Способ дистанционного определения водозапаса капельных облаков

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 ЧЧ 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОО

| = |0| P (I — R ) — Г б |".1 (К) ехр | - Ции +а }), К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4650031/10 (22) 18.01.89 (46) 30.11.91. Бюл. N 44 (71) Институт физики атмосферы АН СССР (72) С.В. Дворяшин и Н.С. Пугачев

- (53) 551.51(088.8) (56) Степаненко ВД. и др, Радиотеплолокация в метеорологии,— Л,: Гидрометеоиздат, 1987, с. 191. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОЗАПАСА КАПЕЛЬНЪ|Х ОБЛАКОВ (57) Изобретение относится оптике атмосИзобрел| .ние относится к оптике атмосферы, в частности к оптическим исследованиям облачных образований, и может быть ,,::11спользовано при контроле облачной атмосферы с самолетов, аэростатов или наземных метеостанций, а также в спектроскопии рассеивающих сред, Цель изобретения — повышение точности.

Сущность способа заключается в следующем.

Измеряют интенсивность рассеянного, прошедшего сквозь облако солнечного электромагнитного излучения в шести спектральных интервалах: ЛА1 = 2,0791 — 2,0793 мкм; Ailz= 2,0939-2,941 мкм; ЛМз = 2,0956—

2,958 мкм; ЛЙ= 2,1308 вЂ,1310 мкм Л4

2,2790"2,2792 мкм; Ai4 = 2,3123 — 2,3125 мкм. Длины волн и ширина интервалов выбраны таким образом, что находятся в полосе поглощения капельной воды и в них не попадают линии поглощения атмосферных газов. Континуальное ослабление солнечно,, 50, „1695250 А1 феры, в частности к оптическим исследованиям облачных образований, и может быть использовано при контроле облачной атмосферы, а также в спектроскопии рассеивающих сред. Целью изобрете||ия является повышение точности. Цель изобретения достигается тем, что измеряют интенсивность прошедшего сквозь облако рассеянного солнечного электромагнитного излучения не менее, чем в трех спектральных интервалах в полосе поглощения капельной воды в диапазоне 2,0 — 2,5 мкм и по соотношению полученных величин судят о величине водоэапаса. 1 ил, го излучения безоблачной атмосферой в выбранных интервалах одинаково. Кроме того, рассеивающие свойства капельных облаков (козффициент рассеяния, распределение фотонов по пробегам) в этих шести спектральных интервалах для реальных распределений капель по размерам совпадают.

Интенсивность регистрируемого излучения|| в этих шести спектральйых интервалах может быть описана следующим выражением где 4| — интенсивность солнечного излуче. ния в |-том (= 1,2.„6) интервале на верхней границе атмосферы;

P - функция пропуокания безоблачной части атмосферы на пути луча;

R — отражательная способность облака;

1695250 (4) ОприО Н

12(Х =

В при Н (5) 20 (6) = }12(х)с} х =1 о а — телесный угол поля зрения прибора;

1 — длина пути пробега фотона в облаке;

1(1) — функция, описывающая распределение фотонов по длинам пробега в облаке;

W — водность облака; а; — массовые коэффициенты поглощения капельной воды в ЛЯ}, а — коэффициент поглощения, обусловленный всем остальными компонентами атмосферы, отличными от капель воды (газы и аэрозоль), cj практически не зависят от реально встречающихся в облаках распределений капель по размерам (ваоиации в пределах 5%) и равны а} =46,5; а == 42,3, аз =41,6, а}=

=- 34,1; а = 34,6; аб = 40,2 см r. Из измерений следует, что величина а" не превышает значения 0,02 мк . Водность подавляющего большинства капельных облаков лежит в диапазоне Wj (0,1-0,4) г/м .

На основании теоремы о среднем выражении (1) можно представить в виде (СО

„" d и (k.j exp - L iN a; d,}

Моделирование (ф, проведенное методом Монте-Карло, показало, что величина

1} ф одинакова во всех выбранных спектральных интервалах (вариации менее 5%).

Как видно из (2) экспонента под интегралом, описывающим поглощение излуче. ния на облачных каплях, зависит не от самой длины пробега f„ a от произведения (1)й)а . Причем величина водности в каждом конкретном случае не известна, Иными словами, не зная водности W, по спектрам поглощения нельзя определить 4, а можно лишь произведения (I ) а . Тогда, производя замену переменных под интегралом х =

=Ю d =, (2) преобразуется в

1 =1О} Г } а х I (— )ехр /ха; 1 (3) где Г =. — Р (I — R ) — ехр g — f +. а

1 N э

W 2л величина одинаковая во всех шести спектральных интервалах.

Расчеты, проведенные методом МонтеКарло, и анализ экспериментальных данных показывает, что реальные функции, описывающие распределение фотонов по пробегам в облаке!(г). хорошо аппроксимируются функциями вида

ОприО <х <Н

1}(х) =

В ехр — к х при Н < x < оо при неплотных облаках (солнечный диск виден на просвет), оптическая толща r < 15,. и

Ь с ехр — к х при х1 < x < oo

15 для плотных облаков г>15.

Функции 1(x), 11 (х) и Iz(x) удовлетворяют условиям нормировки,1 I (х ) d х =.11} (х ) d x =

Величина Н имеет смысл водозапаса облака, т.е. толщины облака, умноженной на его водность; величины К, В, С,.х — аппроксимационные параметры.

Таким образом, водозапас облака находится методом наименьших квадратов из решения задачи об отыскании минимума функционала путем вариации параметров Н

35 б мин, >, (Ij — f J (Н,у x; ) )

}-} 1 = 1

У .}

40 где

f1(H,у,х )=1,}F }dxl1(х)

p)

-Р {-" }y1 =(F.K)jy =(F, K,) — вектор вспомогательных параметров, отыскиваемых одновременно с Н, Проверка работоспособности способа проводилась моделированием на ЭВМ. Для этого методом Монте-Карло численно рассчитывались функции l(x), описывающие распределение фотонов по пробегам в облаке, Затем по формуле (1) рассчитывались значения 1} и с использованием выражения (7) методом наименьших квадратов оценивался водозапас.

При моделировании толщина облака была выбрана на 1 км; водность варьировалась в диапазоне 0,1 — 0,4 г/м, коэффициенты рассеяния варьировались в диапазоне

5 — 30 км (т,е. соответствующая оптическая

1695250

Составитель Е,Денисов

Редактор И.Касарда Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В,Гирняк

Заказ 4160 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 толщина была 5 — 30); альбедо подстилающей поверхности варьировалась от 0 до 0,8; при этом средний пробег фотонов в облаке изменялся от 2 до 5,5 км.

Среднеквадратичная погрешность оп. ределения водоэапаса, обусловленная приближенностью выражения (7), не превышает 12 Из-за неопределенности значений коэффициентов поглощения

Q может возникать дополнительная ошибка, не превышающая 5 . Таким образом. учитывая независимость этих двух ошибок и их случайный характер (они зависят от .конкретных условий, сложившихся в момент измерений — водности, оптической толщины, распределения капель по размерам и т.д,) за оценку методической погрешности можно принять значение 15, Наличие случайных шумов при регистрации

l с отношением сигнал-шум 100 не нарушает устойчивости определения водоэапаса, Использование изобретения позволяет повысить точность дистанционного опреде-. ления водозапаса, упростить технику измерений и аппаратуру, снизить трудоемкость.

Способ позволяет полностью автоматизировать процессы измерений и последую5 щего определения водоэапаса, а следовательно, может быть внедрен на сеть наземных метеостанций для получения оперативной информации, необходимой для составления прогнозов.

Формула изобретения

Способ дистанционного определения водозапаса капельных облаков, при котором измеряют интенсивность электрома15 гнитного излучения в нескольких спектральных интервалах и по соотношению полученных величин судят о величине водозапаса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, интенсивность элект20 ромагнитного излучения измеряют не менее чем в трех спектральных интервалах в полосе поглощения капельной воды в диапазоне 2,0-2,5 мкм.