Диссертация (1149467), страница 3
Текст из файла (страница 3)
электричеству. - Владимир, 2003. - T. 1. - С. 305-308.21. Кононов И.И., Юсупов И.Е. Методы и алгоритмы кластеризации грозовыхочагов // Сб. трудов 3 межд. конф. "Естественные и антропогенныеаэрозоли". - СПб, 2001. - T. 3. - С. 354-360.22. Кононов И.И., Юсупов И.Е. Современные методы пассивной локации гроз// Сб. трудов 3 межд. конф. "Естественные и антропогенные аэрозоли". СПб, 2001. - T. 3. - С. 350-354.23. Kononov I.I., Petrenko I.A., Yusupov I.E. Space-temporal variations ofelectromagnetic radiation of thunder-Storms in the process of their evolution //Proc. 25 Int. Conf. on Lightning Protection.
- Rhodes, 2000. - P. 145-150.24. Kononov I.I., Borisov V.V., Usupov I.E. Space structure of electromagneticfield components for different types of lightning channels // Proc. 24 Int. Conf.on Lightning Protection. Birmingham, 1998. - P. 354-359.25. Юсупов И.Е. Поляризационные ошибки рамочных пеленгаторов // Iвсероссийская научная конф.
студентов-радиофизиков. - СПб, 1997.141. Обзор методов и средств мониторинга грозовой активностиПодавляющеебольшинствопассивныхрадиотехническихсредствмониторинга грозовой активности основывается на регистрации и анализеэлектромагнитного радиоизлучения молниевых вспышек, сопровождающегоразрядные процессы, возникающие в процессе их развития. Все молниевыевспышки могут быть подразделены на две основные категории. Вспышки такназываемого ОЗ типа характеризуются наличием в своей структуре однойили нескольких сильноточных разрядных компонент (обратных ударов),развивающихся между землей и облаком. Вспышки ВО типа включаютразрядные процессы, полностью развивающиеся внутри грозового облакаили между облаками.
Соотношение количества вспышек обсуждаемых типовзависит от многих факторов: типа грозы (фронтальная или внутримассовая),структуры грозового очага (одноячейковая или многоячейковая), характера ифазы его развития, рельефных особенностей местности (наличия речныхдолин,возвышенностей,горныхсклонов).Так,уумеренныхгрозвнутримассового типа преобладает доля ВО, составляя 80 .. 90% от общегочисла вспышек, в супер-ячейковых грозах их количество может достигать99% [Richard, 1996].
У фронтальных гроз относительное количество вспышекОЗ типа возрастает и оказывается сопоставимым с числом ВО вспышек, приэтом увеличивается и количество повторных ударов, приходящихся наотдельную ОЗ вспышку. Концентрации ВО вспышек в основном связаны сконвективными областями грозовых ячеек, а их интенсивность коррелирует сдинамикой изменения этих областей, достигая пика в периоды ихмаксимального вертикального развития. В начальных фазах развития грозы втечение значительного времени, составляющего минуты, а нередко и десяткиминут, ОЗ активность может практически отсутствовать. Как правило, онаразвивается в фазе зрелости грозовой ячейки, когда снижение основного ядрагидрометеоров увеличивает электрический потенциал ее нижней части,повышая вероятность электрического пробоя на землю.
С началом распада15грозового облака ВО активность начинает уменьшаться, а интенсивность ОЗразрядов достигает максимума. Эти факторы обычно предшествуютразвитию сильных нисходящих потоков и интенсивных осадков и могутслужить в качестве достаточно надежных предикторов их возникновения[Krehbiel, 1986; Williams, Weber, Orville, 1988]. У некоторых грозовых очаговна всем интервале существования их грозовой активности, разряды ОЗ типавообще могут отсутствовать [Williams et al., 1999].До недавнего времени основным объектом модельного описаниясильноточных компонент молниевых вспышек в качестве источниковимпульсного электромагнитного излучения СДВ диапазона и разработкисистем их пассивной локации были в основном сильноточные обратныеудары, развивающиеся между землей и облаком в молниевых вспышках ОЗтипа. Очевидно, что применение таких систем может приводить кзначительным ошибкам в определении не только моментов начала иокончания грозовой активности, но иногда даже к пропуску отдельных гроз.Регистрация же и локация всемолниевого излучения (вспышек как ОЗ, так иВО типов) исключает появление такого рода ошибок.
При этом значительно(иногда на порядок и более) увеличивается абсолютное количестворегистрируемыхимпульсов,локацияисточниковкоторыхпозволяетсформировать более детальную пространственно-временную структуругрозовойактивностииполучитьнадежныестатистическиеоценкипараметров ЭМИ, сопутствующего развитию этой активности, на достаточнокоротких (единицы минут) временных интервалах. Все это обеспечиваетвозможность решения задач, связанных с определением текущего состояниягрозовой активности, степени ее грозоопасности, а также с краткосрочнымоперативным прогнозом тенденций последующего развития с оценкойвероятностейпоявлениясопутствующихявлений(штормовойветер,интенсивные осадки, град) как в естественном цикле развития облачныхсистем, так и при активных воздействиях на них.
Исследование возможности16решения этих задач СДВ методами и средствами является одной из основныхцелей диссертационной работы.К числу упомянутых выше источников ЭМИ СДВ диапазона молниевыхвспышек ОЗ типа следует добавить сильноточные разрядные компоненты,возникающие в стадии так называемого предварительного пробоя внутригрозового облака между его нижней отрицательно и верхней положительнозаряженными областями. Биполярные импульсы с длительностью 20…40мкс, возбуждаемые в этой стадии, формируют пачечную структуру сдлительностью в несколько миллисекунд, с межимпульсными интервалами70…130 мкс. Амплитуды максимальных импульсов в пачках достигают (аиногда и превосходят) амплитуду импульсов от обратных ударов.Аналогичная стадия имеет место и во вспышках ВО типа.
Только импульсыимеют противоположную полярность, более затянутый фронт, большуюдлительность (50…80 мкс) и больший межимпульсный интервал (600…800мкс) [Rakov, 2013]. В финальной стадии вспышек обоих типов возникаютпачки,состоящиеиз20-40коротких(1…2мкс)импульсовсмежимпульсными интервалами 5…7 мкс. Детальный анализ трансформацииформ и параметров при распространении над земной поверхностьюобсуждается в 3 главе.Начиная с 1926 г. [Lejay, 1926], в качестве модели молниевых разрядовкак источников электромагнитного радиоизлучения используется точечныйэлектрическийдиполь.сильноточныхкомпонентУчитываязначительнуюмолниевыхвспышекпротяженность(обратныхударов),достигающую нескольких километров, применимость такой модели длярасчета ближних полей и разработки методов и средств пассивной локацииих источников не представляется очевидной. Среди различных типовмоделей упомянутых разрядов, классификация и обсуждение которыхприводится в работе [Rakov, Uman, 1998а], следует выделить класс такназываемых"инженерных"моделей.Внихразрядописываетсянестационарной волной тока, возбуждаемой в основании молниевого каналаи распространяющегося вдоль него с постоянной или переменной скоростью.17Параметры модели излучающего тока подбираются на основании прямыхизмерений токов в основании разряда, а скоростные характеристикидвижения фронта находятся из данных оптической регистрации развития егосветимости.
Уточнение модельных параметров источника осуществляетсяпутем сопоставления полей, рассчитанных на основании модели, сэкспериментально зарегистрированными на различных удалениях от него. Кнастоящему времени опубликовано несколько десятков работ, посвященныхразработке подобных моделей, из которых можно выделить [Bruce, Golde,1941; Uman, McLain, 1969; Heidler, 1985; Rakov, Dulzon, 1987]. Большинствоиз них являются модифицированными версиями модели в виде передающейдлинной линии, рассмотренной в [Uman, McLain, 1969].
Как правило, разрядрассматривается в виде вертикального проводящего линейного канала соснованием,расположеннымнаповерхностиплоскойбесконечнопроводящей земли, а расчеты полей проводятся для точки наблюдения, такженаходящейся на поверхности земли.В инженерной модели решается уравнение, связывающее продольныйток канала на любой высоте в любой момент времени с током в основанииканала.
Ряд простых инженерных моделей может быть выражено следующимуравнением:()I ( z , t ) = u t − z / v f P( z )I (0, t − z / v ) ,где u – функция Хевисайда, P( z ) – коэффициент затухания, зависящий отвысоты, v f – скорость фронта, v – скорость распространения волны тока.В модели передающей линии [Uman, McLain, 1969] P( z ) = 1, v = v f . Вмодифицированной модели передающей линии с линейным затуханием токапо высоте [Rakov, Dulzon, 1987] P( z ) = 1 − z / H , v = v f , H – высота канала. Вмодифицированноймоделипередающейлиниисэкспоненциальнымзатуханием тока по высоте [Nucci, Mazzetti, Rachidi, Ianoz, 1988]P( z ) = exp(− z / λ ) , v = v f .
В модели Брюса-Голда [Bruce, Golde, 1941]P( z ) = 1 , v = ∞ . В модели бегущего источника тока [Heidler, 1985] P( z ) = 1,v = −c , c – скорость света.В публикации [Borisov, Kononov, 1996] были даны аналитическиевыражения для вычисления компоненты магнитного поля для молниевой18модели, представляющей собой передающую линию [Кононов, Петренко,Снегуров, 1986] с однополярной бегущей волной тока, распространяющейсявдоль вертикального канала конечной длины l с постоянной скоростью v. Вней были исследованы некоторые пространственные особенности поля длявертикального молниевого канала, расположенного на идеально проводящейземле. В этой модели ток канала выражается через импульс тока на уровнеземли:z' ⎞⎛I ( z ' , t ) = I ⎜ 0, t − ⎟ ,v⎠⎝где I (0, t ) – импульс тока на уровне земли, z ' – координата, вдоль которойнаправлен ток, v – скорость распространения волны тока.
Такой импульстока производит [Uman, McLain, Krider, 1975] обычно ненаблюдаемое поле"зеркального образа" при достижении верха канала. Для устранения этогоэффектаможнопредположить,чтоимпульстокаослабеваетэкспоненциально с высотой как:z' ⎞⎛ z' ⎞ ⎛I ( z ' , t ) = exp⎜ − ⎟ ⋅ I ⎜ 0, t − ⎟ ,v⎠⎝ λ⎠ ⎝где λ – коэффициент затухания.Как было показано в работе [Nucci, Rachidi, 1989], в подобной простойформе могут быть представлены и другие модели тока. Существуетмножество молниевых моделей, нацеленных на лучшее соответствие междуизмереннымиирассчитаннымиполями.Некоторыеизмоделейпредсказывают с хорошей точностью структуру фронта сигнала и начальныхпиков, например, в работе [Cooray, Lundquist, 1985] представленыустойчивые статистические данные по амплитудам и временным интерваламнескольких пиков, следующих за первым. Можно предположить, чтовариации тока не являются единственным источником изменения волновыхформ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
