Экспериментальное изучение мезомасштабных флуктуаций индекса преломления в приземном слое атмосферы

УДК 621.371:551.5

О.Н. Киселев, Л.И. Кижнер, М.В. Крутиков

Экспериментальное изучение мезомасштабных флуктуаций индекса преломления в приземном слое атмосферы

По данным измерений метеопараметров приземного слоя атмосферы над пересеченной местностью получены оценки характеристик неоднородностей индекса преломления с пространственными масштабами до десятков километров и временными периодами до десятков часов.

Флуктуации метеополей с пространственными масштабами от единиц до десятков километров и длительностью временных изменений от часа до десятков часов определяются [1, 2] как мезомасштабные. Они мало изучены, хотя их влияние, определяющее эффекты случайной рефракции, сказывается практически на всех типах тропосферных радиосистем [3]. Такие неоднородности коэффициента преломления в приземном слое атмосферы возникают как за счет распада крупномасштабных синоптических образований, так и при наличии на поверхности земли локальных неоднородностей температуры и влажности. Их свойства зависят как от синоптических условий, так и от конкретных особенностей (микроклимата, рельефа и т.п.) местности [4].

Экспериментальное изучение таких пространственно-временных изменений поля коэффициента преломления производились в июле-августе 1975 г. Одновременно измерялись температура, влажность, давление воздуха для последующего расчета индекса преломления в трех пунктах: гидрометеостанция (ГМС) на окраине Томска и экспедиционные пункты наблюдений у поселков Кандинка и Алаево. Расстояния между пунктами: ГМС — Кандинка 17 км; Алаево — Кандинка 18,5 км; ГМС — Алаево 32,7 км.

ГМС расположена вблизи высокого берега реки Томь (высота 140 м). Алаево (высота 100 м) находится на расстоянии примерно 2 км от Томи, на поляне между лесом и полем. Пункт Кандинка (высота 110 м) расположен вдалеке от реки на поляне, расстояние до леса около 500 м.

Фоновые радиометеорологические величины, которые условно назовем нормой для района экспериментов в период работ (норма, климатическая норма в метеорологии — какая-либо характеристика, статистически полученная из многолетних наблюдений), характеризуем суточным ходом среднечасовых значений индекса преломления Ы3 (рис. 1, ряд 1), средним по всем пунктам за весь период измерений, и среднеквадратическими величинами для каждого из пунктов, которые определяются величинами 12,4 А^-ед. (ГМС), 13,3 Ы-ед. (Кандинка), 14,4 Ы-ед,. (Алаево).

Отклонения ^ от нормы дают представление о степени влияния метеорологических условий в разных точках трассы распространения радиоволн, способствующих формированию в приземном слое мезомасштабных неоднородностей над разными участками земной поверхности (рис. 1). Ряды 2, 3, 4 характеризуют различные условия обработки результатов измерений.

Различия индекса преломления относительно нормы в разных пунктах выявляются даже для среднемесячных значений (ряд 2). Для единичных данных (ряд 3) средний разброс величин составляет (4-8) К-ед., СКО разностей — 4,1 Л^-ед. Максимальное зарегистрированное отклонение (ряд 4) достигло величины 28 Л^-ед. Это означает, что при оценке общей радиометеорологической обстановки на трассе протяженностью порядка 35 км, по данным одной измерительной точки, могут быть сделаны большие погрешности, связанные с наличием локальных неоднородностей пограничного слоя атмосферы.

Поле индекса преломления является случайным и для описания его структуры воспользуемся корреляционными функциями. Автокорреляционная функция (АКФ) характеризует суммарное воздействие двух возмущающих факторов — синоптических процессов и реакции на них локальных неоднородностей земной поверхности (рис. 2, кривая 1).

Часы суток

Рис. 1 — Суточный ход значений индекса преломления для различных условий обработки результатов измерений: 1 — средний по всем пунктам за весь период измерений;

2 — средние отклонения среднемесячных значений в разных пунктах относительно нормы;

3 — средний разброс для единичных данных; 4 — максимальные зарегистрированные

отклонения единичных данных

При изучении структуры приземных метеорологических полей с характерными масштабами в сотни километров второй фактор рассматривается как шум по отношению к синоптическим процессам [5]. Однако в нашем случае интерес представляет именно второе, более слабое воздействие на поле индекса преломления, влияние которого на суммарный процесс характеризуется взаимной корреляционной функцией (ВКФ) (рис. 2, кривая 2). Сравнение АКФ с ВКФ позволяет оценить временной интервал (до шести часов), в пределах которого отчетливо проявляется влияние местных неоднородностей земной поверхности на формирование мезо-масштабных флуктуаций в приземном слое атмосферы на фоне крупномасштабных (синоптических) структур.

0,8

0,6

а

I 0,4 а

1.0,2 &

10

Временной разнос, ч

15

20

Рис. 2 — Сравнение корелляционных функций: автокорелляционная функция; 2 — взаимнокорреляционная функция

С другой стороны, исходя из этих же данных, следует указать, что интервал временного усреднения результатов измерений N3, позволяющий дать репрезентативную оценку среднего значения индекса преломления (минимизирующий влияние неоднородностей земной поверхности) на исследованной трассе по результатам ежечасных наблюдений, равен шести часам и более.

Изменения корреляции индекса преломления между отдельными пунктами измерений во времени иллюстрируются рис. 3, где тонкие линии определяют степень разброса корреляции в

разное время суток. Различия между пунктами наблюдений существуют всегда, увеличиваясь утром (период быстрой смены термического режима пограничного слоя) и достигая наибольшей величины в середине дня, когда максимальны различия между участками земной поверхности за счет максимальных различий нагрева и увлажнения разных подстилающих поверхностей, особенно в солнечную погоду.

О 4 8 12 16 20 24

Время суток, ч

—♦— Минимум —Ш— Среднее —*— Максимум

Рис. 3 — Изменения корреляции индекса преломления между отдельными пунктами измерений во времени

Описание поля индекса преломления следует проводить как во времени, так и в пространстве. Для этого используем оценку пространственной корреляционнай функции на рис. 4. Он показывает, что уже при разносе пунктов измерения метеопараметров на расстояния 15-20 км раскорреляция рядов наблюдений достигает минимума, характерного для района исследований. Топографическая карта района экспериментов показывает, что именно в эти пределы (до 20 км) укладываются размеры, различающиеся по характеристкам (болота, поля, леса и т.п.) участки, земной поверхности. Эти результаты показывают, что при проведении метеоизмерений в нескольких пунктах для получения надежной оценки среднего значения над пересеченной местностью следует выбирать наибольшую величину разноса пунктов и располагать их на участках с максимально различающимися свойствами подстилающей поверхности.

Величина разноса, км ♦ Минимум Ш Среднее А Максимум

Рис. 4 — Пространственная корреляционная функция: 1 — средняя по всем наблюдениям; 2 — максимальные значения коэффициентов корреляции; 3 — минимальные значения коэффициентов корреляции

В заключение укажем, что величины пространственных горизонтальных градиентов индекса преломления над земной поверхностью (рис. 5) могут, в малых процентах случаев, доходить до 1 ЛГ-ед./км. Доля величин градиентов, равных 0,5 ЛГ-ед./км., доходит до 10 %.

-!-40—

ЗгО \ N \

! // /и / >7 1 п \ \ i \\ \

JL» 7 * -0- \ 4 -j ' 1 s=

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5

Величина градиентов N, N -ед/км » Алаево-Кандинка —— Алаево-ГМС —•—Кандинка-ГМС

Рис. 5 — Пространственные перепады индекса преломления над земной поверхностью:

Проведенные исследования показали, что при оценке средних радиометеорологических условий распространения радиоволн на трассах пересеченной местности недостаточно иметь один пункт для метеоизмерений. При единичных замерах в одной точке оценки метеопараметров могут уклоняться от истинного среднего на величину, превышающую среднеквадратичес-кое отклонение метеопараметров даже при условии выбора местоположения пункта наблюдения на ровном открытом месте. Для получения репрезентативной оценки значения индекса преломления, среднего по трассе длиной порядка 50 км, необходимо производить временное усреднение на интервале не менее 6 часов.

Список литературы

1. БатМ. Спектральный анализ в геофизике / М. Бат ; пер. с англ. -М. : Недра, 1980. -535 с.

2. Orlanski I. A rational subdivision of scales for atmospheric processes / I. Orlanski. - Bull. Am. Meteorol. Soc., 56, 1981. - P. 527-530.

3. Заблоцкий Ф.Д. Экспериментальные исследования влияния атмосферы на пространственные измерения в близгоризонтной зоне / Ф.Д. Заблоцкий, Н.И. Кравцов, A.JI. Островский, A.B. Шабельников. : В кн. XV Всесоюзная конф. по распространению радиоволн. Алма-Ата, 1987. - М., Наука, 1987. - С. 287-288.

4. Вельтищев Н.Ф. Мезометеорология и краткосрочное прогнозирование / Н.Ф. Вельти-щев. - BMO-N701, 1988. - 137 с.

5. Гандин Л.С. Статистические методы интерпретации метеорологических данных / JI.C. Гандин, Р.Л. Каган. - JI. : Гидрометиздат, 1976. - 360 с.

Киселев Олег Николаевич

Канд. техн. наук, доцент, ст. науч. сотр. НИИ радиотехнических систем ТУСУРа Телефон: (3822) 41 38 89

Крутиков Михаил Владимирович

Нач. лаб. распространения радиоволн НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 38 89

Факс: 3822 41 39 49

Эл. почта: rwplab@ms.tusur.ru

Кижнер Любовь Ильинична

Канд. геогр. наук, доцент каф. метеорологии и климатологии Томского государственного университета Телефон: (3822) 42 07 84 Эл. почта: kdm@mail.tsu.ru

O.N. Kiselev, L.I. Kizhner, M.V. Krutikov

Experimental investigations of mesoscale fluctuations of the refractive index in surface layer of atmosphere

Estimates of inhomogeneity characteristics of refractive index, which have a spatial scale up to tens of kilometers and temporal period up to tens of hours, have been obtained with the use of measurements data of weather parameters of atmosphere's surface layer over cross country.