Interdaily variations of three wind velocity components retrieved from long-term continuous mini-sodar measurements in t.pdf Введение Исследования закономерностей поведения скорости ветра в атмосферном пограничном слое имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Информация о вертикальных и горизонтальных сдвигах ветра важна, так как их критические значения создают угрозу для безопасности авиации, особенно малоразмерных самолетов и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). При этом наиболее важную роль играют турбулентные вихревые образования в приземном атмосферном пограничном слое (АПС). Применяемое аэрологическое зондирование не может обеспечить необходимыми данными о приземной части атмосферного пограничного слоя (до высот ~ 300 м), наземные измерения также не дают необходимой информации. Для измерения высотных профилей скорости ветра ранее в основном использовались высотные метеорологические мачты [1], на которых на фиксированных высотах размещались датчики направления и скорости ветра. Они не обеспечивают высокого пространственного разрешения, высота стандартных метеорологических мачт составляет 50-100 м, причем присутствие самой мачты и датчиков в измеряемом объеме искажает полученные результаты. В данной ситуации целесообразно использовать современные методы дистанционного зондирования скорости ветра с поверхности Земли. Такое зондирование может выполняться с помощью оптических систем (лидаров) [2, 3], ветровых РЛС [4] и акустических локаторов (содаров) [5, 6]. Лазерные методы зондирования можно условно разделить на корреляционные [2], базирующиеся на анализе поля коэффициента обратного рассеяния с выделением наиболее контрастного аэрозольного образования, и доплеровские [3], базирующиеся на измерении доплеровского сдвига сигнала от движущихся аэрозольных образований. К недостаткам первой группы методов относится малая точность измерений (по данным [2], составляющая ~ 20-30 % для модуля скорости ветра и ~ 25-30 % для направления ветра). Недостатком доплеровских лазерных методов является то, что они измеряют только продольный компонент скорости ветра [3]. Потенциальные возможности ветровых метеорологических РЛС метрового, дециметрового и миллиметрового диапазонов рассмотрены в [4]. Они позволяют надежно измерить скорость ветра при наличии облаков или осадков в виде дождя и снега. К их недостаткам можно отнести пропуск приземного слоя до высот 100-300 м, а также невозможность работы в ясную погоду, когда отраженный радиолокационный сигнал мал. Несомненными преимуществами использования содаров являются возможности непрерывных дистанционных оперативных измерений трех компонентов скорости ветра при малоразмерных возмущениях АПС [5, 6]. Такие данные необходимы, прежде всего, для составления краткосрочных прогнозов погоды, оценки концентрации и переноса загрязняющих примесей, метеорологического обеспечения, построении моделей АПС и т.п. Диапазон высот 5-200 м очень важен для малоразмерных летательных аппаратов и БПЛА, траектория полета которых напрямую зависит от величины и направления вектора скорости ветра. Применению содаров для измерения скорости ветра в АПС посвящено большое количество работ, однако в большинстве из них рассматривается только вертикальный компонент скорости ветра (например, см. обзор [7]). Использование высокочастотных мини-содаров [8-10] обеспечивает возможность длительных непрерывных круглосуточных измерений в реальном масштабе времени с высоким разрешением как по времени (статистически надежные профили скорости ветра доступны с осреднением, как правило, от 10 до 30 мин), так и по линейным масштабам (по высоте до 5 м и размерности турбулентных вихревых образований десятки сантиметров), что позволяет исследовать тонкую структуру АПС. В данной работе проведен статистический анализ результатов длительных непрерывных мини-содарных измерений профилей трех компонентов скорости ветра в АПС в диапазоне высот 5-200 м [11] и их межсуточных вариаций на высотах 50, 100, 150, и 200 м. 1. Применяемые приближения, аппаратура и методика обработки мини-содарных данных Обрабатывались данные измерений трехкомпонентным моностатическим доплеровским мини-содаром AV4000 (Atmospheric Systems Corporation) с 50-элементной рупорной антенной решеткой [11]. Рабочая частота мини-содара составляла 4900 Гц, длительность импульса излучения 60 мс, период посылки зондирующих импульсов t = 4 с. Излучение последовательно посылалось в трех направлениях - вертикальном и наклонном под углами  = 14 к вертикали в двух взаимно ортогональных плоскостях. Три компонента скорости ветра Vx(z, t), Vy(z, t), Vz(z, t), где z - высота зондирования и t - время измерения, вычислялись по доплеровским сдвигам частот f1D(z, t), f2D(z, t), f3D(z, t) в трех приемопередающих каналах мини-содара по формулам [8] (1) Обрабатывались данные мини-содарных измерений в стробах zk, k = 1, , K, вертикальной протяженностью . Дополнительно контролировалось отношение сигнал/шум, и результаты, для которых оно было меньше порогового уровня, исключались из рассмотрения, что увеличивало надежность полученных данных. Также исключались случайные выбросы сигнала [12]; чтобы избежать при этом пропусков данных, производилась интерполяция с использованием соседних отсчетов сигнала. Усреднение данных в стробе zk производилось по формулам (2) где tjst - время начала j-й серии измерений, j = 1, , 8. Сеанс зондирования был начат в 01:00 ч мест¬ного времени 10 сентября и проводился непрерывно в течение 8 сут до 24:00 17 сентября 2003 г. Погода была сухая, теплая, солнечная. Температура воздуха составляла 10-12 С. Высотные профили компонентов скорости ветра рассчитывались по формулам (1) и затем усреднялись с использованием формул (2) для N = 450, что обеспечивало 30-минутный период усреднения результатов. Интервал между последующими сериями измерений составлял 1 ч. Обрабатывались данные измерений в диапазоне высот 5-200 м (K = 43). 2. Статистический анализ полученных результатов 2.1. Временная динамика высотных профилей трех компонентов скорости ветра В качестве иллюстрации на рис. 1 приведены высотные профили трех компонентов скорости ветра по результатам мини-содарных измерений 10 сентября с 0 до 12 ч местного времени. Из рисунка видно, что на высотных профилях скорости ветра имеются линейные участки, для которых высотный ход компонентов скорости ветра аппроксимируется формулой: (3) Рис. 1. Высотные профили трех компонентов скорости ветра по результатам мини-содарных измерений 10 сентября с 01:00 до 24:00 местного времени. Над рисунками показана цена деления шкалы по оси абсцисс, в м/с начиная с некоторой высоты zнач i, где zнач x, y  75-100 м и zнач z  5-50 м. Коэффициенты линейной аппроксимации Az и Bz для z-компонента скорости ветра за 10 сентября в зависимости от времени начала серии измерений и коэффициент корреляции для этой линейной аппроксимации приведены в таблице, из которой следует, что представленная на рис. 1 зависимость для Vz av(tjst) удовлетворительно аппроксимируется линейной зависимостью. Видно также, что рост скорости ветра с высотой, определяемый параметром Bi, остается примерно постоянным в течение 3 ч с 04:00 до 06:00, что отмечалось также в [13]. Полученные высотные профили горизонтальных x- и y-компонентов скорости ветра во всем диапазоне высот зондирования аппроксимируются логарифмически-степенной зависимостью вида [8] , (4) где константы аппроксимации лежат в пределах 1.56-3.34 и 1.9310-1-6.9410-1. Коэффициенты аппроксимации линейной зависимости высотного хода z-компонента скорости ветра и коэффициент корреляции по результатам мини-содарных измерений 10 сентября tist, ч:мин 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 Az(tist)10-1, м/с 2.8 1.9 2.5 2.8 3.2 3.3 3 3 2.1 2.1 0.5 Bz(tist)10-3 4.3 2 2.2 3.7 3.8 3.5 2.7 2.4 1.2 1.8 1.1 R 0.93 0.72 0.67 0.91 0.88 0.84 0.83 0.78 0.82 0.74 0.42 2.2. Межсуточные вариации трех компонентов скорости ветра На рис. 2 приведены межсуточные вариации трех компонентов скорости ветра за период измерений с 01:00 10 сентября по 24:00 17 сентября для высот зондирования 50, 100, 150, и 200 м. Видно, что все компоненты скорости ветра растут с увеличением высоты зондирования. Обращает на себя внимание синхронный характер появления максимумов и минимумов для x- и у-компонентов. При этом для всех компонентов отчетливо прослеживается полусуточный временной ход, с понижением скорости с полуночи до полудня и ее последующего увеличения с полудня Рис. 2. Межсуточные вариации трех компонентов скорости ветра на фиксированных высотах за период измерения с 01:00 10 сентября по 24:00 17 сентября. Высота зондирования указана справа на рис. в (см. также с. 13) 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 t, ч:мин 10.09 11.09 12.09 13.09 14.09 15.09 16.09 t, число.месяц Рис. 2. Окончание до полуночи. Такое поведение скорости ветра можно объяснить утренним прогревом и вечерним охлаждением подстилающей поверхности, во время которых и наблюдаются наиболее интенсивные изменения компонентов скорости ветра. Данные усреднялись по 450 профилям, что соответствовало периоду усреднения 30 мин. Под рисунками показаны нулевые отсчеты для каждого профиля компонента скорости ветра и время начала очередной серии измерений. Заключение Для анализа использовались измерения высотных профилей трех компонентов скорости ветра непрерывно в течение 8 сут трехкомпонентным моностатическим доплеровским мини-содаром с 50-элементной рупорной антенной решеткой для диапазона высот зондирования 5-200 м. Статистический анализ полученных экспериментальных результатов позволил установить ряд интересных закономерностей. Временная динамика высотных профилей компонентов скорости ветра обнаруживает, что на высотных профилях скорости имеются линейные участки, для которых высотный ход компонентов скорости удовлетворительно аппроксимируется линейной зависимостью. Анализ межсуточных вариаций трех компонентов скорости ветра позволил установить, что все компоненты скорости ветра растут с увеличением высоты зондирования. Обращает на себя внимание синхронный характер появления максимумов и минимумов горизонтальных x- и у-компонентов. При этом для всех компонентов отчетливо прослеживается полусуточный временной ход, с понижением скорости с полуночи до полудня и ее последующего увеличения с полудня до полуночи. Такое поведение скорости ветра можно объяснить утренним прогревом и вечерним охлаждением подстилающей поверхности, во время которых и наблюдаются наиболее интенсивные изменения компонентов скорости ветра.

Скачать электронную версию публикации