исследования тонкой структуры пограничного слоя атмосферы по внутри-атмосферным измерениям рефракции. Показано, что рефрактометрическая задача для сферически-стратифицированной атмосферы в этом случае хорошо обусловлена в области высот ниже уровня наблюдателя. Проведено численное исследование решения обратной задачи по восстановлению показателя преломления и метеопараметров для из -12 мерений в оптическом диапазоне и при комплексных радиооптических наблюдениях. Выполнена физическая интерпретация рефракционных искажений солнечного диска для внутриатмосферных наблюдений.
2. Исследованы возможности определения метеорологических элементов, включая влажность, из результатов измерений атмосфер ной рефракции с ИСЗ в оптическом и радио- диапазонах, а также при комплексных радиооптических измерениях. Получена количест венная связь между погрешностями восстановления метеоэлементов и ошибками рефрактометрических измерений. Установлены предельные высоты, до которых использование измерений в радиодиапазоне является эффективным для восстановления профилей влажности. Получено решение обратной задачи рефракции при наличии приподнятого волновода.
3. Решена обратная задача по восстановлению высотных профилей влажности в стратосфере и мезосфере (высоты 20-90 км) по спут никовым измерениям на просвет теплового радиоизлучения в узких полосах резонансов водяного пара 4,35 см и 1,64 мм. Задача сведена к интегральному уравнению Вольтерра 1-го рода и полученное решение исследовано путем численного моделирования на ЭШ.
4. Установлена эффективность регрессионных методов определения метеопараметров (температуры, влажности) и предложены оптимальные регрессионные алгоритмы прогноза рефракции и электрической длины пути радиоволн в широком интервале углов, включая мали углы места, по наземным радиотеплолокационным измерениям микроволнового излучения.
В работепироко использовалось численное моделирование рефрактометрических и радиотеплолокационных экспериментов на ЭЦВМ. Такое моделирование позволяет исследовать влияние на результаты различных (как реализующихся, так и предельных; как систематических, так и случайных) погрешностей измерений. Оценки эффек чз тивности (точностей) решения обратных задач выполнялись на основе обработки больших ансамблей метеорологической статистики для различных климатических условий (летних и зимних континентальных, а также условий тропического океана). .Адекватность численного моделирования внутриатмосферных рефрактометрических измерений в оптическом диапазоне и наземных радиотеплолокационных измерений в полосе 0 5 мм были подтверждены натурными экспериментами (см. выше).
Материал исследований следующим образом распределен по главам диссертации.
В главе 1 рассмотрены общие вопросы постановки и решения обратных рефрактометрических задач как для случая наблюдений из космоса, так и для внутриатмосферных измерений применительно к оптическому диапазону. В 1.1 кратко изложены сведения о показателе преломления в атмосфере и рефракции электромагнитных волн в сферически-слоистой среде. 1.2 посвящен моделированию и статистическому исследованию рефрактометрического метода определения метеопараметров из космоса. На графопостроителе ЭВМ моделируется влияние стратификации температуры и показателя преломления на рефракционные искажения и разрывы диска Солнца и точечного источника. %сленный эксперимент по замкнутой схеме с использованием ансамбля метеорологической статистики для исследования зависимости точности восстановления температуры и давления от моделируемой погрешности измерений позволил сформулировать требования к точности измерений с точки зрения потребностей современной метеорологии.
В 1.3 рассматривается постановка, предлагается метод решения и исследуется решение обратной задачи рефракции для случая внутриатмосферных измерений наследуются особенности формирования изображения диска Солнца для наблюдателя на различных высо -14 тах внутри атмосферы в зависимости от стратификации атмосферы. Показано, что для высот ниже уровня наблюдателя задача определения профиля показателя преломления из измерений рефракции хорошо обусловлена и имеет точное математическое решение, тогда как для определения профиля показателя преломления выше уровня наблюдателя задача некорректна. Исследуется точность восстановления метеоэлементов в зависимости от погрешности измерений для наблюдений с высоты 500 м.
В І.4 приводится постановка и решение обратной задачи рефракции при наличии приподнятого атмосферного волновода. Оценивается влияние наличия волновода на точность применения рефрактометрического метода.
В главе 2 рассматриваются возможности использования измерений рефракции в радиодиапазоне, а также использования совместных измерений в оптическом и радио- диапазонах для определения метеопараметров, включая влажность, как для космических, так и для внутриатмосферных наблюдений. В 2 Л рассмотрено использование измерений в радиодиапазоне для восстановления метеопараметров; выделены интервалы высот, в которых возможно восстановление распределения влажности, температуры и давления. В 2.2, 2.3 исследуются возможности применения комплексных радиооптических измерений для восстановления распределений метеопараметров по спутниковым и внутриатмосферным измерениям рефракции соответственно. Выполнены численные эксперименты, установлена точность восстановления метеопараметров в различных климатических условиях в зависимости от погрешностей измерений.
Глава 3 посвящена задачам радиотеплолокационного определения метеопараметров атмосферы. В ЗЛ кратко излагаются основные известные результаты по исследованию коэффициентов поглощения атмосферных газов; приближения, используемые при решении уравнения переноса и выводе уравнения радиотеплолокации; описывается класс задач, решаемых с использованием измерений атмосферного микроволнового излучения. В 3.2 предлагается метод определения влагосодержания стратосферы и мезосферы (средней атмосферы) по спутниковым измерениям на просвет теплового радиоизлучения атмосферы в узкой полосе резонансов водяного пара 22,235 и 183,31 ГГц. Отмечаются трудности прямых измерений и противоречивость имеющихся данных о влагоеодержании средней атмосферы. Соответствующая обратная задача сводится к интегральному уравнению Вольтерра 1-го рода и численно исследуется на ЭЦВМ. Формулируются требования к измерительной аппаратуре.
В 3.3 исследуются регрессионные методы определения профилей температуры и влагосодержания, а также интегрального влагосодержания тропосферы по наземным измерениям теплового радиоизлучения в линиях Og и 1 0 в различных климатических условиях. Исследовано влияние выбора частот, углов и числа каналов измерения, а также погрешностей измерений на точность определения метеопараметров. Определены предельные и реальные возможности метода, ситуации, в которых эффективны нелинейные алгоритмы. Приводятся результаты восстановления профилей температуры по экспериментальным данным.
В главе 4 рассматривается определение рефракции и электрической длины пути радиоволн в атмосфере по радиотеплолокационным данным. В 4.1 исследуется влияние рефракции на яркостные температуры атмосферы в микроволновом диапазоне от 10 до 300 ГГц на различных углах места.
4.2 посвящен определению алгоритмов прогноза рефракции по радиотеплолокационным данным на основе регрессионного подхода, оптимальных в смысле точности, выбора частот, минимального числа каналов зондирования, учета климатических особенностей. Рас -16 смотрен широкий интервал углов места, включая малые (0,5-5°), а также исследованы особенности метода в случае, когда излучатель находится внутри атмосферы на различных высотах (от 1 до 30 км).
В 4.3 исследуются возможности, оперативного радиометрического мониторинга электрической длины пути радиоволн в тех же аспектах, в которых выполнялось исследование в 4.2 для рефракции. Кроме того, исследована взаимосвязь электрической длины пути радиоволн с полной массой водяного пара, а также рассмотрено влияние на оценки дальности погрешностей за счет кривизны луча на низких углах места к 10°) и предложены алгоритмы использования радиометрических данных для уменьшения этих погрешностей.
В Заключении кратко перечисляются основные результаты и выводы работы.
Автор выражает благодарность своему руководителю к.ф.-м.н. Наумову А.П. Автор признателен чл.-корр. АН СССР Троицкому B.C. за внимание к работе, д.ф.-м.н. Гурвичу А.С. за полезное обсуждение результатов, а также к.ф.-м.н. В.Д. Кротикову, к.ф.-м.н. М.й. Сумину, к.ф.-м.н. А.В. Троицкому, Ш.Д. Китай и Н.Н. Маркиной за ряд ценных замечаний.
