CC BY
44
УДК 551.501+621.371:551.46 Л.И. Кижнер
Волноводные условия распространения УКВ над Тихим океаном в зимний период
Рассмотрены условия формирования и основные характеристики атмосферных волноводов различного происхождения в холодный период по данным стандартных судовых метеорологических и аэрологических наблюдений в различных районах Тихого океана. Представлены данные о горизонтальных размерах и времени существования волноводов.
Проблема изучения волноводных условий распространения УКВ остается чрезвычайно актуальной. Условия возникновения атмосферных волноводов, их характеристики, время существования и горизонтальные размеры в различных географических районах являются предметом пристального изучения.
Обычно рассматриваются три вида атмосферных волноводов, различающихся условиями образования и характеристиками:
1) приводные волноводы (ПВ), или волноводы испарения, образующиеся в самом тонком слое над водной поверхностью благодаря резкому уменьшению влажности воздуха при удалении от воды;
2) приподнятые атмосферные волноводы (ПАВ), возникающие на высоте пограничного слоя за счет нисходящих движений в атмосфере при антициклональном барическом поле;
3) приповерхностные волноводы (ППВ), появляющиеся в нижней части атмосферы на высоте нескольких сотен метров в основном за счет адвекции сухого теплого воздуха.
Характеристики ПВ (высота, интенсивность) рассчитываются по судовым метеорологическим наблюдениям, при этом учитывается распределение с высотой турбулентного потока тепла, водяного пара и количества движения. ПАВ и ППВ изучаются в основном с помощью аэрологических наблюдений.
В литературе выделены районы наиболее вероятного возникновения волноводов [1-3]. Рассмотрены также некоторые характеристики волноводов в различных районах [4-6]. Наиболее полная информация о волноводах Тихого океана содержится в Атласе [4], однако отсутствуют сведения о горизонтальных размерах, времени их существования.
В работе представлены результаты расчета характеристик волноводов над Тихим океаном по стандартным метеорологическим наблюдениям за отдельные годы (12-летний период синхронных наблюдений на кораблях погоды (КП) в центральной и южной частях Охотского моря в холодный период), а также аэрологическим наблюдениям трех стационарных кораблей погоды в Тихом океане: *Р» (50° с.ш., 145° з.д.); *V» (34°с.ш., 164° в.д.); *N» (30° с.ш., 140° з.д.). Период аэрологических наблюдений — 2 года (1964 и 1967 гг., для корабля «V» — 1964 и 1968 гг.), время — февраль.
Обработка наблюдений выполнена с помощью табличного процессора EXCEL.
По имеющейся методике [7] по метеоданным были рассчитаны высоты ПВ. Затем по координатам кораблей (широта и долгота) рассчитывалось расстояние между каждой парой наблюдений. Для оценки горизонтальных размеров ПВ были выбраны случаи одновременных наблюдений на двух и более кораблях, находившихся на разных расстояниях друг от друга. При этом расстояние между кораблями принималось за размер ПВ. По разности высот ПВ между каждой парой с учетом расстояния между кораблями была проведена оценка угла наклона верхней границы ПВ а:
tga = |ДН|/Д , (1)
где АН — разность высот ПВ для каждой пары одновременных наблюдений; R — расстояние между кораблями.
Аэрологические наблюдения представляют собой давление, температуру и относительную влажность воздуха на первом высотном уровне (10 м) и на высотах особых точек по температуре и влажности, а также на уровнях изобарических поверхностей.
Обработка наблюдений включала в себя расчет высот наблюдений, указанных метеовеличин на стандартных высотах (0,01; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5 км) для сопоставления данных.
Л.И. Кижнер. Волноводные условия распространения УКВ...
43
На всех указанных уровнях рассчитаны значения индекса преломления N (формула расчета приведена, например, в [4]), а также вертикальные градиенты N (вЩ, температуры {ОТ) и относительной влажности (011). При расчете характеристик в качестве волноводных принимались условия, когда < - 80 Л^-ед./км (с учетом инерции датчиков температуры и влажности) [4].
Данные о приводных волноводах представлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики приводных атмосферных волноводов.
Охотское море. Ноябрь
Число наблюдений/пар Повторяемость, % Яср> м аН, м
384/192 60,5 4,7 2,5
Примечание. Яср — средняя высота; оН — стандартное отклонение высоты ПВ.
Из табл. 1 видно, что наличие ПВ — достаточно частое явление в умеренных широтах в холодное время года. Величины Нср и аН близки к аналогичным данным Атласа [4]. Для рассматриваемого района указанные величины меньше, чем в более южных районах Тихого океана. Это обусловлено меньшей интенсивностью испарения при более низких температурах. Результаты расчета горизонтальных размеров ПВ представлены на рис. 1.
70,0 п
1-100 101-200 201-300 301-400 Градации расстояний, км
401-500
Рис. 1 — Повторяемость ПВ с различными горизонтальными размерами
Таким образом, горизонтальная протяженность ПВ в умеренных широтах Тихого океана составляет от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Наибольшую повторяемость имеют волноводы размерами до 100 км (более половины всех случаев с ПВ). Связь горизонтальных размеров ПВ обратна их повторяемости.
Средний угол наклона верхней границы ПВ составил 1,6°. Эта величина мало изменяется в течение года (по нашим данным, за другие месяцы угол наклона составляет 1-3°).
Для косвенной оценки временной устойчивости и пространственной протяженности ПВ была рассчитана временная автокорреляционная функция высот ПВ ('Дд) по результатам наблюдений через каждые 3 ч (рис. 2).
к а
ег к
к з
Я 8
§ з I « в ■е-
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
о
10
15
20
25
Рис. 2
Временной интервал, ч Временная автокорреляционная функция высоты ПВ. Зима. Охотское море
Экстраполированное (с учетом метода оптимальной экстраполяции) среднее значение высоты ПВ на временной интервал т может быть получено по формуле
н = ДтЯср (2)
где Нср — среднее значение высоты ПВ (в начальный момент); Rx — временная автокорреляционная функция.
Зная Нср, можно найти время, при котором Н превышает 2 м (принятая точность определения высоты ПВ, [7]). Это время соответствует 10 ч. Таким образом время жизни ПВ в умеренных широтах Тихого океана составляет до 10 ч. Если применить для оценки горизонтальных размеров гипотезу замороженной турбулентности и учесть скорость ветра в данном районе в зимний период (7 м/с или 25 км/ч [4]), то горизонтальные размеры ПВ составляют до несколько сотен км (примерно до 250 км). Таким образом прямой и косвенный методы дают схожие оценки.
Характеристика исходных данных, а также некоторые радиометеорологические параметры для открытого океана по данным стационарных кораблей погоды представлена в табл. 2.
Таблица 2
Количество наблюдений, средние за месяц значения N у подстилающей поверхности (Ns) и их стандартные отклонения (oNs).
Февраль
№ корабля Год Число наблюдений Ns
«Р» 1964 54 320,7 7,4 321 7,9
«Р» 1968 50 318,1 2,9
«V* 1964 50 325,6 8,8 330 12,5
«V» 1967 54 327,2 13,6
«N* 1964 49 335,1 6,4 345 12,4
«N» 1967 51 339,5 7,4
Средние значения для корабля *Р* близки к средним многолетним (Д^5ср) [4], с уменьшением широты (КП «V» и «ЛГ») они становятся несколько ниже средних многолетних. Стандартное отклонение в разные годы может изменяться существенно.
Корабли погоды характеризуют в рассматриваемый период три климатические зоны: умеренную («Р»), субтропическую («У») и тропическую («Ы»),
По данным аэрологических наблюдений, отмечены приповерхностные волноводы, возникновение которых обусловлено резким уменьшением влажности до высоты примерно 500 м, и волноводы, расположенные на уровне пассатной инверсии, на верхней границе пограничного слоя. Данные о повторяемости волноводов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Повторяемость приповерхностных и приподнятых волноводов и связь их с инверсией температуры
Корабль Год Общая повторяемость ПАВ,% Из них с инверсиями, % Общая повторяемость ППВ,%
*Р» 1964 15,0 50 9,4
*Р» 1968 12,0 100 6,0
«V» 1964 4,0 0 34,0
*v* 1967 20,4 91 43,0
«N» 1964 86,5 52 8,0
*N» 1967 82,4 93 14,0
Итак, повторяемость приподнятых волноводов наибольшая в тропической зоне (корабль «N») и уменьшается с ростом широты. При этом для тропической и умеренной зон Тихого
океана характерно преобладание приподнятых волноводов, а для субтропической области — приповерхностных.
Для ПАВ существует хорошая связь их повторяемости с температурной инверсией (см. табл. 3). При этом волноводы возникают, как правило, либо во всем слое инверсии, либо на ее нижней границе. Антициклональная инверсия температуры (либо изотермия) служит задерживающим для водяного пара слоем и приводит к резкому понижению влагосодержания воздуха от значений, близких к 100 %, до 30 % и менее. Известно, что в районе нахождения корабля погоды отмечается большая повторяемость антициклонов.
Были рассчитаны коэффициенты корреляции между вертикальным градиентом индекса преломления (вЛГ) и вертикальным градиентом относительной влажности (Ы1), а также между GN и вертикальным градиентом температуры вТ для приподнятых волноводов (табл. 4).
Таблица 4
Коэффициенты корреляции между САГ и <?£/, бАГ и 6Г
Корабль Год ^вили ^СЛ'-бТ
«Р* 1964 0,80 -0,26
«Р» 1968 0,76 -0,09
«V» 1967 0,87 -0,55
1964 0,86 -0,08
«ЛГ» 1967 0,88 -0,48
Таким образом, существует достаточно высокая корреляция между вертикальным градиентом относительной влажности воздуха и вертикальным градиентом индекса преломления. Корреляция с температурой воздуха мала, при этом отмечается связь обратная.
Для КП *Ы* было посчитано уравнение регрессии, дающее зависимость вертикального градиента индекса преломления от вертикального градиента относительной влажности:
= -69,3 + 0,37(3(7. (3)
Для района КП «V* характерна большая теплоотдача за счет турбулентного обмена от нижних, более теплых слоев воды, к верхним, холодным, и в атмосферу, так как в этом районе проходит теплое северотихоокеанское течение [8]. Вода здесь, как правило, теплее воздуха, следовательно, за счет очень высокой влажности непосредственно у испаряющей поверхности с высотой происходит более резкое уменьшение влагосодержания воздуха, что приводит к появлению ППВ. Температурных инверсий при этом не наблюдается.
Были посчитаны средние значения основных характеристик наиболее часто встречающихся волноводов: высоты нижней границы (Н), мощности (АН) и вертикального градиента в волноводе (бАГ) (табл. 5).
Таблица 5
Средние значения высоты нижней границы, мощности и интенсивности волноводов
Корабль Год Н, км АН, км вЛГ, ЛГ-ед. км Примечания
«V» 1964 0,01 0,15 -136 ППВ
«V* 1967 0,01 0,20 -136 ППВ
«ЛГ» 1964 1,57 0,21 -151 ПАВ
1967 1,43 0,22 -194 ПАВ
Что касается приповерхностных и приподнятых волноводов в умеренных широтах, то можно считать их появление в это время года эпизодическим явлением.
Полученные в работе сведения о горизонтальных размерах, времени существования и угле наклона верхней границы ПВ в умеренных широтах Тихого океана, а также более подробные сведения о приподнятых и поверхностных волноводах в трех климатических зонах океана (условия образования, связь с метеорологическими величинами и основные характеристики их) позволят более точно выполнять различные радиотехнические расчеты.
Литература
1. Безуглый И.М. О связи радиорефракции с климатом / И.М. Безуглый // Доклады к 22-му Международному географическому конгрессу. - JI. : [б.и.], 1972. - С. 56-68.
2. Dougherty Н.Т. Anomalous propagation and interference fields / H.T. Dougherty, B.A. Hart / Us Department of Commerce Office of telecommunications. - 1976.
3. Андерсон JI. Прогнозирование волноводных условий распространения радиоволн над океанами по климатическим данным / Л. Андерсон, У. Госсард / Вопросы радиолокационной техники. — 1956. - № 4.
4. Радиоклиматический радиотропосферный атлас Тихого океана / под ред. Г.С. Шары-гина. - Томск : Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2000. - 170 с.
5. Алехина Н.М. Особенности распространения УКВ в тропической зоне Атлантики /
H.М. Алехина, А.А. Глушенкова, В.И. Слуцкий. - Томск : ТГУ, 1985. - Деп. в ВИНИТИ
I.04.85, № 2198.
6. Алехина Н.М. Синоптические условия формирования аномалий рефракции в приэкваториальном районе Атлантики / Н.М. Алехина, А.А. Глушенкова, В.И. Слуцкий / Всесоюзн. совещ. по рефракции электромагнитных волн в атмосфере : тез. докл. - Томск : [б.и.]; 1983.
7. Гаврилов А.С. Оценка точности определения турбулентных потоков по стандартным гидрометеорологическим наблюдениям над морем / А.С. Гаврилов, Ю.С. Петров / Метеорология и климатология. - 1981. - № 4. - С. 52-59.
8. Тихий океан / под ред. О.И. Леонтьева. - М. : Мысль, 1982. - 318 с.
Кижнер Любовь Ильинична
Доцент каф. метеорологии и климатологии Томского государственного университета Телефон: (3822) 42 07 84 Эл. почта: kdm@mail.tsu.ru
L.I. Kizhner
Waveguide UHF propagation conditions over Pacific Ocean in winter season
Formation conditions and basic characteristics of atmospheric waveguides of different origin in winter season are considered based on standard ship weather and aerological observations in different areas of the Pacific Ocean. Data on the waveguides' horizontal dimensions and lifetime are presented.
