книги из ГПНТБ / Воронцов, П. А. Современные методы аэрологических исследований пограничного слоя атмосферы обзор

16. Исследование трехмерных траекторий движения воздушных потоков. Сада можно отнести:

а. Метод уравновешенных шаров-пилотов.

Латексная, растяжимая оболочка шара-пилота размерами Jt 10 или № 20, наполненная водородом и тщательно уравновешенная у зем­ ной поверхности, будет смещаться вместе с воздушным потоком, повторяя траекторию его движения. Для уменьшения собственных сме­ щений в вертикальной плоскости под действием нагревания или ох­

уравновешенным шаром производят синхронные измерения угловых ко­ ординат двумя оптическими теодолитами, расположенными на концах базы.

Большим препятствием в применении метода служила трудоем­ кость обработки наблюдений. Б настоящее время разработана про­ грамма обработки с помощью электронно-вычислительных машин. На выходе для каждой точки получаются следующие данные: азимут,удале­ ние, высота, скорость и направление ветра, вертикальная скорость

В некоторых случаях уравновешенный шар можно поднять на за­ данный уровень с помощью дополнительного шара-тягача. Здесь шартягач отрывается, и уравновешенный шар смещается на заданном уров­ не вместе с потоком воздуха. Иногда уравновешенному шару придают небольшую подъемную силу в 1-2 г, и тогда при обработке приходит­ ся учитывать собственную вертикальную скорость.

б. Метод плавающих тетраздов с постоянным объемом, снабжен­ ных пассивной мишенью или радиоответчиком.

В американской литературе [91 этот метод назван"методом тетрунов" (что является сокращением двух слов "тетраэд-баллон").Ме­ тод предназначен для изучения мезомасштабных движений воздушных потоков, например, над городами, в береговой зоне водоемов и т.п. На расстоянии до 70-80 км, Тетруны изготовлялись из специальной прочной и нерастяжимой синтетической пленки § малой газопроницае­ мостью типа лавсана. Объем тетраэдов для их использования в погра­

-о местоположении и числе грозоопасных облаков в радиусе до

300 нм.

К принципиально новой информации можно отнести:

-данные о верхних границах слоистообразной и кучевообразной облачности;

-данные о площадях радиоэхо, занятых осадками, и их мгновен­ ной интенсивности;

-данные об эволюции кучево-дождевых облаков и тенденции из­

перемещения.

В практике активных воздействий на градоносное облако радио­ локатор применяется для выработки стратегии активных воздействий., С его помощью и по радиолокационным характеристикам выбирается зона облаков, которая подвергается воздействию. Сейчас невозмож­ но оебе представить активных воздействий без применения радиоло­ катора.

Одним из важных применений радиолокатора является его исполь­ зование при исследовании взаимодействия мезо- и макропроцессов. Эти работы, как правило, комплексные с привлечением самолетного и аэрологического зондирования, данных ИСЗ и др. Радиолокатор при­ нимает в них участие как один из приборов,обеспечивающих получе­ ние информации о меэопроцессах, протекающих в полях кучево-дожде­ вой облачности.

осадков, что почти отсутствует в теориях по физике облаков. Кроме того, решение этой проблемы оттеснило бы на второй план малооперативные запуокя шаров и полеты самолетов в небезопасные грозовые очаги.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по расширению ин­ формативности радиолокаторов с целью исследования мелкокапельной 'блачности и туманов (создание высокопотанциальных миллиметровых

циолокаторов л др.).

4. Лазерный метод. Создание лазеров открыло новые возможнос­ ти использования оптического диапазона волн электромагнитного из­ лучения. Частота излучения лазера в миллион и более раз выше часто­ ты радиоволнового диапазона; это делает возможным прослеживание быстроменяпцихся вариаций исследуемых параметров атмосферы,а про­ странственное разрешение,зависящее от длительности импульса и достигающее сейчас долей сантиметра, позволяет детально определить структуру метеообъекта. Монохроматичность и перестройка частоты лазерного излучателя разрешает использовать комбинационное и резо­

сфере. Использование волн оптического диапазона позволяет сделать приемно-передающую аппаратуру лазерного локатора (лидара) мало­ габаритной по сравнению с аналогичными радиотехническими средства­ ми, что немаловажно при использовании лидеров на летательных ап­ паратах [16].

Однако разработка лазерных методов и создание необходимой ап­ паратуры находятся сейчас в начальной стадии. Лазерный метод ис­ следования свойств атмооферы позволит получить информацию о самых различных свойствах рассеивающей среды. Практическая сторона дела заключается в создании способов выделения из общей информации той ее части, которая заключает в себе интересующую нас характеристи­ ку атмосферы. Для измерения температуры и давления атмооферы ла­ зерным локатором необходимо, прежде всего, зарегистрировать сиг­ нал, обусловленный молекулярным рассеянием, интенсивность которо­ го, по крайней мере, в тропосфере, меньше интенсивности аэрозоль­ ного рассеяния.

Скорость и направление ветра могут быть определены лазерным локатором по прослеживанию естественных или искусственно введен­ ных в атмосферу частиц. Этот метод аналогичен радиолокационному методу прослеживания радиозонда или металлизированных отражателей. Радикальным выходом из положения является создание оптических доп­ плеровских систем, которые уже сейчас с большой точностью измеря­

двух длинах волн, одна из которых совпадала с центром линии погло­ щения J^O ( Л =0,69438 мкм), удалось получить вертикальный профиль влажности для нижнего четырехкилометрового слоя атмосферы.

Наиболее широкое применение находят лидары для исследования характеристик облаков. Эти исследования проводятся в СССР с 1966 в

в ЦАО [17].

Лазерное зондирование облаков дает возможность с высокой точностью измерять нижнюю границу облаков и исследовать ее прост­ ранственную и временную изменчивость; определять геометрическую и оптическую толщину облаков; определять высоту облаков сквозь вы­ падающие из них осадки; измерять высоту вершин удаленных обла­ ков; исследовать динамику зарождения и развития облака; исследо­

Все перечисленные задачи могут решаться и частично решаются при современной технике лазерного зондирования атмосферы я объеме наших знаний о рассеивающих свойствах облаков.

В ЦАО проведены исследования по определению профиля водности облаков с большим пространственным разрешением наземным лазерным локатором. Дальнейшая разработка метода, проведение одновременных самолетных и лазерных измерений, учет эффектов многократного рас­

возможность определения видимости на достаточно больших расстояни­ ях и регистрация изменения прозрачности атмосферы с большим про­ странственным разрешением.

возможным принимать тепловое радиоизлучение атмосферы и йщрометеорологических образований в сантиметровом и миллиметровом диапазо­ нах. Это объясняется высокой чувствительностью микроволновых радиометров, превышающих чувствительность ИК-приемников до 10^раз.

Применение микроволнового метода позволит по измерению в по­ лосе резонансного кислорода на длине волны 0,5 см определить вер­ тикальный профиль температуры, а в линии водяного пара на длине

волны 1,35 см - распределение влажности в атмосфере. По измере­ нию собственного теплового излучения в центре линии ^ 0 на Л =1,35 см с точностью не хуже 10# можно определить интегральное содержание водяного пара в безоблачной атмосфере. Используя не­ сколько длин волн в линии Л =1,35 см (одну в центре и одну-две по краям), можно измерить раздельно интегральное количество жид­ ко-капельной и парообразной влаги в облаках.

В дальнейшем можно ожидать получения дополнительной информа­ ции, используя комплексный активно-пассивный радиолокационный ме­ тод, в частности, определять нижнюю и верхнюю границы мелкокапель­ ной облачности, ее влагосодержание, среднюю интенсивность осадков в радиусе до 100 км.

Заключение

Ни один из существующих в настоящее время методов исследова­ ния пограничного слоя не может пока обеспечить получение исходных данных с точностями, пригодными для решения всех поставленных вы­ ше проблем, и главное - решить вопрос одновременного исследования всего комплекса метеорологических элементов одним каким-либо мето­ дом. Поэтому обычно приходится разрабатывать методику, пригодную для решения только одной или нескольких близких проблем, где требуемая точность может быть и значительно меньше, чем указанные выше.

Все сказанное ставит особые требования к методам исследова­ ния пограничного слоя, основными из которых являются малая инер­ ция и большая чувствительность датчиков, малая зависимость мето­ дов от состояния погоды, измерение как средних, так и пульсационных значений метеорологических элементов, относительно малая трудоемкость наблюдений и обработки, возможность одновременного вертикального и горизонтального зондирования, а также экономич­ ность метода, С другой стороны, методы исследования пограничного слоя должны иметь и некоторые общие характеристики с методами изу­ чения метеоэлементов в приземном слое и в свободной атмосфере для возможного сопоставления их результатов измерений.