Методология радиозондирования атмосферы и достоверность измерений вертикальных профилей температуры и влажности до высот 35-40 км

• Автор: Фридзон, Марк Борисович
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 323 с. : ил.

Глава I Общие сведения о радиотехнических методах определения стратификации
атмосферы Земли
1.1.Радиозоидовые методы зондирования атмосферы
Температура и влажность атмосферы и их пространственно-временная изменчивость
1.2.СВЧ-рефрактометрические и радиозондовые методы определения показателя преломления воздуха
1.3.Дистанционные радиотехнические методы влажностного и температурного зондирования атмосферы
Глава II Основные принципы построения радиотелеметрической информационноизмерительной системы радиозондирования атмосферы
2.1. Специфика измерений и требования к точности радиозондирования атмосферы
2.2. Постановка задачи исследования достоверности измерений с помощью системы радиозондирования атмосферы
2.3. Первичные измерительные преобразователи (датчики) температуры и влажности современных радиозондов
Глава III «Рассредоточенная» радиотелеметрическая система для измерения профилей температуры и относительной влажности свободной атмосферы на расстояниях до 300 км
3.1. Общие положения
3.2. Теория тепло-массообмена первичных преобразователей радиозонда со средой
3.3. Физическая модель перехода от выходного сигнала радиотелеметрической системы зондирования к действительным параметрам среды
Глава IV Достоверность радиозондовых методов измерения профилей температуры и
влажности в свободной атмосфере до высот 35-40 км
Часть 1. Точность температурного радиозондирования атмосферы
4.1. Исследование метрологических характеристик первичных преобразователей температуры радиозонда
4.2. Влияние радиационных факторов на погрешности температурного канала системы радиозондирования атмосферы
4.3. Влияние смачивания датчика на выходной сигнал канала измерения температуры радиозонда
4.4. Динамические характеристики и динамические погрешности измерений температуры радиозондом
Часть 2. Исследование статических и динамических параметров канала измерения
влажности системы радиозондирования
4.5. Статическая характеристика преобразования и пределы ее нахождения
4.6. Основная погрешность
4.7. Вариация выходного сигнала первичного преобразователя влажности
4.8. Влияние тскЙТкратуры на выходной сигнал канала измерения влажности радиозонда
4.9. Погрешность за счет неравенства температур датчика и среды, влияние смачивания
4.10. Исследование динамических параметров и динамических погрешностей канала влажности радиозонда

Глава V Применение импульсно-когерентной радиолокации для исследования движения эластичной оболочки во время полета в атмосфере
5.1. Исследование теплового следа оболочки
5.2. Влияние особенностей полета радиозонда на переход от его показаний к действительным параметрам среды
Глава VI Комплексные экспериментальные исследования достоверности измерений вертикальных профилей температуры и влажности при радиозондировании атмосферы
6.1. Точность измерений температуры системой радиозондирования атмосферы (систематические и случайные погрешности)
6.2. Точность измерений влажности системой радиозондирования атмосферы (систематические и случайные погрешности)
6.3. Натурные экспериментальные исследования системы телеизмерений температуры и влажности с помощью свободных аэростатов (СА)
6.4. Результаты экспериментов на СА и приложение полученных данных к решению задач дистанционного зондирования, распространения радиоволн, радионавигации и связи
Глава VII Разработка, исследование и метрологическая аттестация средств измерения и контроля параметров первичных преобразователей температуры и влажности радиозондов
Часть 1. Разработка образцовых средств для исследования статических и динамических характеристик первичных преобразователей радиозондов в лабораторных условиях
7.1. Образцовые средства для исследования и контроля статических характеристик первичных измерительных преобразователей радиозондов
7.2. Комбинированный метод воспроизведения единицы относительной влажности и его теоретическое обоснование
7.3. Генератор парогазовых смесей «Облако» и его государственная аттестация
7.4. Камера «Солнце» для исследования динамических и радиационных погрешностей радиозондов
7.5. Универсальный генератор влажного воздуха (УГВВ) «Диполь» для исследования ■динамических характеристик преобразователей влажности радиозондов и его государственная аттестация
7.6. Установка «Каскад» для определения и контроля динамических характеристик первичных преобразователей радиозондов в нормальных условиях
Часть 2. Разработка образцовых средств для проверки суммарных погрешностей радиотелеметрических измерений температуры и влажности в натурных условиях
7.7 Конденсационный гигрометр (КГ) «Торос» - образцовое малоинерционное радиотехническое средство для измерения влажности в широком диапазоне температур
7.8 Исследование точностных и динамических характеристик КГ «Торос»
7.9. Государственная метрологическая аттестация образцового конденсационного гигрометра «Торос»
7.10. Тонкопроволочный малоинерционный платиновый радиотермометр (ПТС - 5 мкм)
Заключение
Рекомендации
Литература
Приложения

171 175

275 280

Общая характеристика работы
Объект исследования.
Современная радиолокационно-телеметрическая автоматизированная измерительная система радиозондирования атмосферы, повышение её информационных возможностей за счет определения действительной точности измерений в свободной атмосфере, выделения и нормирования ее метрологических характеристик (МХ), создания комплекса методик и аппаратуры для их исследования, испытаний и поддержки на заданном уровне.
Актуальность проблемы.
Данные о температурно-влажностной стратификации атмосферы необходимы для многих отраслей народного хозяйства и обороны страны. С развитием науки и техники требования к точности и дискретности данных о вертикальном распределении температуры и влажности в атмосфере резко возрастают. Расширяется интерес к тонкой структуре поля метеоэлементов и их пространственно - временной изменчивости. Решение этих задач требует создания более совершенной техники и методов измерений, повышения их оперативности и точности.
В настоящее время наряду с развитием традиционных радиозондовых методов, ведутся активные исследования в области дистанционных радиофизических и оптических методов определения тех же параметров атмосферы при помощи средств активной и пассивной локации в микроволновом и оптическом диапазоне длин волн. Предполагается, что измерения можно проводить как с поверхности Земли, так и с геостационарных и низкоорбитальных искусственных метеорологических спутников.
Дистанционные системы зондирования позволяют устранить ряд принципиальных недостатков, присущих радиозондовым системам: получать практически непрерывные данные о температуре, влажности, давлении воздуха, параметрах ветра и их пространственном распределении, сократив сроки получения вертикального разреза атмосферы, которые в настоящее время для
многих потребителей недопустимо велики.

Предполагается [189, 190], что коэффициенты ах и Ах целиком определяются поглощением в полосе кислорода, а Ьх и Вх - поглощением (излучением) водяного пара.
Причем полагают их некоторыми постоянными коэффициентами, не зависящими от других параметров атмосферы - температуры и давления. Вместе с тем в [208] показано, что коэффициент ах в диапазоне температуры +20°С...-40°С может изменяться при фиксированном давлении почти на 80%.
Отметим, что современная СВЧ радиометрическая аппаратура имеет полосу частот (по прямому и зеркальному каналу), превышающую 3 гГц, т.е. сравнима с самой шириной линии поглощения водяного пара, центрированной на частоте V = 22,235 гГц (X = 1,35 см). Ранее используемые микроволновые приемники имели полосу Ду редко превышающую по обоим каналам 0,1 гГц (полоса Ду много меньше ширины линии поглощения Дур) и поэтому полученные разными авторами значения коэффициентов ах, Ьх могут существенно, почти на 30%, отличаться друг от друга. Кроме того в опубликованных работах указываются лишь диапазоны и редко приводятся точные значения частот, на которых работает аппаратура, поэтому даже для длины волны X = 0,8 см, приходящейся на окно прозрачности атмосферы, неопределенность в X может составлять около 10% и также приводить к значительному расхождению результатов, полученных разными авторами.
Соотношение связывающее ТяХ и тх обычно представляется в виде
ТЯМ = Тэф1 [1 - е-М+ Тфе-^ (1.32)
где Тэфх - эффективное значение температуры атмосферы, Тф - определяется уровнем космического излучения, а тх(в) - общее поглощение на длине волны X и угле визирования 0.
При 0=41/2 в широком диапазоне значений Я связь между измеряемой радиометром величиной Т„х и т;. можно записать в виде