Распределение метеовеличин и коэффициента преломления воздуха в нижнем слое атмосферы летом (стр. 2 из 7)
В радиометеорологии для решения ряда задач пользуются параметрами стандартной, или нормальной, атмосферы. Нормальной считается атмосфера, в которой имеют место линейное уменьшение температуры воздуха с высотой, равное 6,5°C на 1 км, уменьшение давления по барометрическому закону:
, (13)и убывание влажности воздуха по эмпирическому соотношению:
,(14)где Р0 и РH – давление на нижнем и верхнем уровнях,
g – ускорение свободного падения,
R – универсальная газовая постоянная,
Т – температура столба воздуха между указанными уровнями,
H – высота в км,
q – удельная влажность в г/м3,
b, с – коэффициенты (0,1112
b 0,2181; 0,0286 с 0,0375).Удельная влажность с парциальным давлением водяных паров связана соотношением:
.(15)В стандартной атмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону, а в реальной атмосфере изменение N с высотой в среднем происходит по экспоненциальному закону [2].
2. Радиорефракция
Радиорефракцией называется искривление траектории электромагнитных волн при распространении в атмосфере. Плотность реальной атмосферы убывает с высотой, поэтому радиолуч, направленный с земной поверхности вверх, будет переходить из области с большим значением плотности в области с малыми значениями плотности.
Если электромагнитный луч будет распространяться в плоскослоистой атмосфере, в которой коэффициент преломления изменяется постепенно, то будет происходить плавное искривление траектории луча. Радиус кривизны будет определяться величиной градиента коэффициента преломления в соответствии с выражением:
,(16)где dn/dH – градиент коэффициента преломления.
Представляет практический интерес случай критической рефракции, когда радиус кривизны радиолуча, направленного вдоль земной поверхности, равен радиусу Земли и луч огибает земной шар. Условием критической рефракции будет:
,(17)где RЗ – радиус Земли.
2.1 Виды радиорефракции
Рассмотрим различные виды радиорефракции и соответствующие им значения градиента коэффициента преломления. В зависимости от характера искривления радиолуча различают три основных типа радиорефракции:
Отрицательную;
Нулевую;
Положительную.
Такое деление радиорефракции отражает ее влияние на дальность радиосвязи в диапазоне СВЧ или на дальность радиолокационного наблюдения обьектов.
При нулевой рефракции (нулевое значение градиента коэффициента преломления) радиолуч остается прямолинейным. Отрицательная рефракция (вызывающая уменьшение дальности радиосвязи) имеет место, если луч направлен выпуклостью вниз, т.е. луч из менее плотной среды переходит в более плотную. Это может быть только при положительных значениях градиента коэффициента преломления. Положительная рефракция возникает при отрицательных значениях градиента коэффициента преломления и делится в свою очередь на:
пониженную;
нормальную;
повышенную;
критическую;
сверхрефракцию.
Нормальная радиорефракция соответствует рефракции в нормальной (стандартной) атмосфере, имеющей градиент коэффициента преломления –4·10-8 1/м. Радиорефракция при значениях градиента коэффициента преломления от 0 до –4·10-8 1/м называется положительной пониженной рефракцией. Радиорефракция при – 15,7·10-8
– 4·10-8 1/м называется положительной повышенной рефракцией. При значении градиента 
= – 15,7·10-8 1/м наблюдается критическая рефракция. При значениях градиента коэффициента преломления менее – 15,7·10-8 1/м имеет место сверхрефракция. Радиус кривизны луча меньше радиуса земного шара, вследствие чего луч испытывает многократное отражение от земной поверхности.Критическая рефракция и сверхрефракция характеризуются сверхдальним распространением радиоволн. Такое явление связывают с образованием так называемых атмосферных волноводов, которые могут быть как приземными, так и приподнятыми (отражение в этом случае имеет место не от земной поверхности, а от слоя атмосферы, приподнятого над землей). Атмосферные волноводы существенно повышают дальность радиосвязи на СВЧ и дальность радиолокационного наблюдения объектов.
2.2 Методы учета радиорефракции
Явление рефракции в атмосфере приводит к ошибкам измерения координат объектов радиотехническими и оптическими методами. Регулярную составляющую таких ошибок можно учитывать путем введения соответствующих поправок в результаты измерений. В зависимости от изменчивости вертикального градиента коэффициента преломления различают два способа введения поправок:
Метод эквивалентного радиуса Земли;
Метод приведенного коэффициента преломления.
2.2.1 Метод эквивалентного радиуса Земли
Он сводит задачу криволинейного распространения радиоволн к задаче с прямолинейным распространением. Криволинейную траекторию луча «разгибают», увеличивая радиус Земли до тех пор, пока траектория луча не окажется прямолинейной. Радиус Земли, соответствующий прямолинейному лучу, называют эквивалентным радиусом и используют для расчетов. Эквивалентный радиус Земли будет равен:
,(18)где RЭ – эквивалентный радиус Земли,
KP – коэффициент пропорциональности,
RЗ – радиус Земли.
Коэффициент пропорциональности определяется формулой:
,(19)где n0 – значение коэффициента преломления на уровне земной поверхности.
Для нормальной атмосферы, полагая
= – 4·10-8 1/м, RЗ=6370·103 м, n0=1, получаем KP=1,33 и RЭ=8460 км.При расчетах, связанных с обеспечением радиовидимости, следует оперировать с эквивалентным радиусом Земли так же, как и с обычным радиусом Земли при отсутствии рефракции.
2.2.2 Метод приведенного коэффициента преломления
Он состоит в том, что влияние кривизны земной поверхности (а следовательно, и кривизны сферической слоистой атмосферы) заменяют влиянием дополнительного значения коэффициента преломления атмосферы. Для этого криволинейную траекторию луча вместе с земной поверхностью «разгибают» до тех пор, пока сферическая поверхность Земли не превратиться в плоскую, а луч при этом будет иметь другую кривизну. Соответствующий новой рефракции коэффициент преломления атмосферы называется приведенным коэффициентом преломления.
Приведенный коэффициент преломления равен:
,(20)или в N – единицах:
.(21)Приведенный коэффициент преломления используется так же, как и обычный коэффициент преломления в задачах распространения над плоской Землей [2].
3. Исходные материалы и методика их обработки
Для изучения закономерности распределения метеовеличин и показателя преломления воздуха летом были использованы результаты, полученные в июле 1977г. на высотной метеорологической мачте (ВММ) в городе Хабаровск (данные были взяты из «Материалов высотных метеорологических наблюдений» [3]). Эти результаты содержат данные измерений температуры и относительной влажности атмосферы на ВММ (из справочника были взяты средние за сутки значения температуры и относительной влажности на высотах 0, 24, 40, 112, 180 м). Температура воздуха на этой мачте регистрировалась термоградиентографом с погрешностью 0,2÷0,3°C. Влажность воздуха измерялась с помощью пленочного датчика с погрешностью 7%.
Данные по давлению были взяты из «Климатического атласа СССР» [4] для уровня 0 м. Для остальных высот (24, 40, 112, 180 м) давление было рассчитано по барометрической формуле:
,(22)где P – давление на высоте z,
P0 – давление на исходном уровне,
g – ускорение свободного падения,
z – высота в м,
R – универсальная газовая постоянная (287, 05 Дж/кг·К),
T – температура в °K.
Обработка материалов велась с помощью процессора Exel. Данные вводились по датам; для каждой даты значения температуры, влажности и давления вводились на пяти высотах (0, 24, 40, 112, 180 м). Для того, чтобы рассчитать показатель преломления N, еще были необходимы значения упругости водяного пара на всех высотах по суткам. Парциальное давление е было рассчитано по формуле (10). Далее были рассчитаны значения показателя преломления N по формуле (9) и вертикальные градиенты
по формуле (12) (см. приложение таблица 1).После проведения расчетов были выполнены еще дополнительные действия:
Из общего массива данных через автофильтр находились отдельно данные по каждой высоте за месяц; На этих высотах были посчитаны среднемесячные значения t, f, e, P, N, dN/dH и их среднеквадратические отклонения (см. приложение таблицы 2, 3, 4, 5, 6);