Способ дистанционного определения водозапаса капельных облаков Советский патент 1991 года по МПК G01W1/00 

1

(21)4650031/10 (22)18.01.89 (46)30.11.91. Бюл. №44

(71)Институт физики атмосферы АН СССР

(72)С.В. Дворяшин и Н.С. Пугачев -.(53)551.51(088.8)

(56)Степаненко В.Д. и др. Радиотеплолока- ция в метеорологии,- Л.: Гидрометеоиздат,

. 1987, с. 191.

(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОЗАПАСА КАПЕЛЬНЫХ ОБЛАКОВ

(57)Изобретение относится оптике атмосферы, в частности к оптическим исследованиям облачных образований, и может быть использовано при контроле облачной атмосферы, а также в спектроскопии рассеивающих сред. Целью изобретения является повышение точности. Цель изобретения достигается тем, что измеряют интенсивность прошедшего сквозь облако рассеянного солнечного электромагнитного излучения не менее, чем в трех спектральных интервалах в полосе поглощения капельной воды в диапазоне 2,0-2,5 мкм и по соотношению полученных величин судят о величине аодо- запаса. 1 ил,

Изобретение относится к оптике атмосферы, в частности к оптическим исследованиям облачных образований, и может быть .использовано при контроле облачной атмосферы с самолетов, аэростатов или наземных метеостанций, а также в спектроскопии рассеивающих сред.

Цель изобретения - повышение точности.

Сущность способа заключается в следующем.

Измеряют интенсивность рассеянного, прошедшего сквозь облако солнечного электромагнитного излучения в шести спектральных интервалах: AAi 2,079.1-2,0793 мкм; ДА2 2,0939-2,941 мкм; ДАз 2,0956- 2,958 мкм; ДАл 2,1308-2,1310 мкм ДЛб 2,2790-2,2792 мкм; ДАб 2,3123-2,3125 мкм. Длины волн и ширина интервалов выбраны таким образом, что находятся в полосе поглощения капельной воды и в них не попадают линии поглощения атмосферных газов. Континуальное ослабление солнечного излучения безоблачной атмосферой в выбранных интервалах одинаково. Кроме того, рассеивающие свойства капельных облаков (коэффициент рассеяния, распределение фотонов по пробегам) н этих шести спектральных интервалах для реальных распределений капель по размерам совпадают.

Интенсивность регистрируемого излучений I в этих шести спектральных интервалах может быть описана следующим выражением

о о ел го ел о

ii ioip(i-R)/dei((o

exp |- t(w(b + «) ,

(D

где loi - интенсивность солнечного излучения е Игом ( 1,2...6) интервале на верхней границе атмосферы;

Р - функция пропускания безоблачной части атмосферы на пути луча;

R - отражательная способность облака;

о -телесный угол поля зрения прибора;

Р-длина пути пробега фотона в облаке;

(t) - функция, описывающая распределение фотонов по длинам пробега в облаке;

W - водность облака;

о, - массовые коэффициенты поглощения капельной воды в ЛЛ ;

а - коэффициент поглощения, обусловленный всеми остальными компонентами атмосферы, отличными от капель воды (газы и аэрозоль),

а практически не зависят от реально встречающихся в облаках распределений капель по размерам (вариации в пределах 5%) и равны ся 4б,5;«2г 42,3; од 41,6; сы 34,1; as 34,6; ое 40,2 см2/г. Из измерений следует, что величина а не превышает значения 0,02 мк Водность подавляющего большинства капельных облаков лежит в диапазоне We (0,1-0,4) г/м3.

На основании теоремы о среднем выражении (1) можно представить в виде

(2)

(-R)exp |-(

OQ

со

/d Јl(t)exp J-CWojdC/L

Моделирование ft3, проведенное методом Монте-Карло, показало, что величина fi3 одинакова во всех выбранных спектральных интервалах (вариации менее 5%).

Как видно из (2) экспонента под интегралом, описывающим поглощение излучения на облачных каплях, зависит не от самой длины пробега f, а от произведения (jVV)Oi. Причем величина водности в каждом конкретном случае не известна, Иными словами, не зная водности W, по спектрам поглощения нельзя определить IN, а можно лишь произведения (lw) Cti Тогда, производя замену переменных под интегралом х

WЈ d Ј -7«r, (2) преобразуется в

W

li loi F / d х I ( )ехр | х он 1

(3)

где (l-R)exp{-PV} величина одинаковая во всех шести спектральных интервалах

Расчеты, проведенные методом Монте- Карло, и анализ экспериментальных данных показывает, что реальные функции, описывающие распределение фотонов по пробегам в облаке 1(г) хорошо аппроксимируются функциями вида

О при 0 х Н В ехр /- к х I при Н х

(4)

00

при неплотных облаках (солнечный диск виден на просвет), оптическая толща г 15,

и.

l2(x

О при О В при Н

Н

(5)

с ехр | - к х 1 при XT х

00

для плотных облаков .

Функции (х), И (х) и 2(х) удовлетворяют условиям нормировки

20

00

00

/l(x)(x)dx

00

(6)

Ла ( х ) d х 1 .

Величина Н имеет смысл водозапаса облака, т.е. толщины облака, умноженной на его водность; величины К, В, С, х - апп- роксимационные параметры.

Таким образом, водозапас облака находится методом наименьших квадратов из решения задачи об отыскании минимума функционала путем вариации параметров Н

ИУ

мин Ј l|-fJ(H.yx,)2

HJf

где

fj(H..xi) l0|F/dxlj(x)

ехр

{-xa,(F ,K)y1(F iX ,K.)

W

- вектор вспомогательных параметров, отыскиваемых одновременно с Н.

Проверка работоспособности способа проводилась моделированием на ЭВМ. Для этого методом Монте-Карло численно рас- считывались функции 1(х), описывающие распределение фотонов по пробегам в облаке. Затем по формуле (1) рассчитывались значения h и с использованием выражения (7) методом наименьших квадратов оценивался водозапас.

При моделировании толщина облака была выбрана на 1 км; водность варьировалась в диапазоне 0,1-0.4 r/м3; коэффициенты рассеяния варьировались в диапазоне 5-30 (т.е. соответствующая оптическая

толщина была 5-30); альбедо подстилающей поверхности варьировалась от 0 до 0,8; при этом средний пробег фотонов в облаке изменялся от 2 до 5,5 км.

Среднеквадратичная погрешность определения водозапаса, обусловленная приближенностью выражения (7), не превышает 12%. Из-за неопределенности значений коэффициентов поглощения а может возникать дополнительная ошибка, не превышающая 5%. Таким образом, учитывая независимость этих двух ошибок и их случайный характер (они зависят от .конкретных условий, сложившихся в момент измерений - водности, оптической толщины, распределения капель по размерам и т.д.) за оценку методической погрешности можно принять значение 15%. Наличие случайных шумов при регистрации li с отношением сигнал-шум 100 не нарушает устойчивости определения водозапаса.

Использование изобретения позволяет повысить точность дистанционного опредет

0

5

0

ления водозапаса, упростить технику измерений и аппаратуру, снизить трудоемкость. Способ позволяет полностью автоматизировать процессы измерений и последующего определения водоэапаса, а следовательно, может быть внедрен на сеть нззе- мных метеостанций для получения оперативной информации, необходимой для составления прогнозов.

Формула изобретения Способ дистанционного определения водозапаса капельных облаков, при котором измеряют интенсивность электромагнитного излучения в нескольких спектральных интервалах и по соотношению полученных величин судят о величине водозапаса, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности, интенсивность электромагнитного излучения измеряют не менее чем в трех спектральных интервалах в полосе поглощения капельной воды в диапазоне 2,0-2,5 мкм.