Введение к работе
ктуальность проблемы.
Появление п начале 60-х годов в радиолокационной метеорологии доплеровских
адиолокаторов стало возможным благодаря трудам русских и зарубежных ученых и
вилось важным шагом в развитии дистанционных методов зондирования атмосферы.
'еоретически было показано, что доплеровские радиолокаторы позволяют решать
акие фундаментальные задачи, как определение динамики и микроструктуры осадков,
оля ветра в осадках и ясном небе, и т. д. Дальнейшие исследования подтвердили
тирокие возможности доплеровской радиолокации, выявив при этом определенные
ложности в геофизической интерпретации результатов измерений. Природа этих
рудностей связана п основном с тем, что характеристики отраженного от метеоиелей
іадиолокациошгаго сигнала зависят одновременно от целого ряда метеопараметров. К
яким метеопараметрам, влияющим на характеристики отраженного от осадков
яигнала, прежде всего, следует отнести интенсивность осадков I и их микроструктуру.
Здновременно форма и ширина спектра S ( -Р ) отраженного от дождя
вдиолокационного сигнала зависят от интенсивности турбулентных пульсаций
жорости рассеивателей. Интенсивность этих пульсаций зависит от интенсивности
гурбулентности в атмосфере и согласно теории Колмогорова - Обухова в инерционном
інтервале, то есть для вихрей с масштабами от сотен метров до миллиметров
характеризуется одним параметром - скоростью диссипации турбулентной энергии
. Другим параметром, влияющим на форму спектра отраженного сигнала является
зертикальный градиент вектора скорости ветра ИЬ . Влияние каждой из этих величин
5ависиг ог параметров радиолокатора, прежде всего формы и ширины диаграммы
направленности антенны радиолокатора и направления зондирования. Разделить
влияние каждого из метеопараметров, измерить величины его характеризующие с
точностью, достаточной для практического использования является важнейшей задачей
доплеровской метеорологической радиолокация. Данная работа посвящена
дальнейшему развитию методов, обеспечивающих извлечемте метеорологической
информации, получаемой при зондировании атмосферы с помощью доплеровских
радиолокационных станций. Причем в отличие от предыдущих исследований для
определения метеопараметров предлагается более полно использовать результаты
спектрального анализа отраженного радиолокационного сипіала. В настоящее время в
радиолокациоішой метеорологии используются два параметра доплеровского спектра
-V-
отраженного сигнала это - средний дошіеровскии сдвиг частоты f-y отраженного сигнала и ширина спектра отраженного сигнала <4V . Работ, в которых анализируются более высокие моменты спектра &(j) практически нет.
Поэтому представляется целесообразным рассмотреть информативность таких характеристик спектра, как его ассиметрия к. и эксцесс Е а. связанные соответственно с третьим и четвертым центральными моментами спектра Ьъ Д. . Можно надеяться, что расширив число параметров, характеризующих спектр удастся упростить и повысить точность определеши метеопараметров по характеристикам отраженного радиолокационного сигнала.
Проведение такого комплекса исследований в настоящее время стало возможным благодаря бурному развитию средств вычислительной техники, появления мощных персональных компьютеров с высоким быстродействием, большим объемом памяти и что особенно важно - с гибкой системой взаимодействия с внешними измерительными устройствами. В частности если удастся определить первые и в ряде случаев вторые вертикальных производных профиля скорости ветра в свободной атмосфере и пограничном слое, которые входят во все численные методы прогноза метеоявлений, а измерение их другими методами практически невозможно, то это будет являться большим достижением в области экспериментальной метеорологии.
Сформулируем цели работы. Дедь работы.
Целью данной работы является:
1. на базе теории рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях и
современной метеорологии предложить радиолокационігую модель дождя,
которая бы включала в себя все перечисленные метеорологические
параметры: X , JV/A к , і, \л/&
-
используя эту модель выяснить влияние метеопараметров на первые четыре момента доплеровского спектра $Yf) отраженного сигнала в различных условиях зондирования;
-
оценить точность и надежность измерения моментов спектра при наличии шума и на базе полученных результатов наметить методы определения метеоиараметров по полученным значениям j ,у/ S <, Ех как в режиме вертикального, так и наклонного зондирования;
4:—оцекитьточностьопредедения-метеопараметров этими методами.
Паучная новизна.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что впервые предложены методы определения основных параметров атмосферы, таких как интенсивность турбулентности, вертикальные градиенты скорости ветра, скорости и направления вертикальных потоков воздуха в осадках на основе использования первых четырех моментов доплеровского спектра радиоэха. Показана возможность построения замкнутых схем определения перечислешгых метеопараметров. Приводятся оценки как систематических, так и случайных ошибок определения моментов спектра и на этой основе ошибок в оценке величины метеопараметров. Основные, результаты, представляемые к зашите:
Защищаются следующие основные положения и результаты исследований автора.
-
Радиолокационная модель дождя, позволяющая исследовать влияние на доплеровский спектр отраженного сигнала и его моменты таких метеопараметров как: интенсивность дождя I, его микроструктура и( Ъ) , интенсивность турбулентных пульсаций скорости ветра, которая в инерционном интерпале масштабов пульсаций определяется скоростью диссипации турбулентной энергии , вертикальный профиль скорости ветра к* /\U , а так же направление зондирования, форма и ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора.
-
Алгоритм расчета доплеровского спектра и его моментов для принятой радиолокационной модели дождя.
-
Оценки точности и надежности определения моментов спектра при наличии шума.
4. Результаты численного моделирования, показывающие влияние
метеопараметров на моменты доплеровского спектра радиоэха.
5. Методики определения по измерениям четырех моментов доплеровского
спектра отраженного от дождя радиолокационного сигнала основных метеопараметров
JL) 4^/Д| , и скорости вертикальных потоков воздуха Wj .
Структура и объем работы:
