Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Чукин В.В. Алдошкина Е.С. Обрезкова И.В.
В настоящее время для дистанционного зондирования водяного пара в атмосфере используются следующие методы радиозондирование атмосферы, лазерное зондирование и микроволновое зондирование. Радиозондирование и лазерное зондирование относятся к активным дистанционным методам. Они основаны на исследовании эффектов взаимодействия электромагнитного излучения, генерируемого специальным радиотехническим устройством, с атомами, молекулами, отдельными гидрометеорами и метеорологическими объектами атмосферы. Микроволновое зондирование относится к пассивным методам. Его основой является зависимость теплового излучения атмосферы от вертикального профиля температуры воздуха, аэрозоля и удельного содержания атмосферных газов, оптически «активных» в используемом для проведения измерений спектральном диапазоне, наличия облаков и ряда других.

Однако эти методы обладают рядом недостатков. Наилучшую точность измерения влажности воздуха обеспечивает использование радиозондирования атмосферы, но данный метод позволяет проводить измерения только два раза в сутки и точность измерений сильно снижается при температуре воздуха ниже ‑40 ºС. Высокое пространственное разрешение и хорошую точность обеспечивает метод лазерного зондирования атмосферы, однако аппаратура зондирования не получила широкого распространения из-за высокой стоимости. При этом диапазон высот зондирования и точность определения влажности как лазерным, так и микроволновым методами сильно зависят от наличия облаков в атмосфере. Кроме того, микроволновый метод зондирования обладает невысокой точностью.

Таким образом, имеется необходимость создания метода, который с одной стороны, давал бы высокую точность измерения влажности воздуха, а с другой стороны, был доступным, надежным, простым и экономичным в эксплуатации. Таким методом может быть метод дистанционного зондирования водяного пара навигационными радиосигналами, который позволяет осуществлять расчет содержания водяного пара в атмосфере по данным наземной регистрации радиосигналов космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы [1, 2, 3, 4]. Содержание водяного пара определяется на основе измерений задержек радиосигналов в тропосфере, которые появляются в результате уменьшения фазовой скорости радиоволн за счет эффекта поляризации молекул азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара. На основе данных измерений задержек радиосигналов в атмосфере решается обратная задача дистанционного зондирования: определяется вертикальный профиль показателя преломления радиоволн с помощью метода статистической регуляризации, а затем восстанавливается профиль влажности воздуха. При восстановлении вертикального профиля показателя преломления радиоволн используется информация о межуровенной корреляции основных метеорологических параметров (температуры, влажности воздуха и атмосферного давления).

Межуровневый коэффициент корреляции показателя преломления радиоволн складывается из произведений квадратов производных по каждому из параметров и корреляционной функции этого метеорологического параметра. Корреляционные функции полей температуры воздуха и атмосферного давления убывают с высотой и испытывают влияние приземных инверсий и облаков нижнего яруса. По мере увеличения расстояния между коррелируемыми уровнями коэффициент корреляции поля водяного пара существенно уменьшается и достигает минимальных положительных значений в верхней тропосфере. Коэффициенты корреляции поля водяного пара имеют вторичный максимум, который наблюдается около уровня 650 гПа и связан с повышением содержания водяного пара в облаках нижнего и среднего ярусов [5]. На малых расстояниях статистическая структура атмосферы может быть описана с помощью «закона 2/3», предложенного А.Н. Колмагоровым [6].

Таким образом, при уточнении вертикальных корреляционных связей температуры, влажности и давления, мы можем учесть наличие приземных инверсий и облаков в различные сезоны года на различных территориях, что позволит улучшить точность восстановления вертикального профиля водяного пара в атмосфере. Проведенные численные эксперименты показали, что наибольшей информативностью обладают значения измерений задержек радиосигналов, полученные при углах места навигационных спутников менее 5 градусов над горизонтом, что подтверждает данные работы [7].

Данный метод позволяет получать важную информацию о вертикальном распределении содержания водяного пара в нижних слоях атмосферы. К достоинствам метода относятся его оперативность, "всепогодность" (независимость от наличия облаков), полная автоматизация, отсутствие расходных материалов при проведении дистанционного зондирования атмосферы. Информация, получаемая этим методом, может быть использована в региональных численных моделях прогноза погоды с целью улучшения качества прогноза и его пространственной детализации.

Направлением дальнейших исследований является оценка точности определения вертикального профиля влажности воздуха при различных положениях космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы над горизонтом, наличии облачности и слоев инверсии температуры в различные сезоны года.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Кадры» ГК № П1549.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Flores A., Ruffini G., Rius A. 4D tropospheric tomography using GPS slant wet delays // Ann. Geophysicae. - 2000. - Vol.18. - P.223-234.
  2. Gradinarsky L.P., Jarlemark P. Ground-Based GPS Tomography of Water Vapor: Analysis of Simulated and Real Data // Journal of the Meteorological Society of Japan. - 2004. - Vol.82, №1B. - P.551‑560.
  3. Чукин В.В. Применение сетевых технологий при построении системы дистанционного зондирования атмосферы с помощью глобальной навигационной спутниковой системы // Успехи современного естествознания. - 2008. - №11. - С.58.
  4. Чукин В.В. Технология дистанционного зондирования атмосферы с помощью сети наземных приемных станций сигналов глобальных навигационных спутниковых систем // Современные наукоемкие технологии. - 2008. - №11. - С.54.
  5. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы // Современные проблемы атмосферной оптики, Т.1. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 263 с.
  6. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. - 1941. - Т.30, №4. - С.299-303.
  7. Азизов А.А., Гайкович К.П., Кашкаров С.С., Черняева М.Б. Использование сигналов навигационных ИСЗ для определения параметров атмосферы // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 1998. - Т.41, №9. - C.1093‑1116.

Библиографическая ссылка

Чукин В.В., Алдошкина Е.С., Обрезкова И.В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ // Современные наукоемкие технологии. – 2010. – № 2. – С. 34-35;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=24438 (дата обращения: 22.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074