Лидарные исследования пространственно-временной структуры аэрозольных полей в пограничном слое атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

томский орденов октябрьской революции и трудового красного знамени государственный университет ли. в.в.куйбышева

рге оо

Ка ¡травах рукописи УДК 553.501.8: 555.521.3

РАЗЕНКОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЛВДАРШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРООТРАБСТВЕНЮ-ВРЕМЕНЮЙ СТРУКТУРЫ АЭРОЗОЛЬНЫХ ПОЛЕЙ В ГОГРАНИЧЮМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ■

(специальность 01.04.СБ - оптика)

. АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени ,кандидата физико-математических наук

Тсжск - 1992

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН.

доктор физико-математических наук профессор й. В. Самохвалов кандидат физико-математических наук Ю.С;Бализ

доктор физико-ыатеыатичесхих наук Г.О.Задде

доктор физико-мат еиатичесюи наук В.П.Лукин

Центральная астрологическая обсерватория, г.Долгопрудный

/а

Зашита диссертации состоится _МЯрУпй_1993г.

в ^ час. ыин. на заседании специализированного Совета К.063.53.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Томском орденов Октябрьской революции и Трудового Красного знамени государственнон Университете иы. В.В.Куйбышева (634010, Томск, пр.Ленина.36. главный корпус, ауд. 1363. -

С диссертацией мозию ознакомиться в Научной- библиотеке университета.

Автореферат разослан " '

Ученый секретарь специализированного Совета. к.ф.-«.н. . „ Г.М.Дейковз

Научные руководители: .

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .. . _ ...

Актуальность темы. Р-'стояшя диссертация посвящена эксперн-нсттлытсту 'тсслеяоп™-™ пространствекпЭ-зреаешой структуры аэрозольных полей в пркзеккои и пограничной слоях атмосферы. пп1уальк^с1с темы исследования заключается в следующем:

- развитие тюрка лазерного дистанционного зондирования яукдвэтсч

досто-'еркьк сведениях о статистической структуре ззрозольннз атыосфернш образований, которые необходимы для создания ыатеыа- "

хичмСКма МОм'«|1нЦ пии т-мприми -эдгтаи Ст ^ТТ'СТМ-'-,г>гтггг,-

ройания;

- при проектировании и создании лидарной техники знание статистических характеристик рассеивающей среды шляется зэхнш. т.к. только они определяют частоту актов зондирования, интервалы временного и пространственного осреднения, влияют на отношение сигнал/шум, дальность зондирования и т.д.;

- за исследованием статистической природы аэрозольных образований обязательно доллзто последовать ссвесвенстзовашв суп^струщнвд и ■ лссдснпс пегих ьитояик по опенке «»стояния атиосферч и опрйд^ле-¡гль го плр-нотроз соптичзскиг, турбулентных, мэтео).

•рдсточтет» гопэоса. Присутствие аэрозольных частиц з атисслсрл обусловлено рядом разнообразных физических явлений, что де.лзел зо-дгллу изучения атмосферного аэрозоля сложной и интересной. Аэрозоль. екззшэя важное значение нз проиезоляею в атмосфере процесса. лзэко привлекает :: себе внимание исследователей. Еио з начале зека ¡.'л строго решена задача рассеяния электрадагнигньа волн диэлектрической сферой, что позволило объяснить различные атмосферные я&Двктн. йзууяпись и против процессы. иив«сяе о^нояенке к вэреэо-г,7.. тгхае так нухлеызич. коггулчиия, Iоперация и оседание частиц. Лхцес^срдаЗ гзрозодь, находящийся в воздушной лот оке, «рвде-. тгзляется как консервативная пассивная пршесь, т.е. он "копирует" ' -пульсации скорости потока, не влияя на эго динамику. Поскольку

гаиждасто В • 8ТНОО.феР9 ПО'ГГЙ ВСвГДЭ ТТСбТЯвНПЮ И НОЯОТ бмть опттстао

только статистически, то и при изучении характеристик двияегая аэрозоля используется статистический подход. В настоящее вреыя вряд . ли возяонно появление строгой теории, которая бы описала распределение среднего значения и пульсаций концентрации частиц в атчосфе-• ре в зависимости от ьетра. влажности, температуры; . химического

^состава и т.д., характеризующих поток и влияющие на движение час-, г

тиц и протекание таких процессов, как генерация и сток частиц, укрупнение, испарение и т.д.

Исследование же случайных флуктуации концентрации частиц сопряжено с дополнителышш техническими трудностями и. поэтому, в настоящее время, имеется сравнительно небольшое количество работ по этому вопросу.

Теория движения взвешенных частиц в турбулентном потоке несжимаемой жидкости (Варенблатт), основанная на решении уравнений движения и использовании полуэмпиричесхой теории при определении величины турбулентного потока примеси. позволила получить выражение для определения мутности и показать, что перенос частиц происходит в основной массе потока, а концентрация на больших высотах приближается к предельному автомодельному распределению. Исследования параметров турбулентного движения взвешенных частиц (Шрай-бер, Хинце, Фукс) указали на возможное отличие от соответствующих характеристик воздушной среды »следствии инерции и пульсационного скольжения.

Экспериментальные исследования аэрозольных полей проводились контактным методом забора проб при самолетных измерениях (Белан) и методом рассеяния света с помощью нефелометров СГришин, Ковалев) и лидаров (Элоранга, Самохвалов). При этом изучались высотные профили концентрации частиц, распределение частиц по размерам, дисперсия и спектры мощности флуктуация концентрации аэрозоля. Исследования в основном носили прикладной характер и были нацелены . на развитие лидарного корреляционного метода измерения скорости ветра Олоранта, Матвиенко). Результаты измерений одних исследователей, нередко противоречили результатам других (Матвиенко, Сазано). При решении задач, связанных с влиянием флуктуации скорости потока и турбулентной диффузии на статистические характеристики лидарного сигнала, не учитывался степенной характер спектра флуктуашш концентрации частиц. Нередко использовалась одномасштабная гауссова модель спектра (Матвиенко).

Цепью работы являются комплексные теоретические и экспериментальные исследования поля концентрации аэрозоля в пределах пограничного слоя атмосферы.

Основные задачи и, одновременно, основные цели исследования следующие:

- опенка границ применимости гипотезы консервативной пассивной примеси к атмосферному аэрозолю;

- исследование спектра размеров аэрозольных образований, ш. анизотропии и времени жизни:

- изучение влияния флуктуаций скорости ветра и эволюции неодяород-

• ностей на спектры когерентности и Фазы лидарных сигналов;

- исследование возможности лидарного определения скорости ветра, диспепсии флуктуации скорости ветра, скорости диссипации турбулентной кинетической энергии в тепловую;

- определение вида универсальной функции дисперсии флуктуации коэффициента обратного рассеяния в зависимости от числа Ричврдсонэ;

- исследование влияния шумов, обусловленных атмосферой и аппаратурой, на спектральные статистические характеристики лидэрных сигналов и на. качество получаемой информации;

- создание новых нетодик зондирования аэрозольных полей лила рем. с одновременным определением из данных зондирования средних значений массовой концентрации аэрозоля, параметров турбулентности, оценки температурной стратификации, определения величины выброса локальных источников аэрозоля.

Научная новизна работы заключается в:

1. постановке и решении перечисленных выше задач та комплексному исследованию аэрозольных неоднородное;ей на более высокой методическом и техническом уровне:

2. подробной исследовании спектра флуктуаций коэффициента обратного рассеяния, обнаружении участка спектра, именуемого в литературе "подобластью плавучести" и обусловленного устойчивой температурной стратификацией;

3. впервые предложен и реализован способ качественного определения температурной стратификации атмосферы,основанный на оценке наклона спектра флуктуаций лидарного сигнала, когда, при переходе от безразличной стратификации к устойчивой, спектр изменяется с /""^спектр Колмогорова) на /'"'^спектр Боливиано-Обухова):

. 4. новом подходе к систематизации лидарных наблюдений с применением теории подобия Монинэ-Обуховэ;

5. разработке и апробации способа лидарного определения парапет-' ров скорости ветра в условиях неупорядоченной конвекции.

Практическая значимость диссертационной работы заключается _ в

следующем.

1. Полученные научные и практические результаты могут быть основой при решении других-заявч дистанционного зондирования атмосферы.

3- Полученные в работе результаты позволяют :••...

- на этште разработки различных" типов лидзров (аэрозольные. ветровые и т.д.) выбирать оптимальные конструкции;

- на этапе планирования и проведения, эксперимента выбрать • оптимальный план работы, адекватно интерпретировать результаты зондирования и предсказывать результаты последушх наблюдений;

- без каких-то особых принципиальных технических доработок существенно расширить перечень определяемых аэрозольнш локатороы параметров (скорость ветра, дисперсия флуктуации скорости ветра. энергия диссипации, степень температурной устойчивости) за счет статистической обработки лидарных сигналов, т.е. реализовать потенциальные возможности лидеров.

Например. для расширения возможностей лазерных аэрозольных локаторов, принимающих упруго рассеянное излучение (рассеяние Ми), нужно всего лишь, чтобы лазер обладал способностью в течении некоторого времени, порядка нескольких шшут, генерировать стабильные световые 12шульсы. '

Достоверность результатов работы обеспечивается:

- достаточный набором экспериментальных данных при - формулировании • вызолов, экспериментом и сопоставлением данных зондирования с показаниями приборов, работавших на других принципах (СКР-лидар. анемометры. датчики температуры);

- качественный и количественный соответствием, результатов эксперимента с теоретический! расчетам и результатами других авторов.

На защиту выносятся следующие положения. 1. Подтверждена применимость гипотезы консервативной пассивной принеси и ко-шогоровской модели спектра для "описания статистических свойств случайных аэрозольных неоднородное! ей' в атмосфере. Частотный с'пектр флуктуация коэффициента обратного рассеяния при безразличной и неустойчивой тетлерзтурной стратификации описывается степенной зависимостью В случае устойчивой

стратификации в частотном спектре флуктуаций Рп присутствует степенной участок /~"ч?о подтверждает применимость модели спектра Боливиано-Обухова для устойчивой температурной стратификации.

1. Поведение функшй корреляции и когерентности существенно зависит от Флуктуаций скорости ветра и эволюции аэрозальных неодяо-родностей. В то Ее время Фазовый спектр более устойчив к воздействию этих искажающих факторов, что позволяет попользовать ?ту характеристику как основную для лидарных измерений скорости

в атмосфере. Получено, что вревя якай гзрозолькьо: кеоянородно-костей лкнейко зависит сг лт гесиетрическж оазнероз.

3. Начальное прибяггенке универсальной функции для диспепсии лоук-туа-лйй коэффициента обратного рассеяния в приземной слое зозду-23, лолученное на основе теорж подобия Моника-Обухова и экспериментальных липяпрьпс язннкг

4. Методика жагрного определения скорости горизонтального песег/е-кенкя аэрозольных неоднороддаетей в атмосфере и скорости вертикального перемещения в случае вынужденней чеу^ор^лочгкпсй

п0дг26р21сла ьсзиожмость яил8рн0г0 0ттр?л5"£пш скорости диссипации турбулентной кинетической энергии в тепло. Результаты экспериментальных исследований в пограничном слое атмосферы, подтверждающие практическую пригодность разработанных методик.

Аппробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VI - XI Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы СТомск, 1980. 1982, 1984, 198Б. 1988. 1992), на XII. XIII и XV Меядународных конференциях по лазерному зондированию етмосфари в 1334т*. и 1990- годах соответствен-

но, на III Болгаро-Советском семинаре "Лазерные и радиометоды контроля окруааюшей среды" (София. 1990), а такие на научных семинарах Института оптики атмосферы РАН (Томск).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глаз, заключения и списка шггироваиной литературы. Работа содеркит 219 страниц машинописного текста, шшсст-рировака 70 рисунками, представленный на 52 страницах. В работе имеется 5 таблиц. Список используемой литературы содержит 130 наименований.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОЙ

В первой главе диссертации расширены некоторые вопросы теории атмосферной- турбулентности. Приводятся общие сведения о флук-туэциях рассеивающих свойств аэрозоля в атмосфере, кратко излагается метод спектрального анализ, гсгахьзувщийся при изучении метеорологических полей. Приводятся результаты исследования применимости гипотезы консервативной пассивной лримеси и соответствующей степенной модели спектра для статистического описания флуктуации концентрации аэрозоля в атмосфере, а также исследуется влияние флуктуация скорости ветра и эволюции аэрозольных неоднородностей на частотные спектры сигналов аэрозольного ливра. В § 1.1 в . крат-

кой форме излагаются основные положения теории атмосферной турбулентности и приводятся основные результаты теории движения взвешенных частиц в турбулентной потоке несжимаемой жидкости. В §1.2 вводятся понятия авто- и кросс-спектров мощности флуктуации характеристик метеорологических полей и кратко изложены основные положения теории локально изотропной турбулентности.

В § 1.3 концентрация аэрозоля рассматривается как консервативная пассивная примесь со степенным спектром флуктуаций в инерционном интервале волновых чисел. Для условий слабозаыутненной атмосфера, используя уравнение лазерной локации и аппроксимируя пространственную Фильтрующую функцию гауссовой кривой, получено следу-

шее выражение для спектра флуктуаций лидарного эхо-сигнала:^ -2 2 2 2 ~ //|Г>. где частота /с связана с переносом неод-

нородностей размера внешнего масштаба ¡-а через рассеивающий объем, а 1 определяется скоростью ветра у и размером рассеи-

вающего объема . Показано, что в случае одномасштабной модели спектр флуктуаций мощности ^А» описывается гауссовой кривой.

В §1.4 с учетом степенного характера спектра флуктуаций концентрации исследуется влияние флуктуаций скорости ветра и временной эволюции вэрозольных неоднородностей на взаимные корреляционные функции и взаимные спектры когерентности и -фазы. В предположении "замороженной" среды (время жизни получены аналитические соотношения для этих характеристик, позволившие оценит.ь величину смешения корреляционной лидарной оценки скорости ветра

, уширение взаимной корреляционной функции ¿Рга*/<м>* (р-разнесение между зондируемыми объемами), получить формулы для оценивания дисперсии флуктуаций скорости ветра. Во всех расчетах учитывалась геометрий возможного эксперимента (угол *> "трасса-ве/ер").

В §1.5 для учета влияния временной эволюции аэрозольных неоднородностей на взаимные статистические характеристики лидарных сигналов была использована, предложенная Гурвичем. феноменологическая модель. Полученное в результате соотношение для положения максимума кросс-корреляции при проведении коррекции экспериментальных данных к условиям однородного движения позволяет поручать зависимость характерного времени жизни неоднородностей от их размера

Во второй главе описана основная используемая аппаратура, ие-тоджи обработки и измерений характеристик атмосферы и флуктуаций лидарного эхо-сигнала. В §2.1 приведено описание лазерного азрозо-

льного локатора "ЛОЗА-З" для зондирования нижней тропосферы.

В §2.2 с учетоы технических характеристик лазерного аэрозольного локатора "ЮЗА-З" С частотная полоса приемного тракта лидера, длительность светового импульса, частота работы лазера и т.д. ) спланирован лидзрнкя эксперимент яо исследованию аэрозольных неод-нородностей е пограничном слое атмосферы. При этом определены оптимальные частота дискретизации (1-2 Гц), время осреднения (от 8.5 до 60 мин), выбрана схема спектральной обработки лидарных данных и т.д.

В §2.3 приведены результаты совместного зондирования в приземном слое атмосферы аэрозольным и СКР-лидерами. Получены величины вариаций эхо-сигналов, обусловленные флуктуациями коэффициента обратного рассеяния,в умеренных (3-15*0 и плотных (до 50«) дымках. Приведены коэффициенты взаимной корреляции эхо-сигналов с метеола-раметрани. Произведена оценка точностных характеристик регистрирующего канала аэрозольного лидарэ (погрешность составила менее 3*). при этом СКР-лидар выступал в роли контрольного прибора.

В §2.4 проведен анализ искажающего влияния шумов на спектры когерентности и фазы сигналов аэрозольного лидара. При этом участок трассы зондирования представлялся в виде гипотетической линейной системы с одним входом и одним выходом. Получены соотношения, позволявшие оценивать действие как коррелированных, так и некоррелированных шумов на спектры когерентности и фазы в двух точках на трассе зондирования. Найдено, что степень искажения спектров зависит. от отношения сигнал/шум. Приведены данные измерений, которые хорошо согласуются с результатами проведенных расчетов. Получено простое соотношение, позволяющее при наличии шумов получать из лидарных измерений фазового спектра несмещенную оценку скорости ветра v=гp/ncospt где /„- частота, при'которой фаза достигает значения ±тт и при этом не искажается шумами.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований пространственно-временной структуры аэрозольных полей в приземном и пограничном слоях атмосферы.

В § 3.1 приведены данные определения спектров флуктуатй мощности коэффициента обратного рассеяния (концентрации частиц) и результаты расчетов для степенной Холмогоровской модели и для одно-масштабной гауссовой модели, а также сравнение с результатами других авторов (Элоранта). Характерной особенностью всех полученных реализаций спектров является наличие у них степенного участка

В §3.2 изловены результаты лидарных исследований спектров Рп в призеннш слое воздуха. Диапазон исследуемых пространственных масштабов аэрозольных неоднородностей простирался от 1 ы до нескольких сотен иэтров. Анализ всей совокупности данных (более 100 спектров) позволил выделить пять основных типов спектров флуктуация концентрации, схематически представленных на ркс. 1. Все лидзр-

1од-Г

1од Г

2 1

' \-5/3

-5/3"

\-IlZ5N 1 IV

•О -5/3

1одГ

Гиг. 1.

лидарные эксперименты сопровождались регистрацией горизонтальных пульсаций скорости ветра акустический анемометром, расположенным на соответствующей лидарным наблюдениям высоте (20 ы). Измерения производились над ровным полем 1кн * 2км. Спектры эхо-сигналов <.РП) на рис.1 обозначены цифрой 2. а спектры флуктуаций скорости ветра - кривые 1.

При возникновении устойчивой темпераратурной стратификации (р^-'О} в приземном слое или непосредственно над ним.на спектрах Рп С гил 3-5) в низкочастотной их части проявляется подобласть плавучести в виде степенного участка/"11" (спектр Болджиано-Обухова). Причем на спектрах флуктуаций скорости ветра такого не наблюдалось.

Зто свидетельствует о'наличии сложного взаимодействия поля концентрации с пояши скорости ветра и температурь', когда аршгедовы сц-хи препятствуют вынужденной конвекции воздушных частиц вследствие дкнакическои турбулентности. Появление только на спектраг под-солзсти плавучести С/ ) дозволяет лредполоЕИТЬ. что, вероятно, розксястт процесс п^речедания ззситабяиии (более 100 н) кснвектав-г/, ккходякггк потоками аэрозольные неоднородностей. ефоригрова-. зшихся при устойчивой температурной стратификации у верхней границы погоаттстччого

опчриунрно тс::"з появление на спектрах флуктуации Рп областей притока (оттока) энергии (тип 4,5), обусловленных наличием динейи-ческой турбулентности (термическим расслоением приземного слоя атмосферы).

Результаты экспериментального исследования размеров и анизотропии аэрозольных неоднородностей на основе анализа пространст-зенно-временшх корреляционных функций показали, что в призеинон слое средний размер неоднородностей составляет 50-100 н, а коэффициент асскаетряк изменяется от значения 2.7 на высоте Зы до 1.3 для высоты 200 кётрсв (§3.3).СдаЕга времени жизни неоднородности?.. полученные за основе зка.ткзз набора кросс-корреляционных фукгесгй согласно веточке, описанной в §1.5. указали на линейную зависимость от их рээиерз, что подтвердило правильность выбора модели (§1.5). Время жизни неоднородностей размера от 10 до 50 метров составляет от 3 до 40 Секунд.

В §3.4 изложен итерационный метод и результаты его экспериментальной апробации по определению модуля и направления скорости ветра на основе анализа взаимных спектров (когерентность и фаза) при зондировании лишь в одном направлении. Результаты экспериаен-ментов показал:, что метод позволяет получать данные о скорости ветра с точностью 1 м/с при определении модуля и 1СР- 2СГ при определении направления, причем угол рассогласования (трасса-ветеп) может достигать 45°.

В -5 3.5 описаны результаты лидарного определения скорости диссипации турбулентной кинетической энергии з условиях конвективного пограничного слоя (КИС), основанные нэ лидарной оценке дисперсии Флуктуация скорости ветра и высоты КПС.а также на основе спектров, полученных КайМалом и приведенных к безразмерному виду. Значения лидарной оценки скорости диссипации сравнивались с показаниши. рассчитанными из градиентных наблюдений температуры и скорости

ветра на двух уровнях. Было получено удовлетворительное согласие.

В §3.6 описана нетодика и приводятся экспериментальные данные зондирования в условиях вынужденной неупорядоченной конвекдаи. когда "всплывающие" терники приводят к появлению второго дополнительного максимума на автоспектрах флуктуаций лидарного сигнала. Положение этого максимума определяется скоростью перемещения тер-ников. Результаты зондирования профиля компонент скорости ветра и степени температурной устойчивости (знак «I) по показателю • в спектрах /"" дали удовлетворительное согласие с параллельными са-молетнши наблюдениями и данными других авторов.

В §3.7 описана, предпринятая авторе«, попытка определения универсальной функции дисперсии флуктуаций коэффициента обратного рассеяния в приземном слое воздуха. Масштаб измерения р"п для коэффициента обратного рассеяния Рп , согласно теории подобия Монина-Обухова. должен определяться через величину турбулентного потока частиц, который довольно трудно-измерить. Поэтому пришлось ограничиться стратификацией, близкой к безразличной С«^), полагая профиль логарифмическим. При этом удалось °р'Р* выразить через относительные величины, легко определяемые при зондировании по горизонтальной и слабо наклонной трассам: С,РУ<Р> и рег^/рег^. в результате расчета "р'Р* низкая точность определения позволила' лишь качественно оценить искомую универсальную функцию, которая по виду оказалась похожа на аналогичную функцию для дисперсии температуры. -

Р четвертой главе приводится краткий обзор аналитических методов решения уравнения лазерного зондирования (§4.1). даются практические рекомендации (по определению геометрической функции лидера. и оцениванию фонового значения коэффициента полного рассеяния) и приводятся основные результаты лидарных экологических исследований с помощью лидара "ЛОЗА-З" в г.Кемерово и г.Павлодаре.

В §4.2 излагается предложенная автором модификация метода Клетта решения уравнения лазерной локации на основе итерационной процедуры, основанная на введении порога, нине которого эхо-сигнал считается неинфорыативным и подлежащим доопределению. Метод учитывает параметры регистрирующей аппаратуры лидара и уровень шумов. Проведено исследование метода на основе двухкошюнентной модели коэффициента рассеяния на предмет оптимизации выбора: а) разрядности аналого-цифрового преобразователя; б) уровня порога для отсекания шумов при обработке лидарных данных: в) на сходимость итера-

цконной процедуры----------- -

В §4.3 приводятся результаты зондирования в виде таблиц и топографических карт распределения кассовой концентрации аэрозоля над пронзонами городов Кемерово и Павлодара. Получены хорошие результаты, подтверждающие работоспособность предловенного метода .и его преимущества перед другая* аналитическими методами решения уравнения лазерного зондирования. Пересчет определяеного лидарои коэффициента полного рассеяния « в значение массовой концентрации осущестлялся по формуле . где и - коэффициент пропорциональности, кстсрьй необходимо определять при одновременных контактных (инпакторы. счетчики'частиц) и дистанционных лидарных измерениях.

В §4.4 на основе спектральной обработки лидарных даннчх и получении информации о скорости ветра, а также, на основе предлояен-ного итерационного метода решения уравнения лазерной локации и извлечении информации о массовой концентрации, были получены оценки величины выброса локальных источников аэрозоля антропогенного происхождения (Кемеровская ГРЭС). Полученные данные сопоставлены с результатами контактных измерений параметров на ГРЭС. Результаты лидарного эксперимента показали, что дингаика аэрозольных выбросов из трубы отсленгивается достаточно устойчиво, что позволит в будущем эффективно использовать лидэр в этой задаче.

В заключении диссертации в краткой форне обобиены результаты проведенных исследований.

Основные результаты работы. 1. Экспериментальные исследования спектра флуктуации лидарного сигнала, обусловленного флуктуация® концентрации аэрозольных частиц в атмосфере, подтвердили применимость гипотезы консервативней пассивной примеси к атмосферному аэрозолю. Спектр флуктуации лидарного сигнала подчиняется закону "пять третей" - Колмогорова-Обухова. как и спектр флуктуация скорости вртра. Однако обнаружено, что в случае устойчивой стратификации на спектре Рп (или концентрации) появляется подобласть плавучести, описываемая степенным законом (спектр Болдшано-Обухова).

Все полученные спектры классифицированы по форме и разбиты на' пять'групп, отличающихся наличием в низкочастотной части спектра подобласти плавучести, в которой нокет происходить либо резкое увеличение спектральной мощности, либо резкое уменьшение вследствии притока или оттока энергии, обусловленных наличие« динамической турбулентности, либо термическим расслоением при-

. 1А

земного слоя атмосферы.

2. Теоретически и экспериментально исследовано влияние флуктуаций скорости ветра (неоднородное движение) и эзолхши аэрозольных неоднородностей в следствии турбулентной диффузии на взаимные корреляционные функции и взаимные спектры (когерентности и фазы) лидарных эхо-сигналов. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том. что поведение функций корреляции и когерентности существенно зависит от постоянно присутствующих в атмосфере флуктуаций скорости ветра и эволюции неоднородностей. В то Ее время фазовый спектр более устойчив к воздействию этих искажающих факторов, что дает возможность использовать эту характеристику как основную при лидарных измерениях скорости ветра в атмосфере.

3. Проведены экспериментальные исследования размеров аэрозольных неоднородностей, их анизотропии и времени жизни. Исследования размеров и анизотропии аэрозольных неоднородностей, проведенные на основе анализа пространственно-временных корреляционных функций, показали, что в приземном слое средний размер неоднородностей составляет 50-100 и и увеличивается с высотой, при этом коэффициент ассшетрш с высотой понижается' и форма аэрозольных неоднородностей стремится к изотропной.

Эксперимент показал, что время жизни аэрозольных неоднородностей линейно зависит от их размера г), хотя теоретически, согласно принятой модели, предсказывалась зависимость *-2'3. Тем не менее,полученный результат указывает на хорошее согласие экспериментальных данных с принятой феноменологической моделью.

А. Теоретически и экспериментально иссследовано искажающее влияние шумов на спектры когерентности и фазы сигналов аэрозольного ли-яара. Получены соотношения, позволяющие оценивать действие как коррелированных, так и некоррелированных шумов на спектры когерентности и фазы в двух точках на трассе зондирования. Степень искажения спектров зависит от отношения сигнал/шум. Сопоставление данных измерений с результатами проведенных расчетов. в которых учитывались флуктуации скорости ветра, эволюция аэрозольных неоднородностей, геометрия экспзримента и уровень шумов. • дали вполне удовлетворительные результаты.

Расчеты, проведенные с помощью модели, в которой участок трассы зондирования был представлен в виде гипотетической линейной системы с одним входом и одним выходом, полностью объяснили

повеление Фазового спектра пр;: раздачныг знз'кккяг отноегенкя скгнзл/вуа. Получено, что £ззовкй спектр и© Ескэнэется вдкгя* только тогда, когда прквотаэт значения кратнь'э Отсзда било в хранение, дзвш? кескеаеннуя оценку скорости ветра. Привлечение дополнительной информации о значении ггогяреятностн не рублевой частоте, которое согласно теорта, пзлогекней г первой глс.ве, определяете;- ггеиетрзей ^слбраайй'а я ьквшкян иаситабоы аэрозольных неоднородностей, позволило разработать итерационную

илтптипг ТТ'ДОРГТТГТ СГТрЗДЗЛСИГТЛ «СДУ...Л " СагОРОСи*

ветра на основе анализа взаимных спектров (когерентности и фазы) призошировании лишь в одноы направлении. Результаты экспериментов по определению направления и ыодулл скорости ветре . проведенные совместно с акустическим аненометрон, указали на хорошее совпадение дистанционных и точечных измерений.

5. Разработана и экспериментально апробирована ыетодгаса лздзрного определения параметров скорости ветра в логрзничноа сдое атыос-фсру г уелогл^ гл-иутдетгс? кеутторядоченйзй конвоки^:;. Уьтсд Г.ГЛОРОН № ЛОЛОТ^ШЯ вторичного »ЙХСЕГ/иа ко СГ.ЯГГЛ7 лндарного вигнс'пв. Появление таою ;.:з;сс:^луиз обусловлено яг-л*-■пи;:; в пелрчетччя' слое вспльгвзюцнх тергласов.

6. Зкспоркаонгпедтверкденз всуйсжяость о;гоеделг-нйя с шкчьс

дарэ ахг-ости дигашаида ккнетцч'-.:кой турбулентной эперппе нз основе л-шзрчой оценки дисперсии флуктуэдй скорости петри :: высоты перокеЕсветк в условиям конвективного пограничного слоя.

7. Получено начальное прибликение универсальной функции для. дяс-перекк флуктуа;г:й коз^Сгяжентз обратного рассеяния в прязегг:»"« сяоь воздухе ка основе теории подобия Козка-Обуховз к экспериментальных лид2рных данных. Функция шеет разрыв в точке (безразличная стратификация). Найдено, что нодуль функции быстрее убывает при усилении устойчивости («оо ), невели при возса-с:а>1К' тецпепатурво;': кеустсй'овзости (Л» 'о).

5. Разработана мсяфгкгжя йетедз Клетта ресгния равнения лагерной лзкашк кз эсясве »гираииояной процедуры, учитывающей параметры регкстрирукЕёй еяпзрзтуры лидера к уровень вуиоз.

Э. На примере зондирования выброса локального источника продемонстрировано расширение возможностей аэрозольного лияара путей со -единения статистической обработки лидарных данных (определение параметров скорости ветра) с традишоннш зошированиев прозрзч-ности.

_ : i6

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ГО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разенков И.А. Некоторые вопросы использования численных методов при обращении данных лазерного зондирования.-В кн.: VI Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл.. ч- 1. Томск. 1980. с. 107-110.

2. Балин Ю.С.. Самохвалов И.В.. Разенков И.А. Статистические характеристики сигналов обратного рассеяния в атмосфере.-В кн..- VII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл.. ч. 1. Томск, 1982, с. 7-10.

3. Аршинов Ю.Ф.,Балин Ю.С., Бобровников С.М., Разенков И.А. Совместное зондирование атмосферы аэрозольный и СКР-лидарами. Квантовая электроника, 1983, т. 10, n 2, с. 390-397.

4. Балин Ю.С., Байраишн Г.С., Разенков И.А. и др. Мобильный аэрозольный лазерный локатор "Л03А-4". -В кн. : VIII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. док л., Томск, 1984.

5. Балин Ю.С.. Разенков H.A. и др.. Лидарные исследования процессов распространения аэрозольных образований. -В кн. : VIII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл. Томск, 1984.

6. Балин Ю.С., Бурков В.В., Разенков И.А., Самохвалов И.В. Исследование статистических характеристик лидарных сигналов. -В кн.: VIII Всесоюзный симпозиум что лазерному'и акустическому зоншро-. ванию. Тез. докл. Томск. 1984.

7. Balln Y.S. , Burkov V.V. , Zuev V.E. , Razenkov I.A. , Samokhvalov I.V. Investigation of 11 dar returns statistical propetles. -12tb International Laser Radar Confer ense С NASA} , France, Buisson, 1884.

8. Балин B.C.. Беленький M.С., Разенков H.A. и др. Лазерные иссле-давания аэрозольных неоднородное^ей в атмосфере.- Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. т. 22, n ю. с. 1060-1Ö63.

9. Балин Ю.С.. Байрашин Г.С., Разенков И.А. и др. Автоматизированный лазерный локатор "ЛОЗА-4".- В сб. :Проблемно-ориентированные измерительно-вычислительные комплексы. Новосибирск: Наука, 1986, с. 6S-71.

10. Baiin Y.S, , Kavkyanov S. I.. Razenkov I.A. LI dir measurements of slant visual range.-Investigation of lidar returns statistical propetles, 13"h International Laser Radar' Confer ense С NASA}, Toronto, Canada, 1886.

ll.Yu.Balin, S. Kavkyanov, I.Razenkov "Noiseproof Inversion of Lidar Equation". Optic Letters, January, 19S7.

13.БЭЛИН Ю.С., Разенков И.А. и др. Сравнительный анализ алгоритмов

обработки лидарных сигналов при зондировании оптически плотных атмосферных образований. -В кн. : IX Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл., ч. 1. Тонек, 1987. с. 70-74.

13.Балин Ю.С., Беленький М.С.. Миронов В.Л., Разенков И.А. Лидарные исследования аэрозольных неолнорояностен в атмосфере.-В кн.: IX Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл., ч. 2. Томск. 1987, с. 37-40.

14-Балин Ю.С., Беленький М.С.. Разенков И.А., Сафонова Н.В. Пространственно-временная структура сигналов аэрозольного лидара- -Изв. АН СССР. Оптика атмосферы, 1988. т. 1. н 8, с, 77-83.

1SРазенков И.А., Самохвалов И.В.. Таргонский С.Н. Лидарное иссле-вание микроструктуры дымового аэрозоля. - Изв. АН СССР. Оптика атмосферы, 1388, Т. 1, « 12, с. 22-25.

16-Балин Ю.С., Разенков И.А. Лидарные исследования анизотропии аэрозольных неоднородностей- -В кн. : X Всесоюзны:? симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл., ч. 2. Тоыск.

1989, с. 48-51.

17.Балин Ю.С.. Разенков й.А. Спецстатья.- Изв. ВУЗов. Квантовая электроника. Приложение 30, 1988.

18-Балин Ю.С., Разенков И.А. Исследование флуктуационных характеристик лидарных сигналов в зависимости от температурной страти-

. фикаши в приземном слое атмосферы- -В кн. : X Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл.. ч. 2. Тонек. 1989.*с. 44-47.

19-Балин Ю.С.. Разенков И.А. Лидарные исследования параметров - атмосферы в условиях неупорядоченной конвекции- -В кн. : X Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тез. докл. ч. 2. Томск. 1989, с. 37-43.

20.Аршинов Ю.Ф., Бобровников С.М.Разенков Й.А, и др. Возможности комплексного исследования пограничного слоя вткосферы.- Изв. АН СССР. Оптика атмосферы, 1989. т. 2. н 9. с. 963-968.

21 .Балин Ю.С., Красненко Н.П.. Разенков И.А. и др. Лазерно-акусти-ческие исследования метеоусловий и аэрозольного загрязнения воздушного бассейна г.Кемерово.-Изв. АН СССР. Оптика атмосферы,

1990, Т. 3. N 7. с. 729-737.

гг.Бэшн Ю.С., Зуез В.Е.. Красненко Н.П., Разенк'ов И.А. Лазернс-

. акустический мониторинг метеоусловий и аэрозольных загрязнений в пограничном слое атмосферы.-В кн. :Труды 3-го Болгаро-Советского семинара "Лазерные и радиоыетоды контроля окрукаашей среды". Тез. докл. - София. 1990.

23.Балин Ю.С., Разенков Й.А. Ладарные исследования статистических характеристик аэрозольной атмосферы.-В кн.:Труды 3-го Болгаро-Советского семинара "Лазерные и радиоаетоды контроля окружающей среды". Тез. докл.- София, 1990.

24.Kazonkov Х.А. Some results on rtuding turbulent pulsations of aerosol particles number density in ground atmospheric layer with a lidar.-lSth International Laser Radar Conferense CKASA5 , Tomsk, USSR, 1030.

25.Balin Y.S. , Razenkov I. A., Rostov" A. P. Wind speed measurements by 1 i dar.-15lh International Laser Radar Conferense С NASA} Tomsk. USSR, 1GS0.

2S.Balin Y.S. , Kavkyanov S. I. , Razenkov I. A. Lidar studies of aerosol fields over industrial areas.-15lh International Laser Radar Conferense CNASA3, Tomsk, USSR, 1090.

27.Кабанов M.B., Разенков Й.А. и др. Многофункциональный ДПР-лидэр на основе эксиаерного -лазера.- Изв. АН СССР. Оптика атмос-' феры, 1990, т. 3, N.3, с. 33S-336.

28.Балин D.C., Разенков И.А., Ростов А.П.' Влияние помех на статистические характеристики сигналов аэрозольного лидара.'- Изв. АН СССР. Оптика,атмосферы, 1991, т. 4. n 4. с. 432-438.

29.А.с. 1033333 (СССР) Устройство для определения оптических характеристик атмосферы /Балин Ю.С., Кавкянсв С.И., Креков Г.М.. Разенков Й.А.

30.А.с. 103S481 (СССР) Устройство для определения оптических характеристик атмосферы /Балш D.C., Козиниев В.И. .Балценков Г.Н.

• Разенков И.А. •

31.А.с. 1035482 (СОЗР) Устройство для определения оптических характеристик атмосферы /Балин Ю.С., Козинцев В.И. .Балценков Г.Н. Разенков H.Ai '

32.А.с. 1329379 (СССР) Способ дистанционного- определения скорости ветра /Балин Ю.С.. Разенков И.А., Самохвалов И.В.

33.А.с. 1501742 (СССР) Способ дистанционного оптического зондирования атмосферы /Балш Ю.С., Беленький М.С., Разенков И.А.