CC BY
79
Visnyk N'l'UU KP1 Seriia Radiolekhnika tiadioaparatobuduummia, "2018, Iss. 73, pp. 18—27 УДК 351.814.2:656.7.08/621.396.933.21
Акустический метод зондирования пограничного слоя атмосферы. Современное состояние и перспективы развития
Лю Чан1, Ибрашюв И. К.2, Панченко А. Ю?
1Хэйлунзянский Бауи аграрный университет 2 Харьковский национальный университет радиоэлектроники
E-mail: ohkeandr.panchenko&nure.ua
Развитие метода акустического зондирования имеет два направления: совершенствование теоретических описаний взаимодействия акустических воли с атмосферой и совершенствование техники зондирования. Поэтому оценка наиболее перспективных путей требует детального анализа современного состояния как теоретических основ, так и технических реализаций метода. В работе показано, что современные акустические локаторы выполнены па высоком техническом уровне и в настоящее время основная проблема метода состоит в отсутствии адекватной теории обработки полученной информации. Ее построение требует анализа ряда обратных задач рассеяния звука в неоднородной движущейся среде. В перспективе требуется уточнение теоретических основ рассеяния звука в неоднородной среде и динамики атмосферного пограничного слоя.
Ключевые слова: турбулентность: звук в неоднородной среде: направленность аптепп: ветер: температура: влажность: сдвиги ветра
DOI: 10.20535/RADAP. 2018.73.18-27
Введение
Акустические методы зондирования атмосферы позволяют при небольших затратах в on-line режиме отслеживать метеорологическую ситуацию в нижнем слое тропосферы атмосферном пограничном слое (АПС). Актуальность развития данных методов определяется, как необходимостью мониторинга окружающей среды в условиях возрастания техногенной нагрузки, так и высокой чувствительностью акустических волн к изменениям параметров воздуха.
История совершенствования акустических локаторов содаров (SODAR SOnic Detection And Ranging), как и история развития систем радиоакустического зондирования (Radio Acoustic Sounding System RASS) насчитывает много десятилетий [1. 2]. Однако и в настоящее время их эффективность, по сравнению с лазерными, тепловыми и другими системами относительно невысока. Поэтому требуется всесторонний анализ объекта измерений, процесса извлечения информации, средств и методов зондирования.
Учитывая ограниченный объем, в данной статье будут показаны только основные моменты, касающиеся метода акустического зондирования (A3). Целыо данной работы является оценка и выбор наиболее эффективных путей развития метода.
1 Общие вопросы акустического метода зондирования АПС
Математическое описание процесса распространения акустических волн (АВ) существенно сложнее. чем электромагнитных [3]. Это связано с тем. что АВ являются продольными и в подвижной среде (жидкости, газы) переносятся вместе со средой [4]. Соответствие описания АВ с электромагнитными достигается только в частном случае неподвижной среды, например в твердых телах [5.6]. Но и в этом случае имеются существенные отличия в физике граничных условий, в процессах излучения и распространения [7 10]. Поэтому существенные отличия имеются и в математических моделях, причем эти отличия носят принципиальный характер [11 14]. Тем не менее, высокая чувствительность АВ к изменениям параметров среды, а также то. что акустические волны принципиально могут извлечь большее количество информации, является существенным преимуществом [1.2.15 18].
Аппаратурная реализация метода АЗ сравнительно простая [1]. Несложная конструкция акустического локатора дает возможность получения сигнала с высот до 1 км. то есть практически по всей высоте АПС. Как известно, в этом слое происходят важнейшие процессы, определяющие динамику
к
0
ёк
Ветер
е 2
¿¡ь
%
(а)
"ЦЧ f д2
Т, г
(б)
Рис. 1. Термодинамическая структура АПС: (а) при дневной конвекции, (б) при ночной инверсии
атмосферы в целом [19]. В АПС формируются потоки тепла и влаги [20]. в нем заметно влияние силы Кориолиса и неровностей поверхности, в нем трение о земную поверхность приводит к турбулизации потока и так далее. Поэтому возможность дистанционного получения высотной информации в оп-Ипе режиме и доступность различных вариантов аппаратуры зондирования привлекают исследователей.
2 Основные типы течений в АПС
Динамика АПС подчиняется законам потоков сплошной среды, термодинамики газов, гравитации, молекулярной физики [21]. В сплошной среде потоки бывают ламинарные и турбулентные. Теория ламинарных потоков достаточно хорошо разработана [4]. Строгой теории турбулентных потоков, несмотря на значительные усилия и попытки привязки к конкретным условиям, в настоящее времени не создано [22 25]. Общепризнанны только ее иолуэм-пирические описания, сделанные при значительных упрощениях: несжимаемости, изотропности, однородности. и т.д. [26 28]. Наиболее полно развито представление о турбулентности, возникшей в результате действия динамических факторов трения о поверхность.
Описания термической турбулентности, которая играет не меньшую роль в АПС. менее развиты. По сути, они представлены как дополнения к динамическим моделям [29.30].
Схематически оба вида турбулентности в АПС представлены на рис. 1а.
Прогрев поверхности является термическим источником турбулентности У^. Синоптическое перемещение воздушной массы У^ — динамическим Уо • В дневное время прогрев поверхности приводит к образованию конвективных вертикальных
токов [ ]. При этом средняя температура Т(Н) с
ростом высоты снижается дн=^0,01 град/м.
В ночное время при ясном небе происходит интенсивное радиационное выхолаживание поверхности. и воздух в нижних слоях охлаждается. Такое состояние называется температурной (ночной) инверсией. При этом сверху сохраняется режим турбулентного движения (рис. 16) [31.32]. В самом
деле, даже при дн=0 и при обычных параметрах воздуха динамическая вязкость ^=1,8*10-4 Пуаз (0,18*10-4 Па*с), плотность воздуха р = 1, Зкг/м3, Декр = 107 - получаем, что в километровом слое турбулентный вихрь может образоваться уже при Уз =1,5 м/с.
Из этого следует, что устойчивые потоки могут возникнуть только в температурно-неоднородном АПС в условиях ночной инверсии [33, 34]. Причем локальные потоки У^ не обязательно совпадают с синоптическими, а определяются орографией местности, свойствами подстилающей поверхности, влиянием мегаполисов, прочими факторами [31,32, 35 37]. Но и в этом, сравнительно простом случае, отсутствует достаточно строгое математическое описание, а иногда и физическое представление о динамических процессах [4,38 41].
Описания остальных весьма важных ситуаций, например, бризовой циркуляции, образования туманов или прохождения фронтов существенно сложнее, и в ряде случаев еще не создано, поэтому требуются эффективные средства мониторинга [42 45].
3 Физические и математические модели АЗ
Наиболее частые состояния АПС характеризуются неоднородностью среды и турбулентностью потока. Поэтому теория акустического зондирования (АЗ) основана на теории рассеяния звука в турбулентной среде и специфические задачи ориен-
тированы на эти случаи [47.48]. Упрощенная схема многолучевого наклонного АЗ турбулентного АПС показана на рис. 2.
Отражающий слой
Рис. 2. АЗ турбулентного АПС
Согласно [48]. интенсивность рассеянного сигнала определяется спектральными функциями температурных флуктуации Фт и случайного поля скорости ветра Е . Результирующее выражение для среднего эффективного объема рассеяния имеет вид:
а(в) = -к4со82в
Фт (2 к в1п § )
т0
с2 в
+
§ Е (2к в1п §)
2 к
81П п
2 )
(1)
где с0 - скорость звука; То - температура К; в -
к
волновое число.
Согласно этому выражению, отражение назад от флуктуаций потока отсутствует. Отраженный сигнал формируется флуктуациями температуры. Это позволяет по доплеровскому сдвигу частоты принятого сигнала определить скорость движения среды в направлении луча. Трехлучевым наклонным зондированием определяются все компоненты средней скорости потока. Однако такое определение весьма грубое. Выражение (1) получено при значительных допущениях, в частности, несжимаемости среды, кроме того, рассматривают среднее значение доилеровского сдвига, поэтому не учитывают мгновенные фазовые соотношения отраженного поля в неоднородной случайной среде.
Значительно меньше исследовано АЗ в условиях температурных инверсий. Известна попытка использовать (1) в предположении существования мелкомасштабной турбулентности в инверсионных слоях.
При температурной инверсии АПС можно представить как плоскослоистую структуру (рис. 3) [49].
Рис. 3. АЗ в условиях температурной инверсии
Однако, даже при гипотетической зондирующей посылке с плоским фазовым фронтом и задании функций распределений скорости с(г) и коэффициента отражения К (г) в основе прямой задачи АЗ, определения параметров принятого сигнала и(€), лежит решение нелинейного интегрального уравнения вида:
о
и далее
гшая г'
и(л=1и - 21'* 'г1'"- "1К <• ' >* ■ (2) гш]п 0
г г
где гт[п = / с(г)Лгтах = / с(г)Л'
то К (г) -коэффициент отражения; и (£) - зондирующая посылка; Т - длительность зондирующей посылки.
Здесь не рассматриваются коэффициенты связи электрических и акустических сигналов и считается, что между проходом зондирующей посылки и отраженных звуковых волн состояние трассы не меняется. При реальном расходящемся зондирующем пучке задача еще более усложняется, а принятый сигнал становится шумоподобным. На рис. 4 представлены осциллограммы принятых сигналов в условиях турбулентного АПС (рис. 4а) ив условиях ночной инверсии (рис. 46).
Сигналы получены в процессе наблюдений, которые проводились в Проблемной лаборатории зондирования атмосферы Харьковского института радиоэлектроники (ПНИЛ ЗА ХИРЭ) на полигоне Одесского гидрометеорологического института (ОГМИ) в период 1985-1992гг [50].
Значительные осцилляции как амплитуды, так и мгновенной частоты, изменение спектрального состава их пульсаций, явно выраженное отличие их спектров в настоящее время не имеют объяснений. В случае температурной инверсии, пульсации мгновенной частоты не могут соответствовать реальной скорости движения среды.
г
0
-
(б)
Рис. 4. Принятый сигнал A3. Верхний луч амплитуда принятого сигнала, нижний мгновенная частота
4 Типы и конструкции содаров
Уже в самом начале развития техники A3 со-дары начали создавать по трехкомионентной схеме, например, содары фирмы Remtech INC, Франция, относящиеся к середине 70-х годов.
Развитие электронной элементной базы, микроконтроллерной и компьютерной техники позволили поднять конструкции содаров на более высокий технический уровень. В них стали активно использовать фазированные антенные решетки электроакустических преобразователей (ФАРЭП), например, испанская фирма InterMET или американская Seint ее.
Использование ФАРЭП позволило увеличить излучаемую мощность. При этом во многих конструкциях трехлучевых содаров традиционная схема построения с отдельными каналами сохранялась, например, немецкой фирмы Metek. Дальнейшее развитие конструкции содаров получили благодаря введению современных микроконтроллеров в систему управления ФАРЭП. в блоки формирования и приема сигнала. Это позволило с помощью одной ФАРЭП формировать необходимое количество лучей, оперативно управляя их параметрами Это позволило создавать содары по схеме с одной управляемой ФАРЭП Metek. Doppler-sodar-pcs-2000
1 Remtech РЛ-0 SOÜAR acoustic wind profiler - Time height plots measured by SOÜAR
пли содары фирм Minisodar. Atmopsheric Systems Corporation) (США) и Atmospheric research Pty Ltd (Австралия). В современных содарах на основе ФАРЭП реализуется защита от шумов1.
Современные содары оснащаются системами автономного питания на основе солнечных элементов. системами связи и прочими вспомогательными устройствами.
5 Результаты содарных наблюдений
Наиболее ценным результатом содарных наблюдений можно считать визуализацию структуры АПС. Несмотря на ограниченный объем численных значений получаемых метеодаииых. наглядное представление структуры АПС может во многом способствовать формированию адекватных моделей его динамики, привязанных к конкретной местности.
Потенциальная возможность высотных измерений без строительства дорогостоящих метеомачт привлекала исследователей проводить содар-ное зондирование в различных условиях. Создание мобильных систем, а дешевизна и простота их эксплуатации, автономность позволяет проводить длительные сеансы наблюдений. Результаты таких содарных наблюдений в достаточном количестве есть в открытом доступе. В качестве примера можно привести двухнедельные записи высотных профилей скорости и направления ветра2. Такие данные используют при оценке ветроэнергетического потенциала.
В настоящее время сравнительно хорошо сформировано представление о динамике АПС в континентальных, равнинных областях.
Как правило, в период устойчивого антициклона в летний период в ночные часы образовывается устойчивый инверсионный слой с высоким градиентом температуры. Он обусловливает значительный уровень отражения. Его высота составляла от 100 до 200м. Прогрев поверхности в утренние часы приводит к подъему охлажденной воздушной массы и разрушению инверсии. Дневная конвекция продолжается до захода солнца. После чего начинает снова образовываться ночной инверсионный слой.
В переходные периоды и в периоды циклонов действует большее число метеофакторов. Еще большее их число действует на границе суша-море. На рис. 5а-г показаны результаты наблюдений, проведенные в ПНИЛ ЗА ХИРЭ на полигоне ОГМИ в рамках исследования условий распространения радиоволн в прибрежной зоне [50].
Рис. 5. Примеры результатов акустического зондирования
Адвективный туман над ночной инверсией (рис. 5а, 7-30 и далее) образовался в результате переноса относительно теплой и влажной воздушной массы со стороны моря на охладившуюся за ночь поверхность суши. Существование воды одновременно в капельной фазе и в виде пара, обусловило высокий уровень отражения звуковых волн.
Низкая облачность в осенний период (рис. 56) также обусловлена влиянием разности температур и влажности воздушных масс, сформировавшихся над поверхностью моря и суши. Только в этом случае общий температурный фон был выше и условия для фазового перехода водяного пара возникли в приподнятых слоях АПС.
В период бризовой циркуляции два потока воздуха с различными параметрами движутся навстречу друг другу. Как правило, они разделены по высоте. На границах бризовых потоков динамические факторы приводят к образованию турбулентности, а температурные неоднородности приводят к формированию отражающих слоев. На рис. 5в видно разрушение нескольких бризовых струй, которые сформировались вследствие кривизны береговой линии уже при начавшемся прогреве поверхности суши в утренние часы.
Наиболее сложная ситуация возникает при прохождении синоптических фронтов. На рис. 5г пока-
зано прохождение теплого фронта. Оно привело к образованию сильной турбулентности по всей высоте АПС. Приземная температура повысилась на 3 ... 4 ОС. В дальнейшем в пришедшей теплой массе развивалась бризовая циркуляция и формировалась приземная инверсия. В 01-50 с помощью системы радиоакустического зондирования (РАЗ-10-20 XII-РЭ [51]) проведено измерение температуры воздуха по всей высоте АПС. Высотный профиль температуры показан контрастной линией.
Выводы
Создание средств измерений базируется на глубоком развитии теории. Как правило, в любой конкретной области сначала решают прямые задачи определение параметров отклика измерительной системы при заданном состоянии объекта. При прямых измерениях этого достаточно для определения обратной связи. Акустический метод относится к косвенным. Здесь необходимо обосновано и однозначно определять состояние объекта по полученной в результате измерений непрямой первичной информации. Причем, АЗ АПС является одним из наиболее сложных случаев косвенных измерений. В этом случае требуется строгое описание самого объекта, его взаимосвязей, а также метода, средства и процесса измерений. Анализ литературных источников показал, что основные проблемы метода состоят в несовершенстве процесса выделения информации из принятого сигнала.
На основании вышесказанного можно сформулировать наиболее актуальные задачи развития метода на современном этапе. Они относятся к обратным задачам фундаментальных проблем теории рассеяния звука в неоднородной движущейся среде. Поэтому в настоящее время для решения прикладных вопросов требуется ряд последовательных поступательных шагов в направлении адаптации уже имеющихся достижений к использованию в системах АЗ. Среди актуальных задач, которые могут получить развитие на современном этапе, можно выделить следующие.
1. Уточнение моделей отражения акустических волн в устойчивом АПС в период ночных инверсий температуры.
2. Анализ возможностей многолучевого АЗ при различных фазовых соотношениях в зондирующих сигналах.
3. Анализ перспектив использования модулируемых зондирующих сигналов.
Естественно, что кроме перечисленных, существуют и более сложные задачи. К ним относится, например, анализ отражения в сжимаемой среде, или оптимизация исходных соотношений [52]. В практическом плане перспективным является путь четкого обоснования упрощений в конкретных задачах [53].
Оценка эффективности направлений совершенствования аппаратуры зондирования должна проводиться по критериям увеличения количества независимой первичной информации.
Благодарности
Данная работа выполнена благодаря поддержке со стороны проектов ХБВ2014-18 и N0. Х1ХП 157,1.4 Хэйлунзянского Бауи аграрного университета (КНР).
Перечень ссылок
1. Красненко Н. П. Акустическое зондирование атмосферы / Н. П. Красненко // J. Phys. D: Appl. Phys. -2007. -No.40. - pp. 45-53.
2. Каллистратова M. А. Радиоакустическое зондирование атмосферы / М. А. Каллистратова, А. Кон. - М.: Наука, 1985. - 197 с.
3. Основы акустики : в 2 т. Т.1. Пер. с англ. / Скучик Е. - М.: Мир, 1976. - 519 с.
4. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. - М.: Наука, 1978. - 736 с.
5. Исакович М.А. Общая акустика / М. А. Исакович. -М.: Наука, 1973.- 496 с.
6. Amamou Manel L. A theoretical and numerical resolution of an acoustic multiple scattering problem in three-dimensional case / L. Amamou Manel / / Acoustical Physics, 62, 3. - pp. 280-291.
7. Копьев В. Ф. Создание заглушённой установки для аэроакустических экспериментов и исследование ее акустических характеристик / В. Ф. Копьев, В. В. Пальчиковский, И. В. Беляев, Ю. В. Берсенев, С. Ю. Макашов, . В. Храмцов, . А. Корин, Е. В. Сорокин, О. Ю. Кустов // Акустический журнал. - 2017. - Т.63, 1. - с.114-126.
8. Shanin A.V. Diffraction by an impedance strip I. Reducing diffraction problem to Riemann-Hilbert problems / A. V. Shanin, A. I. Korolkov // Quart. Journ. of Mech. And Appl. Mahc. - 2015. - V.68. - pp.321-339.
9. Коробов А. И . Влияние давления на нелинейное отражение упругих волн от границы двух твердых тел / А. И. Коробов, Н. В. Ширгина, А. Кокшайский // Акустический журнал. - 2015. - т.61, 2, с. 182-190.
10. Денисов С. Л. Исследование эффективности экранирования шума с помощью метода последовательностей максимальной длины в приложении к задачам авиационной акустики /С. Л. Денисов, А. И. Корольков // Акустический журнал. - 2017. - Т.63, 4. - с. 419-435.
11. Chen Yong. Study of thermoviscous dissipation on axi-symmetric wave propagating in a shear pipeline flow confined by rigid wall. Part I. Theoretical formulation / Chen Xiaoqian, Huang Yiyong, Bai Yuzhu, Hu Dengpeng, Fei Shaoming // Acoustical Physics. - 2016. - 62, 1. - pp. 27-37.
12. Liu X., Jiang H., Huang X., Chen S. Theoretical model of scattering from flow ducts with semi-infinite axial liner splices // J. Fluid Mech. - 2016. - V.786. - pp. 62-83.
13. Agaltsov F.D. On the reconstruction of parameters of a moving fluid from the Dirichlet-to-Neumann map // Eurasian J. Mathematical and Computer Applications. -2016. - V.4, 1. - pp.4-11.
14. Krylov V. V. Acoustic black holes: recent developments in the theory and applications / V. V. Krylov V.V. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. - 2014. - V.61. N 8. - pp.1296-1306.
15. Agaltsov A. D. Uniqueness and non-uniqueness in acoustic tomography of moving fluid / A. D. Agaltsov, R. G. Novikov //J. Inverse and Ill-Posed Problems. -2016. -T. 24. - 3. - pp. 333-340.
16. Chen J. Simultaneously measuring thickness, density, velocity and attenuation of thin layers using V(z,t) data from time-resolved acoustic microscopy / J. Chen, X. Bai, K. Yang, B.-F. Ju // Ultrasonics. - 2015. - V.56- pp.505.
17. Скворцов Б.В. Теоретические основы дистанционного акустического контроля уровня и плотности жидких контактирующих сред на границе раздела / Б. В. Скворцов, А. В. Солнцева, С. А. Борминский, Л. В. Родионов // Акустический журнал. - 2016. - 62, 6. -с. 731-737.
18. Зотов Д. И. Восстановление векторного поля течения функциональным алгоритмом Новикова-Агальцова и аддитивно-корреляционным способом / Д. И. Зотов, А. С. Шуруп, О. Д. Румянцева // Изв.РАН. Сер.Физическая. - 2017. - Т.81, 1. - С.111-116.
19. Лайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы / Д.Л. Лайхтман. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1970. -342 с.
20. Драганов Б. X. К Вопросу о динамике приземной атмосферы / Б.Х. Драганов // Енергетика та автоматика. -2015. - №3. -с.19-25.
21. Хргиан А. X. Физика атмосферы / А. X. Хргиан. -Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 647 с.
22. Фрик П. Г. Турбулентность: подходы и модели / П. Г. Фрик. - Ижевск: Изд. ИКИ, 2003. - 292 с.
23. Banerjee Т. Revisiting the formulations for the longitudinal velocity variance in the unstable atmospheric surface layer / T. Banerjee, G. G. Katul, S. T. Salesky, M. Chamecki // Q J R Meteorol Soc. - 2014. - 141. - pp. 1699-1711.
24. Chamecki M. Scaling laws for the longitudinal structure function in the atmospheric surface layer / M. Chamecki, N. L. Dias, S.T. Salesky, Y. Pan // J Atmos Sci. - 2017. -74 (4). - pp.1127-1147.
25. Crivellaro B. L. Spectral effects on scalar correlations and fluxes / B. L. Crivellaro, N. L. Dias, T. Chor // Am J Environ Eng. - 2013. - 3. - c.3-17.
26. Колмогоров A. H. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // УФН. — 1967. — Вып. 93. — pp. 476-481.
27. Монин А. С. Статистическая гидромеханика.4.1 / А. С. Монин, А. М. Яглом. - М.: Наука, 1965.- 640 с.
28. Турбулентность. Принципы и применения / Под ред. У. Фроста, Т. Моулдена. М.: Мир, 1980. - 536 с.
29. Ковальногов Н. Н. Прикладная механика жидкости и газов / Н. Н. Ковальногов. - Ульяновск, 2010.
30. Касилов В. Ф. Справочное пособие по гидрогазодинамике для теплоэнергетиков /В.Ф. Касилов. - 2001. -М. : Изд-во МЭИ. -272с
31. Воронцов 11. Л. Турбулентность и вертикальные токи в пограничном слое атмосферы / 11. Л. Воронцов. Л.: Гпдрометеоиздат, 1966. "296 с.
32. Вызова Н. Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты распространения примеси / Под ред. Н. Л. Визовой, К. К. Гаргера, В. Н. Иванова. Л.: Гпдрометеоиздат. 1991. - 280с.
33. Mahrt L. Stably stratified atmospheric boundary layers / L. Mahrt // Annu Rev Fluid Mech. 2014. 46. pp.23 45.
34. Kang Y. Classes of structures in the stable atmospheric boundary layer / Y. Kang, D. BeluSic, K. Smith-Miles // Q .1 R Meteorol Soc. 2015. 141. pp. 2057 2069.
35. Acevedo О. C. The influence of submeso processes on stable boundary layer similarity relationships / О. C. Acevedo, F. D. Costa, P. E. S. Oliveira, F. S. Puhales, C. Degrazia, D. R.Roberti // .1 Atmos Sci. 2014. 71(1). pp. 207 225
36. Cava D. A wavelet analysis of low-wind-speed submeso motions in a nocturnal boundary layer / D. Cava, L. Mortarini, U. Ciostra, R. Richiardone, D. Anfossi // Q .1 R Meteorol Soc. 2017. T. 143. 703. pp.661-669.
37. Vomado F. A Severe weather caused by heat island and sea breeze effects in the metropolitan area of Sao Paulo. Brazil / F. Vomado, F. Pereira // Adv Meteorol. 2016. 8364. pp.134.
38. Sun .1. Review of wave-turbulence interactions in the stable atmospheric boundary layer / .1. Sun, C. .1. Nappo, L. Mahrt, D. BeluSic, B. Crisogono, D. R. Stauffor, M. Pulido, C. Staquet, Q. Jiang, A. Pouquet et al // Rev Ceophys. 2015. 53(3). pp. 956 993.
39. Suarez A. Wavelet-based methodology for the verification of stochastic submeso and meso-gamma fluctuations / A. Suarez, D. R. Stauffer, B. .1. Caudet // Moo Weather Rev. 2015. 143(10). pp.4220 4235.
40. Sun .1. Wind and temperature oscillations generated by wave-turbulence interactions in the stably stratified boundary layer / .1. Sun, L. Mahrt, C. Nappo, D. H. Lenschow//.1 Atmos Sci. 2015. 72(4). pp.1484 1503.
41. Vercauteren N. A clustering method to characterize intermittent bursts of turbulence and interaction with submesomotions in the stable boundary layer / N. Vercauteren, R. Klein // .1 Atmos Sci. 2015. 72(4). pp.1504 1517.
42. Kehler S. High resolution deterministic prediction system (HRDPS) simulations of Manitoba lake-breezes / S. Kehler, .1. Hanesiak, M. Curry, D. M. L. Sills, N. Taylor // Atmos Ocean. 2016. 54. pp. 93 107.
43. Vercauteren N. Investigation of interactions between scales of motion in the stable boundary layer / N. Vercauteren, L. Mahrt, R. Klein // Q .1 R Meteorol Soc. 2016. T. 142. 699. pp.2424-2433.
44. Wentworth O. R. Impact of lake-breezes on ozone and nitrogen oxides in the Creator Toronto Area / C. R. Wentworth, .I.C. Murphy, D. M. L. Sills // Atmos Environ. 2015. 109. pp.52 60.
45. Curry M. A radar-based investigation of lake-breezes in southern Manitoba, Canada / M. Curry, .1. Hanesiak, D. M. L. Sills // Atmos Ocean. 2015. 53. pp.237 250.
46. Ram K. Variability in aerosol optical properties over an urban site, kanpur, in the indo-gangetic plain: a case study of haze and dust events / K. Ram, S. Singh, M. M. Sarin,
A. K. Srivastava, S. N. Tripathi // Atmos Res. 2016. 174 175. pp.52 61.
47. Осташев B.E. Распространение и рассеяние звуковых воли в турбулентных средах (атмосфере и океане)/
B.Е.Осташев // Оптика атмосферы и океана. 1991. Т. 4. № 9. С. 931 937.
48. Татарский В.11. Распространение воли в турбулентной атмосфере / В. 11. Татарский. М.: Наука, 1967. 548с.
49. Вреховских Л. М. Акустика слоистых сред / Л. М. Вреховских, О. А. Годин. М.: Наука. Гл.род.фпз.-мат.лпт. 1989. 416с.
50. Liu Chang. Radio acoustic sounding systems: part 1. The diffraction problem for a bistatic zone / Liu Chang, A. Yu. Panchenko, M. 1. Slipchenko // Telecommunication and Radio Engeneering. - 2013. №72(14). P. 1289 1296.
51. Ульянов Ю. H. Двухчастотпая радиоакустическая система / Ю. Н. Ульянов // Труды VH1 Всесоюзп. сими, по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, 1984*- 4.2,- С.196-199.
52. Panchenko A. Yu. Equation of state in the set of acoustics equations for a moving non-uniform medium / A. Yu. Panchenko // Telecommunications and Radio Engeneering. Bogoll Hous, Inc., New York, NY, (USA). 1998. Vol.51, 4. pp.22-25.
53. Влохиицев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды / Д. И. Влохиицев. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1981. 206с.
54. Mot ok [Електрошшй ресурс] - Режим доступу до ресурсу: http://www.metek.de/product-variants/doppler-sodar.html.
References
[1] Krasnenko N.P. (1986) Akusticheskoye zondipouaniye atmosfepy [Acoustic sounding of the atmosphere], Hovosi-birsk, Nauka, 166 p.
[2] Kallistratova M.A. and Kon A.l. (1985) Radioakusti-cheskoye zondirovaniye atmosfery [Radioacoustic sounding of the atmosphere], Moskow, Nauka, 197 p.
[3] Skudrzyk E. (1971) The Foundations of Acoustics. Basic Mathematics and Basic Acoustics, Springer-Verlag, DOl: 10.1007/978-3-7091-8255-0
[4] Loytsyanskiy L.C. (1978) Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of liquid and gas], Moskow, Nauka, 736 p.
[5] Isakovich M.A. (1973) Obshchaya akustika [Ceneral acoustics], Moskow, Nauka, 496 p.
[6] Amamou ML. (2016) A theoretical and numerical resolution of an acoustic multiple scattering problem in three-dimensional case. Acoustical Physics, Vol. 62, Iss. 3, pp. 280-291. DOl: 10.1134/sl063771016030015
[7] Kopiev V.F., Palchikovskiy V.V., Belyaev I.V., Bersenev Y.V., Makashov S.Y., Khramtsov I.V., Korin LA., Sorokin E.V. and Kustov O.Y. (2017) Construction of an anechoic chamber for aeroacoustic experiments and examination of its acoustic parameters. Acoustical Physics, Vol. 63, Iss. 1, pp. 113-124. DOl: 10.1134/sl063771017010043
[8] Shanin A.V. and Korolkov A.l. (2015) Diffraction by an impedance strip 1. Reducing diffraction problem to Riemann Hilbert problems. The Quarterly .Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Vol. 68, Iss. 3, pp. 321-339. DOl: 10.1093/qjmam/hbv010
[9] Korobov A.L, Shirgina N.V. and Kokshaiskii A.L
(2015) A pressure effect on the nonlinear reflection of elastic waves from the boundary of two solid media. Acoustical Physics, Vol. 61, Iss. 2, pp. 165-172. DOL 10.1134/sl063771015020074
[10] Denisov S.L. and Korolkov A.L (2017) Investigation of noise-shielding efficiency with the method of sequences of maximum length in application to the problems of aviation acoustics. Acoustical Physics, Vol. 63, Iss. 4, pp. 462-477. DOL 10.1134/sl063771017040017
[11] Chen Y„ Chen X., Huang Y„ Bai Y„ Hu D. and Fei S.
(2016) Study of thermoviscous dissipation on axisymmetric wave propagating in a shear pipeline flow confined by rigid wall. Part 1. theoretical formulation. Acoustical Physics, Vol. 62, Iss. 1, pp. 27-37. DOL 10.1134/sl063771016010061
[12] Liu X., Jiang H„ Huang X. and Chen S. (2015) Theoretical model of scattering from flow ducts with semi-infinite axial liner splices. .Journal of Fluid Mechanics, Vol. 786, pp. 62-83. DOL 10.1017/jfm.2015.633
[13] Agaltsov A. (2016) On the reconstruction of parameters of a moving fluid from the Dirichlet-to-Neumann map. Eurasian J. Mathematical and Computer Applications, Vol. 4, No 1, pp. 4-11. arXiv: 1512.06367
[14] Krylov V.V. (2014) Acoustic black holes: recent developments in the theory and applications. IEEE 'transactions on Ultrasonics, Ferroelectri.es, and Frequency Control, Vol. 61, Iss. 8, pp. 1296-1306. DOL 10.1109/tuffc.2014.3036
[15] Agaltsov A.D. and Novikov R.G. (2016) Uniqueness and non-uniqueness in acoustic tomography of moving fluid. ■Journal of Inverse and Ill-posed Problems, Vol. 24, Iss. 3. DOL 10.1515/jiip-2015-0051
[16] Chen J., Bai X., Yang K. and Ju B. (2015) Simultaneously measuring thickness, density, velocity and attenuation of thin layers using V(z,t) data from time-resolved acoustic microscopy. Ultrasonics, Vol. 56, pp. 505-511. DOL 10.1016/j."ultras.2014.09.019
[17] Skvortsov B.V., Solntseva A.V., Borminskii S.A. and Rodi-onov L.V. (2016) Theoretics of remote acoustic monitoring of the level and density of fluid contacting media at the interface. Acoustical Physics, Vol. 62, Iss. 6, pp. 747-753. DOL 10.1134/sl063771016060166
[18] Zotov D.L, Shurup A.S. and Rumyantseva O.D. (2017) Vector field reconstruction of flows using the Novikov Agaltsov functional algorithm and the additive correlation method. Bulletin of the. Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 81, Iss. 1, pp. 101-105. DOL 10.3103/sl062873817010312
[19] Laykhtman D.L.(1970) Fizika pogranichnogo sloya atmosfery [Physics of the boundary layer of the atmosphere], Hydrometeoizdat, 342 p.
[20] Draganov B. Kh. (2015)A* voprosu o dinamike. prizemnoy atmosfery ¡To the question of the. dynamics of the. surface atmosphere/ // Enerhetyka ta avtomatyka [Power engineering and automation],Vol.3,pp.19-25.
[21] Khrgian A. Kh. (1969) Fizika atmosfery [Physics of the Atmosphere] Hydrometeoizdat, 647 p.
[22] Frik P.O. (2003) Turbulentnost.': podkhody i modeli [Turbulence: Approaches and Models], Izhevsk, 1K1, 292 p.
[23] Banerjee T„ Katul G.G., Salesky S.T. and Chamecki M. (2014) Revisiting the formulations for the longitudinal velocity variance in the unstable atmospheric surface layer. Quarterly .Journal of the. Royal Meteorological Society, Vol. 141, Iss. 690, pp. 1699-1711. DOL 10.1002/qj.2472
[24] Chamecki M„ Dias N.L., Salesky S.T. and Pan Y. (2017) Scaling Laws for the Longitudinal Structure Function in the Atmospheric Surface Layer. .Journal of the. Atmospheric Sciences, Vol. 74, Iss. 4, pp. 1127-1147. DOL 10.1175/jas-d-16-0228.1
[25] Crivellaro B.L., Dias N.L. and Chor T. (2013) Spectral Effects on Scalar Correlations and Fluxes. American ■Journal of Environmental Engineering, Vol. 3, Iss. 1, pp. 13-17. DOL 10.5923/j.ajee.20130301.03
[26] Kolmogorov A.N. (1968) Local structure of turbulence in an incompressible viscous fluid at very high reynolds numbers. Soviet Physics Uspekhi, Vol. 10, Iss. 6, pp. 734746. DOL 10.1070/pul968v010n06abeh003710
[27] Monin A.S. and Yaglom A. M. (1965) Statisticheskaya gidromekhanika. Chast' 1 Mekhanika turbulentnosti [Statistical hydromechanics. Ch. 1 Mechanics of turbulence], Moskow, Nauka, 640 p.
[28] Frost W. and Moulden T.H. eds. (1977) Handbook of Turbulence. Volume. 1 Fundamentals and Applications, Plenum Press, 536 p. DOL 10.1007/978-1-4684-2322-8
[29] Koval:nogov N. N. (20W)Pri.kladnaya mekhanika zhi-dkosti i gazov [Applied Mechanics of Fluids and Gases/, Ulyanovsk, Ul:yanovskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet [Ulyanovsk State Technical University], 219 p.
[30] Kasilov V.F.(2001) Spravochnoye posobiye. po gi-drogazodinamike dlya teploenergetikov [Reference book on hydrogasdynami.es for heat and power engineering/, Izd-vo Moskovskiy energeticheskiy institut[Moscow Institute of Energy Engineering]. 272p.
[31] Vorontsov P.A. (1966) Turbulentnost' i vertikal'nyye. toki v pogranichnom sloye. atmosfery [Turbulence and vertical currents in the boundary layer of the atmosphere], Gidrometeoizdat, 296 p.
[32] Byzova N.L. eds., Gargera E.K. and Ivanova V.N. (1991) Eksperimental'nyye issledovaniya atmosfernoy dijjuzii i raschety rasprostraneniya primesi [Experimental studies of atmospheric diffusion and calculation of impurity diffusion], Gidrometeoizdat, 280 p.
[33] Mahrt L. (2014) Stably Stratified Atmospheric Boundary Layers. Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 46, Iss. 1, pp. 23-45. DOL 10.1146/annurov-£luid-010313-141354
[34] Kang Y„ BeluSic D. and Smith-Miles K. (2015) Classes of structures in the stable atmospheric boundary layer. Quarterly .Journal of the. Royal Meteorological Society, Vol. 141, Iss. 691, pp. 2057-2069. DOL 10.1002/qj.2501
[35] Acevedo O.C., Costa F.D., Oliveira P.E.S., Puhales F.S., Degrazia G.A. and Roberti D.R. (2014) The Influence of Submeso Processes on Stable Boundary Layer Similarity Relationships. .Journal of the. Atmospheric Sciences, Vol. 71, Iss. 1, pp. 207-225. DOL 10.1175/jas-d-13-0131.1
[36] Cava D., Mortarini L., Giostra U., Richiardone R. and Anfossi D. (2016) A wavelet analysis of low-wind-speed submeso motions in a nocturnal boundary layer. Quarterly ■Journal of the. Royal Meteorological Society, Vol. 143, Iss. 703, pp. 661-669. DOL 10.1002/qj.2954
[37] Vomado F. and Pereira Filho A. (2016) Severe Weather Caused by Heat Island and Sea Breeze Effects in the Metropolitan Area of Sao Paulo, Brazil. Advances in Meteorology, Vol. "2016, , pp. 1-13. DOl: 10.1155/2016/8364134
[38] Sun .1., Nappo C..I., Mahrt L., BeluSic D., Crisogono B., Stauffer D.R., Pulido M., Staquet C., Jiang Q., Pouquet A., Yagiie C., Calporin B., Smith R.B., Finnigan J.J., Mayor S.D., Svensson C., Crachov A.A. and Neff W.D. (2015) Review of wave-turbulence interactions in the stable atmospheric boundary layer. Reviews of Geophysics, Vol. 53, Iss. 3, pp. 956-993. DOl: 10.1002/2015rg000487
[39] Suarez A., Stauffer D.R. and Oaudet B.J. (2015) Wavelet-Based Methodology for the Verification of Stochastic Submeso and Meso-Oamma Fluctuations. Monthly Weather Review, Vol. 143, Iss. 10, pp. 4220-4235. DOl: 10.1175/mwr-d-15-0075.1
[40] Sun J., Mahrt L., Nappo C. and Lenschow D.H.
(2015) Wind and Temperature Oscillations Generated by Wave Turbulence Interactions in the Stably Stratified Boundary Layer. .Journal of the Atmospheric Sciences, Vol. 72, Iss. 4,"pp. 1484-1503. DOl: 10.1175/jas-d-14-0129.1
[41] Vercauteren N. and Klein R. (2015) A Clustering Method to Characterize Intermittent Bursts of Turbulence and Interaction with Submesomotions in the Stable Boundary Layer. .Journal of the Atmospheric Sciences, Vol. 72, Iss. 4, pp. 1504-1517. DOl: 10.1175/jas-d-14-0115.1
[42] Kehler S., Hanesiak J., Curry M, Sills D. and Taylor N. (2016) High Resolution Deterministic Prediction System (HRDPS) Simulations of Manitoba Lake Breezes. Atmosphere-Ocean, Vol. 54, Iss. 2, pp. 93-107. DOl: 10.1080/07055900.2015.1137857
[43] Vercauteren N.. Mahrt L., Klein R. (2016) Investigation of interactions between scales of motion in the stable boundary layer. Q J R Meteorol Soc,Vol. 142. pp.24242433. DOl: 10.1002/qj.2835
[44] Wentworth C., Murphy J. and Sills D. (2015) Impact of lake breezes on ozone and nitrogen oxides in the Creator Toronto Area. Atmospheric Environment, Vol. 109, pp. 52-60. DOl: 10.1016/j.atmosenv.2015.03.002
[45] Curry M„ Hanesiak J. and Sills D. (2015) A Radar-Based Investigation of Lake Breezes in Southern Manitoba, Canada. Atmosphere-Ocean, Vol. 53, Iss. 2, pp. 237-250. DOl: 10.1080/07055900.2014.1001317
[46] Ram K., Singh S., Sarin M, Srivastava A. and Tripathi S.
(2016) Variability in aerosol optical properties over an urban site, Kanpur, in the Indo-Cangetic Plain: A case study of haze and dust events. Atmospheric Research, Vol. 174-175, pp. 52-61. DOl: 10.1016/j.atmosres.2016.01.014
[47] Ostashev B.E. (1991) Rasprostraneniye i rasseyaniye zvukovykh voln v turbulentnykh sredakh (atmosfere i okeane) [Propagation and scattering of sound waves in turbulent media (atmosphere and ocean)]. Opt.ika atmosfery i okeana. Vol. 4, No 09, pp. 931 937.
[48] Tatarskiy V.l. (1967) Rasprostraneniye voln v turbulentnoy atmosfere [Propagation of waves in a turbulent atmosphere], Moskow, Nauka, 548 p.
[49] Brekhovskikh L.M. and Codin O.A. (1989) Akustika sloi-st.ykh sred [Acoustics of layered media], Moskow, Nauka, 416 p.
[50] Liu Chang, Panchenko A. Yu., Slipchenko M. 1. (2013) Radio acoustic sounding systems: part 1. The diffraction problem for a bistatic zone. Telecommunication and Radio Engeneering. Telecommunications and Radio Engineering, Vol. 72, Iss. 14, pp. 1289-1296 . DOl: 10.1615/TelecomRadEng.v72.il4.30
[51] Liu Chang, Panchenko A. Yu. and Slipchenko M. 1. (2013) Radio acoustic sounding systems: part 1. The diffraction problem for a bistatic zone. Telecommunication and Radio Engeneering, No 72(14), pp. 1289-1296. DOl: 10.1615/TelecomRadEng.v72.il4.30
[52] Panchenko A.Y. (1997) Equation of State in the Set of Acoustics Equations for a Moving Non-Uniform Medium. Telecommunications and Radio Engineering, Vol. 51, Iss. 4, pp. 22-25. DOl: 10.1615/telecomradeng.v51.i4.20
[53] Blokhintsev D. 1. (1981) Akustika neodnorodnoy dvi-zhushcheysya sredy [Acoustics of an inhomogeneous moving medium], Moskow, Nauka, 206 p.
Акустичний метод зондування пограничного шару атмосфери. Сучасний стан та перспективи розвитку
Лю Чан, Щмпмов I. К., Панченко О. Ю.
Акустичш метода зондування атмосфери дозволя-ють при невеликих витратах в on-line режим! в!дсл1дко-вувати метеоролопчпу сптуацио в атмосферному граничному niapi. Актуальшсть розвитку дапих метод!в визпачаеться пеобх1дшстю мошторипгу павколишпього середовища в умовах зростаппя техногенного павап-тажеппя. Акустичш хвил! зпачпо чутлшмпп до змш параметр!в пов!тря. шж електромагштш. Однак в дапий час ефектившсть акустичпих систем зопдуваппя. у по-р1впяиш з лазерпими. тепловими та шшпмп системами в1даоспо певисока. Розвиток методу акустичпого зопдуваппя мае два папрямки: вдоскопалеппя теоретичпих опиов взаемодп акустичпих хвиль з атмосферою i вдоскопалеппя техшки зопдуваппя. Тому оцшка пайбглын перспективпих шлях!в вимагае детального апал!зу су-часпого стану, як теоретичпих основ, так i техшчпих реал!зацш методу. В робот! показано, що сучасш акустичш локатори впкопаш па високому техшчпому pmni i в дапий час осповпа проблема методу полягае у в!дсу-тпост! адекватно! теорп обробкп отрпмапо! шформацп. У робот! сформульоваш пайбглын актуальш завдаппя розвитку методу па сучаспому еташ. Вопи в!дпосяться до зворотпих завдапь фупдамепталышх проблем Teopii розс1юваш1я звуку в пеодаор1дпому рухомому середо-вищ1. Тому в дашш час для вир1шеппя прикладаих питапь потр1беп ряд посл!довпих поступальпих крок!в у папрямку адаптац!! вже паявпих досягпепь до ви-користашш в системах акустичпого зопдуваппя. Серед актуалышх завдапь. як! можуть отримати розвиток па сучаспому еташ. можпа видглити пайб1льш важлив!. Це уточпеппя моделей в!дбиття акустичпих хвиль в стш-кому атмосферному граничному шар! в перюд шчпих iiroepcifi температури. Проведено апал!з можливостей багатопромеиевого зопдувашш при р1зпих фазових сп!в-в1даошеш1ях в зопдуючих сигналах та апал!з перспектив використаппя модульовапих зондуючих сигиал1в. Природао. що кр!м nepepaxoBamix. 1спують i бглын склада! завдаппя. До пих в1даоситься. иаприклад, апал!з
в!дбиття у стискаемому серед овищ!, або оптим1зац1я вих1дних сшвв1дношень. У практичному план! перспе-ктивним е чике обгрунтування спрощень в конкретних випадках.
Ключовг слова: турбулентшсть; звук в неоднор!дно-му середовищ!; спрямовашсть антен; виер; температура; волопсть; зрушення виру
Acoustic method of atmosphere probing. Modern state and development prospects
Chang Liu, Ibraimov I. K., Panchenko A. Yu.
Acoustic methods of atmosphere sounding allow us to track the meteorological situation in the atmospheric boundary layer at low costs on-line. The urgency of the these methods development is determined by the need to monitor the environment in conditions of man-caused load increasing. Acoustic waves are much more sensitive to changes in air parameters than electromagnetic waves. However, at present, their effectiveness, compared with laser, thermal and other systems is relatively low. The development of the acoustic sounding method has two directions: the improvement of theoretical descriptions of the interaction of acoustic waves with the atmosphere and the improvement of sounding techniques. Therefore, the evaluation of the most promising paths requires a detailed
analysis of the current state, both theoretical foundations and technical implementations of the method. The paper shows that modern acoustic locators are performed at a high technical level and at present the main problem of the method is the lack of an adequate theory of processing the information obtained. The most urgent problems of the method development at the present stage are formulated in the work. They relate to the inverse problems of the fundamental problems of the theory of sound scattering in an inhomogeneous moving medium. Therefore, at present, a number of consecutive progressive steps are required to solve applied problems in the direction of adapting existing achievements to the use in sodar's systems. Among the urgent tasks that can be developed at the current stage, we can identify the most important. This is a refinement of models of acoustic waves reflection in a stable atmospheric boundary layer in the period of nighttime temperature inversions. Analysis of multi-path probing possibilities for various phase relationships in emitted signals is carried out. Analysis of the prospects for the use of modulated sounding signals is conducted. Naturally, in addition to the above, there are more complex tasks. These include, for example, the reflection analysis in a compressible medium or the optimization of the initial relationships. In practical terms, a clear justification for simplifications in specific tasks is promising.
Key words: turbulence; sound in an inhomogeneous medium; antenna directivity; wind; temperature; humidity; wind shear
