Разработка самолетного уф-гидрометра для исследования поля абсолютной влажности в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Введение.

1. Теоретические основы способа оцределения абсолютной влажности воздуха.II

1.1. Выбор пути поглощения излучения.II

1.2» Оценка чувствительности способа к кислороду и другим фоновым газам.

1.3. Выбор диапазонов длин волн.

1.4. Выводы.

2. Экспериментальное исследование способа.

2,1. Выбор оптических деталей конструкции УФ-гигрометра.

2.2» Экспериментальное исследование приемника излучения

2.3. Устройство и принцип работы УФ-гигрометра.

2.4. Рабочая формула УФ-гигрометра.

2.5. Измерение коэффициента чувствительности гигрометра к изменению абсолютной влажности и плотности сухого воздуха.

2.6. Исследование температурной погрешности и диапазона работоспособности УФ-гигрометра по температуре исследуемого воздуха.

2.7. Исследование амплитуды собственных шумов и постоянной времени УФ-гигрометра.

2.8. Выводы.

3. Методика измерения абсолютной влажности с самолета.

3.1. Конструкция обтекателя для датчика УФ-гигрометра и оценка ошибок, связанных с его использованием.

3.2. Определение случайной и систематической ошибок оамолетных измерений.

3.3. Исследование ошибок УФ-гигрометра путем параллельных измерений.

3.4. Выводы.

4. Экспериментальные данные и их анализ.

4*1. Результаты исследования зоны фронтальных разделов.

4.2. Результаты исследования слоистообразных облаков.

4.3. Результаты исследования конвективной облачности.

4.4. Выводы.

Абсолютная влажность воздуха является одной из наиболее важных величин, характеризующих состояние атмосферы Земли и ее изменчивость. От влажности зависит радиационный теплообмен, возможное количество осадков, а также фазовые притоки тепла, играющие важную роль в энергетике атмосферных процессов.

Поле абсолютной влажности при отсутствии фазовых переходов отражает пространственное распределение слабых упорядоченных вертикальных движений атмосферы, непосредственное измерение которых современными средствами не представляется возможным.

Основным источником данных о распределении абсолютной (удельной) влажности в атмосфере является радиозондирование и сетевое самолетное зондирование. Аэрологические наблюдения представляются наиболее полными и обширными, и поэтому служат исходным материалом для климатических исследований. На их основании определено влагосодержание вертикального столба воздуха для различных метеорологических ситуаций / 36 /, получена эмпирическая форьфгла для средне-сезонного распределения удельной влажности по высоте / 36 /. Изучены корреляционные соотношения температуры и удельной влажности в зависимости от наличия облачности и времени года / 19 /. Самолетные измерения в совокупности с визуальными наблюдениями позволили связать статистическую структуру поля влажности с нижней и верхней границами облаков /19, 20 /. На основании обработки большого количества измерений относительной влажности в слоистообразных облаках получено значение влажности, близкое к насыщающему (93-107%) / 19 /. Однако эти измерения из-за ошибок имеют пока только методическую ценность.

В целом накопленный материал хорошо обеспечен статистикой и позволяет составить достаточно полное представление о климатических характеристиках поля влажности. Эти данные используются как исходные при математическом моделировании атмосферных процессов (для оценки порядка величины различных членов в системе уравнений, выбора коэффициентов, определения граничных и начальных условий). Однако их точность не достаточна для решения многих задач. Ошибки измерения метеорологических величин должны быть по крайней мере на порядок меньше их изменения в исследуемом процессе. Если суточное изменение точки росы составляет 2-3°С, то необходимая точность измерения этой величины при исследовании характерных погодных явлений должна быть не менее 0,2 * 0,3° / 20 /. Еще более серьезные трудности связаны с недостаточным пространственным разрешением. Гигрометр радиозонда, измеряющий относительную влажность, имеет болыцую инерцию (от 5 секунд до 20 минут), особенно при низкой температуре / 3 /. Это делает невозможным исследование поля влажности, например, в зоне слоистых облаков.

Измерения в конвективных облаках, требуют еще более высокого пространственного разрешения ~ 30 метров, что соответствует постоянной времени гигрометра ~ 0,2 сек при скорости самолета 150 м/сек.

Весьма важно знание детального поля влажности при построении моделей мезомасштабных процессов. Примером может служить модель антропогенного влияния на атмосферу / 18 /, в которой от распределения влажности существенно зависит трансформация примесей, поступающих в атмосферу. Для изучения более 1фупномасштабных явлений, связанных с фронтальной облачностью, необходимо пространственное разрешение 10-20 км по горизонтали и 100-200 м - по вертикали. При измерениях с самолета оно может быть обеспечено прибором с постоянной времени меньше минуты, например, используемым в настоящее время конденсационным гигрометром. Однако такой экспериментальный материал, достаточно полный по объему, в литературе отсутствует.

Использование экспериментальных данных не ограничивается постановкой задачи: с их помощью может быть проверено качество математического моделирования путем сопоставления результатов измерения с результатами расчета / 19 /.

Поле удельной влажности имеет особое значение для такой проверки ввиду консервативности этой величины в процессах адвективного переноса. Оно по существу отражает интегральное влияние движений воздуха и в связи с этим обеспечивает единственную возможность проверки структуры вертикальных движений порядка см/с в случае крупномасштабных процессов.

Но и в других случаях, например, при исследовании конвективных облаков, согласование рассчитанного поля влажности с измеренным в значительной степени характеризует правильность расчета поля течения.

Экспериментальные данные об изменении абсолютной влажности с высоким временньшразрешением и низким уровнем собственных щумов • могли бы дать представление о пульсациях температуры в случае измерений в капельных облаках, когда измерения температуры другими способами неточны, а также послужить исходным материалом для оцределения турбулентного потока влаги у основания слоистого, конвективного облака или с поверхности земли.

Определение диэлектрической проницаемости воздуха по измеренной абсолютной влажности необходимо при исследовании распространения радиоволн.

Решение указанных задач, определяющих актуальность диссертационной работы, невозможно без средства измерения абсолютной влажности воздуха, удовлетворяющего требованиям малой инерционности и достаточно высокой точности в условиях самолетного эксперимента.

Многие известные датчики контактного типа обеспечивают высокую точность измерения при положительных температурах / 33,

4, 10 /. К ним относятся пленочный, оксидный, хлористолитиевый, угольный, керамический и другие датчики. Измерение влажности с их помощью основано на взаимодействии чувствительного элемента с изучаемой средой, в процессе которого между датчиком и водяным паром поддерживается динамическое равновесие. Время установления зависит этого равновесия от содержания водяного пара в атмосфере. Так, при понижении температуры от +20 до -40°С абсолютная влажность при насыщении уменьшается более чем в 100 раз. Во сколько же раз возрастает инерция датчиков, достигая десяти и более минут. Переходные процессы в таких датчиках с трудом поддаются описанию, и потому при быстро изменяющихся условиях измерения инерционность неизбежно приводит к ошибкам.

Наименее инерционным среди гигрометров контактного типа является конденсационный гигрометр. Его постоянная времени определяется временем образования слоя конденсата на зеркале, регистрируемого следящей оптической системой и составляет ^ 10 секунд при точке росы -40°С. Этому типу гигрометра отдается предпочтение в самолетном эксперименте / 37 /.

Кроме рассмотренных существуют способы измерения влажности, не требующие установления равновесия между чувствительным элементом датчика и водяным паром и,следовательно, безинерционные в этом смысле. Один из этих способов, рефрактометрический, позволяет определить абсолютную влажность по измеренному коэффициенту преломления среды и известным температуре и давлению / 28 /.

Однако в этом способе точность пересчета в значительной мере определяется ошибкой измерения температуры, что затрудняет использование рефрактометра на самолете.

Другой способ, спектроскопический, основан на аффекте поглощения излучения парами воды. Он имеет существенное преимущество по сравнению с рефрактометрическим, так как дает возможность определять непосредственно абсолютную влажность« В работе / 8 / рекомендуется использовать для этой цели инфракрасное излучение. Однако малые коэффициенты поглощения обусловливают необходимость производить измерения на базе ~ I метра даже при температуре + 10 4- +20°С. Это приводит к трудностям технического характера.

Известны и другие оптические способы, например / 41 /, однако по назначению они не пригодны для решения поставленных задач.

Наиболее перспективным представляется спектроскопический способ, основанный на эффекте поглощения вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения парами воды / 30, 38, 40, 12 /. Среди других способов он обладает рядом преимуществ. К ним относятся:

1. Большие значения коэффициентов поглощения ВУФ излучения водяным паром, а значит - высокая чувствительность.

2. Стабильность сечения поглощения по отношению к изменению температуры.

3. Малая инерционность, свойственная оптическим способам.

4. Отсутствие ВУФ области спектра в прямом и рассеянном солнечном излучении, проникающем в тропосферу.

Настоящая диссертационная работа посвящена вопросу измерения абсолютной влажности воздуха по поглощению вакуумного ультрафиолетового излучения.

Целью диссертационной работы явились разработка достаточно точного малоинерционного гигрометра и методики измерения абсолютной влажности воздуха с борта самолета - метеолаборатории, исследование аппаратуры и методики в лабораторных и натурных условиях, получение экспериментальных данных о распределении абсолютной влажности в тропосфере.

В диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически изучить возможности способа, определить источники ошибок и оценить их величину.

2. Выявить оптимальные условия, позволяющие повысить точность измерения и реализовать их в макете.

3. Экспериментально проверить правильность теоретических оценок, определить постоянные в рабочей формуле гигрометра.

4. Разработать методику самолетных измерений.

5. Определить возможности методики и аппаратуры в экспериментальных исследованиях атмосферы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на :

- 1У Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения о веществом ^Москва, 22-24 июня 1982 г.);

- Международном симпозиуме "Циркуляция атмосферы и влагопере-нос над Центральной и.Восточной Европой" (Москва, 21-25 марта 1983 г.);

- I Всесоюзной конференции по анализу неорганических газов (Ленинград, 27-29 сентября 1983 г.).

Материалы, отражающие основное содержание работы опубликованы в 9 статьях, имеется одно авторское свидетельство.

Автор приносит благодарность разработчикам уникальных оптических приборов, используемых в конструкции УФ-гигромет-ра, Кокиной Н.Г. и Гребенькову B.C. Автор признателен им также за исключительно ценные консультации и замечания по применению вакуумного ультрафиолетового излучения.

Особенно автор признателен д.т.н. Вертинскому Н.В., под руководством которого была начата эта работа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена решению одной из наиболее важных и сложных задач экспериментальной метеорологии -измерению влажности воздуха в тропосфере. Содержание работы включает: обзор ранее полученных результатов; постановку задачи; выбор принципа измерения, наиболее пригодного для самолетного эксперимента; теоретические расчеты, необходимые для оценки ошибок и определения оптимальных параметров гигрометра; описание предложенного способа измерения, а также устройства, реализующего этот способ; лабораторное исследование характеристик гигрометра; анализ ошибок, свойственных самолетному эксперименту; экспериментальные данные о распределении абсолютной влажности воздуха в зоне фронтальных разделов, слоисто-образных и конвективных облаков и их интерпретацию.

Можно сделать следующие краткие выводы, определяющие основную научную значимость работы.

1. На основании анализа рабочей формулы УФ-гигрометра найден способ расчета оптимального пути поглощения из условия максимальной чувствительности потока . , принимаемого излу- ./ • чения к относительному изменению абсолютной влажности воздуха. о

Диапазону 0,25 4 5 г/м соответствует путь поглощения 3- см.

2. Предложено оценивать влияние фонового газа (кислорода) на точность измерения при помощи параметра . дРп/ оИк

Этот параметр позволяет в случае широкого спектра учитывать относительную интенсивность линий в принимаемом излучении. Показано, что величина параметра должна быть не менее 25. По результатам оценки это условие выполняется для пути поглощения более 2 см и давлении воздуха более 500 гПа в диапазоне длин волн 115-200 нм.

3. Предложено измерять поток излучения, частично поглощенного в исследуемом объеме, в двух диапазонах длин волн 115-200 нм и 165-200 нм, и по их отношению судить об абсолютной влажности воздуха. Показано, что выбор диапазонов является принципиальным, позволяет повысить точность способа и снизить его чувствительность к изменению атмосферного давления.

4. Разработан действующий макет самолетного УФ-гигромет-ра, реализующий усовершенствованный способ определения абсолютной влажности воздуха.

5. Разработана методика лабораторных исследований характеристик УФ-гигрометра в универсальном генераторе влажного воздуха "Диполь". При помощи этой методики определены величины коэфЯ фициентов чувствительности УФ-гигрометра Ка =0,63*10° ~

0,64 ||| и их допускаемое отклонение * Ъ%, Показано, что УФ-гигрометр обладает высокой температурной стабильностью (температурная погрешность не более 2*Ю"~3 ), низким уровнем собственных шумов (по амплитуде менее 0,06 г/м3), малой постоянной времени (менее 0,2 сек). Диапазон работоспособности УФ-гигрометра по абсолютной влажности - 0,06 4-4,6 г/м3, по давлению воздуха - 250 * 1100 гПа, по температуре - 0 + - 50°С.

6. Разработана методика исследования ошибок измерения абсолютной влажности воздуха с борта самолета.

Определено относительное изменение абсолютной влажности и плотности воздуха при попадании его из невозмущенной атмосферы в рабочий объем обтекателя за счет изменения температуры и давления, а также за счет испарения воды с наружной поверхности обтекателя* Оценена систематическая абсолютная ошибка, обусловленная неточным определением константы Г в полете, В результате определена систематическая ошибка самолетных измерений, равная 0,1 г/м3.

Исследованы случайные ошибки самолетных измерений - по отклонению показаний УФ-гигрометра в горизонтально-однородном поле абсолютной влажности и по расхождению показаний двух УФ --гигрометров. Показано, что случайная ошибка не превышает 0,02 г/м3.

7. Получены экспериментальные данные о распределении абсолютной влажности в зоне фронтальных разделов. Установлено, что характерной особенностью распределений является наличие сухих слоев, расположенных параллельно плоскости фронтального раздела, вероятно, обусловленных наличием здесь нисходящих воздушных потоков.

Получены также экспериментальные данные о распределении абсолютной влажности в зоне слоистообразных и конвективных облаков, характеризующие особенности их строения и развития. Личный вклад автора в работу состоит:

- в усовершенствовании способа определения абсолютной влажнос-• ти воздуха,

- в создании УФ-гигрометра,

- в разработке методики лабораторных исследований характеристик УФ-гигрометра,

- в разработке методики исследования ошибок измерения абсолютной влажности воздуха, свойственных самолетному эксперименту;

- в проведении летных экспериментов; в обработке и анализе полученных экспериментальных данных.

Разработанные аппаратура и методика позволяют получать ранее отсутствовавшие или существенно пополнить имеющиеся экспериментальные данные о распределении абсолютной влажности в зоне фронтальных разделов, слоистообразной и конвективной облачности, о микроструктуре поля абсолютной влажности воздуха. Эти данные имеют большое значение при исследовании радиационного теплообмена, определения возможного количества осадков, фазовых притоков тепла, турбулентного переноса влаги. Получение таких данных позволит замкнуть сиотему уравнений водного баланса в атмосфере.

Поле абсолютной влажности воздуха при отсутствии фазовых переходов,:дает представление о распределении слабых упорядоченных вертикальных движений в атмосфере, непосредственное измерение которых современными средствами не представляется возможным.

Распределение абсолютной влажности в капельных облаках позволяет судить о поле температуры в тех уоловиях, когда непосредственные измерения температуры другими цриборами неточны.

По измеренной абсолютной влажности можно определять диэлектрическую проницаемость воздуха, необходимую для исследования распространения радиоволн.

Исследование закономерностей расположения сухих слоев во фронтальных разделах позволит использоваяъ. мет одику измерения абсолютной влажности в практике самолетного эксперимента - для уточнения положения фронтального раздела. Такая возможность имеет особое значение при отсутствии выраженного контраста температуры.

Разработанные в диссертации аппаратура и методика используются :

- В Центральной аэрологической обсерватории для исследования поля абсолютной влажности воздуха в атмосфере с борта самолета-метеолаборатории и для исследования переходных процессов в образцовом генераторе влажного воздуха "Диполь";

- В Институте физики атмосферы для исследования турбулентности в приводном и приземном слое атмосферы.

Полученные экспериментальные данные используются:

- В Центральной аэрологической обсерватории при математическом моделировании конвективной облачности и фронтальных процессов.

Данной диссертационной работой впервые в мире решена задача экспериментального исследования поля абсолютной влажности воздуха в нижней и средней тропосфере с высоким пространственно-временным разрешением.

Известный УФ-гигрометр / 12 /, предназначенный для измерения пульсаций абсолютной влажности воздуха только в приземном слое атмосферы, уступает рассмотренному УФ-гигрометру по величине случайной ошибки.

1. Аневский С.И., Гребеньков B.C., Квочка В.И. Использование Лампы ДЦС-400 для фотометрии ВУФ. Всесоюзный семинар по физике ВУФ излучения и взаимодействию излучения с веществом.Тезисы докладов, Л., 21-27 ноября, 1978, с,72.

2. Балагуров A.M., Фридзон М.Б., Дозорцев А.Р. К оценке постоянной времени сорбционных датчиков влажности радиозондов. • Метеорология и гидрология. № 4, 1984, с.114-117.

3. Сб. "Влажность, измерение и регулирование в научных исследованиях и технике". T.I, Гидрометеоиздат, Л., 1967, с.566.

4. Гладущак В.И., Шрейдер Е.Я. Распределение интенсивностиов спектре водородной лампы в области длин волн 2500*1100 А. Прикладная спектроскопия, апрель, 1967, с,437-440.

5. Дозорцев A.B. Динамический генератор влажного воздуха для исследования характеристик аэрологических датчиков влажности. Тезисы докладов П Всесоюзного семинара "Технические средства для ГСКП". Обнинск, 1983, с. 141.

6. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета, Наука, M., 1967, с.471.

7. Зайцев В.А., Ледохович А.А. Приборы для исследования туманов и облаков и измерения влажности. Гидрометеоиздат, Л, 1970, с. 42-63.

8. Кречмер С.И., Гайдай Е.П. Использование вакуумного ультрафиолетового излучения для измерения пульсаций влажности. ДАН, серия Геофизика, т.208, 1973, J& I, с.81-82.

9. Кречмер С.И., Карпович Ю.В. Ультрафиолетовый гигрометр. Авт. свид. СССР A 462156, М. кл. W I/II, заявл.2604.73.*

10. Мазин И.П. Физические основы обледенения самолетов, М., Гидрометеоиздат, 1957, с. 120.

11. Под ред. Мазина И.П. Оптическая плотность облаков. Труды ЦАО, вып. 124, 1976, М. Гидрометеоиздат, 167 с.

12. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака, строение и физика образования. Л., Гидрометеоиздат, 1983, с.279.j

13. Под ред. Мазина Й.П., Шметера С.М. Кучевые облака и связанная с ними деформация полей метеоэлементов. Труды ЦАО, вып. 134, 1977, М. Гидрометеоиздат, 128 с.

14. Марчук Г »И., Паненко В »В., Алоян А.Е., Лазриев Г.Л. Численное моделирование микроклимата города. Метеорология и Гидрология, 1979, № 8, с,5-15.

15. Матвеев Л.Т. Динамика облаков, Гидрометеоиздат, Л., 1981, с. 311.

16. Матвеев Л.Т. К обоснованию точности измерения температуры и влажности воздуха в свободной атмосфере. Метеорология и Типология, 1967, Я 6, с .21-28.

17. Мезрин М,Ю, Исследование возможностей ультрафиолетового гигрометра. Труда ЦАО, вып.147, 1983, с.55-60.

18. Мезрин М.Ю. Об измерении пульсаций абсолютной влажности воздуха. Труды ЦАО, вып.148, 1982, с.102-109,

19. Мезрин М.Ю. Оценка параметров ультрафиолетового гигрометсра. Труды ЦАО, вып.141, 1980, с.102-110.

20. Мезрин М.Ю., Минервин В.Е., Сергеев Б.Н. Поле абсолютной влажности в зоне фронтальных разделов. ДАН, т.270, 1983, й 4, с.848-851.

21. Мезрин М.Ю. Способ определения абсолютной влажности воздуха. Авт. свид. СССР № 945837, М. кл. ,\Л/ 1/П. Заявлено 12.01.81.

22. Мезрин М.Ю. Стабильный ультрафиолетовый гигрометр. I Всесоюзная конференция по анализу неорганическихгазов. Тезисы докладов, 27-29 сентября 1983, с.36,

23. Невзоров А.Н. Самолетный измеритель водности облаков. Труды ЦАО, вып. 147, 1983, М., Гидрометеоиздат, 19-26 с.

24. Пеочанский Ю.А. и др. Комплекс аппаратуры для измерения потока тепла и влаги в приземном слое атмосферы, Гидроме-теоиздат, Л., 1976, с.67.

25. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Часть П, 1965, Гидрометеоиздат, 142 с.

26. Рэндэл Д.Р., Хэяли Т.И., Лариссон O.K. L-dL влагомер Военно-Морской исследовательской лаборатории. Сб. "Влажность, измерение и регулирование в научных исследованиях и технике". T.I Гидрометеоиздат, Л., 1967, с.395-402.

27. Скацкий В.И. Исследование водности кучевых облаков. Труды ИНГ, вып. 13, М. Гидрометеоиздат, 1969, 93 с.

28. Тиллман Д. Измерение плотности водяного пара методом поглощения ультрафиолетовой и инфракрасной радиации. Сб. "Влажность, измерение и регулирование в научных исследованиях и технике", т. I, Гидрометеоиздат, Л., 1967, с.374--394.

29. Усольцев В.А., Измерение влажности воздуха. Л., Гидрометеоиздат, 1959, о. 181.

30. Фридзон М.Б. "Образцовая установка для имитации атмосферных условий". Метеорология и гидрология, 3, 1979 г.с„97-102.

31. Халтинер Дж., Мартини Ф. (под ред. А.С.Монина). Динамическая и физическая метеорология. Изд. иностр. лит., М. i960, с. 435.

32. Хргиан А.Х. Физика атмосферы, т.1, Гидрометеоиздат, Л., 1978, с. 247.37. "Atmospheric technology". No 1, March, 1973, р. 76*

33. Martini L., Stark B. ancl Hunsalz G. Электронный ультрафиолетовый спектральный гигрометр для измерения абсолютной влажности воздуха и других газов. Патент ГДР № 109076, кл. 42Ь , 19/01 ( Ga/W 19/10), 28.12.73.

34. Ogura Y* The evolution of moist convective element in shallow conditionally unstable atmosphere« J* Atm, Sci., 1963, 20, Wo 5, p. 407-424*

35. Randall D.L., Campbell W*W*, Harris F*H. Absolute Humidiometer, US pat* No 3601608 250/43*5 MR, Int*Cl*G01 n 23/12, Aug. 24, 1971*

36. Stone E.L. Ultraviolet fluorescence Water Vaper instrument for aircraft* Rev.Scient.Instrument, 1980, No 5, p*677-678.

37. Shapito M.A. J. Atm. Sci,, 1980, 37, p. 994*