ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 2, с. 193-205
УДК 551.501.796:551.551.2:534.87
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО АКУСТИЧЕСКОГО ЛОКАТОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ВЕТРА
В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
© 2007 г. В. П. Юшков*, М. А. Каллистратова**, Р. Д. Кузнецов**, Г. А. Курбатов*, В. Ф. Крамар**
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, Воробьевы горы E-mail: yushkov@phys.msu.ru **Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., 3 Поступила в редакцию 13.12.2005 г., после доработки 01.08.2006 г.
Рассмотрен опыт проведения долговременных дистанционных акустических измерений вертикальных профилей скорости ветра в двух пунктах на территории г. Москвы. Описаны характеристики аппаратуры и условия измерений. Обсуждаются особенности акустических измерений на территории большого города в условиях сильных транспортных шумов и паразитных отражений от зданий. Описаны критерии и методы отбраковки зашумленных и ложных сигналов, а также методы статистической обработки данных при быстрой изменчивости отношения сигнал/шум и при значительном количестве отбракованных сигналов. Приведены предварительные результаты измерений.
ВВЕДЕНИЕ
Акустическое зондирование прочно вошло в практику атмосферных исследований [1-4]. Действие акустических локаторов (содаров) основано на рассеянии звуковой волны мелкомасштабными турбулентными неоднородностями показателя преломления воздуха [5, 6]. Доплеровские акустические локаторы (содары) используют эти неоднородности как трассеры воздушного течения, которые позволяют измерять вертикальные профили вектора скорости ветра и дисперсии компонент скорости в атмосферном пограничном слое (АПС) [3, 7]. При благоприятных условиях измерений (т.е. при малом уровне внешних акустических шумов и достаточно сильной турбулентности в слое зондирования) по содарным данным возможны также оценки вертикальных профилей некоторых характеристик турбулентности: кинетической энергии турбулентных пульсаций и скорости ее диссипации, турбулентного потока импульса, коэффициента турбулентной вязкости [8, 9]. Высотный диапазон содарного зондирования при благоприятных условиях достигает 500-800 м над подстилающей поверхностью.
С ростом крупных городов и увеличением загрязнения их воздушного бассейна содары все чаще применяются для определения характеристик городского АПС и их сравнения с характеристиками АПС в прилегающей неурбанизированной местности [10-13]. За рубежом такие работы были начаты еще в 1980-х годах, и продолжаются в
настоящее время [14-18], однако их результаты носят фрагментарный характер, поскольку эти исследования обычно проводятся в рамках кратковременных научных программ.
Дистанционное акустическое зондирование предоставляет уникальные возможности для исследования поля ветра и турбулентности над городской застройкой, где проведение контактных измерений с помощью привязных аэростатов либо летательных аппаратов затруднительно, особенно в темное время суток. Вместе с тем, применение содаров в городе имеет свои ограничения, связанные с большим уровнем акустических шумов от транспортных магистралей и с паразитными отражениями звука ("местниками") от высоких зданий. Например, зарубежный коммерческий ми-ни-содар AeroVironment-3000, установленный на крыше здания в г. Хобокен (Нью Джерси, США), обеспечивал зондирование лишь до высоты 100 м, а содар Scintec MFAS вообще не мог работать в центре Хобокена из-за транспортного шума [18]. Подобные эксперименты могут дискредитировать содар как перспективный инструмент для мониторинга поля ветра над центром городского острова тепла.
В предлагаемой статье обобщен опыт авторов по проведению акустического зондирования в городских условиях и приведены предварительные результаты долговременных измерений скорости ветра в двух пунктах на территории г. Москвы. Эти результаты демонстрируют эффективность
Рис. 1. Блок-схема содара ЛАТАН-3. 1 - рупорный электродинамический преобразователь, 2 - антенна, 3 - шумозащитный экран.
применения содаров для измерений вертикальной структуры скорости ветра в крупном городе.
1. МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ПУНКТОВ ЗОНДИРОВАНИЯ
Для исследования степени однородности поля ветра в городском АПС было организовано два стационарных измерительных пункта, оборудованных доплеровскими содарами: один - в центре Москвы, на крыше здания Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА), второй - на юго-западе столицы, на крыше здания Физического факультета МГУ. Как и большая часть территории всех крупных городов, оба пункта подвержены воздействию акустических шумов от оживленных транспортных магистралей, в особенности пункт на юго-западе, расположенный в окружении трех проспектов: Ломоносовского, Вернадского и Мичуринского. Местоположение пункта в МГУ имеет дополнительные недостатки из-за отражений акустического сигнала от высотного главного здания МГУ, проявляющихся в отдельных высотных интервалах диапазона зондирования. Однако установка содара на Физическом факультете МГУ преследует не только научные, но и учебные цели. Для разработки и эксплуатации современной высокотехнологичной аппаратуры дистанционных метеорологических измерений требуются высококвалифицированные специалисты, хорошо понимающие
физические механизмы формирования эхо-сигнала от исследуемой среды. Поэтому в учебных программах по метеорологии и физике атмосферы должно быть предусмотрено обучение практическому применению дистанционных приборов для измерения атмосферных параметров. Акустический локатор (содар) является наиболее простым и экономически доступным среди таких приборов. Опыт работы с содарами дает студентам широкие возможности для лучшего понимания сложностей, недостатков и потенциала дистанционного зондирования в целом [19]. Разработанный в ИФА РАН акустический локатор ЛАТАН-3 [20, 21], который использовался в данной работе, хорошо приспособлен не только для проведения научных исследований, но и для обучения студентов.
В обоих пунктах зондирования содарные измерения ведутся с весны 2005 г. в непрерывном круглосуточном режиме. Кроме того, для сравнения условий работы содара в городе и в сельской местности месячные серии непрерывных измерений проводятся одновременно в одном из городских пунктов и на Звенигородской научной станции ИФА РАН (ЗНС).
2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ
В конструкции содара ЛАТАН-3 в полной мере реализована современная концепция "компьютерных приборов". На компьютер возложены все основные функции содара: управление режимом излучения зондирующих импульсов и приема эхо-сигнала, генерация несущей частоты локатора и формирование излучаемого импульса, фильтрация эхо-сигнала, анализ отношения сигнал/шум, визуализация пространственно-временной структуры турбулентных неоднородностей, рассеивающих звук, а также первичная обработка информации, заключенной в интенсивности эхо-сигнала и в доплеровском сдвиге его частоты. Блок-схема содара ЛАТАН-3 изображена на рис. 1.
Содар содержит четыре аналоговых электронных устройства: блок звукового усилителя мощности, блок коммутатора прием-передача, микрофонный усилитель, а также плату сопряжения аналоговых блоков с компьютером. В отличие от других современных "компьютерных" содаров (см., например, [22-25]), ЛАТАН-3 не требует специального микропроцессора, и все функции выполняются стандартным персональным компьютером с невысокими вычислительными ресурсами. Другой отличительной чертой нового содара является "поимпульсная" обработка данных о доплеровском частотном сдвиге, которая дает хорошее временное разрешение (~15 с) измерения лучевых компонент скорости ветра.
Разработанное программное управление работой содара обеспечивает большую гибкость при-
Рис. 2. Акустические системы содара ЛАТАН-3 (три антенны в звукозащитных экранах) в двух стационарных пунктах зондирования: а - на крыше здания ИФА РАН в центре Москвы, б - на крыше здания физического факультета на Воробьевых горах; на заднем плане - главное здание Московского университета.
бора, позволяя менять в широких пределах несущую частоту и длительность зондирующего импульса, частоту звуковых посылок, разрешение принятого сигнала по дальности, адаптацию обработки данных к различной геометрической схеме звуковых лучей и т.п. Все параметры зондирования задаются с помощью текстовых конфигурационных файлов. Использование текстового формата файлов данных позволило широко применять арсенал стандартных программных средств UNIX для выборки, сортировки и обработки данных. С помощью средств сети Интернет осуществляется синхронизация циклов зондирования с мировым временем, а также удаленный мониторинг работы содара и передача полученной информации. Детальное описание этого содара и его программного обеспечения, а также оценки точности дистанционных содарных измерений, полученные путем сопоставления с результатами локальных измерений, приведены в работе [21].
Геометрия звуковых лучей содара ЛАТАН-3 при описываемых ниже исследованиях была построена по классической моностатической трех-компонентной схеме зондирования [1]. В моностатической схеме принимается излучение, рассеянное
под углом 180° температурными турбулентными неоднородностями. Для измерения вектора скорости ветра используются одна вертикальная и две наклонные параболические антенны. В пунктах зондирования в Москве установлено два содара ЛАТАН-3, которые имеют идентичное устройство, но, в силу исторических причин, используют разные акустические системы. Диаметр антенн обеих систем равен 1.2 м. На рис. 2 приведены фотографии антенн содара в шумозащитных экранах на крыше здания ИФА и на крыше здания физического факультета МГУ.
Акустическая система (параболические антенны, реверсивные электроакустические преобразователи и шумозащитные экраны) одного экземпляра содара, установленного в центре города, взята от содара первого поколения ЛАТАН-1, который был разработан в ИФА РАН в середине 1980-х годов [26]. Эта система содержит отечественные высококачественные широкополосные электродинамические головки ЛОМО 3А-2, специально сконструи
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.