CC BY
10Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2022
УДК 551.501.8 DOI: 10.24412/2304-0297-2022-1-313-322
Оценка возможности использования данных наземных одноканальных сканирующих температурных профилемеров для определения параметров влажности атмосферного пограничного слоя
А.К. Князев, Е.Н. Кадыгров, В.А. Юшков
ФГБУ «Центральная аэрологическая обсерватория», 141700, Московская область, г.Долгопрудный, ул. Первомайская 3, e-mail: ldz@cao-rhms. ru
Представлен анализ возможности использования данных микроволнового одноканального сканирующего температурного профилемера для оценки параметров влажности в атмосферном пограничном слое (АПС).
Ключевые слова: микроволновый одноканальный сканирующий профилемер, параметры влажности, атмосферный пограничный слой.
Evaluation of possibility determinations of density parameters in atmospheric boundary layer on the basis of an angular-scanning single-channel microwave radiometer data
A.K.Kniazev, E.N.Kadygrov, V.A.Ushkov
Possibility of ABL density parameters determination with the using of scanning microwave temperature profiler data are presented.
Key words ABL density parameters, an-angular scanning single channel microwave radiometer. Введение
В последние десятилетия для измерения структурных параметров атмосферы (профилей температуры, ветра, влажности) наряду с традиционным контактным методом измерений радиозондированием все более широко используются дистанционные методы измерений. Основным преимуществом дистанционных методов по сравнению с традиционными радиозондами является возможность непрерывных измерений и практическое отсутствие расходных эксплуатационных материалов (радиозонд- прибор одноразового действия) [1]. В данном докладе рассматривается один тип наземных дистанционных приборов ,а именно микроволновые температурные профилемеры для измерения профилей температуры атмосферного пограничного слоя (АПС) [2].Принцип их действия основан на приеме собственного теплового излучения атмосферы на одной частоте в районе максимума поглощения молекулярного кислорода 60 ГГц со сканированием угла приема излучения от горизонта до зенита [3]. Примером таких приборов может служить микроволновый температурный профилемер МТР-5, обеспечивающий в любых погодных условиях практически непрерывное измерение профилей температуры атмосферы в диапазоне высот от поверхности Земли до 1 км. Данный прибор достаточно широко используется как в нашей стране, так и за рубежом. Профилемер сертифицирован Федеральным агенством по техническому регулированию и метрологии и рекомендован Росгидрометом для использования на наблюдательной сети [4]. Однако для прогноза опасных метеорологических явлений (например, тумана, обледенения) необходима еще информация о профиле значений точки росы в АПС, такая информация есть в стандартном наборе данных радиозонда. В данной работе рассматривается возможность получения такой информации на основе данных МТР-5 и данных значений от приземной метеостанции.
1. Используемые данные и предположения
1.1 При оценке возможности использования данных одноканального сканирующего температурного профилемера МТР-5для определения параметров влажности пограничного слоя атмосферы использовались следующие эмпирические данные:
1) Электронная база данных температуры атмосферного пограничного слоя в диапазоне высот от 0 до 1000 метров за январь - июнь 2019 года, полученных в г. Долгопрудном Московской области [5]. Данные получены с помощью многоканального радиометрического комплекса ЦАО «Микрорадком» с погрешностью от 0,5 до 0,6оС,с шагом по высоте 50 метров и временным интервалом 5 минут, в состав которого входит прибор МТП-5.
2) Данные радиозондирования аэрологической станции Долгопрудный о высотных профилях температуры и влажности. Пуски зондов осуществляются два раза в сутки, - в полдень и в полночь по всемирному времени.
3) Относительная влажность воздуха на нулевом высотном уровне, во время запусков радиозондов определялась с помощью финской метеостанции VAISALA WXT520.
Предполагается, что влажный воздух представляет собой гомогенную смесь сухого воздуха и водяного пара, в пропорциональном отношении состав воздуха в диапазоне высот от 0 до 1000 метров остаётся постоянным, атмосферное давление подчиняется барометрической формуле Лапласа. Принимается гипотеза равновесия атмосферы, согласно которой воздух неподвижен, т.е. сила тяжести рассматриваемого объема воздуха уравновешивается разностью давлений на ее нижнее и верхнее основания.
В рамках сделанных предположений, оценим возможность определения профилей таких метеорологических величин, как относительная и абсолютная влажность, точка росы и дефицит точки росы. С практической точки зрения информация об этих параметрах атмосферы может представлять интерес для синоптиков, занимающихся прогнозированием образования туманов и обледенения, что становится важным по мере развития малой авиации.
1.2 Относительная влажность
На основании высотного профиля температуры, измеренного прибором МТР-5, сначала определим парциальное давление водяных паров в воздухе на текущей высоте h по формуле (1) [6]:
ев(1) = евс/11'1 = гоЕ(го)ек(г~1г) Ио,ИеНт,гоеЯт, ЫТг , (1)
где, Г0 - относительная влажность воздуха на нулевом у ровне, определяется с помощью метеостанции VAISALAWXT520; e - основание натурального логарифма;
ги = - 0.000461 м-1 - высотная постоянная влажного воздуха; И - текущая высота; Ио -начальная высота; ев(И) - парциальное давление водяных паров в воздухе на высоте к
Е(1;о) - парциальное давление на нулевом уровне. Определяется при помощи формулы Бака [7]:
/(18.678——)г\
Е(1о) = 61121ехр(( 257.14+Т' I (2)
Для отрицательных температур при отсутствии жидкой фазы используется другая формула Бака:
/(23.036--—)г\
= 6.1115ехр(( 279.1 (3)
где: T - температура воздуха [°C].
Всемирная метеорологическая организация для этого рекомендует следующую формулу:
ln E = -6094,4692T-1 + 21,1249952 - 0,027245552T + 0,000016853396T2 + (4)
+2,4575506lnT,
где T - температура воздуха [°K].
Эта формула справедлива для температур от 0 до 100°С и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50°С).
Относительную влажность определяем по формуле [6]:
r = 100ee(t) /E(t), (5)
где, t - текущая температура воздуха, в градусах Цельсия; ев - парциальное давление водяных паров в воздухе при температуре t, Па; Е - парциальное давление насыщенных водяных паров в воздухе при температуре t, Па; r - относительная влажность в процентах.
На каждом шаге по высоте можно брать в качестве начальных условий температуру и влажность на начальной высоте ho, а можно значения с предыдущего по высоте шага.
Относительная влажность зависит от высоты и от времени. Ниже представлено поле распределения относительной влажности по высоте и по времени. Цвет каждой точки в поле определяется цветом интервала, в котором содержится значение относительной влажности. Справа от поля представлена зависимость относительной влажности от высоты в определенный момент времени. Внизу (рис.1) представлена зависимость относительной влажности от времени суток при фиксированной высоте или сразу на всех высотах на одном графике.
Время 01 02 03 04 05 06 07 06 Св 10 11 12 13 И 15 16 17 IS 19 20 21 22 23 24 65 Е6 67 68 69 70 71 72 73
36 37 36 33 40 41 42 43 44 45 46 4? 48 49 50 51 52 53 64 55 56 57 5В 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79
Сохранить | Закрыть | Интенсивность
_А
Рис.1. Зависимость относительной влажности от высоты и времени.
1.3. Абсолютная влажность
По известной относительной влажности подсчитаем абсолютную влажность по формуле [8]:
AU 1 . U /- / ЗЛ 6.112 X rh Х2.1674 X е17.67Т/(Т+243.5)
Absolute Humidity (grams /m3) =-273 15+г-'
где T - температура в градусах Цельсия; e - основание натурального логарифма; rh -относительная влажность.
1.4. Точка росы
По известной относительной влажности подсчитаем точку росы, воспользовавшись формулой для приблизительного расчёта точки росы Тр (°С) в зависимости от температуры воздуха Т (°С) и его относительной влажности Rh (%) [9-11]:
= Ьх/№) = охт + /п(_),
p a-/(T,Kft) ' v ' ' Ь+Г ' v '
где Т - температура; ЯИ - относительная влажность; а = 17,62 и Ь = 243,12 - константы; 1п - натуральный логарифм; Тр - точка росы.
Формула обладает погрешностью ±0.4 °С в диапазоне температуры воздуха Т от 0°С до 60°С, температуры точки росы Тр от 0°С до 50°С, относительной влажности ЯЬ от 1% до 100%.
Константы 243,12 и 17,62 можно заменить константами 237,7 и 17,27, разница в результатах несущественная. Точка росы зависит от высоты и от времени. Ниже представлено поле распределения точки росы по высоте и по времени. Цвет каждой точки в поле определяется цветом интервала, в котором содержится значение точки росы. Справа от поля представлена зависимость точки росы от высоты в определенный момент времени. Внизу представлена зависимость точки росы от времени суток при фиксированной высоте или сразу на всех высотах на одном графике (рис.2):
Рис.2. Зависимость точки росы от высоты и времени.
2. Результаты сравнения с данными радиозонда аэрологической станции «Долгопрудный»
По вышеприведенным формулам были осуществлены расчеты, в которых использовался температурный профиль, полученный при помощи прибора МТР-5. Профили относительной влажности, точки росы, дефицита точки росы сравнивались с профилями этих же данных, полученных с зонда в это же самое время в этой же самой точке. Радиозондонд запускается с территории Центральной аэрологической обсерватории (Московская область, г. Долгопрудный). Результаты сравнения приведены на рисунках ниже.
На рис. 3 и рис. 4 представлены профили оценки относительной влажности, окрашенные в разные цвета. Профиль красного цвета - начальная точка берется с прибора Микрорадком, парциальное давление вычисляется по формуле Бака. Профиль светло-красного цвета - начальная точка берется с прибора Микрорадком, парциальное давление вычисляется по формуле WMO. Профиль розового цвета - начальная точка берется из показаний радиозондаонда, парциальное давление вычисляется по формуле Бака. Профиль синего цвета - показания влажности по данным радиозонда. Профиль бирюзового цвета - показания температуры берутся из показаний радиозонда и пересчитываются по разработанному алгоритму.
Рис.3. Профиль относительной влажности на 01.01.2019 в 0 часов UTC (2.30 MSK).
На рис.5 представлены профили оценки относительной влажности, окрашенные в разные цвета. Профиль красного цвета - начальная точка берется с прибора Микрорадком, парциальное давление вычисляется по формуле Бака. Профиль светло-красного цвета - начальная точка берется с прибора Микрорадком, парциальное давление вычисляется по формуле ВМО. Профиль розового цвета - начальная точка берется из показаний радиозонда, парциальное давление вычисляется по формуле Бака. Профиль синего цвета - показания влажности по данным радиозонда. Профиль
бирюзового цвета - показания температуры берутся из показаний радиозонда и пересчитываются по разработанному алгоритму.
Рис.4. Профиль относительной влажности на 05.03.2019 в 0 часов UTC (2.30 MSK).
Дата и время представлены слева.
Рис.5. Профиль относительной влажности на 10.05.2019 в 0 часов
Дата и время представлены слева.
ним 01 ТУ
иТС (2.30 М8К).
На рис.6 представлены профили оценки относительной влажности, окрашенные в разные цвета. Профиль красного цвета - начальная точка берется с прибора Микрорадком, парциальное давление вычисляется по формуле Бака. Профиль светло-красного цвета - начальная точка берется с прибора Микрорадком, парциальное давление вычисляется по формуле WMO. Профиль розового цвета - начальная точка берется из показаний радиозонда, парциальное давление вычисляется по формуле Бака. Профиль синего цвета - показания влажности по данным радиозонда. Профиль бирюзового цвета - показания температуры берутся из показаний радиозонда и пересчитываются по разработанному алгоритму.
Рис.6. Профиль относительной влажности на 07.06.2019 в 12 часов UTC (2.30 MSK).Дата и
время представлены слева.
На рис.9 представлены профили точки росы, окрашенные в разные цвета. Профиль красного цвета - точка росы, определенная по температуре с прибора МТР-5.Профиль розового цвета - температура, определенная прибором МТР-5.Профиль синего цвета -точка росы, по данным радиозонда ЦАО. Профиль бирюзового цвета - температура, по данным радиозонда ЦАО.
Дефицит точки росы- это разность между температурой и точкой росы.
На рис. 9 и рис. 10 представлены профили дефицита точки росы, окрашенные в разные цвета. Профиль красного цвета - дефицит точки росы, определенный по температуре с прибора МТР-5.
Профиль розового цвета - температура, определенная прибором МТР-5.Профиль синего цвета - дефицит точки росы, определенный по данным радиозонда о температуре. Профиль бирюзового цвета - температура, по данным радиозонда.
Рис.7. Профиль точки росы на 01.01.2019 в 0 часов UTC (2.30 MSK).
Рис.8. Профиль точки росы на 01.01.2019 в 12 часов UTC (2.30 Дата и время представлены слева.
рогмг
М8К).
DEW POIN" DEFICIT
Рис.9. Профиль дефицита точки росы на 10.05.2019 в 0 часов UTC (2.30 MSK).
Дата н время
Год 2019 Мкощ 05 * День ю » Часы 121ЯС т
900 е» 800 750 700 630 600 350 500 450 400 350 300 250 200 150 100 30
с
9.96
10.1«
10.29
10.41
10 .S3 t8:Js
10.se
10.63 10.Т
10.65 10.9
10.7 11.1
10.83
11.11 11.6
11.3
11.44
11.58 12.8
11.8 13
12.1)0
12.3« 13.7
12.62
12.94 14.3
Рис.10. Профиль дефицита точки росы на 10.05.2019 в 12 часов UTC (14.30 MSK).
Дата и время представлены слева.
Заключение
Как видно из сравнительного анализа, помимо измерения профилей температуры АПС приборы МТР-5,или аналогичные, в комплексе с метеорологической наземной станцией возможно использовать для качественной оценки профилей относительной влажности, абсолютной влажности, точки росы и дефицита точки росы.
Литература
1. ЗайцеваН.А. Аэрология. -Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 237 с. (ISNB 5-286-00415-6).
2. Кадыгров Е.Н. Микроволновая радиометрия термической стратификации атмосферы. — М.: ООО "Печатный салон Шанс",2020, 272 с. (ISBN 978-5-6045006-3-7).
3. Kadygrov E.N., Pick D.R. The potential for temperature retrieval from an angular- scanning single-channel microwave radiometer and some comparisons with in situ observations. MeteorologicalApplications, v.5, Issue 4, 1998, p. 393-404.
4. Кадыгров Е.Н., Кузнецова И.Н. Методические рекомендации по использованию данных дистанционных измерений профилей температуры в атмосферном пограничном слое микроволновыми профилемерами: теория и практика.-Долгопрудный, издательство «Физматкнига», 2015, 171 с.
5. Агапов Ю.В., Ганьшин Е.В., Кадыгров Е.Н., Князев А.К., Миллер Е.А., Некрасов В. В., Шапошников А.Н. // Пополняемая база данных температуры атмосферы в городе Долгопрудном Московской области в диапазоне высот от 0 до 1000 метров за первое полугодие 2019 года - Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2019622489 дата регистрации в Реестре 26 декабря 2019 г. Правообладатель: ФГБУ ЦАО. 6Миняев В.В. "Расчет параметров атмосферы с учетом влажности воздуха", вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Естественныенауки". 2004. №2.
7. Buck A. L. Research Manual (1996); updated equation from Buck, A. L., New equations for computing vapor pressure and enhancement factor, J. Appl. Meteorol., 20, 1527-1532, 1981.
8. Bolton DavidThe Computationof Equivalent Potential Temperature, Monthly Weather review, v. 108, 1046 - 1053, Issue 7 (Jul 1980).
9. Бурцев С. И., Цветков Ю. Н. Влажный воздух. Состав и свойства. — СПб.: СПбГАХПТ, 1998. -146 с.— ISBN 5-89565-005-8.
10. Barenbrug, A.W.T. Psychrometry and Psychrometric Charts, 3rd Edition, Cape Town, S.A.: Cape and Transvaal Printers Ltd., 1974.
11. John M. Wallace, Peter V. Hobbs. Water Vapor in Air // Atmospheric Sience. An introductory Survey.. — Second edition. — Washington: Academic Press Elsevier, 2006. - 551 с. - SBN 978-0-12-732951-2.
