Распределение метеовеличин и коэффициента преломления воздуха в нижнем слое атмосферы летом

Оглавление

Введение

1. Радиофизические характеристики атмосферы и их связь с метеопараметрами

2. Радиорефракция

2.1 Виды радиорефракции

2.2 Методы учета радиорефракции

2.2.1 Метод эквивалентного радиуса Земли

2.2.2 Метод приведенного коэффициента преломления

3. Исходные материалы и методика их обработки

4. Вертикальные профили радиометеорологических величин

4.1 Вертикальный профиль средней температуры июля

4.2 Вертикальные профили средней относительной влажности и средней упругости водяного пара июля

4.3 Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

4.4 Повторяемость различных видов рефракции в июле

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Влияние метеорологических условий на распространение радиоволн различных диапазонов было установлено еще на заре современной радиофизики, однако теоретическая сложность и экспериментальные трудности изучения этого влияния в течение длительного времени ограничивали результаты исследований лишь некоторыми, большей частью качественными выводами.

Широкое развитие технических средств радиолокации в годы войны и последующее их применение в науке и технике, возникновение телевидения, космической радиосвязи, телеуправления поставили исследователей перед острой необходимостью изучить закономерности распространения радиоволн с учетом влияния всех слоев атмосферы как среды с переменным показателем преломления.

В применении к тропосфере это означало в первую очередь развитие широких теоретических и экспериментальных исследований закономерностей распространения ультракоротких волн (УКВ) в зависимости от метеорологических условий. Поскольку в обычных условиях УКВ не отражаются ионосферой, изменчивость характеристик принятого поля объясняют изменчивостью условий их распространения в нижней атмосфере, в частности вариациями показателя преломления воздуха.

Все существующие теории принимают показатель преломления за основной параметр, определяющий особенности распространения УКВ в тропосфере. Зависимость показателя преломления воздуха от высоты над земной поверхностью вызывает искривление траектории волны, излученной горизонтально. В нормальных условиях эта траектория искривляется в направлении к Земле, и кривизна ее составляет около одной четверти кривизны земной поверхности. При некоторых особых метеорологических условиях энергия волны может быть сосредоточена в узких слоистых областях вблизи поверхности Земли, так что далеко за пределами радиогоризонта наблюдается аномально высокая напряженность поля. В других условиях переходный слой между воздушными массами может вызвать отражение энергии радиоволн. В дополнение к эффектам, связанным со слоистостью, атмосфера всегда в большей или меньшей степени турбулентна, что приводит к рассеянию радиоволн и уширению диаграмм направленности антенн.

Изучение атмосферы с точки зрения влияния ее на распространение УКВ является задачей радиометеорологии. Ее составными элементами являются некоторые области радиофизики (распространение радиоволн, техника сверхвысоких частот) и метеорология. Радиометеорологические исследования активно проводятся несколько десятилетий. Однако до сих пор актуальными являются исследования, посвященные пространственно-временным изменениям коэффициента преломления (определяемого метеорологическими величинами) в различных районах и на разных высотах в атмосфере [1].

Курсовая работа посвящена исследованию метеорологических величин и коэффициента преломления, рассчитанного по данным о температуре воздуха, влажности и атмосферному давлению, в нижнем слое атмосферы в городе Хабаровск за июль. Целью данной работы является определение влияния метеорологических условий в летний период на распространение УКВ в выбранном районе.

1. Радиофизические характеристики атмосферы и их связь с метеопараметрами

Радиофизическими характеристиками атмосферы являются диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления, которые между собой однозначно связаны. В общем случае диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления являются величинами комплексными [2].

Предполагая выполнимость закона Дальтона о парциальных давлениях, можно получить выражение для диэлектрической проницаемости () смеси полярных и неполярных газов. Для тропосферы необходим, в частности, учет влияния СО2, сухого воздуха (неполярные молекулы) и водяного пара (полярные молекулы):

, (1)

где - постоянные величины,

- давление сухого воздуха,

- парциальное давление водяного пара в гПа,

- парциальное давление СО2,

– температура в °К [1].

Значения диэлектрической проницаемости воздуха незначительно превышают единицу. Для волн длиной более 1 см электропроводность нижней части атмосферы (тропосферы) очень мала, и диэлектрическую проницаемость можно считать величиной действительной [2].

При этом коэффициент преломления (n) определяется выражением:

(2)

где - магнитная проницаемость (для воздуха ее полагают равной единице). Поскольку

(3)

можно использовать аппроксимацию:

. (4)

В силу малости величины n – 1 коэффициент преломления удобно выражать в N – единицах:

, (5)

где К1, К2, К3, К4 – постоянные.

Постоянные коэффициенты равны [1]:

К1=77,607 0,13 °К/мб

К2=71,6 8,5 °К/мб

К3=(3,747 0,031) · 105 (°К)2/мб.

Итак, окончательное уравнение для показателя преломления, если ограничиться для констант тремя значащими цифрами, имеет вид:

(6)

Значения постоянных в этой формуле рекомендованы Смитом и Вейнтраубом для вычисления N с точностью 0,5%.

Уравнение упрощается, если положить

P = Pd + e:

. (7)

Для практического использования в радиометеорологии это соотношение можно упростить, представив его в виде двучлена:

, (8)

что дает значение N с точностью порядка 0,02% для интервала температур от 50°C до + 40°C.

Обычно уравнение (8) записывают в виде:

. (9)

Значения коэффициента преломления, рассчитанные по формуле (9), зависят от точности измерения метеорологических элементов. При радиозондировании измеряется не парциальное давление (упругость водяного пара) е, а относительная влажность f, которая легко может быть пересчитана в парциальное давление е. Для этого используется следующая формула:

, (10)

где t – температура в °C,

f – относительная влажность воздуха в % [1].

В реальной атмосфере вследствие изменений температуры, давления и влажности происходят сложные пространственно – временные изменения коэффициента преломления. Различают сезонные и суточные изменения коэффициента преломления в тропосфере, а также случайные изменения, обусловленные атмосферной турбулентностью. Сезонные изменения обусловлены, главным образом, годовым ходом влажности с максимумом в теплое полугодие. Наибольшие изменения коэффициента преломления имеют место в нижнем трехкилометровом слое атмосферы, что обусловлено большими изменениями в этом слое температуры и влажности. Суточные изменения коэффициента преломления атмосферы наиболее значительны в нижнем километровом слое и могут достигать 10 – 15N – ед. Они также обусловлены большим суточным ходом температуры и влажности воздуха. Случайные флюктуации коэффициента преломления связаны с атмосферной турбулентностью и могут достигать значения 10N – ед.

Обычно учитывают изменение коэффициента преломления атмосферы только по высоте, пренебрегая горизонтальной изменчивостью.

Для характеристики вертикальной изменчивости коэффициента преломления пользуются понятием вертикального градиента:

, (11)

или

, (12)

где n1 и n2 – значения коэффициента преломления на нижней и верхней границе слоя,

H1 и H2 – высоты нижней и верхней границ слоя.

Вертикальный градиент dn/dH имеет размерность 1/м, а градиент dN/dH – N - ед/м. Из соотношения (11) следует, что реальной атмосфере, для которой коэффициент преломления уменьшается с высотой, соответствуют отрицательные значения градиента.

В радиометеорологии для решения ряда задач пользуются параметрами стандартной, или нормальной, атмосферы. Нормальной считается атмосфера, в которой имеют место линейное уменьшение температуры воздуха с высотой, равное 6,5°C на 1 км, уменьшение давления по барометрическому закону:

, (13)

и убывание влажности воздуха по эмпирическому соотношению:

,(14)

где Р0 и РH – давление на нижнем и верхнем уровнях,

g – ускорение свободного падения,

R – универсальная газовая постоянная,

Т – температура столба воздуха между указанными уровнями,

H – высота в км,

q – удельная влажность в г/м3,

b, с – коэффициенты (0,1112b0,2181; 0,0286с0,0375).

Удельная влажность с парциальным давлением водяных паров связана соотношением:

.(15)

В стандартной атмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону, а в реальной атмосфере изменение N с высотой в среднем происходит по экспоненциальному закону [2].

2. Радиорефракция

Радиорефракцией называется искривление траектории электромагнитных волн при распространении в атмосфере. Плотность реальной атмосферы убывает с высотой, поэтому радиолуч, направленный с земной поверхности вверх, будет переходить из области с большим значением плотности в области с малыми значениями плотности.

Если электромагнитный луч будет распространяться в плоскослоистой атмосфере, в которой коэффициент преломления изменяется постепенно, то будет происходить плавное искривление траектории луча. Радиус кривизны будет определяться величиной градиента коэффициента преломления в соответствии с выражением:

,(16)

где dn/dH – градиент коэффициента преломления.

Представляет практический интерес случай критической рефракции, когда радиус кривизны радиолуча, направленного вдоль земной поверхности, равен радиусу Земли и луч огибает земной шар. Условием критической рефракции будет:

,(17)

где RЗ – радиус Земли.

2.1 Виды радиорефракции

Рассмотрим различные виды радиорефракции и соответствующие им значения градиента коэффициента преломления. В зависимости от характера искривления радиолуча различают три основных типа радиорефракции:

Отрицательную;

Нулевую;

Положительную.

Такое деление радиорефракции отражает ее влияние на дальность радиосвязи в диапазоне СВЧ или на дальность радиолокационного наблюдения обьектов.

При нулевой рефракции (нулевое значение градиента коэффициента преломления) радиолуч остается прямолинейным. Отрицательная рефракция (вызывающая уменьшение дальности радиосвязи) имеет место, если луч направлен выпуклостью вниз, т.е. луч из менее плотной среды переходит в более плотную. Это может быть только при положительных значениях градиента коэффициента преломления. Положительная рефракция возникает при отрицательных значениях градиента коэффициента преломления и делится в свою очередь на:

пониженную;

нормальную;

повышенную;

критическую;

сверхрефракцию.

Нормальная радиорефракция соответствует рефракции в нормальной (стандартной) атмосфере, имеющей градиент коэффициента преломления –4·10-8 1/м. Радиорефракция при значениях градиента коэффициента преломления от 0 до –4·10-8 1/м называется положительной пониженной рефракцией. Радиорефракция при – 15,7·10-8 – 4·10-8 1/м называется положительной повышенной рефракцией. При значении градиента = – 15,7·10-8 1/м наблюдается критическая рефракция. При значениях градиента коэффициента преломления менее – 15,7·10-8 1/м имеет место сверхрефракция. Радиус кривизны луча меньше радиуса земного шара, вследствие чего луч испытывает многократное отражение от земной поверхности.

Критическая рефракция и сверхрефракция характеризуются сверхдальним распространением радиоволн. Такое явление связывают с образованием так называемых атмосферных волноводов, которые могут быть как приземными, так и приподнятыми (отражение в этом случае имеет место не от земной поверхности, а от слоя атмосферы, приподнятого над землей). Атмосферные волноводы существенно повышают дальность радиосвязи на СВЧ и дальность радиолокационного наблюдения объектов.

2.2 Методы учета радиорефракции

Явление рефракции в атмосфере приводит к ошибкам измерения координат объектов радиотехническими и оптическими методами. Регулярную составляющую таких ошибок можно учитывать путем введения соответствующих поправок в результаты измерений. В зависимости от изменчивости вертикального градиента коэффициента преломления различают два способа введения поправок:

Метод эквивалентного радиуса Земли;

Метод приведенного коэффициента преломления.

2.2.1 Метод эквивалентного радиуса Земли

Он сводит задачу криволинейного распространения радиоволн к задаче с прямолинейным распространением. Криволинейную траекторию луча «разгибают», увеличивая радиус Земли до тех пор, пока траектория луча не окажется прямолинейной. Радиус Земли, соответствующий прямолинейному лучу, называют эквивалентным радиусом и используют для расчетов. Эквивалентный радиус Земли будет равен:

,(18)

где RЭ – эквивалентный радиус Земли,

KP – коэффициент пропорциональности,

RЗ – радиус Земли.

Коэффициент пропорциональности определяется формулой:

,(19)

где n0 – значение коэффициента преломления на уровне земной поверхности.

Для нормальной атмосферы, полагая = – 4·10-8 1/м, RЗ=6370·103 м, n0=1, получаем KP=1,33 и RЭ=8460 км.

При расчетах, связанных с обеспечением радиовидимости, следует оперировать с эквивалентным радиусом Земли так же, как и с обычным радиусом Земли при отсутствии рефракции.

2.2.2 Метод приведенного коэффициента преломления

Он состоит в том, что влияние кривизны земной поверхности (а следовательно, и кривизны сферической слоистой атмосферы) заменяют влиянием дополнительного значения коэффициента преломления атмосферы. Для этого криволинейную траекторию луча вместе с земной поверхностью «разгибают» до тех пор, пока сферическая поверхность Земли не превратиться в плоскую, а луч при этом будет иметь другую кривизну. Соответствующий новой рефракции коэффициент преломления атмосферы называется приведенным коэффициентом преломления.

Приведенный коэффициент преломления равен:

,(20)

или в N – единицах:

.(21)

Приведенный коэффициент преломления используется так же, как и обычный коэффициент преломления в задачах распространения над плоской Землей [2].

3. Исходные материалы и методика их обработки

Для изучения закономерности распределения метеовеличин и показателя преломления воздуха летом были использованы результаты, полученные в июле 1977г. на высотной метеорологической мачте (ВММ) в городе Хабаровск (данные были взяты из «Материалов высотных метеорологических наблюдений» [3]). Эти результаты содержат данные измерений температуры и относительной влажности атмосферы на ВММ (из справочника были взяты средние за сутки значения температуры и относительной влажности на высотах 0, 24, 40, 112, 180 м). Температура воздуха на этой мачте регистрировалась термоградиентографом с погрешностью 0,2ч0,3°C. Влажность воздуха измерялась с помощью пленочного датчика с погрешностью 7%.

Данные по давлению были взяты из «Климатического атласа СССР» [4] для уровня 0 м. Для остальных высот (24, 40, 112, 180 м) давление было рассчитано по барометрической формуле:

,(22)

где P – давление на высоте z,

P0 – давление на исходном уровне,

g – ускорение свободного падения,

z – высота в м,

R – универсальная газовая постоянная (287, 05 Дж/кг·К),

T – температура в °K.

Обработка материалов велась с помощью процессора Exel. Данные вводились по датам; для каждой даты значения температуры, влажности и давления вводились на пяти высотах (0, 24, 40, 112, 180 м). Для того, чтобы рассчитать показатель преломления N, еще были необходимы значения упругости водяного пара на всех высотах по суткам. Парциальное давление е было рассчитано по формуле (10). Далее были рассчитаны значения показателя преломления N по формуле (9) и вертикальные градиенты по формуле (12) (см. приложение таблица 1).

После проведения расчетов были выполнены еще дополнительные действия:

Из общего массива данных через автофильтр находились отдельно данные по каждой высоте за месяц; На этих высотах были посчитаны среднемесячные значения t, f, e, P, N, dN/dH и их среднеквадратические отклонения (см. приложение таблицы 2, 3, 4, 5, 6);

По среднемесячным значениям t, f, e, N на каждой высоте были построены графики вертикальных профилей этих величин (см. анализ графиков и сами графики в главе 4);

Была посчитана повторяемость различных видов рефракции по значениям вертикального градиента dN/dH (см. таблицы 2,3).

После проведения всех расчетов, был сделан анализ полученных результатов (см. главу 4).

4. Вертикальные профили радиометеорологических величин

Для изучения закономерности распределения метеовеличин и показателя преломления воздуха в нижнем слое атмосферы летом был выбран город Хабаровск. Он расположен в юго – восточной части нашей страны (48°35′ с.ш. и 135°в.д.). Хабаровск относится к умеренному климатическому поясу, к области муссонного климата смешанных лесов Дальнего Востока. Средние температуры июля и января составляют + 16°C и – 24°C соответственно [5].

Как уже было сказано раньше, по среднемесячным значениям t, f, e, N на каждой высоте были построены графики вертикальных профилей этих величин (таблица 1).

Таблица 1 – Среднемесячные значения радиометеорологических величин на разных высотах

Далее приведен анализ полученных графиков.

4.1 Вертикальный профиль средней температуры июля

В умеренном поясе на суше в северном полушарии самым теплым месяцем является июль (именно этот месяц и был рассмотрен в данной работе).

Как уже известно, температура воздуха с высотой в среднем изменяется по линейному закону:

,(23)

где Th – абсолютная температура на верхней границе слоя,

T0 – абсолютная температура у основания слоя толщиной h,

gt – вертикальный градиент температуры.

Если принять в соответствии с международной стандартной атмосферой температуру воздуха у земной поверхности (на «нулевой высоте») равной 15°C (288°K), а градиент температуры до высоты 11км равным 6,5°C на километр подъема, то получится «стандартная» зависимость температуры от высоты (в километрах):

.(24)

С годовыми и суточными изменениями приземного значения температуры связаны характер кривой высотного распределения температуры и градиенты пограничного слоя тропосферы. Так, например, летом высотные зависимости температуры от дня к ночи изменяют свой характер, а градиенты изменяют знак с положительного (уменьшение t с высотой) на отрицательный (рост t с высотой – инверсия). В этом смысле стандартное линейное падение температуры с высотой не отражает процессов, происходящих в пограничном слое тропосферы.

В летний период на высотах до 100 м существует (в среднем сезонном профиле) инверсия температуры, являющаяся следствием ночных приземных инверсий. Выше 100 м наблюдается убывание t с высотой [6].

В рассмотренном мною случае, в среднемесячном вертикальном профиле температуры также имеется слой инверсии и слой падения t (см. рисунок 1).

Из графика видно, что инверсия наблюдается до высоты 80 м. В слое от 0 до 24 м слабо выраженная инверсия (градиент равен – 0,004°C/м). Выше 24 м идет резкое увеличение температуры с высотой и продолжается до 40 м (градиент в этом слое составляет – 0,069°C/м). В слое от 40 до 80 м наблюдается уменьшение интенсивности инверсии (градиент слоя равен – 0,005°C/м) – в этом слое инверсия практически такая же как и в слое от 0 до 40 м (различие составляет 0,001°C). На 80 м наблюдается максимальное среднемесячное значение t = 23,3°C. Начиная с 80 м идет уменьшение температуры с высотой (можно сказать, что на уровне 80 м происходит изгиб кривой в сторону уменьшения температуры – это критическая точка). В слое от 80 до 112 м идет слабое падение t (градиент составляет 0,003°C/м). А вот начиная со 112 м и до 180 м наблюдается резкое падение температуры (здесь градиент равен 0,025°C/м). На 180 м наблюдается минимальное среднемесячное значение t = 21,5°C.

Рисунок 1 – Вертикальный профиль средней температуры июля

4.2 Вертикальные профили средней относительной влажности и средней упругости водяного пара июля

Как мы знаем, основной вклад в изменения коэффициента преломления вносят изменения значений влажности. В тропосфере северного полушария независимо от сезона года влажность воздуха уменьшается с высотой, достигая минимумы вблизи тропопаузы. В стандартной атмосфере влажность воздуха убывает с высотой по эмпирическому соотношению (14).

Среднегодовые и сезонные профили распределения влажности не отражают «мгновенных», существующих в данный момент времени профилей. «Мгновенные» профили обладают значительно более сложной конфигурацией с различного рода изгибами и изломами и характеризуются большой изменчивостью во времени [6].

Вертикальный профиль средней относительной влажности июля не имеет больших изломов, а ведет себя довольно сглажено (см. рисунок 2). Падение f с высотой совсем небольшое. В слоях от 0 до 40 м и от 112 до 180 м более выраженное уменьшение влажности. А вот