УДК 551.524.4:551.508.2
Результаты сравнения профилей температуры атмосферы по данным микроволновых профилемеров МТП-5 и радиозондов
М. Н. Хайкин*
Представлены результаты сравнения профилей температуры, полученных с помощью дистанционных профилемеров МТП-5 и радиозондов в трех городах: Нижнем Новгороде, Долгопрудном и Оренбурге в 2004—2006 гг. Сравнения, проводимые для трех типов профилей, а именно: адиабатического, приземной и приподнятой инверсии, показали, что прибор МТП-5 надежно регистрирует тип профиля температуры. Наилучшее совпадение профилей наблюдается в нижнем 200-метровом слое. Среднеквадратичное отклонение разности значений температуры по измерениям МТП-5 и радиозондом в интервале высот 0—600 м лежит в диапазоне 0,9—1,4° С.
1. Введение
В 1991—1994 гг. специалистами НИРФИ (г. Нижний Новгород) и Центральной аэрологической обсерватории был разработан новый дистанционный метод измерения профилей температуры, основанный на приеме собственного теплового излучения атмосферы в диапазоне миллиметровых радиоволн. Использование дистанционных методов зондирования атмосферы основано на решении интегрального уравнения переноса энергии радиоизлучения в поглощающей среде. Перенос микроволнового радиоизлучения в атмосфере сопровождается его поглощением и рассеянием. Величина рассеяния определяется диэлектрическими свойствами частиц и соотношением между их размерами и длиной волны. В микроволновом диапазоне длин волн отношение размера частиц к длине волны много меньше единицы, т. е. релеевское приближение выполняется для большинства гидрометеорологических образований. Вероятность же "выживания" кванта <10-4. Таким образом, атмосфера в этом диапазоне длин волн в большинстве случаев является чисто поглощающей средой, поглощение в которой обусловлено молекулами, имеющими дипольный момент, и каплями воды в облаках. Из основных газов атмосферы электрический дипольный момент имеет молекула воды, а магнитный — молекула кислорода. Другие примесные газы имеют примерно в 20 раз меньший дипольный момент (за исключением озона), а их содержание не превышает 10-6 по объему. Таким образом, в нижних слоях атмосферы коэффициент поглощения определяется поглощением кислорода, водяного пара и облачными каплями.
При отсутствии рассеяния для плоско-слоистой модели атмосферы, находящейся в термодинамическом равновесии, в миллиметровом диапазоне
* Центральная аэрологическая обсерватория; e-mail: khaikine@mail.ru.
волн уравнение переноса в терминах радиояркостной температуры Тя может быть записано в виде
1 H ( 1 ^h Гя = -^ fT(A)yv(h)exp --Mf(Yv(h')dh')dh, (1)
cos 6 J0 ^ cos 9 ) 0
где T(h) — распределение температуры c высотой; Yv(h) — коэффициент поглощения атмосферы на частоте v; 9 — зенитный угол.
Уравнение (1) определяет прямую задачу термического зондирования, которая отражает основные сведения о температуре атмосферы, содержащиеся в измеряемых величинах Тя. Непосредственное же получение информации о распределении температуры с высотой T(h) осуществляется при решении интегрального уравнения (1), т. е. решении обратной задачи.
Основополагающим принципом дистанционного определения профиля температуры атмосферы T(h) является тот физический факт, что излучение в разных спектральных участках полосы поглощения кислорода О2 генерируется в разных слоях атмосферы и, следовательно, определяется температурой этих слоев (концентрация кислорода считается известной и постоянной). При этом эффективная толщина Нэф слоя, формирующего излучение (скин-слоя), может меняться от сотен метров до нескольких километров. На этом принципе основан многочастотный метод измерения профиля температуры атмосферы, в котором используется несколько частот на склоне полосы линии поглощения кислорода [8, 9, 15]. При угломестном сканировании термическое зондирование осуществляется путем приема радиоизлучения атмосферы на разных зенитных углах в диапазоне 0—90° [1, 3, 6, 13]. Если коэффициент поглощения слабо зависит от высоты (для пограничного слоя атмосферы 0—1 км это выполняется), то выражение для Нэф принимает вид
Н _ cos 9 (2)
Нэф _ (2)
Yv (0)
Для пограничного слоя атмосферы (ПСА) на частоте 60 ГГц коэффициент поглощения молекулярного кислорода Y60(h) слабо зависит от высоты: Y60(h) ~ const « Y60(0) ~ 3,2 км-1. Подставив значение Y60(0) в (2), получим Нэф « 300cos(9). Таким образом, толщина скин-слоя изменяется от 0 до 300 м. Следует сказать, что в скин-слое формируется примерно 63% интенсивности излучения, в двойном скин-слое (2Нэф « 600 м) — примерно 87%. То есть толщина слоя, с которого приходит основная часть радиоизлучения, а следовательно, и высота зондирования на частоте 60 ГГц, составляет 600 м. Толщина двух скин-слоев практически определяет и горизонтальное разрешение для больших зенитных углов. При малых зенитных углах горизонтальное разрешение зависит также от ширины диаграммы направленности антенны.
Оценка возможностей угломестного метода зондирования ПСА по высотному и амплитудным разрешениям может быть проведена по температурным весовым функциям уравнения (1), описывающим количественный вклад температуры разных высотных слоев в радиоизлучение и имеющим вид
К (V, 0, К) = -YV (К) ехр
008 0
(. к \
(3)
008 0
|YV (К )йК
0
/
Как показали расчеты, при минимально обнаруживаемом приращении яркостной температуры 0,05 К (реально достижимое в современных приемниках значение) температурная вариация ДТ = 1°С в слое толщиной 50 м обнаруживается до высоты ~300 м, а такая же вариация температуры в слое толщиной 100 м обнаруживается до высоты ~600 м. Оценка вертикального разрешения метода, проведенная в [16], показала, что вертикальное разрешение зависит от высоты и может быть аппроксимировано выражением: Д(К) = (Н/Н0)Д(Н0), где К0 — высота установки прибора над уровнем земли, м; К — высота над уровнем земли, м. Для К0 = 10 м оценка Д(10) дает значение 7,5 м, Д(100) = 65 м и Д(300) = 225 м.
Важным положительным фактором при термическом зондировании ПСА на частоте 60 ГГц является то, что измерение интенсивности радиоизлучения происходит в сильно поглощающей среде, как бы в "черном ящике" (абсолютно "черной" среде) с температурой, близкой к температуре окружающей среды, и небольшим (<3 К) контрастом яркостной температуры атмосферы относительно приземной температуры. Вследствие этого вблизи 60 ГГц водяной пар, туман, аэрозоль не могут "дочернить" уже "черную" атмосферу. Положительным фактором является и то, что поглощение кислорода на V « 60 ГГц почти в 10 раз превышает поглощение в облаках и почти в 150 раз больше поглощения водяного пара. Все эти факторы и обеспечивают независимость метода от вариаций влажности и концентрации аэрозоля и, следовательно, относительную всепогодность измерений.
Одним из наиболее широко применяемых методов решения интегрального уравнения (1), решения обратной задачи восстановления температуры атмосферы при угломестном термическом зондировании с земли является метод статистической регуляризации [1, 8]. Этот метод и лег в основу программного обеспечения, разработанного для профилемера МТП-5. Ошибки, возникающие при использовании этого метода восстановления профиля температуры атмосферы, и достигаемое при этом вертикальное разрешение подробно исследованы в работах [3, 8, 11]. Как показал анализ, ошибка восстановления составляет ~0,4 К на высоте 600 м и ~0,2 К на высоте 100 м (под ошибкой понимается среднеквадратичное отклонение -СКО).
Прототип микроволнового температурного профилемера МТП-5 был разработан в начале 1990-х годов совместными усилиями ряда институтов [3]. С момента разработки метода микроволнового дистанционного зондирования атмосферы и создания прибора одним из основных вопросов был вопрос о сравнимости результатов измерения температуры атмосферы с помощью этого метода с данными, полученными другими приборами.
В декабре 1993 г. в Кардингтоне (Великобритания) были проведены сравнения результатов измерения профиля температуры атмосферы до высоты 500 м с помощью МТП-5 с данными радиозондов и данными баллон-
ных измерений [11]. Расчеты яркостной температуры по данным радиозондов и сравнение полученных значений с температурой, измеренной МТП-5, показали, что средняя величина и среднеквадратичное отклонение разности яркостной температуры не превышали 0,1 и 0,3 К соответственно. Сравнение профилей термодинамической температуры, рассчитанных по данным МТП-5, с профилями, полученными по измерениям in situ, показало, что СКО разности не превышает 1 К. В работе отмечается, что отсутствие во время проведения сравнений интенсивных инверсий не позволило в полной мере оценить возможности прибора МТП-5.
В 1996—1999 гг. был проведен ряд экспериментов по сравнению результатов измерения профиля температуры атмосферы прибором МТП-5 с данными радиозонда и метеорологической вышки [14, 16]. Как показали сравнения с датчиками температуры, установленными на метеовышке [16], среднее значение разности температуры для высот от 10 до 300 м лежит в диапазоне от -0,1 до 0,3°С, среднеквадратичное отклонение разности температур равно 0,9°С. Сравнения проводились с ноября 1996 г. по январь 1997 г. в г. Болдер (США). В августе — октябре 1999 г. в Швейцарии в рамках полевой фазы международного эксперимента МАР (Mesoscale Alpine Program) были проведены совместные измерения профиля температуры атмосферы с помощью МТП-5 и радиозондов [14]. Сравнения по 52 профилям показали, что СКО разности температуры в диапазоне высот 0—600 м не превышает 1 К.
В июле — августе 1999 г. в г. Обнинск был проведен эксперимент по сравнению профилей температуры в пограничном слое атмосферы, полученных с помощью датчиков температуры, установленных на высотной метеорологической мачте на 6 уровнях (2, 8, 25, 75, 120, 169 и 217 м), и температурного профилемера МТП-5 [2]. Среднеквадратичное отклонение разности температуры, измеренной датчиками и профилемером, не превышало 0,7 К.
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что СКО разности температур, измеренных МТП-5 и контактными датчиками, не превышает 1 К. Общим недостатком всех этих измерений является и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.