CC BY
45
УДК 621.396
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВЛАЖНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
А.П. ВЕЛИЧКО, Е.В. ОСТРОВСКИЙ
Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Г ореликом А.Г.
Предлагается методика проведения и способ обработки результатов микроволновых и ИК-радиометрических измерений для целей определения содержания парообразной и жидкокапельной влаги в атмосфере, а также высоты нижней границы облачности. Настоящая статья была подготовлена в рамках работ по ФЦП "Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы".
Ключевые слова: зондирование атмосферы, радиометрические методы.
Использование СВЧ-радиометрии для влажностного зондирования атмосферы основано на связи характеристик радиотеплового излучения атмосферы в окрестности линии поглощения водяного пара Л=1,35 см с общим количеством и вертикальным распределением водяного пара. В качестве основного параметра, несущего информацию о влажности, могут быть выбраны различные величины, характеризующие интенсивность радиотеплового излучения атмосферы: радиояркост-ная температура (ТЯ) в выбранном направлении, как мера потока излучения, полное поглощение на луче зрения (а), как мера ослабления излучения, или параметры, производные от этих двух.
В работах [1,2] была показана возможность использования углового разреза ТЯ для определения вертикального профиля влажности воздуха. Настоящая статья посвящена описанию методики проведения и обработки результатов измерений микроволновым или ИК-радиометром, а также применению дифференциальных (градиентных) методов, не требующих высокой точности абсолютных измерений радиационных потоков для целей влажностного зондирования тропосферы.
Предложенный метод углового сканирования с переключением диаграммы направленности («градиентный» метод) [2] основан на измерении разности ТЯ(в) при двух различных положениях антенны. Использование радиометра с двумя антеннами, разнесенными по углу места на заданную величину Ад, для измерения градиента радиояркостной температуры позволяет устранить влияние фоновых шумов антенны, принимаемых за счет «боковых» лепестков, на величину производной углового распределения яркостной температуры и устранить необходимость тепловой калибровки по абсолютному значению ТЯ(в). Главными недостатками метода являются усложненная алгоритмика перехода от углового разреза ТЯ(в) к метеопараметрам и повышенные требования к точности привязки измерений к углу места.
Так как абсолютная влажность меняется в очень широких пределах в разные сезоны года, в качестве дополнительного диапазона длин волн можно использовать ИК. Сравнение методов в зависимости от использования разных длин волн приведено в [3].
Для определения углового разреза была предложена следующая методика измерений. В как к Т (в) А а ко
честве исходных данных в обработку поступает показатель — Ар, где Ар - разность углов
йв
визирования в]-в2 при антенне, направленной под углом в [1]. Величина Ав в зависимости от ширины диаграммы направленности может варьироваться от 1 до 3-4 градусов. Быстрое изменение Ав можно рассматривать как автоматическое дифференцирование угловой зависимости изменения радиояркостной температуры ТЯ(в) от угла визирования.
При обработке данных атмосфера разбивается на слои до высот 10...60 км в зависимости от поглощения в выбранном диапазоне длин волн. Толщина слоя ЛИ составляет порядка нескольких десятков метров так, чтобы в пределах одного слоя температуру и влажность, а также излучающие свойства атмосферы для выбранной длины волны можно считать неизменными и равными значению на высоте середины слоя. Предполагается, что влияние переотражения в атмосфере восходящего излучения земли существенно не влияет на выводы, сделанные на базе проведенных расчетов.
На рис. 1 приведены результаты расчётов углового разреза для различных условий и длин волн с различным поглощением. Для иллюстрации был выбран стандартный профиль температуры и влажности (+20°С у поверхности, температура с высотой убывает до высоты 10 км с градиентом -5°К/км, относительная влажность воздуха постоянна с высотой и равна 40%, абсолютная влажность у поверхности равна 8.6 г/м3). Для каждого выбранного поглощения в зените задавались инверсии температуры (+5°) и влажности (+40%) на высотах 500 м и 3000 м на протяжении 100 м по высоте. Общее влагосодержание атмосферы составило 19.7 кг/м2, 21 кг/м2 и 20.2 кг/м2 соответственно для условий без инверсии, с низкой и с высокой инверсией.
Рис. 1. Расчётные данные
йТя (в) йв
Ар Ад=1°, Др=2°; (•••) - чистое небо, (—) - низкая ин
версия, (—) - высокая инверсия; а - поглощение у поверхности: т0 = 0.07 неп (0.3 дБ), в зените: т=0.18 неп (0.8 дБ); б - поглощение у поверхности т0 = 0.15 неп (0.6 дБ), в зените: т=0.35 неп (1.5 дБ); в -поглощение у поверхности т0 = 0.36 неп (1.5 дБ), в зените: т=0.88 неп (3.8 дБ)
Анализ результатов расчетов показывает, что для определения инверсий поглощения в тропосфере достаточно производить сканирование в относительно небольшом диапазоне углов. В случае, когда полное поглощение мало (менее 0.1 дБ) и инверсия находится низко, определение её радиометрическим методом становится затруднительным из-за того, что угол ее обнаружения смещается к горизонту. В то же время, когда поглощение велико, малая величина максимума градиента затрудняет определение инверсии из-за ограниченной чувствительности радиометра.
Выбор оптимального диапазона углов сканирования определяется исходя из полного поглощения в атмосфере (или из величины поглощения у поверхности Земли), а также высоты предполагаемой инверсии профиля поглощения. Для определения общего влагосодержания методом йТя (в)
анализа градиента
йв
-Ар необходимо расширить диапазон углов сканирования до 45°...60°.
Разрешение по углу сканирования является ещё одной важной характеристикой радиометрического комплекса. Применение узконаправленных антенн позволяет достичь разрешения в 1...0.10. Для надёжного определения отклонения градиента в выбранном диапазоне углов сканирования необходимо производить измерения с шагом по углу меньше ширины диаграммы направленности антенны радиометра.
Таблица 1
№ пп Высота инверсии, м Полное поглощение, дБ Требуемая чувстви- тельность
1 500 0.8 10-2
2 500 4 10-3
3 3000 0.8 10-3
4 3000 4 10-3
Необходимая чувствительность аппаратуры определяется исходя из глубины инверсии, которую возможно определить при заданных характеристиках радиометрического комплекса (табл. 1). Для этого использовалось следующее соотношение
Г
В > тах
йТ,
Я
йв
св
\
(1)
где В - показатель чувствительности определения градиента ТЯ [К], выражение справа описывает максимальную разницу градиентов на одном и том же угле между условиями наличия инверсии (ТЯ1ПУ) и чистого неба (ТЯ°).
На практике разработка радиометра с характеристикой В<10"3К достаточно сложна. Для достижения такой чувствительности необходимо применять термостабилизированную аппаратуру и многоуровневую фильтрацию сигнала от шумов при обработке результатов измерений. Одним из преимуществ радиометрического метода является возможность непрерывного сканирования. При этом появляется возможность использовать для обработки данных результаты нескольких последовательных сканирований, тем самым улучшив соотношение сигнал/шум. Кроме того, введение инверсии влажности или температуры вызывают количественное изменение гармоник спектра полученного квазипериодического сигнала, а резкие инверсии дополнительно имеют в спектре заметную высокочастотную составляющую.
Представляет интерес влияние сезонов на предложенный метод, и насколько изменяются при этом требования к комплексу. На рис. 2 представлены угловые разрезы градиента ТЯ, соответствующие упрощенным профилям температуры и влажности в различные сезоны года в климатической зоне средней полосы России. Градиент температуры задавался фиксированным и равным -5К/км. Остальные параметры показаны в табл. 2.
Зимой поглощение в СВЧ-диапазоне мало и анализ экстремумов графика не представляется возможным. В этом случае необходимо использовать другие диапазоны для радиометрического определения профиля температуры и влажности воздуха. Для того чтобы повысить высоту определения инверсии зимой или в условиях низкого поглощения можно использовать другие полосы поглощения, в частности ИК-диапазон. Применение совместных СВЧ - и ИК - радиометрических измерений позволит достичь большей достоверности измерений и дополнительно определить характеристики облачности [3].
Таблица 2
Сезон Отн. влажн., % КН Приземная температура воздуха, °С Высота тропопаузы, км Общее влагосод, кг/м2 Поглощение в зените Угол макс. градиента, градусы
Лето 60 +30 10 44 0.38 неп (1.6 дБ) 10.5
Осень 80 +10 10 16 0.15 неп (0.6 дБ) 3
Зима 40 0 8 3 0.04 неп (0.2 дБ) <1
Весна 70 +20 10 28 0.24 неп (1.0 дБ) 6.5
йТя (в)
йв
АД, К ■ гр/гр
Летом даже при небольшой влажности максимум градиента легко определим. При высокой температуре и влажности градиент яркостной температуры становится чрезвычайно малым, что возможно компенсировать, сместив рабочую длину волны радиометра в одну или другую сторону от центра полосы поглощения. Весной и осенью повышенное поглощение в водяном паре отражается в сдвиге максимума градиента в сторону больших углов места, что позволяет использовать антенны с большей шириной диаграммы направленности.
Рис. 2. Угловые разрезы градиента ТЯ в разные сезоны года (моделирование поглощения на длине волны 1,35 см) Лq=1°, Др = 2°
Влияние сезона на возможность определения наличия инверсий температуры или влажности определим через показатели отношения разницы площадей под кривыми угловых разрезов яркостной температуры Л$ и ее градиента В$ между условиями наличия инверсии (Тяту) и чистого неба (Тя°)
'90 { йТ™ (в)
,90 . , , П иТя^
Г ТЯ- (в)в А. I м
= —г—^---------1; = —I—г
Г т0 (в)йв г{ йтЯ0 (6
АД
л
йв
(в)
(2)
йв
АР
йв
На рис. 3 представлено исследование влияния высоты инверсии влажности на величину Б8 для различных сезонов. Были проведены расчеты отношения (2) для вышеуказанных условий с инверсиями +10%КН, вертикальной протяженностью 100 м, на разных высотах до 5000 м.
Анализ показывает, что даже если учитывать только изменение поглощения в водяном паре и кислороде, возможность определения инверсий в разные сезоны года серьезно изменяется. Определение существования инверсии зимой в полосе поглощения водяного пара 1.35 см выше 1 км уже не является практически достижимым, тогда как летом возможно определить появление подобных инверсий на высотах до 3 км и выше, при том, что на фоне большого поглощения влияние даже приземной инверсии невелико.
1
Рис. 3. Влияние высоты инверсии на изменение площади под кривой углового разреза градиента яркостной температуры
На рис. 4 а,б,в показаны зависимости значений ЛS, ВS и угла максимума градиента, рассчитанных по данным более чем 300 измерений, взятых с сети радиозондирования.
В8, доли
Л$, доли
аЗБТ^
ООО _ 0.2 в8БТ|
♦ ♦♦
ц8БТ;
-0.4
wSDT1 □ □□
- 0.6
0.2
aSATi ООО 0.1 sSAT1 ♦ ♦♦ uSAT1 ••• 0
wSAT1 □ □□
10 20 30
аРУШ[, вРУ№1, иРУ№1, wPVW1
а
- 0.1
- 0.2
aPVW1, sPVW1, uPVW1, wPVW1 б
втах, рад
0.15
а^ахгас|
ООО
Б^ахгас|
♦ ♦♦
udmaxrad 0.1 •••
wdmaxrad □ □□
0.05
••
• %
О
*• *•
,2 ♦ о Г* •
»ООО
Я, кг/м
J___________I
10
20
30
40
aPVW1, sPVW1, uPVW1, wPVW1 в
Рис. 4. Зависимости показателей AS (а), DS (б) и угла 9тах максимума градиента ТЯ в разные сезоны года, рассчитанные по данным радиозондирования для поглощения на длине волны 1,35 см. Дq=1°, Лр = 2°. Цветом и символом выделены времена года: ◊ - осень, ♦ - весна, • - лето, □ - зима
Ярко выраженное различие между сезонами обусловлено низким поглощением в полосе 1,35 см зимой и весной, выходящее за рамки допустимого для градиентного метода [2].
Анализ показывает, что при отсутствии инверсий влажности во все сезоны сохраняется сильная зависимость показателя AS от общего влагосодержания Я, в то время как показатель DS при значениях Я больших 20 кг/м2 практически не изменяется, а при малых значениях, менее 7 кг/м2, имеет большую дисперсию.
Интерес также представляют случаи отклонений точек на представленных графиках. На рис. 4 а точки «выше» остальных (серия 1) отражают случаи, когда высокая приземная влажность (80...90%ЯН) сопровождается резким ее снижением на малых высотах до 1 км (50...60%ЯН) и, зачастую, дополнительным снижением в верхних слоях до значений 30% ЯН и ниже. Точки серии 2 соответствуют случаям с низкой влажностью на малых высотах и повышением влажности на 20-30% ЯН на высотах 1-2 км.
0
0
На рис. 4 б точка серии 1 соответствует инверсии влажности с резким повышением с 60% до 80% в диапазоне высот 500...2000 м с понижением до 50% ЯН на высотах 2900...3100 м.
Таким образом, площадные методы обработки углового разреза яркостной температуры можно использовать для определения общего влагосодержания даже при относительно низких значениях поглощения осенью и зимой, тогда как использование градиентного метода позволяет определить наличие инверсий влажности при достижении необходимой точности измерений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горелик А.Г., Райкова Л.С., Фролов Ю.А. Сверхвысокочастотные радиометрические методы измерения влажности в нижней тропосфере // Метеорология и гидрология. - 1975. - № 5. - С. 106 - 111.
2. Горелик А.Г., Островский Е.В. Микроволновые радиометрические методы определения поглощения и возможность их применения для влажностного зондирования атмосферы // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 158.
3. Новокрещенова А.С., Щукин Г.Г. К методике определения содержания водяного пара в атмосфере по совместным ИК и СВЧ радиометрическим измерениям // Труды ГГО. - 1982. - Вып. 451. - С. 40-49.
4. Горелик А.Г., Фролов Ю.А., Щукин Г.Г. Комплексные СВЧ- и ИК-радиометрические исследования облачности // Труды ГГО. - 1989. - Вып. 526. - С. 3-15.
DIFFERENTIAL METHODS IN RADIOMETRICS FOR REMOTE HUMIDITY SENSING OF ATMOSPHERE
Velichko A.P., Ostrovskiy E.V.
The report proposes a method of processing the results of microwave and infrared radiometric measurements in order to determine the water vapor and moisture in the troposphere, as well as the height of cloud base.
Key words: atmosphere sensing, radiometry methods.
Сведения об авторах
Величко Александр Павлович, 1960 г.р., окончил ВЗМИ (1983), кандидат технических наук, доцент МГУПИ, зам. зав. кафедрой «Приборы и информационно-измерительные системы» МГУПИ, автор более 100 научных работ, область научных интересов - дистанционный контроль и исследование атмосферы.
Островский Евгений Валерьевич, 1978 г.р., окончил Обнинский институт атомной энергетики (2001), консультант компании Терадата, автор 7 научных работ, область научных интересов - радиометрические методы дистанционного исследования атмосферы.
