автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Пассивная радиолокация термической структуры атмосферного пограничного слоя

004608160

На правах рукописи

Кадыгров Евгений Николаевич

ПАССИВНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Специальность - 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 6 СЕН 2010

Москва-2010

004608160

Работа выполнена в Государственном учреждении «Центральная аэрологическая обсерватория» (ГУ ЦАО)

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Горелик Андрей Габриэлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Кутуза Борис Георгиевич

доктор технических наук, Фридзон Марк Борисович

доктор технических наук, Куприянов Павел Васильевич

Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение научно-исследовательский радиофизический институт (ФГНУ НИРФИ) (г. Н. Новгород)

Защита состоится 14 октября 2010 г. в _ часов

на заседании диссертационного совета Д 223.011.02 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Отзывы направлять по адресу: ГСП-3,125993, г.Москва, Кронштадтский бульвар, Д.20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета гражданской авиации

Автореферат разослан___года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.011.02, кандидат технических наук ' _Колядов Д.В.

Актуальность работы

Исследования нижней тропосферы, или атмосферного пограничного слоя (АПС), расположенного между поверхностью земли и свободной атмосферой, необходимы для целого ряда фундаментальных задач физики атмосферы и практической метеорологии и экологии. В АПС происходит обмен импульсом, теплом и влагой меэеду подстилающей поверхностью (поверхностью суши и океана) и атмосферой. При этом одним из важнейших метеорологических параметров АПС является температура и ее высотное распределение, характеризующее степень устойчивости состояния атмосферы. Указанный параметр широко используется в системах экологического мониторинга, контроля условий распространения радиоволн, прогноза опасных метеорологических явлений, исследованиях так называемого «острова тепла» - термического купола над крупными городами, в моделях переноса загрязняющих примесей. Традиционно для измерения профилей температуры атмосферы использовались контактные датчики (термометры сопротивления, термисторы), поднимаемые на радиозондах, привязных и свободных аэростатах, самолетах, метеорологических ракетах, либо установленные на высотных метеорологических мачтах. Позднее стали появляться спутниковые приборы ИК-диапазона для измерения профилей температуры тропосферы и стратосферы, а также наземные дистанционные приборы: лидары, системы радиоакустического зондирования (ЯАЗБ). Каждое из этих средств измерений обладало своими достоинствами и недостатками, однако они не отвечали основным требованиям наблюдений термической структуры АПС - непрерывности, мобильности, всепогодности, низкой эксплуатационной стоимости.

В 70-80-х годах прошлого века в ЫОАА (г. Боулдер, США) и в СССР (НИРФИ, г. Н. Новгород; ИРЭ РАН, г. Москва), на фоне общего развития радиофизических методов исследования атмосферы и, в частности, пассивной радиолокации и радиотеплолокационной техники были созданы экспериментальные образцы наземных радиометрических комплексов для измерения профилей температуры тропосферы. Но они были сложными в обслуживании приборами, требующими трудоемких калибровок и высококвалифицированного персонала для проведения измерений, изготовлены были в единственном экземпляре и при этом не обладали необходимой чувствительностью для измерения профилей температуры АПС. Использовался частотный метод измерений на склоне полосы поглощения молекулярного кислорода, центрированной к длине волны 5 мм, что не обеспечивало необходимого вертикального разрешения при измерениях нижних слоев тропосферы. В это же время появился ряд теоретических работ, описывающих возможность радиометрических измерений профилей температуры в АПС. Однако не удавалось реализовать эти рассуждения на практике из-за наличия серьезных специфических трудностей проведения таких измерений: необходимости измерений приращений в доли градусов на фоне мощного (300 К) излучения атмосферы в этом диапазоне, что требовало очень высокой чувствительности приемного радиотеплолокационного устройства (микроволнового радиометра); многообразие типов профилей температуры и их сильной изменчивости (что усложняло решение обратной задачи); высоких требований к форме диаграммы направленности приемной системы.

В 1989-1991 г.г. автором был разработан измерительный комплекс для дистанционного измерения профилей температуры стратосферы и были успешно проведены измерения в 7 пусках высотных автоматических аэростатов с высотой

подъема до 45 км. Основой комплекса был разработанный совместно со специалистами ИКИ РАН новый твердотельный компактный высокочувствительный микроволновый радиометр с рабочими длинами волн в районе 5 мм, экспериментальные технологии которого были взяты за основу создания наземного микроволнового радиометра для измерения профилей температуры АПС. Учитывая специфические высокие требования к измерениям профилей температуры АПС по сравнению со стратосферой и тропосферой, необходимо было решить задачи по созданию высокочувствительных радиометров 5 мм диапазона с высокой стабильностью, сделать теоретические оценки достоверности получаемой информации, разработать методику автоматизированных измерений, проведения калибровок, разработать конструкцию метеозащиты аппаратуры для работы в широком диапазоне внешних температур и метеоусловий, преодолеть специфические трудности при решении обратной задачи по восстановлению температурных профилей, провести сравнения с традиционными средствами измерений, сертифицировать разработанную измерительную аппаратуру и обеспечить ее внедрение на наблюдательных сетях.

Все эти проблемы были успешно решены, что вносит свой вклад в дальнейшее развитие современных методов пассивной радиолокации и радиометрической аппаратуры для исследования природной среды. Для измерений был выбран метод углового сканирования в максимуме полосы поглощения молекулярного кислорода. Важным достоинством радиотеплолокационных методов исследования атмосферы является тот факт, что микроволновые измерения менее зависят от погодных условий и аэрозольной компоненты атмосферы в отличие от измерений в оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн.

В работе представлен результат комплекса теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских исследований, которые обеспечили создание и внедрение автоматизированной дистанционной всепогодной системы контроля термической стратификации атмосферного пограничного слоя (АПС) и получение новых уникальных данных о ее особенностях в различных внешних условиях. Автоматизированный комплекс создан на базе разработанного в ходе данной многолетней работы уникального сканирующего микроволнового радиометра, работающего в центре полосы поглощения молекулярного кислорода (частота 60 ГГц или длина волны 5 мм). Измерительный комплекс обеспечивает непрерывность, мобильность и всепогодность измерений профилей температуры в АПС, что не давали традиционные методы измерений. Благодаря этому с помощью микроволновых температурных профилемеров впервые получены уникальные данные о физических процессах в атмосфере: исследована вертикальная структура городского острова тепла и ее сезонные и межгодовые особенности; получены непрерывные статистические данные о характеристиках температурных инверсий над крупнейшими городами Российской Федерации; исследовано воздействие высоких концентраций аэрозоля на термическую стратификацию в городе и в пригороде; исследованы особенности термической стратификации АПС над Антарктическим плато во все сезоны; исследованы особенности термической стратификации АПС во время полных солнечных затмений как на равнине, так и в горной местности; исследовано влияние ветров ураганной силы на термическую стратификацию АПС; исследованы особенности термической стратификации АПС в береговой зоне о. Сахалин во время становления льдов в Охотском море; исследована динамика термической стратификации АПС в разных синоптических

ситуациях в аридном регионе в жаркий период времени (Черные земли республики Калмыкия); исследованы особенности и закономерности термической стратификации в ущельях и долинах Альп и Кавказа.

В работе отмечен большой вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций и отдельных ученых в развитие радиотеплолокационных методов исследования атмосферы на миллиметровых волнах, а также сформулированы актуальные задачи исследований, поставленные перед данной работой и решенные в ходе ее выполнения.

Объектом исследований в данной работе является наблюдаемая по собственному радиотепловому излучению земная атмосфера, предметом изучения -методы пассивной радиолокации, радиотеплолокационная аппаратура миллиметрового диапазона волн (радиометры) и исследуемые созданными приборами особенности термической стратификации АПС.

Цель работы

Целью работы является разработка концепции построения и применения пассивной радиолокации для измерения профилей температуры в атмосферном пограничном слое, проведение комплекса теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, которые должны обеспечить создание всепогодной автоматизированной системы контроля температурной стратификации в АПС на базе использования сканирующей по углу места радиометрической аппаратуры, работающей в центре полосы поглощения молекулярного кислорода земной атмосферы (длина волны 5 мм), а также применение разработанной аппаратуры для исследования особенностей термической стратификации АПС при различных внешних условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести теоретическое исследование потенциальных возможностей радиотеплолокационного метода, основанного на измерении собственного теплового излучения атмосферы с использованием сканирующего одночастотного микроволнового радиометра, работающего на частоте вблизи резонансного поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц) с использованием опыта, накопленного в процессе создания и проведения лабораторных и натурных испытаний микроволнового радиометра для измерения температуры стратосферы с высотных аэростатов. Выбрать и обосновать оптимальную схему расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода в диапазоне 60 ГГц и провести его измерения на специально созданных экспериментальных установках, разработать методику проведения автоматических калибровок, провести оценку информативности сигналов на выходе радиометра, выбрать оптимальный метод решения обратной задачи и провести численный эксперимент по восстановлению профилей температуры нижней части тропосферы.

2. Разработать структурную схему измерительного комплекса, обосновать выбор его технических характеристик, оптимальные значения углов сканирования, оптимизировать конструкцию, обеспечивающую проведение измерений практически в любых метеорологических условиях, создать экспериментальный и опытные образцы измерительного комплекса.

3. Разработать несколько модификаций измерительных комплексов для измерения профилей температуры в АПС в различных условиях (стационарный, мобильный), разработать полярную версию прибора с возможностью проведения непрерывных измерений в условиях экстремально низких температур и имеющую более высокое вертикальное разрешение.

4. Провести сравнения данных созданных микроволновых профилемеров с традиционными методами: радиозондами, привязными аэростатами, датчиками на высотных метеорологических мачтах, лидарами, системами радиоакустического зондирования (ЯАЭЗ). Исследовать возможность повышения высоты зондирования.

5. С помощью разработанной микроволновой аппаратуры провести измерения вертикальной структуры острова тепла над Москвой, провести исследования особенностей термического режима в АПС в горной местности, над водной поверхностью, в аридных районах, во время полных солнечных затмений.

6. Разработать рекомендации по использованию данных разработанных микроволновых температурных профилемеров в оперативных подразделениях Росгидромета для анализа состояния устойчивости нижней атмосферы, уточнения краткосрочного прогноза погоды и прогноза опасных метеорологических явлений.

Особенно необходимо отметить, что необходимо было провести сертификацию разработанных профилемеров в Росгидромете и в Государственном агентстве по техническому регулированию и метрологии, внести в Государственный реестр средств измерений и обеспечить их внедрение на наблюдательной сети Росгидромета в рамках проведения ее технического переоснащения и модернизации.

Научная новизна

1. Впервые в мировой практике аэрологического зондирования на основе разработанной концепции построения и применения микроволновой радиометрии для термического зондирования атмосферного пограничного слоя теоретически обоснован и реализован дистанционный автоматизированный радиотеплолокационный комплекс, основанный на приеме сканирующим радиометром собственного теплового излучения атмосферы в центре полосы поглощения молекулярного кислорода 60 ГГц, обеспечивающий получение практически непрерывной круглосуточной информации о профилях температуры в АПС, по точности и достоверности не уступающий стандартному радиозондированию атмосферы и контактным датчикам, установленным на высотных метеорологических мачтах и привязных аэростатах.

2. Впервые на основе современных достижений радиоэлектроники и техники СВЧ создан серийный всепогодный температурный микроволновый профилемер, обеспечивающий в полностью автоматическом режиме практически непрерывные измерения профилей температуры в АПС, проведена его сертификация как средства измерения и обеспечено его внедрение на наблюдательных сетях, а также созданы его стационарная, мобильная и полярная версии.

3. Проведены впервые комплексные сравнения данных дистанционных автономно работающих микроволновых профилемеров для измерения профилей температуры в АПС с данными радиозондов, привязных аэростатов, датчиков на высотных метеорологических мачтах, аэрозольными лидарами и системами радиоакустического зондирования (ВДЗБ), показавшие, что микроволновые профилемеры по точности не уступают традиционным методам, но обладают непрерывностью, мобильностью и всепогодностью.

4. С помощью специально разработанной полярной версии микроволнового температурного профилемера впервые получены непрерывные данные в течение года над Антарктическим плато, в том числе и в условиях экстремально низких температур (минус 78,5 °С), что явилось вкладом в исследование катабатических ветров и динамики термического режима атмосферы в Антарктиде.

5. На основе данных синхронно работающих микроволновых профилемеров впервые детально изучена вертикальная структура городского острова тепла над крупным городом и ее суточная, сезонная и межгодовая изменчивость. Во время полных солнечных затмений впервые получены и детально проанализированы непрерывные синхронные данные о термическом режиме в АПС на разных высотах до, во время и после полной фазы затмения путем двухточечных синхронных измерений микроволновыми температурными профилемерами, показавшие различную динамику изменений температуры атмосферы для мест наблюдений с различной орографией. Созданные специальные версии микроволновых температурных профилемеров позволили получить новые экспериментальные данные об особенностях термического режима АПС в аридном регионе в жаркий период времени, в горной местности (ущелья, долины, возвышенности), над морской поверхностью вблизи береговой зоны во время экстремально сильных ветров, что используется при моделировании различных процессов в неоднородном АПС.

6. Совместно со специалистами ГМЦ РФ разработаны методические рекомендации по использованию данных микроволновых профилемеров в оперативной практике сетевых подразделений Росгидромета, что дает новые возможности в совершенствовании локального прогноза погоды и прогноза неблагоприятных метеорологических условий.

Практическая ценность работы

Разработанный в процессе выполнения диссертационной работы автоматизированный измерительный комплекс для дистанционного определения профилей температуры АПС был сертифицирован Государственным агентством по техническому регулированию и метрологии, внесен в Государственный реестр средств измерений, сертифицирован Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и рекомендован для использования на наблюдательной сети Росгидромета. Было организовано мелкосерийное производство микроволновых температурных профилемеров и в настоящее время они используются в оперативной работе отраслевых организаций Росгидромета в городах Москва, Санкт-Петербург, Н. Новгород, Арзамас, Казань, Ростов-на-Дону, Уфа, Самара, Челябинск, Оренбург, Норильск, Новосибирск, Красноярск, Хабаровск.

Данные этих комплексов используются для улучшения качества краткосрочного прогноза погоды, прогноза опасных метеорологических явлений, прогноза распространения загрязнений в крупных городах. С 2000 г. для исследования острова тепла над Москвой проводятся синхронные разнесенные измерения профилей температуры АПС с помощью трех профилемеров, один из которых установлен в центральной части Москвы (Красная Пресня), второй - в ближнем пригороде (г. Долгопрудный), третий - в фоновой зоне (г. Звенигород). Создан цифровой банк этих данных, используемый специалистами Гидрометцентра РФ и Бюро прогноза погоды по Москве и Московской области.

Разработанные температурные микроволновые профилемеры также успешно использовались в ряде международных и отечественных научных проектах: «TROICA» (Transcontinental Observation of the Chemistry of the Atmosphere Project), MAP (Mesoscale Alpine Program), GURME (Global Urban Research Meteorology and Environment Project) и других, а также при выполнении проектов РФФИ № 01-05-64138а, 05-05-65288а, 06-05-79001 к, 06-05-65216а, 07-05-01080к, 07-05-00428а,07-05-ЮООк, 08-05-0021 За, 09-05-1000к.

Т.к. на настоящий момент разработанные нами автоматизированные измерительные комплексы по основным характеристикам измерений профилей в АПС не имеет аналогов в мире и при этом имеют европейский сертификат качества, они также используются для метеорологических и экологических задач в США, Японии, Италии, Нидерландах, Франции, Испании, Австралии, Южной Корее, Китае, Тайване.

Личный вклад автора в проведенные исследования

Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних исследований автора. Вклад автора заключается в постановке и решении важной народно-хозяйственной задачи - создании принципиально новой аппаратуры для непрерывных дистанционных наблюдений за состоянием термического режима в АПС, теоретическом обосновании требований к автоматизированному микроволновому комплексу, обеспечивающему измерение профилей температуры в АПС с необходимой точностью и оперативностью, в разработке и создании экспериментального и опытных образцов радиотеплолокационных приборов, в проведении первых измерений и сравнений с данными привязных аэростатов. В разработке были также использованы работы автора по созданию микроволнового комплекса для измерения профилей температуры стратосферы с высотных аэростатов, по экспериментальному измерению коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых волнах и его зависимости от температуры. Автор непосредственно участвовал в проведении международных сравнений разработанных микроволновых дистанционных профилемеров с данными радиозондов и привязных аэростатов (Кардингтон, Англия, 1993 г. Долгопрудный, Россия, 1992-1996 гг.), с данными датчиков высотных метеорологических мачт (Цукуба, Япония, 1994 г, Боулдер, США, 1996 г.; Обнинск, Россия. 1998 г.), сданными привязных аэростатов (Рыльск, Россия, 1989 г.; Кардингтон, Англия, 1993 г.; станция Покер Флат, Аляска, США, 1996 г.; Рим, Италия, 1998 г.); с данными радиоакустического зондирования (Боулдер, США, 1996-1997 г). Автор провел непосредственные измерения с помощью разработанной под его руководством аппаратуры, в том числе в полярных районах, в горных районах Кавказа и Швейцарских Альп, во время полного солнечного затмения, явился инициатором и

одним из непосредственных исполнителей работы по исследованию вертикальной структуры городского острова тепла с помощью разнесенных синхронных измерений микроволновыми температурными профилемерами. Являясь руководителем научного коллектива, разрабатывающего современные дистанционные приборы, ряд работ был выполнен и опубликован лично автором, в то время как ряд других результатов экспериментальных исследований были получены и опубликованы как в соавторстве с сотрудниками подразделения, так и с сотрудниками других организаций, участвующих в совместных исследованиях.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических расчетов, обосновывающих потенциальные возможности метода измерения профилей температуры АПС, основанного на измерении на разных углах собственного теплового излучения атмосферы в полосе частот, приходящихся на максимум поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц). Обоснование оптимальной схемы расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых волнах путем сравнения расчетных моделей между собой и с экспериментальными данными.

2. Разработка и создание автоматизированного микроволнового профилемера для практически непрерывных всепогодных измерений профилей температуры атмосферного пограничного слоя. Методические принципы измерения профилей температуры АПС. Методические рекомендации по использованию дистанционных данных.

3. Результаты сравнений данных микроволновых температурных профилемеров с данными радиозондов, привязных аэростатов, датчиков на высотных метеорологических мачтах, лидарами и радиоакустическими системами (КАБЗ). Результаты расчетов и экспериментов, показавших возможность расширения информационных возможностей микроволнового измерительного комплекса в части улучшения вертикального разрешения, максимальной высоты зондирования и возможности работы в более широком диапазоне внешних температур.

4. Результаты круглогодичных измерений термического режима АПС над Антарктическим плато, полученные с помощью полярной версии микроволнового температурного профилемера.

5. Результаты измерений вертикальной структуры городского острова тепла над Москвой и ее суточной, сезонной и межгодовой изменчивости, полученные на основе данных микроволновых температурных измерений. Результаты многолетних натурных измерений, полученных в различные сезоны, различных климатических условиях, в горной местности, во время полных солнечных затмений, над морской поверхностью, в аридной местности, показывающие широкие возможности разработанных дистанционных комплексов как в практике сверхкраткосрочного прогноза погоды, прогноза опасных метеорологических явлений, так и для исследования и моделирования физических процессов, протекающих в атмосфере.

6. Концепция построения системы мониторинга термической стратификации АПС на основе использования пассивной радиотеплолокационной системы.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

2-й (Фрунзе, 1986), 3-й (Харьков, 1989), 4-й (Нижний Новгород, 1991) Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере; 7-м Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Суздаль, 1986); 16-й, 20 и 22 Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Харьков, 1990; Н. Новгород, 2002; п. Лоо, 2008); Всероссийских конференциях «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (Ереван, 1990; Муром, 1992; Муром, 1999; Муром, 2009); Международном симпозиуме «Распространение радиоволн и дистанционное зондирование» (Равенскар, Великобритания, 1992); Конференциях Всемирной метеорологической организации (\Л/МО) по метеорологии и исследованию природной среды (ТЕСО-94, Женева; ТЕСО-98, Касабланка; ТЕСО-2000, Пекин, Китай; ТЕСО-2004,Братислава, Словакия; ТЕСО-2005, Бухарест, Румыния; ТЕСО-2006, Женева, Швейцария; ТЕСО-2008, Санкт-Петербург, Россия ); 21-й Генеральной ассамблее международного союза по геодезии и геофизике (Боупдер, США, 1995); 25-й Генеральной ассамблее международного геофизического союза (Лиль, Франция, 1996); Международном симпозиуме «Прогресс в электромагнитных исследованиях» (РЕЯБ-Эб, Инсбрук, Австрия, Р1ЕИЗ-2009, Москва); Международном симпозиуме по атмосферной радиации «Текущие проблемы в атмосферной радиации» (Файрнбэнкс, Аляска, США, 1996; Санкт-Петербург, 2000); Международных симпозиумах по радиационным измерениям (АЯМ-Эб, Сан-Антонио, США; АЯМ-97, Сан-Антонио, США; А1ЧМ-98, Туксон, США, АЯМ-ЭЭ, Сан-Антонио, США); Международной конференции «Радиолокационные исследования параметров облаков», Делфт, Нидерланды; Международном симпозиуме по геофизике и дистанционному зондированию (ЮАРЗЗ'97, Сингапур, 1997); Международном симпозиуме «Симпозиум по тропосферным профайлерам» (Колорадо, США, 1998); Международной конференции по микроволновой радиометрии и дистанционному зондированию окружающей среды (МЯЛО, Флоренция, Италия, 1999; Боулдер, США, 2001); Международном симпозиуме «Дистанционное зондирование атмосферы», Синдай, Япония, 2000; 5-й и 6-й и 7-й Международных конференциях по климату городов (Лодзь, Польша, 2003; Гетеборг, Швеция, 2006; Йокогама, Япония, 2009); Всероссийской конференции «Россия в Антарктике» (Санкт-Петербург, Россия, 2006); Международном симпозиуме «Физика атмосферы - наука и образование» (Санкт-Петербург, 2007); 11-й, 14-й и 15 Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2007, 2008, 2009); Всероссийской конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений» (Обнинск, Россия, 2008), а также на научных семинарах ЦАО, ИКИ РАН, ИРЭ РАН, ИФА РАН, ГМЦ РФ, НИРФИ, Центра дистанционного зондирования Метеорологической службы Великобритании (Фарнборо, 1993), Института исследования окружающей среды (Торонто, Канада,

1993), Национального института исследования окружающей среды (Цукуба, Япония,

1994),физического факультета Римского университета (Рим, Италия, 1996), Лаборатории исследования окружающей среды Национального агентства США по исследованию океана и атмосферы (Боулдер, США, 1996-1997), Института исследования климата (Цюрих, Швейцария, 1999).

Общая структура работы

Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, пяти приложений, содержит 287 страниц текста и 89 рисунков, библиография из 202 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность исследований, формулируется цель работы, защищаемые положения, указывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводится краткое описание структуры диссертации. Отмечена важность развития перспективного направления- создания аппаратурно-методической основы наземной системы мониторинга термической стратификации АПС методами пассивной радиолокации. Отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций и отдельных ученых в развитие этих методов. В то же время отмечено, что к началу выполнения данной работы ( 80-е годы XX века) существовал заметный пробел в экспериментальных данных об особенностях термической стратификации АПС над неоднородной поверхностью, о вертикальной структуре так называемого «острова тепла» над крупными городами, не проводился мониторинг термического режима АПС, данные в виде двух профилей в сутки для конкретного региона поступали только от выпусков радиозондов. Отсутствовала промышленная аппаратура не только в виде измерительных комплексов, но и в виде радиометрических приемников с необходимой частотой и чувствительностью. Данная работа и направлена на устранение этих пробелов. Отмечена значимость проведенных исследований и отличие от предыдущих работ. Отмечен личный вклад автора в достижении полученных результатов.

В первой главе обосновывается постановка цели исследований и вытекающих из нее задач по созданию автоматизированного измерительного микроволнового комплекса для непрерывных всепогодных измерений профилей температуры в АПС, основанного на приеме собственного теплового излучения атмосферы под разными углами места в максимуме полосы поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц), и его использование для исследования атмосферы.

В первом разделе показана специфика измерений профилей температуры АПС, где контрасты температур невелики и формы профилей температуры очень разнообразны (адиабатические, с инверсией температуры: приземной, приподнятой). Приводятся традиционные методы измерения профилей температуры АПС. Показано, что при многих достоинствах ни один из этих методов не удовлетворяет требованиям мониторинга термической стратификации в АПС: непрерывности, мобильности и всепогодности автоматических измерений. Даны основные соотношения, выведенные в предыдущих работах, которые будут использованы при создании микроволновых температурных

Рисунок 1. Твердотельный радиометр диапазона 60 ГГц для измерения профилей температуры стратосферы

Показано, что при постановке работы за основу был взят разработанный автором совместно со специалистами ИКИ РАН микроволновый аэростатный комплекс для измерения температуры стратосферы, главным компонентом которого был высокочувствительный микроволновый радиометр диапазона 60 ГГц (Рис. 1).

Во втором разделе проведен анализ требований к радиометрической аппаратуре и методике измерений профилей температуры в АПС, которая должна в автоматическом режиме проводить измерения профилей температуры с темпом не более 600 с и погрешностью в пределах 0,5 °С, причем результаты измерений не должны зависеть от изменений концентрации водяного пара в АПС, а калибровки должны производиться в автоматическом режиме. Показано, что необходимая точность измерений достигается путем использования

высокочувствительного радиометрического приемника (с приведенной чувствительностью не хуже 0,08 К), оптимального выбора углов наблюдений, длины волны принимаемого излучения и полосы приема, оптимального типа приемной антенны (с низким уровнем приема излучения вне основного лепестка диаграммы направленности), высокой точности расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода, оптимальным выбором метода решения обратной задачи и оптимальной конструкцией системы метеозащиты (обеспечивающей возможность измерений практически в любых погодных условиях). Приведены соотношения для решения прямой и обратных задач и анализируются особенности поглощения радиоволн миллиметрового диапазона в атмосфере. В третьем разделе анализируются методы расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода в диапазоне миллиметровых радиоволн, сравниваются результаты расчета по моделям Ван Флека-Вейскопфа, Лама, Розенкранца. Приводятся результаты экспериментальных измерений коэффициента поглощения молекулярного кислорода, проведенных на разработанной в рамках данной работы спектрометрической и дисперсионной установках (Рис. 3). В результате для дальнейшего использования выбрана модель Розенкранца как удовлетворяющая по точности, оперативности и достаточной простоте расчетов:

Г(И,Т,у) = 0,330Р2 [¿/(-V) + у2 },

Рисунок 2. Частотные зависимости коэффициента поглощения молекулярного кислорода для моделей

Ван Флека-Вейскопфа (прерывистая линия), Лама (сплошная) и Розенкранца (пунктир) при Н=0 км

Размерность: [у(И,Т,у] =

км

; [Р] = [мбар]; [Т] = [К]; Р- атмосферное

давление. В этой формуле учитываются квантовые переходы с номерами N = 1...49; V - частота излучения молекулы молекулярного кислорода; Фы - вероятность

заселенности Ы-го вращательного уровня молекулы; - коэффициент

формы линии излучения молекулярного кислорода; \Л/в - ширина нерезонансных линий излучения.

I; У

а)

б)

Рисунок 3. СВЧ установки для измерения коэффициента поглощения молекулярного кислорода (а - спектрометрическая, б - дисперсионная)

В четвертом разделе проведена оценка потенциальных возможностей угломестного радиометрического метода измерения профилей температуры в АПС с частотой в центре полосы поглощения молекулярного кислорода 60 ГГц. При этом рассматривался случай зондирования АПС в условиях отсутствия облачности и тумана. Был использован матричный подход к оценкам ошибок измерений с использованием ковариационных матриц для оптимальной схемы восстановления профилей температуры. Выражение для ковариационной матрицы ошибок Б можно записать в виде:

ад = С- СК(х)т {к(х)ск(х)т +Е + гУ К(х)С,

где С - ожидаемая ковариация предварительно известных ошибок, К - градиент из модели (весовая функция), Е - ожидаемая ковариация измеренных ошибок, Р -ожидаемая ковариация ошибок модели, х - профиль температуры атмосферы. В качестве матрицы «С» использовалась климатологическая матрица, рассчитанная на основе 2300 данных радиозондов, выпущенных каждые 12 часов в первые 8 дней каждого месяца 1992 и 1993 годов на аэрологической сети. Были проведены расчеты с использованием климатологической матрицы и данных сканирующего микроволнового радиометра с выбранными характеристиками, результаты представлены на рис. 4. Изложенный более подробно в тексте диссертации анализ

показал, что в задаче мониторинга термического режима АПС использование наземных

радиометров дает существенный выигрыш по точности по сравнению с использованием данных

климатических моделей и данных прогноза. В сигнале радиометра присутствуют флуктуации

приборного происхождения. Для оценки этих приборных помех и их последующей фильтрации были выполнены специальные

эксперименты. Одновременно двумя одинаковыми радиометрами с длиной волны 5 мм были проведены серии измерений. Один прибор принимал тепловое излучение атмосферы, второй - от эталонного «черного тела» со стабильной фиксированной температурой. Полученные данные были подвергнуты вейвлет-анализу. Нами был использован приспособленный для анализа сложных сигналов МНАТ-вейвлет («мексиканская шляпа»), имеющий узкий энергетический спектр. Частоты вейвлет-фильтров были выбраны от 0,4 Гц (меньше частоты Найквиста) до 0,004 Гц. На рисунке 5а, б приведены вейвлет спектры энергии выходных сигналов радиометров, измеряющих излучение атмосферы и эталона. Поскольку длительность участка обработки на рисунках составляет всего 80 с, низкочастотные вейвлеты близки к нулю. Как видно из рисунка, на всем временном интервале присутствуют флуктуации в высокочастотной части спектра. Затем к выходным сигналам была применена операция скользящего среднего по 10 с. Результаты представлены на рисунке 5в, г. Видно, что такая фильтрация позволяет практически исключить приборные флуктуации, т.е. получается неискаженный сигнал с флуктуациями атмосферы.

Погрешность гемперетуры, К

Рисунок 4. Среднее отклонение диагональных элементов матрицьГБ" с использованием климатологии, полученной на основе данных радиозондирования в Великобритании как первое приближение при решении обратной задачи (сплошная линия -климатическая модель, точки - при привлечении информации о текущей приземной температуре, крестики - на основе данных микроволнового радиометра)

Рисунок 5. Результаты вейвлет-анализа эффективности фильтрации и информативности сигнала, принимаемого высокочувствительным 5 -мм

радиометром.

В пятом разделе сделаны оценки влияния облаков и осадков, влияния парообразной влаги на результаты измерений. Показано, что в случае выбора для температурного зондирования частоты в максимуме полосы поглощения молекулярного кислорода 60 ГГц, где ослабление составляет 14 дБ/км, влиянием изменчивости концентрации водяного пара на результаты измерений можно пренебречь.

Вторая глава посвящена разработке радиометрической аппаратуры для автоматизированных измерений профилей температуры в АПС. В первом разделе изложены основные принципы построения радиометрической аппаратуры для измерения профилей температуры АПС. Рассмотрены основные соотношения, описывающие чувствительность радиометра, характеристики приемной системы, принципы калибровки аппаратуры. Представлены результаты разработки структурной схемы измерительного комплекса и обоснование характеристик его основных составных частей. К ним относятся: радиометрический приемник, построенный по модуляционной схеме Дикке с центральной частотой 60,4 ГГц и полосой анализа 4 ГГц, обладающий приведенной чувствительностью не хуже 0,08 К; антенная система, состоящая из двухмодового рупора-облучателя и параболического зеркала-отражателя, имеющая ширину диаграммы направленности по уровню 3 дБ, равную 2,5 градусов и уровень боковых лепестков не более - 25 дБ; система сканирования, обеспечивающая с помощью шагового двигателя перемещение зеркала-отражателя, оптические датчики, контролирующие положение зеркала-отражателя с точностью 0,5 градуса. Микропроцессорное устройство обеспечивает прием и оцифровку данных радиометра, управляет работой сканирующего устройства, обеспечивает прием информации со вспомогательных датчиков температуры, измеряющих температуру внутри прибора, температуру внутри радиометрического блока, температуру внешней среды. В случае необходимости микропроцессорное устройство может обеспечить работу прибора

без внешнего компьютера. Программное обеспечение обеспечивает прием информации, проведение автоматических калибровок, управление и контроль работой сканирующей системы, восстановление профилей температуры, составление таблицы с данными о профилях температуры атмосферы, непрерывный контроль основных технических параметров прибора и качества измерительной информации, визуализацию данных в виде высотных графиков профилей температуры, временного хода температуры на разных высотах и динамики временных изменений полей температуры. Устройство метеозащиты включает в себя радиопрозрачный тефлоновый кожух, закрывающий зеркало-отражатель, и систему вентиляторов и нагревателей, обеспечивающих работу измерительного комплекса в диапазоне внешних температур минус 40 °С - + 40 °С (рисунок 6).

Рисунок 6. Функциональная схема и принцип работы микроволнового температурного профилемера

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИ

ДИАПАЗОН ВЫСОТ ШАГ ВЫДАЧИ ДАННЫХ ПРИВЕДЕННАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТЕМП ИЗМЕРЕНИЙ МАССА ПРИБОРА ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ КАЛИБРОВКА ДИАГНОСТИКА ПРИБОРА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИАПАЗОН

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОФИЛЕМЕРА:

0-600 м

50 М 0.08 К 120 СЕК 20 Кг 40 Вт

АВТОМАТИЧЕСКАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ -40 °С - +40 °С

Во втором разделе изложена методика автоматических измерений и проведения калибровок. Для наземных абсолютных калибровок радиометров как правило используются сложные микроволновые мишени с охлаждением жидким азотом, что делает проведение автоматических измерений и автоматических калибровок весьма проблематичным. В данном случае на частоте 60 ГГц и при выбранном типе антенны при направлении в горизонт антенная температура фактически совпадает с радиояркостной температурой, а та в свою очередь с термодинамической температурой в точке установки прибора. Соответствующие обоснования приведены в данном разделе. В третьем разделе приводятся результаты расчета весовых функций измерительного комплекса, даны теоретические оценки вертикального разрешения, сделанные с использованием дельта-функции Дирака и с учетом характеристик диаграммы направленности приемной антенны. Сделан анализ наиболее известных методов решения обратной задачи-восстановления профилей температуры АПС по измеренным радиационным характеристикам: регрессионный метод, метод А.Н. Тихонова, метод статистической регуляризации, метод нейронных сетей, итерационный метод Шахина. Приводятся результаты численных экспериментов с использованием различных методов с

анализом их достоинств и недостатков для решения задачи восстановления профилей температуры АПС. В качестве оптимального был выбран метод статистической регуляризации с использованием матриц априорной информации как обладающий устойчивостью решения и достаточной точностью восстановления. Показано, что этот метод обеспечивает необходимую точность и надежность восстановления профилей температуры в АПС при условии, что радиометр обеспечивает измерение радиояркостной температуры с точностью не хуже 0,1 К.

В четвертом разделе приведены разработанные принципиальные схемы отдельных узлов измерительного комплекса, показаны их варианты на различных этапах разработки.

Описаны специально разработанные измерительные стенды, обеспечивающие измерение основных СВЧ характеристик разработанной аппаратуры: стенд контроля характеристик комплектующих СВЧ-устройств; стенд контроля электрических параметров гетеродинов; стенд контроля шумовых характеристик приемных устройств; стенд контроля характеристик радиометров в сборе; стенд контроля характеристик исполнительных устройств (рисунок 7).

" "а.

Рисунок 7. Измерительные стенды для тестирования радиотеплолокационного приемника (СВЧ радиометра)

а)

б)

Рисунок 8. СВЧ часть радиометрического приемника прямого усиления (а) и приемника, построенного по супергетеродинной схеме (б)

В частности, в первом экспериментальном образце измерительного комплекса использовалась супергетеродинная схема радиометра с использованием балансного смесителя на диодах с барьером Шоттки, гетеродин на центральной частоте 60,4 ГГц на диоде Ганна с системой термостабилизации и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) с центральной частотой 2 МГц (рисунок 86). В начале 21-го века появились микрочипы СН 2159 и созданные с их использованием СВЧ усилители, что позволило перейти к схеме прямого усиления (рисунок 8а). Это существенно повысило надежность радиометра (за счет устранения таких элементов, как смеситель, гетеродин, УПЧ). При этом та же чувствительность достигалась в более узкой полосе пропускания радиометра (4 ГГц в супергетеродинной схеме и 450 МГц в схеме прямого усиления), что позволило повысить максимальную высоту зондирования с 600 м до 1000 м с переходом от центральной частоты 60,4 ГГц на частоту 56,6 ГГц. СВЧ-усилитель (УВЧ) трехкаскадный, каждый каскад усиливает входной сигнал на 10 дВ при собственном шум-факторе 2,5-3,0 дВ. Плата синхронного детектора (СД) и управления выполнена на инверторе А01)С812 и счетверённом операционном усилителе. Плата выполняет функции нормирующего усилителя, цифрового СД, генератора опорного напряжения и схемы управления блоком термостата. На ней находятся потенциометры для подстройки усиления нормирующего усилителя и настройки параметров блока термостата. Блок термостатирования выполнен по гибридной схеме, использующей нагревательный элемент и элемент сброса избыточного тепла. Нагревательный элемент выполнен на мощном транзисторе. Элемент сброса тепла выполнен на модуле с использованием эффекта Пельтье. Управление блоком термостатирования производится с платы СД и управления, через плату датчиков. СВЧ модуль приемника состоит из терморазвязки, вентиля, модулятора, трехкаскадного УВЧ. Терморазвязка представляет собой волновод из незильбера, он же является переходом с круглого сечения антенного облучателя и прямоугольным волноводом вентиля, выполненного на СВЧ-феррите с постоянным магнитом. Модулятор - заводского изготовления, выполнен на рт-диоде. Антенная система состоит из двухмодового круглого рупора-облучателя и параболического зеркала-отражателя. Управление положением зеркала-отражателя производится с помощью шагового двигателя, концевых оптических датчиков и специальной программы пошагового управления. Система метеозащиты включает в себя радиопрозрачное тефлоновое окно с периодическим вращением для уменьшения влияния осадков, а также управляемые программно нагреватели и вентиляторы внутри защитного корпуса прибора.

В пятом разделе дано описание экспериментального образца измерительного комплекса, приводятся результаты его лабораторных и натурных испытаний, даны технические характеристики отдельных узлов измерительного комплекса.

На основе успешных испытаний экспериментального образца были созданы несколько опытных образцов измерительного комплекса, проведены их сравнения с данными радиозондов аэрологической станции Долгопрудный и подготовлены методики измерений для участия в международных сравнениях с радиозондами, привязными аэростатами, датчиками высотных метеорологических мачт (рисунки 9, 10).

Рисунок 9. Сканирующее Рисунок 10. Опытные образцы

устройство с параболическим микроволновых температурных

отражателем профилемеров

В шестом разделе приводится описание модификаций измерительных комплексов и их особенностей (рисунок 11).

Рисунок 11. Модификации микроволновых температурных профилемеров (а -стандартная стационарная версия; б - полярный вариант; в - мобильный вариант; г - вариант для работы в пустынях в жаркий период времени; д - морской вариант).

Стандартный вариант в режиме стационарных измерений изображен на рисунке 11а (пример установки в аэропорту). Наибольшее отличие от других модификаций имеет полярный вариант прибора (рисунок 116). Прежде всего, это

связано с необходимостью иметь более высокое вертикальное разрешение в первых 100 м над поверхностью Земли при измерениях в Арктике и Антарктиде, где АПС имеет небольшую высоту. Для этого необходимо использовать антенну с более узким лучом (0,5 градуса вместо 2,5 градуса в стандартной модификации). При этом резко возрастают размеры раскрыва антенны (до 1 м), а, следовательно, использование иной сканирующей системы (применяются специальные сканеры и происходит вращение не зеркала-отражателя, а антенны вместе с радиометром). Система термостатирования в полярной версии обеспечивает работу прибора при экстремально низких температурах - до минус 80 °С. Мобильный вариант (рисунок 11 в) предполагает установку профилемера на легковом автомобиле с возможностью автономных измерений во время остановок. Он отличается дополнительными мерами вибро- и метеозащиты, комплектуется системой автоматического горизонтирования и навигационным приемником. Вариант для работы в жарких условиях пустыни имеет специальную дополнительную защиту от пыли и усиленные внутренние вентиляторы что позволяет работать при температурах внешней среды до +50 °С и при пыльных бурях (рисунок 11 г). Морской вариант предполагает работу с гироплатформы и имеет дополнительную защиту от вибраций и от коррозии (рисунок 10д). Все модификации прошли успешные натурные испытания.

Третья глава посвящена результатам сравнений разработанного измерительного комплекса с традиционными средствами измерения профилей температуры АПС. В первом разделе дается сравнительный анализ измерительных систем, принимавших участие в сравнениях: системы радиозондирования; привязных аэростатов с датчиками температуры; высотных метеорологических мачт с датчиками температуры, установленными на разных уровнях; системы радиоакустического зондирования (КАБЗ); аэрозольным лидаром. Во втором разделе анализируются результаты комплексных сравнений. Впервые комплексные сравнения данных микроволнового температурного профилемера (МТП) были проведены в декабре 1993 г. совместно со специалистами метеослужбы Великобритании в г. Кардингтон, Англия. В сравнениях участвовал МТП, установленный на высоте 3 м над поверхностью Земли, радиозонды компании Вайсала, выпускаемые в 20 м от МТП, и уникальный привязной аэростат, поднимаемый на высоту до 1000 м с датчиками (пробами) температуры, влажности, скорости и направления ветра, расположенными на 11 уровнях. Измеренные МТП радиояркоскостные температуры отличались от расчетных (прямая задача - расчет по измеренным радиозондами и привязным аэростатом) со средним отклонением 0,1 К и стандартным отклонением меньше 0,3 К. Сравнение восстановленных по данным МТП профилей температуры с измеренными радиозондами и привязным аэростатом имело среднеквадратичную погрешность менее 1 К для всех выпусков. Вторые международные сравнения проводились в г. Цукуба, Япония в мае 1994 г. совместно со специалистами Института исследования окружающей среды. В сравнениях использовались данные МТП, установленного на высоте 20 м над поверхностью Земли, датчиков температуры высотной метеорологической мачты (установленных на высотах 10, 25, 50, 100,150, 200 м) и данных аэрозольного лидара. Сравнивались 1870 профилей температуры, полученных с помощью МТП и датчиков мачты, среднеквадратическое отклонение составило 0,7 К. Рассчитанная по данным МТП высота слоя перемешивания практически всегда совпадала с данными аэрозольного лидара. В декабре 1996 - январе 1997 г.г. в г. Боулдер, США,

был проведен комплексный эксперимент по сравнению профилей температуры АПС, полученных с помощью МТП, радиозондов, датчиков на высотной метеорологической мачте высотой 300 м (с датчиками температуры на уровнях 10, 50, 100, 200 и 300 м) и системы радиоакустического зондирования. Радиоакустический локатор (ЯАЭЗ) работал на частоте 915 МГц в интервале высот от 100 до 615 м при вертикальном разрешении 60 м и номинальной погрешности измерений 1,0 К. Информация с РАББ поступала каждый час, однако следует отметить, что данные измерений этим прибором были достоверны далеко не во всех метеорологических условиях, поэтому для сравнений были использованы примерно 20 % этих данных, в то время как данные МТП использовались в 100 % случаев. Результаты сравнений трех методов показали, что среднеквадратичная погрешность прибора МТП в слое 0 - 300 м составила 0,6 К. Примерно такие же результаты были получены в 2009 г. во время сравнений данных микроволнового профилемера с данными системы радиоакустического зодирования (ЯАЗЗ) и данными контактных датчиков температуры высотной метеорологической мачты в г. Обнинске (рисунок 12).

В разделе также приводятся результаты сравнений с привязными аэростатами в Риме (Италия), на Аляске (США), сравнений с датчиками высотной метеорологической мачты в Обнинске, Россия, сравнений с радиозондами в Пайерне, Швейцария и в Долгопрудном, Россия. Если суммировать все результаты сравнений, среднеквадратичная погрешность измерений прибора МТП в слое 0 - 600 м составила 0,65 К.

Рисунок 12. Эксперимент по сравнению данных микроволнового профилемера с данными контактных датчиков температуры и системой радиоакустического зондирования (г. Обнинск, 2009 г.)

В третьем разделе представлены результаты аттестации микроволнового профилемера МТП как средства измерения профилей температуры АПС. Измерение его технических характеристик проводилось во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), а анализ возможности его использования на наблюдательной сети проводился Центральной комиссией по методам и приборам Росгидромета. В результате прибор был сертифицирован Госстандартом России (сертификат № 5539 RU.C-32.002.А от 1 октября 1998 г., сертифицирован в Федеральном агентстве

по техническому регулированию и метрологии (сертификат № 30387 К. и.С.32.002.А от 13 февраля 2008 г), зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 17795-98 и допущен к применению в Российской Федерации. Решением ЦКПМ Росгидромета от 05 февраля 2004 г. № Р/04/0015/100/С измерительный комплекс получил Свидетельство Росгидромета (зарегистрировано в ведомственном реестре под № 0015.100) и допущен к применению при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, мониторинга окружающей среды, ее загрязнения. Прибор МТП получил также международный сертификат соответствия СЕ и допущен к использованию в странах Европейского союза.

В четвертой главе на основе данных, полученных с помощью микроволновых профилемеров, приводятся результаты исследования особенностей термической стратификации АПС в зависимости от внешних факторов. В первом разделе представлены результаты исследований термической стратификации городского АПС и «острова тепла» над крупными городами. Начиная с 1999 года проводились синхронные измерения профилей температуры городского АПС с помощью трех микроволновых температурных профилемеров, один из которых был установлен в центральной части г. Москвы (Красная Пресня), второй - на северной границе города (г. Долгопрудный), третий - в пригороде (г. Звенигород, примерно в 50 км на запад от центра Москвы). Измерения проводились непрерывно в течение почти 10 лет, что позволило впервые в мире получить данные о вертикальной структуре городского острова тепла, ее суточной, сезонной и межгодовой изменчивости, что внесло существенный вклад в представления о влиянии большого города на структуру АПС. Экспериментально подтверждено наличие одного из механизмов самоочищения воздушного бассейна города - городской циркуляции по типу бриза. Получены принципиально новые характеристики температурных инверсий в центре большого города и в пригороде. Показано, что температурные инверсии в центре Москвы бывают гораздо реже, чем в пригороде, и имеют меньшую интенсивность (пример приведен на рисунке 13).

Рисунок 13. Пример характеристик температурных инверсий во время антициклона (центр города Msc, ближний Dig и дальний Zvn пригороды).

Для анализа данных помимо традиционных методов использовался сингулярный анализ (Б\/0) и разложение на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ), что позволило выявить наиболее общие закономерности в исследуемых процессах.

В целом в разделе показано, что микроволновые профилемеры, основанные на использовании пассивных микроволновых радиометров, в силу своей всепогодности, мобильности и отсутствии собственных излучений (в отличие от активных приборов) открывают новые перспективы в исследованиях влияния городской среды на термический режим городского АПС

Данные профилемеров также использовались для совершенствования краткосрочного прогноза погоды в московском регионе, прогноза загрязнений и прогноза неблагоприятных метеорологических условий. Во втором разделе приводятся результаты исследований термической стратификации АПС во время редких явлений - сильной аэрозольной задымленности в Москве и пригородов во время лесных пожаров (лето 2002 г.) и во время прохождения урагана (июнь 1998 г). В ночь с 20 на 21 июня 1998 г через Москву прошел ураган, принесший большие разрушения. В зоне его действия был непрерывно работающий микроволновый радиометр, который работал в режиме непрерывных измерений излучения атмосферы с фиксированном направлении и под фиксированным углом 40°. Через пункт наблюдения ураган прошел в 23 ч 58 м 40 с. В момент прохождения фронта был зафиксирован резкий скачок радиояркостной температуры (более чем на 10 К), а затем спад с сильно заметным увеличением амплитуды флуктуаций сигнала. При этом за 4-5 минут до прохождения фронта амплитуда пульсаций теплового излучения атмосферы увеличилась в 4 раза. В июле-сентябре 2002 г. пожары торфяников под Москвой привели к крупномасштабному задымлению московского региона, в отдельные дни максимальные значения массовой концентрации субмикронного аэрозоля в 50-100 раз превышали соответствующие фоновые концентрации для летнего сезона, а дальность видимости снижалась до 100 - 300 м. Наличие большого количества аэрозоля в нижних слоях атмосферы способствовало изменению радиационного баланса атмосферы и соответственно отразилось на термической стратификации в АПС. Анализ данных непрерывно работающих в это время в городе и пригороде микроволновых температурных профилемеров позволил выявить в этот период следующие особенности. Основной эффект высокого загрязнения воздуха проявился в усилении термической устойчивости нижних слоев атмосферы. В центре города дополнительный аэрозоль и сопутствующие примеси в ранние утренние часы (при малых высотах солнца) чаще всего не вызывали существенных изменений термической структуры АПС. Днем наибольшие различия скоростей нагревания воздуха для дней с высокой и средней концентрацией аэрозоля наблюдались на верхних уровнях (300-600 м). После захода Солнца скорость остывания воздуха всего 600 метрового слоя загрязненного АПС на 0,5 градусов/час оказалась меньше скорости выхолаживания относительно чистой нижней атмосферы. В третьем разделе представлены результаты уникального эксперимента по исследованию сезонных изменений термической структуры АПС над Антарктическим ппато. Более года полярная модификация микроволнового профилемера в автоматическом режиме работала на франко-итальянской континентальной антарктической станции Конкордия, где минимальная температура достигала минус 78,6 °С (рисунок 14). Впервые в мире с помощью микроволнового профилемера удалось получить непрерывные данные о термической стратификации

АПС во все сезоны, и полярным днем, и полярной ночью, и в переходные периоды. Типичный профиль полярной ночью был следующим: приземная инверсия мощностью 20-25 градусов до высоты 150-200 м, далее изотермический профиль температуры. Однако в определенные периоды инверсия резко уменьшалась, появлялась неустойчивость на высотах 200-300 м. Полученные экспериментальные данные использовались в различных моделях итальянскими и французскими учеными и внесли свой вклад в исследование метеорологического режима Антарктиды и исследование природы катабатических ветров на этом континенте.

Рисунок 14. Типичный профиль температуры, измеренный на антарктическом плато полярной ночью 2005 г с помощью полярной версии микроволнового профилемера

В четвертом разделе представлены результаты научных экспедиций (в основном 2004-2009 годов), в ходе которых исследовались особенности термической стратификации АПС во время полных солнечных затмений, в горной местности, в аридном районе в жаркий период времени, над водными поверхностями, в прибрежной зоне. Несмотря на длительную историю исследования солнечных затмений, их влияние на процессы в АПС изучены пока недостаточно. Во время комплексной экспедиции 29 марта 2006 г в день полного солнечного затмения в г. Кисловодске были прослежены изменения потока суммарной коротковолновой радиации, метеоэлементов (скорость и направление ветра, температура и относительная влажность воздуха) и параметров турбулентности в приземном слое атмосферы, вертикальных профилей температуры в слое 0-600 м, функции распределения частиц по размерам в диапазоне 0,20 -1,5 мкм и концентрации легких ионов. Для исследования термической стратификации в АПС до, во время и после солнечного затмения использовались два микроволновых профилемера, один из которых был установлен в г. Кисловодске на высоте 870 м над уровнем моря, второй-на Кисловодской высокогорной научной станции (КВНС) Института физики

атмосферы им А. М. Обухова РАН (43,73 с.ш., 42,66 в.д., высота над уровнем моря 2070 м, плато Шаджатмаз) в 18 км южнее г. Кисловодска. Станция находится в зоне высотных лугов (которые на момент проведения эксперимента были покрыты снегом), в ее окрестностях отсутствуют источники загрязнения атмосферы. В течении года на станции преобладают западные ветры, температурный режим характеризуется слабым суточным ходом. По данным микроволнового профилемера, во время фазы полного затмения произошло снижение температуры в слое 0-600 м над поверхностью Земли, причем температура в приземном слое уменьшилась на 3,9 °С, а на высоте 600 м - на 2 °С (рисунок 15). На КВНС изменение температуры было меньше -2,5 °С, причем время наступления минимальной температуры на всех высотах почти совпадало, в то время как в городе время наступления минимальной температуры с высотой увеличивалось вплоть до 40 минут по отношению к минимуму потока солнечной радиации.

16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00 Время, час:мин

Рисунок 15. Вариации температуры воздуха 29.03.2006 в г. Кисловодске в АПС на уровнях 0, 100, 200,400 и 600 м (кривые 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно); 6 - линия, соединяющая точки минимальных температур; 7, 8, 9 - начало, середина и окончание полной фазы солнечного затмения.

Подобные экспериментальные данные были получены впервые в мире. Эксперимент был повторен 1 августа 2008 г во время полного солнечного затмения в г. Новосибирске, где также были использованы данные синхронных измерений профилей температуры атмосферы, полученные с двух разнесенных приборов МТП, но уже установленных на равнинной местности. Полученные данные качественно подтвердили результаты, полученные до этого в г. Кисловодске.

В связи со сложностью моделирования процессов в АПС в местности со сложной орографией был также проведен ряд научных экспедиций по исследованию с помощью микроволновых профилемеров термической стратификации АПС в горной местности - в долинах, ущельях, на небольших вершинах, как на Кавказе, так и в Альпах. В частности, в августе-ноябре 1999 г. измерения проводились в пункте Кларо в Швейцарских Альпах, полученные результаты использовались в крупном

Т,°С

международном проекте MAP (Mesoscale Alpine Program) при моделировании процессов в АПС горных ущелий. Микроволновые профилемеры в силу непрерывности измерений и всепогодности позволили также получить количественные характеристики особенностей термической стратификации АПС в аридных регионах в жаркий период времени. Как известно, исследованию процессов, приводящих к опустыниванию новых районов, придается в последние годы большое значение и проводится ряд комплексных научных экспедиций. В частности, в июле-августе 2007 года в Черных Землях Калмыкии, п. Комсомольский (#34975, 45°21'N, 46°02'Е) , проводилась комплексная экспедиция силами специалистов Российской академии наук и Росгидромета по исследованию такого влияния. Как было установлено ранее, даже в отсутствие пыльных бурь из вновь опустыненных регионов в жаркое время года в атмосферу выносится значительное количество тонкодисперсного аэрозоля, который затем переносится на дальние расстояния, существенно действуя на состав и качество атмосферы. Поскольку распределение концентрации аэрозоля по высоте существенно зависит от термической стратификации атмосферного пограничного слоя атмосферы (АПС), желательно синхронно с измерениями аэрозоля и параметров ветра измерять также профили температуры АПС. Обычно для этих целей в аридных регионах использовались данные радиозондов (например, аэрологической станции Сайншанд, Монголия), привязных аэростатов (США, White Sands Missile Range) или самолетные измерения (Россия, Калмыкия). Во время экспедиции в Калмыкии нами впервые для аридных районов России был использован микроволновой измеритель профилей температуры АПС, обеспечивший практически непрерывные измерения профилей температуры атмосферы от поверхности Земли до высоты 600 м. Всего было измерено 1620 профилей температуры, при этом приземная температура изменялась от +16 С ночью до +41 °С днем. Задачей измерений было получение экспериментальных количественных характеристик термического режима АПС в пустынной местности: параметры температурных инверсий, особенности температурных градиентов в слое 0+600 м с шагом 50 м в дневные и ночные часы, особенности суточного хода температуры на разных высотах. Полученные данные были использованы специалистами по атмосферному аэрозолю для анализа выноса аэрозоля в различных синоптических ситуациях.

Еще одним примером использования данных микроволновых профилемеров могут служить измерения профилей температуры АПС в прибрежной зоне Черного моря во время ветров ураганной силы («бора») в районе г. Новороссийска и на морской платформе на южном побережье Крыма (Украина). В 2006-2009 г.г. были проведены непрерывные измерения термической стратификации АПС до, во время и после прохождения «боры», данные которых использовались специалистами ИФА РАН им. A.M. Обухова при анализе процессов возникновения и прогнозирования катабатических ветров.

Пятая глава посвящена вопросам оперативного использования данных разработанных температурных профилемеров сетевыми подразделениями Росгидромета, а именно для идентификации состояния АПС и уточнения прогноза метеорологических элементов и явлений. Совместно со специалистами ГМЦ РФ были разработаны специальные методики, позволяющие использовать данные профилемеров в оперативной синоптической практике. В первом разделе приводится описание формы представления выходной информации микроволновых профилемеров, удобной для пользователей. Это обеспечивается программой

визуализации данных, разработанной на основе опыта использования данных приборов МТП. Выходная информация может быть представлена в форме таблиц с данными о значениях температуры на высотах от 0 до 600 м (1000 м) с шагом по высоте 50 м и темпом по времени каждые 2, 5 или 10 минут, в виде графиков профилей температуры (зависимости температуры от высоты), в виде термограмм (кривые изменения температуры во времени для каждой из высот), в виде температурных полей, в виде полей приращения значений потенциальной температуры, расчетных характеристик температурных инверсий в суточном ходе. Во втором разделе на основе анализа суточного хода температуры на разных высотах АПС, полученных по данным микроволновых профилемеров, на основе термограмм и полей температуры проводится идентификация термического состояния АПС и его динамики. На рисунке 16 показан пример данных для анализа.

— ———I Zvenigorod Last

Tpim^ hwltNneJ eonv.enerar :

03 0400 0600 0800 1000 12 00 14:00 16.00 10:00 20 00 22 00

УГО Г<ЧО) Тг-Та ______ЬЬ тт ___

12/10л*| 'ю'ел ; о/7£ ;ннмт

Рисунок 16. Пример типичного суточного хода температуры АПС (антициклон, весна-

лето)

Ночью развивается температурная инверсия, устойчивое состояние АПС сохраняется до 10 часов утра, после этого состояние атмосферы начинает переходить в неустойчивое. Температурная стратификация в АПС отражает локальные изменения (радиационные процессы, турбулентный обмен) и влияние крупномасштабных воздействий. В стационарных погодных условиях (в отсутствии адвекции температуры) на всех уровнях измерений прослеживается ярко выраженный суточный ход температуры. Как видно на рисунке 16, структура термического поля в ночное время является почти зеркальным отражением дневного. Такая картина показывает, что ночью основным процессом теплообмена было радиационное выхолаживание с образованием мощной приземной инверсии до высоты 600 метров с величиной инверсии почти 10 °С.

Примерно в 20 часов стала формироваться приземная инверсии температуры; к 23:00 инверсия была в 350-метровом нижнем слое (термограмма уровня Ом- самая холодная, термограмма уровня 350 м - самая теплая), а к полуночи - весь слой измерений. С наступлением ночи продолжается быстрое

понижение температуры на нижних уровнях и незначительное - на верхних. Цикл нормального суточного хода повторяется, если отсутствуют внешние факторы воздействия на АПС. Этот пример является наиболее типичным и иллюстрирует основные закономерности суточных изменений температуры в АПС. От сезона к сезону меняется лишь величина амплитуды температуры и происходит подвижка времени наступления и разрушения инверсий.

В третьем разделе приводятся примеры возможности использования данных микроволновых профилемеров для анализа состояния ночного и дневного АПС. Динамика термического поля в ночные и ранние утренние часы может служить показателем характера атмосферных процессов. При наличии температурных инверсий с использованием синоптического материала выясняется их происхождение: радиационные, адвективные, инверсии оседания, турбулентная инверсия, пульсирующие инверсии, и на основе этого уточняется прогноз температуры на последующее дневное время. Отсутствие инверсии ночью или изотермия также дают полезную информацию для синоптика. По динамике изменений температуры на верхних уровнях измерений (в слое 500-600 м) делаются оценки наличия адвективных изменений, связанных с наличием крупномасштабных преобразований.

В четвертом разделе описаны примеры диагностики по данным микроволнового профилемера признаков изменения погодных условий и предикторов для уточнения сверхкраткосрочного прогноза метеорологических элементов и явлений. В частности, по данным профилемера получается информация о наличии или отсутствии интенсивной турбулентности в АПС в ночное время, динамики развития или разрушения температурных инверсий. Используемые в оперативной практике синоптико-статистические методы прогноза температуры часто основаны на таких данных, как экстремальная температура, время наступления температурного экстремума, тип устойчивости в АПС. С высокой точностью такая информация идентифицируется по данным микроволнового профилемера и проводится уточнение прогноза температуры у поверхности Земли и в АПС.

В шестой главе рассматриваются вопросы повышения высоты зондирования до верхней границы атмосферного пограничного слоя (2,0 км) и формулируется концепция применения наземных дистанционных радиометрических комплексов для мониторинга термической стратификации атмосферного пограничного слоя. В первом разделе показано, что верхняя граница АПС для различных широт и условий состояния атмосферы может изменяться от 100 м до 2000 м. При этом использование одночастотного сканирующего метода, как было показано выше, обеспечивает максимальную высоту зондирования 1000 м.

Для повышения высоты зондирования необходимо использовать дополнительные частотные каналы, например на частотах 55 и 53 ГГц (рисунок 17). Но при этом уже необходимо учитывать влияние изменчивости концентрации водяного пара, облаков и осадков. Для экспериментального подтверждения теоретических оценок был разработан экспериментальный образец прибора, обеспечивающего измерение профилей температуры атмосферы до 2 км. Это привело к существенному усложнению и удорожанию как самого прибора, так и его абсолютных калибровок. Проведение автоматических калибровок не удавалось, т.к. для частот 55 и 53 ГГц в отличие от частоты 60 ГГц опорная точка калибровки по

направлению к горизонту является не корректной, т.к. нет совпадения радиояркостной и термодинамической температур.

Рисунок 17. СВЧ часть многоканального радиометра диапазона 5 мм (а) и радиометр в сборе без верхней крышки (б)

Во втором разделе на основе проведенных исследований обосновывается концепция применения наземных микроволновых радиометрических комплексов для мониторинга термической стратификации АПС. А именно: оптимальными для этих целей являются одноканальные сканирующие радиометрические комплексы с рабочей частотой в диапазоне 57-60 ГГц, обеспечивающие непрерывные измерения профилей температуры атмосферы в диапазоне высот 0-1000 м и имеющие автоматический режим абсолютных калибровок.

В заключении сформулированы основные выводы по проведенной работе: ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Разработана концепция построения и применения микроволновой радиометрии для термического зондирования атмосферного пограничного слоя, проведен комплекс теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, которые обеспечили создание всепогодной радиотеплолокационной автоматизированной системы контроля температурной стратификации в АПС и ее использование для исследования различных процессов в атмосфере. Разработанный измерительный комплекс обеспечивает в автоматическом режиме измерение профилей температуры в АПС в диапазоне высот от поверхности Земли до высоты 600 метров (версия «Н») и 1000 м (версия «НЕ») с выдачей профилей температуры каждые 120 с погрешностью 0,5 °С с вертикальной шкалой выдачи данных 50 м. Для этого:

1. Проведено теоретическое исследование потенциальных возможностей метода, основанного на измерении собственного теплового излучения атмосферы с использованием сканирующего одночастотного микроволнового радиометра, работающего на частоте вблизи резонансного поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц), созданного с использованием заделов по созданию микроволнового радиометра для измерения температуры стратосферы с высотных аэростатов. Определены основные требования к измерительному комплексу: приведенная

чувствительность радиометрического приемника должна быть не хуже 0,08 К, оптимальное число углов наблюдения - 11, ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности 2,5 уровень боковых лепестков не более -25 дВ, центральная частота 60,4 ГГц с полосой анализа 4 ГГц (версия «Н») или 56,6 ГГц с полосой анализа 450 МГц (версия «НЕ»), Расчеты показали, что использование данных микроволнового профилемера увеличивает точность задания профиля температуры в АПС по сравнению с данными климатической модели почти на порядок. Путем расчетов по известным моделям Ван Флека-Вейскопфа, Лама, Наумова-Жевакина и Розенкранца и проведения экспериментальных измерений на спетрометрической и дисперсионной установках для расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода выбрана модель расчета Розенкранца с учетом интерференции спектральных линий в полосе Ог, центрированной к длине волны 5 мм, как обеспечивающая необходимую точность при простоте и оперативности расчетов.

2. Разработаны структурная и принципиальные схемы измерительного комплекса, в качестве приемника излучения выбран модуляционный радиометр в двух модификациях - по супергетеродинной схеме («Н» версия) и по схеме приемника прямого усиления с СВЧ усилителем на входе («НЕ» версия), обоснован выбор его технических характеристик. В качестве сканирующего устройства используется шаговый двигатель, управляющий вращающимся параболическим зеркалом-отражателем и оптические датчики его положения. Зеркало защищено радиопрозрачным тефлоном, внутри корпуса прибора установлены вентиляторы и нагреватели, режим работы которых автоматически меняется в зависимости от температуры окружающей среды, что обеспечивает возможность работы прибора в диапазоне внешних температур минус 40 °С - +40 °С. Разработанное микропроцессорное устройство обеспечивает прием и оцифровку данных радиометра, управляет работой сканирующего устройства, обеспечивает прием информации со вспомогательных датчиков температуры, измеряющих температуру внутри прибора, температуру внутри радиометрического блока, температуру внешней среды. Программное обеспечение обеспечивает прием информации, проведение автоматических калибровок, управление и контроль работой сканирующей системы, восстановление профилей температуры, составление таблицы сданными о профилях температуры атмосферы, непрерывный контроль основных технических параметров прибора и качества измерительной информации, визуализацию данных в виде высотных графиков профилей температуры, временного хода температуры на разных высотах и динамики временных изменений полей температуры. Разработана методика проведения автоматических калибровок с использованием измерения собственного теплового излучения атмосферы в горизонтальном направлении и опорного датчика температуры. В качестве оптимального метода восстановления профилей температуры АПС был выбран метод статистической регуляризации с использованием матриц априорной информации как обладающий устойчивостью решения и достаточной точностью восстановления.

3. Созданы экспериментальный и опытные образцы микроволновых профилемеров для измерения профилей температуры АПС. Микроволновый температурный профилемер является компактным, легко устанавливаемым прибором весом 16 кг и потребляемой мощностью 40 Вт, работающим в автоматическом режиме без участия человека и необходимости в каких-либо расходных материалах. Разработано несколько разновидностей измерительных комплексов для измерения

профилей температуры АПС в различных условиях: версия «Н» с высотой зондирования до 600 м, версия «НЕ» с высотой зондирования до 1000 м, версия «П»-полярная, с возможностью работы при температуре окружающей среды до минус 80 °С и повышенным вертикальным разрешением на нижних 100 м от поверхности земли, версия «М» - мобильная, имеющая повышенную вибростойкость, автоматическую наводку на линию горизонта, оборудованную навигационным приемником и устанавливаемую на легковом автомобиле.

4. Проведены успешные международные и ведомственные сравнения данных созданных микроволновых профилемеров с традиционными методами: радиозондами, привязными аэростатами, датчиками на высотных метеорологических мачтах, лидарами, системами радиоакустического зондирования (КАБЭ). Сравнения показали, что по точности дистанционные данные не уступают контактным, при этом обладают непрерывностью и мобильностью измерений. Среднеквадратические отклонения при всех видах сравнений не превышали 1 °С, при этом всегда характер устойчивости атмосферы идентифицировался правильно.

5. Проведены измерения вертикальной структуры острова тепла над Москвой на основе данных микроволновых профилемеров и сделан анализ его суточной, сезонной и межгодовой изменчивости. Данные используются при построении и валидации различных моделей городского климата и позволяют делать оценки степени антропогенного влияния деятельности человека на атмосферу и используются в ГМЦ РФ, Мосэкомониторинге и Бюро прогноза погоды по Москве и Московской области. Впервые получены количественные трехмерные характеристики острова тепла над Москвой и их сезонной и межгодовой изменчивости.

6. Впервые проведены с помощью разработанной полярной версии микроволнового профилемера уникальные круглогодичные измерения профилей температуры АПС на станции Конкордия, расположенной на Антарктическом плато, где температура опускалась иногда до минус 78 °С. Отказов аппаратуры за все время наблюдений не было. Полученные данные использовались как составная часть исследований метеорологического режима Антарктиды и исследования природы катабатических ветров. Типичным зимним профилем был профиль в виде «клюшки»: приземная температура менялась от минус 50 °С до минус 78,8 °С, далее линейное повышение температуры с высотой (с глубиной инверсии температуры до минус 20 °С) до высот 100-150 м, затем практически изотермический профиль до максимальной высоты зондирования 9 600 м. При возникновении редких циклонов характер профиля температуры резко менялся, глубина инверсии уменьшалась, на высотах более 200 м температура начинала понижаться с высотой.

7. С помощью разработанной микроволновой аппаратуры впервые получены количественные характеристики изменчивости температуры АПС во время полных солнечных затмений (2006 г., район г. Кисловодска; 2008 г., Новосибирск). Проведены исследования особенностей термического режима АПС в горной местности (ущелья, долины и возвышенности в Швейцарских Альпах и на Кавказе), над водной поверхностью (в прибрежной зоне г. Новороссийска, в том числе во время экстремально сильных ветров - «боры»), в аридных районах (в районе Черные Земли Калмыкии в жаркий период времени), во время полных солнечных затмений (2006 г., район г. Кисловодска; 2008 г., Новосибирск), во время прохождения урагана в Москве. Полученные данные использовались при создании и валидации моделей неоднородного АПС, при анализе природы катабатических ветров, в проблеме

анализа опустынивания земель из-за влияния хозяйственной деятельности человека, в задачах исследования атмосферной радиации.

8. Совместно со специалистами ГМЦ РФ были разработаны Методические рекомендации для оперативных подразделений Росгидромета по использованию данных микроволновых профилемеров для уточнения краткосрочного прогноза погоды, прогноза опасных метеорологических явлений (туман, гололед, заморозки на почве и т.п.). Данные можно также использовать для диагностики признаков погодных условий и предикторов по выявлению признаков изменения погодных условий, например, интенсивная турбулентность ночью, инверсии температуры и их динамика, аномалии суточного хода АПС, ночная неустойчивость АПС.

9 .Проведена сертификация разработанного измерительного комплекса в Госстандарте России (сертификат № 5539 RU.C.32.002.A от 1 октября 1998 г., в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (сертификат № 30387 R.U.C.32.002.A от 13 февраля 2008 г), прибор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 17795-98 и допущен к применению в Российской Федерации. Решением ЦКПМ Росгидромета от 05 февраля 2004 г. № Р/04/0015/100/С измерительный комплекс получил Свидетельство Росгидромета (зарегистрировано в ведомственном реестре под № 0015.100) и допущен к применению при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, мониторинга окружающей среды, ее загрязнения. На момент начала 2009 г. новыми микроволновыми температурными профилемерами в рамках модернизации наблюдательной сети оснащены подразделения Росгидромета в гг. Москва, Санкт-Петербург, Оренбург, Н. Новгород, Арзамас, Уфа, Казань, Ростов-на-Дону, Самара, Норильск, Новосибирск, Красноярск, Челябинск, Хабаровск.

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано более 150 работ, в том числе 1 изобретение и 47 рецензируемых журнальных статей, явившихся основой данной диссертационной работы (как в отечественных журналах - Доклады Академии наук; Известия РАН, Физика атмосферы и океана; Известия ВУЗов, Радиофизика; Исследование Земли из космоса, Успехи современной радиоэлектроники; Вопросы радиоэлектроники; Оптика атмосферы и океана; Метеорология и гидрология, так и в зарубежных: Radio Science; IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing; Journal of Atmospheric and Oceanic Technology; Indian Journal of Radio and Space Physics; Japanese Journal of Applied Physics; Meteorological Applications; Theoretical and Applied Climatology; Bulletin of the American Meteorological Society).

Автор выражает искреннюю благодарность соавторам своих публикаций, а также проф. Горелику А. Г. за полезные консультации и плодотворные дискуссии; моим коллегам по ГУ Центральная аэрологическая обсерватория (г. Долгопрудный Московской области), а также коллегам в ИКИ РАН (г. Москва), НИРФИ (г. Нижний Новгород), ИРЭ РАН (г. Москва), СКВ ИРЭ РАН (г. Фрязино Московской области), Федеральному Государственному Унитарному Предприятию «Научно-производственное предприятие «Исток» (г. Фрязино Московской области), ИПФ РАН (г. Нижний Новгород), НПО «Тайфун» (г. Обнинск), НПО «Эталон», (г. Иркутск), ИФА РАН им. A.M. Обухова (г. Москва), ГМЦ РФ (г. Москва), ИОА СО РАН им. В.Е. Зуева (г. Томск) за содействие в работе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гайкович К.П., Кадыгров Е.Н., Косов А.С., Троицкий А.В. Термическое зондирование пограничного слоя атмосферы в центре линий поглощения кислорода. Изв. Вузов, Радиофизика, 1992 г., т. 35, № 2, с. 130-136.

2. Вествотер Е.Р., Вязанкин А.С., Гайкович К.П., Кадыгров Е.Н., Моисеев Д.Ю. Радиометрический мониторинг температуры планетарного пограничного слоя атмосферы. Метеорология и гидрология, № 3, 1999, с. 59-71.

3. Kadygrov E.N., Pick D.R. The potential for temperature retrieval from an angular-scanning single-channel microwave radiometer and some comparisons with in situ observations. Meteorological Applications, vol.5, Issue 4, 1998, pp. 393-404.

4. Кадыгров E.H. Микроволновая радиометрия атмосферного пограничного слоя: метод, аппаратура, результаты измерений. Оптика атмосферы и океана, 2009, том.22, № 7, с.697-704.

5. Westwater E.R., Han Y., Irisov V.G., Leuskiy V., Kadygrov E.N., Viazankin A.S. Remote sensing of boundary layer temperature profiles by a scanning 5-mm microwave radiometer and RASS: Comparison Experiments. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology., vol. 16, July 1999, pp. 805-818.

6. Kadygrov E.N., Shur G.N., and Viazankin A.S. Investigation of atmospheric boundary layer temperature, turbulence, and wind parameters on the basis of passive microwave remote sensing. Radio Science, vol. 38, No 3, 2003, pp. Mar 13-14-13-12.

7. Kadygrov E.N. Operational aspects of different ground-based remote sensing observing techniques for vertical profiling of temperature, wind, humidity and cloud structure./ WMO,2006, ЮМ Report N 89, WMO/TD N 1309, Geneva, Switzerland, P. 38.

8. Власов A.A., Кадыгров E.H., Глызин B.B., Куклин Е.А., Результаты лабораторных измерений коэффициента поглощения кислорода в полосе 5 мм. Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, № 7,1990 г., с. 734-738

9. Troitsky А.V., Gaykovich К.Р., Kadygrov E.N., Kosov A.S., Gromov V.A. Thermal sounding of the atmosphere boundary layer in oxygen absorbtion band center. IEEE Trans, on Geosciens and Remote Sensing, 1993, v. 31, N 1 pp. 116-120.

10. Власов A.A., Кадыгров E.H., Куклин E.A. Экспериментальное исследование температурной зависимости интенсивносгей спектральных линий кислорода в полосе 5 мм. Журнал прикладной спектроскопии, № 4, Т53, 1990 г., с. 683686.

11. Гайкович К.П., Кадыгров Е.Н., Троицкий А.В., Шапошников А.Н. Термическое зондирование пограничного слоя атмосферы на частоте 60 ГГц. В кн.: Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды. Тез. докл. Всес. конференции. Ереван, ИРФЭ АН Ар.ССР, 1990, с. 28-29.

12. Rotach,M.W.,P.Calanca,G.Graziani,J.Gurtz,D.Steyn,R.Vogt, .Andretta.A.Christen, S.Cieslik,R.Connolly,S.DeWekker.S.Galmarini, E.N.Kadygrov,V.E. Kadygrov, E.A.Miller, B.Neininger.M.Rucker, E.Van Gorsel, H.Weber, A.Weiss, and M.Zappa Turbulence structure and exchange processes in an alpine valley: The Riviera Project.// Bulletin of the American Meteorological Society, 2004, V. 85, № 9, P. 1367-1385.

13. Кадыгров E.H. Использование данных микроволнового термического зондирования для исследования и прогнозирования состояния пограничного слоя атмосферы. Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г., с. 346-347

14. Кадыгров E.H., Потапов A.A., Некоторые результаты использования радиоволн миллиметрового диапазона при наличии осадков.// Труды ЦАО, вып. 168, 1990 г., с. 76-82

15. Кадыгров E.H., Ю.В. Агапов, A.B. Колдаев, А.Н. Кутаров, Е.А. Миллер, А.Ф. Миронов, В.В. Некрасов, A.B. Троицкий, В.В. Фоломеев, А. Н. Шапошников. Мобильный микроволновый радиометрический комплекс для исследования термодинамических характеристик атмосферного пограничного слоя. Труды Веер. науч. школы и конф. «Радиофизические методы в дистационном зондировании сред», 2009, Муром, с.352-355.

16. Кадыгров E.H., A.B. Колдаев, Е.А. Миллер, A.B. Троицкий, А.Н. Шапошников. Дистанционный автоматический измеритель профилей температуры атмосферы - характеристики и результаты испытаний на антарктическом плато в 2002 - 2005 гг. Всероссийская научная конференция «Россия в Антарктике» 12-14 апреля 2006 г., г. Санкт-Петербург, с. 114-115.

17. Kadygrov Е, V. Folomeev, Е. Miller, A. Troitsky, Е. Vorobeva. Passive microwave mobile system for measurements of atmospheric boundary layer temperature profiles and water vapor content. Int. Symp. «Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-2009)», Moscow, 2009, p.1-4 (CD).

18. Кадыгров E.H., Кузнецова И.Н., Голицын Г.С. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных. Доклады Академии Наук, 2002, том 3S5, № 4, с.541-548.

19. Кадыгров E.H. Результаты использования микроволновых температурных профилемеров ЦАО в задачах исследования атмосферного пограничного слоя. Труды Международного симпозиума «Физика атмосферы: наука и образование», Санкт-Петербург, 2007, с.126-129.

20. Горчаков Г.И., E.H. Кадыгров, A.A. Исаков, A.B. Карпов, Е.А. Миллер. Влияние солнечного затмения на термическую стратификацию и режим турбулентности. Доклады Академии наук, 2007, том 417, № 1, ноябрь 2007, с.90-93.

21. Власов A.A., Кадыгров E.H. Микроволновая термометрия средней атмосферы с аэростата. Доклады АН СССР, N 313, т.4,1990 г., с. 831-834 .

22. Хайкин М.Н., E.H. Кадыгров, И.Н. Кузнецова. Влияние высокой концентрации аэрозоля на термическую структуру пограничного слоя атмосферы. Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2006, том 42, № 6, с. 778-784.

23. Kadygrov E.N. Microwave temperature profilers-application for urban climate investigations. Proceedings of 5-th Intern. Conf. on Urban Climate, 2003, Lodz, Poland, vol.2, 331-334.

24. Кадыгров E.H., A.B. Колдаев, Е.А. Миллер, B.B. Соколов, М.Н. Хайкин. Исследование неоднородности острова тепла в г. Нижний Новгород с помощью мобильного дистанционного измерителя профилей температуры атмосферы. Метеорология и гидрология, 2007, № 2, с. 54-66.

25. Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н., Кадыгров E.H. Влияние городской среды на температуру в пограничном слое атмосферы по данным микроволновых

измерений в Москве и окрестностях - Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2004, т. 40, № 5, с. 678-688.

26. Комаров B.C.,С.Н.Ильин, А.В. Креминский, Е.Н.Кадыгров, А.В. Лавриенко, Н.Я. Ломакина, С.Л. Одинцов, Ю.Б.Попов, А.И. Попова, В.А. Федоров. Об опыте использования динамико-стохастического метода прогноза в задаче предсказания параметров состояния пограничного слоя атмосферы по данным радиометрических и содарных измерений. Оптика атмосферы и океана, 2005, т. 18, № 5-6, С.482-484.

27. Khaikine M.N., I.N. Kuznetsova, E.N. Kadygrov, E.A. Miller. Investigation of thermal-spatial parameters of an urban heat island on the basis of passive microwave remote sensing. Theoretical and Applied Climatology, 2006, vol. 84, N 1-3, pp. 161-169.

28. Argentini S., Conidi A., Kadygrov E.N. Temperature measurements at Dome С using a new microwave temperature profiler. In book: Confer. Proc., Italian Physical Society, 2004, V. 89, Ed. M. Colacino, SIF, Bologna, P. 215-227.

29. Кадыгров E.H., Шапошников A.H. Способ дистанционного измерения температуры стратосферы в микроволновом диапазоне. А.с. N 1626912А1 от 08.1990 г

30. Чунчузов И.П., С.Н. Куличков, А.И. Отрезов, В.Г. Перепелкин, М.А. Каллистратова, В.Н. Товчигречко, Е.Н. Кадыгров, Р.Д. Кузнецов. Акустическое исследование мезомасштабных флуктуации скорости ветра в устойчивом пограничном слое атмосферы. Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2005, том 41, № 6, с. 761-782.

31. Вязанкин А.С., Кадыгров Е.Н., Мазурин Н.Ф., Троицкий А.В., Шур Г.Н. Сравнение данных микроволнового радиометра и высотной метеорологической мачты при измерениях профиля температуры и структуры ее неоднородностей. Метеорология и гидрология, 2001, № 3, с.34-44.

32. Власов А.А., Кадыгров Е.Н., Шапошников А.Н. Выбор модели расчета коэффициента поглощения кислорода для определения температурного профиля атмосферы по микроволновым измерениям с ИСЗ. Исследование Земли из космоса, № 1,1990 г., с. 36-39

33. Власов А.А., Кадыгров Е.Н., Куклин Е.А., Глызин В.В., Ловцова О.А. Экспериментальное определение интенсивностей спектральных линий кислорода в полосе 5 мм при низких давлениях. Оптика атмосферы и океана, т. 3, № 4,1990 г., с. 368-372

34. Кадыгров Е.Н., Власов А.А., Шапошников А.Н., Шифрин Д.М., Троицкий А.В., Анискович В.М., Будилович Н.В., Косов А.С., Струков И.А., Скулачев Д.П., Измерение радиотеплового излучения стратосферы в диапазоне 57-61 ГГц с аэростата. Вопросы радиоэлектроники, сер. ОВР, № 2, 1990 г., с. 28-34

35. Кадыгров Е.Н., Кокин Г.А., Потапов А.А. Приборы миллиметрового диапазона волн для исследования озонового слоя Земли. Зарубежная радиоэлектроника, № 10, 1989 г., с. 52-66.

36. Westwater E.R., Kadygrov E.N., Irisov V.G., Leuskiy V.Y., Han Y. Multi-sensor measurements of Boundary Layer Temperature Profiles. Proc. of 7-th Atmospheric Radiation Measurement Science Team Meeting, San-Antonio, USA, 3-7 March, 1997, p. 311-315.

37. Власов А.А., Кадыгров Е.Н., Косов А.С., Струков И.А., Троицкий А.В. Аэростатный эксперимент по измерению радиоизлучения атмосферы на волне 5 мм. Исследование Земли из космоса № 5, 1990 г., с. 11-17.

38. Горчаков Г.И, Е.Н. Кадыгров, З.В. Кортунова, А.А. Исаков, А.В. Карпов, В.М. Копейкин, Е.А. Миллер. Затменные эффекты в пограничном слое атмосферы. Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2008, том 44, № 1, с. 104-1150.

39. Власов А..А., Кадыгров Е.Н., Шапошников А.Н. Радиофизические аспекты термического зондирования стратосферы со спутников на линиях поглощения кислорода в диапазоне частот 55-65 ГГц. Изв. вузов. Радиофизика, № 3, 1992 г., с. 240-246.

40. Matsui I., Sugimoto N., Maksyutov S., Inoue G., Kadygrov E., Vyazankin S. Comparison of Atmospheric Boundary Layer Structure Mesured with a Microwave Temperature Profiler and a Mie Scattering Lidar. Japanies Journal Applied Physics, vol. 35, Port I, No 4A, April 1996., pp. 2168-2169.

41. Власов A.A., Кадыгров E.H., Потапов А.А. Лимбовая радиоспектрометрия атмосферы на миллиметровых волнах. Успехи современной радиоэлектроники. №3,1997, с. 56-65.

42. Кадыгров Е.Н., Колдаев А.В., Миллер Е.А., Миронов А.Ф., Некрасов В.В., Фоломеев В.В., Шапошников А.Н., Хайкин М.Н. Сканирующий радиометрический комплекс для измерения профилей температуры атмосферного пограничного слоя. Труды XXII Всерос. Научной конференции «Распространение радиоволн» (РРВ-22), 2008, г. Ростов-на-Дону, п. Лоо, изд.ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет», Актуальные проблемы современной науки, Сборник научных трудов, т.З, стр.43-45.

43. Кадыгров Е.Н. Разработка метода и экспериментальной аппаратуры для дистанционного термического зондирования стратосферы с ИСЗ в радиодиапазоне. Автореферат диссертации на соискание уч. степени канд. физ.-мат. наук. Долгопрудный, 1990 г.

44. Gromov V.D., Kadygrov E.N., Kosov A.S. Remote sensing of atmospheric boundary layer at 5 mm wavelength. Open symposium 'Wave propagation and remote sensing". Ravenscar, UK, 8-12 June 1992. p. 3.4.1-3.4.5.

45. Власов A.A., Кадыгров E.H., Сорокин М.Г. О возможности калибровки микроволновых измерений по горизонтальному излучению свободной атмосферы. Исследование Земли из космоса, № 5,1992 г., с. 27-30.

46. Koprov В.М., Koprov V.M., Kadygrov E.N., and Makarova T.I. On the features of radiative and convective regimes under the cumulus cloudiness. Izv. RAN, Physics Atmosphere and Ocean, 2004, vol. 40, N 4, 470-484.

47. Кадыгров E.H., Колдаев A.B., Хайкин М.Н. Результаты измерения водозапаса облаков с помощью радиометров миллиметрового диапазона. Известия АН. Физика атмосферы и океана, том 30, № 2,1994, с. 230-232.

48. Вязанкин А.С., Кадыгров Е.Н., Троицкий А.В., Шур Г.Н. Исследование флуктуаций теплового излучения пограничного слоя атмосферы при прохождении московского урагана в июле 1998 г. Метеорология и гидрология, № 10, 1999, с. 15-24.

49. Koldaev A., Kadygrov Е., Mironov A. Microwave ground-based unattended system for clouds parameters monitoring. In book: Microwave radiometry and

remote sensing of the Earth's surface and atmosphere. Ed. P. Pampaloni and S. Paloscia, VSP, 2000, pp. 193-201.

50. Kadygrov E., Miller E., Fujiyoshi Y., Wakatsuchi M. Investigation of atmospheric boundary layer thermodynamics at the Sakhalin Island by using a microwave temperature profiler. In: Proc. of Int. Symp. «Remote sensing of the Atmosphere, Environment II», 9-12 October 2000, Sendai, Japan. SPIE vol. 4152, pp. 310+318.

51. Вязанкин A.C., Вязанкин C.A., Кадыгров Е.Н., Колдаев А.В., Лыков А.Д., Миронов А.Ф., Троицкий А.В., Шапошников А.Н. Новый дистанционный микроволновый измеритель профилей температуры пограничного слоя атмосферы полярных районов (МТП-5П). Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г., с. 348-349.

52. Анискович В.М., Будилович Н.В., Нечаев В.Г., Кадыгров Е.Н., Немлихер Ю.А., Рукавицын А.Ф., Косов А.С., Кряков Е.П., Скулачев Д.П., Струков И.А., Тандит А.В. Многоканальный спектрометр на линию кислорода для измерения температуры стратосферы. В кн.: IV Всес. школа по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере. Тез. докладов, Н.Новгород, 1991 г., с. 198-199.

53. Миллер Е.А., Воробьева Е.А., Кадыгров Е.Н. Анализ межсезонных и межгодовых особенностей температурной стратификации городского острова тепла. Оптика атмосферы и океана, 2009, т.22, № 6, с.558-561.

54. Вязанкин А.С., Вязанкин С.А, Жадин Е.А., Кадыгров Е.Н. Анализ вертикального распределения температуры в пограничном слое атмосферы в пригороде и мегаполисе. Метеорология и гидрология, 2003, № 7, стр. 5-12.

55. Власов А.А., Глызин В.В., Кадыгров Е.Н., Куклин Е.А., Ловцова О.А., Шапошников А.Н. Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента поглощения молекулярного кислорода в миллиметровом диапазоне волн. Труды ЦАО, 1992, вып. 176, с. 111 -119.

56. Kadygrov Е., Khaikine М., Kuznetsova I., Miller Е. Investigation of urban heat island on the basis of stationary and mobile microwave systems for remote measurements of atmospheric temperature profiles. Proc. Of SPIE, Optical Technologies for Atmospheric, Ocean and Environmental Studies, vol. 5832, part two, 2005, Bellingam, Washington,pp.502-513.

57. Kosov A.S., Kadygrov E.N., Vlasov A.A., Strukov I.A., Skulachev D.P., Results of the balloon measurements of the stratosphere radiothemal radiation at 5 mm. Adv.Space Res, Vol.13, N2, 1993, pp. 209-212.

58. Gorelik A.G., Sterljadkin V., Kadygrov E., Koldaev A. Microwave and IR radiometry for estimation of atmospheric radiation balance and sea ice formation. In: Proc. of 11-th ARM Science Teem Meeting, Atlanta, USA, March 19-21, 2001, 7pages, http://www.arm.qov/docs/documents/technical/conf 01103/qorelic.ag.pdf.

59. Golitsyn G.S., Kadygrov E.N., Kuznetsova I.N. Microwave remote sensing investigation of the atmospheric boundary layer thermal regime above an urban area. Proc. of 12 ARM Science Team Meeting, St. Petersburg, Florida, April 8-12, 2002, p. 1-7

(http://www.arm.qov/docs/documents/technical/conf 0204/golitsvn(1Vq.s.pdf).

60. Viazankin A., Kadygrov E„ Koldaev A., Viazankin S., Argentini S., Troitsky A., Mironov A. New microwave temperature profiler for investigation of atmospheric

boundary layer in Arctic and Antarctic. Proc. of WMO Technical Conf. on Meteorological and Environmental Instruments and Methods of observations (TECO-2002). Bratislava, Slovakia, Sept. 2002, p. 1-4, CD.

61. Китай Ш.Д., Ошарина H.H., Троицкий A.B., Кадыгров Е.Н., Миллер Е.А. Развитие методов решения обратных задач микроволнового зондирования температуры пограничного слоя атмосферы. Тезисы докл. Второго per. сем. Распространение микроволн в природных средах. Н. Новгород, 2003, Рег.отд.Научного совета РАН «Распространение радиоволн», с.17-18.

62. Кадыгров Е.Н., Миллер Е.А. Результаты сравнений профилей температуры, полученных с помощью дистанционных профилемеров и датчиков высотных метеорологических мачт. Тез. докладов Всерос. Научной конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений», 2008, Обнинск, с. 61-64.

63. Ivanov A., Kadygrov Е. The method and technique for remote measurements of boundary layer temperature profile. WMO Report N 57. Instruments and Observing Methods. WMO/TD N 588, Geneva, 1994, pp. 407-412

64. Kadygrov E., M. Khaykin, E. Miller, I. Kuznetsova, M. Nakhaev. Study of urban heat island on the basis of stationary and mobile microwave temperature profilers data. Proc. of 6-th International conference on Urban climate, June 12-16, Goteborg, Sweden, 2006, pp. 160-163.

65. Koldaev A, J.W. Strapp, E.Kadygrov, A. Khaldin. Ground-based microwave measurements of winter clouds parameters.//Proc. of Int. Symp. «Radar sensing of cloud parameters», 1999,Delft, Int.Res.Centre of Telecom-Trans.and Radar, pp.33-38.

66. Kadygrov E.N., Agapov Yu.V., Folomeev V.V., Granberg I.G., Shaposhnikov A.N., Vorobeva E.A. Observations of the feature of the atmospheric boundary layer thermal regime at the arid area in a hot season. Proc. of the WMO Tech. Conference «On meteorological and environmental instruments and methods of observation (TECO-2008)». St. Petersburg, November 2008, Report N 96, WMO/TD N 1462,CD, pp. 1-8.

67. Кадыгров E.H., Потапов A.A., Ожерельев A.B. Влияние пространственной структуры метеорологических полей на радиолокационные изображения земных покровов в диапазонах СМВ и ММВ. В кн.: Статистический синтез и анализ информационных систем.//Тез. докл. Всес. НТС., Ульяновск, УПИ, ч.П, 1989 г.. с.67

68. Кадыгров Е.Н., Ю.В. Агапов, А.В. Колдаев, А.Н. Кутаров, Е.А. Миллер, А.Ф. Миронов, В.В. Некрасов, А.В. Троицкий, В.В. Фоломеев, А. Н. Шапошников. Мобильный микроволновый радиометрический комплекс для исследования термодинамических характеристик атмосферного пограничного слоя. Труды Веер. науч. школы и конф. «Радиофизические методы в дистанционном

Кадыгров Евгений Николаевич

ПАССИВНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Автореферат

Подписано в печать 27.07.10. Формат 60 * 84 '/16. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 100 экз. Заказ № ф-4н.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Отдел автоматизированных издательских систем «ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ» 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

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 профилемера.

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 RASS, лидары).

3.3 Сертификация разработанной измерительной аппаратуры.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ

СТРАТИФИКАЦИИ 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.

Температура является важнейшим параметром при описании ряда процессов, происходящих в атмосфере: термический режим, циркуляция, волны и т.д. Не случайно наиболее распространенной является стратификация атмосферы по температурному признаку: тропосфера (0 15 км), стратосфера (15 55 км), мезосфера (55 -5- 85 км), термосфера (85 400 км), экзосфера (выше 400 км) [11]. В тропосфере в среднем температура убывает с высотой с вертикальным градиентом 6,5° С на 1 км. Однако в нижнем слое тропосферы довольно часто бывают метеорологические ситуации, когда температура на определенных высотах не убывает, а увеличивается с повышением высоты. Особенно часто это бывает в атмосферном пограничном слое (АПС) - от поверхности Земли до максимальных высот 1,0 -г 1,5 км, для которого определяющим фактором является турбулентное трение [11,19,88,99,122,131]. Исследования нижней тропосферы, или атмосферного пограничного слоя (АПС), расположенного между поверхностью Земли и свободной атмосферой, необходимы для целого ряда фундаментальных задач физики атмосферы и практической метеорологии и экологии. В АПС происходит обмен импульсом, теплом и влагой между подстилающей поверхностью (поверхностью суши и океана) и атмосферой [18,19,21,48,56,72,86,88,97,122,124,131]. При этом одним из важнейших метеорологических параметров АПС является температура и ее высотное распределение (термическая стратификация), характеризующее степень устойчивости состояния атмосферы. Указанный параметр широко используется в системах экологического мониторинга, контроля условий распространения радиоволн, прогноза опасных метеорологических явлений, исследованиях так называемого «острова тепла» - термического купола над крупными городами, в моделях переноса загрязняющих примесей [11,18,65,79,86,99,100,131]. Традиционно для измерения профилей температуры атмосферы использовались контактные датчики (термометры сопротивления, термисторы), поднимаемые на радиозондах, привязных и свободных аэростатах, самолетах, метеорологических ракетах, либо установленные на высотных метеорологических мачтах [11,60,79]. Их наиболее важным преимуществом является высокое вертикальное разрешение и относительная простота используемой аппаратуры. К недостаткам следует отнести отсутствие возможности проведения непрерывных измерений (кроме высотных метеорологических мачт), высокая стоимость эксплуатации, невозможность глобальных измерений и сложность введения различных радиационных поправок к данным датчиков температуры при наличии прямого солнечного излучения. В конце 50-х — 60-х гг. начали развиваться дистанционные методы исследования атмосферы, резким толчком к дальнейшему развитию которых было появление искусственных спутников Земли [10,13,23,27,29,61,64,79,158,159]. В зависимости от используемого диапазона волн эти методы подразделялись на инфракрасные, оптические, микроволновые и акустические. Идея восстановления профиля температуры по данным спутниковых наблюдений теплового инфракрасного излучения была впервые выдвинута в 1956 году [158]. Было показано, что угловое распределение интенсивности излучения является лапласовским преобразованием распределения интенсивности Планка как функции оптической глубины, и продемонстрирована возможность получения профиля температуры по данным спутниковых сканирующих измерений интенсивности. В 1959 году эта идея была развита в [159], при этом было показано, что вертикальный профиль температуры атмосферы можно получить из спектрального распределения ее излучения. Позднее стали появляться наземные дистанционные приборы: лидары, системы радиоакустического зондирования (RASS) [11,13,14,57,58,72,73,79,83,154].

Развитие получили и методы измерения температуры атмосферы, основанные на использовании радиодиапазона волн. Интенсивное развитие дистанционных радиофизических методов исследования земной атмосферы в последние четыре десятилетия связано, в первую очередь, с освоением микроволнового диапазона волн и возможностью использования результатов зондирования для изучения физико-химических параметров окружающей среды и метеорологии [5,14-16,29,49,61,78,79,101,103,107,154]. В системе дистанционных методов зондирования радиофизические методы имеют существенные преимущества, связанные с возможностью оперативного и непрерывного получения информации в любое время суток и практически при любых метеорологических условиях. Радиофизические методы по принципу действия подразделяются на активные (радарные, радиоакустические) и пассивные (обычно называемые радиометрическими) [2,6,10,79,109,117]. Радиометрические методы зондирования основаны на приёме собственного (теплового) радиоизлучения среды исследования и на взаимосвязи радиохарактеристик этого излучения (интенсивности, поглощения, поляризации) с физическими параметрами среды [14-16,78,79,169,197]. Особенностью микроволнового излучения земной атмосферы является чувствительность его характеристик к большому числу физико-химических параметров - температуре, влажности, водности облаков, давлению, газовому составу, параметрам турбулентности [14].

Первые работы по радиометрическому исследованию собственного излучения земной атмосферы относятся к 50-м - 70-м годам прошлого века [9,14,15,42,51,5255,75,87,101,123,137,136,163,169,176-178,197,198]. В них разработаны методы измерения поглощения радиоволн в атмосфере и получены первые сведения о поглощении радиоволн в кислороде и водяном паре. В то же время М. Микс и А. Лиллей выдвинули идею дистанционного определения профиля температуры атмосферы с использованием микроволновой линии поглощения кислорода [169]. В этих работах впервые сформулирована постановка обратной задачи дистанционного зондирования температуры атмосферы. Первые радиометрические приборы для измерения профилей температуры атмосферы были использованы на искусственных спутниках Земли [14,29,61,79]. В 70 - 80-х годах прошлого века в NOAA (Боулдер, США) и в СССР (НИРФИ, г. Н.Новгород; ИРЭ РАН, г. Москва), на фоне общего развития радиофизических методов исследования атмосферы были созданы экспериментальные образцы наземных радиометрических комплексов для измерения профилей температуры тропосферы, но они были сложными в обслуживании приборами, требующими трудоемких калибровок и высококвалифицированного персонала для проведения измерений, изготовлены были в единственном экземпляре и при этом не обладали необходимой чувствительностью для измерения профилей температуры АПС [1,14, 49,50,75,116,117,134,137]. Использовался частотный метод измерений на склоне полосы поглощения молекулярного кислорода, центрированной к длине волны 5 мм, что не обеспечивало необходимого вертикального разрешения при измерениях нижних слоев тропосферы. В это же время, как в нашей стране, так и за рубежом появился ряд теоретических работ, описывающих возможность измерений профилей температуры в АПС с использованием методов пассивной радиолокации [2,14,37,38,82,109,185,197]. Однако не удавалось реализовать эти рассуждения на практике из-за наличия серьезных специфических трудностей проведения таких измерений: необходимости измерений приращений в доли градусов на фоне мощного (300 К) излучения атмосферы в этом диапазоне, что требовало очень высокой чувствительности приемного радиотеплолокационного устройства; многообразия типов профилей температуры и их сильной изменчивости, что усложняло решение обратной задачи; высоких требований к форме диаграммы направленности приемной системы [22,37,38,72,145,149]. Измерительный прибор должен быть компактным, переносным, легко калибруемым и всепогодным. В 1989-1991 г.г. в рамках создания микроволнового радиометрического комплекса для измерения температуры стратосферы автором совместно со специалистами ИКИ РАН (И.А. Струков и его сотрудники) были успешно проведены измерения профилей температуры стратосферы с борта высотных аэростатов [25-28,62-64,146,195]. Основой комплекса был новый твердотельный компактный высокочувствительный микроволновый радиометр с рабочими длинами волн в районе 5 мм, экспериментальные технологии которого были взяты за основу создания наземного микроволнового радиометра для измерения профилей температуры АПС [25,28]. Учитывая специфически высокие требования к измерениям профилей температуры АПС по сравнению со стратосферой и тропосферой, необходимо было решить задачи по созданию высокочувствительных радиометров 5 мм диапазона с высокой стабильностью, сделать теоретические оценки достоверности получаемой информации, разработать методику автоматизированных измерений, проведения калибровок, разработать конструкцию метеозащиты аппаратуры для работы в широком диапазоне внешних температур и метеоусловий, преодолеть специфические трудности при решении обратной задачи по восстановлению температурных профилей, провести сравнения с традиционными средствами измерений, сертифицировать разработанную измерительную аппаратуру и обеспечить ее внедрение на наблюдательных сетях [72]. Все эти проблемы были успешно решены, что вносит свой вклад в дальнейшее развитие современных радиофизических методов и аппаратуры для исследования природной среды. Для измерений был выбран метод углового сканирования в максимуме полосы поглощения молекулярного кислорода [37,38,72,187]. Важным достоинством радиофизических методов исследования атмосферы является тот факт, что микроволновые измерения менее зависят от погодных условий и аэрозольной компоненты атмосферы в отличие от измерений в оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн. В работе представлен результат комплекса теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских исследований, которые обеспечили создание и внедрение автоматизированной дистанционной всепогодной системы контроля термического режима атмосферного пограничного слоя (АПС) и получение новых уникальных данных о его особенностях в различных внешних условиях [30, 38, 45, 65, 72, 81, 85, 121, 125,140,145, 148,149, 150, 155, 157, 187, 201]. Проведены многочисленные сравнения новых дистанционных данных с традиционными методами измерений, что позволило сертифицировать разработанную аппаратуру в государственных органах [31, 66, 71, 145, 149, 181, 201]. Микроволновые температурные профилемеры внесены в государственный реестр средств измерений, и рекомендованы для использования на наблюдательной сети Росгидромета. Совместно со специалистами Гидрометцентра РФ разработаны Методические рекомендации по анализу данных профилемеров и их использованию в оперативной практике сверхкраткосрочного прогноза погоды и прогноза метеорологических явлений, утвержденные Центральной методической комиссией по прогнозам (ЦМКП) Росгидромета и внедренные на всех пунктах наблюдательной сети Росгидромета, оснащенных микроволновыми температурными профилемерами. Автоматизированный комплекс создан на базе разработанного в ходе данной многолетней работы уникального сканирующего микроволнового радиометра, работающего в центре полосы поглощения молекулярного кислорода (частота 60 ГГц или длина волны 5 мм). Измерительный комплекс обеспечивает непрерывность, мобильность и всепогодность измерений профилей температуры в АПС, что не давали традиционные методы измерений [22,31,32,60,68,70,72,142,145,147,149,153,154,155]. Благодаря этому с помощью микроволновых температурных профилемеров впервые получены уникальные данные о физических процессах в атмосфере: исследована вертикальная структура городского острова тепла и ее сезонные и межгодовые особенности [33,36,65,67,72,85,140,141,150,152,156]; получены непрерывные статистические данные о характеристиках температурных инверсий над крупнейшими городами Российской Федерации [65,67]; исследовано воздействие высоких концентраций аэрозоля на термическую стратификацию в городе и в пригороде [121,141]; исследованы особенности термической стратификации АПС над Антарктическим плато во все сезоны [68,125-127,151]; исследованы особенности термической стратификации АПС во время полных солнечных затмений, как на равнине, так и в горной местности [39,45,46,156]; исследовано влияние ветров ураганной силы на термическую стратификацию АПС [30, 102]; исследованы особенности термической стратификации АПС в береговой зоне о. Сахалин во время становления льдов в Охотском море [68,148]; исследована динамика термической стратификации АПС в разных синоптических ситуациях в аридном регионе в жаркий период времени [69,157]; исследованы особенности и закономерности термической стратификации в ущельях и долинах Альп и Кавказа [35,84,181].

Цель работы

Целью работы является разработка концепции построения и применения пассивной радиолокации для измерения профилей температуры в атмосферном пограничном слое, проведение комплекса теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, которые должны обеспечить создание всепогодной автоматизированной системы контроля температурной стратификации в АПС на базе использования сканирующей по углу места радиометрической аппаратуры, работающей в центре полосы поглощения молекулярного кислорода земной атмосферы (длина волны 5 мм), а также применение разработанной аппаратуры для исследования особенностей термической стратификации АПС при различных внешних условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие.задачи:

1. Провести теоретическое исследование потенциальных возможностей радиотеплолокационного метода, основанного на измерении собственного теплового излучения атмосферы с использованием сканирующего одночастотного микроволнового радиометра, работающего на частоте вблизи резонансного поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц) с использованием опыта, накопленного в процессе создания и проведения лабораторных и натурных испытаний микроволнового радиометра для измерения температуры стратосферы с высотных аэростатов. Выбрать и обосновать оптимальную схему расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода в диапазоне 60 ГГц и провести его измерения на специально созданных экспериментальных установках, разработать методику проведения автоматических калибровок, провести оценку информативности сигналов на выходе радиометра, выбрать оптимальный метод решения обратной задачи и провести численный эксперимент по восстановлению профилей температуры нижней части тропосферы.

2. Разработать структурную схему измерительного комплекса, обосновать выбор его технических характеристик, оптимальные значения углов сканирования, оптимизировать конструкцию, обеспечивающую проведение измерений практически в любых метеорологических условиях, создать экспериментальный и опытные образцы измерительного комплекса.

3. Разработать несколько модификаций измерительных комплексов для измерения профилей температуры в АПС в различных условиях (стационарный, мобильный), разработать полярную версию прибора с возможностью проведения непрерывных измерений в условиях экстремально низких температур и имеющую более высокое вертикальное разрешение.

4. Провести сравнения данных созданных микроволновых профилемеров с традиционными методами: радиозондами, привязными аэростатами, датчиками на высотных метеорологических мачтах, лидарами, системами радиоакустического зондирования (11А88). Исследовать возможность повышения высоты зондирования.

5. С помощью разработанной микроволновой аппаратуры провести измерения вертикальной структуры острова тепла над Москвой, провести исследования особенностей термического режима в АПС в горной местности, над водной поверхностью, в аридных районах, во время полных солнечных затмений.

6. Разработать рекомендации по использованию данных разработанных микроволновых температурных профилемеров в оперативных подразделениях Росгидромета для анализа состояния устойчивости нижней атмосферы, уточнения краткосрочного прогноза погоды и прогноза опасных метеорологических явлений.

Особенно необходимо отметить, что нужно было провести сертификацию разработанных профилемеров в Росгидромете и в Государственном агентстве по техническому регулированию и метрологии, внести разработанный измерительный комплекс в Государственный реестр средств измерений и обеспечить внедрение на наблюдательной сети Росгидромета в рамках проведения ее технического переоснащения и модернизации.

Научная новизна

1. Впервые в мировой практике аэрологического зондирования на основе разработанной концепции построения и применения микроволновой радиометрии для термического зондирования атмосферного пограничного слоя теоретически обоснован и реализован дистанционный автоматизированный радиотеплолокационный комплекс, основанный на приеме сканирующим радиометром собственного теплового излучения атмосферы в центре полосы поглощения молекулярного кислорода 60 ГГц, обеспечивающий получение практически непрерывной круглосуточной информации о профилях температуры в АПС, по точности и достоверности не уступающий стандартному радиозондированию атмосферы и контактным датчикам, установленным на высотных метеорологических мачтах и привязных аэростатах.

2. Впервые на основе современных достижений радиоэлектроники и техники СВЧ создан серийный всепогодный температурный микроволновый профилемер, обеспечивающий в полностью автоматическом режиме практически непрерывные измерения профилей температуры в АПС, проведена его сертификация как средства измерения и обеспечено его внедрение на наблюдательных сетях, а также созданы его стационарная, мобильная и полярная версии.

3. Проведены впервые комплексные сравнения данных дистанционных автономно работающих микроволновых профилемеров для измерения профилей температуры в АПС с данными радиозондов, привязных аэростатов, датчиков на высотных метеорологических мачтах, аэрозольными лидарами и системами радиоакустического зондирования (КАЗБ), показавшие, что микроволновые профилемеры по точности не уступают традиционным методам, но обладают непрерывностью, мобильностью и всепогодностью.

4. С помощью специально разработанной полярной версии микроволнового температурного профилемера впервые получены непрерывные данные в течение года над Антарктическим плато, в том числе и в условиях экстремально низких температур (минус 78,5° С), что явилось вкладом в исследование катабатических ветров и динамики термического режима атмосферы в Антарктиде.

5. На основе данных синхронно работающих микроволновых профилемеров впервые детально изучена вертикальная структура городского острова тепла над крупным городом и ее суточная, сезонная и межгодовая изменчивость. Во время полных солнечных затмений впервые получены и детально проанализированы непрерывные синхронные данные о термическом режиме в АПС на разных высотах до, во время и после полной фазы затмения путем двухточечных синхронных измерений микроволновыми температурными профилемерами, показавшие различную динамику изменений температуры атмосферы для мест наблюдений с различной орографией. Созданные специальные версии микроволновых температурных профилемеров позволили получить новые экспериментальные данные об особенностях термического режима АПС в аридном регионе в жаркий период времени, в горной местности (ущелья, долины, возвышенности), над морской поверхностью вблизи береговой зоны во время экстремально сильных ветров, что используется при моделировании различных процессов в неоднородном АПС.

6. Совместно со специалистами ГМЦ РФ разработаны методические рекомендации по использованию данных микроволновых профилемеров в оперативной практике сетевых подразделений Росгидромета, что дает новые возможности в совершенствовании локального прогноза погоды и прогноза неблагоприятных метеорологических условий.

Практическая ценность работы

Разработанный в процессе выполнения диссертационной работы автоматизированный измерительный комплекс для дистанционного определения профилей температуры АПС был сертифицирован Государственным агентством по техническому регулированию и метрологии, внесен в Государственный реестр средств измерений, сертифицирован Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и рекомендован для использования на наблюдательной сети Росгидромета. Было организовано мелкосерийное производство микроволновых температурных профилемеров и в настоящее время они используются в оперативной работе отраслевых организаций Росгидромета в городах Москва, Санкт-Петербург, Н. Новгород, Арзамас, Казань, Ростов-на Дону, Уфа, Самара, Челябинск, Оренбург, Норильск, Новосибирск, Красноярск, Хабаровск. Данные этих комплексов используются для улучшения качества сверхкраткосрочного прогноза погоды, прогноза опасных метеорологических явлений, прогноза распространения загрязнений в крупных городах. С 2000 г. для исследования острова тепла над Москвой проводятся синхронные разнесенные измерения профилей температуры АПС с помощью трех профилемеров, один из которых установлен в центральной части Москвы (Красная Пресня), второй- в ближнем пригороде (г. Долгопрудный), третий - в фоновой зоне (г. Звенигород). Создан цифровой банк этих данных, используемый специалистами Гидрометцентра РФ и Бюро прогноза погоды по Москве и Московской области.

Разработанные температурные микроволновые профилемеры также успешно использовались в ряде международных и отечественных научных проектах: «TROICA» (Transcontinental Observation of the Chemistry of the Atmosphere Project), MAP (Mesoscale Alpine Program), GURME (Global Urban Research Meteorology and Environment Project) и других, a также при выполнении проектов РФФИ №№ 01-05-64138а, 05-05-65288а, 06-05-79001к, 06-05-65216а, 07-05-01080к, 07-05-00428а,07-05-1 ОООк, 08-05-00213а, 09-05-1000к.

Так как на настоящий момент разработанные нами автоматизированные измерительные комплексы по основным характеристикам измерений профилей в АПС не имеют аналогов в мире, и при этом имеют европейский сертификат качества, они также используются для метеорологических и экологических задач в США, Японии, Италии, Нидерландах, Франции, Испании, Южной Корее, Китае, Тайване.

Личный вклад автора в проведенные исследования

Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних исследований автора. Вклад автора заключается в постановке и решении важной народно-хозяйственной задачи - создании принципиально новой аппаратуры для непрерывных дистанционных наблюдений за состоянием термического режима в АПС, теоретическом обосновании требований к автоматизированному микроволновому комплексу, обеспечивающему измерение профилей температуры в АПС с необходимой точностью и оперативностью, в разработке и создании экспериментального и опытных образцов радиотеплолокационных приборов, в проведении первых измерений и сравнений с данными привязных аэростатов. В разработке были также использованы работы автора по созданию микроволнового комплекса для измерения профилей температуры стратосферы с высотных аэростатов, по экспериментальному измерению коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых волнах и его зависимости от температуры. Автор непосредственно участвовал в проведении международных сравнений разработанных микроволновых дистанционных профилемеров с данными радиозондов и привязных аэростатов (Кардингтон, Англия, 1993 г., Долгопрудный, Россия, 1992-1996гг.), с данными датчиков высотных метеорологических мачт (Цукуба, Япония. 1994 г, Боулдер, США, 1996 г.; Обнинск, Россия. 1998г.), с данными привязных аэростатов (Рыльск, Россия, 1989 г.; Кардингтон, Англия, 1993г.; станция Покер Флат, Аляска, США, 1996 г.; Рим, Италия, 1998 г.); с данными радиоакустического зондирования (Боулдер, США, 1996-1997 г). Автор провел непосредственные измерения с помощью разработанной под его руководством аппаратуры, в том числе в полярных районах, в горных районах Кавказа и Швейцарских Альп, во время полного солнечного затмения, явился инициатором и одним из непосредственных исполнителей работы по исследованию вертикальной структуры городского острова тепла с помощью разнесенных синхронных измерений микроволновыми температурными профилемерами. Являясь руководителем научного коллектива, разрабатывающего современные дистанционные приборы, ряд работ был выполнен и опубликован лично автором, в то время как ряд других результатов экспериментальных исследований были получены и опубликованы как в соавторстве с сотрудниками подразделения, так и с сотрудниками других организаций, участвующих в совместных исследованиях.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических расчетов, обосновывающих потенциальные возможности метода измерения профилей температуры АПС, основанного на измерении на разных углах собственного теплового излучения атмосферы в полосе частот, приходящихся на максимум поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц). Обоснование оптимальной схемы расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода на миллиметровых волнах путем сравнения расчетных моделей между собой и с экспериментальными данными.

2. Разработка и создание автоматизированного микроволнового профилемера для практически непрерывных всепогодных измерений профилей температуры атмосферного пограничного слоя. Методические принципы измерения профилей температуры АПС. Методические рекомендации по использованию дистанционных данных.

3. Результаты сравнений данных микроволновых температурных профилемеров с данными радиозондов, привязных аэростатов, датчиков на высотных метеорологических мачтах, лидарами и радио акустическими системами (ИАЗБ). Результаты расчетов и экспериментов, показавших возможность расширения информационных возможностей микроволнового измерительного комплекса в части улучшения вертикального разрешения, максимальной высоты зондирования и возможности работы в более широком диапазоне внешних температур.

4. Результаты круглогодичных измерений термического режима АПС над Антарктическим плато, полученные с помощью полярной версии микроволнового температурного профилемера.

5. Результаты измерений вертикальной структуры городского острова тепла над Москвой и ее суточной, сезонной и межгодовой изменчивости, полученные на основе данных микроволновых температурных измерений. Результаты многолетних натурных измерений, полученных в различные сезоны, различных климатических условиях, в горной местности, во время полных солнечных затмений, над морской поверхностью, в аридной местности, показывающие широкие возможности разработанных дистанционных комплексов как в практике сверхкраткосрочного прогноза погоды, прогноза опасных метеорологических явлений, так и для исследования и моделирования физических процессов, протекающих в атмосфере.

6. Концепция построения системы мониторинга термической стратификации АПС на основе использования пассивной радиотеплолокационной системы.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на: 2-й (Фрунзе, 1986), 3-й (Харьков, 1989), 4-й (Нижний Новгород, 1991) Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере; 7-м Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Суздаль, 1986); 16-й, 20 и 22 Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Харьков, 1990; Н. Новгород, 2002, п. Лоо, 2008.); Всероссийских конференциях "Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды" (Ереван, 1990, Муром, 1992, Муром, 1999; Муром, 2009); Международном симпозиуме "Распространение радиоволн и дистанционное зондирование (Равенскар, Великобритания, 1992); Конференциях Всемирной метеорологической организации (\\^МО) по метеорологии и исследованию природной среды (ТЕСО-94, Женева; ТЕСО-98, Касабланка; ТЕСО-2000, Пекин, Китай; ТЕСО-2004, Братислава, Словакия; ТЕСО-2005, Бухарест, Румыния;

ТЕСО-2006, Женева, Швейцария; ТЕСО-2008, Санкт-Петербург, Россия); 21-й Генеральной ассамблее международного союза по геодезии и геофизике (Боулдер, США, 1995); 25-й Генеральной ассамблее международного геофизического союза (Лиль, Франция, 1996); Международном симпозиуме "Прогресс в электромагнитных исследованиях" (Р1Е118-96, Инсбрук, Австрия, Р1ЕЫ8-2009,Москва); Международном симпозиуме по атмосферной радиации "Текущие проблемы в атмосферной радиации" (Файрнбэнкс, Аляска, США, 1996; Санкт-Петербург, 2000); Международных симпозиумах по радиационным измерениям (АЯМ-96, Сан-Антонио, США; А11М-97, Сан-Антонио, США; А11М-98, Туксон, США, АБ1М-99, Сан-Антонио, США); Международном симпозиуме "Гидрометеорология - наука и практика, современность и перспектива" (Санкт-Петербург, 1997); Международной ассамблее Международного союза по метеорологии и атмосферным наукам (1АМА8-1АР80, Мельбурн, Австралия, 1997); Международном симпозиуме по геофизике и дистанционному зондированию (ЮАК88'97, Сингапур, 1997); Международном симпозиуме "Симпозиум по тропосферным профайлерам" (Колорадо, США, 1998); Международной конференции по микроволновой радиометрии и дистанционному зондированию окружающей среды (МИАО, Флоренция, Италия, 1999; Боулдер, США, 2001); Международном симпозиуме «Дистанционное зондирование атмосферы, Синдай, Япония, 2000; 5-й и 6-й и 7-й Международных конференциях по климату городов (Лодзь, Польша, 2003, Гетеборг, Швеция, 2006; Йокогама, Япония, 2009); Всероссийской конференции «Россия в Антарктике» (Санкт-Петербург, Россия, 2006); Международном симпозиуме «Физика атмосферы - наука и образование» (Санкт-Петербург,2007); 11-й, 14-й и 15 Рабочих группах «Аэрозоли Сибири (Томск, 2004, 2007, 2008,2009); Всероссийской конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений» (Обнинск, Россия, 2008), а также на научных семинарах ЦАО, ИКИ РАН, ИРЭ РАН, НИРФИ, ИФА РАН, Центра дистанционного зондирования Метеорологической службы Великобритании (Фарнборо, 1993), Института исследования окружающей среды (Торонто, Канада, 1993), Национального института исследования окружающей среды (Цукуба, Япония, 1994), физического факультета Римского университета (Рим, Италия, 1996), Лаборатории исследования окружающей среды Национального агентства США по исследованию океана и атмосферы (Боулдер, США, 1996-1997), Института исследования климата (Цюрих, Швейцария, 1999).

По теме диссертации автором опубликовано более 150 работ, в том числе 1 изобретение и 52 рецензируемых журнальных статьи, явившихся основой данной диссертационной работы (как в отечественных журналах- Доклады Академии наук; Ивестия РАН.Физика атмосферы и океана; Известия ВУЗов. Радиофизика; Исследование Земли из космоса, Успехи современной радиоэлектроники; Вопросы радиоэлектроники; Оптика атмосферы и океана; Метеорология и гидрология, так и в зарубежных: Radio Science; IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing; Journal of Atmospheric and Oceanic Technology; Indian Journal of Radio and Space Physics; Japanese Journal of Applied Physics; Meteorological Applications; Theoretical and Applied Climatology; Bulletin of the American Meteorological Society).

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АПС С ПОМОЩЬЮ МИКРОВОЛНОВЫХ ПРОФИЛЕМЕРОВ

4.1 Исследование вертикальной структуры городского АПС и «острова тепла» над крупными городами

В последнее время большое внимание уделяется вопросам антропогенного влияния человека на окружающую среду. В частности, большое количество публикаций посвящается климату городов [18-21,36, 65. 89, 99]. Впервые на особенности различия температурного режима города и окружающей его местности ещё в 1833 г. обратил внимание англичанин Люк Ховард, когда вышла его книга под названием «Климат Лондона по данным метеорологических наблюдений» [99]. Там, в том числе, приведены данные метеорологических наблюдений за приземной температурой, которые указывают на разность приземных температур между городом и пригородом, более слабую циркуляцию и пониженную по сравнению с пригородом влажность воздуха в городе. Одним из самых заметных эффектов, который оказывает город на приземный слой воздуха, является повышение температуры АПС по сравнению с пригородом. Это явление получило название «городского острова тепла» (ГОТ) [99]. Строительство городов относится к так называемым антропогенным изменениям окружающей среды, то есть являются косвенными последствиями деятельности человека. С появлением городов связаны прежде всего изменения характеристик подстилающей поверхности, таких как альбедо и шероховатость. Изменение альбедо подстилающей поверхности меняет радиационный баланс городского пограничного слоя атмосферы и поверхности Земли. Это в большинстве случаев приводит к увеличению температур в нижней тропосфере, поскольку подстилающая поверхность города состоит в основном из крыш и дорог.

Исследования ГОТ проводятся практически во всех странах мира, однако ведется мониторинг разности только приземных температур город-пригород. Ученые и исследователи, изучающие различные аспекты городского климата и влияния городов на его изменения, создали международную организацию ЮиС и регулярно обмениваются полученными результатами на симпозиумах и доступном сайте http://vsww.urban-climate.org/ Результаты исследований климата городов представлены в многочисленных зарубежных публикациях [99, 131, 140, 181]. Помимо большого общественного и научного интереса знание термической структуры и её взаимодействие с другими характеристиками воздуха необходимо для анализа экологической обстановки, прогноза погоды, неблагоприятных и опасных метеорологических условий и т.п. Количественные оценки интенсивности и изменчивости ГОТ в мегаполисе, а также вертикальных градиентов температуры в приземном слое могут быть использованы для верификации мезомаештабиых численных моделей атмосферы. Основная дискуссия ведется на предмет оценки вклада отдельных факторов в формировании ГОТ. При этом большой интерес представляют исследования вертикальной структуры ГОТ [65,99]. Проводились многочисленные попытки таких измерений, в основном с использованием лидаров и радиоакустического зондирования RASS [36,65,154]. Однако с помощью лидара трудно получить длинные ряды данных из-за ограничений по метеоусловиям, RASS сложно использовать внутри городов из-за воздействия акустических сигналов на население и сильный уровень помех от городских шумов [154].

Всех этих недостатков лишен разработанный нами микроволновый температурный профилемер, с помощью которого удалось получить уникальные данные о вертикальной структуре ГОТ и её пространственной неоднородности. Эти результаты вызвали большой интерес у мировой научной общественности, были доложены более чем на 10 международных и всероссийских конференциях и опубликованы в ведущих журналах, как нашей страны, так и зарубежных: Доклады Академии наук, Известия РАН, Физика атмосферы и океана, Оптика атмосферы и океана, Метеорология и гидрология, Radio Science, SPI-Optical Technologies of Atmospheric, Ocean and Environmental Studies, Theoretical and Applied Climatology [33, 36, 65, 67, 68, 72, 85, 121, 140, 141, 149, 150, 152, 156]. В частности, с 1999 г в рамках проекта Всемирой метеорологической организации GURME (Global Urban Research in Meteorology and Environment) проводятся исследования вертикальной структуры ГОТ над Москвой с помощью синхронных данных трех микроволновых радиометров МТП-5 [65]. Один из них был установлен в центре города (Красная Пресня), второй - в ближнем пригороде (г. Долгопрудный), третий - в невозмущенной зоне (г. Звенигород).

Рисунок 4.1 - Схема расположения микроволновых температурных профилемеров по проекту GURME

Приборы обеспечивали измерения профилей температуры атмосферы в диапазоне высот 0-600 м с вертикальным разрешением 50 м и погрешностью измерений 0,5°С. Для центра Москвы впервые получены статистические характеристики термического поля нижней тропосферы. Основной вывод: в течение всего года состояние АПС близко к неустойчивому, а ухудшение условий вертикального обмена носит кратковременный характер. Впервые получены количественные трехмерные характеристики ГОТ над Москвой. Интенсивность ГОТ в приземном слое может достигать 5-10 °С, что сравнимо с контрастами температуры в зоне атмосферных фронтов; на высотах 200-300 м в городе часто температура на 2-3 °С выше, чем в окрестности. Имеется выраженная сезонная и суточная трансформация острова тепла. Экспериментально подтверждено наличие еще одного из механизмов самоочищения воздушного бассейна города - городской циркуляции по типу бриза. Получены принципиально новые характеристики инверсий в центре большого города. На рисунке 4.2 показаны результаты измерений характеристик инверсий температуры в трех точках измерений. Видно, что в лесном массиве (Звенигород) мощность ночных температурных инверсий существенно больше, чем в ближнем пригороде (Долгопрудный) и особенно чем в центре города (Красная Пресня). Это связано с различием подстилающей поверхности и наличием городского бриза, когда более холодный воздух пригорода натекает на город.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения данной многолетней работы разработана концепция построения и применения микроволновой радиометрии для термического зондирования атмосферного пограничного слоя, проведен комплекс теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, которые обеспечили создание всепогодной радиотеплолокационной автоматизированной системы контроля температурной стратификации в АПС и ее использование для исследования различных процессов в атмосфере. Решена важная народнохозяйственная задача-мониторинг термической стратификации АПС в больших городах и вблизи крупных промышленных объектов. Разработанный измерительный комплекс обеспечивает в автоматическом режиме измерение профилей температуры в АПС в диапазоне высот от поверхности Земли до высоты 600 метров (версия «Н») и 1000 м (версия «НЕ») с выдачей профилей температуры каждые 120 с погрешностью 0.5° С с вертикальной шкалой выдачи данных 50 м. Для этого:

1 Проведено теоретическое исследование потенциальных возможностей метода, основанного на измерении собственного теплового излучения атмосферы с использованием сканирующего одночастотного микроволнового радиометра, работающего на частоте вблизи резонансного поглощения молекулярного кислорода (60 ГГц), созданного с использованием заделов по созданию микроволнового радиометра для измерения температуры стратосферы с высотных аэростатов. Определены основные требования к измерительному комплексу: приведенная чувствительность радиометрического приемника должна быть не хуже 0.08 К, оптимальное число углов наблюдения - 11, ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности 2.5 уровень боковых лепестков не более - 25 дБ, центральная частота 60,4 ГГц с полосой анализа 4 ГГц (версия Н) или 56,6 ГГц с полосой анализа 450 МГц (версия НЕ). Расчеты показали, что использование данных микроволнового профилемера увеличивает точность задания профиля температуры в АПС по сравнению с данными климатической модели почти на порядок. Путем расчетов по известным моделям Ван Флека-Вейскопфа, Лама, Наумова-Жевакина и Розенкранца и проведения экспериментальных измерений на спектрометрической и дисперсионной установках для расчета коэффициента поглощения молекулярного кислорода выбрана модель расчета Розенкранца с учетом интерференции спектральных линий в полосе О2, центрированной к длине волны 5 мм, как обеспечивающая необходимую точность при простоте и оперативности расчетов.

2 Разработаны структурная и принципиальные схемы измерительного комплекса, в качестве приемника излучения выбран модуляционный радиометр в двух модификациях - по супергетеродинной схеме («Н» версия) и по схеме приемника прямого усиления с СВЧ усилителем на входе («НЕ» версия), обоснован выбор его технических характеристик. В качестве сканирующего устройства используется шаговый двигатель, управляющий вращающимся параболическим зеркалом-отражателем и оптические датчики его положения. Зеркало защищено радиопрозрачным тефлоном, внутри корпуса прибора установлены вентиляторы и нагреватели, режим работы которых автоматически меняется в зависимости от температуры окружающей среды, что обеспечивает возможность работы прибора в диапазоне внешних температур минус 40°С - +40 °С. Разработанное микропроцессорное устройство обеспечивает прием и оцифровку данных радиометра, управляет работой сканирующего устройства, обеспечивает прием информации со вспомогательных датчиков температуры, измеряющих температуру внутри прибора, температуру внутри радиометрического блока, температуру внешней среды. Программное обеспечение обеспечивает прием информации, проведение автоматических калибровок, управление и контроль работой сканирующей системы, восстановление профилей температуры, составление таблицы с данными о профилях температуры атмосферы, непрерывный контроль основных технических параметров прибора и качества измерительной информации, визуализацию данных в виде высотных графиков профилей температуры, временного хода температуры на разных высотах и динамики временных изменений полей температуры. Разработана методика проведения автоматических калибровок с использованием измерения собственного теплового излучения атмосферы в горизонтальном направлении и опорного датчика температуры. В качестве оптимального метода восстановления профилей температуры АПС был выбран метод статистической регуляризации с использованием матриц априорной информации как обладающий устойчивостью решения и достаточной точностью восстановления.

3 Созданы экспериментальный и опытные образцы микроволновых профилемеров для измерения профилей температуры АПС. Микроволновый температурный профилемер является компактным, легко устанавливаемым прибором весом 16 кг и потребляемой мощностью 40 Вт, работающим в автоматическом режиме без участия человека и необходимости в каких-либо расходных материалах. Разработано несколько разновидностей измерительных комплексов для измерения профилей температуры АПС в различных условиях : версия «Н» с высотой зондирования до 600 м, версия «НЕ» с высотой зондирования до 1000 м, версия «П»-полярная, с возможностью работы при температуре окружающей среды до минус 80° С и повышенным вертикальным разрешением на нижних 100 м от поверхности земли, версия «М» - мобильная, имеющая повышенную вибростойкость, автоматическую наводку на линию горизонта, оборудованную навигационным приемником и устанавливаемую на легковом автомобиле.

4 Проведены успешные международные и ведомственные сравнения данных созданных микроволновых профилемеров с традиционными методами: радиозондами, привязными аэростатами, датчиками на высотных метеорологических мачтах, лидарами, системами радиоакустического зондирования (RASS). Сравнения показали, что по точности дистанционные данные не уступают контактным, при этом обладают непрерывностью и мобильностью измерений. Среднеквадратические отклонения при всех видах сравнений не превышали Io С, при этом всегда характер устойчивости атмосферы идентифицировался правильно.

5 Проведены измерения вертикальной структуры острова тепла над Москвой на основе данных микроволновых профилемеров и сделан анализ его суточной, сезонной и межгодовой изменчивости. Данные используются при построении и валидации различных моделей городского климата и позволяют делать оценки степени антропогенного влияния деятельности человека на атмосферу и используются в ГМЦ РФ, Мосэкомониторинге и Бюро прогноза погоды по Москве и Московской области. Впервые получены количественные трехмерные характеристики острова тепла над Москвой и их сезонной и межгодовой изменчивости.

6 Впервые проведены с помощью разработанной полярной версии микроволнового профилемера уникальные круглогодичные измерения профилей температуры АПС на станции Конкордия, расположенной на Антарктическом плато, где температура опускалась иногда до минус 78° С. Отказов аппаратуры за все время наблюдений не было. Полученные данные использовались как составная часть исследований метеорологического режима Антарктиды и исследования природы катабатических ветров. Типичным зимним профилем был профиль в виде «клюшки»:приземная температура менялась от минус 50° С до минус 78,8° С, далее линейное повышение температуры с высотой (с глубиной инверсии температуры до минус 20° С) до высот 100-150 м, затем практически изотермический профиль до максимальной высоты зондирования 9 600 м. При возникновении редких циклонов характер профиля температуры резко менялся, глубина инверсии уменьшалась, на высотах более 200 м температура начинала понижаться с высотой.

7 С помощью разработанной микроволновой аппаратуры впервые получены количественные характеристики изменчивости температуры АПС во время полных солнечных затмений (2006 г., район г. Кисловодска; 2008 г., Новосибирск). Проведены исследования особенностей термического режима АПС в горной местности (ущелья, долины и возвышенности в Швейцарских Альпах и на Кавказе), над водной поверхностью (в прибрежной зоне г. Новороссийска, в том числе во время экстремально сильных ветров -«боры»), в аридных районах (в районе Черные Земли Калмыкии в жаркий период времени), во время полных солнечных затмений (2006 г., район г. Кисловодска; 2008 г., Новосибирск), во время прохождения урагана в Москве. Полученные данные использовались при создании и валидации моделей неоднородного АПС, при анализе природы катабатических ветров, в проблеме анализа опустынивания земель из-за влияния хозяйственной деятельности человека, в задачах исследования атмосферной радиации.

8 Совместно со специалистами ГМЦ РФ были разработаны Методические рекомендации для оперативных подразделений Росгидромета по использованию данных микроволновых профилемеров для уточнения краткосрочного прогноза погоды, прогноза опасных метеорологических явлений (туман, гололед, заморозки на почве и т.п.), утвержденные Центральной методической комиссией по прогнозам Росгидромета. Данные можно также использовать для диагностики признаков погодных условий и предикторов по выявлению признаков изменения погодных условий, например, интенсивная турбулентность ночью, инверсии температуры и их динамика, аномалии суточного хода АПС, ночная неустойчивость АПС.

9 Проведена сертификация разработанного измерительного комплекса в Госстандарте России (сертификат № 5539 1Ш.С.32.002.А от 1 октября 1998 г., в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (сертификат № 30387 11.и.С.32.002.А от 13 февраля 2008 г), прибор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 17795-98 и допущен к применению в Российской Федерации. Решением ЦКПМ Росгидромета от 05 февраля 2004 г. № Р/04/0015/100/С измерительный комплекс получил Свидетельство Росгидромета (зарегистрировано в ведомственном реестре под № 0015.100) и допущен к применению при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, мониторинга окружающей среды, ее загрязнения. На момент начала 2009 г. новыми микроволновыми температурными профилемерами в рамках модернизации наблюдательной сети оснащены подразделения Росгидромета в г.г. Москва, Санкт-Петербург, Оренбург, Н.Новгород, Арзамас, Уфа, Казань, Ростов-на-Дону, Самара, Норильск, Новосибирск, Красноярск, Челябинск, Хабаровск.

1. Алешин В.И., Наумов А.П., Плечков В.М., Сумин М.И., Троицкий A.B. Определение высотного профиля температуры по наземным радиометрическим измерениям атмосферного излучения // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1977. Т. 20. № 2. с. 198.

2. Александрова Т.В., Плечников В.М., Станкевич К.С. Периодические изменения радиояркости неба в линии водяного пара на границе суша-моря.// В кн. Радиометеорология. Труды VII Всесоюзного совещания. 1989, Ленинград, Гидрометеоиздат, с.44-46.

3. Аквилонова А. Б., Кутуза Б.Г. . Радиотепловое излучение облаков // Радиотехника и электроника, 1978, т. 23, № 9, с. 1792.

4. Альтман Дж.Л. Устройства сверхвысоких частот.// 1968, Москва, Издательство « Мир», с.487.

5. Александрова Т.В., Плечков В.М., Станкевич К.С. Радиотеплолокационное зондирование внутренних гравитационных волн в атмосфере.//Тез. докл. 16-й Всес. Конференции по распространению радиоволн. 1990, Харьков, ч.2., с.279.

6. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ : основы теории и примеры применения.// 1996, УФН, т. 166, № 11, с.1145-1170.

7. Айвазян Г.М. Распространение миллиметровых и субмиллиметровых волн в облаках.// Справочник. Под ред. Г.Г. Щукина. 1991, Ленинград, Гидрометеоиздат, с. 480.

8. Арманд H.A. Дистанционные методы изучения земной поверхности и атмосферы Земли в СВЧ диапазоне радиоволн.//Исследование Земли из космоса, 1980,№ 1, с.95-105.

9. Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели).// Под ред. Ю.С.Седунова, С.И. Авдюшина, Е.П. Борисенкова, O.A. Волковицкого, H.H. Петрова, Р.Г. Рейтенбаха, В.И. Смирнова, А. А. Черникова. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991, с. 509.

10. Баранов A.M., Богаткин О.Г., Говердовский В.Ф., Еникеева В.Д. Авиационная метеорология. //1992, Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, с.347.13