CC BY
83
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 133
УДК 621.396
НАДЕЖНОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ ПРИ ИХ СОПОСТАВЛЕНИИ С ДАННЫМИ СТАНДАРТНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
Е.В. ОСТРОВСКИЙ, М.Б. ФРИДЗОН
В статье приведен анализ надежности проверки методов определения влажности воздуха в тропосфере дистанционными методами путем сопоставления их результатов с данными, полученными при радиозондировании атмосферы. Показано, что приемлемая надежность и достоверность проведения подобных сравнений может быть достигнута только при условии использования специально подготовленных и проверенных радиозондов.
К настоящему времени в мире разработано, описано и реализовано множество дистанционных радиометрических методов определения содержания парообразной влаги в атмосфере. Для этого используются различные диапазоны длин волн (СВЧ, ИК) и виды приемников излучения.
В работах [1, 2, 3] приводятся соотношения, связывающие поглощение в атмосфере (через радиояркостную температуру) с содержанием водяного пара:
ТЯ ,11 = (а11 + ^аЯ1 ) + (Ь11 + ^Ь11 ) ' К
ТЯ,12 _ (а 12 + ^аХ2 )+ (Ь12 + ^Ь12 )' К , (1)
где Тя - радиояркостная температура, измеряемая радиометром в зените на длинах волн А] и А2; К - общее влагосодержание атмосферы, а и Ь - коэффициенты, определенные теоретически или экспериментально [2, 3], Да и АЬ - суммарные погрешности метода как инструментальные, так и связанные с изменением профиля влажности и температуры и конкретных условий измерения. Первый член а соотношения (1) связан с поглощением микроволнового излучения в молекулярном кислороде, а коэффициент Ь - в водяном паре. Следует обратить внимание на то, что значения а и Ь могут варьироваться с изменением температуры, давления и влажности [3]. Двухволновое зондирование (см. соотношение (1)) применяется, к примеру, для того, чтобы учесть влияние жидкокапельной влаги, содержащейся в свободной атмосфере. При этом, выбор конкретных длин волн может быть следующим:
А] - полоса поглощения водяного пара, А] = 1.35 см;
А2 - находится вне полосы поглощения водяного пара, А2=0.8 см или А2=1.4... 1.6 см.
Величина общего влагосодержания, которая входит в эти соотношения, определяется на базе данных, полученных с помощью радиозондов. Следовательно, для развития радиометрических методов вопросы, касающиеся точности определения К методом радиозондов, приобретают первостепенное значение.
Получить эталонные данные об К в широком диапазоне температур и давлений крайне сложно из-за практического отсутствия радиозондов с прецизионными датчиками температуры и влажности. Поэтому, для оценки точности и надежности определения данных о содержании парообразной влаги могут использоваться как методы прямого сопоставления данных радиометрических измерений с показаниями сетевых радиозондов, так и косвенные методы.
Из вышеприведенных соотношений можно вывести такие значения К и длины волн, при которых должны выполняться определенные соотношения, например, при равенстве суммарных поглощений излучения в атмосфере:
(2)
Здесь тА] - суммарное поглощение в полосе Х\, а тА2 - суммарное поглощение на длине волны А2, подобранной по условию (2). Так, если можно изменить значение т>,2 путем смены длины волны, на которую настроен радиометр, то можно проводить измерения К в широком диапазоне его значений [3].
Другим методом является сопоставление данных, полученных при угловых разрезах Тя(в) и расчетных значений тех же зависимостей. Однако и в этом случае остаются неудовлетворенность и возможные вопросы о точности определения К дистанционными методами.
В работах [4,5], а также [6] были проведены исследования погрешностей метода радиозондов при измерении влажности. Полученные расчетные значения систематических погрешностей затем сравнивались с результатами экспериментов. Для этого производились прямые сравнения температуры и относительной влажности, измеренных радиозондами, с результатами синхронных измерений с помощью образцовых, метрологически аттестованных приборов. Образцовые приборы, измеряющие влажность в широком диапазоне температур, размещались вместе со стандартными датчиками радиозондов на одном подъемном устройстве - свободном аэростате (СА) и аппаратурный комплекс поднимался на высоту до 30 км. Эксперименты проводились в 80-е годы на экспериментальной базе ЦАО в г. Рыльске. Сравнения проводились в режиме подъёма аэростата, т.е. в условиях, максимально приближённых к рабочим условиям радиозондирования.
Так как измерения проводились в летний период, то одни и те же приборы работали в процессе подъема как при положительных, так и при отрицательных температурах от +20°С до -40°С. Диапазон зафиксированных значений относительной влажности составлял 5.95% КН.
Детальный анализ данных одновременных подъемов образцовых и серийных радиотехнических приборов позволил определить разность их показаний в широком диапазоне температур и, используя эти данные, определить с какими погрешностями определяется относительная и абсолютная влажность по данным радиозондирования в широком диапазоне высот, а значит и температур.
В ходе экспериментов на СА в свободной атмосфере были обнаружены зоны как с повышенным, так и с пониженным содержанием водяного пара, т.н. «сухие облака». Их появление не может не сказаться на точности измерения К радиометрическими методами.
В табл. 1 представлены суммарные погрешности измерений влажности сетевого радиозондирования атмосферы, приведенные в [5].
Сопоставление суммарных значений погрешностей из табл. 1 с требованиями, предъявляемыми к дистанционным методам [5], позволяет заключить, что использование радиозондов в качестве эталонного метода измерения вертикального профиля влажности при испытаниях радиотехнической аппаратуры дистанционного влажностного зондирования атмосферы имеет серьезные ограничения. Даже при положительной температуре у поверхности Земли, отсутствии сильного ветра и применении современных радиозондов с малой постоянной времени по влажности необходимо учитывать погрешность измерительных приборов. В холодный период, а также в условиях пониженной влажности, суммарная погрешность определения величины общего влагосодержания методом радиозондов может достигать 40% и более.
Совместный анализ показаний прецизионных измерителей влажности и стандартных радиозондов показал, что радиозондовые датчики неоднородны по своим измерительным возможностям. Было показано, что если при температуре воздуха Т=-15°С показания датчика совпадают с результатами измерений образцовыми приборами, то совпадение результатов соблюдается в широком диапазоне температур от +20°С до -40°С.
На рис. 1 представлены результаты расчета расхождения величины интегрального содержания водяного пара, полученной при помощи датчика влажности СДД, применяющегося в сетевых радиозондах [5] и прецизионного конденсационного гигрометра (КГ) «Торос» [7] для диапазона температур +20. -40°С.
Таблица 1
Суммарная погрешность измерений влажности при радиозондировании атмосферы
15 10 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 X. °С
Рис. 1. Относительное расхождение Ф(Т) расчетных величин интегрального содержания водяного пара. полученных по данным стандартного радиозонда с пленочным датчиком влажности СДД (Ясдд) и прецизионного КГ «Торос» (ЯКГ) для различных температур X
Анализ графика на рис. 1 позволяет выделить три его зоны относительно температуры: первая - левее отметки -5°С, вторая - от -5°С до -15°С и третья - правее отметки -15°С.
Расхождения показаний датчиков СДД и КГ в первой зоне линейно зависят от температуры и их величина не превышает 10%. Во второй зоне. в диапазоне температур -5...-15°С. расхождение не подчиняется линейному закону. В третьей зоне. при низких температурах. зависимость расхождения близка к линейной. но с большим градиентом - около 5% на градус цельсия.
Диапазон значений эффективной высоты Нэф для водяного пара составляет 2.3 км (для Долгопрудного). При скорости подъема радиозонда 6-7 метров диапазон температур. в которых необходимо иметь гарантированную точность измерений составляет летом от +20 до 0°С. а в холодное время года - до -20°С и ниже. При этом погрешность определения Я может составлять летом до 20%. а в зимний период - более 60%.
В то же время. дистанционные радиотехнические методы определения общего влагосодер-жания атмосферы наиболее чувствительны к изменениям влажности именно в приземном слое и нижней тропосфере. а повышенная погрешность определения влажности на больших высотах.
свойственная как дистанционным методам. так и сетевым радиозондам. вносит меньший вклад в суммарную погрешность измерения общего влагосодержания.
В настоящее время на метеорологической сети используются зонды различных производителей и поколений. Некоторые современные радиозонды. например МРЗ-ЗА* совместного производства ФГУП «Г идрометпоставка» (г. Долгопрудный) и ОАО «Радий» (г. Касли). имеют более высокие метрологические характеристики. чем радиозонды МРЗ-ЗА производства ОАО «Метео» (г. Екатеринбург) или радиозонды МАРЗ с пленочным датчиком влажности СДД.
Сравнительные испытания современных радиозондов. использующихся на метеорологической сети. производились в декабре 2005 г. в ЦАО. Испытания показали. что расхождения результатов измерений между радиозондами различных типов в спаренных выпусках могут составлять Дф% = ±19% ЯИ [8].
Результаты расчетов. в которых использовались данные об изменении с высотой градиентов абсолютной влажности Да(Н) и показателя преломления ДЫ(Н). полученные при помощи конденсационного гигрометра. показали. что если учесть увеличение постоянной времени ра-диозондовых датчиков влажности с понижением температуры и давления. то полученные значения составляющих близки к тем величинам. которые были получены экспериментально на СА. Однако величина постоянной времени датчиков влажности является свойством каждого конкретного экземпляра радиозонда и для ее измерения необходимо использовать специальные камеры [5].
Вывод: для проведения сравнений дистанционных методов измерений с данными. полученными в результате радиозондирования. необходимо использовать специально подготовленные и проверенные радиозонды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Башаринов А.Е., Кутуза Б.Г. Исследование радиоизлучения и поглощения облачной атмосферы в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн // Труды ГГО. 1968. вып. 222.
2. Кутуза Б.Г. Поглощение миллиметровых и сантиметровых волн в облачных образованиях и его зависимость от температуры. В кн. Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. - М.. 1986.
3. Жевакин С.А., Наумов А.П. К расчету коэффициента поглощения сантиметровых и миллиметровых радиоволн в атмосферном кислороде // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10. №6.
4. Фридзон М.Б. Оценка погрешности измерений температуры и влажности при радиозондировании на аэрологической сети СССР // Метеорология и гидрология. 1989. №5.
5. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств. - Екатеринбург: УрО РАН. 2004.
6. Островский Е.В., Фридзон М.Б. Влагосодержание атмосферы по данным. полученным на свободных аэростатах и при радиозондировании // Материалы конференции «Радиолокационное исследование природных сред». - С.-Пб. 2007.
7. Немировский И.Б. Разработка и исследование образцового конденсационного гигрометра для метрологического обеспечения измерений влажности в свободной атмосфере. Дисс. .канд. техн. наук. - Долгопрудный. 1985.
8. Фридзон М.Б., Иванов В.Э., Кочин А.В., Зайцева Н.А., Маров А.С., Ермошенко Ю.М., Дубовецкий А.З. Радиозондирование атмосферы на аэрологической сети в 2006 г. Zondr.msk.ru: интернет -сайт ФГУП «Гидрометпоставка».
RELIABILITY OF PRECIPITABLE WATER VAPOUR CONTENT’S DETERMINATION USING REMOTE SENSING IN COMPARISON WITHSTANDARD RADIOSONDE OBSERVATIONS
Ostrovskiy E.V., Fridson M.B.
The objective of the present study is to investigate reliability of testing the remote sensing methods of precipitable water vapour content determination by using comparison with the standard radiosonde observations in troposphere. Possibility
of reaching the acceptable reliability during such comparison in condition of using specially prepared and tested radiosondes has shown.
Сведения об авторах
Островский Евгений Валерьевич, 1978 г.р., окончил Институт атомной энергетики (2001), консультант отдела разработки компании Терадата, автор 4 научных работ, область научных интересов -методология и методика метеорологических измерений.
Фридзон Марк Борисович, 1936 г.р., окончил Казанский государственный университет (1960), доктор технических наук, директор ФГУП “Гидрометпоставка”, автор более 120 научных работ, область научных интересов - методология и методика метеорологических измерений.
