birmaga.ru
добавить свой файл

1

Известия АН СССР ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА Том 21 • № 7 1985

УДК 551.501.8:551.521.3

О РЕГУЛЯРНОСТИ СТРУКТУРЫ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

РАССЕЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВЯЗИ

С МЕТЕОПАРАМЕТРАМИ

ПОЛКАНОВ Ю. А.

Дан анализ регулярности структуры сигнала рассеяния, усиленного пропорционально квадрату текущего времени и регистрируемого в условиях устойчиво стратифицированной атмосферы над крупным городом. Оценка регулярности структуры проводилась по числу локальных максимумов и минимумов сигнала, полученного при лазерном зондировании приземного слоя атмосферы. Установлено, что в ночных условиях постоянно регистри­руется достаточно устойчивая и регулярная структура оптических неоднородностей в горизонтальной плоскости. Предполагается, что ее регистра­ция в лидарных измерениях обусловлена наличием городского загрязняю­щего аэрозоля, способствующего «проявлению» такой структуры при ана­лизе сигнала рассеяния. Обнаружена высокая степень корреляции парамет­ров выявленной структуры с введенным критерием устойчивости термоди­намического состояния приземного слоя атмосферы, определяемым по ме­теопараметрам и их вертикальному распределению.

Процесс возникновения и развития турбулентности — один из самых сложных процессов, происходящих в свободной атмосфере. Устойчивая стратификация атмосферы способствует подавлению турбулентности в потоке. Однако она сохраняется, например, в зоне обрушивания внутрен­них волн [1], где формируется достаточно устойчивая и регулярная тур­булентная структура. В подобных зонах удерживается относительно крупнодисперсный аэрозоль, обычно оседающий под действием силы тя­жести. Рассеянное на таком аэрозоле излучение несет информацию о пространственно-временных особенностях турбулентных структур [2-4]. Кроме того, при характерном размере структуры в сотни метров от­мечена связь ее параметров с вертикальным распределением метеопа­раметров приземного слоя [5].

Наиболее благоприятные условия для изучения подобных структур существуют в приземном слое города летней ночью [1, 6, 7]. Эффектив­ным методом их исследования становится метод лидарного сканирова­ния больших объемов атмосферы. Он существенно превосходит осталь­ные методы по числу точек съема информации и оперативности. В ра­боте использовались результаты лазерного зондирования атмосферы над г. Минском, проведенного в апреле, июне 1978 г. [8, 9]. Измерения ве­лись последовательно в пяти различных районах города. Значительный интервал времени между измерениями в районах (не менее двух суток), а также заведомо различный характер структуры подстилающей поверх­ности районов способствовали повышению статистической достоверности получаемых данных.


В таблице приведены данные по организации измерений в каждом районе, где X число трасс зондирования, а — угловой шаг сканирова­ния (указано число соответствующих трасс х), а0 — угловой размер зоны зондирования, N — число анализируемых отсчетов сигнала рассеяния

720


Номер района

Дата

X

а°(х)

а°o

N

to, ч

σ, км-1

1

20—21. IV

28

12 (28)

336

504

5

0,22

2

14—15.IV

16

12 (2), 24 (14)

360

288

2

0,21

3


21—22. VI

18

12(9), 24(9)

324

324

1,45

0,11

4

26—27. IV

23

12 (23)

276

414

2

0,35

5

28—29. VI

26

12 (26)

312

468

3,30

0,28

(точек съема информации), t0 — полное время измерений, σ — средний коэффициент рассеяния в зоне зондирования.

Зондирование проводилось в горизонтальной плоскости на высотах t ~ 20 м. Время измерений по одной трассе составляло 20 с. Время между измерениями по соседним трассам ~ 7-10 мин. Размер анализируемого объема атмосферы в «точке» съема информации (5-17,5) X 120 м. Рас­стояние между соседними точками двух трасс 171,5 - 587,5 м (для α=12°) и 353,0-1209,5 м (для α = 24°).

Источник излучения имел следующие характеристики: длина волны излучения λi = 0,53 мкм, энергия излучения W = 0,01 Дж, длительность импульса излучения то=15 не, расходимость излучения γ = 20/, частота следования импульсов / = 50 Гц.


Характеристики приемной системы: диаметр приемной оптики d = 100 мм, ширина линии пропускания интерференционного фильтра Δλ = = 50 А, приемник — ФЭУ-84.

Используемая многоканальная аппаратура [10] обеспечивала ре­гистрацию сигнала рассеяния в режиме счета фотонов и имела следую­щие характеристики: число каналов регистрации п = 20, ширина строби-рующего импульса (длительность накопления в каждом канале) Т = = 0,8 мке, диапазон перестраиваемой с шагом 1 мке задержки начала ре­гистрации 0,5-103 мкc, число циклов накопления в нашем случае N0 = 103.

Коррекция на квадрат текущего времени проводилась при цифровой обработке сигналов численным образом. Погрешность коррекции имеет систематическую составляющую [11], обусловленную конечным време­нем накопления информации в каждом канале за одну посылку. Суммар­ная погрешность коррекции не превышала 5—7%.

Использовались последовательные отсчеты в 18 каналах регистрации сигнала рассеяния, приходящего от участков трассы длиной 120 м, рас­положенных на расстояниях 840-2880 м от лидара. Такой выбор кана­лов обеспечил суммарную ошибку измерений ~ 10—20%.

Была проведена предварительная обработка полученных для каждой трассы распределений фотоотсчетов nc(t) по методу одноканальной при­вязки (однобитового квантования по каналам) [12].

Осуществлялась следующая последовательность действий.


  1. Строилось распределение числа фотоотсчетов nc(t, T) для исполь­
    зуемых каналов регистрации, причем по оси ординат откладывалось зна­
    чение, пропорциональное числу отсчетов в каждом канале (см. рисунок).

  2. Значение пс в каждом канале относилось к центру соответствую­
    щего временного интервала.
  3. Полученное распределение nc°(t, T) сглаживалось в предположе­

    нии, что число отсчетов пс меняется при переходе от локального макси­
    мума (минимума) сигнала к локальному минимуму (максимуму) по
    линейному закону.


  4. Сглаженное распределение nc°(ty T) разбивалось на участки, гра­
    ницами которых были два соседних локальных максимума(nСтmax1, nсmax2)

или минимума сигнала (nCmin1 , nCт1п2)

3 Физика атмосферы и океана,721

5. Значение минимума nCmin между пСтак1 и пСтах2 принималось за действительный локальный минимум сигнала при выполнении условия:

(пСтах1,2 - nCmin)> Δnc = (0.3 – 0.4) nCmin (1 )

В противном случае локальный минимум исключался из рассмотре­ния и проводилось повторное сглаживание по п. 3.




ПГ1



К методике предварительной обработки сигнала рассеяния

6. Для каждого выделенного участка распределения ne(t, T), огра­
ниченного соседними локальными максимумами сигнала, проводилось
преобразование по методу одноканальной привязки, согласно усло­
виям (2):

nk(t, T) = 1 при nc{t, T)>k,


(2) nk(t, T)=0при nc(t, T)≤ k,

где nc — число фотоотсчетов в канале, отнесенное к центру временного интервала t, t+T; T — длительность временного интервала накопления сигнала в каждом канале (0,8 мкс); k уровень привязки, равный сред­ней скорости счета на выделенном участке.

7. Для участков, ограниченных соседними локальными минимумами-
сигнала, использовались аналогичные преобразования сигнала:

nk{t, T)= — 1 при nc(t, T)≤k,

(3nk(t, T)=0 при nc(t, T)>k.

8. По полученным квантованным сигналам (±1) судили об интер­
валах между максимумами т1 минимумами т2 и между максимумами
и минимумами т3 (см. рисунок) в предположении совпадения экстрему­
ма с центром элемента разрешения.

Условие (1) обеспечивало выделение неоднородностей сигнала, имею­щих контрастность 30-40% относительно минимального на участке уровня nCmln. Введение этого условия связано с необходимостью выде­лить скачок сигнала, обусловленный средой, даже на фоне сигнала пСт1п , определенного с максимальной погрешностью (10-20%).

Раздельная одноканальная привязка по локальным максимумам и ми­нимумам сигнала позволяла получить неискаженную информацию о

722

спектрах «положительной» и «отрицательной» структур [12]. Прост­ранственная дискретизация по трассе с шагом Δ обеспечивала регистра­цию структур с характерным размером между центрами соседних эле­ментов структуры т = 240-2040 м при шаге Δ = 120 м и числе элемен­тов разрешения Δ KΔ = 2, 3, ..., 17. Такая дискретизация приводила к росту фактической пороговой контрастности дальнего из двух взятых экстремумов пропорционально коэффициенту ρ = (1 - ехр (-2σср.тΔ)). Это позволяло повысить надежность регистрации экстремумов (обуслов­ленных именно неоднородностью среды) с ростом расстояния между ними. В качестве пространственных характеристик структур брались ма­тематические ожидания М1,2,3, характерных интервалов m1,2,3 между неоднородностями сигнала рассеяния и соответствующие им дисперсии D1,2,3. Оказалось, что характерный размер структур M1,2 лежит в диапа­зоне длин 375—520 м и соответствует данным радиолокационных изме­рений в аналогичных условиях [5]. Доверительный интервал M1,2 для районов 2, 3, 4 и М1,3 района 1 не превосходит размера элемента разре­шения Δ и несколько больше в остальных случаях.

Среднеквадратичное отклонение S1,2 =√ D1,2 для районов 2, 3, 4 не превосходит величины M1,2/2, что указывает на определенную устойчи­вость соответствующих структур. Этого нельзя сказать о структурах неоднородностей в районах 1, 5, где доверительный интервал среднеквад­ратичного отклонения может быть большим (εpmax = 3,24Δ). Здесь ди- намичность структуры не позволила выявить ее особенности с помощью используемой аппаратуры.

Следующий этап работы — поиск связи характеристик обнаружен­ных атмосферных образований с критерием устойчивости стратификации приземного слоя атмосферы.

В качестве такого критерия бралось обобщенное значение разности приведенных чисел Ричардсона ARi2, которое рассчитывалось по следую­щей методике.


  1. Определялось число Ричардсона: Ri= (g/T0) (уау)/β2 [1З]
    (где g ускорение свободного падения, То — абсолютная температура
    у поверхности, уа=1o/100 м, y=ΔT0/Δh, β=Δv/Δh) для слоев атмосферы
    от поверхности до высоты измерений h = 100, 200, 300, 400, 500, 600, 900, 1000 м.

  2. Полученные значения Ri приводились к интервалу h = 1 м в до­
    пущении линейного измерения Ri с высотой:

Rih(n) = Ri/h. (4)

3. Для каждой высоты измерений находилась разность приведенных
чисел Ричардсона для времен измерений 21 ч (1) и 3 ч (2):

ΔRih(n) = Rih(n) (t2)- Rih(n) (t1) (5)


4. В качестве критерия устойчивости бралась обобщенная разность:

n

ΔRiΣ = Σ ΔRih(n)/n (6)

n=i

Для районов 1—5 соответственно получены следующие значения

ΔRiΣ: 0,813; 0,020; 0,114; 0,004; 0,026.

Связь между характеристиками выявленных структур атмосферных образований М, D и критерием устойчивости стратификации ΔRis оце­нивалась по коэффициенту линейной корреляции К с доверительной ве­роятностью р. Оказалось, что по результатам для всех пяти районов связь существенна для следующих характеристик структур: М2, Мi - М2, М2 — М3, M/M2, D2, D2D3 (K > 0,5, р ≥0,8). Особенно высокие значе­ния /С, р получены для связи между М2 М3 и ΔRis (K=0,84, p = 0,98.

3*


Отметим, что метеопараметры измерялись в районе, отстоящем от райо­нов лазерного зондирования на ~10 км (максимально), при временном интервале между измерениями, максимально превышающем время, не­обходимое для зондирования, на 3 ч.

Для конкретизации характера связи М2 - М3 и ΔRiΣ получены урав­нения регрессии типа а + Ьх [14]:

М2 М3 = 0,656ΔRi2 + 1,604, (7)

ΔRis=l,513(M2 - M3) —2,426. (8)

Различие коэффициентов а и 6, полученное при переходе от уравне­ния регрессии М2М3 по ΔRiΣ к уравнению ΔRiΣ по М2 - М3 и противо­положном переходе (ΔRiΣ(M2 - М3)→(М2 - M3)/ΔRiΣ) [15], не превы­шает 3,5%.


Для уравнения (7) среднеквадратичные ошибки определения коэф­фициента регрессии Ь и коэффициента а равны соответственно 12 и 2,5%. Для уравнения (8) они меньше и равны соответственно 5 и 0,8%. Это обусловлено большей статистической обеспеченностью определения па­раметра М2 - М3.

В предположении отклонений фактических значений от линии регрес­сии, следующих нормальному распределению, гипотеза об отсутствии линейной зависимости упомянутых переменных имеет вероятность Р~10-3 [14]. Следовательно, можно говорить о линейной, фактически функциональной связи 2 М3) и ΔRiΣ. Эта связь позволяет по изме­нению величины М2 - М3,, измеренной с интервалом времени в несколько часов, прогнозировать изменение устойчивости стратификации погранич­ ного слоя атмосферы, а косвенно — и устойчивости метеоситуации.

Поиск связи между характеристиками выявленных структур и метео­параметрами анализируемого слоя атмосферы (h = 0 - 1 км) показал, что все параметры структуры (М, D) наиболее сильно связаны с раз­ностью средних значений относительной влажности, приведенных к слою в 1 м и полученных по данным измерений в 21 ч и 3 ч: Δf ° = Δfi - Δf2, n

где Δfi,2 = Σ Δf01,2 /n, Δf01,2 = (fh1 - f h2)/Δh.

n=1

В этом случае коэффициенты корреляции (несмещенная оценка) и вероятности их значимости не ниже 0,6 и 0,8 соответственно. Для наиболее существенной связи S3 и Δf ° получены уравнения регрессии:

S3 = 0.560Δf 0 + 1,026, (9)

Δf 0 = 1 .758S3 – 1.784. (10)

Переход от уравнения (10) к уравнению (9) дает максимальное раз­личие коэффициентов а и b соответственно 1 и 3 %. Среднеквадратичная ошибка определения коэффициентов а и Ь не превышает соответственно 8 и 9%. Гипотеза об отсутствии линейной зависимости S3 и А/0 имеет вероятность Р≤ -10-3.

Для районов с температурной инверсией (районы 1, 2, 3, 5) обнару­жена связь параметров нестабильности структуры атмосферных обра­зований S1S3 с параметрами, характеризующими изменчивость инвер­сионного слоя между измерениями (ΔvΔh/ΔT, где Δv — изменение ско­рости ветра, Δh — изменение мощности слоя, ΔT — изменение скачка температуры в слое). Получены следующие уравнения регрессии:

S1 - S3 = 0.01ΔvΔh/ΔT + 0.,34, (11)

ΔvΔh/ΔT = 99.56(S1 - S3) - 31,95. (12)

Переход от уравнения (12) к (11) дает различие в коэффициентах а, b соответственно 0,5 и 7%. Среднеквадратичная ошибка определения

724
этих коэффициентов 2 и 4%. Гипотеза об отсутствии линейной зависимо­сти имеет вероятность P ~ 10-3. Однако переход от уравнения (11) к уравнению (12) дает различие в коэффициентах а и и соответственно 43 и 50%, а среднеквадратичные ошибки их определения 17 и 48% при вероятности отсутствия линейной зависимости Р = 8*10-2. Следовательно, эта связь носит более статистический характер, чем предшествующие, и, возможно, нелинейна. Для уточнения ее вида необходимо провести спе­циальные измерения.

Тем не менее полученные результаты позволяют говорить о сущест­венной связи комплекса параметров структур атмосферных образований с комплексом метеопараметров, характеризующих влажность атмосферы и приподнятую инверсию.

Проведенное исследование показывает, что предложенный подход позволяет дополнительно использовать лазерное зондирование атмосфе­ры для решения задач по прогнозу устойчивости стратификации в при­земном слое атмосферы.
ЛИТЕРАТУРА


  1. Баренблатт Г. И., Монин А. С. О возможном механизме явления дискоидных об­
    разований в атмосфере — Докл. АН СССР, 1979, т. 246, № 4, с. 834—837.

  2. Гречко Г. М., Гурвич А. С, Романенко Ю. В. Структура неоднородностей плотности
    в стратосфере по наблюдениям с орбитальной станции «Салют-6».— Изв. АН СССР.
    ФАО, 1980, т. 16, № 4, с. 339—344.

  3. Gossard Е. E., Richter J. Вид внутренних волн ограниченной амплитуды по измере­
    ниям радаром с высоким разрешением.— J. Atmos. Sci., 1970, v. 27, № 6, p. 971 —
    973.

  4. Вореводин Ю. М., Задде Г. О., Матвиенко Г. Г., Самохвалов И. В. Пространст­
    венные неоднородности коэффициента обратного рассеяния по данным лидарного
    зондирования.— В кн.: Вопросы лазерного зондирования атмосферы. М.: Наука,
    1976, с. 45—53.

  5. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978. 532 с.




  1. Johnson W. В., Evans W. Е. Лидарные измерения диффузии шлейфов из высоких
    труб.— In: 3-rd Conf. on Laser Radar Studies of Atmosphere Conf. Abstracts. Ja­
    maica, 1970, Sept., p. 12.

  2. Philip M. Т., Kent G. S. Короткопериодические временные вариации атмосферного

    аэрозольного слоя.— In: 9-th Int. Laser Radar Conf. Laser. Atmos. Stud. Munich*

    1979, p. 161—162.


8. Ашкинадзе Д. Л., Белобровик В. П., Спиридович A. JI., Кугейко М. М., Полка­нов Ю. А. Лидарное определение динамики полей аэрозольного загрязнения в го­родах. В кн.: VI Всесоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию. Тезисы докл. Ч. 1. Томск, 1980, с. 152—155.

9. Ашкинадзе Д. А., Белобровик В. И., Виленчиц Б. Б., Шамаль В. А. Установка для лазерного зондирования аэрозолей в городских условиях с крыш высотных зда­ний.— В кн.: Всесоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию ат­мосферы. Томск, 1978, с. 25—26.

10. Демчук М. И., Кузнецов В. П., Уточкин К. П., Ашкинадзе Д. А., Белобровик В. И., Шамаль В. А. Аппаратура для исследования слоев атмосферы.— В кн.: IV Все­союз. симпоз. по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1977, с. 51—54.

И. Полканов Ю. А. О точности представления реального сигнала рассеяния через ли­дарное уравнение.— Журн. прикл. спектроскопии, 1982, т. 37, № 3, с. 480—485.

  1. Джейкман Е. Корреляция фотонов.— В кн.: Спектроскопия оптического смешения
    и корреляции фотонов. М.: Мир, 1978, с. 71 —145.

  2. Хромов С. П., Мамонтова Л. И. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиз-
    дат, 1974. 326 с.

  3. Зажигаев Л. С, Кишьян А. А., Романиков Ю. И. Методы планирования и обработ­
    ки результатов физического эксперимента. М.: Атомиздат, 1978. 231 с.

  4. Четыркин Е. М., Камихман И. Л. Вероятность и статистика. М.: Финансы и стати­
    стика, 1982. 319 с.

Белорусский государственный Поступила в редакцию

университет 12.X.1981,

НИИ прикладных физических после переработки

проблем 4.VI.1984