Дистанционный способ определения интенсивности ветровой, температурной и оптической турбулентности Российский патент 2023 года по МПК G01S17/95 

Изобретение относится к дистанционному зондированию атмосферы и может быть использовано для одновременного определения скорости диссипации кинетической энергии турбулентности , характеризующей интенсивность ветровой турбулентности, и структурных постоянных флуктуаций температуры и показателя преломления воздуха, характеризующих интенсивность температурной и оптической турбулентности.

Существуют когерентные доплеровские ветровые лидары производства Lockheed Martin Coherent Technologies (США), Leosphere (Франция), Halo Photonics (Великобритания), Mitsubisi Electric (Япония), Leice-Lidar Transient Technology (Китай), LEONARDO (Германия), измеряющие компоненту скорости ветра вдоль направления зондирования (радиальную скорость).

Существуют температурные микроволновые радиометры производства Атмосферные Технологии (Россия), College of Atmospheric Sciences of Lanzhou University (Китай), RPG-HATPRO (Германия), измеряющие высотные профили температуры воздуха.

Существуют способы оценивания параметров, характеризующих интенсивность ветровой турбулентности, из лидарных измерений радиальной (вдоль направления зондирования) скорости когерентными лидарами (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.; Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Estimating the Parameters of Wind Turbulence from Spectra of Radial Velocity Measured by a Pulsed Doppler Lidar // Remote Sensing, 2021. 13(11), 2071; https://doi.org/10.3390/rs13112071 и библиография в этих публикациях). Недостатком этих методов и существующих когерентных ветровых лидаров, являющихся моностатическими, с помощью которых реализуются эти методы, является то, что они не позволяют дистанционно определять параметры, характеризующие интенсивность температурной и оптической турбулентности. В изобретении предлагается в атмосферных измерениях в дополнение к ветровым когерентным лидарам одновременно использовать дистанционные измерители температуры, например, микроволновые радиометры. Совместное использование когерентных лидаров и температурных микроволновых радиометров решает задачу одновременной дистанционной параметризации не только ветровой, но и температурной и оптической турбулентности.

В качестве прототипа выбран способ дистанционного определения скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующей интенсивность турбулентного перемешивания воздуха в атмосфере (интенсивность ветровой турбулентности), из измерений радиальной скорости когерентным доплеровским ветровым лидаром при коническом сканировании зондирующим лазерным пучком вокруг вертикальной оси (метод азимутальной структурной функции) (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.; Smalikho I.N., Banakh V.A. Measurements of wind turbulence parameters by a conically scanning coherent Doppler lidar in the atmospheric boundary layer // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10. P. 4191-4208. https://doi.org/10.5194/amt-10-4191-2017; Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Лидарные измерения параметров ветровой турбулентности в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т.30. № 4. С.342-349. doi:10.15372/AOO20170411). Способ не позволяет определять интенсивность температурной и оптической турбулентности, но определяемая этим способом скорость диссипации турбулентной энергии через вертикальные градиенты температуры и скорости ветра связана со структурными постоянными флуктуаций температуры и показателя преломления, характеризующими интенсивность температурной и оптической турбулентности. В изобретении предлагается определять скорость диссипации, как и в прототипе, из лидарных измерений радиальной скорости методом азимутальной структурной функции, и, в отличие от прототипа, дополнительно измерять с помощью лидара и радиометра вертикальные градиенты скорости ветра и температуры, и по данным о скорости диссипации и о вертикальных градиентах скорости ветра и температуры рассчитывать структурные постоянные флуктуаций температуры и показателя преломления.

Раскрытие сущности

Оценивание скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующей интенсивность ветровой турбулентности, осуществляется из измерений радиальной скорости когерентным доплеровским ветровым лидаром при коническом сканировании зондирующим лазерным пучком вокруг вертикальной оси методом азимутальной структурной функции. Одновременно из тех же лидарных данных оценивается средняя скорость и направление ветра методом фильтрованной синусоидальной подгонки (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.).

Оценка структурной постоянной турбулентных флуктуаций температуры, характеризующей интенсивность температурной турбулентности, осуществляется на основе формулы

где - численная константа порядка единицы, - коэффициент турбулентной температуропроводности, - вертикальный градиент потенциальной температуры , связывающей структурную постоянную со скоростью диссипации кинетической энергии турбулентности (Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967, 548 с.). Однако непосредственно воспользоваться формулой (1) для дистанционного определения невозможно. Не существует способов дистанционного измерения коэффициента турбулентной температуропроводности . Задача решается, если формулу (1) представить в виде

где

градиентное число Ричардсона, - ускорение силы тяжести, - вертикальный градиент средней скорости , - турбулентное число Прандтля, - абсолютная температура. Формула (2) открывает возможность оценивания структурной постоянной по данным о скорости диссипации кинетической энергии турбулентности , вертикальных градиентах средней скорости и температуры , и о числе Ричардсона , получаемым из дистанционных измерений радиальной скорости лидаром и температуры микроволновым радиометром. Число Прандтля в формуле (3) зависит от числа Ричардсона и задаётся при расчётах равным = 0,8 при неустойчивой и нейтральной стратификации (0) (Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967, 548 с.) и в соответствии с зависимостью , представленной в Зилитинкевич С.С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. М.: Физматлит, 2013. 246 с., при устойчивой стратификации (0).

Таким образом, одновременные измерения радиальной скорости когерентным ветровым лидаром и температуры микроволновым радиометром, обеспечивающие определение высотных профилей скорости ветра и температуры, позволяют дистанционно оценивать и скорость диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующую интенсивность ветровой турбулентности, методом азимутальной структурной функции, и структурную постоянную турбулентных флуктуаций температуры, характеризующую интенсивность температурной турбулентности, по формуле (2) и связанную с ней через известное соотношение структурную постоянную показателя преломления.

Технический результат изобретения

Изобретение представляет собой способ одновременного определения интенсивности ветровой, температурной и оптической турбулентности, обеспечивая оценивание скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующей интенсивность ветровой турбулентности, и структурных постоянных флуктуаций температуры и показателя преломления воздуха, характеризующих интенсивность температурной и оптической турбулентности, из одновременных измерений радиальной скорости когерентным лидаром и температуры микроволновым радиометром.

Технический результат достигается посредством измерения радиальной скорости когерентным ветровым лидаром при коническом сканировании зондирующим лазерным пучком вокруг вертикальной оси под заданным углом места и измерения температуры микроволновым радиометром, определения вертикальных градиентов скорости ветра и температуры, расчёта градиентного числа Ричардсона, определения турбулентного числа Прандтля по данным о числе Ричардсона, оценивания скорости диссипации кинетической энергии турбулентности методом азимутальной структурной функции и расчёта структурной постоянной турбулентных флуктуаций температуры по формуле (2) и связанной с ней структурной постоянной флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере.

Описание изобретения

1) На фиг.1 изображена схема конического сканирования зондирующим пучком вокруг вертикальной оси ветрового когерентного лидара.

[1] - Лидар

[2] - Лазерный пучок

[3] - Радиальная скорость , измеренная под азимутальным углом на расстоянии

[4] - Оценка средней скорости ветра на высоте в момент времени

[5] - Оценка вертикального градиента средней скорости

[6] - Оценка скорости диссипации кинетической энергии турбулентности

2) На фиг.2 изображена схема сканирования приёмником спектрорадиометра в вертикальной плоскости для определения вертикального профиля температуры.

[7] - Температурный спектрорадиометр

[8] - Направление приёма атмосферной СВЧ радиации

[9] - Угол места сканирования

[10] - Вертикальный профиль температуры

[11] - Вертикальный градиент температуры

[12] - Вертикальный профиль потенциальной температуры

[13] - Вертикальный градиент потенциальной температуры

3) Зависимость турбулентного числа Прандтля от градиентного числа Ричардсона при устойчивой стратификации по данным Зилитинкевич С.С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. М.: Физматлит, 2013. 246 с.

4) Формула для оценивания градиентного числа Ричардсона по данным ветрового лидара о вертикальном градиенте средней скорости и микроволнового радиометра о температуре и вертикальном градиенте потенциальной температуры.

5) Формула для оценивания структурной постоянной турбулентных флуктуаций температуры по данным ветрового лидара и микроволнового радиометра о температуре, градиентном числе Ричардсона, вертикальном градиенте потенциальной температуры, скорости диссипации кинетической энергии турбулентности и турбулентному числу Прандтля, определяемому по его зависимости от градиентного числа Ричардсона.

6) Формула для оценивания структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления по структурной постоянной температуры, давлению , измеряемому стандартными датчиками и рассчитываемому по барометрической формуле, и температуры по данным микроволнового радиметра.

Осуществляется измерение радиальной скорости когерентным ветровым лидаром при коническом сканировании зондирующим лазерным пучком вокруг вертикальной оси под заданным углом места в соответствии со схемой на Фиг.1. Из получаемых массивов значений радиальной скорости , измеренной под разными азимутальными углами на различных расстояниях методом фильтрованной синусоидальной подгонки (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.) рассчитываются двумерные распределения средней скорости по высоте и времени , где -начальная высота измерений, ; - шаг по высоте, определяемый шагом измерений по дальности и углом места , под которым проводится сканирование, и - шаг по времени, определяемый продолжительностью одного полного оборота зондирующего пучка вокруг вертикальной оси. Затем рассчитываются двумерные высотно временные распределения вертикального градиента средней скорости и скорости диссипации кинетической энергии турбулентности . Скорость диссипации, характеризующая интенсивность ветровой турбулентности, рассчитывается методом азимутальной структурной функции.

Одновременно осуществляется измерение температуры микроволновым радиометром по схеме на Фиг.2. Измеренные с шагом по высоте и по времени значения температуры интерполируются и рассчитываются высотно временные распределения температуры , вертикального градиента температуры , потенциальной температуры и вертикального градиента потенциальной температуры с тем же шагом по высоте и времени, что и в распределениях средней скорости ветра и вертикального градиента средней скорости. Потенциальная температура на высоте в момент времени связана с температурой соотношением , где =0,098 град/м - сухоадиабатический градиент.

Затем по значениям температуры и вертикальных градиентов потенциальной температуры и средней скорости рассчитываются высотно временные распределения градиентного числа Ричардсона по формуле (4). После этого с использованием графика на Фиг.3 при 0 и равенства = 0,8 при 0 рассчитываются высотно временные распределения турбулентного числа Прандтля .

На последнем этапе с использованием найденных значений , , , , по формуле (5) рассчитываются высотно временные распределения структурной постоянной , характеризующей интенсивность температурной турбулентности, а через неё по формуле (6) распределения структурной постоянной показателя преломления , характеризующей интенсивность оптической турбулентности.

Экспериментальное подтверждение возможности осуществления изобретения

В статьях Smalikho I.N., Banakh V.A. Measurements of wind turbulence parameters by a conically scanning coherent Doppler lidar in the atmospheric boundary layer // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10. P. 4191-4208. https://doi.org/10.5194/amt-10-4191-2017; Banakh, V.A.; Smalikho, I.N.; Falits, A.V. Wind-Temperature Regime and Wind Turbulence in a Stable Boundary Layer of the Atmosphere: Case Study. Remote Sens. 2020, 12, 955. doi:10.3390/rs12060955; Banakh, V.A.; Smalikho, I.N.; Falits; A.V. Estimation of the height of the turbulent mixing layer from data of Doppler lidar measurements using conical scanning by a probe beam. Atmos. Meas. Tech. 2021, 14, 1511-1524. https://doi.org/10.5194/amt-14-1511-2021 и других работах авторов заявки представлены многочисленные примеры высотно временных распределений скорости диссипации и градиентного числа Ричардсона , полученные при дистанционных измерениях скорости ветра и температуры в соответствии со схемами на Фиг.1 и 2. Фигуры 4, 5 иллюстрируют результаты измерений, проводившихся на западном побережье Байкала на стационаре Байкальской астрофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН в п. Листвянка 21 августа 2020 г. На Фиг. 4 показаны высотно временные распределения градиентного числа Ричардсона (вверху) и скорости диссипации (внизу), характеризующей интенсивность ветровой турбулентности. Выше 500 м лидарные данные сильно зашумлены из-за низкой концентрации аэрозоля после дождя в этот день, нужно принимать во внимание результаты, полученные в нижнем 500 м слое пограничного слоя атмосферы.

Использование данных, приведённых на Фиг. 4 и аналогичных, позволяет рассчитывать по формулам (5), (6) и зависимости на Фиг.3 высотно временные распределения структурных постоянных температуры и показателя преломления . На Фиг.5 показано высотно временное распределение структурной постоянной флуктуаций показателя преломления , характеризующей интенсивность оптической турбулентности, рассчитанное по результатам измерений 21 августа 2020 г.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности ветровой, температурной и оптической турбулентности в атмосфере. Сущность: измеряют радиальную скорость ветра когерентным ветровым лидаром конического сканирования, зондирующим лазерным пучком вокруг вертикальной оси под заданным углом места. Рассчитывают по результатам лидарных замеров высотно-временные распределения скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующей интенсивность ветровой турбулентности, методом азимутальной структурной функции. Одновременно с измерением радиальной скорости ветра измеряют температуру воздуха с заданным шагом в заданные моменты времени с помощью микроволнового радиометра, а также атмосферное давление. С учетом измеренных параметров рассчитывают высотно-временное распределение структурной постоянной, характеризующей интенсивность температурной турбулентности, и высотно-временное распределение структурной постоянной показателя преломления, характеризующей интенсивность оптической турбулентности. Технический результат: одновременное определение интенсивности ветровой, температурной и оптической турбулентности в атмосфере. 5 ил.

Способ дистанционного определения интенсивности ветровой, температурной и оптической турбулентности в атмосфере, заключающийся в измерении радиальной скорости ветра когерентным ветровым лидаром конического сканирования, зондирующим лазерным пучком вокруг вертикальной оси под заданным углом места, расчете по результатам лидарных замеров высотно-временных распределений скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующей интенсивность ветровой турбулентности, методом азимутальной структурной функции, отличающийся тем, что

одновременно с измерением радиальной скорости ветра измеряют температуру воздуха с заданным шагом в заданные моменты времени с помощью микроволнового радиометра, а также атмосферное давление,

рассчитывают высотно-временное распределение структурной постоянной, характеризующей интенсивность температурной турбулентности, по формуле ,

где - численная константа порядка единицы, - ускорение силы тяжести, Ri - градиентное число Ричардсона, - турбулентное число Прандтля, - абсолютная температура, - вертикальный градиент потенциальной температуры, - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности,

рассчитывают высотно-временное распределение структурной постоянной показателя преломления, характеризующей интенсивность оптической турбулентности, по формуле ,

где р - атмосферное давление.