Содары для зондирования атмосферного пограничного слоя Текст научной статьи по специальности «Физика»

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2018, том 28, № 4, с. 82-89 РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ -

УДК 551.501.7 © Н. П. Красненко

СОДАРЫ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Рассматриваются сделанные разработки акустических локаторов (содаров) для зондирования атмосферного пограничного слоя, измерения температурной стратификации, профилей скорости ветра и характеристик турбулентности. Приводятся результаты измерений. Обсуждаются возможности содаров и вопросы их использования.

Кл. сл.: содар, атмосферный пограничный слой, скорость ветра, характеристики турбулентности

ВВЕДЕНИЕ

Акустические локаторы, или как еще их называют содары, разрабатываются и широко применяются в мире для исследований атмосферного пограничного слоя (АПС) [1-10]. Использование звукового излучения для дистанционного зондирования атмосферы (акустическое зондирование) основано на способности акустических волн рассеиваться на неоднородностях показателя преломления, образованных атмосферной турбулентностью.

Звуковые волны слышимого диапазона частот, обычно применяемые в акустическом зондировании, обладают небольшой по сравнению с электромагнитными волнами проникающей способностью в атмосфере, зависящей от самой частоты. Дальность зондирования также ограничивается (наряду с шумами) молекулярным поглощением, ветровой и температурной рефракцией, турбулентным ослаблением. Поэтому естественной областью применения акустического зондирования является нижняя часть тропосферы, как правило, не выше 1-1.5 км, называемая атмосферным пограничным слоем (АПС). В этом слое акустическое зондирование имеет ряд существенных преимуществ перед методами радио-и оптического зондирования. Для увеличения высоты зондирования используют звуковые волны более низких частот.

Исследования АПС необходимы для решения как фундаментальных проблем физики атмосферы, так и для целого ряда прикладных задач, включая задачи приземного распространения электромагнитных и звуковых волн. Состояние АПС в основном и влияет на жизнедеятельность

человека. Для этого слоя характерна большая изменчивость и разнообразие термической стратификации, определяемой орографией местности, свойствами подстилающей поверхности, радиационными условиями, а также синоптическими процессами. Характеристики стратификации, получаемые с помощью средств зондирования, важны для оценки и прогнозирования условий загрязнения атмосферы. Поэтому для практических приложений требуется привлечение новых дистанционных средств зондирования с дополнительными информационными возможностями.

МЕТОДЫ И ТЕХНИКА АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Сущность акустического зондирования заключается в том, что в атмосферу направленно излучается звуковой сигнал, который, распространяясь, взаимодействует с ней. Рассеянное неодно-родностями или проходящее излучение принимается приемной антенной, и по его параметрам судят о характеристиках атмосферы. Поэтому основной набор элементов, необходимых для активного дистанционного зондирования, содержит передающую систему для направленного излучения энергии в заданную область атмосферы, чувствительную приемную систему и систему регистрации и обработки рассеянного сигнала. Используются моностатические (с совмещенной приемопередающей антенной), бистатические и триста-тические (с разнесенными антеннами) содары. Наибольшее распространение в практических приложениях получили первые, поскольку при импульсном зондировании они позволяют получать вертикальные профили структуры атмосфе-

ры. Также содары бывают одноканальные и многоканальные (многокомпонентные или многолучевые) для измерения вектора скорости ветра на основе эффекта Доплера в различных каналах зондирования. Структурная схема простейшего одноканального моностатического содара приведена на рис. 1. Она традиционна, как и для любых других локационных систем.

Одним из основных элементов содара, обеспечивающим его эффективную работу, является приемо-передающая антенна. Она должна иметь достаточно высокую направленность и низкий уровень боковых лепестков. Часто, особенно в отечественных содарах, используются зеркальные параболические антенны с рупорным громкоговорителем в качестве облучателя. Хотя в последние годы эффективно применяются антенные решетки. Большинство содаров работает с акустической защитой антенн (со звукозащитной блендой), которая помогает минимизировать сигнал помех, отраженный от местных предметов и уменьшить уровень окружающих шумов. Недостатками таких содаров являются большие размеры антенных систем, и они обычно используются как стационарные.

В зависимости от несущей частоты содары подразделяются на традиционные с частотами в диапазоне 1-2 кГц, дальностью зондирования в диапазоне 50-1000 м и пространственным разрешением 20-30 м и мини-содары с частотами 410 кГц, дальностью зондирования 5-200 м и разрешением 5 м. Прослеживается тенденция к разработке и использованию высокочастотных компактных содаров на антенных решетках.

Выделяют несколько основных эффектов (закономерностей), которые уже используются в акустическом зондировании, или на основе которых могут быть разработаны новые методы.

• Зависимость скорости звука от значений метеопараметров, которая лежит в основе работы локальных ультразвуковых измерителей температуры и скорости ветра и систем радиоакустического зондирования.

• Эффект рассеяния звука на мелкомасштабной турбулентности, являющийся основой акустической локации. Флуктуации акустического показателя преломления определяются в основном флук-туациями температуры и скорости ветра. Сечение рассеяния для звуковых волн примерно в миллион раз больше, чем для электромагнитных.

• Эффект рассеяния звука на частицах различных атмосферных образований, который используется при зондировании гидрометеоров.

• Показатель преломления имеет также мнимую часть, которая описывает поглощение звуковых волн при их распространении в атмосфере. Обычно звуковые волны поглощаются намного сильнее, чем электромагнитные. Поглощение звука имеет сильную частотную зависимость.

• Для звуковых волн значительны и рефракционные эффекты, которые определяются высотным ходом температуры, скорости и направления ветра.

• Эффект Доплера, определяющий сдвиг частоты зондирующего излучения и лежащий в основе измерений скорости ветра.

Рис. 1. Структурная схема дистанционного моностатического (с совмещенной приемо-передающей антенной) зондирования

Рис. 2. Внешний вид зарубежных содаров.

а — Metek PSC.2000-24 и PSC.2000-64; б — автономный доплеровский содар AV4000 с солнечной батареей; в — VT-1; г — Scintec SFAS; д — Remtech PA-1; е — Metek MODOS (трехкомпонентный доплеровский содар) на трейлере

Сильное взаимодействие звуковых волн с нижней атмосферой говорит о том, что различные методы и средства дистанционного акустического зондирования могут с успехом использоваться для ее исследования и контроля состояния. Основное применение они нашли для контроля температур-но-ветровой стратификации АПС, определения высоты слоя перемешивания, типа стратификации (класса устойчивости атмосферы), измерения профилей вектора скорости ветра, различных характеристик турбулентности, в частности структурных функций и постоянных флуктуаций температуры и скорости ветра, турбулентного потока, внешнего масштаба турбулентности и др.

На рис. 2 показан ряд доплеровских зарубежных содаров, которые успешно работают в исследованиях АПС. Содары, как стационарные, так и мобильные, — на антенных решетках. Они тиражируются и широко распространены в мире.

У нас в России проблемами акустического зондирования занимаются несколько групп: в Москве — ИФА РАН, МГУ, НПФ "Лантан"; в Обнинске — НПО "Тайфун"; в Нижнем Новгороде — НИРФИ; в Томске — ИОА СО РАН, ИМКЭС СО РАН, ТУСУР. Некоторые из разработанных отечественных содаров показаны на рис. 3. Все приведенные здесь содары являются моностатическими. Авторские разработки содаров "Звук-2", "Звук-З" и мини-содара мС-1 сделаны с использованием параболических антенн диаметром 1, 0.63, 0.3 м.

Соответственно для сохранения направленности они имеют увеличивающиеся значения несущих частот зондирования и высоты зондирования до 1000, 500 и 200 м. Ведутся отладочные работы с содарами на антенных решетках.

Содары визуализируют мелкомасштабную структуру турбулентности в реальном времени, контролируют термическую структуру АПС, определяют границы приземных и приподнятых инверсий и высоты слоя перемешивания, обнаруживают перемежаемость турбулентности и волновые движения.

Акустическое зондирование, обладая высокими возможностями по пространственному разрешению, позволяет исследовать тонкую структуру АПС. Сильное взаимодействие звуковых волн с атмосферой (например, показатель преломления звуковых волн примерно в 106 раз больше, чем для оптических волн), возможность получения информации в реальном масштабе времени круглосуточно с существенно большим пространственным и временным разрешениями делают акустические локаторы уникальным инструментом для исследования пограничного слоя атмосферы. А применение высокочастотных моностатических трехкомпонентных доплеровских локаторов (ми-ни-содаров) для измерения вектора скорости ветра позволяет получать длинные временные ряды непрерывных наблюдений с высоким пространственным (до нескольких метров) и временным (ста-

Рис. 3. Внешний вид моностатических доплеровских содаров. а — "Звук-З", б — мини-содар мС-1, в — модернизированный германский содар ЕСНО-1 в МГУ, г — "Звук-2" (Волна-3, -4), д — доплеровский содар ИФАРАН

тистически надежные профили ветра доступны с осреднением, как правило, от 10 до 30 мин) разрешениями и анализировать их пространственно-временную динамику. Это позволяет использовать мини-содары в качестве удобного инструмента для оперативных измерений в АПС.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Доплеровские содары позволяют получать длинные временные ряды вертикальных профилей мощности обратно рассеянного сигнала и трех компонент скорости. Их можно использовать для расчета временных продольных и поперечных структурных функций скорости ветра.

Например, на рис. 4 в векторном представлении показана полусуточная пространственно-временная динамика горизонтальной скорости ветра по результатам мини-содарных измерений за два

дня, 14 и 16 сентября. Из рис. 4, а, видно, что в 11 ч местного времени вертикальное распределение скорости ветра было достаточно однородным, северо-восточным, и сохранялось во всем диапазоне высот зондирования. При этом скорость ветра вначале росла с высотой, и ее максимальное значение фиксировалось на высоте 75 м. Затем она плавно уменьшалась с высотой. Это характерно для устойчивой стратификации (наличие температурной инверсии). У верхней границы инверсии профиль ветра имеет струеобразный характер. Инверсия поднимается и далее распадается. Стратификация переходит в неустойчивую, а в послеобеденное время — в нейтральную. В 12 ч местного времени достаточно равномерное распределение скорости ветра сохранялось до высоты 175 м, скорость ветра также росла с высотой.

В 13 ч местного времени северо-восточное направление скорости ветра сменилось на юго-западное, и оно сохранялось практически до 17 ч.

200 -

150 -

N

с«

§ 100 т

50 -

5 м/с

' I-'-1-'-г

11 12 13 14 15 16

20 21 22 ' 23

Время суток, ч

5 м/с

Ш

Рис. 4. Почасовая полусуточная пространственно-временная динамика горизонтальной скорости ветра по результатам мини-содарных измерений 14-го (а) и 16-го сентября (б). Ориентация: вверху — север, слева — запад

0

В 18 ч направление ветра поменялось на северо-западное, но высота верхней границы струи в приземном слое со временем уменьшалась и составила 75 м в 23 ч. Следует отметить, что к ночи опять образуется устойчивая стратификация атмосферы и наблюдаются сильные струйные течения ветра на высотах 100 и 160 м. Как видно из ре-

зультатов измерений, поведение скорости ветра в АПС весьма изменчиво.

За 16 сентября (рис. 4, б) ветер был более сильным, особенно в нижнем 100-метровом слое. Здесь прослеживается увеличение высоты максимума скорости ветра с 45 м в 10 ч местного времени до 100 м в 14 ч. Это тоже связано с подъемом ночной приземной температурной инверсии. В профиле

Время, ч.мин

а

в

Рис. 5. Высотно-временная динамика структуры температурной и ветровой турбулентностей. а — температурной турбулентности, б — продольной ветровой турбулентности, в — поперечной ветровой турбулентности

скорости ветра отчетливо наблюдается наличие такого опасного для авиации явления, как сдвиг ветра. В 18 ч юго-западное направление струйного течения сменилось на северо-западное, высота струи вначале выросла со 100 м в 20 ч до 125 м в 21 ч, а затем уменьшилась до 75 м в 22 ч. К 23 ч направление ветра сменилось на юго-восточное, и он стал менее сильным. Нерегулярное поведение скорости ветра в нижнем 25-метровом слое можно объяснить влиянием шероховатости подстилающей поверхности и ее неравномерным прогревом.

Приведенный пример мини-содарных измерений профилей скорости ветра показал его большую эффективность в контроле тонкой структуры АПС, выявлении струйных течений и обнаружении сдвига ветра. Векторное представление дает возможность визуализации пространственно-временной динамики поля ветра в атмосферном-пограничном слое, в частности оценить форму, размеры струйных течений.

Рис. 5, а, иллюстрирует синхронную временную динамику температурной (факсимильная за-

пись сигнала) и ветровой турбулентностей (б — продольная фгг) и в — поперечная структурные функции скорости ветра) в нижнем 200-метровом слое атмосферы в градационных шкалах для двух 10-минутных серий измерений мини-содаром.

На факсимильной записи термической структуры АПС отчетливо видна перьевая структура, характерная для условий дневной конвекции, верхняя граница которой подвержена квазипериодическим колебаниям и имеет выраженную тенденцию к увеличению высоты за период наблюдения. Здесь в реальном времени отображается высотно-временная зависимость принимаемой рассеянной мощности сигнала, пропорциональная структурной постоянной флуктуаций температуры, связанной со стратификацией атмосферы.

Видно, что поперечная структурная функция много меньше продольной, что указывает на сильную анизотропию атмосферных флуктуаций в продольном и поперечном направлении и сдавливании мелкомасштабной турбулентности в вертикальном направлении. Поведение продольной

структурной функции также характеризует динамику высоты слоя перемешивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Содары обладают высокой пространственно-временной разрешающей способностью, оперативностью, работают в непрерывном режиме. Применение содаров позволяет получать длинные временные ряды наблюдений параметров структуры АПС. Они позволяют получать пространственно-временную динамику характеристик атмосферной турбулентности, включая вертикальные профили трех компонентов скорости ветра, продольной и поперечной структурных функций поля скорости ветра, структурных характеристик температуры и скорости ветра, скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, и внешних масштабов температурной и динамической турбулентности.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 5.3279.2017/4.6) и Сибирского отделения Российской академии наук (проект программы фундаментальных исследований № IX.138.2.5).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Acoustic remote sensing applications / Ed. S.P. Singal. New Delhi, Narosa Publishing House, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997. 585 p.

Doi: 10.1007/BFb0009557.

2. Каллистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука, 1992. 198 с.

3. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1986. 167 с.

4. Каллистратова М.А. Роль акустических методов в современных исследованиях атмосферы // Сборник трудов X сессии Российского акустического общества. М., 2000. Т. 2. С. 395-404.

5. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск: Водолей, 2001. 278 с.

6. Красненко Н.П., Тихомиров А.А. Технические средства и технологии дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 1. С. 51-61.

7. Красненко Н.П. Итоги развития атмосферной акустики в Томске // Сборник трудов XVIII сессии Российского акустического общества. М., 2006. Т. 2. C. 132136.

8. Bradley S. Atmospheric acoustic remote sensing: principles and applications. CRC Press, 2007. 296 p.

9. Локощенко М.А. Содары и их использование в метеорологии // Мир измерений. 2009. № 6. С. 21-29.

10. Krasnenko N.P., Shamanaeva L.G. Sodars and their application for investigation of the turbulent structure of the lower atmosphere // ENVIR0MIS-2016, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 48, no. 1. 012025. Doi: 10.1088/1755-1315/48/1/012025.

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск

Контакты: Красненко Николай Петрович, [email protected]

Материал поступил в редакцию 28.06.2018

ISSN 0868-5886

NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2018, Vol. 28, No. 4, pp. 82-89

SODARS FOR SENSING OF THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

N. P. Krasnenko

Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, Tomsk, Russia Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia

The design is considered of acoustic radars (sodars) intended for sounding of the atmospheric boundary layer, including temperature stratification, wind velocity profiles, and turbulence characteristics. Results of measurements are presented. The possibilities of sodars and their applications are discussed.

Keywords: sodar, atmospheric boundary layer, wind velocity, characteristics of turbulence

REFERENСES

1. Singal S.P., ed. Acoustic remote sensing applications. New Delhi, Narosa Publishing House, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1997. 585 p.

Doi: 10.1007/BFb0009557.

2. Kallistratova M.A., Kon A.I. Radioakusticheskoe zondi-rovanie atmosfery [Radio acoustic sounding of the atmosphere]. Moscow, Nauka Publ., 1992. 198 p. (In Russ.).

3. Krasnenko N.P. Akusticheskoe zondirovanie atmosfery [Acoustic sounding of the atmosphere]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1986. 167 p. (In Russ.).

4. Kallistratova M.A. [Role of acoustic methods in modern researches of the atmosphere]. Sbornik trudov X sessii Rossijskogo akusticheskogo obshchestva [Proc. of the X session of the Russian acoustic society], Moscow, 2000, vol. 2. pp. 395-404. (In Russ.).

5. Krasnenko N.P. Akusticheskoe zondirovanie atmosferno-go pogranichnogo sloya [Acoustic sounding of an atmospheric interface]. Tomsk, Vodoley Publ., 2001. 278 p. (In Russ.).

6. Krasnenko N.P., Tikhomirov A.A. [Instrumentation and

Contacts: Krasnenko Nikolay Petrovitch, [email protected]

technologies for remote sensing of the atmosphere and underlying surface]. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2002, vol. 15, no. 1, pp. 51-61. (In Russ.).

7. Krasnenko N.P. [Results of development of atmospheric acoustics in Tomsk]. Sbornik trudov XVIII sessii Rossijskogo akusticheskogo obshchestva [Collection of works of the XVIII session of the Russian acoustic society], Moscow, 2006, vol. 2, pp. 132-136. (In Russ.).

8. Bradley S. Atmospheric acoustic remote sensing: principles and applications. CRC Press, 2007. 296 p.

9. Lokoschenko M.A. [Sodars and their use in meteorology]. Mir izmerenij [World of measurements], 2009, no. 6, pp. 21-29. (In Russ.).

10. Krasnenko N.P., Shamanaeva L.G. Sodars and their application for investigation of the turbulent structure of the lower atmosphere. ENVIROMIS-2016, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2016, vol. 48, no. 1, 012025. Doi: 10.1088/1755-1315/48/1/012025.

Article received in edition 28.06.2018