На правах рукописи
УДК 551.051
Караваев Дмитрий Михайлович
СВЧ-радиометрические исследования влагозапаса атмосферы
и водозапаса облаков
25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2010
Работа выполнена в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Георгий Георгиевич Щукин
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Анатолий Дмитриевич Кузнецов, доктор технических наук Андрей Александрович Синькевич
Ведущая организация: Военнo-космическая академия им. А.Ф. Можайского
Защита состоится “10” ноября 2010г. в 10 час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 327.005.01 при государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им.
А.И.Воейкова» по адресу: 194021, С-Петербург, ул. Карбышева, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государствненного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова»
Автореферат разослан “_“ 2010г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, доктор географических наук А.В. Мещерская
1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы и состояние вопроса. Радиофизические методы дистанционного зондирования занимают важное место при исследовании атмосферных процессов для решения различных задач метеорологии, физики облаков, астрономии. Методы пассивного зондирования атмосферы в СВЧдиапазоне позволяют получать информацию о температуре, влажности атмосферы, водности облаков и осадках, что важно для решения таких проблем как взаимодействие атмосферы и океана, общая циркуляция атмосферы и изменение климата, моделирование процессов облакообразования и осадкообразования, распространение микрорадиоволн в атмосфере. СВЧрадиометрический метод, основанный на регистрации собственного радиотеплового излучения является одним из немногих эффективных методов определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков с поверхности Земли. Такие преимущества метода как дистанционность, оперативность, непрерывность, высокое пространственное разрешение, “всепогодность” особенно важны для инфомационного обеспечения наукастинга и сверхкраткосрочного прогноза опасных явлений, контроля результатов активных воздействий, проведения подспутниковых экспериментов.
За последние более чем сорок лет решены фундаментальные вопросы переноса излучения в атмосфере, разработаны основы методов решения обратных задач, созданы высокочувствительные СВЧ-радиометры.
Значительный вклад в развитие метода СВЧ-радиометрии атмосферы внесли К.С.Шифрин, А.Е.Башаринов, А.Г.Горелик, Б.Г.Кутуза, А.П.Наумов, Г.Г.Щукин, Ed.R.Westwater. Выполненные исследования показывают принципиальные возможности СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков.
Перспективы развития и использования СВЧ-радиометрических методов дистанционного зондирования атмосферы были сформулированы, в частности, в результате международного эксперимента BALTEX (2001-2002гг.). Важными вопросами, связанными с использованием данных дистанционного зондирования атмосферы и облаков остаются разработка экономичных оптимальных технических решений, методик СВЧ-радиометрических измерений, совершенствование алгоритмов обработки и интерпретация результатов дистанционного зондирования атмосферы. Актуальность исследований в области СВЧ-радиометрии связана с потребностью создания перспективной системы влажностного зондирования атмосферы и назревшей необходимостью оснащения метеорологической сети новыми средствами дистанционного зондирования атмосферы.
Среди важных направлений экспериментальных исследований особое место занимают комплексные исследования атмосферы с целью получения новых данных об изменчивости параметров атмосферы в период развития опасных явлений, мощных конвективных (в том числе грозовых облаков). Для решения таких задач применение средств пассивного и активного зондирования атмосферы с элементами поляризационного анализа актуально для изучения особенностей пространственно- временной изменчивости характеристик влагосодержания атмосферы, облаков и осадков, фазового состава облаков, содержания переохлажденной влаги в мощных конвективных облаках.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы являлось развитие СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, создание автоматизированного комплекса аппаратуры, совершенствование методики измерения характеристик радиотеплового излучения, проведение экспериментов, направленных на исследование параметров атмосферы и процессов, происходящих в тропосфере. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
• теоретические исследования переноса микроволнового излучения в облачной атмосфере для случая зондирования с поверхности Земли, разработка СВЧрадиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и анализ погрешностей определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков;
• систематизация принципов построения наземной автоматизированной СВЧрадиометрической аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, определение требований к характеристикам аппаратурного комплекса, создание автоматизированного СВЧ-радиометрического комплекса и исследование его характеристик, разработка алгоритмов обработки данных СВЧ-радиометрического зондирования атмосферы;
• экспериментальные исследования, направленные на изучение временной (пространственной) изменчивости характеристик нисходящего радиотеплового микроволнового излучения облачной атмосферы, влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в различных регионах при различных метеоусловиях;
Научная новизна работы состоит в совершенствовании СВЧрадиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. В этих целях выполнено следующее:
• обоснована и реализована структурная схема автоматизированного СВЧрадиометрического комплекса аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков;
• оптимизирована методика измерения характеристик радиотеплового излучения атмосферы в СВЧ-диапазоне, обеспечивающая минимальные погрешности определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков;
• проведен анализ реальной погрешности определения влагозапаса облачной атмосферы по результатам измерений характеристик радиотеплового излучения атмосферы на длинах волн около 13,5 мм и 8 мм при различных метеоусловиях;
• впервые выполнен анализ пространственно-временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в различных регионах, при различных синоптических ситуациях;
• впервые получены и проанализированы новые экспериментальные данные комплексного пассивно-активного радиолокационного зондирования атмосферы в период развития мощных конвективных (грозовых) облаков, и разработаны предложения по использованию СВЧрадиометрической информации в задаче сверхкраткосрочного прогноза опасных гидрометеорологических явлений.
Научная и практическая ценность работы. Наиболее важными представляются следующие результаты исследований:
• обоснована структурная схема автоматизированной аппаратуры, и методика СВЧ-радиометрических измерений, обеспечивающие определение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков с поверхности Земли;
• оценена реальная погрешность определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков СВЧ-радиометрическим методом при различных метеоусловиях;
• экспериментальные данные о временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в различных регионах (над океаном и над сушей) в различные сезоны, при различных метеоусловиях;
Предложенные методики и средства определения параметров атмосферы применялись при проведении комплексных экспериментов по изучению параметров облачной атмосферы для решения проблем энергетики взаимодействия атмосферы и океана, контроля результатов активных воздействий, определения условий распространения радиоволн в тропосфере Земли. Результаты работы использовались в отчетах по ряду научноисследовательских тем, выполненных по программе “Разрезы”, связанных с активными воздействиями на облака, по межотраслевой научно-технической программе России “Физика микроволн”, по международному проекту BALTEX.
Разработанные в работе рекомендации направлены на построение перспективной системы влажностного зондирования на основе применения средств и метода сетевого СВЧ-радиометрического зондирования атмосферы для решения задач наукастинга и сверхкраткосрочного прогноза опасных гидрометеорологических явлений, связанных с развитием облаков и осадков.
Результаты исследований, полученные в диссертации, могут использоваться при разработке наземной автоматизированной СВЧ-радиометрической аппаратуры температурно-влажностного зондирования атмосферы для обеспечения геофизического мониторинга атмосферы и решения других задач метеорологии.
Апробация работы и публикации. Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:
1. IV Всесоюзная конференция по исследованию роли энергоактивных зон океана в короткопериодных колебаниях климата (Одесса, октябрь 1990г);
2. II научная конференция “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды” (Муром, июль 1992г.);
3. Международная конференция по применению дистанционных методов (Денвер, США, январь1992г);
4. XVIII Всеросийская конференция по распространению радиоволн (СПетербург, сентябрь 1996г);
5. XIV Всероссийский симпозиум “Радиолокационные исследования природных сред” (С-Петербург, 1996г);
6. Всероcсийская конференция по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, октябрь 1997г.);
7. III международная выставка и симпозиум по дистанционным средствам измерения (Копенгаген, Дания, июль 1997г);
8. Региональные III, IV, VIII, IX, X конференции по распространению радиоволн (С-Петербург, 1997, 1998, 2002, 2003, 2004гг.);
9. XXIII Генеральная ассамблея Европейского геофизического общества (Ницца, Франция, апрель 1998г);
10. V Международный симпозиум “Оптика атмосферы и океана” (Томск, июнь 1998г.);
11. III научная конференция “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды” (Муром, июнь 1999г.);
12. II Всероссийский семинар по физике микроволн (Н.Новгород, март 1999г.);
13. Всероссийская конференция по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, октябрь 2005г.);
14. Конференция ВМО по метеорологическим приборам и методам наблюдений TEКO-2008 (С-Петербург, ноябрь 2008);
15. XXII Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Ростовна Дону, апрель 2008г.);
16. IV Всероссийская научная школа и конференция “Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред” (Муром, июль 2009г.);
17. Всероссийские научные конференции-чтения памяти Н.А.Арманда (Муром, июль 2010г.);
По результатам выполненных исследований опубликовано 32 работы.
Личный вклад автора заключался в постановке задач исследований, в формулировке требований к аппаратурному комплексу, участии в его создании, в разработке методик наблюдения, в проведении экспериментальных исследований атмосферы с помощью автоматизированных СВЧ-радиометров, в обработке и анализе полученных данных. Автором разработаны предложения по использованию методов СВЧ-радиометрического зондирования атмосферы гидрометеорологических явлений, связанных с развитием облаков и осадков.
Достоверность полученных в работе результатов обусловлена применением современной аппаратуры и методов измерений, математических методов обработки результатов экспериментов, а также проведением сравнительных экспериментов с применением независимых методов измерений.
Hа защиту выносятся основные положения и результаты исследований автора:
1. Результаты разработки и исследования автоматизированной СВЧрадиометрической аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков с поверхности Земли, обоснование выбора структурных схем аппаратуры, метода СВЧ-радиометрических измерений;
2. Результаты обработки СВЧ-радиометрических данных, выполненных в различных регионах при различных метеоусловиях, над океаном и над сушей, в том числе в период развития глубокой конвекции и гроз, и предложения по использованию СВЧ-радиометрической информации в задачах прогноза опасных гидрометеорологических явлений;
3. Результаты анализа погрешностей СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков;
4. Результаты исследований временной (пространственной) изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в различных регионах средних широт (над океаном и над сушей);
5. Результаты оценки влияния вариаций влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков на интегральное ослабление микрорадиоволн в облачной атмосфере.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы из 186 наименований, содержит 167 страниц основного текста, 45 рисунков и 24 таблицы.
2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассматривается обоснование актуальности работы, сформулированы цель работы и задачи исследований, научная новизна работы и ее практическая значимость, содержание работы. Отмечена важность развития СВЧ-радиометрического метода определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, необходимость совершенствования методик и аппаратуры, актуальность проведения СВЧ-радиометрических исследований для решения прикладных задач метеорологии. Рассмотрены особенности и преимущества СВЧ-радиометрического метода дистанционного зондирования атмосферы, отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций в развитие этого метода. Поставлена задача создания автоматизированной аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков и проведение экспериментальных исследований временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. Перечислены основные результаты, полученные автором, отмечена их значимость. Сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены физические основы СВЧ-радиометрического метода определения параметров атмосферы с поверхности Земли, используемые методики определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по результатам измерений интенсивности нисходящего собственного радиотеплового излучения атмосферы. Определены основные требования к техническим характеристикам аппаратурного комплекса для определения характеристик влагосодержания атмосферы методом СВЧ-радиометрии.
В разделе 1.1. приводятся основные соотношения, описывающие перенос радиотеплового излучения в атмосфере, используемые для анализа результатов экспериментов и выработки требований к создаваемой аппаратуре. Показано, что основной вклад в излучение (поглощение) атмосферой в СВЧ-диапазоне вносят водяной пар, кислород, жидкокапельные облака и осадки.
Приведены основные соотношения для расчета микроволновых спектров поглощения и излучения радиоволн. Показано, что применение различных алгоритмов расчета радиотеплового излучения вблизи линии поглощения водяного пара 22.235ГГЦ дают близкие результаты.
В разделе 1.2. сформулирована задача определения интегральных параметров атмосферы по радиотепловому излучению: влагозапаса атмосферы W = w( z) dz,w( z)- профиль водности, z1, z2 -высоты верхней и нижней границ облака. Наиболее информативные участки спектра излучения атмосферы для решения этих задач следующие: 1.6-1.9 мм, 4.2-3.0 мм, 7-9.5 мм, 12.8-14.3 мм, 20-32 мм. Для атмосферы, содержащей слоистообразные облака определение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков осуществляется из результатов измерения характеристик радиотеплового излучения на двух частотах вблизи центра линии поглощения водяного пара 21.0ГГц и 36.5ГГц. Для атмосферы, содержащей мощные конвективные облака, решается однопараметрическая задача определения водозапаса облаков из измерений характеристик радиотеплового излучения атмосферы при частотах зондирования 9.3ГГц и 36.5ГГц. Основные факторы, оказывающие влияние на погрешность определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, следующие:
погрешность алгоритмов расчета поглощения в кислороде, водяном паре, погрешность оценки температуры капельных облаков, рассеяние излучения на крупных каплях, погрешность измерения характеристик радиотеплового излучения. Приводятся соотношения, связывающие искомые параметры атмосферы Q и W с радиояркостными температурами в зенитном направлении W = b0 + b1 T я( 1 ) + b2 T я( 2 ). В общем случае коэффициенты регрессии ai, bi зависят от распределения метеоэлементов в атмосфере. Поэтому дискретный набор коэффициентов регрессии получен для различных моделей атмосферы и типичных синоптических ситуаций. Коррекция коэффициентов регрессии может осуществляться в результате итерационной процедуры и учитывает особенности текущего распределения метеопараметров атмосферы. В качестве исходной информации использовались данные радиозондирования (профили температуры, давления, влажности атмосферы) и водности облаков.
В разделе 1.3. проанализированы методы измерения характеристик радиотеплового излучения атмосферы с поверхности Земли (методы относительных угломестных/азимутальных «разрезов», метод абсолютных измерений, радиоастрономический метод). Отмечены достоинства и недостатки методов угломестных, азимутальных “разрезов” и метода абсолютных измерений. Радиоастрономический метод, основанный на регистрации угловой зависимости интенсивности излучения Солнца, позволяет определять поглощение атмосферы c погрешностью около 10%, однако, не позволяет проводить непрерывные измерения. Для реализации непрерывных наблюдений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков предложено использовать метод временных «разрезов», основанный на регистрации нисходящего радиотеплового излучения атмосферы при фиксированном положении диаграммы направленности антенны. Получены оценки вклада различных составляющих (потери антенны, влияние поля рассеяния и радиояркостного фона, погрешности измерения антенной температуры) в суммарную погрешность измерения радиояркостной температуры атмосферы.
Вторая глава посвящена изложению принципов построения СВЧрадиометрической аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. Приводятся обоснование структурной схемы автоматизированной аппаратуры и описание методов калибровки СВЧрадиометров.
В разделе 2.1. выполнен сравнительный анализ различных схем построения СВЧ-радиометров: компенсационного, модуляционного, нулевого, с пилот сигналом, представлены основные соотношения, описывающие флуктуационную чувствительность СВЧ-радиометров. Выполнен краткий обзор метеорологических СВЧ-радиометров влажностного зондирования атмосферы, приводятся их основные технические характеристики. Поставлена задача минимизации шумов антенны и потерь входного тракта, применение надежных приемных устройств, удовлетворяющих требованиям шумовых свойств, и обеспечивающих стабильность усиления.
В разделе 2.2. представлено описание созданного в ГУ «ГГО»
автоматизированного СВЧ-радиометрического комплекса аппаратуры для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков. В состав аппаратуры включены СВЧ-радиометрические приемные устройства, работающие на частотах 21.0ГГц (длина волны 1 = 14 м м ) и 36.5ГГц (длина волны 2 = 8.2 м м ), антенная система, и персональный компьютер. СВЧ-радиометры построены на основе супергетеродинных приемников с полосой усиления 200Мгц (21.0ГГц) и 400Мгц (36.5ГГц). СВЧ-радиометры построены на основе применения схемы супергетеродинного приемника, реализуют модуляционный принцип измерения, используют во входном антенно-волноводном тракте программноуправляемые СВЧ-переключатели и генераторы шума. Требуемая стабильность усиления достигается применением системы термостатирования узлов радиометра и стабилизацией питающих напряжений (токов) устройств радиометра. Флуктуационная чувствительность радиометров составляла не хуже 0.5К/с0.5, ширина луча диаграммы направленности по уровню 3дБ равнялась 10градусам (скалярная рупорная антенна) и 0.7 градусов (параболическая антенна). Система управления и сбора данных СВЧрадиометрического комплекса обеспечивает управление режимами работы СВЧ-радиометров, управление антенной системой, преобразование выходных аналоговых сигналов СВЧ-радиометров в цифровой код, обработку данных.
Дано описание алгоритмов управления, сбора, обработки данных.
В разделе 2.3. выполнен анализ схем построения поляризационных СВЧ-радиометров, используемых для наблюдений атмосферы, реализующих как полный поляризационный анализ (измерение 4-х параметров Стокса излучения), так и частичный анализ наиболее информативных первых двух параметров Стокса. Приводится описание СВЧ-радиометрической аппаратуры, используемой для исследования конвективных облаков. В состав аппаратуры входит поляризационный СВЧ-радиометр 36.5ГГц (длина волны = 8.2 м м ), на входе которого установлен электрически управляемый ферритовый переключатель Фарадея. Скалярный конический рупор, имеющий осесимметричную диаграмму направленности, используется в качестве облучателя антенной системы Кассегрена. Ширина диаграммы направленности антенны по уровню 3дБ составляет 15 угловых минут. Для калибровки поляризационного радиометра используется установленный в плоскости отражателя системы Кассегрена электрически управляемый полупроводниковый генератор шума. Мощность источника шума, приведенная ко входу СВЧ-радиометра составляет около 20К.
«