Радиолокационные исследования пульсаций скорости ветра в осадках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Мельничук, Ю. В.

• Мельничук, Ю. В.
• 1966

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Мельничук, Ю. В.

- 146 -ВЫВОДЫ

В результате проделанной работы теоретически обоснованы радиолокационные методы измерения статистических характеристик пульсаций скорости ветра в метеооб"ектах, создана аппаратура, разработана методика и проведены измерения горизонтальных компонент пульсаций ветра в осадках.

I. В теоретической части работы показано, что при использовании допплеровской радиолокационной станции могут быть измерены спектры и структурные функции пульсаций скорости ветра в области масштабов, превышающих размер рассеивающего обпема. Для перехода от спектра пульсаций средней допплеровской частоты к спектру пульсаций скорости ветра рассчитаны поправочные функции, учитывающие осреднение измеряемой скорости ветра по рассеивающему об"ему.

Учет осреднения по рассеивающему обпему проведен также для случая измерений структурных функций. Использована методика представления экспериментально получаемых структурных функций в виде, позволяющем оценить степень соответствия структурных функций скорости ветра закону "двух третей" Колмогорова-Обухова, определить внешнюю границу инерционного интервала 1ин и скорость диссипации турбулентной энергии £ .

Рассмотрен вопрос о применении обычных радиолокационных станций для измерения количественных характеристик пульсаций скорости ветра. Показано, что по ширине спектра флуктуаций интенсивности радиолокационного сигнала может быть измерена скорость диссипации турбулентной энергии в метеообпектах. Предложен метод измерения на радиолокационной станции с переменной длительностью зондирующего импульса, позволяющий исключить влияние разности скоростей гравитационного падения рассеивателей на результаты измерений.

П. На основании проведенного рассмотрения связи характеристик пульсаций доппдеровской частоты с характеристиками пульсаций скорости ветра сформулированы требования к дополнительным устройствам радиолокационной станции.

1. Показано, что для исключения влияния длительности селектирующего импульса т*^ на результаты измерений статистических характеристик скорости ветра необходимо, чтобы т^ не превышало длительности зондирующего импульса.

2. Рассмотрен вопрос о применении частотомера, использующего принцип счета числа пересечений сигналом нулевого уровня, для измерения средней частоты допплеровского спектра. Учтено влияние ширины спектра сигнала и уровня шумов приемника радиолокационной станции на точность измерения средней допплеровской частоты.

3. Разработан комплекс аппаратуры к импульсно-иогерентной радиолокационной станции, позволяющей проводить широкую программу измерений временных и пространственных характеристик пульса ций скорости ветра. Комплекс включает а) многоканальное устройство для выделения радиолокационного сигнала с шести дальностей и представления к виду, пригодному для спектрального анализа; б) шестиканальный частотомер для измерения и регистрации средней допплеровской частоты в каждом из каналов селектирования; в) индикатор "скорость-азимут" для одновременного измерения среднего направления ветра на двух высотах, позволяющей оценивать градиенты скорости и направления ветра непосредственно в процессе наблюдений.

4. Проведена оценка ошибок перехода от радиальных скоростей рассеивателей к компонентам скорости ветра.

Ш. Разработанная методика и аппаратура использованы для измерений характеристик пульсаций скорости ветра в осадках* Приводятся результаты измерений в обложных осадках при безразличной стратификации атмосфера.

1. Проведено сравнение структурных функций продольной и поперечной компонент скорости ветра, полученных при последовательных измерениях на одной и той же высоте. Показано, что до масштабов, соответствующих внешней границе инерционного интервала поперечной компоненты , выполняются условия изотропии горизонтальных пульсаций ветра. На масштабах, больших ♦ структурная функция поперечной компоненты резко отклоняется от закона "двух третей" и быстро стремится к насыщению. Структурная функция продольной компоненты соответствует закону 2/3 до больших масштабов и медленнее отклоняется от этой зависимости.

2. Получена высотная зависимость внешней границы инерционного интервала продольной и поперечной компонент скорости ветра. Для интервала высот 50-1900 м эта зависимость близка к корню третьей степени из высоты. Экстраполяция полученной зависимости в область малых высот показывает хорошее совпадение с данными измерений в приземном слое при безразличной стратификации атмосферы.

3. Приводится высотный ход скорости диссипации турбулентной энергии в осадках. Показано, что до высот 200-300 м радиолокационные данные хорошо согласуются с полуэмпирической зависимостью Пристли. Полученное в работе отклонение значений от зависимости Пристли на больших высотах отмечается и при измерениях, выполненных другими авторами в условиях "ясного " неба.

4. В качестве характеристики спектра пульсаций скорости ветра в области масштабов, превышающих внешнюю границу инерционного интервала, по радиолокационным данным определен масштаб турбулентности продольной и поперечной компонент скорости ветра, как функция высоты.

5. Проведено сравнение результатов радиолокационных измерений характеристик пульсаций продольной компоненты скорости ветра в осадках с результатами измерений других авторов в "ясном небе". Показано, что временные характеристики пульсаций продольной компоненты в осадках и в "ясном небеи при безразличной стратификации атмосферы практически совпадают. Это обстоятельство позволяет предполагать, что полученные данные о поперечной компоненте скорости ветра и о соотношениях между характеристиками продольной и поперечной компонент в осадках могут быть распространены на случай "ясного неба".

6. Разработана методика и проведены измерения пространственных характеристик пульсаций скорости ветра. Подтверждается справедливость гипотезы Тейлора о "замороженности турбулентности" в условиях осадков. Показано, что структура турбулентных пульсаций существенно не меняется при их переносе средним потоком на расстоянии 600-800 м.

7. Проведена проверка разработанного в теоретической части работы метода измерения & с помощью обычной радиолокационной станции путем сравнения с результатами одновременных допплеров-ских измерений. Показано, что результаты, полученные обоими методами, совпадают. Проведенное сравнение позволило наметить пути дальнейшего развития методов, основанных на использовании обычных радиолокационных станций.

Список литературы диссертационного исследования Мельничук, Ю. В., 1966 год

1. Монин А.С.,Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. "Наука",!.,1965.

2. Atlas D, Some experimental results of quantitative analysisof rain storms .Air material Command US Air Force ,Rept. AWNW 7-4,Part 1,194?.

3. Kessler E.,Lee J»T.,Wllk K.E. Associations between aircraftmeasurements of turbulence and weather radar measurements. Bull.Amer.Meteorol.Soc,46,N8,1965.

4. Загородников А.А. Некоторые результаты измерений турбулентности в свободной чистой атмосфере радиолокационным способом. ДАН СССР,156,№6,1964.

5. Battan L.J«, Use of chaff for wind measurements.Bull.Amer. Meteorol.Soc.,* 59.1958.

6. Fleisher A. Informations contained in weather noise.M.I.T. Weather Radar Research,Techn.Rept.,N 22A,B,1953-54.

7. Rogers R, Radar measurement of velocities of meteorological scatterers.J.Atmos«Sci.,2,N 20,1963.

8. Fleisher A, Some spectra of turbulence in the free atmosphere.J.Meteorol.,16,N2,1959*

9. МеЙсон.Б.Дж. Физика облаков.Гидрометеоиздат,Л.,1961.

10. Горелик Г.С,. К теории рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях. Радиотехника и электроника,1,86,1956.

11. Горелик Г.С. о|влиянии корреляции скоростей рассеивателей на статистические свойства рассеянного излучения. Радиотехника и электроника,2,№10,1957.

12. Горелик А.Г.,Черников АД. Изучение турбулентности в облаках радиолокационным методом.Труды Центр.Аэролог.Обсерв., вып.31,1959.

13. Горелй1¥?Р^ав1зи флуктуаций радиолокационного сигнала с движением рассеивателей в метеооб'ектах. ДАН СССР,140, №3,1961.

14. Горелик А.Г.,Мельничук D.B. 0 связи статистических свойств радиоэхо с движениями рассеивателей в облаках и осадках. Труды Центр.Аэролог.0бсерв.,вып.36,1961.

15. Lhermitte R.îfl. La mesure absolue des vitesses de la chute des particules des précipitations a'l'aide d'un radar. C.r.Acad.Sci.,249,p.19»1959.

16. Lhermitte R.M. New dewelopments of the echo fluctuation theory and measurements.Proc. 8th Weather Radar Conf., Boston,1960.

17. Rogers R.R. Doppler spectra from meteorological radar targets.Proc. 8th Weather.Radar.Conf.,Boston,1960.23* Lhermitter R.M. Weather echoes in doppler and convention-nal radars. Proc. 10th We at her .Radar. Conf .Bos ton, 1965«

18. Brantley J.Q. »Barczys I).A. Some weather observations with continuous wave doppler radar.Proc.6th Weather.Radar.Conf., Boston,1957.

19. H olmes D.W.»Smith R.L. Doppler radar for weather investigations.Proc. 7th Weather .Radar.Сonf.,Boston,1958.

20. Barrat P.»Browne P.C. A new method for measuring vertical air currents.Quart.J.Roy.Meteorol.Soc.,79,N542,1953.27. lhermitte R.M. The use of special "pulsed doppler radar" in measurements of pa rticle fall velocities.

21. Proc.8th Weather.Radar.Conf.»Boston,1960.

22. Горелик А.Г.,Постарев В.В.,Черников А.А. Новые возможности радиолокационного измерения ветра.Метеорология и гидрология, №7,1962.

23. Горелик А.Г.,Черников АД. Некоторые результаты радиолокационного исследования структуры поля ветра на высоте 50-700 метров.Труды Центр.Аэроло108серв.,внп.57,1964.

24. Сaton P.G.F. A study of raindrop size distributions in free atmosphere.Proc.11th Weather.Radar.Conf•,Boston,1964.

25. Rogers R.R.,Pilie R.J. Radar measurements of dropsize distri&. Atm.Sci. J. ,N19,1962,p. 503-505.

26. Battan L.J. Some weather obsevations of vertical velocities and precipitation sizes in a thunder storm.Proc.10th Weather.1. Radar.Conf.,Boston,1963.

27. Probert-Jones J.R. The analysis of doppler radar echoes from precipitation.Proc.8th Weather.Radar.conf.,1960.

28. Boyenval S.H. Ech oes from precipitation using pulsed doppler radar.Proc.8th "Weather.Radar.conf.,1960.35» Lhermitte R.M.,Atlas D. Doppler fall speed and particlegrowth in stratiform precipitation. Proc.10th Weather .Radar. Conf.,1963.

29. Probert-Jones J.R.,Harper W.G. Vertical air motion in showers as revealed by doppler radar.Proc.9th Weather. Radar.Conf.»Boston,1961•

30. Battan L.J.,Theiss J.B. ,Kassander A.R.,Jr. Some doppler radar observations of decaying thunderstorms.Proc. 11th Weather Radar Conf. ,1964-.

31. Rogers R.R. An extension of the Z-R relation for doppler radar.Proc. 11th Weather Radar Conf.,1964.39» Probert-Jones J.R. Meteorological use of pulsed doppler radar.Nature,London,186,p*271,1960.

32. Lhermitte R.ii., At las D. Precipitation motion by pulse doppler radar.Proc. 9th Weather Radar ConfBoston,1961.

33. Горелик А.Г.,Мелышчук Ю.В.,Черников А.А. Связь статистических характеристик сигнала с динамическими процессамии микроструктурой метеооб'екта.Труды Центр.Аэролог.Обсерв., вып.48,1963.

34. Caton P.G.F. The measurement of wind and convergence by doppler radar.Proc. 10th Weather Radar Conf.»Boston,1963.

35. Caton P.G.F. Wind measurement by doppler radar.The Meteorological Magazine,92,N1092,1963.

36. Мельничук Ю.В. Некоторые вопросы измерения пульсаций ветра в тропосфере радиолокационным методом.Труды Центр.Аэролог. О бс ерв.,внп.57,1964.

37. Горелик А.Г. Одновременные измерения лагранжева и эйлерова масштабов турбулентности в осадках в виде снега.йзв.АН СССР, Физика Атмосферы и 0кеана,1,№9,1965.

38. Rice S.O. Statistical fluctuation of radio field strength far beyond horizon .Proc.IRE,41,1955«

39. Kerr D.E. Propogation of short radio waves.McGraw-Hill Book Co.,New Torkt1951.

40. Родак M.I.,Францессон А.В. Применение теории турбулентности к рассеянию радиоволн на блуждающих неоднородностях. Радиотехника и Электроника,4,№3,1959.

41. Горелик А.ГмМельничук Ю.В. Радиолокационные исследования динамических процессов в атмосфере.Труды Всесоюзного Научного Метеорологического Совещания(июнь 1961),т.5, Гидрометеоиздат,Л.,1963.

42. Обухов A.M. Характеристики микроструктуры ветра в приземном слое атмосферы.Йзв.АН СССР,сер.геофиз.,£3,1951.

43. Иванов В.Н. Турбулентная энергия и ее диссипация в нижнем слое атмосферы.Изв.АН СССР,сер.геофиз.,$9,1964.

44. Бэтчелор Дж. Теория однородной турбулентности. ИЛ,М.,1955.

45. Боровиков A.M.,Костарев В.В.,Мазин И.П.О применении радиолокаб ции для изучения структуры облаков. ДАН СССР, 140, ¿0,1961.

46. Горелик А.Г.,Смирнова Г.А.Связь флуктуаций радиоэхо с микроструктурой осадков.ДАН СССР,139,№5,1961.

47. Карпентье М.иовременная теория радиолокации."Мир",№.,1965.

48. Kodaira N. A pulsed-doppler radar for weather obsevations. Proc.Hth Weather Radar Conf.,1964.

49. Tripp B.P. The CAL pulse doppler radar. Proc.11th Weather Radar Conf., 1964.

50. Lhermitte R.lä.,Kessler JE. An experimental pulse doppler radar for severe storm investigations. Proc.11th Weather Radar Conf.,1964.

51. Theiss J.B.,Kassander A.R. A new pulsed-doppler radar for cloud obsevations.Proc.10th Weather Radar Conf.,1963.

52. Харкевич A.A. Спектры и анализ. ГИФМЛ,М.,1962.

53. Левин Б.Р.Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. "Советское Радио",М.,1960.

54. Распространение ультракоротких радиволн. Пер.с англ. под редакцией Шиллерова Б.А. "Советское Радио",М.,1954.

55. Пороговые сигналы. Пер.с англ.под редакцией Сиверса А.П. "Советское Радио",М.,1952.

56. Горелик А.Г, Диссертации.Институт Физики Атмосферы,!.,1961.

57. Озмидов Р.В. Некоторые данные о крупномасиаабных характеристиках поля горизонтальных компонент скорости ветра в океане. Изв.АН СССР,сер.геофиз.,MI,1964.

58. Blackmail R.BfTukey J.W. The measurement of power spectra. Dover publications,New-Jork,1958.

59. Гурвич А.С. О спектрах вертикальных потоков в приземном слое атмосферы. Изв. АН СССР, Физика Атмосферы и Океана, I,№7,1965.

60. Stackpole J.D. The effectiveness of raindrops as turbulencesensors.Proc.9th Weather Radar ConfBoston,1961.

61. Rogers R.R,Tripp B.R. Some Radar Measurements of turbulencein snow.J.Appl.Meteoroi.,3,1964.

62. Монин А.С. О свойствах симметрии турбулентности в приземном слое воздуха.Изв.АН СССР,Физика Атмрсферы иОкеана,!,№1,1965.

63. Гурвич А.С. Экспериментальное исследование частотных спектров и функций распределения вероятностей вертикальной компоненты скорости ветра.Изв.АН СССР,сер.геофиз.,К7,I960.

64. Зубковский С.Л. Частотные спектры пульсаций горизонтальной компоненты скорости ветра в приземном слое. Изв. АН СССР, сер.геофиз.,НО,1962.

65. Panofsky H.A.,Singer J.A. Vertical structure of turbulence. Quart.J.Roy.Meteorol.Soc.,91,389,1965«

66. Цванг Л.P.,Зубковский СЛ.,Иванов В.Н.,Клинов Ф.Я.Кравченко Т.К. Измерения некоторых характеристик турбулентности в нижнем 300 метровом слое атмосферы.Изв.АН СССР,сер.геоф.#5,1961

67. Воронцов П.А. Аэрологические исследования пограничного слояатмосферы. Гидрометеоиздат,Л.,1960.

68. Swanson H.N. A study of lateral and longitudinal intensities of turbulence.J.Appl.Meteorol.,4,N¿,1965.

69. Henry R.M. A study of effects of wind lapse rate and altitude on the spectrum of atmospheric turbulenee at low altitude. Inst.Aero.Sci.,Rept.59-43,1959.

70. Mac Сready P.B. Turbulence measurements by sailplane.J. Geophys.Reseach,67,N3,1962.

71. Burns A. Power spectra of low-level atmospheric turbulence measured from an aircraft. Aeronautical Reseach Council Current Papers,N73?.Ministry of Aviation,London,1964.

72. Винниченко НД. Турбулентность в ясном небе на высоте6.12 км.Изв.АН СССР,Физика Атмосферы и Океана,II,»II,1966.

73. Пинус Н.З.,Шур Г.H.fВинниченко Н.К. Спектральная структура компонент скорости ветра в пограничном слое атмосферы. Доклад на международном симпозиуме по пограничному слоюи турбулентности.Киото,19-24 сент.,1966.

74. Lappe U.O.,Davidson В.,Notews С.В. Analysis of atmosphericturbulence spectra obtained from concurrent airplane and tower measurements.Inst.Aero.Sci.,Rept.N59-44,1959«

75. Иванов В. И. Онекоторых характеристиках турбулентности ветрового поля в нижнем 300 метровом слое атмосферы. Сб."Изучениепограничного слоя атмосферы с 300 метровой метеорологжческой башни.М.,1963.

76. Mac Cready. Structure of ateosperic turbulence* J.Heteorol.,10,1953.

77. Mac Сread/ R.B. The inertial subrange of atmospheric turbulence .J.Geophys.Research,67,N3,1962.

78. Panofsky H.A.,Me Cormick R.A. Properties of spectra of atmospheric turbulence at 100 meters.Quart. J.Roy.ISeteorol. Soc.,80,N546,1954.

79. Webb E.E. Autocorrelation and. enerçy spectra of atmospheric turbulence,C.S.0.R.0.Tech;Rept.N5»Melbourne,1955.

80. Taylor R.J. Aust.J.Phys.8,535.

81. Обухов AJi. О Структуре температурного поля и поля скоростей в условиях свободной конвекцииийзв. АН СССР,сер.геофиз.,8,1960.

82. Зубковский С.Л. Экспериментальное исследование спектров пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра в свободной атмосфере. Изв. АН СССР,сер.геофиз.,№8,1963.

83. Копров Б.М. Спектры турбулентных пульсаций вертикальнойкомпоненты скорости ветра в пограничном слое в условияхразвитой конвекции. Изв.АН СССБ,Физика Атм. и Океана, 1,Ш, 1965.

84. Пристли С.Х.Б. Турбулентный перенос в приземном слое атмосферы. Гидрометеоиздат,Л.,1964.

85. Wilkins Е.М. Dissipation of energy by atmospherie turbulence.J J.Meteorol.,17, P ♦ 91-92,1960.

86. Ball F.K. Viscous dissipation in the atmospherie. J.Meteorol.,18,N4,1961.

87. Soma S. The properties of atmospheric turbulence in high winds.J.Meteoro1.Soc.Jpan,42,N6,1964.

88. Panofsky H.A.,Pasquill F. The constant of the Kolmogorow law.Qua rt.J.Roy.Meteorol.Soc.,89,Ы382,1963.

89. Стюарт Р.У. О согласовании имеющихся данных о спектре иассимметрии локально изотропной турбулентности,ДАН СССР,152,2,1963.

90. Lettau Н. Windprofil,Jnne re Reibung und Energiensatz indem unteren 500m uber dem Meer.Beitr.I$iys.d.Atmos,30,N4,1964101 .Mac Cready P.B. Standardization of pastiness values from aircraft.J.Appl.Meteorol. ,3,N4,1964.

91. Ю2.Волковицкая З.Й.,Иванов B.H. Некоторые характеристики структуры пограничного слоя, йнст.Прикл.Геофизики,196410J.Pasquill P.,Butler &.E. A note on detraining the scale of turbulence. Quart. J .Roy.Meteoro 1 .Soc. 190 ,M383,1964.

92. Davenport A.G. The spectrum of horizontal qustiness near the ground in high winds.Qpiart.J.Roy.Meteorol.Soc.,87,N572, 1961.

93. Pasguill F. The statistics of turbulence in the lower part of atmospere. Atmospheric turbulence and its relation to aircraft.Proc.simpos.»London,1963.

94. Berman S. Estimating of longitudinal wind spectrum near the groud.Quart.J.Roy.Meteorol.Soc.,91 ,H389»1965.

95. Favre A.,Gaviglio J.,Dumas R. Space-time ¿¡огсЫе correlations and spectra in a turbulent boundary layer.1. J.Fluid.Mech.,2,313 И957.

96. Panofsky H.A.,Cramer H.E. ,Rao V.R.K. The relation between Eulerian space and time spectra.Qjiart.J.Roy.Meteorol.Soc., 84,p.270,1958.по

97. Копров Б.М.,Цванг Л.Р. Прямые измерения турбулентного потока тепла с борта самолета. Изв.АН СССР,Физика Атмосферы и Океана,I,№6,1965.

98. Иванов В.H. Диссипация турбулентной энергии в атмосфере. Изв.АН СССР,сер.геофиз.,№9,1962.

99. ИЗ. Иванов В.Н. Оценка характеристик турбулентного перемешивания в нижнем слое атмосферы.Изв.АН СССР,сер.геофиз., »12,1964.

100. Гурвич А.С.,Зубковский С.Л. Об экспериментальной оценке флуктуаций диссипации энергии турбулентности. Изв.АН СССР, сер.геофиз.,№12,1964.