Пассивная радиолокация термической структуры атмосферного пограничного слоя

• Автор: Кадыгров, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 05.12.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 287 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Особенности измерения термического режима атмосферного пограничного
слоя (АПС) методом и с применением микроволновой радиометрии
1.2 Анализ требований к радиометрической аппаратуре и методике измерений,
обеспечивающих измерение профилей температуры АПС с необходимыми точностными характеристиками
1.3 Расчет коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых
волнах, сравнение расчетных и экспериментальных данных
1.4 Оценка потенциальных возможностей метода измерений профилей температуры АПС на базе использования сканирующего по углу места микроволнового радиометра с частотой в центре полосы поглощения молекулярного кислорода
60 ГГц
1.5 Оценка влияния облаков и осадков, влияния парообразной влаги
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АПС
2.1 Структурная схема измерительного комплекса, требования к его основным
составляющим
2.2 Разработка методики автоматизированных измерений и методов калибровок
2.3 Весовые функции и оптимизация метода восстановления профилей
температуры АПС по измеренным радиояркостным температурам
2.4 Этапы разработки принципиальных схем основных узлов измерительного
комплекса
2.5 Макетирование, лабораторные и натурные испытания экспериментального
и опытных образцов микроволнового ирофилемера
2.6 Различные модификации температурных микроволновых профилемеров
и анализ их потенциальных возможностей
ГЛАВА 3 КОМПЛЕКСНЫЕ СРАВНЕНИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АПС С ДРУГИМИ СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1 Сравнительный анализ измерительных средств, участвующих в комплексных сравнениях
3.2 Анализ результатов комплексных сравнений (радиометрическая система, радиозонды, контактные датчики, установленные на высотных метеорологических вышках, привязных аэростатах, радио-акустическая
система зондирования ИА88, лидары)
3.3 Сертификация разработанной измерительной аппаратуры
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
СТРАТР1ФИКАЦИИ АПС С ПОМОЩЬЮ МИКРОВОЛНОВЫХ ПРОФИЛЕМЕРОВ
4.1 Исследование вертикальной структуры городского АПС и «острова тепла»
над крупными городами
4.2 Исследования термического режима АПС во время лесных пожаров
под Москвой и во время прохождения урагана
4.3 Исследование термического режима АПС над Антарктическим плато
4.4 Исследование особенностей термического режима АПС во время полных солнечных затмений; в условиях сложной орографии горной местности;
в аридном районе в жаркий период времени; над водными поверхностями
ГЛАВА 5 ОПЕРАТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ПРОФИЛЕМЕРОВ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ СВЕРХКРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯВЛЕНИЙ
5.1 Визуализация данных, полученных микроволновыми профилемерами
5.2 Идентификация термического состояния АПС и его динамики
5.3 Анализ состояния атмосферного пограничного слоя
5.4 Диагностика признаков изменения погодных условий и предикторов с целью уточнения сверхкраткосрочного прогноза метеорологических элементов и
явлений
ГЛАВА 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ВЫСОТЫ
ЗОНДИРОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АПС
6.1 Результаты разработки экспериментального комплекса с повышенной высотой зондирования
6.2 Концепция применения наземных радиометрических комплексов для мониторинга термической стратификации АПС на базе проведенных исследований
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Сертификат Госстандарта России
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Сертификат Федерального агентства по метрологии и
стандартизации
ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельство Росгидромета
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Диплом Росгидромета за разработку микроволнового
дистанционного метода измерения профилей температуры и ветра
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Сертификат СЕ на соответствие европейским требованиям к
радиоэлектронным приборам

1.3 Расчет коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых волнах, сравнение расчетных и экспериментальных данных
Точность восстановления высотного профиля температуры атмосферы, как было показано выше, существенно зависит от погрешности задания ядра интегрального уравнения Фредгольма первого рода, к решению которого сводится эта задача [1,39]. Ошибки задания ядра при дистанционном зондировании атмосферы в диапазоне частот 50-70 ГГц во многом определяются погрешностью расчетов коэффициента поглощения радиоволн в молекулярном кислороде. Поглощение СВЧ излучения молекулярным кислородом связано с магнитным моментом молекулы 0216. Система линий поглощения связана с квантовыми переходами, соответствующими тонкой структуре спектра молекулы. При переходах, соответствующих поглощению и излучению в СВЧ диапазоне, меняется проекция магнитного момента молекулы на направление её вращательного момента [51-55]. Такой механизм переходов приводит к группе близко расположенных линий, центрированных около А. = 5 мм, один из этих переходов даёт изолированную линию 2.5 мм. На уровне моря отдельные линии полосы поглощения 5 мм не разрешаются (уширение давлением). Они начинают разрешаться на высоте порядка 20 км. Процентное содержание кислорода в атмосфере практически постоянно вплоть до высот 85-90 км. Существуют различные модели расчета коэффициента поглощения: Ван Флека -Вейскопфа, Жевакина - Наумова, Либе, Розенкранца, Лама [51,52,162-164,194] и др. Результаты расчетов по трем первым моделям сопоставляются в работах [163,164]. Проведем сравнение по двум более современным моделям: Лама и Розенкранца, достаточно широко используемым при спутниковом СВЧ зондировании температуры атмосферы..
В модели Розенкранца рассматривается приближение первого порядка, в котором учитываются связи только между соседними вращательными состояниями, что соответствуют случаю, когда состояния молекул кислорода слабо связаны в большинстве столкновений. Математически это выражается в том, что в матрице взаимодействия не равны нулю только диагональные и околодиагональные элементы [179]. В модели Лама учитываются все элементы матрицы взаимодействия при использовании теории перекрывающихся спектральных линий [162]. На рисунке 1.8 показаны результаты расчетов значений коэффициента поглощения микроволнового излучения молекулами кислорода на уровне моря Н = 0 км (давление Р=760 мм.рт.ст., температура Т=300 К - здесь и далее имеется в виду стандартная атмосфера США 1962 г., используемая в работе Лама, Розенкранца и Ван Флека - Вейскопфа). В последней модели, соответствующей случаю отсутствия интерференции линий, в матрице не равны нулю только диагональные элементы. В [179] отмечается, что учет взаимодействия между перекрывающимися линиями приводит к сужению полосы: поглощение на крыльях