23706 (Распределение метеовеличин и коэффициента преломления воздуха в нижнем слое атмосферы летом)

34

Оглавление

Введение

1. Радиофизические характеристики атмосферы и их связь с метеопараметрами

2. Радиорефракция

2.1 Виды радиорефракции

2.2 Методы учета радиорефракции

2.2.1 Метод эквивалентного радиуса Земли

2.2.2 Метод приведенного коэффициента преломления

3. Исходные материалы и методика их обработки

4. Вертикальные профили радиометеорологических величин

4.1 Вертикальный профиль средней температуры июля

4.2 Вертикальные профили средней относительной влажности и средней упругости водяного пара июля

4.3 Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

4.4 Повторяемость различных видов рефракции в июле

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Влияние метеорологических условий на распространение радиоволн различных диапазонов было установлено еще на заре современной радиофизики, однако теоретическая сложность и экспериментальные трудности изучения этого влияния в течение длительного времени ограничивали результаты исследований лишь некоторыми, большей частью качественными выводами.

Широкое развитие технических средств радиолокации в годы войны и последующее их применение в науке и технике, возникновение телевидения, космической радиосвязи, телеуправления поставили исследователей перед острой необходимостью изучить закономерности распространения радиоволн с учетом влияния всех слоев атмосферы как среды с переменным показателем преломления.

В применении к тропосфере это означало в первую очередь развитие широких теоретических и экспериментальных исследований закономерностей распространения ультракоротких волн (УКВ) в зависимости от метеорологических условий. Поскольку в обычных условиях УКВ не отражаются ионосферой, изменчивость характеристик принятого поля объясняют изменчивостью условий их распространения в нижней атмосфере, в частности вариациями показателя преломления воздуха.

Все существующие теории принимают показатель преломления за основной параметр, определяющий особенности распространения УКВ в тропосфере. Зависимость показателя преломления воздуха от высоты над земной поверхностью вызывает искривление траектории волны, излученной горизонтально. В нормальных условиях эта траектория искривляется в направлении к Земле, и кривизна ее составляет около одной четверти кривизны земной поверхности. При некоторых особых метеорологических условиях энергия волны может быть сосредоточена в узких слоистых областях вблизи поверхности Земли, так что далеко за пределами радиогоризонта наблюдается аномально высокая напряженность поля. В других условиях переходный слой между воздушными массами может вызвать отражение энергии радиоволн. В дополнение к эффектам, связанным со слоистостью, атмосфера всегда в большей или меньшей степени турбулентна, что приводит к рассеянию радиоволн и уширению диаграмм направленности антенн.

Изучение атмосферы с точки зрения влияния ее на распространение УКВ является задачей радиометеорологии. Ее составными элементами являются некоторые области радиофизики (распространение радиоволн, техника сверхвысоких частот) и метеорология. Радиометеорологические исследования активно проводятся несколько десятилетий. Однако до сих пор актуальными являются исследования, посвященные пространственно-временным изменениям коэффициента преломления (определяемого метеорологическими величинами) в различных районах и на разных высотах в атмосфере [1].

Курсовая работа посвящена исследованию метеорологических величин и коэффициента преломления, рассчитанного по данным о температуре воздуха, влажности и атмосферному давлению, в нижнем слое атмосферы в городе Хабаровск за июль. Целью данной работы является определение влияния метеорологических условий в летний период на распространение УКВ в выбранном районе.

1. Радиофизические характеристики атмосферы и их связь с метеопараметрами

Радиофизическими характеристиками атмосферы являются диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления, которые между собой однозначно связаны. В общем случае диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления являются величинами комплексными [2].

Предполагая выполнимость закона Дальтона о парциальных давлениях, можно получить выражение для диэлектрической проницаемости ( ) смеси полярных и неполярных газов. Для тропосферы необходим, в частности, учет влияния СО2, сухого воздуха (неполярные молекулы) и водяного пара (полярные молекулы):

, (1)

где - постоянные величины,

- давление сухого воздуха,

- парциальное давление водяного пара в гПа,

- парциальное давление СО2,

– температура в °К [1].

Значения диэлектрической проницаемости воздуха незначительно превышают единицу. Для волн длиной более 1 см электропроводность нижней части атмосферы (тропосферы) очень мала, и диэлектрическую проницаемость можно считать величиной действительной [2].

При этом коэффициент преломления (n) определяется выражением:

(2)

где - магнитная проницаемость (для воздуха ее полагают равной единице). Поскольку

(3)

можно использовать аппроксимацию:

. (4)

В силу малости величины n – 1 коэффициент преломления удобно выражать в N – единицах:

, (5)

где К1, К2, К3, К4 – постоянные.

Постоянные коэффициенты равны [1]:

К1=77,607 0,13 °К/мб

К2=71,6 8,5 °К/мб

К3=(3,747 0,031) · 105 (°К)2/мб.

Итак, окончательное уравнение для показателя преломления, если ограничиться для констант тремя значащими цифрами, имеет вид:

(6)

Значения постоянных в этой формуле рекомендованы Смитом и Вейнтраубом для вычисления N с точностью 0,5%.

Уравнение упрощается, если положить

P = Pd + e:

. (7)

Для практического использования в радиометеорологии это соотношение можно упростить, представив его в виде двучлена:

, (8)

что дает значение N с точностью порядка 0,02% для интервала температур от 50°C до + 40°C.

Обычно уравнение (8) записывают в виде:

. (9)

Значения коэффициента преломления, рассчитанные по формуле (9), зависят от точности измерения метеорологических элементов. При радиозондировании измеряется не парциальное давление (упругость водяного пара) е, а относительная влажность f, которая легко может быть пересчитана в парциальное давление е. Для этого используется следующая формула:

, (10)

где t – температура в °C,

f – относительная влажность воздуха в % [1].

В реальной атмосфере вследствие изменений температуры, давления и влажности происходят сложные пространственно – временные изменения коэффициента преломления. Различают сезонные и суточные изменения коэффициента преломления в тропосфере, а также случайные изменения, обусловленные атмосферной турбулентностью. Сезонные изменения обусловлены, главным образом, годовым ходом влажности с максимумом в теплое полугодие. Наибольшие изменения коэффициента преломления имеют место в нижнем трехкилометровом слое атмосферы, что обусловлено большими изменениями в этом слое температуры и влажности. Суточные изменения коэффициента преломления атмосферы наиболее значительны в нижнем километровом слое и могут достигать 10 – 15N – ед. Они также обусловлены большим суточным ходом температуры и влажности воздуха. Случайные флюктуации коэффициента преломления связаны с атмосферной турбулентностью и могут достигать значения 10N – ед.

Обычно учитывают изменение коэффициента преломления атмосферы только по высоте, пренебрегая горизонтальной изменчивостью.

Для характеристики вертикальной изменчивости коэффициента преломления пользуются понятием вертикального градиента:

, (11)

или

, (12)

где n1 и n2 – значения коэффициента преломления на нижней и верхней границе слоя,

H1 и H2 – высоты нижней и верхней границ слоя.

Вертикальный градиент dn/dH имеет размерность 1/м, а градиент dN/dH – N - ед/м. Из соотношения (11) следует, что реальной атмосфере, для которой коэффициент преломления уменьшается с высотой, соответствуют отрицательные значения градиента.

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.