Ослабление миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере с гидрометеорами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

НАУК СССР ОРДЕНА" ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

У*

На правах рукописи

СУХОНИН Евгений Викторович

УДК 621.371.029.65 + 621.371.029.66

ОСЛАБЛЕНИЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И СУБШШМЕГРОШХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ

С ЩРОМЕТЕОРАМИ

01.04,03 - Радиофизика, включая квантовую радеофизязу

Ы .А/¿>¿.¿>4

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доигора фюиво-математических наук

Москва - 1988

V . . А ,

V* гУ /и /.V

, д- ^ т / у , у.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники АН СССР

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент А.И.КАЛИНИН, доктор физико-математических наук, ст.н.с. А.П.НАУМОВ, доктор физико-математических наук, от.н.с. Г.Г.[фГКИН

Ведущая организация - Институт радиофизики и электроники АН УССР

Защита состоится "16" июня 1989 г. в 10 часов на заседании Специализированного Совета Д 002.74.02 при Институте радиотехники и адектрошши АН СССР по адресу: 103907, Москва, ГСП-3, проспект Маркса, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ АН СССР Автореферат разослан "_"_ 1989 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

Лк#м в'г'голн,ов

1., ...

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 диссертаций

Актуальность исследований. Миллиметровые и субмиллиметровые волны (ММВ и СБМВ) обладают рядом преимуществ по сравнению с сантиметровыми и оптическими волнами. Весьма перспективным представляется использование этих волн в системах наземной и космической связи, радиолокации и радиовидения и для целей дистанционного зондирования земных покровов, атмосферы и атмосферных образований вследствие сильного поглощения и рассеяния ММВ и СБМВ этими объектами. Необходимость освоения диапазонов ШВ и СБМВ диктуется не только их преимуществами по сравнению с другими диапазонами, но и частотным переполнением освоенных радиодиапазонов вплоть до частоты 10 ГГц.

Б настоящее время наблюдается особенно повышенный интерес к ММВ и СБЫВ. Этот интерес обусловлен значительными успехами, достигнутыми в области твердотельной технологии, на основе которой возникла реальная возможность создания малогабаритной приемно-передающей аппаратуры полностью на устройствах в интегральном исполнении с микрополосковыми антеннами. Это действительно позволяет реализовать присуще ММВ и СБМВ преимущества.

Освоение ММВ и СБШ для целей связи, радиолокации и дистанционного зондирования окружающей среда потребовало развития исследований распространения этих волн в атмосфере как на приземных, так и наклонных трассах. Особое внимание этим исследованиям стало уделяться в середине 60-х годов. Поскольку основное влияние на распространение ММВ и СБИВ в атмосфере оказывают водяной пар и гидрометеоры, к которым относятся водные аэрозоли (туманы, облака) и осадки в виде доздя, снега и града, то

в первую очередь необходимо было исследовать ослабление, обусловленное водяным паром и указанными метеообразованиями.

Т.к. появление в атмосфере неоднородных в пространстве гидрометеорных образований носит случайный характер, то конечной целью исследований ослабления ШВ и СБМВ в гидрометеорах является развитие методов прогнозирования статистики ослабления, для чего требуются сведения о коэффициентах ослабления, о временной и пространственной структуре гидромэтеорных образований, зависящей от климатических условий, и экспериментальные данные об ослаблении на приземных и наклонных трассах, в том числе разнесенных в пространстве. Кроме того, т.к. ослабление связано с рассеянием и поглощением радиоволн в среде и в силу закона теплового излучения Кирхгофа - с собственным излучением среда, то вопросы ослабления, рассеяния и поглощения ММВ и СБМВ в атмосфере с гидрометеорами вообще следует рассматривать в контексте с вопросами радаотеплового излучения атмосферы. В частности, рассеяние сильно влияет на радаояркостную температуру гидрометеоров на ММВ и СБМВ, и следовательно, на измеряемое по ней ослабление в осадках.

К моменту начатых автором в середине 60-х годов работ в области исследования ослабления коротких ММВ и СБМВ в гидрометеорах были проведены в основном исследования молекулярного поглощения в водяном паре преимущественно спектрометрическими методами. Длительное время работы автора в этой области фактически были единственными. В области исследования распространения длинных ШВ в осадках отечественные работы отставали от зарубежных. Однако и здесь был ряд еще не решенных научных вопросов. Поэтому задача заключалась не только в том, чтобы ликвидировать это

отставание и получить фактические данные по распространению длинных ШВ в толще земной атмосферы и данные по пространственно-временной структуре осадков, но и в том, чтобы решить ряд вопросов, которые перечислены в цели работы. Необходимость болев глубокого и всестороннего исследования рассматриваемой проблемы и потребности практики определили направленность исследований автора: изучение связи ослабления, рассеяния и интенсивности радиотеплового излучения гидрометеоров в миллиметровом и субмиллимэтровом диапазонах волн с их физическими napai.ieTpai.ffi и развитие методов прогнозирования статистики перечисленных величин на основе изучения пространственно-временных характеристик гидрометеорных образований. Основное внимание в работе уделяется довдю как главному фактору, влияющему на ослабление

ммв.

Целью работы являлось:

- исследование коэффициентов ослабления ГШ и СБЫВ в туманах, облаках, доздях и снегопадах в зависимости от джины волны излучения и физических характеристик метеообразований и выбор моделей для расчета этих коэффициентов;

- создание физической модели, описывающей радиотепловое излучение слоя гидрометеоров с рассеянием, на основе приближенного решения уравнения переноса излучения в аналитическом виде и развитие радиометрических способов и методик измерений ослабления в осадках с рассеянием по их собственному радиотепловому излучению;

- исследование пространственно-временных характеристик интенсивности дождя, построение его модели и разработка методов прогнозирования статистики ослабления радиоволн на приземных и.

наклонных трассах, в том числе разнесенных в пространстве;

- исследование ослабления в толще атмосферы с гидрометеорами по её радиотепловому излучению и сравнение полученной долговременной статистики ослабления в дожде как на одиночных, так и разнесенных в пространстве вертикальных трассах, с прогнозируемой статистикой.

3 цель работы также входило исследование коссйнцденгов молекулярного поглощения в водяном паре, поскольку рто поглощение неос ходпмо учитывать при измерениях ослабления в гидрометеорах и при прогнозировании статистики полного ослабления, обусловленного всеми факторами.

Научная новизна

1. Выполнены измерения ослабления з облаках разного типа в диапазоне длин волн 0,45-8,2 мм и искусственных туманах разной плотности на волне 0,311 .мм, впервые позволившие автору исследовать спектральные характеристики этого ослабления на ¡<Ш и СЕ.©.

2. Теоретически и экспериментально изучено ослабление СЦЖ и коротких ?/МЗ б доздях и снегопадах и исследована роль эффектов рассеяния в формировании радиотеплового излучения осадков на ЖЗ и СЕЮ.

3. При помощи нового метода получено приближенное решение уравнения переноса излучения с учетом рассеяния в аналитическом виде для расчета радиояркостной температура гидрометеоров.

4. Создана физическая модель для описания радиотеплового излучения слоя гидрометеоров с рассеянием.

5. Разработана и апробирована методика радиометрических измерений ослабления М'ЛВ в гидрометеорах при фиксированном угле наблюден7, хй по их собственному радиотепловому излучению, позволяющая учесть влияние рассеяния на измеряемое ослабление.

6. Предложен новый способ измерений ослабления ?,;Г.'Ш в гидро-

метеорах по их радиотепловому излучению, не требующий введения поправки в измеряемое ослабление за счет рассеяния.

7. Для центрального района ETC исследованы пространственные характеристики интенсивности сильных ливневых дождей и получены зависимость диаметра ливневой части довдя от его интенсивности, а также нормализованная пространственная автокорреляционная функция интенсивности.

8. Предложена новая модель довдя для прогнозирования интегральных распределений ослабления ММВ в доэде на различных одиночных трассах, учитывающая эллиптичность формы зоны доддя, преимущественное направление ветра во время доздя на высоте 3 км над уровнем моря в заданном районе и вклад в ослабление, вносимый облаками.

9. Впервые создана обобщенная модель доздя для прогнозирования совместной статистики ослабления ММВ на двух разнесенных в пространстве трассах, а также предложен и апробирован метод прогнозирования этой статистики.

Научная и практическая ценность работы заключается в следующем:

- изучены спектральные зависимости ослабления ММВ и СБММ в облаках разного типа, туманах разной плотности, довдях и снегопадах разной интенсивности;

- полученное приближенное решение уравнения переноса излучения в гидрометеорах в аналитическом виде с учетом рассеяния может использоваться при разработке алгоритмов для расчета с заданной точностью характеристик распространения ММВ и в задачах по дистанционному радиофизическому зондированию осадкоз;

- развитые -на основе аналитического решения уравнения пе-

реноса излучения методика и новый способ радиометрических измерений ослабления МШ в гидрометеорах с рассеянием по их радио тепловому излучению могут применяться при исследованиях ослабления ШВ в толще атмосферы с гидрометеорами и при дистанционных измерениях параметров ыетеообъектов;

- радиометеорологические исследования пространственно-временных характеристик интенсивности дождя явились основой для создания новой модели доздя для прогнозирования условий распространения радиоволн в додде;

- для основных районов СССР получены необходимые параметры, позволяющие рассчитывать для заданного района среднегодовые интегральные распределения вероятности выпадения дождя разной интенсивности;

- на основе результатов исследований пространственной автокорреляционной функции интенсивности дождя разработан и экспериментально проверен метод прогнозирования совместной статистики ослабления радиоволн в дожде на двух разнесенных в пространстве трассах;

- за ряд лет- наблюдений в центральной части Европейской территории СССР (ETC) получены годовые и сезонные интегральные распределения вертикального ослабления на волне 8,2 мм, в том числе сошествие распределения ослабления в дожде дая двух трасс, разнесенных на расстояние 24 км.

Приведенные в работе результата необходимы при проектировании различных радаосистеы для оценок надежности их работы, дальности действия и т.п. при наличии в атмосфере осадков и водных аэрозолей. Эти результаты нашли применение в ряде организаций промышленности. Подученные данные могут использоваться так-

же при дистанционных радиофизических исследованиях осадков пассивными методами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на УШ (Ашхабад, 1967), IX (Харьков, 1969), X (Иркутск, 1972), XI (Казань, 1975), Ш (Томск, 1978), ХШ (Горький, 1981), НУ (Ленинград, 1984), ХУ (Алма-Ата, 1987) Всесоюзных конференциях по распространении радиоволн, У (Кишинев, 1978), 71 (Таллин, 1982), Л1 (Суздаль, 1986) Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии, на I (Москва, 1976), Л (Харьков, 1978), Ш (Горький, 1980) Всесоюзных симпозиумах по миллиметровым и субмиллиметровым волнам,на Всесоюзном симпозиуме по распространению ММВ и СЕМВ в атмосфере Земли и планет (Горький, 1974), на I (Москва, 1982), П (Фрунзе, 1385) Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению ШВ и СБ'.© в атмосфере, на двух Всесоюзных сессиях Общества иы.А.С.Попова (Москва, 1975; 1980), Советско-английском семинаре по распространению СБИВ в атмосфере (Москва,

1977), Советско-японских симпозиумах по электронике (Токио, 1979; Москва, 1987), на ХУШ Международном конгрессе по электронике (Италия, 1971), Коллоквиуме по мелкомасштабной структуре осадков и распространению электромагнитных волн (Франция,1973), У Коллоквиуме по микроволновой связи (ВНР, 1974), Международном симпозиуме по антеннам и распространению радиоволн (Япония,

1978), Симпозиуме по СЕМВ (США, 1971) и на П (США, 1976), Ш (Англия, 1978), 1У (США, 1979), У1 (США, 1981), УШ (США., 1983), IX (Япония, 1984), X (США, 1985), и XI (Италия, 1986) Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам.

Основные научные положения и результаты исследований автора. выносимые на защиту:

- 10 -

1. Радиометрический способ измерений при фиксированном угле наблюдений ослабления ММЗ и СБИВ в гидрометеорах с рассеянием в толще атмосферы по их радиотепловому излучению является эффективным, простым и дешевым способом, особенно в случае получения статистики этого ослабления на имитируемых трассах ИСЗ-Земля в разных климатических районах. Разработанная методика позволяет учесть влияние рассеянного гидрометеорами излучения на радиояркостную температуру и существенно повысить точность определения ослабления.

2. Разработанные на основе результатов исследований временных и пространственных характеристик интенсивности дождя его простая и обобщенная модели и методы прогнозирования статисти- ■ ки ослабления ММВ и СБИВ в дожде позволяют рассчитывать для любого климатического района СССР интегральные распределения ослабления на одиночных и разнесенных в пространстве трассах по количеству вшадавдих сильных ливневых дождей конвективного происхождения, по общему количеству жидких осадков, по преимущественному направлению ветра на высоте 3 км над уровнем моря во время выпадения доздэй и пространственной автокорреляционной функции интенсивности дождя в данном районе.

3. Разработанная на основе нового приближенного решения уравнения переноса излучения физическая модель, описывающая радиотепловое излучение слоя гидрометеоров с рассеянием, а также развитая в работе метеорологическая модель дождя и результаты теоретических и экспериментальных исследований ослабления и рассеяния ММВ и СБЫВ в дожде на приземных и вертикальных трассах составили основу радиомодели доздя в диапазонах ШВ и СБИВ. Модель включает в себя зависящие от интенсивности довдя коэффициенты ослабления, коэффициенты рассеяния в переднюю и заднюю по-

лусферы и индикатрису рассеяния единичного объема дождя и дает возможность оценки при заданном уровне вероятности оптической толщины дождя, его радиояркостной температуры и рассеянной в дожде мощности, а также любых других величин, связанных с перечисленными величинами функциональной зависимостью.

Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертации положений представляет собой новое направление радиофизических исследований - изучение физических основ прогнозирования условий распространения ММВ и СБИВ в атмосфере с гидрометеорами с учетом климатических особенностей.

Представленные в диссертации исследования охватывают период с 1965 по 1987 гг. Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, в формулировке и постановке задач, в проведении теоретических исследований и расчетов, в участии при создании ряда измерительных комплексов, в разработке методик измерений, в руководстве и непосредственном участии в проведении измерений в полевых и лабораторных условиях, в обработке и интерпретации полученных результатов и в разработке моделей дождя и методов прогнозирования статистики ослабления в нем радиоволн.

СОДЕЕШИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, приведены результаты исследований, обла-даадие существенной научной новизной, и результаты, характеризующие научную и практическую ценность работы, представлены основные защищаемые положения и кратко изложено содержание диссер-

тацик.

Первая глава посвящена общим вопросам описания ослабления ММВ и СБМВ в атмосфере, обусловленного молекулярным поглощением в парах воды и кислороде,и поглощением и рассеянием частицами водных аэрозолей и осадков. Отмечается, что в случае гидрометеоров эффекты рассеяния и поглощения зависят от агрегатного состояния воды, размера частиц и душны волны: в снегопадах с сухим снегом преобладает рассеяние, в облаках и туманах во всем диапазоне ММВ и СБМВ,за исключением коротких СБМВ, преобладает поглощение излучения. Основным объектом исследования является дождь, т.к. он вызывает наибольшее ослабление ММВ, поглощение которых в водяном паре по сравнению с СБМВ существенно меньие. Приведены основные соотношения для описания характеристик ослабления, при этом атмосфера как среда распространения описывается функцией передачи, амплитудная функция которой связана определенным соотношением с коэффициентами ослабления, обусловленного разными газовыми компонентами атмосферы и метеообразованиями. Приведены выражения для расчета коэффициентов поглощения в водяном паре с тремя разными формами линий - по Лоренцу, Ван Флеку-Вайскопфу и кинетическому уравнению и коэффициентов ослабления в гидрометеорах. Предполагается, что частицы гидрометеоров являются сферическими, поэтому расчеты проводятся по теории Ми для рассеяния электромагнитных волн на шарах. Т.к. фактор эффективности ослабления сферической частицы описывается при помощи бесконечного ряда с коэффициентами (Хд а , которые выражаются через функции Бесселя первого и

третьего рода с комплексным аргументом и их производные, которые не табулированы, то в разделе 1.2 приведены соответствующие

рекурентные соотношения для вычисления и .

В разделе 1.3 сформулированы основные задачи и направления исследований по ослаблению ММВ и СБМВ в атмосферных газах и гидрометеорах. В разделе 1.4 изложена теория поглощения ММВ и СБМВ водяным паром, которое необходимо учитывать при измерениях ослабления в гидрометеорах и при прогнозировании статистика этого ослабления. Здесь же приведены результаты теоретических исследований поглощения в водяном паре и выполнено их сравнение с экспериментальными данными, в том числе полученными в настоящей работе при помощи источников когерентного излучения - ЛОВ в диапазоне длин волн 0,84+0,96 мм и субмиллимэтрового лазера на волне 0,311 мм. Расчеты коэффициентов ослабления Х^н о ММВ и СБМВ в водяном паре, выполненные с тремя указанными выше формами линий, показали, что форма линии по кинетическому уравнению дает такой же результат при расчетах , что и форма линии по Лоренцу, несмотря на то, что первая форма линии получена, исходя из более правильных физических представлений. Установлено, что увеличение полуширин линий поглощения водяного пара в 1,2 раза по сравнению с расчетными в соответствии с экспериментальными данными, полученными в настоящей работе, не позволяет объяснить превышение экспериментальных величин Т^ 0 в окнах прозрачности миллиметрового диапазона и длинноволновой части субмиллиметрового диапазона над теоретическими величинами У . в 1,5-5-2 раза. (На волне 0,311 мм расхождение между

экспериментальными и расчетными величинами с* не превышает

нго

нескольких процентов). Выполнен также анализ других возможных причин расхождения мезду теорией и опытом, включая поглощение радиоволн димерами водяного пара. Показано, что все перечислен-

ные причины позволяют объяснить превышение экспериментальных величин над расчетными максимум на 40%. Сделан вывод, что основная причина расхождения между теорией и опытом заключается в том, что существующие формы линии неправильно описывают поглощение в их далеких крыльях. Это связано с тем, что при выводе этих форм линий обычно предполагается, что время соударений молекул равно нулю.

Во второй главе изложена теория ослабления и рассеяния радиоволн в гидрометеорах. Обосновывается выбор модели однородного в пространстве доздя, состоящего из сферических капель разного диаметра, для расчетов ослабления ММВ и СБЫВ. С этой целью в разделе 2.2 выполнен аналитический обзор работ по расчетам ослабления радиоволн в дожде с несферическими частицами (сфероидами) . Выполнены расчеты ослабления в дождях разной интенсивности в диапазоне длин волн О,МО мм при разных распределениях капель по размерам /УС&) (- диаметр капли). Показано, что

коэффициент ослабления ММВ и СБМВ в дожде У сильно зависит

А

от вида распределения , особенно от мелкокапельной час-

ти этого распределения, при этом при интенсивности дождя $ = = 5 мм/ч сильная зависимость от вида распределения капель

п

по размерам наблюдается при длинах волн 7,5 мм, а при

£ = 50 мм/ч - при 10 мм. Следовательно, яри прогнозиро-

вании ослабления ММВ и СБМВ в дождях необходимо использовать распределения А/'{%)) , характерные для рассматриваемого географического района. Показано, что максимальное ослабление.в дожде, имеющее место на ^ 1+2 мм, и очень слабая температурная зависимость ^ при изменении температуры от 0 до 40°С связаны с особенностями изменения фактора эффективности ослабления (рйед

(эс ,м) в зависимости от параметра а: = и комплексно-'

го показателя преломления воды М . 7становлено, что влияние несферичности капель на ослабление в довде волн с разной поляризацией существенно меньше, чем влияние вида распределения капель по размера!,ь Расчеты ослабления в дожде коротких ММВ и тем более СБМЗ в случае поляризованного излучения можно проводить на модели со сферическими каплями с погрешностью 2-5$.

В разделе 2.3 приведены рассчитанные индикатрисы рассеяния ММВ единичного объема дождя, которые используются в разделе 2.4 при оценках влияния многократного рассеяния на радиояркост-ную температуру дождя. Анализ полученных результатов показывает, что в коротковолновой части миллиметрового диапазона преобладает рассеяние вперед, а в длинноволновой части интенсивности излучения, рассеянного дождем в направлениях вперед и назад, примерно одинаковы. С увеличением интенсивности дождя $ рассеянная вперед интенсивность также увеличивается. При уменьшении температуры капель от 20 до -Ю°С коэффициент асимметрии рассеяния увеличивается примерно в 1,5 раза независимо от длины волны.

Результаты расчета зависимости альбедо однократного рассеяния единичного объема дождя от к и Л. показали, что эффекты рассеяния необходимо учитывать уже на Л = 8,6 мм при £ ^ 20 мм/ч. Из анализа опубликованных в литературе работ следует, что интенсивность рассеянного некогерентного излучения, проинтегрированная по телесному углу £1=2%. в ряде случаев может превышать интенсивность когерентного излучения, ослабленную при распространении в довде. Однако в реальных ситуациях, для которых характерна узкая диаграмма направленности антенн на

величина этой некогерентной составляющей, обусловленной многократным рассеянием, на несколько порядков меньше, чем величина интенсивности когерентного излучения. Существенную роль эффекты многократного рассеяния играют при формировании радиотеплового излучения гадрометеоров, и следовательно, эти эффекты необходимо учитывать при расчетах и измерениях интенсивности собственного излучения дождя или других рассеивающих гидрометеоров с целью определения ослабления и уровня атмосферных помех или с целью дистанционного зондирования параметров рассеивающей среды.

Б разделе 2.4 излагается предложенный и разработанный в диссертации новый итерационный метод приближенного решения в аналитическом виде уравнения переноса излучения (УПИ) в слое гидрометеоров с учетом рассеяния, позволяющий оценить индикатрису рассеяния слоя. Предшженныа метод является более общим по сравнению с четырехпотоковой теорией и методом возмущений и в отличие от них в случае доздя при всех углах, а в случае снегопадов практически также при всех углах, кроме больших зенитных углов,уже при первой итерации дает результаты, 'близкие к результатам, получаемым на основе численного решения УПИ. Получено выражение для радиояркостной температуры слоя рассеивающих гидрометеоров в виде Тя = Т€~г)-лТ » гДв Т - физическая температура среды, Г - полное ослабление в слое гидрометеоров и аТ - вклад в , обусловленный рассеянием излучения, зависящий от коэффициента ослабления , толщины слоя £ , утла наблвдений и параметров а и ^ , характеризующих величину рассеянного излучения соответственно в переднюю и заднюю полусферы и зависящих от индикатрисы рассеяния едишгч-

ного объема. Отмечается, что при расчетах Г по измеренной величине Т9 в миллиметровом диапазоне в отличие от сантиметрового необходимо учитывать величину дТ" и нельзя пользоваться т.н. "радиометрической формулой" = Т(1 ~ £) • Величины А 7~* приведены в тубулированном виде для = 37,72 и 140 ГГц, 5 = I и 3 км, £ = 0,25+100 мм/ч и £ = 0-5-80°. Показано, что если температуры доздя Т и земной поверхности одинаковы, то излучение земной поверхности не влияет на величину аТ • При Тф Т^ получено выражение, позволяющее оценить вклад в » вносимый излучением земной поверхности. Показано, что при реальной максимальной разности ) К даже в случае ливневых дождей с @ т 100 мм/ч погрешность при оценках ослабления Г по собственному радио тепловому излучению дождя вследствие предположения, что 7>=7^ > не превышает Ъ%. Аналогичные оценки выполнены для случая гладкой водной поверхности.

Выполнены расчеты ослабления в снегопадах в диапазоне длин волн 0,1+10 мм по теории Ми, хотя предположение о сферичности частиц снега может оказаться сильной идеализацией. Экспериментальная проверка этих расчетов, результаты которой изложены в разделе 3.4, проводилась на \ - 8,6 и 0,96 мм. Комплексный показатель преломления снега находился по теории Винера в предположении, что снег является однородной смесью льда, воздуха и воды. Из расчетов следует, что коэффициент ослабления в снегопадах с сухим снегом в длинноволновой части ММВ ^ существенно меньше, чем коэффициент ослабления в довде при одинаковой интенсивности осадков ( ). а на Д = I и 0,1 мм

^Хк вслеДствие увеличения рассеяния в снегопадах с умень--шением . С увеличением содержания в снеге воды в свободном

состоянии величина резко возрастает, превышая величину X при одинаковой интенсивности дождя и снегопада (R „ = ),

А с

что связано с резким увеличением фактора эффективности ослабления за счет роста поглощения и с существенно большей плотностью числа частиц снегопада, чем капель дождя при . Выполне-

ны также расчеты ослабления в граде.

Показано, что в миллиметровом диапазоне и практически во всем субмиялиметровом диапазоне, за исключением коротких СБМВ, коэффициент ослабления в туманах и облаках lfro можно рассчитывать по теории Рзлея, при этом величина не зависит от распределения частиц по размерам, а определяется водностью ^ указанных аэрозольных образований. Из расчетов следует, что в сантиметровом диапазоне и в длинноволновой части миллиметрового диапазона (Л- = 50+8 мм) с уменьшением температуры t~ коэффициент ослабления увеличивается в несколько раз, при атом тем сильнее, чем больше длина волны. В субмиллиметровом диапазоне, наоборот, с уменьшением ~t величина Уто уменьшается, но это уменьшение происходит более медленно, чем увеличение )fTo с уменьшением ~Ь в сантиметровом диапазоне. Отмечается, что на коротких ЩВ коэффициент ослабления в плотных туманах с ^ I г/м? превышает коэффициент ослабления в сильном ливневом довде с интенсивностью R ~ 100 мм/ч.

В третьей главе описаны комплексы приемно-передащей и измерительной аппаратуры, применявшейся для исследований коэффициентов молекулярного поглощения в водяном паре и ослабления в дождях, снегопадах и искусственных туманах. Эти комплексы создавались под руководством и при личном участии автора диссертации. Описаны методики и приведены результаты измерений этих коэффици-

.ентов в зависимости от длины волны и параметров атмосферы и гидрометеоров.

Состояние техники ММВ и СБИВ и элементной базы к моменту начала исследований позволяло создавать приемно-передаицую аппаратуру на основе промышленных разработок только в длинноволновой части ММВ. Поэтому создание соответствующей аппаратуры в диапазоне СБМВ и коротких ММВ потребовало совместных усилий целого ряда организаций, включая ИРЭ АН СССР. Отдельные части этой аппаратуры разрабатывались под руководством Р.А.Валитова, С.Ф.Дюбко, Б.И.Макаренко, В.С.Аблязова. В качестве источников когерентного излучения использовались ЛОВ ( Л. = 0,8+1,2 мм) с мощностью излучения 3+20 мВт и субмиллиметровый лазер ( .X = = 0,311 мм) на парах HCN с мощностью излучения ~ I мВт. Долговременная стабильность частоты передатчика на ЛОВ погрешность измерения частоты при помощи гетеродинного частотомера 5-10 . Чувствительным элементом приемника, разработанного в ИРЭ АН СССР, являлся кристалл из сурьмянистого индия У" h -типа, охлаждаемый до температуры жидкого гелия 4,2 К; чувствительность приемника ~

Ю"12 Вт/Гц1^2

при постоянной времени X 'v с. В приемно-передающей аппаратуре на Д. = 8,6 мм в качестве источника излучения служил клистрон с мощностью ~ 5 мВт, а в качестве приемника - кристаллический детектор с чувствительностью Ю--^ Вт/Гц.

Измерения коэффициента поглощения СБМВ в водяном паре в диапазоне Л. = 0,84-0,96 мм проводились в лабораторных (закрытом помещении) и в полевых условиях соответственно двумя методами искусственного изменения влажности и методом "дискретных

О

яастот". Последний метод заключался в измерениях разности коэф-

фициентов поглощения л на исследуемой длине волны Л, и в опорной точке на ,Л = 0,92 мм, в которой величина была измерена с наименьшей погрешностью. Измеренное на = 0,84 мм поглощение более чем в 2 раза превысило расчетную величину. Полученная по контуру линии с центром на А = 0,921 мм с учетом вклада в поглощение, вносимого всеми остальными линиями поглощения водяного пара, ее полуширина составила величину жсп = = 3,18 1Тц, которая на 20% превышает теоретическое значение тсор - 2,65 ГГц, рассчитанное Бенедиктом и Капланом.

Впервые была проведена серия измерений коэффициентов ослабления СБМВ на Л = 0,311 мм в искусственных туманах Х"т при значительном изменении их плотности. Искусственные туманы создавались путем распыления вода под давлением в специальной камере длиной 6 м, высотой I м и шриной 0,75 м. Для измерений распределения частиц тумана по размерам использовался аэрозолемер, разработанный в ОКБ ИРЭ АН СССР. Одновременные измерения ослабления оптического излучения на X = 0,63 мкм позволили получить связь ^ на X = 0,311 мм с метеорологической дальностью видимости £ . Измеренные и рассчитанные на основе данных аэрозоле-мера по распределениям частиц по размерам величины Х'т Х0Р0Ш0 согласуются мевду собой. Сравнение результатов измерений , полученных в настоящей работе и опубликованных в литературе, с результатами расчетов ^ по теории Рэлея в диапазоне Л- = 0,3* +8,6 мм для двух типов тумана - адвективного и радиационного показало, что теория Рэлея хорошо описывает ослабление ММВ и СБМВ в туманах. Измеренный в этой же камере методом изменения влажности коэффициент поглощения в водяном паре на Л. = 0,311 мм превысил теоретическое значение всего лишь на "% в отличие

от длинноволновой части СБИВ ( Л = 0,84 мм), где это превышение достигает величины более ЮО/о.

Измерения коэффициента ослабления в дождях с интенсивностью = 1+12 ж/ч и снегопадах ^ с интенсивностью

= 1+3 проводились на двух длинах волн, сильно отличающихся друг ог друга: ка Л = 0,96 мм (на этой золно измерения были вшолягзз впервые) на трассах длиной / = I и 0,68 км к на А = 8,6 гзд на трассе с /. = 5,6 км. Измерения проводились в однородных осадках, контроль за которыми осуществлялся при помощи стандартных и модернизированных плювиографов П-2. На основе результатов измерений на X = 0,96 и 8,6 мм л анализа опубликованных в литературе данных по ослаблению в дождях на других дайнах волн установлено, что теория !.'л удовлетворительно описывает это ослабление. Измеренные зависимости коэффициентов Н, от интенсивности дождя алпроксимируют-ся зависимостями, близким! к теоретическим зависимостям, рассчитанным с распределением капель по размерам Лоуса-Парсонеа, рекомендуемым МККР для прогнозирования условий распространения ММВ в довде в районах с умеренным климатом.

На основе результатов измерений ^ , выполненных в настоящей работе, и анализа опубликованных в литературе данных по ослаблению на \ ~ 8 мм в снегопадах разного типа (с разным содержанием в частицах снега воды в свободном состоянии) установлено, что ослабление излучения в снегопадах в длинноволновой части таете' можно рассчитывать по теории Ми. В результате измерений ^ на А = 0,96 мм в случае снегопадов с сухим снегом установлено, что в коротковолновой части ММВ измеренное ослабление более чем в 1,5 раза превышает ослабление, рассчитан-

ное по теории Ш,за счет увеличения рассеяния с уменьшением длины волны на неоднородностях самих частиц снега. Из анализа результатов измерений коэффициентов поглощения в водяном паре и коэффициентов ослабления в гидрометеорах следует, что в миллиметровом диапазоне основной вклад в ослабление вносят гидрометеоры, главным образом, довдь, в субмиллиметровом диапазоне почти на всех дайнах волн преобладает молекулярное поглощение в водяном паре.

Четвертая глава посвящена расчетам ослабления и интенсивности собственного излучения атмосферы при наличии гидрометеоров и исследованиям связи поглощения и ослабления в толще атмосферы Г с ее радиояркостной температурой TJj . С практической точки зрения изучение зависимости мезду Г и Т9 важно по двум причинам: I) собственное излучение является источником шумов и его интенсивность нужно уметь рассчитывать; 2) знание такой зависимости необходимо при измерениях ослабления радиоволн в толща атмосферы на наклонных трассах по ее радиотепловому излучению.

В случае чистой стандартной атмосферы вертикальное поглощение fe в водяном паре в окнах прозрачности можно оценивать по коэффициентам ослабления и эффективной высоте поглощения H^ур равной примерно 1,5 км. При зенитных углах & 85° рефракцию можно не учитывать. Расчеты Г с учетом рефракции при 6 > 85° показали, что рефракция приводит к уменьшению поглощения в водяном паре на наклонных трассах в случае стандартной атмосферы на 5+30$. Эффективная дайна пути радиовойн с учетом рефракции зимой всегда больше, чем летом.

Выполнены расчеты вертикального ослабления ММВ и СЕМВ в

жидкокапельных облаках разных типов, которое практически полностью определяется поглощением излучения. Показано, что с уменьшением дайны волны ослабление резко увеличивается. Наибольшее ослабление будет наблюдаться в случае облаков кучевых форм Си. , Си с-опу и , при этом в субмиллиметровом диапазоне и в коротковолновой части ММВ это ослабление достигает неприемлемых для практики величин порядка десятков и даже сотен децибел. Однако следует учитывать, что облака типа Си сл*^ и Сё-наблюдаются так же редко, как и ливневые дожди. Приведенные оценки показали, что если облака типа Й$ состоят из ледяных кристаллов, то ослабление в них будет примерно на 2 порядка меньше, чем в жидкокапельных облаках.

Т.к. в случае чистой или облачной атмосферы без осадков рассеяние радиоволн отсутствует, то при расчетах радиояркостной температуры атмосферы можно пользоваться т.н. "радиометрической формулой", которая приводилась выше. В случае слоя осадков зависимость между ослаблением в нем Г и его радиояркостной температурой 7р не может быть описана этой формулой. В разделе 4.3 исследовалась зависимость поправки дТ , вносимой в Тд за счет рассеяния в гидрометеорах, от толщины слоя 5 , зенитного утла наблюдений & и рассеивающих свойств среды. Установлено, что:

- зависимость дТ от 5 имеет максимум, положение которого определяется соотношением между величинами С1 ж & , характеризующими рассеяние в слое при наблюдениях с земной поверхности соответственно в нижнюю (переднюю) и верхнюю (заднюю) полусферы, при этом при а - & (длинноволновая часть ММВ) положение максимума соответствует оптической толщине Г— 5 & ^ £

( - коэффициент ослабления в слое гидрометеоров), а при

а > ■& (коротковолновая часть ММВ) положение максимума слабо зависит от & и определяется соотношением ~ I;

- при -V I зависимость &Т(0) очень слабая, при /„ £ <- I и £ 5 > I наблюдается соответственно увеличение

и уменьшение аТ с увеличением & , при этом в диапазоне углов = 0-5- 50° зависимость &ТС&) остается слабой;

- с увеличением , т.е. с увеличением рассеяния назад в верхнюю полусферу, величина лТ возрастает.

Из анализа расчетных зависимостей и и от интенсивности дождя 9, на частотах У = 37 и 140 ГГц следует, что на = 37 ГГц (длинноволновая часть ММВ) рассеяние в переднюю и заднюю полусферы примерно одинаково { о,- & ), по крайней мере, при /? ^ 50 мм/ч, а на = 140 ГГц (коротковолновая часть ММВ) при всех Ц преобладает рассеяние вперед ( О >(г ),

В разделе 4.4 теоретически обосновывается предложенный в работе новый способ измерений вертикального ослабления ММВ в гидромегеорах Г по их собственному радиотепловому излучению, не требующий введения поправок в радиояркостную температуру вследствие эффектов рассеяния. Метод заключается в измерении величин Тя одновременно при трех зенитных углах, лежащих в интервале утлов 6 = 0+50° и определении /* из соответствующего полученного в работе уравнения, связывающего мевду собой Г и при трех углах О и сами утлы & . Численные эксперименты показали, что погрешность измерений ослабления в дозде Г предложенным способом меньше а общепринятым способом

при расчетах Г по измеренной величине при одном фиксированном угле & по "радиометрической формуле" без учета рассея-

ния -v 50$. Предложенный способ особенно выгодно применять при" измерениях интегральных распределений вертикального ослабления в осадках, т.к. в этом случае пространственная неоднородность интенсивности дождя слабо влияет на погрешность определенияр .

Выполненные в последнем разделе этой главы расчеты вертикального ослабления ММВ и СБИВ в чистой атмосфере и при наличии в ней гидрометеоров показали, что вертикальное ослабление ММВ в додце на у\> 2 ш больше, чем ослабление, обусловленное другими факторами; на СБИВ ослабление в облаках и поглощение в водяном паре больше, чем ослабление в дожде ; ослабление в снегопадах, особенно с сухим снегом, существенно меньше. В субмиллиметровом диапазоне молекулярное поглощение в толще атмосферы столь велико, что навряд ли будет возможна работа систем связи или локации на наклонных трассах при размещении одного из наземных пунктов на небольшой высоте над уровнем моря.

В пятой главе описаны радиометрическая аппаратура и автоматизированный комплекс для измерений ослабления радиоволн в атмосфере при наличии гидрометеоров по ее радаотепловому излучению. Описаны также методы и методика и приведены результаты измерений вертикального ослабления ММВ и СЕМВ в чистой атмосфере, облаках, довдях и снегопадах.

Радиометр прямого усиления с эшелеттным монохроматором субмиллиметрового диапазона на = 0,4+1,5 мм с чувствительностью 0,3 К к супергетеродинный радиометр на Л = 8,2 мм с чувствительностью 0,5 К били разработаны в ИРЭ АН СССР. Радиометр прямого усиления с эшелеттными фильтрами на Д = 1,3 мм с чувствительностью 0,1 К и супергетеродинные радиометры на Д = 4,1 мм с чувствительностью 4Кина Д, = 3,5и4,0ммс чувствительно-.

стью 0,2 К были разработаны в ИПФ АН СССР под руководством А.Г.Кислякова и В.И.Чернышева, а радиометр прямого усиления с интерферометром Фабри-Перо на Д = 1,25 и 2,0 мм с чувствительностью 0,1 К - в ГАИШ при МГУ под руководством В.Ф.Заболотного. Во всех радиометрах прямого усиления в качестве детектора использовался образец из сурьмянистого индия . Комплекс технических средств автоматизации включал в себя микро-ЭВМ "Электро-ника-60" и аппаратуру КАМАК.

В разделе 5.2 систематизированы радиометрические методы измерений молекулярного поглощения по радиотепловому излучению атмосферы и излучению Солнца, которые служат основой для развития методов измерений ослабления радиоволн в гидрометеорах в толще атмосферы. Т.к. в случае облаков рассеянием можно пренебречь, то измерения вертикального ослабления в них по радиотепловому излучению атмосферы можно проводить теми же методами, что и измерения поглощения в водяном паре, т.е. методом разрезов и методом абсолютных измерений радиояркостной температуры, учитывая при этом, что облачность может быть разорванной. Первый метод применялся в настоящей работе в случае сплошной однородной облачности, а второй - в случае неоднородной облачности, главным образом, кучевой.

В разделе 5.3 теоретически обосновывается предложеннаяв работе методика измерений ослабления в гидрометеорах по их радиотепловому излучению при фиксированном зенитном угле, позволяющая учесть вклад в радиояркостную температуру Тя рассеянного излучения. Эта методика представляет большой практический интерес при измерениях ослабления в рассеивающих гидрометеорах в Толще атмосферы, т.к. при этом не требуется запуск ИСЗ с дорого-

стоящей приемно-передагацей и измерительной аппаратурой. Кроме того, она проста по сравнению с методикой измерений ослабления по излучению Солнца и дает возможность проводить измерения в любое время суток и при любом заданном угле наблюдений, что особенно важно при наборе статистики ослабления ММВ в дожде. За счет металлизации поверхности, окружающей "черное тело", предназначенное для внешней калибровки радиометра и размещенное на земле, и использования устанавливаемого под утлом 45° к земле отражающего металлического листа, предназначенного для попеременной записи сигнала от "черного тела" и от неба, удается избавиться от вклада в Т^ , вносимого боковыми и задним лепестками антенны. На основе аналитического решения УПИ впервые получено аппроксимационное выражение, связывающее измеряемую величину вертикального ослабления в гидрометеорах по их радиотеп-

г- в п 3

ловому излучению /с истинной величиной ослабления i

в виде Г*сг * Г;}„ • (£/сСа ) , где

(Установлено, что в случае дождя отношение -£в/&0 не зависит от вида распределения капель по размерам). На основе полученного соотношения между П^м и Г ист можно по Гн^м оценить РИСГ , если известны поглощающие и рассеивающие свойства среды при заданной интенсивности осадков, т.е. известны величины

и . В случае дождя погрешность восстановления Г„ст по Гч}м по приближенному выражению вместо точного при изменении толщины слоя дождя 5 от I до 3 км меняется от 6 до 10%.

В конце раздела 5.3 выполнены оценки погрешностей определения вертикального ослабления ММВ в дожде /Iе по его радиотепловому излучению, обусловленных неточностью измерения , неопределенностью выбора средней температуры дождя, отсутствием све-

дений о высоте слоя довдя, неучетом отсутствия рассеяния в облаке, неопределенностью выбора коэффициента излучения подстилающей поверхности и неучетом уменьшения с высотой интенсивности довдя. Показано, что средняя погрешность определения Г^

г';

в области значений 2,5+25 дВ меняется примерно от 10 до 20$. Эта погрешность будет существенно уменьшается, если одновременно измерять необходимые характеристики дождя. Например, при получении данных о высоте слоя дождя и толщине слоя облаков при помощи методов активной радиолокации средняя погрешность определения уменьшится до 4+8$ на длинных и до 6+14$ на коротких ММВ при изменении величины Г^8 от 2,5 до 25 дБ. В случае снегопадов имеет место дополнительная погрешность определения вертикального ослабления Гсй » обусловленная недостаточностью сведений о рассеивающих свойствах частиц снега. Выполнены оценки этой погрешности для снегопадов с сухим снегом, когда эта погрешность максимальна.

Экспериментально установлено, что вертикальное ослабление в чистой атмосфере на волнах 0,45; 0,73 и 1,26 мм, обусловленное поглощением в водяном паре, прямо пропорционально абсолютной влажности воздуха у земной поверхности и что эффективная высота поглощения в водяном паре Н^^, ~ 1,5 км. Следовательно, статистику вертикального ослабления ММВ и СБИВ в чистой атмосфере можно прогнозировать достаточно просто по статистике абсолютной влажности воздуха у земли и эффективной высоте поглощения в водяном паре.

Впервые в широком диапазона длин волн 0,45+8,2 мм экспериментально исследованы спектральные характеристики вертикального ослабления в облаках разного типа. Как и следовало ожидать из

теории, максимальное ослабление наблюдалось в кучево-дождевых облаках С& . 3 зимних облаках ослабление было в несколько раз меньше, чем в летних вследствие либо разного агрегатного состояния воды в облаках в эти сезоны года, либо (в случае коротких ШВ) более существенно низкой температуры облаков из переохлажденной воды в зимнее время.

Выполнены измерения вертикального ослабления в дожде /Iе на Л = 4,1 и 8,2 мм в зависимости от его интенсивности. Отмечается, что вследствие плохой корреляции между радиояркостной температурой дождя и его интенсивностью й , измеряемой у земной поверхности, зависимость ) необходимо исследо-

вать по значениям Г и {( , которые берутся из получаемых од-

в л

повременно интегральных распределений Г^ и Д' при одном и том же уровне вероятности. Получены эффективные высоты ослабления в дожде Н^у на = 8,2 мм в зависимости от его интенсивности.

Впервые по радиотепловому излучению выполнены измерения вертикального ослабления в снегопадах с сухим снегом Г * на А = 8,2; 4,1 и 3 мм; величина этого ослабления при интенсивности снегопада ¡?с ~ I мм/ч даже на = 3 мм не превышала I дБ. Показано, что если не учитывать рассеяние волн в снегопадах с сухим снегом, которое фактически полностью определяет ослабление в них излучения, то измеренные по радиояркостной температуре Ту в соответствии с "радиометрической формулой" величины £*8 будут примерно на порядок меньше значений Г,, рассчитываемых по с учетом рассеяния ММВ в снегопадах в предположении, что рассеяние в переднюю и заднюю полусферы одинаково ( о. = & ).

В результате поляризационных измерений Т9 дождя и величин ослабления в нем на Л. = 8,2 мм при вертикальной и горизонтальной поляризациях на наклонной трассе с углом возвышения 10° установлено, что при интенсивности дождя Й 5 мм/ч разница мевду этими величинами не превышает 2 дБ и хорошо согласуется с теоретическим значением.

В шестой главе представлены результаты исследований в ра/

диометеорологическом аспекте пространственно-временных характеристик интенсивности дождя Я .В разделе 6.1 исследованы зависимости среднегодовых интегральных распределений @ от географического района для территории СССР и от времени усреднения дождемера. Для большинства районов получены два параметра -полное среднегодовое количество выпадающих дождей (мм) и среднегодовое количество сильных ливневых дождей конвективного происхождения (мм), позволяющие рассчитать для заданного района среднегодовое интегральное распределение интенсивности дождя £ . Установлено, что при изменении времени интегрирования дождемера от 60 до I мин величина £ при одном и том же уровне вероятности может увеличиваться на порядок.

В разделе 6.2 обобщены имеющиеся в литературе данные о связи временной зависимости интенсивности дождя й , измеряемой в одном пункте, с пространственной структурой • На основе этой связи впервые в СССР экспериментально исследована пространственная структура £ вблизи земной поверхности, при этом получены зависимость диаметра ливневой части дождя от его интенсивности /? и пространственная автокорреляционная функция /? , необходимые для построения радиометеорологической модели дождя и разработки методов 'прогнозирования условий распространения ММВ

в дожде. Установлено, что средняя величина радиуса корреляции й конвективных, ливней ¿о " 5 км.

Автором (совместно с М.Н.Хайкиным) был проведен анализ выполненных в ЦАО радиолокационных измерений интенсивности дождя на площади обзора с радиусом 100 км и сделанных на их основе расчетов интегральных распределений ослабления на волне 8,6 мм на трассах разной длины от 30 до 150 км, образующих две группы и ориентированных таким образом, что трассы одной группы направлены вдоль линии север-юг, а трассы другой группы - вдоль линии восток-запад, а также выполнен анализ радиозондовых данных по направлению ветра во время довдей на высоте 2+3 км. Впервые показано, что эллиптическая по форме зона дождя имеет тенденцию ориентироваться в пространстве таким образом, что ее большая ось перпендикулярна преимущественному направлению ветра на высоте 3 км над уровнем моря, скорость которого близка к скорости перемещения зоны дождя. В разделе 6.4 приведены данные по усредненным за 5лет наблюдений преимущественным направлениям ветра на высоте 3 км во время дождей для ряда районов СССР.

В разделе 6.5 приведены результаты измерений ослабления на волне 8 мм в дождевых облаках слоистого типа и его вклада в ослабление в дожде, выполненных при помощи созданного совместно ЦАО, НИР® и ИРЭ АН СССР радиолокационно-радиометрического комплекса, в который входили доплеровский радиолокатор на Л, = 3,2 см и радиометры на Л = 13,5; 8 и 4 мм. В отличие от других работ методика позволяла получать по спектру отраженной мощности высотный профиль распределения капель дождя по размерам, вследствие чего точность измерений существенно возрастала. Устатзсвле-но, что при интенсивности доздя Я. ~ I мм/ч вклад облаков в ос-

лабление может достигать 300^. (Данная задача была поставлена автором диссертации, измерения и обработка результатов измерений проводились по научной программе, разработанной автором и А.В.Колдаевым). Отмечается, что поскольку в случае конвективных ливней при помощи такого радиолокационно-радиометрического комплекса невозможно разделить вклад в ослабление, вносимый облаками и дождем, то в этом случае необходимо знать зависимость эффективной высоты ослабления в дожде от его интенсив-

ности К . Исследование этой зависимости показало, что при изменении # от 2 до 40 мм/ч Ну^р меняется примерно от 5 до 2 км, при этом при Я > 10 мм/ч величины в 1,5+2 раза

меньше высоты слоядоздя. Это связано с тем, что обычно области сильных ливневых дождей имеют тенденцию наклоняться примерно под утлом 30° относительно вертикали. Этот факт следует учитывать при создании моделей дождя.

Седьмая глава посвящена описанию методик прогнозирования интегральных распределений ослабления радиоволн в гидрометеорах. Предложена и развита новая радиометеорологическая модель интенсивности дождя К в виде двух соосных цилиндров с двумя разными величинами # для прогнозирования условии распространения ММВ, в частности, интегральных распределений ослабления. Модель отличается от известных моделей тем, что в ней зона дождя (внешний цилиндр) считается эллиптической, а не круговой, и перемещающейся в пространстве таким образом, что большая ось эллипса перпендикулярна преимущественному направлению ветра во время дождей на выооте 3 км над уровнем моря. В модели учитывается также вклад в ослабление облаков. Такая модель позволяет объяснить зависимость статистики ослабления в дожде от направ-

ления трассы распространения радиоволн и зависимость совместной статистики в случае двух трасс от направления их разнесения.

Предложен и апробирован новый метод прогнозирования совместных среднегодовых интегральных распределений ослабления в дожде на двух разнесенных трассах, основанный на использовании пространственной автокорреляционной функции интенсивности сильных ливневых дождей, которая была получена в диссертации.

На основе новой модели довдя впервые создана и апробирована обобщенная (замкнутая) модель довдя, которая позволяет прогнозировать статистику ослабления на трассах, разнесенных в пространстве. Рассчитанная по обобщенной модели дождя пространственная автокорреляционная функция его интенсивности хорошо согласуется с функцией, полученной в диссертации экспериментальным путем.

В разделе 7.4 описана методика прогнозирования интегральных распределений ослабления в туманах и облаках и приведены результаты расчета среднегодовых распределений вертикального ослабления в облаках на Л.= 8 и 2 мм для трех районов СССР -центральной части ETC, севера ETC и Средней Азии. Измеренные величины вертикального ослабления ММВ в облаках, которые приведены в разделе 5,5, хорошо укладываются в области значений, определяемых рассчитанными среднегодовыми интегральными распределениями этих величин.

В разделе 7.5 приведены измеренные за 3 года наблюдений в Подмосковье интегральные среднегодовые распределения интенсивности снегопадов с сухим и влажным снегом и выполнены расчеты интегральных распределений ослабления на частоте 36,6 ГГц, обу-

словленного доздем, сухим и влажным снегом на наклонной трассе с утлом возвышения 20°. Эти распределения можно рассматривать как прогноз ослабления в летнее и зимнее время. Показано, что в случае снегопадов с влажным и сухим снегом по сравнению со случаем дождя ослабление при одном и том же уровне вероятности меньше соответственно на один и два порядка.

За ряд лет наблюдений впервые в СССР получены годовые и сезонные интегральные распределения вертикального ослабления в дожде на волне 8,2 мм в центральной части ETC, в том числе совместные распределения для двух пунктов, разнесенных на расстояние 24 км. Установлено, что при разнесении трасс на такое расстояние вероятность превышения заданного уровня ослабления уменьшится более чем на порядок. Показано, что в модели довдя при прогнозировании статистики ослабления высота центрального цилиндра в случае сильных довдей с интенсивностью R > 10 мм/ч не может приниматься равной высоте слоя всей зоны дождя , а должна составлять примерно 0,5*0,6 значения этой величины. Рассчитанные при помощи предложенных в работе моделей дождя и методов прогнозирования интегральные распределения ослабления в дожде, в том числе на трассах, разнесенных в пространстве, хорошо согласуются с измеренными распределениями на .А. = 8,2 мм.

В разделе 7.7 дана краткая характеристика созданной в работе на основе нового приближенного решения уравнения переноса излучения физической модели, описывающей радиотепловое излучение слоя гидрометеоров с рассеянием. В отличие от известных моделей, справедливых только в случае длинных ММВ и при малых величинах интенсивности осадков, в данной модели используется не альбадо однократного рассеяния, а коэффициентарассеяния в переднюю и заднюю полусферы. Разработанная физическая модель радиотеплово-

го излучения слоя гидрометеоров и развитая на основе исследо-

/

ваний пространственно-временных характеристик интенсивности дождя его метеорологическая модель и результаты проведенных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований ослабления и рассеяния ЫМВ и СБИВ в дожде на приземных и вертикальных трассах позволили построить радиомодель довдя на ГЛМВ и СБИВ. Радиообразом дождя в такой модели является совокупность зависящих от его интенсивности коэффициентов ослабления, коэффициентов рассеяния в переднюю и заднюю полусферы и индикатрис рассеяния единичного объема дождя. Радиоизображение дождя представляет собой совокупность измеряемых или рассчитываемых при заданном уровне вероятности таких характеристик, как оптическая толщина, радиояркостная температура и рассеянная в дожде интенсивность излучения, а также ряд других величин, связанных с перечисленными величинами функциональной зависимостью.

В заключении сформулированы основные результаты работы. Отмечается, что проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования явились основой для выбора моделей для расчета коэффициентов ослабления в довдях, снегопадах, туманах и облаках, для создания физической модели, описывающей радиотепловое излучение слоя гидрометеоров с рассеянием, позволившей, в частности, разработать способ и методику измерений ослабления ГЛГЛВ в осадках по их радиотепловому излучению, и дал

развития новой модели дождя, описывающей пространственные и /

временные характеристики его интенсивности, и методов прогнозирования статистики ослабления ММЗ в дожде на одиночных и разнесенных в пространстве трассах.

- 36 -

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Соколов A.B., Сухонин Е.В. К вопросу ослабления субмиллиметровых волн в доздях // Радиотехника и электроника. 1970.

Т.15. № 12. С.2454-2458.

2. Бабкин Ю.С., Зимин H.H., йзшов А.О., Исхаков И.А., Соколов A.B., Строганов 1.И., Сухонин Е.В., Шабалия Г.Е. Измерение ослабления в дождях на трассе I км и волне 0,96 ш // Радиотехника и электроника. 1970. T.I5. JJ 12. С.2451-2453.

3. Бабкин Ю.С., Исхаков И.А., Соколов A.B., Строганов Л.И., Сухонин Е.В. К вопросу об ослаблении излучения на волне 0,96 мм в снеге // Радиотехника и электроника. 1970. Т.15. И 12. С.2459-2462.

4. Соколов A.B., Сухонин Е.В. Влияние дождей на работу линий связи в субмиллиметровом диапазоне волн П Тезисы докладов X Всесоюзн. конш. по распространению радиоволн. М.: Наука, 1972. 4.4. С.71-75.

5. Исхаков И.А., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Измерения ослабления излучения на волне 311 мкм в искусственных туманах // Там же. С.89-92.

6. Варданян A.C., Исхаков И.А., Листвин В.Н., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Исследование спектральной прозрачности земной атмосферы в длинноволновой части субмиллиметрового диапазона: Препринт & 95. М.: ИРЭ АН СССР. 1972. 15 с.

7. Исхаков И.А., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Ослабление лазерного излучения на волне 311 мкм в искусственных туманах JJ Радиотехника и электроника. 1973. T.I8. £ II. С.2235-2240.

8. Варданян A.C., Исхаков И.А., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Измерение атмосферного поглощения в диапазоне волн \ -

= 980+1600 мкм радио ас троношче «им методом // Радиотехника и электроника. 1973. T.I8. & 2. С.217-220.

9. Варданян A.C., Исхаков И.А., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Полное вертикальное ослабление излучения на волнах 730 и 450 мкм в земной атмосфере // Тезисы докладов Всесоюзн. симпозиума по распространению субмиллиметровых и миллиметровых волн в атмосфере Зеши и планет. Москва-Горький: ИРЭ АН СССР, 1974. С.47-50.

10. Аганбекян К.А., Бисярин В.П., Зражевский А.Ю., Изшов А.О., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Распространение субмиллиметровых, инфракрасных и оптических волн в земной атмосфере // Распространение радиоволн. М.: Наука, 1975. С.187-227.

II. Малинкин В.Г., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Ослабление излучения на длине волны Л = 8,6 мм в гидрометеорах // Радиотехника и электроника. 1976. T.2I. № 4. С.665-669.

12. Рукина А.Н., Сухонин Е.В. К вопросу о вероятностном распределении осадков различной интенсивности // Метеорология и гидрология. 1977. № 7. С.93-97.

13. Бисярин В.П., Соколов A.B., Сухонин Е.В., Федорова Л.И., Ширей P.A. // Ослабление лазерного излучения в гидрометеорах. М.: Наука, 1977. 175 с.

14. Колосов М.А., Соколов A.B., Соколов С.А., Сухонин Е.В. Влияние рефракции на ослабление в парах воды ММВ и СБМВ в тропосфере // Тезисы докладов 2-го Всесоюзн. симпозиума ММВ и СБМВ. Харьков: изд-во АНЗССР, 1978. 4.2. С.147-149.

15. Исхаков И.А., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. Ослабление излуче—

ния на волне 4,1 мм в атмосфере Земли // Там же. С. 159-160.

16. Заболотный В.Ф., Зинченко И.И., Исхаков И.Л., Соколов A.B., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. Экспериментальное исследование ослабления миллиметровых волн в облачной атмосфере // Изв. вузов. Радиофизика. IS80. Т.23. 9. C.I020-I025.

17. Исхаков И.А., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. Измерение вертикального ослабления излучения на волне 4,1 мм в земной атмосфере // Радиотехника и электроника. 1980. Т.25. J5 10. С.2043-2046.

18. Соколов A.B., Сухонин Е.В. Ослабление миллиметровых волн в толще атмосферы // Итоги науки и техники. Радиотехника. Т.20. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1980. С.107-205.

19. Бабкин Ю.С., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. К вопросу о прогнозе ослабления миллиметровых волн в толще земной атмосферы // Тезисы докладов 3-го Всесоюзн. симпозиума по ММВ и СБШ. Горький: ИПФ АН СССР, 1980. С.273-274.

20. Бабкин Ю.С., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. Исследование ослабления на волне 8,2 мм в толще земной атмосферы // Там же. С.271-272.

21. Гущина И.Я., Малинкин В.Г., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Угловое распределение рассеянного дождем излучения волн миллиметрового диапазона: Препринт ä 19 (322). М.: ИРЭ АН СССР, 1981. 31 с.

22. Заболотный В.Ф., Зинченко И.И., Исхаков И.А., Сухонин Е.В. Экспериментальное исследование поглощения излучения в облаках на волнах 1+4 мм // Труды 7 Всесоюзн.совещания по радиометеорологии. М.: Гидрометеоиздат, 1981. С.239-241.

23. Бабкин Ю.С., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. Интегральные рас-

- 39 -

пределения вертикального ослабления на волне 8,2 мм в дожде, полученные в результате двух годовых периодов измерений // Тезисы докладов ХШ Всесоюзн.конф. по распространению радиоволн. М.: Наука, 1981. 4.2. С.99-101.

24. Строганов В.В., Сухонин Е.В. Эффективные высоты ослабления миллиметровых волн в дожде, полученные путем одновременных измерений ослабления на волнах 8,2 и 4,3 мм в толще земной атмосферы // Там же. C.I0I-I02.

25. Сухонин, Е.В. О прогнозировании ослабления ММ волн в дожде на приземных и наклонных трассах // Там же. C.I09-III.

26. Бабкин Ю.С., Сухонин Е.В., Чернышев В.И. Результаты годового цикла измерений вертикального ослабления на волне 8,2

мм в земной атмосфере по ее собственному излучению // Радиотехника и электроника, 1982. Т.27. №2. С.214-219.

27. Кисляков А.Г., Сухонин Е.В. Аппаратурный комплекс для исследования распространения волн на наклонных трассах и результаты измерений // Труды Всесоюзн. школы-симпозиума по распространению ММВ и СБМВ в атмосфере. М.: ИРЭ АН СССР, 1983. С.236-241.

28. Годунов В.А., Сухонин Е.В. Измерения ослабления в дожде по его собственному излучению на волне 8,2 мм на горизонтальной и вертикальной поляризациях // Тезисы докладов Х1У Всесоюзн. конф. по распространению радиоволн. М.: Наука, 1984. Т.2. С.33-34.

29. Бабкин Ю.С., Кисляков А.Г., Сухонин Е.В. К методике измерений ослабления миллиметровых волн в довде по его собственному излучению // Радиотехника и электроника. 1986. Т.31.

Я 6. C.II05-II09.

30. Соколов A.B., Сухонин Е.В. Исследование распространения

миллиметрового диапазона волн в атмосфере и его применение для связи и локации // Труды П Всесоюзн. школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере. Фрунзе: Илим, 1986. С.3-10.

31. Азаров A.C., Бабкин Ю.С., Буранбаев Н.Ф., Колдаев A.B., Миронов А.Ф., Строганов В.В., Сухонин Е.В. Измерение вклада облаков в ослабление радиоволн в дожде при помощи радиолока-ционно-радаометрического метода // Там же. C.2II-2I4.

32. Сухонин Е.В. Методы прогнозирования ослабления миллиметровых волн на наклонных трассах // Там же. С.147-156.

33. Голунов В.А., Коротков В.А.., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Метод измерения ослабления миллиметровых волн в довде с учетом эффектов рассеяния // Там же. С.203-206.

34. Сухонин Е.В. Принципиально новая модель дождя для прогнозирования статистики ослабления радиоволн на приземных и наклонных трассах // Там же. С.215-218.

35. Бабкин Ю.С., Сухонин Е.В. Результаты измерений и расчетов на основе предложенного метода совместного интегрального распределения ослабления на волне 8,2 мм на двух разнесенных в пространстве вертикальных трассах // Там же. С.219-222.

36. Соколов A.B., Сухонин Е.В., Бабкин Ю.С., Исхаков И.А. Исследования ослабления миллиметровых волн в гидрометеорах в толще земной атмосферы // Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. М.: Наука, 1986. С.96-101.

37. Сухонин Е.В., Ба/бкин Ю.С., Рукина А.Н. Исследование пространственно-временных характеристик дождей с целью развития метода прогнозирования ослабления в них миллиметровых волн // // Там ае. C.I02-I09.

38. Сухонин E.B., Хайкин М.Н. К вопросу о создании модели пространственной структуры интенсивности дождя для прогнозирования статистики ослабления радиоволн // Тезисы докладов УП Всесоюзн. совещания по радиометеорологии. М.: Информационный центр ВНИШЖ-МЦЦ, 1986. С.7.

39. Коротков В.А., Сухонин Е.В. Приближенное аналитическое решение уравнения переноса излучения в гидрометеорах с учетом рассеяния // Тезисы докладов ХУ Всесоюзн. конф. по распространению радиоволн. М.: Наука, 1987. С.257.

40. Коротков В.А., Сухонин Е.В. Результаты исследований зависимости радиояркостной температуры излучения гидрометеоров в миллиметровом диапазоне волн от их свойств рассеяния и ослабления // Там же. С.258.

41. Коротков В.А., Сухонин Е.В. Решение в аналитическом виде уравнения переноса излучения с учетом рассеяния для расчета радиояркостной температуры гидрометеорных образований: Препринт ib 16 (475). М.: ИРЭ АН СССР, 1987. 18 с.

42. Азаров A.C., Бабкин Ю.С., Буранбаев Н.Ф., Колдаев A.B., Миронов А.Ф., Строганов В.В., Сухонин Е.В. Ослабление миллиметровых волн в дожде // Радиотехника. 1987. В 7. С.73-75.

43. Аганбекян К.А., Бабкин Ю.С., Загорин Г.К., Зражевский А.Ю., Исхаков И.А., Соколов A.B., Сухонин Е.В. Ослабление и рассеяние миллиметровых волн в земной атмосфере и ее собственное излучение // Проблемы современной радиотехники и электроники. М.: Наука, 1987. С.69-85.

44. Коротков В.А., Рукина А.Н., Сухонин Е.В. Замкнутая модель дождя для прогнозирования статистики 'ослабления радиоволн на одиночных и на разнесенных в пространстве трассах: Пре-

принт № 8 (483). И.: ИРЭ АН СССР, 1988. 21 с. 45. Коротков В.А., Сухонин Е.В. Решение уравнения переноса излучения в аналитическом виде для расчета радиояркостной температуры довдя с учетом эффектов многократного рассеяния // Радиотехника и электроника. 1988. Т.33. № 8. С.1569--1573.

46» Sokolov А.V., Sukhonin E.V. Influence of the atmosphere on the propagation of submillimeter radiowaves // Proc. Symp. Submillimeter Waves. Hew York: Polytechn. Inst. Brooklyn, 1970. P.465-473.

47. Kolosov M.A., Sokolov A.V., Sukhonin E.V. Attenuation of millimeter and submillimeter radiowaves in the atmosphere of the Earth // E3trato Gagli Atti Ufficiali del XVIII Con-gresso Scientifico Internazionale per l'Elettronica. Roma: E.U.R., 1971. P.11-17.

48. Sokolov A.V., Sukhonin E.V, Propagation of submillimeter radiowaves in the Earth atmosphere: Preprint presented at the XVII General Assembly of URSI, Comiss. II, Warsaw,1972.

49. Kolosov M.A. , Pozhidaev V.1T., Sokolov A.V., Sukhonin Ye.V. The prediction of millimeter radiowaves attenuation in precipitation: Preprint presented at IUCRI.i Colloq., Hice, 1973.

50. Sokolov A.V., Sukhonin E.V., Iskhakov I.A., Vardanyan A.S. Attenuation, of millimeter and submillimeter radiowaves in the earth's atmosphere through the slant paths // Proc. 5-th Colloq. Microwave Communication. Budapest, Hungary, 1974.

P. ET-335 - ET-337.

51. Iskhakov I.A., Sokolov A.V., Sukhonin E.V., Chernyshov V.I. Attenuation of radiowaves at wavelengths from 0.45 to 4 ram in the earth's atmosphere through the slant paths // Proc.

Soviet - British Seminar on Atmospheric Propagation of Ш and Submillimeter-Waves. Wales University, 197B. P. J1 - J6.

52. Isihakov I.A., Sokolov А.Т., Sukhonin E.V., Chernyshov V.I. Radiometric attenuation measurements at \ =» 4.1 mm in the earth's atmosphere by emission // Proa. 1978 Intern. Symp, Antennas and Propagation. Sendai, Japan, 1978. P.455-458.

53. Zabolotniy V.F., Iskhakov I.A., Sokolov A.V., Sukhonin E.V. Attenuation of radiowave s Qt» wavelengths of 1*25 ond 2 rom in clouds // Infrared Phys. 1978. 7.18. 1J 5/6. P.815-817.

54. Babkin Yu.S., Kislyakov A.G., Sokolov A.V., Sukhonin Ye.7. Studies of the zenith atmospheric attenuation in rain at

Л. = 8.2 mm // Digest of IX Intern. Conf. on IH and Ш Waves. Osaka, Japan, 1984. P.274-276.

55. Babkin Yu.S., Sukhonin Ye.V., Azarov A.S., Buranbayev II.P., Koldayev A.V., Mironov A.P., Stroganov V.V. Measurements of cloud contribution to rain millimeter wave attenuation by using a radar and radiometers ¡/ Intern. Journal of Infrared and JJillineter Waves. 1937 . 7.8. II 12. P.1557-1571.

56. Korotkov V.A., Sukhonin Ye.V. An approximate analytical solution of the radiative transfer equation in hydrometeors accounting for scattering effects // Intern. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1988. V.9. В 6. P.583-596.

Подписано в печать 18.01.1989 г. Т-02594. "" Формат 60x84/16. Объем 2,56 усл.п.л. Тирах 100 экз. Ротапринт ИРЭ АН СССР. Зак.24.