Рефракционные свойства тропосферы дальневосточных районов России и их влияние на распространение ультракоротких волн

Батуева, Елизавета Владимировна

Рефракционные свойства тропосферы дальневосточных районов России и их влияние на распространение ультракоротких волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Батуева, Елизавета Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Улан-Удэ МЕСТО ЗАЩИТЫ

1997 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Рефракционные свойства тропосферы дальневосточных районов России и их влияние на распространение ультракоротких волн»

Автореферат диссертации на тему "Рефракционные свойства тропосферы дальневосточных районов России и их влияние на распространение ультракоротких волн"

Н В О

О 2 июн 1997

На правах рукописи

Батуева Елизавета Владимировна

РЕФРАКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТРОПОСФЕРЫ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ РАЙОНОВ РОССИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ РАДИОВОЛН

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск -1997

Работа выполнена в Бурятском институте естественных наук Сибирского отделения РАН

Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук

Н.Б .Чимитдоржиев

кандидат физико-математических наук Д. Д. Дарижапов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.В.Кошглев,

кандидат физико-математических наук В.И.Сажня

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита диссертации состоится МАЯ 1997 г. в

/3 — часов на заседании специализированного совета Д 063.32.03 при Иркутском государственном университете по адресу: 664-003, Иркутск, бульв. Гагарина, 20, ауд. 205.

С дяссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Иркутского Государственного Университета.

Автореферат разослан " //" ¿¡ж/^аЛ 1997 г.

специализированного совета, кандидат фюико-математическях наук

Б.В. Мангазеев

I. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы изучения рефракционных свойств атмосферы в различных физико-климатических регионах России предопределена нарастающим темпом использования радиометеорологических параметров при проектировании и эксплуатации ультракоротковолновых радиоэлектронных средств (УКВ РЭС). Успешное решение вопросов повышения эффективности н надежности функционирования радиотехнических комплексов, задач электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС общего и специального назначения, а также расширение физических представлений и построение математической модели механизмов влияния радиометеорологических факторов на характеристики распространения радиоволя - все это требует как непосредственных комплексных, с радиотехническими измерениями на реальных радиотрассах, оперативных измерений соответствующих параметров атмосферы, так и набора большого статистического массива фондовых данных об основных метеоэлементах атмосферы Земли в ее приземных слоях.

Состояние вопроса и цель работы. Перспективы решения перечисленных выше проблем связаны с разработкой модели пространственно-временного распределения радиометеорологических параметров тропосферы в различных регионах, как основного фактора, влияющего на энергетические и флуктуационные характеристики распространения радиоволн на приземных трассах. Ограниченное число подобных исследований как в России, так и за рубежом, прежде всего обусловлено трудностью постановки экспериментов, связанных с многообразием физических процессов, происходящих в приземных слоях атмосферы, формирующих сложную структуру показателя преломления. Это относится и к слабоизученным обширным территориям Дальнего Востока, так как атмосферные процессы, происходящие между Азиатским континентом и Тихим океаном, формируют специфические радиометеорологические условия распространения радиоволн.

вариацией другого типа: два максимума зимой и летом, два минимума весной и осенью. Радиометеорологические характеристики тропосферы дальневосточных районов России не являлись предметом специальных исследований и приведены в обобщенном виде, наряду с характеристиками других районов мира, в трудах Б.Р.Бяна и Е.Дж.Даттона, А.Н.Рукиной. В известных работах Г.С.Шарыгина, В.И.Слуцкого и др., посвященных распространению ультракоротких волн, объектом исследования является воздушное пространство над акваторией Тихого океана. Отсюда вытекает необходимость изучения радиометеорологических характеристик тропосферы над территорией дальневосточного региона.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании особенностей пространственно-временного распределения показателя преломления воздуха и их влияния на распространение УКВ в условиях дальневосточных районов России.

Научная новизна работы заключается в том, что:

• исследованы основные закономерности пространственно-временного распределения радиометеорологических параметров в приземном слое атмосферы Дальнего Востока на границе "суша-океан";

• впервые построены статистические распределения коэффициента преломления и его вертикального градиента в различных слоях атмосферы до высоты 3000 метров от поверхности земли;

• установлены закономерности формирования слоистых неоднородностей тропосферы;

• выявлены особенности распространения УКВ в исследуемом регионе и корреляционная взаимосвязь вариаций характеристик радиорефракции и уровня радиосигнала на трассах ДТР;

• разработаны статистические модели дальневосточной тропосферы для прогнозирования условий распространения УКВ на приземных трассах;

• проведено радиометеорологическое картографирование дальневосточных регионов России на основе базы данных аэрологических наблюдений.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в работе особетностирасщэеделения коэффициента преломления атмосферы и его вертикальной структуры, а также статистические характеристики уровня сигнала имеют важное практическое значение при

проектировании, совершенствовании и эксплуатации УКВ линий связи и других радиотехнических систем (телевидения, радиолокация, радиопеленгации, радионавигации и т.д.), работающих в дальневосточном регионе. Решение поставленных в работе задач значительно расширяет представление о физических механизмах формирования вариаций радиометеорологических параметров и способствует дальнейшей разработке статистической модели тропосферы. Диссертационная работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 94-0204197). Результата диссертационной работы переданы для дальнейшего использования в НИИССУ в виде составных частей отчетов по хоздоговорной НИР "Тракай-ЗР АН-Саян".

На защиту выносятся:

1. Особенности вариаций характеристик радиорефракции тропосферы дальневосточных районов России:

• три типа сезонных вариаций радиометеорологических параметров;

• максимальные значения вертикального градиента коэффициента преломления в переходные сезоны и в дневные часы.

2. Оценка вероятности формирования сверхрефракционных условий в зимний период и субрефракционных условий во все сезоны года на загоризонгных субарктических трассах.

3. Закономерности распределения слоистых неоднородносгей как основной причины глубоких замираний тропосферного сигнала: увеличение высоты нижней границы и мощности слоистых неоднородносгей в холодный период, повышение интенсивности слоев в теплый период года.

4. Результаты исследования вариаций усредненных составляющих сигнала на загоризонгных тропосферных трассах и их корреляции с вариациями радиометеорологических параметров тропосферы тихоокеанского побережья.

5. Статистические модели тропосферы Дальнего Востока, описывающие пространственно-временные изменения усредненных значений коэффициента преломления.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ХУТ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990), ХУЛ конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, 1991), ХУП1 Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 19%), Международном

симпозиуме С1шхрага-94 (Москва, 1994), Региональной научной конференции "Радиофизика и электроника; проблемы науки и обучения" (Иркутск, 1995), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн (Улан-Удэ, 1996), научных сессиях БНЦ СО РАН, были представлены на международных симпозиумах (Вроцлав-1990, Ахмедабад-1995, Осло-1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей и тезисов докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, иллюстрируется 39 рисунками, содержит 21 таблицу и библиографию из 104 наименований.

П. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в работе и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературных источников по исследованию рад иометеорологических свойств тропосферы и влияния их особенностей на характеристики распространения волн на приземных трассах. Рассматриваются пространственно-временные распределения коэффициента преломления воздуха N и его вертикального градиента ga в приземном слое атмосферы для различных климатических районов страны н делается вывод о недостаточной изученности вариаций N и gв, а также их статистических характеристик в дальневосточных районах. Подчеркивается необходимость исследования связи сезонных вариаций флукгуащюнных характеристик сигнала на трассах ДТР тихоокеанского побережья с радиометеорологическими свойствами приземной тропосферы. Рассмотрены исследования по моделированию тропосферы как среды распространения радиоволн и отмечена актуальность построения модели тропосферы Дальнего Востока с учетом особенностей пространственной структуры показателя преломления вблизи границы "суша-море".

Во второй главе приведены результата исследований пространственно-временного распределения показателя преломления воздуха у поверхности земли для УКВ в условиях Дальнего Востока. В

первом параграфе главы дана краткая физико-климатическая характеристика исследуемого региона. В §2.2 описана структура автоматизированной базы данных аэрологической информации, необходимой для создания статистической модели радиотропосферы Дальнего Востока. Исход ными материалами служили усредненные данные за 10 лет (1961-1970 гг.) для двадцати семи аэрологических станций Дальнего Востока и непосредственные данные радиозондирования по 5 станциям за 3 года (1984-1986 гг.). Для анализа корреляционной зависимости между уровнем сигнала и радиометеорологическими параметрами использованы синхронные метеоданные 2 станций, записанные в период распространения сигнала на трассах ДТР тихоокеанского побережья в 1991-1992 гг.

Сезонные изменения коэффициента преломления и их статистические интегральные распределения рассматривались в §2.3. Анализ полученных результатов показывает, что в исследуемых регионах наблюдаются два тана сезонной вариации N. Первый тип - с двумя максимумами (зимой и летом) и двумя минимумами (весной и осенью), что по характеру совпадает с сезонными вариациями N в резко континентальных регионах средних широт.В отличие от вариации N в континентальных регионах, в исследуемой прибрежной полосе основной максимум наблюдается летом. Второй тип - с одним максимумом летом и одним минимумом зимой, что свойственно атмосфере умеренной климатической зоны.

Сезонное распределение коэффициента преломления по континентальным субарктическим станциям Марково и Сеймчан представляет собой двугорбую кривую с двумя максимумами (зимой и летом) и двумя минимумами (весной и осенью). Главный максимум приходится на январь, а основной минимум сезонного хода коэффициента преломления наблюдается весной, что совпадает с сезонным ходом N в резко континентальных районах умеренных и высоких широт. Наибольшие значения N наблюдаются зимой из-за крайне низких температур и высокого атмосферного давления и достигают 329 М-сд. Главный максимум сезонного хода N по прибрежным субарктическим станциям Анадырь, Гюкига, Магадан и Корф приходится на июль и достигает 327 Л'-ед., второй максимум сдвинут на февраль и не превышает 319 Л^-ед. Сезонный ход N по станциям умеренного климатического пояса Хабаровск, Алексаддровск-на-Сахалине и Владивосток имеет вид

двугорбой кривой с главным максимумом летом и небольшим максимумом зимой, а основной минимум приходится на весну. Летний максимум (347 АГ-ед.) обусловлен летним муссоном. Зимний максимум сезонного хода N связан с континентальным антициклоном, а его небольшое значение (307 А/-ед.) - с слепляющим действием незамерзающего Японского моря. Сезонные изменения среднемесячных значений N по островным и полуостровным станциям умеренного пояса (Петропавловск-Камчатский, Южно-Курильск и Симуптир) имеют простой ход с одним максимумом и одним минимумом, как в умеренных широтах Европейской территории РФ. Летний максимум N (342 Я-ед.) сдвинут на август и обусловлен высокой влажностью воздуха при незначительном повышении температуры, а зимние температуры недостаточно низкие, чтобы образовать второй максимум годового хода.

Амплитуда годового хода N составляет в субарктической климатической зоне: по континентальным станциям - 27 А/-ед., по прибрежным - 12 А^-ед., а в умеренной зоне: 40 АГ-ед. по континентальный! и 36 АГ-ед. по островным станциям, что превышает значения амплитуд годового хода N по регионам России. Интегральные статистические распределения показателя преломления построены по данным радиозондирования четыре раза в сутки на пяти станциях за три года для всех сезонов на высотах 0, 100,300,600 и 900 м от поверхности земли. На всех исследуемых высотах рассчитаны медиана, среднеквадратичное отклонение, максимум, минимум, дисперсия, асимметрия и эксцесс распределения N. Статистические интегральные распределения N подчиняются нормальному закону распределения случайных величин.

Суточные изменения N (§2.4) в основном зависят от влажности и температуры воздуха, так как давление в течение суток меняется незначительно. Амплитуд а суточных изменений № на континентальных субарктических станциях достигает 8-9 АГ-ед. Суточные амплитуды изменений N здесь очень малы зимой, что объясняется малым влагосодержанием воздуха и малой амплитудой суточных изменений температуры, так как в холодное время здесь атмосфера днем прогревается слабо. Наибольшая амплитуда суточного хода N в прибрежных районах субарктики, наблюдаемая по станции Гижига - 3 Аг-ед., тогда как в резко континентальньгх районах Восточной Сибири суточная амплитуда достигает 11 Лг-ед. Стабильность приземных значений N обусловлена влиянием моря Под влиянием инерции огромной водной

массы Японского моря и Тихого океана значения N в течение суток на станциях умеренного климатического пояса изменяются слабо. Суточная вариация N исследована по непосредственным данным радиозондирования для всех сезонов на высотах 0, 100, 300, 600 и 900 м от поверхности земли, рассчитаны средние значения, средние квадратичные отклонения, второй, третий и четвертый центральные моменты статистического распределения N.

В третьей главе описаны вариации вертикального градиента коэффициента преломления. В §3.1 рассматриваются сезонные изменения вертикального градиента коэффициента преломления дальневосточной тропосферы по характеристикам слоев 0+100, 0+300, 0+600, 0+900, 300+600 и 600+900 м. Сезонные вариации £„ в исследуемых регионах характеризуются двумя типами. Первый тип - с двумя максимумами, зимой и летом и двумя минимумами, весной и осенью, что аналогично вариации N первого типа. Второй тип характеризуется наличием двух максимумов весной и осенью и двух минимумов зимой и летом. Этот тип сезонной вариации оказывается по фазе противоположным вариации наблюдаемой в Восточной Сибири. В слое 0+100 м диапазон сезонных изменений составляет по станции Марково:

&,(50%) =-(4.37+5.81)х10"8 ш, £,(1%) -£„(99%) = (23.19+31.18)х10"8 1/м,

а по станции Корф; £„(50%) =-(3.68+4.31)х 10 х 1/м,£л(1%) -£„(99%) = (8.74+14.14)х10"8 1/м.

Проценты случаев повышенной рефракции (£„ <- 4х10~8 1/м) больше, чем пониженной (£„ > - 4x10"* 1/м) по всем субарктическим станциям. В зоне умеренного климата усиливается циклоническая деятельность и соотношение пониженной и повышенной рефракции становится примерно равным. Вероятность наблюдения повышенной рефракции увеличивается с уменьшением мощности и высоты исследуемых слоев.

Интегральные статистические распределения gя на пяти станциях Дальнего Востока представлены в §3.2. Построены статистические распределения gn в слоях разной высоты и мощности для центральных месяцев каждого сезона по фондовым данным аэрологического радиозондирования, проведенного утром, днем, вечером и шчыо в течение 3 лег. Приведены значения вертикального градиента дня 1, 10, 50, 90 и 99 % времени наблюдения, диапазон изменения £„(1-99%). По всем исследуемым слоям рассчитаны параметры интегрального распределения

gn'■ мсдаана, среднее квадратичное отклонение, минимум, максимум центральные моменты. Выявлены два типа суточных вариаций gn. Для субарктических континентальных станций характерны летние и зимние дневные максимумы, а весной и осенью - ночные максимумы. По станциям умеренного климатического пояса наблюдаются летние утренние максимумы, а в остальные сезоны года - ночные максимумы.

В §3.3 приведены результаты исследований статистики сверхрефракционных и субрефракционных условий. Аномальные случаи рефракции (#„ > 0 и < - 15.7x10"® 1/м) наблюдаются, в основном, в приземном слое мощностью до 300 м. Положительная рефракция встречается чаще, чем сверхрефракция го всем станциям, кроме континентальных субарктических станций, где зимой чаще образуются сверхкрлтические градиенты. Обнаружено, что в субаркгике сверхрефракционные условия наблюдаются в основном в январе в ночное время, что объясняется зимним повышением температуры с высотой, связанное с сильным радиационным выхолаживанием приземного воздуха над холодной подстилающей поверхностью в условиях ангициклонального характера атмосферной циркуляции. Зимой во станции Маркове преобладает повышенная рефракция с вероятностью 75% в приземном слое мощностью 100 м и с вероятностью 68% в слое 0-5-300, а сверхрефракционные условия наблюдались в этих слоях с вероятностью соответственно 5% и 0.5%. Субрефракционные условия наблюдались по станции Марково во все сезоны года, а весной и осенью - на всех исследуемых высотах Вероятность наблюдения субрефракции увеличивается весной и составляет 10% в слое (N-100 м и 6% в слое 0-5-300 м. В §3.4 рассмотрены пространственно-временные распределения основных характеристик слоистых неоднородностей тропосферы Дальнего Востока: высоты нижней границы, мощности и интенсивности. Для разработки статистических моделей радиогропосферы необходимо изучать вертикальную структуру коэффициента преломления. Анализ радаозоядовых измерений по субарктическим аэрологическим станциям показал, что максимальное количество неоднородностей N сосредоточено в слое атмосферы от 1 до 2 км. По субарктическим континентальным станциям в холодный период года аномалий в профилях N наблюдается больше и встречаются они в более высоких слоях атмосферы. Вертикальная мощность слоев достигает 400 м, а диапазон вариаций интенсивности слоев составляет (3.1-5-15.6) А^-ед. По станции Магадан

выявлено, что максимальное количество неоднородностей наблюдается в весенне-летний период, мощность слоев достигает 340 м, а интенсивность колеблется в пределах (4.7-5-9.3) Л^-ед.

Зимой наблюдаются в основном гладкие высотные профили я симметричные слои высотных профилей аяпщиклопалыюго типа. Весной по континентальной станции Марково высотные профили N близки к циклоническому типу или же имеются симметричные слои с небольшими минимумами или максимумами диэлектрической проницаемости с, а по прибрежной станции Магадан наблюдаются профили со слоями симметричного типа. В летний период характерна сильная изрезанность высотных профилей: встречаются симметричные слои в профилях локального типа. Осень характеризуется наибольшим разнообразием типов профилей, в этот сезон наблюдаются симметричные п переходные слои в профилях циклонального и антициклоналъного типа. Приведены примеры вертикальных профилей N антициклоналъного, циклонического и локального типа и слоев симметричного и переходного типа высотного распределения показателя преломления. Анализ синоптических условий за периоды радиозондирования показал, что все слоистые неоднородности зимой, весной и осенью обусловлены инверсией влажности, а летом -только 33% наблюдавшихся слоев по сганщщ Корф и 75.1% по станции Гижига. Основной параметр, благоприятствующий формированию аномалий вертикального профиля N в летнее время - температурная инверсия, сопровозвдающая до 69% рассматривавшихся слоев N летом. Только в 6% слоев, наблюдавшихся осенью по станции Марково наблюдаются температурные инверсии.

В четвертой главе приведены результаты исследования зависимости характеристик УКВ при ДГР от рефракционных свойств тропосферы. В §4.1 рассмотрены особенности статистических характеристик сигнала при загоризонггном распространении радиоволн в районах тихоокеанского побережья, в условиях сложного климатообразугощего процесса на границе "суша-океан". Исследования проводились на двух трассах радиорелейной линии ДГР УКВ вдоль северо-западного побережья Охотского моря. Трасса 1 проходит над полуостровом, объем тропосферного рассеяния удален от береговой полосы на 100 км и закрыт со стороны океана системой горных хребтов, а трасса 2 прохвдаг вблизи береговой полосы. На исследуемых интервалах использовалась типовая тропосферная радиорелейная станция "Горизонт-

М", работающая но схеме счетверенного приема на дайте волны 36 см. Построение характеристик флуктуирующего сигнала проводилось путем аналого-цифрового преобразования информации с ленты самописца н последующей статистической обработки на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ БШртрЫсБ.

Выявлены сезонные вариации усредненных составляющих сигнала, характеризующиеся одним максимумом летом или осенью в зависимости от расположения радиотрасс и одним минимумом зимой. Показано, что на трассе, проходящей вдоль берега, максимум сигнала наблюдается летом, а на трассе, удаленной от берега - осенью, что обусловлено особенностями процессов, происходящих в тропосфере на границе континента и океана Амплитуда сезонной вариации сигнала на уровнях медианы на континентальной трассе составляет 9.4 дБ, а на прибрежной трассе - 14.8 дБ. Дисперсии сезонных распределений сигнала на прибрежной трассе также значительно превышают дисперсии, наблюдаемые на континентальной трассе. Суточный ход медианного значения сигнала во все сезоны года на исследуемых трассах характеризуется максимумом в ночные и утренние часы, минимумом - в дневные. На более короткой трассе 1 наибольшая амплитуда суточной вариации медианного уровня сигнала наблюдается летом и составляет величину порядка 13 дБ, в то время как на трассе 2 величина данного параметра составляет всего 3.5 дБ.

Представлены распределения глубины, длительности и радиуса автокорреляции быстрых флуктуаций, построенные по результатам осенних измерений на трассе 2 из ансамбля соответствующих параметров быстрых замираний в пределах сеанса регистрации. Распределения диапазона быстрых замираний, их длительностей и радиусов автокорреляции удовлетворительно аппроксимируются нормальным законом распределения. Статистические распределения глубины быстрых замираний сигнала в указанный период в 35% от общего числа сеансов регистрации быстрых замираний аппроксимировались законом Рэлея. В 25% встречались распределения с дисперсией, большей, чем у релеевского закона, а в 40% случаев - наблюдались распределения с меньшей дисперсией. В составе сигнала присутствует когерентная составляющая, которая принимает наибольшие значения в ночные и утренние часы, когда средний уровень сигнала существенно выше, чем в другие часы суток и наиболее вероятны шггерференцжшные замирания, обусловленные

суперпозицией дискретных волн, отраженных от слоистых неоднородностей тропосферы.

Следующий параграф (§4.2) посвящен анализу корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами. Выявлено, что на исследуемых трассах сезонные вариации уровня медианы сигнала в значительной степени соответствуют вариациям радиометеорологических параметров дальневосточной тропосферы. В весенне-летний период повышается величина коэффициента корреляции по сравнению с другими сезонами года и в основном находится в пределах (0.65-И). 99), что объясняется тем, что летом условия атмосферной циркуляции значительно менее контрастны, чем в холодное полугодие. Анализ изменений уровней медианы проводился с усреднением за 3 суток. Корреляционные связи V я Ы, устойчивы в нижнем 900 м слое во все сезоны года. Рассчитан коэффициент соответствия и получены эмпирические функции принимаемого множителя ослабления.

В §4.3 на основе полученных экспериментальных данных предложена и обоснована пространственно-временная модель тропосферы дальневосточных районов России, позволяющая прогнозировать средние уровни радиосигнала на трассах ДТР для четырех сезонов года и часов суток (0, 6, 12, 18) в диапазоне УКВ. Для аналитического описания сезонного хода радиометеорологического элемента удобна статистическая модель периодически нестационарного процесса с периодом 12 месяцев, все вероятностные характеристики которого можно описывать с помощью рядов Фурье. Временной ряд значений представляется в виде:

- ** (3600 1 Гзбо0 >

N(0 = # + £ АШ-Н + ДСга

¡=1 V Р }

-и

Р )

Приведены значения средней N и амплитуды трех первых гармоник десятилетнего годового хода N по радиоклиматическим районам Дальнего Востока.

Характер высотного распределения индекса преломления во всей толще тропосферы зависит от физико-географического положения и сезона года. Экспоненциальная зависимость N = ао-ехр аф от высоты для пограничного слоя атмосферы Дальнего Востока подобрана по методу наименьших квадратов. Параметры экспоненты а\ и а0 рассчитаны для всех физико-климатических зон исследуемого региона. Проведено

районирование территории Дальнего Востока на основные радиоклиматические зоны га параметрическим статистическим критериям. Приведены примеры расчета N по модели для разных станций во все сезоны года. При использовании экспоненциальной модели на высотах до 3 км имеет место хорошее согласие наблюдаемых и теоретических данных. Результаты работ по радиометеорологическому картографированию приведены в §4.4. Построены карты изолиний показателя преломления и карты изолиний gn в разное время года и суток на основе автоматизированной базы данных по 27 дальневосточным станциям аэрологического зондирования.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Впервые получены на достаточном по объему статистическом материале характеристики показателя преломления и его вертикального градиента для тропосферы Дальнего Востока на высотах до 3000 м над уровнем станций.

2. Выявлено, что в дальневосточном регионе наблюдаются два типа сезонных вариаций N. Первый тип - с двумя максимумами (зимой и летом) и двумя минимумами (весной и осенью) на субарктических станциях и на континентальных станциях умеренной зоны. Второй тип - с одним максимумом летом и одним минимумом зимой на прибрежных, островных и полуостровных станциях умеренных широт. Установлено, что в исследуемом регионе наблюдаются максимальные значения амплитуды годового хода N по территории бывшего Союза.

3. Установлено, что сезонные вариации g„ по дальневосточным станциям характеризуются двумя типами:

а) с двумя максимумами, зимой и летом, и двумя минимумами, весной ы осенью по субарктическим станциям;

б) с двумя максимумами, весной и осенью, и д вумя минимумами, зимой и летом по станциям умеренного климатического пояса.

4. Определены два типа суточных вариаций g„. Для субарктического пояса характерны летние и зимние дневные максимумы, а весной и осенью - ночные максимумы. Для умеренного пояса характерны летние утренние максимумы, а в остальные сезоны года -ночные максимумы.

5. Обнаружено, что по субарктическим континентальным станциям наибольший процент сверхрефракции наблюдается зимой и

составляет 5% от числа зимних измерений, субрефракция наблюдается во все сезоны года.

6. Выявлено, что высокая повторяемость неоднородностей N в субарктике наблюдается в холодный период, а на северо-западном побережье Охотского моря - в теплый период в слое атмосферы от 1 до 2 км.

7. Показано, что на трассах тихоокеанского побережья сезонные вариации уровня медианы сигнала коррелируют с соответствующими вариациями радиометеорологических параметров. В весенне-летний период повышается коэффициент корреляции и находится в пределах (0.65-^0.99) в зависимости от высоты и толщины сопоставляемого слоя атмосферы.

8. Установлены сезонные вариации усредненных составляющих сигнала, характеризующиеся наличием максимума летом на прибрежной трасте и осенью - на континентальной трассе и наличием минимума зимой.

9. Построена пространственно-временная модель коэффициента преломления атмосферы, позволяющая прогнозировать средние уровня сигнала в УКВ диапазоне при Д1Н. Проведено районирование территории Дальнего Востока на основные радиоклиматические зоны.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Батуева Е.В., Дарижапов Д.Д., Чишпдоржиев Н.Б. Вариации радиометеорологических параметров в условиях тихоокеанского побережья СССР// ХУ1 всесоюзная конференция по распространению радиоволн: Тез. докл. - Харьков, 1990. - С. 56.

2. Батуева Е.В., Дарижапов Д.Д., Чишггдоржиев Н.Б. Рефракционные свойства атмосферы в дальневосточных районах СССР // X международный симпозиум по ЭМС. - Вроцлав. -1990. - С. 92-96.

3. Батуева Е.В., Дарижапов Д.Д, Чимзгтдоржиев Н.Б. Пространственно-временное распределение радиометеорологических параметров на территории дальневосточных районов Российской федерации // Распространение электромагнитных волн: Сб.ст. - Улан-Удэ, Г992. - С. 26-31.

4. Батуева Е.В., Дарижапов Д.Д., Чимитдоржиев Н.Б. Характеристики слоистых неоднородностей тропосферы в дальневосточных районах // ХУЛ конференция по распространению радиоволн: Тез. докл. -Ульяновск, 1993. - 4.2а. - С. 21.

5. Batueva E.V., Darizfaapov D.D. Radiometeorological parameters and signal fluctuation characteristics of the tropospheric paths of the Pacific ocean's coast И Inter. Symposium on Climatic Parameters in Radiowave Propagation. - Moscow, 1994. - P. 8.4.1 - 8. 4.2.

6. Darizhapov D.D., Batueva E.V., Zhamsueva g.S. Radiometeorological database of the Russia with graphic mapping. Inter. Symposium on Climatic Parameters in Radiowave Propagation. - Moscow, 1994. - P. 1.2.1.-1.2.2.

7. Батуева E.B., Дарижапов Д.Д. О статистической структуре распределения радиометеорологических характеристик тропосферы в северо-восточном регионе // Региональная научно - техническая конференция "Радиофизика и электроника: проблемы науки и обучения": Тез. докл. - Иркутск, 1995. - С. 67-69.

8. Batueva E.V., Darizhapov D.D., Tzydypov B.Z. Spatial-time distribution of layer imhomogeaeuos characteristics of troposphere over north-east region of Russia // Inter. Symposium "Wave propagation and remote sensing". - Ahmedabad, 1995. - P. 38-40.

9. Батуева E.B., Дарижапов Д.Д. Вариации радиометеорологических параметров тропосферы дальневосточных регионов России // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1996. - Т.32, № 3. - С. 359-363.

10. Дарижапов Д.Д., Батуева Е.В. Вариации УКВ радиосигнала и радиометеорологических параметров в тропосфере дальневосточных регионов России // Распространение электромагнитных волн : Улан-Удэ, 1996. - С. 55-66.

11. Дарижапов Д.Д., Батуева Е.В., Цыдыпов Б.З. Радиометеорологическое картографирование территории бывшего СССР // Российская научно -техническая конференция по дифракции и распространению волн: Сб. докл. - Улан-Удэ, 1996. - С. 99-104.

12. Дарижапов Д. Д., Батуева Е.В. Исследование корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами // Российская научно-техническая конференция по дифракции и распространению волн: Сб. докл. - Улан-Удэ, 1996. - С. 105-111.

¡З.Батуева Е.В., Дамдинов Б.Б., Дарижапов Д.Д. Статистические модели Дальневосточной тропосферы при распространении радиоволн И Российская научно - техническая конференция по дифракции и распространению волн: Сб. докл.- Улан-Удэ, 1996. - С. 111-117.

14. Darizhapov D.D., Batueva E.V., Khomyak Е.М., Daribazaron E.Ch., Dilgerov Ts. V. Radiorefraction on terrestrial and earth-space paths // Inier. Symposium on Climatic Parameters in Radiowave Propagation Prediction. - Oslo, 1996. - P. 18-19.

15.Darizhapov D.D., Baiueva E.V.,Tzydypov B.Z. Radiometeorological mapping of territory of the former USSR П Inter. Symposium on Climatic Parameters in Radiovvave propagation. - Oslo, 1996. - P. 46-47.

16. Дарижапов Д.Д.,Батуева E.B. Тропосферное распространение УКВ в условиях Дальнего Востока /У ХУШ Всеросс. конференция по распространению радиоволн. - Санкт-Петербург, 17 - 19 сент. 19% г.: Тез. докл. - М., 1996. - Т.2. - С. 443 - 444.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Батуева, Елизавета Владимировна, Улан-Удэ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ БУРЯТСКИЙ ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

На правах рукописи

Батуева Елизавета Владимировна

Рефракционные свойства тропосферы дальневосточных районов России и их влияние на распространение ультракоротких радиоволн

01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук

Н.Б .Чимитдоржиев

-И

Кандидат физико-математических наук /ру' и Д.Д. Дарижапов

Улан-Удэ - 1997 г.

Оглавление

Введение Глава 1

Выводы Глава 2

Выводы Глава 3

Влияние условий рефракции на распространение УКВ

1.1. Диэлектрическая проницаемость тропосферы и метеорологические процессы

1.2. Слоистые неоднородности тропосферы

1.3. Прогнозирование ослабления поля при дальнем тропосферном распространении УКВ

1.4. Исследования по моделир.оващро тропосферы как среды распространения радиоволн

Пространственно-временное распределение показателя преломления атмосферы Дальнего Востока

2.1. Краткая физико-климатическая характеристика исследуемого региона

2.2. Структура информационной базы данных

2.3. Сезонные вариации коэффициента преломления тропосферы Дальнего Востока

2.4. Суточный ход коэффициента преломления

Вариации вертикального градиента коэффициента преломления в тропосфере дальневосточных районов

3.1. Сезонные и суточные изменения вертикального градиента коэффициента преломления

12 18

36 38

42 58 64

3.2. Параметры интегрального статистического рас-

пределения gn , 77

3.3. Статистика аномальных условий рефракции в тропосфере тихоокеанского побережь;. России 95

3.4. Вариации основных характеристик слоистых не-однородностей атмосферы Дальнего Востока 104

Выводы 121

Глава 4 Исследование зависимости характеристик УКВ

сигнала при ДТР от рефракционных свойств тропосферы

4.1. Особенности статистических характеристик сигнала при загоризонтном распространении радиоволн на тихоокеанском побережье 123

4.2. Анализ корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами 136

4.3. Статистические модели тропосферы дальневосточных районов 145

4.4. Радиометеорологическое картирование пограничного слоя атмосферы над территорией Даль-

него Востока 154

Выводы .159

Заключение 161

Литература 163

Введение

Актуальность проблемы изучения рефракционных свойств атмосферы в различных физико-климатических регионах России предопределена нарастающим темпом использования радиометеорологических параметров при проектировании и эксплуатации ультракоротковолновых радиоэлектронных средств (УКВ РЭС). Успешное решение вопросов повышения эффективности и надежности функционирования радиотехнических комплексов, задач электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС общего и специального назначения, а также расширение физических представлений и построение математической модели механизмов влияния радиометеорологических факторов на характеристики распространения радиоволн - все это требует как непосредственных комплексных, с радиотехническими измерениями на реальных радиотрассах, оперативных измерений соответствующих параметров атмосферы, так и набора большого статистического массива фондовых данных об основных метеоэлементах атмосферы Земли в ее приземных слоях.

происходящие между Азиатским континентом и Тихим океаном, формируют специфические радиометеорологические условия распространения радиоволн.

В России достаточно подробно исследованы характеристики радиометеорологических параметров в районах умеренной климатической зоны, где сезонные изменения коэффициента преломления атмосферы имеют один летний максимум и один зимний минимум. Резко континентальные районы средних широт характеризуются сезонной вариацией другого типа: два максимума зимой и летом, два минимума весной и осенью. Радиометеорологические характеристики тропосферы дальневосточных районов России не являлись предметом специальных исследований и приведены в обобщенном виде, наряду с характеристиками других районов мира, в трудах Б.Р.Бина и Е.Дж.Даттона, А.Н.Рукиной. В известных работах Г.С.Шарыгина, В.И.Слуцкого и др., посвященных распространению ультракоротких волн, объектом исследования является воздушное пространство над акваторией Тихого океана. Отсюда вытекает необходимость изучения радиометеорологических характеристик тропосферы над территорией дальневосточного региона.

Научная новизна работы заключается в том, что:

® исследованы основные закономерности пространственно-временного распределения радиометеорологических параметров в приземном слое атмосферы Дальнего Востока на границе "суша-океан";

« установлены закономерности формирования слоистых неоднород-ностей тропосферы;

« разработаны статистические модели дальневосточной тропосферы для прогнозирования условий распространения УКВ на приземных трассах;

о проведено радиометеорологическое картографирование дальневосточных регионов России на основе базы данных аэрологических наблюдений.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в работе особенности распределения коэффициента преломления атмосферы и его вертикальной структуры, а также статистические характеристики уровня сигнала имеют важное практическое значение при проектировании, совершенствовании и эксплуатации УКВ линий связи и других радиотехнических систем (телевидения, радиолокации, радиопеленгации, радионавигации и т.д.), работающих в дальневосточном регионе. Решение. поставленных в работе задач значительно расширяет представление о физических механизмах формирования вариаций радиометеорологических параметров и способствует дальнейшей разработке статистической модели тропосферы. Диссертационная работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 94-02-04197). Результаты диссертационной работы переданы для дальнейшего использования в НИИССУ в виде составных частей отчетов по хоздоговорной НИР "Тракай-ЗРАН-Саян".

На защиту выносятся:

1. Особенности вариаций характеристик радиорефракции тропосферы дальневосточных районов России:

в три типа сезонных вариаций радиометеорологических параметров;. ® максимальные значения вертикального градиента коэффициента преломления в переходные сезоны и в дневные часы.

2. Оценка вероятности формирования сверхрефракционных условий в зимний период и субрефракционных условий во все сезоны года на загори-зонтных субарктических трассах.

3. Закономерности распределения слоистых неоднородностей как основной , причины глубоких замираний тропосферного сигнала: увеличение высоты нижней границы и мощности слоистых неоднородностей в холодный период, повышение интенсивности слоев в теплый период года.

4. Результаты исследования вариаций усредненных составляющих сигнала на загоризонтных тропосферных трассах и их корреляции с вариациями радиометеорологических параметров тропосферы тихоокеанского побережья.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

статистических характеристик в дальневосточных районах РФ. Подчеркивается необходимость исследования связи сезонных вариаций флуктуаци-онных характеристик сигнала на трассах ДТР тихоокеанского побережья с радиометеорологическими свойствами приземной тропосферы.

Во второй главе приведены результаты исследований пространственно-временного распределения.,показателя преломления воздуха у поверхности земли для УКВ в условиях Дальнего Востока.

Дана краткая физико-климатическая характеристика исследуемого региона. Описана структура автоматизированной базы данных аэрологической информации, необходимой для создания статистической модели радиотропосферы Дальнего Востока.

Рассмотрены сезонные и суточные изменения коэффициента преломления и их статистические интегральные распределения. Вариации N исследованы по непосредственным данным радиозондирования для всех сезонов на высотах 0, 100, 300, 600 и 900 м от поверхности земли, также рассчитаны средние значения, средние квадратичные отклонения, второй, третий и четвертый центральные моменты статистического распределения N.

В третьей главе описаны вариации вертикального градиента коэффициента преломления.

Рассматриваются сезонные изменения вертикального градиента коэффициента преломления дальневосточной тропосферы по характеристикам слоев 0-100, О-гЗОО, 0-600, 0-900, 300-600 и 600^-900 м.

Исследованы интегральные статистические распределения gn на пяти станциях Дальнего Востока Построены статистические распределения в слоях разной высоты и мощности для центральных месяцев каждого сезона по фондовым данным аэрологического радиозондирования, проведенного утром, днем, вечером и ночью в течение 3 лет. Приведены значения верти-

кального градиента для 1, 10, 50, 90 и 99 % времени наблюдения, диапазон изменения £„(1-99%). По всем исследуемым слоям рассчитаны параметры интегрального распределения gn: медиана, среднее квадратичное отклонение, минимум, максимум и центральные моменты.

Приведены результаты исследований статистики сверхрефракционных и субрефракционных условий. Рассмотрены пространственно-временные распределения основных характеристик слоистых неоднород-ностей тропосферы Дальнего Востока: высоты нижней границы, мощности и интенсивности.

В четвертой главе приведены результаты исследования зависимости характеристик УКВ при ДТР от рефракционных свойств тропосферы.

Рассмотрены особенности статистических характеристик сигнала при загоризонтном распространении радиоволн в районах тихоокеанского побережья, в условиях сложного климатообразующего процесса на границе "суша-океан". Исследования проводились на двух трассах радиорелейной линии ДТР УКВ вдоль северо-западного побережья Охотского моря.

Проведен анализ корреляционной зависимости между уровнем сигнала ДТР и радиометеорологическими параметрами. Выявлено, что на исследуемых трассах сезонные вариации уровня медианы сигнала в значительной степени соответствуют вариациям радиометеорологических параметров дальневосточной тропосферы. Рассчитан коэффициент соответствия и получены эмпирические функции принимаемого множителя ослабления.

На основе полученных экспериментальных данных предложена и обоснована пространственно-временная модель тропосферы дальневосточных районов России, позволяющая прогнозировать средние уровни радиосигнала на трассах ДТР для четырех сезонов года и часов суток (0, 6, 12, 18) в диапазоне УКВ. Проведено районирование территории Дальнего Вое-

тока на основные радиоклиматические зоны по параметрическим статистическим критериям.

Приведены результаты работ по радиометеорологическому картографированию. Построены карты изолиний показателя реломления.и карты изолиний gn в разное время года и суток на основе автоматизированной базы данных по 27 дальневосточным станциям аэроло, ического зондирования.

Работа выполнена в лаборатории радиокосмофизики Бурятского института естественных наук СО РАН и является составной частью плановых научно - исследовательских работ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ХУ1 Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990), ХУП конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993), ХУШ Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996), Международном симпозиуме СНтрага-94 (Москва, 1994), Региональной научной конференции "Радиофизика и электроника; проблемы науки и обучения" (Иркутск, 1995), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн (Улан-Удэ, 1996), научных сессиях БНЦ СО РАН, были представлены на международных симпозиумах (Вроцлав-1990, Ахмедабад-1995, Осло-1996).

Автору диссертации принадлежит постановка цели работы, обработка экспериментальных данных, все расчеты, интерпретация и формулировка результатов.

Автор выражает искреннюю признательность всему коллективу лаборатории за совместную творческую работу и особо научным руководителям: Заслуженному деятелю науки Российской федерации, д.ф.-м.н., чл.-корр. АИН Чимитдоржиеву Н.Б. и кандидату физико-математических наук,

заведующему лабораторией радиокосмофизики Дарижапову Д.Д., чьи советы и помощь при выполнении диссертационной рабе ы способствовали ее завершению, а также научному сотруднику Цыдыпову Д.З. и инженеру Абидуеву А.Л. за проведение экспериментов по исследованию статистических характеристик флуктуаций сигнала.

ГЛАВА 1

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ РЕФРАКЦИИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УКВ

§1 Л, Диэлектрическая проницаемость тропосферы и метеорологические процессы

Разнообразие рефракционных свойств атмосферы характеризуется пространственно-временными изменениями диэлектрической проницаемости воздуха s(r,t), а также коэффициента преломления п =

V7 или приведенного коэффициента преломления N = (п -1) • Юб. В настоящее время возрастает необходимость теоретического обобщения влияния сложных атмосферных процессов пограничного слоя на формирование пространственной структуры и временного режима поля коэффициента преломления, уточнения их связи с условиями и механизмами распространения радиоволн, развития методов прогнозирования изменений состояния пограничного слоя и условий работы радиоэлектронных систем различного назначения.

Статистические характеристики временных изменений рефракционных свойств земной атмосферы в различных климатических районах необходимы прежде всего для количественной оценки флуктуационных и энергетических характеристик сигналов при их распространении вдоль земной поверхности, в частности, на интервалах РРЛ прямой видимости, тропосферных РРЛ, а также на линиях связи Земля-ИСЗ при малых углах места

Большое число экспериментальных и теоретических исследований дальнего тропосферного распространения ультракоротких волн значительно расширили и углубили наши представления о характерных чертах этого явления [2-6]. Наиболее обобщенные результаты исследований по рефрак-

ции радиоволн для многих регионов земного шара, карты пространственного распределения радиометеорологических параметров,приводятся в работах [7,8]. По территории бывшего Союза ССР построены А.Н.Рукиной [9] карты распределения среднемесячных значений коэффициента преломления по многолетним данным 658 станций. Сезонные изменения коэффициента преломления различаются в зависимости от климатических особенностей. Под Москвой они имеют простой ход с одним максимумом летом и одним минимумом зимой [10]. Суточный ход N в условиях умеренных широт отчетливо выражен во все времена года, а летом 1 1блюдается максимум амплитуды суточного хода А^ в приземн�