пїњ

ѕј–јћ≈“–џ ¬≈–“» јЋ№Ќќ√ќ ѕ–ќ‘»Ћя »Ќƒ≈ —ј ѕ–≈ЋќћЋ≈Ќ»я “–ќѕќ—‘≈–џ Ќјƒ —≈¬≈–Ќќ… „ј—“№ё ј“ЋјЌ“»„≈— ќ√ќ ќ ≈јЌј

Ћ.».  ижнер, Ќ.ј. ћальцева
ѕј–јћ≈“–џ ¬≈–“» јЋ№Ќќ√ќ ѕ–ќ‘»Ћя »Ќƒ≈ —ј ѕ–≈ЋќћЋ≈Ќ»я “–ќѕќ—‘≈–џ Ќјƒ —≈¬≈–Ќќ… „ј—“№ё ј“ЋјЌ“»„≈— ќ√ќ ќ ≈јЌј
–абота выполнена при поддержке ‘÷ѕ ЂЂЌаучные и научно-педагогические кадры инновационной –оссииї
на 2009-2013 гг. (√  є 8345).
ѕредставлены параметры экспоненциальной и биэкспоненциальной зависимостей среднего вертикального профил€ индекса преломлени€ воздуха в тропосфере. –асчеты выполнены по 64 станци€м, расположенным на побережье ≈вропы, јмерики, на островах и корабл€х погоды в открытой части океана. ¬ыполнена оценка точности восстановлени€ профил€ N. — использованием программы ЂSurferї построены изолинии радиоклиматических параметров и проведен анализ их распределени€ в пространстве и во времени. –езультаты актуальны дл€ учета рефракции в тропосфере.
 лючевые слова: коэффициент преломлени€ воздуха; рефракци€ радиоволн; ультракороткие волны; јтлантический океан.
ѕрименение ультракоротких радиоволн (” ¬) весьма разнообразно и сводитс€ в основном к осуществлению радиосв€зи с использованием радиовещательных станций, в авиационных радионавигационных системах, морских и авиационных радиома€ках аварийноспасательных служб, на станци€х спутниковой св€зи.
ќсобенностью волн ” ¬-диапазона €вл€етс€ тот факт, что на их распространение оказывают вли€ние метеорологические услови€. ќпредел€ющим фактором вли€ни€ атмосферы на распространение ” ¬ €вл€етс€ распределение коэффициента преломлени€ воздуха во времени и в пространстве.
ќдним из главных про€влений вли€ни€ среды на распространение излучени€ €вл€етс€ преломление электромагнитных волн в атмосфере, или рефракци€: траектории волн искривл€ютс€, источник излучени€ виден по иному направлению, чем то, по которому он был бы виден в случае отсутстви€ атмосферы. ¬озникает пон€тие видимого угла места источника в отличие от истинного, не искаженного вли€нием атмосферы. –азность видимого и истинного углов места источника излучени€ характеризует угол рефракции. ¬следствие искривлени€ траектории увеличиваетс€ также геометрическое рассто€ние, которое луч проходит между точками излучени€ и приема.
–ефракцию электромагнитных волн как искажающий фактор необходимо учитывать при решении широкого круга задач св€зи, локации, геодезии, навигации, астрономии и в других приложени€х. ¬ последние дес€тилети€ данные измерений рефракции используютс€ также дл€ решени€ обратных задач, св€занных с определением высотных профилей коэффициента преломлени€, температуры, давлени€ и влажности воздуха.
Ќеоднородна€ и изменчива€ структура атмосферы ограничивает возможности и точность радиотехнических систем. ƒл€ планировани€ работы систем радиосв€зи необходимо иметь сведени€ о специфических радиометеорологических характеристиках атмосферы, как климатических, так и мгновенных.
јктуальность работы. –адиометеорологическое моделирование тропосферы крупных регионов €вл€етс€ одной из важных задач, сто€щих перед ћеждународным союзом электросв€зи [1]. ћоделирование подразумевает, в том числе, получение среднего вертикального профил€ коэффициента преломлени€ в тропосфере. Ќа основе этих данных рассчитываетс€ рефракци€ в тропосфере. Ќаиболее фундаментальной работой
€вл€етс€ радиоклиматический атлас [2], опубликованный в 1966 г. ќднако он построен по ограниченному в пространстве и во времени набору метеорологических данных. ѕри получении среднего вертикального профил€ коэффициента преломлени€ использованы данные за 5 лет, общее количество точек наблюдений составило 112 по всему земному шару, включа€ сухопутные и морские станции аэрологических наблюдений. Ќаибольшее количество станций использовано дл€ территории —Ўј. ƒл€ рассматриваемой территории использовано около 30 станций. Ѕолее современной работой, отражающей результаты исследований над океанами, €вл€етс€ –адиоклиматический тропосферный атлас “ихого океана [3].
јктуальность данной работы - дальнейшее исследование и уточнение радиоклиматического режима океанов, которые в силу ограниченности наблюдений исследованы недостаточно, в частности акватории јтлантического океана.
¬ работе выполнены расчет и анализ среднего вертикального профил€ индекса преломлени€ N в тропосфере над северной частью јтлантического океана. –асчеты выполнены по 64 станци€м, расположенным на побережье ≈вропы, јмерики, на островах и корабл€х погоды в открытой части океана. ¬ расчетах использованы климатические характеристики за период 1957-1967 гг. “аким образом, существенно увеличено количество пунктов наблюдений и период, за который данные были обобщены.
Ѕыли решены следующие задачи: получены параметры экспоненциальной и биэкспоненциальной моделей среднего вертикального профил€ коэффициента преломлени€ над северной частью јтлантического океана; выполнена оценка восстановлени€ среднего профил€ N с учетом коэффициента детерминации; проведено картирование полученных данных с использованием программы ЂSurferї.
ќсновные теоретические положени€. ¬ радиометеорологии основной характеристикой, определ€ющей особенности распространени€ ультракоротких волн, €вл€етс€ коэффициент преломлени€ воздуха п.  оэффициент преломлени€ отличаетс€ от единицы на дес€титыс€чные доли. ѕоэтому на практике используют индекс преломлени€ N. —оотношение между N и п имеет вид
N = (п - 1)106. (1)
 оэффициент преломлени€ зависит от температуры, давлени€ и влажности воздуха. »звестно, что верти-
кальные градиенты метеовеличин в среднем значительно превосход€т горизонтальные. ѕоэтому в теории рефракции наибольшее распространение получила сферически-слоиста€ модель атмосферы.
Ќаиболее широко используетс€ метод определени€ показател€ преломлени€ путем измерени€ температуры, давлени€ и влажности воздуха с последующим расчетом N. Ќаиболее распространенна€ зависимость Nот метеовеличин [4]:
N=Ќј √ P + 481∞в
(2)
где – - атмосферное давление, гѕа; “ - температура,  ; е - парциальное давление вод€ного пара, гѕа.
ќсновное вли€ние на рефракцию ” ¬ в тропосфере оказывает вертикальное распределение N. ƒл€ оценки регул€рной рефракции необходимо иметь многолетние сведени€ о профиле N[5].
¬ инженерных расчетах обычно используютс€ три вида зависимости среднего вертикального профил€ N линейна€, экспоненциальна€, биэкспоненциальна€. ƒвухпараметрическа€ линейна€ модель неплохо отражает средний профиль N в нижней тропосфере (до 11,5 км) [6]. Ёкспоненциальна€ модель нашла широкое распространение в теоретических исследовани€х и инженерных расчетах [7-9]. ѕолучено, что экспоненциальна€ модель хорошо согласуетс€ с реальным средним профилем N до высоты 3 км.
Ёкспоненциальна€ модель имеет вид
(
N = NO exp
H_
tf
\
(«)
«десь Nќэ (Ћ-ед), Ќэ (км) - параметры экспоненты: значение индекса преломлени€ на нулевой высоте и масштаб высоты; Ќ (км) - текуща€ высота. ћасштаб высоты определ€ет высоту, на которой N уменьшаетс€ в е раз.
Ѕиэкспоненциальна€ модель дает лучшие результаты дл€ большего диапазона высот. Ѕиэкспоненциаль-на€ модель используетс€ дл€ определени€ рассто€ний с помощью радиодальномеров [10], в аэрологических измерени€х [11] дл€ введени€ поправок на высоту из-за рефракции.
Ѕиэкспоненциальна€ модель основана на разделении индекса преломлени€ (2) на две компоненты - сухую и влажную - и применени€ к каждой компоненте экспоненциального закона уменьшени€ ее с высотой:
Ћ (
+ Ћќ>в exp
(4)
H
. H*, параметры биэкспо
( »\ f u\
^ = NOс exp - -
V H с J
где NQc, (N-ед), Ќс, »в (км)
ненты; Ќ (км) - текуща€ высота.
–анее было получено, что дл€ “ихого океана [3] би-экспоненциальна€ модель лучше отражает вертикальный профиль N0) в районах с жарким и теплым климатом. —юда относ€тс€ экваториальна€, субэкваториальна€, тропическа€ и субтропическа€ зоны обоих полушарий, где велик вклад влажной компоненты, поэтому в указанных зонах имеют место значительные вариации параметров влажной компоненты.
√раница применимости моделей измен€етс€ в зависимости от сезона. ¬ холодное врем€ года в северном полушарии она смещена к югу (30∞ с.ш. на западе и
45o с.ш. на востоке), а летом располагаетс€ на 50-60o с.ш. ¬ южном полушарии граница ориентирована по широте и расположена на параллел€х от 40o ю.ш. в августе до 50-55o ю.ш. в феврале [«].
ќсобенности вычислений и результаты. ќценка погрешностей восстановлени€ вертикального профил€ N(Ќ) в тропосфере над ћировым океаном показала целесообразность использовани€ экспоненциальной и биэкспоненциальной моделей. ¬ работе выполнен расчет параметров этих зависимостей (формулы «, 4) дл€ всей толщи тропосферы. ¬ качестве исходных материалов использованы статистически надежные аэрокли-матические данные по открытой части океана, а также данные прибрежных и островных станций. ƒл€ выполнени€ расчетов использовались ћатериалы по климату атмосферы над зарубежными странами северного полушари€ [12-16], по данным о средних значени€х температуры и влажности воздуха по станци€м ≈вропы, јзии, —еверной јмерики и јтлантического океана.  лиматические характеристики вычислены за многолетний период 1957-1967 гг. и представлены на стандартных изобарических поверхност€х. ѕараметры дл€ каждой модели определены методом наименьших квадратов [17]. ќценка качества моделей выполнена по коэффициенту детерминации R2 [17]. –асчеты выполнены за 4 центральных мес€ца сезонов: февраль (зима), май (весна), август (лето), но€брь (осень).
Ќа основе выполненных расчетов построены карты пространственного распределени€ параметров экспоненциальной и биэкспоненциальной моделей вертикального профил€ N с использованием программы ЂSurferї. Ќиже представлены карты распределени€ параметров экспоненциальной (рис. 1-2) и биэкспоненциальной (рис. «-6) зависимостей среднего вертикального профил€ индекса преломлени€ за август. ƒл€ иллюстрации выбран летний мес€ц, потому что в этот период океан наиболее прогрет и параметры моделей претерпевают наибольшие изменени€ по территории.
»зменени€ параметров моделей в пространстве. Ёкспоненциальна€ модель. Ќа территории северных станций значение ∆э имеет меньшие значени€, чем на юге. ћаксимальное значение ^ќэ, равное «68,1 N-ед., характерно дл€ ст. ѕанама (субэкваториальный по€с). ћинимальное значение («05,9 N-ед.) наблюдаетс€ на ст. Ќарсарсуак, расположенной в южной части о-ва √ренланди€ на границе арктического и субарктического по€сов. ѕри этом на территории северных станций (ќсло, Ћервик, “орсхавн), наход€щихс€ чуть южнее пол€рного круга в районе —кандинавского полуострова, N в феврале больше, чем на более южных станци€х. Ёто обусловлено очень низкими температурами, малым влагосодержанием воздуха и преобладающим вкладом в величину N температурного фактора.
«начени€ масштаба высоты измен€ютс€ в пределах 1 км. ћаксимальное значение рассчитано на ст. Ќорт-‘ронт (район √ибралтара) и составило 8,«5 км, минимальное - на ст. ѕанама (7,27 км). ¬ целом, в южных широтах ƒ меньше, чем в северных. ƒ указывает на более резкое убывание с высотой индекса преломлени€ и, соответственно, на большую рефракцию при прочих равных услови€х.
–ис. 1. –аспределение Nќэ. јвгуст
–ис. 2. –аспределение Ќэ. јвгуст
ѕрослеживаетс€ большой горизонтальный градиент коэффициента преломлени€ над западным побережьем јтлантического океана (районы ћексиканского залива) и малый градиент - над северовосточным побережьем. Ёто обусловлено большими контрастами в изменении по широте влажности и температуры воздуха.
Ѕиэкспоненциальна€ модель. ќбща€ закономерность такова, что значени€ ћЁ— с севера на юг уменьшаютс€, что объ€сн€етс€ большой влажностью в тропических широтах и, как следствие, меньшим вкладом сухой компоненты и большим вкладом - влажной. ћаксимальное значение зафиксировано на ст. Ќикози€ (о.  ипр, —редиземное море) - 291,9 Ћ^-ед. ћинимальное значение Nќc рассчитано на ст. Ѕраунсвилл (тропическое побережье —Ўј) - 265,0 ^ед. “аким обра-
зом, относительно большие значени€ Nќc характерны дл€ районов с более сухой нижней атмосферой (высокие широты, а также - восточна€ часть океана - благодар€ циркул€ционным факторам).
«начени€ Ќс возрастают с севера на юг. Ќаибольшие значени€ масштаба высоты Ќс наблюдаютс€ на побережье јмерики и в районе п-ва ‘лорида (ћайами), минимальные значени€ - в районе о-ва  ипр.
«начени€ N9,5 регул€рно возрастают с севера на юг. ѕри этом на одной и той же широте над открытой частью океана N0,5 больше, чем у побережий јмерики и ≈вропы. »зменени€ по территории N0,5 составл€ют от 80 до 135 ^ед.
ћасштаб высоты влажной составл€ющей Ќ измен€етс€ незначительно и составл€ет 2, 0- 2,1 км.
–ис. 4. –аспределение Ќс. јвгуст
120∞ 90" 60∞ 30: 0∞ 30:
–ис. 5. –аспределение N0,5. јвгуст
120∞ 90∞ 60∞ 30* 0∞
–ис. 6. –аспределение HB. јвгуст
¬ременные изменени€ параметров модели. Ёкспоненциальна€ модель. ƒл€ рассматриваемой территории наибольшие значени€ N0э наблюдаютс€ в летний период (август), а минимальные - соответственно зимой (февраль). Ёто касаетс€ всей территории за исключением самых северных районов, где за счет низких температур N возрастает. «имой изменени€ Nќэ по территории составл€ют 310-350 ^ед., летом - 316-368 N ед. «она больших горизонтальных градиентов в теплое врем€ смещаетс€ от тропических в субтропические широты примерно на 10∞ на север.
«начени€ масштаба высоты измен€ютс€ незначительно. ¬ годовом ходе максимум преобладает в зимний период, а минимум - в летний. «имой Ќэ измен€етс€ по территории в пределах 7,5-8,0 км, летом - 7,37,9 км. ¬ целом наблюдаетс€ закономерность: чем выше значени€ N0.3, тем меньше Ќэ, т.е. тем быстрее убывает N с высотой.
Ѕиэкспоненциальна€ модель. ¬ годовом ходе наибольшие значени€ N0с наблюдаютс€ в феврале (265307 ^ед.), наименьшие - в августе (265-280 ^ед.) на всех рассматриваемых станци€х. ћежсезонные значени€ существенно не различаютс€. ћасштаб высоты Ќс зимой несколько меньше, чем летом. »золинии Ќс за но€брь и май расположены идентично.
«начени€ по территории зимой минимальны и составл€ют 20-110 ^ед., летом - максимальны (80130 ^ед.). ћасштаб высоты Ќв на большинстве станций больше летом, чем зимой. «начени€ N0в в разных районах составл€ют 1,8-2,5 км.
ѕо результатам оценки точности аппроксимации моделей получено, что коэффициент детерминации близок к 1 (& = 0,995-0,999).
ѕри этом дл€ субарктических и умеренных широт более точные результаты дает экспоненциальна€ модель, дл€ субтропических, тропических, субэкваториальных широт Ћ2 имеет большие значени€ дл€ биэкс-
поненциальной модели. Ёти результаты хорошо согласуютс€ с ранее полученными выводами дл€ “ихого океана [3].
¬ыводы. ¬ работе выполнена оценка рефракционных свойств тропосферы северной части јтлантического океана с использованием климатических данных по 64 станци€м, расположенным на побережье ≈вропы, јмерики, на островах и корабл€х погоды в открытой части океана. ¬ расчетах использованы климатические характеристики атмосферы до уровн€ 200 гѕа (12 км) за период 1957-1965 гг. за центральные мес€цы сезонов (февраль, май, август, но€брь).
–ассчитаны два параметра дл€ экспоненциальной и четыре параметра биэкспоненциальной моделей среднего вертикального профил€ индекса преломлени€ над рассматриваемой территорией.
ѕроизведена оценка восстановлени€ профил€ индекса преломлени€ по коэффициенту детерминации R2. ѕолучено, что значени€ R2 превышают 0,900. ѕри этом экспоненциальна€ модель более точно отражает профиль N в субэкваториальных и умеренных и широтах, биэкспонента - в субтропических и тропических широтах.
ѕо результатам расчетов построены карты пространственного распределени€ параметров двух моделей с помощью программы ЂSurferї.
ѕроведен анализ пространственных и временных изменений параметров моделей за 4 мес€ца. ¬ыделены экстремальные значени€ рассчитанных параметров.
¬ целом полученные расчеты согласуютс€ с данными по “ихому океану.
÷енность работы заключаетс€ в том, что параметры биэкспоненты рассчитаны и экспоненты дл€ этой территории рассчитаны с использованием большего количества данных.
–езультаты работы будут использованы при подготовке Ђ–адиоклиматического тропосферного атласа јтлантического океанаї.
Ћ»“≈–ј“”–ј
1. –адиостанции ” ¬ диапазона: состо€ние, перспективы развити€, особенности применени€ режима скачкообразного изменени€ частоты.
URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращени€ 12.11.2011).
2. A World Atlas of Atmospheric Radio Refractivity / B.R. Bean, B.A. Cahoon, C.A. Samson, G.D. Thayer. United States Government Printing Office.
Washington, 1966. EsSa Monograph 1. 130 p.
3. –адиоклиматический тропосферный атлас “ихого океана. “омск, 2000. 171 с.
4. Ѕин Ѕ–, ƒаттон ≈.ƒж. –адиометеорологи€ / пер. с англ. “.». јрсень€н. Ћ. : √идрометеоиздат, 1971. 362 с.
5. ћещер€ков јј, √осенченко —.√.,  ижнер Ћ». ¬ли€ние изменчивости индекса преломлени€ тропосферы на дальность пр€мой видимости и
погрешности измерени€ координат радиолокационных целей // »звести€ “омского политехнического университета. ћатематика и механика. ‘изика. 2011. “. 318, є 2. —. 59-63.
6. «аболотный Ќ.—., √олдина ¬Ќ. »спользование математических моделей дл€ определени€ показател€ преломлени€ атмосферы // »звести€
вузов. √еодези€ и аэрофотосъемка. 1987. є 2. —. 30-33.
7. Ѕартон ƒ., ¬ард √. —правочник по радиолокационным измерени€м. ћ. : —ов. радио, 1976. 392 с.
8. √рудинска€ √.ѕ. –аспространение радиоволн. ћ. : ¬ысша€ школа, 1975. 280 с.
9. Ќаумов јѕ. ќ статистической структуре распределени€ радиометеорологических характеристик // »звести€ вузов. ‘изика атмосферы и
океана. 1979. ¬ып. 15, є 2. —. 175-186.
10. —правочник геодезиста. ћ. : Ќедра, 1985.  н. 2. 440 с.
11. “рифонов √ ѕ. ”чет рефракции при обработке данных радиолокационной системы зондировани€ атмосферы // ћетеорологи€ и гидрологи€.
1986. є 7. —. 46-54.
12. јтлас океанов. “ихий океан // √лавное управление навигации и картографии ћќ ———–. 1974. 302 с.
13. јтлас климатических характеристик температуры, плотности и давлени€ воздуха, ветра и геопотенциала в тропосфере и нижней стратосфере —еверного полушари€ / под ред. ƒ.». —техновского. ћ. : √идрометеоиздат, 1975. ¬ып. 1 : ћноголетние средние значени€ давлени€ и температуры воздуха на уровне мор€ и уровне станции. 128 с.
14. ћатериалы по климату и циркул€ции атмосферы над зарубежными странами северного полушари€. ћ., 1974. “. 1, вып. 2.
15. ћатериалы по климату и циркул€ции свободной атмосферы над зарубежными странами северного полушари€. ћ., 1972-1973. “. 1, вып. 1.
16. ћатериалы по климату и циркул€ции свободной атмосферы над странами южного полушари€. ћ., 1976. “. 1, вып. 1.
17. Ћьвовский ≈Ќ. —татистические методы построени€ эмпирических формул. ћ. : ¬ысш. шк., 1988. 239 с.
—тать€ представлена научной редакцией ЂЌауки о «емлеї 28 сент€бр€ 2012 г.

пїњ