close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...популяций пресноводных моллюсков в пределах украины;pdf

код для вставкиСкачать
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛУКТУАЦИЙ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ, ВКЛЮЧАЯ ГРОЗОВЫЕ, НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 8 мм
В.В. Клименко, Л.В. Лубяко
Институт прикладной физики РАН,
Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46,
E-mail: [email protected]
Выполнены измерения яркостной температуры конвективных и грозовых облаков. Получено, что
спектральная плотность флуктуаций яркостной температуры грозовых облаков аномально увеличивается в
полосе f~0.01 Гц по сравнению с обычной облачностью.
THE CHARACTERISTICS OF BRIGHTNESS TEMPERATURE FLUCTUATIONS
OF CONVECTIV AND THUNDERSTORM CLOUDS AT THE 8 MM WAVE LENGTH
V.V. Klimenko, L.V. Lubyako
We have measured the brightness temperature of convective and thunderstorm clouds and found that the
spectral density of the brightness temperature fluctuations of thunderstorm clouds in the band f~0.01 Hz is abnormally high compared to usual clouds.
Введение
Собственное тепловое микроволновое излучение атмосферы обусловлено линиями поглощения водяного пара и кислорода, а также, при наличии дымки или облачности, тепловым излучением водяных капель. В случае обычных облаков конденсированную фазу можно рассматривать
как пассивную примесь в турбулентном движении воздуха и, как следствие, флуктуации яркостной температуры (Тя) таких облаков могут быть описаны с помощью колмогоровской модели турбулентности [1]. Однако, легко можно убедиться, что в электрически активных грозовых облаках
при наличии электрических полей Е~105106 В/м и зарядах на каплях ~10–1110–10 Кл [2] действующие на капли электрические силы становятся соизмеримыми с гравитационными и гидродинамическими. На данный момент экспериментальных свидетельств о степени влияния электрических сил на движение капель в грозовых облаках нет.
Целями настоящей работы являются исследования статистических характеристик флуктуаций
Тя облачной атмосферы и поиск признаков действия кулоновских сил в формировании неоднородностей конденсированной фазы в грозовых облаках. С прикладной точки зрения это может быть
важно для определения момента начала электризации облака и перехода его в грозовую стадию.
Измерения Тя производились с помощью 8 мм радиометра. Одновременно измерялось электрическое поле (Е) у земной поверхности, по возмущениям которого идентифицировались электрически активные и грозовые облака. Дополнительно при анализе использовались данные метеорадара
(МРЛС) и аэрологического зондирования, предоставленные УГМС по Нижегородской области.
Аппаратура
Измерения электрического поля производились с помощью серийного электростатического
флюксметра Boltek-EFM-100 (типа “field mill”) с шкалой 80 кВ/м, установленном на здании института ИПФ РАН (высота ~35 м).
Радиометр для измерений Тя разработан и изготовлен в ИПФ РАН по схеме модуляционного радиометра прямого усиления. Использование малошумящих усилителей высокой частоты позволило
создать достаточно компактный, высокочувствительный приемник, отвечающий требованиям задачи.
Рис. 1. Блок-схема 8 мм радиометра.
202
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
Прибор выполнен в виде двух блоков: СВЧ модуля (см. рис. 1) и традиционного для радиометра «гетеродинного фильтра». СВЧ-модуль включает в себя: антенну, p-i-n модулятор, два каскада усиления на частоте 34 ГГц (УВЧ 1 и УВЧ 2), развязанных ферритовым вентилем, квадратичный детектор и УПТ. Принимаемый сигнал модулируется с частотой 1 кГц, усиливается и детектируется. Далее НЧ-сигнал поступает на «гетеродинный фильтр», включающий в себя НЧ-усилитель, синхронный детектор с интегрирующей RC - цепочкой и согласующий УПТ. Сигнал с выхода ГФ поступает на АЦП, оцифровывается и записывается в память компьютера.
В СВЧ-модуле использовались 2 усилителя ВЧ, выполненные на базе микросхемы AMMC-6241
фирмы Avago. Конструктивно они оформлены в виде волноводных вставок (7.2×3.4 мм2) и при полосе
(33.25–34.75) ГГц, обеспечивают усиление 19-20 дБ. Измеренная у нескольких образцов шумовая температура не более Тш=600 К. Питание 5 В, 68 мА. Вентиль ФЦВ1-33А необходим для устойчивой работы двух последовательно включенных усилителей. Полное усиление в СВЧ тракте 38 дБ. Этого не
достаточно, чтобы снять проблему детектора и пришлось использовать старые точечноконтактные
кремниевые диоды Д404 (давно снятые с производства), имеющие наиболее высокую вольт-ватную
чувствительность. Эти диоды в сочетании с малошумящим усилителем низкой частоты на микросхеме
OP 27 (или OP37) дают незначительный вклад в общую температуру шума приемника.
При f=1.5 ГГц и  RC =1 с. чувствительность радиометра T мин 2T ш (f RC ) –1/2 . не хуже
0.05 К. Прибор снабжен параболической антенной диаметром 600 мм и смонтирован на азимутально-вертикальном поворотном устройстве. Ширина диаграммы направленности (ДН) Δ≈1°.
Калибровка радиометра проводилась по тепловому излучению атмосферы в предположении ее
плоскослоистой однородности и излучению «черного тела», находящегося при температуре окружающей среды То. Измерения Тя проводились при углах места: 30°; 19°30`; 14°30` и 11°32`, соответствующих 2, 3, 4 и 5 толщам атмосферы. Далее путем экстраполяции определялось положение
абсолютного нуля u0=u(T=0), а вторая точка – u(Т0). Яркостная температура, соответствующая
принимаему излучению, находится как:
Tя 
u0  u
T0
u0  uT 0
Радиометр располагался в проеме окна на верхнем этаже здания и был направлен под углом
30° к северному горизонту.
Измерения
Серии измерений Тя и Е были выполнены в течение 14 дней июля-августа 2013 г. в дневное
время. Продолжительность одной серии непрерывной регистрации составляла 7–8 ч. Из 14 дней
было 9 дней с ясной и малооблачной погодой и 5 дней с мощной конвективной облачностью и сопутствующими сильными возмущениями электрического поля. В 2-х случаях грозовые облака сопровождались интенсивными осадками, что затрудняло анализ измерений Тя, и эти серии на данном этапе не анализировались. Частота оцифровки данных 100 Гц, но так как постоянная времени
радиометра равнялась 1 с, то все данные усреднялись на интервале 1 с и массивы состояли из секундных значений длиной 7–8 ч.
Примеры одновременной регистрации яркостной температуры облаков и вызванных ими
возмущений электрического поля приведены на рис. 2. Импульсный шум на графике Е (рис. 2, а)
обусловлен большим количеством электрических разрядов (молний), которые скачком изменяют
поле из-за нейтрализации электрических зарядов в облаке.
Рис. 2. Примеры вариаций яркостной температуры облачности и электрического поля у земной поверхности, обусловленного электрическими зарядами облаков 16.07.2014 г. (а) и 15.08.2014 г. (б).
203
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
Анализ
Процедура анализа данных основывалась на вычислениях спектральной плотности и временной структурной функции флуктуаций Тя, которые связаны известным интегральным преобразованием [3], и сравнением этих характеристик для обычных и грозовых облаков. Спектральные плотности вычислялись для выборки длиной 215 с (~9 ч), которая несколько превышала продолжительность
серий измерений. Недостающие значения, как это обычно делается, дополнялись нулями.
Рис. 3. Спектры флуктуаций яркостной температуры в периоды хорошей погоды и обычной облачности (а) и усредненный нормированный спектр флуктуаций для обычной облачности (б); пунктир – аппроксимации, основанные на колмогоровской модели турбулентности при: 1 – k0V0.575 с–1 и 2 – k0V4.210–3 с–1
(см. текст).
На рис. 3, а приведены спектральные плотности флуктуаций Тя для 8 дней с хорошей погодой и обычной облачностью. Нижняя кривая, выделенная толстой линией, соответствует эталонному ясному дню 11.08.2013 г. Из рисунка видно, что спектр флуктуаций Тя состоит из 2-х компонент: высокочастотной части (f>0.01 Гц), очевидно обусловленной турбулентностью содержащего
пары воды воздуха в приземных слоях атмосферы и низкочастотной части (f<0.01 Гц), связанной с
турбулентностью конденсированной фазы в слоях атмосферы, расположенных выше уровня конденсации (~1 км). Именно эта НЧ часть спектра подвержена наиболее существенным изменениям
в зависимости от характера погоды.
Усредненная по 8-ми сериям кривая приведена на рис. 3, б. Основываясь на колмогоровской
модели турбулентности и полагая, что спектр турбулентных флуктуаций плотности описывается
законом ~(k02V2+ω2)–11/3 [3], где k0 – волновое число, соответствующее внешнему масштабу турбулентности, V – поперечная к ДН скорость сноса, можно в пренебрежении шириной ДН радиометра
получить для спектральной плотности флуктуаций Тя зависимость от частоты в виде

GT (ω) ~ k02V 2  ω2

4 / 3
,
т. е. в так называемом инерционном интервале при >>k0V имеем GT()~–8/3. На pис. 3, б пунктиром показана аппроксимация в рамках этой модели НЧ и ВЧ частей экспериментальной спектральной плотности при (k0V)НЧ4.210–3 с–1 и (k0V)ВЧ  0.575 с–1, соответственно. Сумма вычисленных таким образом НЧ и ВЧ частей спектра с соответствующими нормировочными коэффициентами практически точно совпадает с экспериментальной кривой (на pис. 3, б не показано).
На рис. 4, а вместе с спектрами флуктуаций Тя обычной облачности показаны спектральные
плотности флуктуаций Тя для 2-х электрически активных облаков. Из сравнения приведенных
графиков видно, что для электрически активных и грозовых облаков спектр флуктуаций Тя несколько уширяется в сторону высоких частот. Отношение спектральных плотностей флуктуаций
Тя для грозовых и обычных облаков, приведенное на рис. 4, б, ясно показывает аномальное усиление флуктуаций в области периодов ~2 мин. При скорости ветрового сноса на высотах ~1 км (данные аэрологического зондирования) V5 м/с это соответствует пространственным масштабам неоднородностей ~0.6 км.
204
РРВ-24
Дистанционное зондирование атмосферы и земных покровов, радиометеорология
____________________________________________________________________________________________
Рис. 4. Спектры флуктуаций яркостной температуры облачности различного типа (а): 1 – спектр эталонного ясного дня 11.08.2014 г., 2 – усредненный спектр обычной облачности (см. рис. 3, б), 3–4 – спектры
электрически активной облачности 17.07.2014 г. и 15.08.2014 г., а также фактор усиления спектральной
плотности флуктуаций яркостной температуры электрически активных облаков по отношению к обычной
облачности (б).
Основные выводы
1. Спектральная плотность флуктуаций Тя в периоды хорошей погоды состоит из ВЧ компоненты, обусловленной турбулентностью воздушной массы в приземном слое атмосферы и НЧ
компоненты, связанной с турбулентными движениями в капельных облаках на высотах ~1 км. Частотная зависимость обеих компонент согласуется с колмогоровским спектром турбулентности.
2. По сравнению с обычной облачностью в спектральной плотности флуктуаций Тя грозовых
облаков выделяется ограниченная полоса около f~0.01 Гц с более высоким уровнем флуктуаций.
Работа выполнена при поддержке Программы Президиума РАН №4, гранта РФФИ № 13-0512103 и гранта Правительства РФ (договор № 14.В25.31.0023).
ЛИТЕРАТУРА
1. Kutuza B.G. Spatial and temporal fluctuations of atmospheric microwave emission.//Radio Science. 2003. V. 38, N 3. Р. 8047. doi:10.1029/2002RS002650.
2. Облака и облачная атмосфера / Справочник. Под ред. И.П. Мазина и А.Х. Хргиана. Л.:
Гидрометеоиздат, 1989. 648 с.
3. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 2.
Случайные поля. М.: Наука, 1978. 464 с.
205
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа