Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общие подходы и методы исследования метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы 14
1 1. Общие представления о строении пограничного слоя атмосферы 14
1.2. Теория подобия для приземного слоя атмосферы 20
1.3. Устойчивость средних значений 25
1.4. Методы исследования пограничного слоя атмосферы 26
1.4.1 Стандартные методы измерений 27
1.4.2 Локальные ультразвуковые методы 29
1.4.3 Методы дистанционного акустического зондирования 33
1.5. Выводы 38
ГЛАВА 2. Аппаратно-программные комплексы для измерения параметров атмосферного пограничного слоя и исследования приземного распространения звуковых волн ..40
2.1. Автоматизированные ультразвуковые метеорологические комплексы (АУМК) для измерения параметров приземного слоя атмосферы 41
2.1.1. Одноуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс 45
2.1.2. Двухуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс с гальванически развязанной системой связи 53
2.2. Акустические локаторы для зондирования атмосферного пограничного слоя 59
2.2.1. Минисодар «мС-1» 60
2.2.2. Акустический моностатический локатор «ЗВУК-3» 68
2.3. Стенды для контроля метеорологических и турбулентных характеристик АПС и исследования приземного распространения звуковых волн 75
2.4. Выводы 83
ГЛАВА 3. Исследование изменчивости приземной атмосферы и возможностей прогнозирования распространения звуковых волн с использованием акустических комплексов 84
3.1. Исследование изменчивости метеорологического состояния нижней атмосферы 84
3.2. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы 95
3.3. Акустические исследования структуры, динамики и турбулентности атмосферного пограничного слоя 103
3.4. Исследование устойчивости параметров турбулентности приземной атмосферы 108
3.5. Исследование возможностей использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы 114
3.6. Выводы 120
ГЛАВА 4. Аппаратно-программные комплексы для исследования и прогнозирования распространения звуковых волн в приземной атмосфере 122
4.1. Аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» 124
4.2. Геоинформационный аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0». 133
4.3. Выводы 154
Заключение 156
Приложение 158
Литература 162
- Устойчивость средних значений
- Одноуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс
- Стенды для контроля метеорологических и турбулентных характеристик АПС и исследования приземного распространения звуковых волн
- Исследование устойчивости параметров турбулентности приземной атмосферы
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке и созданию информационного обеспечения автоматизированных ультразвуковых метеорологических комплексов для локальных измерений параметров приземного слоя атмосферы, акустических локаторов для дистанционного зондирования атмосферного пограничного слоя, аппаратно-программных комплексов для исследования приземного распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания.
Атмосферный пограничный слой (АПС) характеризуется наибольшей изменчивостью своего состояния. Детальное изучение и понимание физических процессов, протекающих в АПС необходимо для решения ряда важных фундаментальных и прикладных задач физики атмосферы, распространения волн различной природы.
Для решения этих задач актуален оптимальный выбор информационно-измерительных средств получения необходимых характеристик атмосферы. Непрерывный рост требований к количеству и качеству измеряемых характеристик, к точности получения текущей и прогностической метеорологической информации, а также к её оперативности, пространственному и временному разрешению, привели к необходимости разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС.
Качественные и количественные характеристики распространяющихся в АПС звуковых волн также определяются метеорологическим состоянием атмосферы, а их прогнозирование во многом определяется исходной метеорологической информацией.
Таким образом, актуальность темы настоящей работы определяется:
ростом требований к точности оперативной информации о численных характеристиках и пространственно-временной структуре полей метеорологических величин в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн;
необходимостью разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС;
необходимостью оценки влияния метеорологических величин, измеряемых акустическими методами и вычисляемых на их основе турбулентных параметров АПС, на качество прогнозирования характеристик приземного распространения звуковых волн.
Основная цель диссертационной работы состояла в разработке информационного обеспечения акустических комплексов и их использовании в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания звуковещательных станций.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- впервые разработан и создан аппаратно-программный комплекс «Прогноз-
3.0» прогнозирования распространения звуковых волн и дальности звукового
вещания звуковещательных станций в приземной атмосфере, где применены
геоинформационные технологии;
впервые оценена возможность использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы;
впервые исследовано влияние характеристик ультразвукового метеокомплекса (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.
Практическая значимость работы заключается:
в использовании разработанных акустических комплексов в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн и прогнозирования их характеристик;
в принятии устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций, в состав которого входит разработанный и созданный программный комплекс, на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.
На защиту выносятся следующие положения:
Информационное обеспечение ультразвуковых измерительных комплексов с гальванически развязанной системой связи и акустических моностатических локаторов с применением внешнего модуля АЦП/ЦАП на шине USB 2.0 позволило получить высокие эксплуатационные и функциональные возможности измерения метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы.
Частота дискретизации 5 Гц и более и временной интервал осреднения 20 мин для измерений ультразвуковым метеорологическим комплексом соответствуют минимальной погрешности определения турбулентных параметров атмосферы.
Установка ультразвукового метеорологического комплекса на транспортное средство обеспечивает измерение метеорологических параметров с достаточной точностью, но создает существенные погрешности при вычислении турбулентных характеристик атмосферы.
Использование геоинформационных технологий позволяет создать аппаратно-программный комплекс прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере, достаточный для оперативного планирования тактики использования звуковещательных станций.
Апробация результатов
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих всесоюзных и международных семинарах, симпозиумах и конференциях: I межрегиональном совещании «Экология пойм Сибирских рек и рек Арктики» (Томск, 1999); Школе-семинаре молодых учёных «Современные проблемы физики и технологий» (Томск, 1999); VI-VIII международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999-2001); II, III международных симпозиумах «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000, 2002); IV, VII Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2007); Восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002); X, XII International
symposiums on acoustic remote sensing and associated techniques of the atmosphere and oceans (Auckland New Zeland, 2000, Cambridge UK, 2004); XI International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Rome, Italy, 2002); XII, XIV International Symposiums for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (Garmisch - Partenkirchen, Germany, 2006, Roskilde, Denmark, 2008); X, XV, XVIII сессиях Российского акустического общества (Москва, 2001, 2004, 2006).
По результатам диссертационной работы опубликованы 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах и 35 научных отчетов, статей в нерецензируемых сборниках и сборниках трудов конференций.
Личный вклад автора
Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Н.П. Красненко. Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов и программ, а также проведении экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 172 страницах, включая 7 таблиц и 89 рисунков. Список литературы содержит 103 наименования.
Устойчивость средних значений
По данным измерений находятся средние по некоторому интервалу времени т значения мгновенных характеристик полей скорости ветра и температуры. Если период осреднения т мал, то средние значения оказываются неустойчивыми - они заметно меняются под действием компонент турбулентности, характерные времена которых не малы по сравнению с т. Но при x»L0/u, где L0 - внешний горизонтальный масштаб турбулентности, средние значения будут уже устойчивыми, так как компоненты турбулентности, масштабы которых велики по сравнению с L0, лишь очень редко могут иметь большие амплитуды. Опыт показывает [18], что для получения устойчивых средних значений скорости ветра и температуры достаточно производить осреднение по интервалу времени порядка 10 мин. Для получения устойчивых средних значений характеристик мелкомасштабной турбулентности интервал осреднения может быть много меньше, но следует иметь ввиду, что такие характеристики могут также зависеть от некоторых параметров крупномасштабного движения, к которым относится, в частности скорость диссипации турбулентной энергии є. Достаточно производить осреднения по интервалу времени т=30 с, но определяемое отсюда є будет меняться при повторных измерениях вместе со скоростью ветра и . Детальное знание и понимание динамических процессов, протекающих в АПС, необходимо для совершенствования прогноза погоды и теории климата, для моделирования влияния промышленных и транспортных выбросов на качество воздуха. Для изучения атмосферных процессов и явлений производят необходимые наблюдения и измерения. Данные измерений и визуальных наблюдений обобщаются и анализируются. Тем самым устанавливают закономерности, присущие атмосферным процессам. Изученные закономерности используются для решения практических задач, среди которых предсказание погоды, прогнозирование распространение волн в атмосфере, непрерывный контроль (мониторинг) АПС в промышленных районах и крупных городах для выявления и предсказания опасных с точки зрения загрязнения воздуха метеорологических условий и оперативное представление этих данных для принятия мер по регулированию режима работы промышленных предприятий и др.
Таким образом, для увеличения достоверности результатов прогнозирования состояния АПС необходимо знать его характеристики на различных высотах, в различных районах, в различные моменты времени. Измерения тех или иных величин в пограничном слое атмосферы ведутся с различными целями, что в значительной мере определяет выбор средств и методов исследований. Методы исследования в метеорологии с течением времени претерпевали существенные изменения. На первых этапах преобладали визуальные наблюдения и эпизодические измерения отдельных величин у поверхности земли. Развитие радиофизических методов исследования атмосферы с использованием электромагнитных и звуковых волн, а также появление в последние годы цифровых интегральных микросхем и персональных компьютеров привело к разработке качественно новых измерителей, обладающих существенно лучшими техническими характеристиками. Среди наиболее распространенных прежде всего следует упомянуть самолеты-метеолаборатории (СМЛ), в том числе оборудованные турбулентным измерительным комплексом. В России такие работы ведутся Центральной аэрологической обсерваторией [20] и Институтом физики атмосферы РАН [21, 22], а так же в Институте оптики атмосферы [23]. За рубежом СМЛ широко применялись во время проведения Международного тропического эксперимента АТЭП, эксперимента по изучению конвекции и турбулентности (КОНТУР) и ряда других. Преимущество применения самолетных средств заключается в том, что они позволяют проводить измерения с осреднением по пространству, а также над водной поверхностью, в том числе над океаном. К их недостаткам следует отнести некоторую ограниченность, связанную с погодными условиями, полетами на малых высотах в приводном и приземном слоях атмосферы. Самолетные данные при измерении турбулентности в низкочастотном спектральном диапазоне, как правило, содержат значительные ошибки из-за больших трудностей в их определении с нужной точностью. Для измерений в пограничном слое используются также и малые летательные аппараты. Однако в нашей стране специализированные метеорологические радиоуправляемые самолеты такого типа находятся пока в стадии разработки. В период проведения АТЭП для изучения особенностей пограничного слоя в тропической зоне широко использовались привязные аэростаты, позволяющие проводить многоуровневые измерения (до 4-5) метеорологических величин в слое 10 - 1500 м. В отличие от аэростатов США, Канады, ФРГ, аэростат, разработанный в России [24, 25], был оборудован комплексом для измерения турбулентности. С его помощью получены характеристики турбулентности тропического пограничного слоя. Следует заметить, что среди всех упомянутых выше средств высотные метеорологические мачты (ВММ) занимают особое место.
Размещенная на них аппаратура позволяет осуществлять большое разрешение по высоте с сохранением синхронности измерений. Измерительные датчики закрепляются на фиксированных высотах, не изменяющихся во времени. В известной мере измерения на ВММ можно рассматривать как эталонные по отношению практически ко всем остальным средствам. По сравнению с самолетами они дают более точные данные в низкочастотном диапазоне спектра, где, как отмечалось выше, передаточная функция самолета известна со значительными ошибками. Более корректные измерения турбулентности получаются на ВММ и по сравнению с привязными аэростатами. Однако возможности высотных мачт также несколько ограничены, в частности, по высоте измерений (до 300 - 500 м). Мачты привязаны к фиксированному географическому району с фиксированным типом подстилающей поверхности. К этим основным ограничениям можно добавить и некоторые другие, в частности, сложность их использования для измерений над водной поверхностью. В настоящее время в мире можно насчитать около четырех десятков мачт и башен выше 100 м, данные с которых анализируются и служат основой для научных публикаций; около половины из них имеют аппаратуру, пригодную для измерения турбулентных пульсаций. Около полутора десятков таких мачт
Одноуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс
Созданный совместно с В.В. Бурковым макет одноуровневого автоматизированного ультразвукового метеорологического комплекса (АУМК-1) является автоматизированным устройством [66, 73], в состав которого входят: акустическая головка, сопряжённая с персональным компьютером через последовательный порт (рис. 2.2), программа по измерению, сбору и отображению информации [67], позволяющая пользователю непосредственно задавать продолжительность измерения и частоту съёма данных, а так же просматривать временные тренды метеорологических параметров в реальном масштабе времени. Таким образом, выходными данными данного устройства являются временные ходы метеорологических параметров с заданной частотой дискретизации, а именно температуры, направления и скорости ветра (трёх ортогональных компонент), которые записываются на диск в виде файла данных. АУМК-1 позволяет получать текущие значения температуры и компонент скорости ветра, следующих с частотой до 50 Гц, с последующим вычислением и сохранением на жесткий диск компьютера средних значений как метеопараметров (температуры, трёх компонент скорости ветра, влажности и давления воздуха с использованием стандартных датчиков) с заданным временным усреднением, так и характеристик атмосферной турбулентности. Вычисляются такие параметры, как полная энергия турбулентных движений, поток импульса, поток тепла, скорость трения, масштаб температуры, масштаб Монина - Обухова, коэффициент сопротивления потоку. Отличительной особенностью данного комплекса является его высокие эксплуатационные характеристики. В частности, он выполняет измерения при температуре окружающего воздуха от -40 до +40 С и при скорости ветра до 40 м/с, работает в условиях выпадения осадков. Алгоритм выполнения вычислений (рис. 2.3) включает в себя следующие этапы обработки: измеренные временные задержки прохождения ультразвукового сигнала между излучателем и приемником в каждом из четырёх каналов передаются последовательно с ультразвуковой головки в персональный компьютер через последовательный порт с максимально возможной частотой дискретизации, зависящей от частоты внутреннего кварцевого генератора.
Далее в программе обработки происходят вычисления по формулам (2.2) и (2.3) текущих значений метеопараметров. Параллельно через последовательные порты считываются значения с датчиков давления и влажности, для введения поправок Ван-дер-Ваальса. Через определенные интервалы времени, задаваемые в блоке установок программы, вычисляются средние значения метеопараметров и значения характеристик атмосферной турбулентности, с соответствующей записью значений на жесткий диск компьютера и выводом на экран в виде числовых значений и временных трендов (рис. 2.4). В режиме установок программы (рис. 2.5) устанавливается частота записи текущих значений в файл, выбор пути сохранения файлов, указание какие данные следует сохранять (мгновенные, средние, турбулентные). Так же задается диапазон входных значений, поступающих с ультразвуковой головки в отсчетах внутреннего таймера для коррекции нежелательных выбросов. По нажатию кнопки «Тест аналоговых датчиков» программа переходит в режим тестирования аналоговых датчиков, подключенных к компьютеру (рис. 2.6). На рис. 2.7 показан интерфейс общих установок ультразвуковой головки, где выбирается последовательный порт компьютера, к которому она подключена (в данном случае СОМІ), параметры последовательного порта (скорость обмена в бодах, длина слова, число стоп-битов, чётность), частота внутреннего кварца ультразвуковой головки, константа для вычисления скорости прохождения ультразвукового сигнала от излучателя к приемнику, частота обновления и размеры буфера для хранения поступающих с ультразвуковой головки данных, расстояния между датчиками для четырех каналов распространения, интервал усреднения для вычисления средних значений метеорологических параметров, а так же температура калибровки для режима калибровки ультразвуковой головки.
Аналогичные установки проводятся и для аналоговых датчиков давления и влажности. Скорость звука для /-го канала вычисляется из показаний счетчика ультразвуковой головки по следующей формуле где S, - длина /-го канала в метрах, D - константа, задаваемая в режиме общих установок, «, - значение счетчика для /-го канала, F - внутренняя частота кварца ультразвуковой головки. В режиме калибровки ультразвуковой головки определяются расстояния между датчиками для всех четырех каналов. Калибровка производится в строго безветренной обстановке для точного вычисления времен прохождений ультразвукового сигнала и точного определения расстояний. На рис. 2.8 показан интерфейс установок для скорости ветра, где устанавливаются параметры вывода значений модуля горизонтальной скорости ветра и его ортогональных компонент на диаграммы, в панели числовых значений и в файл. Для диаграмм устанавливаются максимальные значения по осям ординат, так же устанавливается выводить или не выводить компоненты скорости и направления ветра на диаграммы, на панели, в файл. Так же опционально указывается какие значения выводить на диаграммы и в панели -средние или текущие. По форматам выводимых численных значений указывается количество знаков после запятой. Аналогичные установки параметров производятся по температуре, давлению и влажности.
Стенды для контроля метеорологических и турбулентных характеристик АПС и исследования приземного распространения звуковых волн
На основе созданных ультразвуковых метеорологических комплексов и акустического локатора на полигоне ИМКЭС СО РАН были созданы исследовательские (испытательные) стенды: стенд для контроля метеорологических параметров и турбулентных характеристик АПС (СКМП) и акустический стенд для исследования приземного распространения звуковых волн в атмосфере (АС). Обобщенный состав этих стендов приведен на рис. 2.34. Две ультразвуковых головки двухуровневого метеокомплекса крепятся на метеорологической мачте, расположенной на стационарной метеорологической площадке на расстоянии 200 м от операторской, на высотах 2 м и 10 м соответственно. Для другого метеокомплекса — третья ультразвуковая головка и датчики давления и влажности крепятся на разборной мачте высотой 5 м, расположенной на расстоянии 50 метров от операторской. Через устройство связи и кабельную сеть данные с ультразвуковых датчиков и датчиков давления и влажности поступают на вход персонального компьютера, где производится их дальнейшая обработка. На основе поступивших данных определяются текущие значения скорости и направления ветра в трёх ортогональных координатах, а также температуры воздуха в трех точках пространства, давления и влажности воздуха. При этом диапазон измерений скорости ветра составляет 0...40 м/с с погрешностью измерения ±0.1 м/с, направления ветра 0...360 С погрешностью ±2, температуры воздуха -40 ... +40 С с погрешностью ±0.1 С. Точечный излучатель звука предназначен для измерения структурной постоянной акустического показателя преломления Сп2 косвенным базовым методом путем определения флуктуации амплитуды непрерывного сигнала относительно среднего значения.
Перечень измеряемых характеристик атмосферы приведен в табл. 3.2. Вся аппаратура (за исключением устройства связи) расположена в операторской, где осуществляется регистрация и обработка результатов измерений. Акустический стенд использует в своей работе стенд по контролю метеопараметров и турбулентных характеристик для получения контрольных данных о состоянии АПС и предназначен для исследования приземного распространения звуковых волн. Вообще перед атмосферной акустикой стоит ряд задач фундаментального и прикладного характера, связанных с изучением взаимодействия акустического излучения с атмосферой, а также с изучением физических закономерностей распространения звуковых волн различных частот в атмосфере, в особенности в приземном слое (над поверхностью земли) [51, 52, 55]. Здесь, на характеристики распространяющейся волны, помимо самой атмосферы, влияют еще и свойства подстилающей поверхности (тип поверхности, орография местности). Решение этих задач требует большого набора экспериментальных данных в различных, изменяющихся условиях проведения опытов (метеорологические условия, подстилающая поверхность) с целью выявления статистических закономерностей. характеристик атмосферы и исследования приземного распространения звуковых волн: 1 - операторская; 2 - акустический локатор; 3 - точечный излучатель звука трассового измерителя; 4 - акустическая излучающая антенна; 5 - микрофон опорного измерителя уровня звука; 6 - датчики давления и влажности ультразвукового метеокомплекса; 7 - ультразвуковые головки метеокомплексов (слева на мачте высотой 5 м и справа на двух уровнях на 10-метровой мачте); 8 - устройство связи и кабельная сеть Для проведения натурных исследований распространения звука и требовалось соответствующее аппаратное обеспечение - излучающая и приемная (регистрирующая) аппаратура (исследовательский стенд), измерители метеопараметров. Указанный стенд предназначен для проведения экспериментальных исследований распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы в зависимости от различных метеоусловий и типов подстилающей поверхности.
Поскольку атмосферный приземный слой является очень изменчивым, то для обеспечения мгновенной метеорологической информацией используются акустические измерители параметров атмосферы. С помощью акустического стенда решаются следующие задачи: - генерация и излучение акустических волн большой мощности (электрическая мощность излучающей системы 1000... 1200 Вт); - работа в импульсном и непрерывном режимах; - обеспечение генерации и формирования звуковых сигналов при помощи персонального компьютера со звуковой картой; - калибровка звукового давления излучаемого стационарной антенной в дальней зоне (мачта с микрофоном на дистанции 20...30 м от излучающей стационарной антенны); - исследование приземного распространения звуковых волн в различных условиях при помощи трассовых измерителей звукового давления (2 шт. на дистанции 1.. .3 км); - отработка алгоритмов прогнозирования приземного распространения акустических волн на различных дальностях в зависимости от метеорологических условий, характеристик подстилающей поверхности и др.; - проверка точности прогнозов уровня звука. В состав стенда входят (рис. 2.35): - мощная защищенная зеркальная излучающая антенна; - трассовые измерители звукового давления; - стенд для контроля метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы; - компьютер с устройством сбора данных от различных комплексов, а также программным обеспечением для генерации звуковых волн; - излучающая антенна акустического стенда представляет собой зеркально-параболическую антенну диаметром 1.5 м. Для увеличения мощности излучения был применен многоголовочный (на 4 акустических
Исследование устойчивости параметров турбулентности приземной атмосферы
В силу случайного характера всех метеорологических процессов, текущее (мгновенное) значение метеоэлемента, полученное в результате одиночного измерения, не несет существенной информации. Только результаты многих «точечных» измерений, а также характеристики, полученные путем обработки отдельных измерений, имеют действительную ценность. При этом всегда следует по возможности учитывать характер конкретной задачи, для которой проводятся измерения, сообразуя с ними частоту и продолжительность измерений во времени и в пространстве, а также требования к точности, инерционности и другим параметрам измерительной аппаратуры. Для решения задачи прогнозирования дальности звукового вещания, непосредственно измеряются текущие (мгновенные) значения четырех метеорологических параметров: температуры, скорости ветра (три компоненты), влажности и давления воздуха. Затем после определенного времени измерения (набора данных) вычисляются характеристики турбулентности в рамках теории подобия Монина - Обухова, необходимые для прогноза распространения звуковых волн в атмосфере. В Гидрометслужбе для синоптических целей в пунктах измерений быстро меняющиеся параметры подвергаются осреднению: по скорости ветра -за 10 мин, по температуре, давлению и влажности - за 1 - 2 мин. [65, 97, 98]. Для расчета характеристик турбулентности (это уже не первые статистические моменты, а вторые), таких как: структурные характеристики температуры и скорости ветра, момент потока импульса, момент потока тепла, потоки импульса и тепла, масштаб Монина - Обухова и др., время измерения определяется конкретными явлениями и в разных условиях различно. Обычно при исследованиях выбираются временные диапазоны от 5 до 20 мин, так как турбулентность мелкомасштабного диапазона спектра (глава 1) в среднем успевает приспособиться к изменению полей в синоптическом диапазоне за периоды 200 - 1000 с. [1] Ультразвуковая метеорологическая станция позволяет непосредственно регистрировать изменения во времени компонент скорости ветра и температуры в фиксированной точке пространства. По данным измерений находятся средние значения по некоторому временному интервалу осреднения т значения характеристик полей скорости ветра и температуры. Если период осреднения т мал, то средние значения оказываются неустойчивыми — они заметно меняются под действием компонент турбулентности, характерные времена которых не малы по сравнению с т. Но при т » LQlu (и- скорость ветра), где L0 - внешний горизонтальный масштаб турбулентности, средние значения будут уже устойчивыми, так как компоненты турбулентности, масштабы которых велики по сравнению с L0, лишь очень редко могут иметь большие амплитуды. Опыт показывает [18], что для получения устойчивых средних значений скорости ветра и температуры достаточно производить осреднение по интервалу времени порядка 10 мин.
Для получения устойчивых средних значений характеристик мелкомасштабной турбулентности интервал осреднения может быть и меньше, но следует иметь ввиду, что такие характеристики могут зависеть так же от некоторых параметров крупномасштабного движения. В результате измерений в рамках эксперимента были накоплены длинные ряды текущих значений метеорологических параметров атмосферы. Непрерывность этих рядов позволила оценить устойчивость турбулентных параметров приземной атмосферы при разных типах стратификации атмосферы, варьируя интервалом времени осреднения. Методика проведения измерений и обработки данных: по непрерывным суточным потокам текущих значений метеорологических величин (температуры и трех компонент скорости ветра), измеренных с частотой дискретизации 33 Гц определялись средние значения метеовеличин и турбулентных характеристик атмосферы при различном интервале времени осреднения. 109 Так же варьируя частотой дискретизации измеренных метеопараметров путём прореживания их рядов данных определялись такие турбулентные параметры атмосферы, как масштаб Монина - Обухова, который является определяющим параметром для определения типа стратификации и восстановления профилей метеовеличин с высотой, структурных постоянных флуктуации температуры и скорости ветра. На основании полученных данных был проведен сравнительный вариационный анализ. Все вычисления производились с использованием программного пакета MeteoCAD (рис. 3.14), включающего в себя процедуры статистической обработки метеорологических параметров, вычисления турбулентных параметров приземной атмосферы и восстановления профилей метеорологических параметров. Проанализировав поведение турбулентных параметров приземной атмосферы в зависимости от частоты дискретизации измерений метеопараметров получили их устойчивые значения при частотах начиная уже
