Исследования динамических процессов в атмосфере методами акустического и радиоакустического зондирования

• Автор: Рыжов, Николай Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Акустическое зондирование тропосферной турбулентности

1.1. Введение, постановка задачи

1.2. Многолучевой бистатический содар

1.3. Эксперименты выполненные на бистатическом содаре

1.4. Анализ структурной функции турбулентности

1.5. Исследование функции распределения ширины спектра рассеянного сигнала

1.6. Выводы

Глава 2. Геофизический комплекс «Сура-Саунд»

2.1. Введение

2.2. Описание установки
2.3. Радиоакустическое зондирование мезосферы
2.4. Эксперименты по радиоакустическому зондированию атмосферы,
выполненные на комплексе «Сура-Саунд»
2.5. Система регистрации метеопараметров
2.6. Эксперименты по электроакустическому зондированию приземного слоя
2.7. Выводы
Глава 3. Моделирование задачи распространения акустико-гравитационных волн в атмосфере
3.1. Введение, исходные уравнения
3.2. Уравнения для волнового импеданса
3.3. Граничные условия
3.4. Результаты численного счета
3.5. Выводы
Заключение
Литература
Приложение

Введение.
Исследованиям атмосферной турбулентности посвящено большое количество как экспериментальных, так и теоретических работ [22-25]. В настоящее время завершенной теории турбулентности нет, но есть отдельные важные модели, среди которых можно отметить степенной колмогоровский спектр турбулентности для однородной и изотропной турбулентности [22,23,26], однако условия применимости таких моделей и представлений часто узки. Известно, что в крупномасштабных турбулентных процессах большую роль играют автономные перемещающиеся вихри, динамика и взаимодействие которых могут обеспечивать механизмы диссипации энергии, несовместимые с колмогоровской моделью. Такие вихри различных масштабов регулярно наблюдаются в атмосфере, они также вполне удовлетворительно моделируются в вычислительных экспериментах [27-29]. Кроме того, при исследовании турбулентности принципиально важны характерные времена наблюдений в их сравнении с временами развития соответствующих неустойчивых процессов.
Колмогоровское описание турбулентности в настоящее время считается общепризнанным в приложении к «инерционному интервалу» /0 < / < Ь пространственных масштабов /, такую турбулентность принято называть «развитой». Смысл внутреннего масштаба турбулентности /0 обычно считается вполне прозрачным - на нем происходит диссипация кинетической энергии макроскопического движения среды. Смысл внешнего масштаба инерционного интервала турбулентности Ь намного более неопределенный. Верхняя оценка Ь может быть сделана из физического смысла рассматриваемой задачи, например, как внешний размер рассматриваемой задачи. Для земной атмосферы, в частности, ясно, что Ь не может превышать высоты однородной атмосферы (~8 км). Обычно считается, что внешний масштаб турбулентности в приземном слое атмосферы определяется высотой исследуемой области I = кг (к- постоянная Кармана, 2 -высота) [22]. Вместе с тем, такое рассмотрение задает лишь верхнюю границу внешнего масштаба. Вопрос определения внешнего масштаба Ь, таким образом,
относится к области экспериментальной проверки, причем в экспериментах достаточно трудно оценить, насколько общий характер имеют получаемые результаты.
Отдельную сложность представляет вопрос о характере временной эволюции турбулентных неоднородностей, в частности, вопрос о времени развития турбулентности и соотношении этого времени с характерными временами атмосферных процессов, например, такими, как период внутренних гравитационных волн, которые могут быть связаны и с внешним масштабом турбулентности. В таких условиях экспериментальные исследования атмосферных процессов крайне важны как для развития теоретических представлений о турбулентных движениях, так и для решения практических задач метеорологии, предсказания погоды и обеспечения безопасности воздушных судов.
В тропосфере можно выделить несколько слоев, играющих большую роль в процессах переноса энергии [30-33]: слой перемешивания (высота до 0.5 - 1 км), слой условной неустойчивости (где образуются облака), занимающий интервал высот 1 -2 км, и стабильный слой (выше 2 км). В слое перемешивания градиент потенциальной температуры близок к нулю. В этом слое наблюдается высокий уровень турбулентности. Несколько другая ситуация имеет место в слое условной неустойчивости, где потенциальная температура слабо растет с высотой, и основную роль играют процессы конвекции и внутренние гравитационные волны (ВГВ). Здесь во время летних антициклонов частота Бранта-Вяйселя близка к 0, и процессы конвекции, генерации и распространения ВГВ тесно взаимосвязаны. В соответствии с вышеотмеченным становится понятной проблема измерения профилей температуры в атмосфере, поскольку частота Бранта-Вяйселя непосредственно
зависит от профиля температуры (/У2= —— = — -S-SL—1). при этом
в dz Т dz ЯТ у
желательно иметь возможность получать профиль температуры во всем возможном диапазоне высот вплоть до стратосферы. В стабильной области потенциальная температура резко падает с высотой, и основные механизмы переноса энергии могут быть связаны с распространением ВГВ, которые генерируются в более низких слоях. Такая модель обычно используется при численном моделировании тропосферных

В то же время, Д Ь(/) характеризует разброс скоростей неоднородностей, являющихся рассеивающими центрами в объеме рассеяния, и определяет уширение частотного спектра рассеянного сигнала.
При скорости звука 340 м/с длина цуга зондирующего импульса продолжительностью 2 с существенно превышает размер объема рассеяния (-50м), следовательно время приема полезного сигнала будет порядка длительности зондирующего импульса (2 с). Период повторения импульсов в 8 с позволяет говорить о независимых реализациях случайного процесса для каждого отдельного импульса, поскольку это время превышает отношение размера рассеиваемой области к характерной скорости турбулентных движений в области рассеяния. Реализации могут представлять собой как исходные экспериментальные данные о поле рассеянного сигнала, так и результаты его обработки (спектр, интенсивность и т.д.). Последовательность реализаций (отдельной реализацией является каждая посылка акустического импульса) можно рассматривать как временную эволюцию указанных параметров с дискретом 8 секунд. В качестве примера эволюции спектра на рис. 1.8 приведена последовательность спектров рассеянного сигнала с разрешением 0.5 Гц для серии 30 последовательных реализаций. Форма спектра каждой реализации -одна строка на рис. 1.8, а последовательность спектров (строк) характеризует динамику движений в объеме рассеяния. Данные относятся к сеансу наблюдений 10 июля 2001 13:15 — 14:15 ЬТ.
Исследуем временную эволюцию статистических характеристик крупномасштабных неоднородностей, на базе рассмотренного выше сеанса наблюдений 10 июля 2001 13:15 - 14:15 ЬТ (рис. 1.9). На рис.ЫО приведена
структурная функция П(г) = ({(/) - (I + г))2 в большом интервале изменений
параметра г [1,19]. Для получения структурной функции использовался массив данных длиной 250 точек, где каждая точка соответствует доплеровской частоте для данного импульса. Для получения очередной точки зависимости П(т) длина массива, использованного для усреднения, составляла величину Г-г, т.е. уменьшалась с ростом г . Из рисунка видно, что за исключением начального участка структурная функция близка к квазсинусоидальной с периодом 7.5 минут и