XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Ошибки радиотехнических измерений в большой степени обусловлены неоднородностью тропосферы. Для коррекции результатов таких измерений вводят поправки на рефракцию. Целью работы было показать пространственное распределение показателей преломления у поверхности земли и влияние погоды на неоднородность такого распределения.

Радиорефракция

Явление радиорефракции связано с изменением коэффициента (показателя) преломления электромагнитной волны n в атмосфере. Преломлением называется изменение направления луча, возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде, но с меняющимися свойствами, в которой скорость распространения волны неодинакова, Явление преломления объясняется законами сохранения энергии и импульса.

Показатель преломления вещества — величина, равная отношению фазовых скоростей света в вакууме и в данной среде.

Коэффициент преломления n в тропосфере обычно определяется с помощью полуэмпирической формулы[1]

гдеp- общее давление, t - температура, e – парциальное давление водяного пара. Величину N = (n- 1)×10⁶ называют индексом коэффициента преломления.

Локальные изменения давления, а также температурные инверсии приводят к колебаниям коэффициента преломления вблизи земной поверхности n = 1,00026 ¸ 1,00046.

Выше 10 км полагают n = сonst = 1,00011

Для характеристики вертикальной изменчивости коэффициента преломления атмосферы используют величину его вертикального градиента.

Вертикальный градиент коэффициента преломления атмосферы может быть определен с помощью соотношений вида

или

гдеn₁( N₁) и n₂ (N₂) - соответствующие значения коэффициента преломления на высотах нижней и верхней границ рассматриваемого слоя ( h₁ и h₂).

В стандартной радиоатмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону и его вертикальный градиент оказывается равным [1/м]

При отличных от стандартной радиоатмосферы изменениях метеорологических величин с высотой в тропосфере можно закон изменения коэффициента преломления с высотой описать зависимостью вида

где a- коэффициент, величина которого может быть определена в соответствии с вертикальным распределением метеорологических величин.

Существует два вида рефракции:

-Отрицательная рефракция: на рис.1 данная траектория соответствует литере а. В этом случае траектория радиолуча обращена выпуклостью вниз. Реализуется при dn/dh>0

-Положительная рефракция. В этом случае траектория радиолуча обращена выпуклостью вверх. Реализуется при dn/dh< 0

Различают также следующие частные случаи

- нормальная рефракция dn/dh = -4*10^-8 (на рисунке данная траектория соответствует литере б);

- повышенная рефракция -15.7*10^-8<dn/dh< -4*10^-8 (на рисунке данная траектория соответствует литере в);

- критическая рефракция dn/dh = -15.7*10^-8 (на рисунке данная траектория соответствует литере г);

- пониженная рефракция -4*10^-8<dn/dh< 0 (на рисунке данная траектория соответствует литере д).

Рис. 1. Схематическое представление видов атмосферной рефракции в тропосфере Земли

Во всех представленных случаях луч первоначально посылается при угле возвышения антенны, равном 0⁰ (параллельно поверхности Земли).

Построение пространственных полей распределения показателей преломления

По аэрологическим данным радиозондирования, представленным на сайте http://weather.uwyo.edu [6], были высчитаны коэффициенты преломления для 10 станций, находящихся на ЕТР и ближайшей территории – рис. 2. Данные были взяты за 1 декабря и 26 февраля 2020 года за 12 СГВ. Были построены поля пространственного распределения среднего коэффициента преломления и среднего градиента преломления. Были рассчитаны также коэффициент преломления и градиент преломления на этих же станциях до нижней тропосферы.

Рис. 2. Район исследования

В приведенной ниже таблице представлены средние значения коэффициента преломления и среднего градиента преломления за 1 декабря и 12 февраля

Номер и название станции	Средний коэффициент преломления	Средний градиент преломления	Для интерполяции
1 Декабря
26075 (СПБ)	197.28	-2.246E-08	2.25
26298 (Бологое)	198.59	-2.33E-08	2.33
264477 (Великие луки)	194.15	-2.174E-08	2.17
26781 (Смоленск)	194.95	-2.362E-08	2.36
27038 (Вологда)	188.28	-2.228E-08	2.23
27459 (Нижний новгород)	204.20	-2.461E-08	2.46
27707 (Сухиничи)	199.52	-2.324E-08	2.32
27713 (Долгопрудный)	202.16	-2.321E-08	2.32
27730 (Рязань)	212.16	-2.638E-08	2.64
27962 (Пенза)	212.28	-2.658E-08	2.66
26 Февраля
26075 (СПБ)	190.32	-2.23E-08	2.23
26298 (Бологое)	176.02	-1.5528E-08	1.55
264477 (Великие луки)	179.72	-1.968E-08	1.97
26781 (Смоленск)	186.39	-2.1005E-08	2.10
27038 (Вологда)	193.40	-2.2487E-08	2.25
27459 (Нижний новгород)	213.38	-2.3904E-08	2.39
27707 (Сухиничи)	197.23	-2.2353E-08	2.24
27713 (Долгопрудный)	199.21	-2.0666E-08	2.07
27730 (Рязань)	209.27	-2.4242E-08	2.42
27962 (Пенза)	218.15	-2.4324E-08	2.43

На всех станциях наблюдается положительная пониженная рефракция (-4*10^-8<dn/dh< 0).

По данным этих таблиц были построены следующие поля при помощи программы surfer – рис.3.

26 февраля	1 декабря
Рис. 3. Поле пространственного распределения среднего коэффициента преломления на рассматриваемой территории

Как мы видим из полей пространственного распределения, поле неоднородно, имеются локальные максимумы и минимумы, а также совершенно различно в различные дни, что может объясняться различной синоптической обстановкой. Анализируя поля пространственного распределения, видно что градиент также неоднороден и различен в зависимости как от дня, так и от территории.

26 февраля	1 декабря
Рис. 4. Поле пространственного распределение среднего градиента преломления на рассматриваемой территории

Сравнительный анализ построенных полей в дни с различной погодой

Рассмотрены синоптические обстановки, которые наблюдались 26 февраля и 1 декабря – рис. 5.

26 февраля (рис. 5а) над рассматриваемой территории лежало поле низкого барического образования – циклон. В целом метеопараметры обуславливались циклонической деятельностью.

а) б)

Рис. 5. Поле атмосферного давления на уровне 500 гПа над рассматриваемой территорией 26 февраля (а) и 1 декабря (б)

1 декабря над рассматриваемой территорией наблюдалось преимущественно поле высокого барического образования – рис. 5б. Метеопараметры обуславливались в основном антициклоном.

Наличие совершенно различных полей барического образования обуславливает различные метеопараметры за рассматриваемые дни Для сравнительного анализа были вычислены отклонения х для показателей преломления и метеоэлементов по формуле

х = х-х_ср,

где х, х_ср – значение показателей преломления или метеоэлементов на каждой станции в конкретный день и средние значения соответствующей величины за два дня.

На рис. 6 представлены отклонения значений градиента показателя преломления от среднего за 26 февраля и 1 декабря 12 СГВ на каждой станции. На рис. 7-9 представлены отклонения среднего значения метеорологических параметров: атмосферного давления, температуры воздуха и относительной влажности от средних значений за два рассмотренных срока.

Рис. 6. Отклонения значений градиента преломления от среднего в разные дни

Рис. 7. Отклонения значений давления от среднего в разные дни

Рис. 8. Отклонения значений температуры от средней в разные дни

Рис. 9. Отклонения значений влажности от средней в разные дни

В целом наблюдается, что среднее атмосферное давление за 26 февраля ниже за 1 декабря, температура воздуха за 26 февраля значительно ниже чем за 1 декабря на всей рассматриваемой территории ,что вызвано различной синоптической обстановкой. Наибольшая связь показателя преломления наблюдается со значениями давления.

Заключение

Исходя из территориального распределения изолиний найденного показателя, можно сделать вывод, что средний градиент преломления имеет зональность и уменьшается с юго-запада, на северо-восток. Изменения среднего градиента преломления в атмосфере в этом направлении составили около 14 % на 5 градусов долготы. Поскольку преломление влияет на искривление радиолуча, полученные результаты исследования должны учитываться при оценке эффективности обнаружения метеорологических объектов и определении их высот сетью ДМРЛ, расположенных на рассматриваемой территории.

Список литературы

1. Киселев В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы). Учебник. - СПб.. изд. РГГМУ. 2004. - 429 с. 

2. Портал данных аэрологического зондирования. [электронный ресурс]: –URL: http://weather.uwyo.edu/ (дата обращения 20.12.2021г)

Код для цитирования: Скопировать