КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-17-00386

НазваниеЛидарные методы и средства визуализации пространственной структуры турбулентных полей ветра и температуры в атмосфере

РуководительБанах Виктор Арсентьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2018 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-603 - Волновые процессы и турбулентность в атмосфере

Ключевые словаатмосфера, ветровая и температурная турбулентность, зондирование, доплеровский лидар, пограничный слой, низкоструйные течения, внутренние волны, вихревые структуры

Код ГРНТИ37.21.35


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В Проекте 2017 предполагается продолжить начатое в Проекте 2014 изучение атмосферных внутренних волн (АВВ) и турбулентно волнового взаимодействия в уникальных природных условиях прибрежной зоны Байкала, где из-за низкой температуры байкальской воды устойчивая стратификация пограничного слоя атмосферы (ПСА) летом реализуется в дневное время. Новизна планируемых исследований определяется не только накоплением новых экспериментальных данных о продолжительности волновых явлений, амплитуде и периоде возникающих осцилляций скорости ветра в условиях дневной устойчивости ПСА, но и тем, что ветровые лидарные измерения будут дополнены измерениями флуктуаций скорости ветра и температуры акустическими метеостанциями на нескольких уровнях на высотах приземного слоя и измерениями интенсивности оптической (температурной) турбулентности по всей высоте ПСА с помощью турбулентного лидара. Будут получены новые количественные данные об интенсивности температурных флуктуаций во время и в отсутствие узкоструйных течений и АВВ. Второе направление исследований по Проекту 2017 связано с разработкой научной базы лидарной визуализации самолетных вихрей в целях обеспечения авиабезопасности и повышения пропускной способности ВПП в загруженных аэропортах. Именно на решение актуальной задачи создания базы данных о времени жизни самолётных вихрей в зависимости от термодинамических условий в атмосфере направлен Проект 2017. Важной особенностью планируемых экспериментов является комплексирование измерений ветра доплеровским лидаром «Stream Line» с измерениями интенсивности температурной турбулентности в пограничном слое турбулентным лидаром в ПСА и с измерениями флуктуаций скорости ветра и температуры акустическими метеостанциями на разных уровнях на высотах приземного слоя. Это обеспечит создаваемую базу данных качественно новой информацией о термодинамических условиях в атмосфере во время зондирования самолётных вихрей. Третьей задачей проекта является развитие нового направления в зондировании атмосферы, открывающего возможность лидарного измерения параметров температурной турбулентности. Речь идёт о дальнейшем техническом усовершенствовании турбулентного лидара, принцип действия которого основан на эффекте усиления обратного атмосферного рассеяния в случайных средах, и методических вопросах измерения интенсивности оптической турбулентности с его использованием. В Проекте 2017 планируется активное использование турбулентного лидара в исследованиях турбулентно волнового взаимодействия и самолётных вихрей в ПСА. В этой связи необходимо завершить дооборудование лидара сканирующим устройством и обеспечить техническую возможность повышения временного разрешения измеряемых данных. Важным новым аспектом планируемых исследований в этом направлении является изучение проявления эффекта усиления обратного рассеяния при изменении параметров лидара и зондирующего излучения – длительности и периодичности следования импульсов и анализ возможности постановки и решения обратной задачи восстановления профиля структурной постоянной флуктуаций показателя преломления воздуха вдоль трассы зондирования по измерениям коэффициента усиления обратного атмосферного рассеяния применительно к конструктивно техническим характеристикам турбулентного лидара. Все три направления исследований по заявляемому Проекту 2017 логически объединены с задачами Проекта 2014. Постановка новых задач в Проекте 2017 основывается на результатах исследований по Проекту 2014 и отвечает современным мировым тенденциям исследований в области атмосферного турбулентно волнового взаимодействия и решения практических задач авиабезопасности и повышения эффективности работы аэропортов. Масштаб и научная значимость заявляемых задач соответствует передовому уровню исследований в данной области науки в мире, а в части разработки и создания лидара для измерения интенсивности оптической турбулентности заявляемые исследования носят приоритетный характер.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения Проекта 2017 г. должны быть получены новые экспериментальные данные о турбулентно волновом взаимодействии, продолжительности волновых явлений, амплитуде и периоде осцилляций скорости ветра, возникающих на высотах пограничного слоя атмосферы в уникальных природных условиях береговой линии озера Байкал, когда устойчивая термическая стратификация в пограничном слое атмосферы (ПСА) летом реализуется в дневное время. Аналогичных данных в мировой научной литературе, судя по последним обзорам в Reviews of Geophysics 2014 и 2015 гг., нет. Практически все известные публикации по турбулентно волновому взаимодействию последних лет направлены на исследование атмосферных внутренних волн (АВВ) с использованием акустических или барографических датчиков в приземном слое во время ночного вымораживания подстилающей поверхности. Новизна планируемых исследований определяется не только накоплением новых экспериментальных данных об АВВ, низкоструйных течениях и ветровой турбулентности во время этих событий в условиях дневной устойчивости ПСА, но и тем, что ветровые лидарные измерения будут впервые дополнены измерениями интенсивности оптической (температурной) турбулентности по всей высоте ПСА с помощью турбулентного лидара. Впервые будут получены количественные данные об интенсивности температурных флуктуаций во время и в отсутствие узкоструйных течений и АВВ. Запланированные в Проекте 2017 детальные экспериментальные лидарные исследования пространственной динамики и эволюции вихрей для различных типов самолётов позволят дополнить базу данных о времени жизни самолётных вихрей, что важно для решения практических задач обеспечения авиабезопасности и повышения пропускной способности взлетно посадочных полос в загруженных аэропортах. О практической важности этой задачи свидетельствует то, что руководство аэропорта Толмачёво г. Новосибирска с большой заинтересованностью подошло к организации экспериментальных исследований в этом направлении по Проекту 2014 и в условиях рабочего траффика аэропорта обеспечило непрерывные в течение нескольких суток лидарные измерения самолётных вихрей. Большой отклик проведённая в Толмачёво экспериментальная кампания по инициативе руководства аэропорта получила в средствах массовой информации, где отмечалось, что исследования проводятся по проекту РНФ и направлены на решение задач авиабезопасности. Генеральный директор аэропорта Е.Я Янкилевич в официальном письме в Институт оптики атмосферы СО РАН после проведения измерений выразил надежду на продолжение сотрудничества по повышению авиабезопасности в аэропорту Толмачёво. Запланированное в экспериментах Проекта 2017 сочетание лидарных наблюдений самолётных вихрей с одновременным определением параметров ветровой турбулентности по данным имеющегося у исполнителей проекта единственного в России доплеровского ветрового лидара «Stream Line» и интенсивности температурной турбулентности по данным единственного в мире турбулентного лидара открывают новые возможности в прогнозировании времени жизни самолётных вихрей и выработки регламента вылетов, обеспечивающего увеличение пропускной способности аэропортов без ущерба для авиабезопасности. Выполнение в Проекте 2017 запланированных работ по техническому дооснащению турбулентного лидара и опыт его применения в запланированных в проекте атмосферных исследованиях самолётных вихрей, внутренних гравитационных волн и турбулентно волнового взаимодействия создадут предпосылки для формирования нового, имеющего приоритетный характер, направления в зондировании атмосферы, открывающего возможность лидарного измерения параметров температурной турбулентности. Будет создан сканирующий лидар, впервые реализующий лидарный принцип измерения интенсивности оптической турбулентности по средней мощности принимаемого атмосферного эхо сигнала, и отработана методика его использования в атмосферных исследованиях. Вообще масштаб задач этого нового направления лидарного зондирования атмосферы выходит за рамки Проекта 2017 и вполне достоин отдельного проекта. Но сейчас важно не упустить российский приоритет и продолжить наращивание наработанного здесь технического и методического потенциала.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 г. по проекту были разработаны модификации методов оценивания вектора скорости ветра и восстановления параметров ветровой турбулентности из зашумлённых исходных данных световолоконных импульсных когерентных доплеровских лидаров. Проведены эксперименты с использованием турбулентного лидара и температурного профилометра в выездных экспедициях на побережье озера Байкал и озера Иссык-Куль с целью исследования турбулентно волнового взаимодействия на высотах пограничного слоя атмосферы. Разработана и апробирована в экспериментах методика измерения турбулентным лидаром интенсивности температурной турбулентности в плоскости вертикального сканирования зондирующим пучком доплеровского лидара при наблюдениях самолётных вихрей. Осуществлена модернизация и проведены эксперименты по калибровке турбулентного лидара на приземной горизонтальной трассе с контролем турбулентных условий распространения независимыми измерителями структурной постоянной флуктуаций показателя преломления. Проведены длительные непрерывные измерения интенсивности оптической турбулентности турбулентным лидаром в приземной атмосфере. В результате численных и атмосферных экспериментов установлено, что разработанная в проекте модификация метода фильтрованной синусоидальной подгонки оценивания среднего вектора скорости ветра из массива измеряемых доплеровским лидаром радиальных скоростей позволяет уменьшить пороговое значение отношения сигнал-шум в 2 раза и увеличить максимальную высоту восстановления профилей ветра с приемлемой точностью примерно на 300 м по сравнению с известными способами. Выполненные теоретические исследования возможностей применения процедур фильтрации, аналогичных использовавшимся при восстановлении среднего вектора ветра, для оценивания параметров ветровой турбулентности из зашумлённых лидарных данных показали эффективность такого подхода. В численных и атмосферных экспериментах впервые показано, что использование фильтрации позволяет поднять высотный потолок определения параметров ветровой турбулентности из лидарных данных, полученных в условиях слабого эхо-сигнала при ненулевой вероятности плохих оценок радиальной скорости. Ранее для восстановления параметров ветровой турбулентности использовались исключительно хорошие оценки радиальной скорости, получаемые при высоких отношениях сигнал шум. Выполненные с использованием температурного профилометра–радиометра МТП-5 сравнительные исследования пространственно временной изменчивости температуры в пограничном слое атмосферы в Томске и в прибрежных зонах озера Байкал и озера Иссык Куль показывают, что в летнее время режимы термической расслоённости нижнего километрового атмосферного слоя в условиях равнинного ландшафта в отсутствие близлежащих водоёмов и в горной местности на побережье крупных водоёмов существенно различаются. На окраине Томска в отсутствие близлежащих водоёмов в летнее время наблюдается периодическая смена термической стратификации с устойчивой ночью на неустойчивую в дневные часы во всём нижнем по высоте 1000 метровом слое атмосферы. С увеличением высоты над подстилающей поверхностью амплитуда суточных вариаций вертикального градиента температуры уменьшается, а значения градиента приближаются по величине к адиабатическому. На Байкале во время измерений в июле – августе 2017 г. практически всегда реализовалась устойчивая термическая стратификация независимо от времени суток. Вертикальный градиент температуры на всех высотах измерения 200-1200 метров над водной поверхностью озера мало изменяется в течение суток. Как и в Томске, с высотой вертикальный градиент температуры уменьшается и приближается по величине к адиабатическому, но условия, близкие к нейтральной стратификации с переходом к очень слабой неустойчивости, реализовались, в среднем за время измерений, лишь на высотах, превышающих 600 м над водой, примерно с 15 до 22 часов местного времени. Более сложная структура пространственно временных изменений вертикального градиента температура наблюдается на Иссык Куле. Условия устойчивой и очень слабоустойчивой стратификация складываются лишь в нижнем 200 метровом слое атмосферы примерно с 18 часов вечера до 9 часов утра местного времени. С 9-00 до примерно 18-00 в нижнем 200 метровом слое и, независимо от времени суток, на высотах, превышающих 200 м, реализуются условия неустойчивой термической стратификации. Величины градиентов на этих высотах значительно превышают величины градиентов во время неустойчивой температурной стратификации в Томске и слабо меняются в течение суток. Измерения коэффициента усиления обратного рассеяния турбулентным лидаром на Байкале показывают, что его величина на наклонной трассе зондирования протяжённостью 800 метров, проходящей на высотах 200-400 метров над водой, может достигать значений 1,1 в дневное время суток. Такие значения коэффициента усиления соответствуют режиму слабой оптической турбулентности и не противоречат известным данным об интенсивности температурной турбулентности на реализовавшихся в эксперименте высотах зондирования. В ночное и вечернее время коэффициент усиления в пределах инструментальной погрешности не отличался от единицы. Анализ временных профилей амплитуды эхо-сигналов в приёмных каналах лидара позволяет отслеживать динамику пространственных объёмов с повышенным или пониженным содержанием аэрозольных частиц. С помощью турбулентного лидара был зарегистрирован один эпизод образования внутренней атмосферной волны. Событие произошло в период с 7-ми до 8-ми часов утра 2-го августа 2017г. на высотах от 270 м до 320 м над водной поверхностью, когда наблюдались периодические изменения амплитуды соответствующих этим высотам эхо-сигналов в осевом приёмном канале лидара. Продолжительность и период зарегистрированных осцилляций амплитуды эхо-сигналов имеют типичные для наблюдавшихся в этом же месте в августе 2015 г. атмосферных внутренних волн значения: примерно 45 и 6 минут, соответственно. Впервые на приземной трассе с контролем турбулентных условий распространения получены данные о вариациях коэффициента усиления средней мощности эхо-сигнала турбулентного лидара в широком диапазоне изменения структурной постоянной флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере. Установлено, что с переходом в режим сильной оптической турбулентности на трассе зондирования коэффициент усиления обратного рассеяния в полном соответствии с теоретическими построениями насыщается на определённом уровне и затем уменьшается по мере усиления оптической турбулентности. Максимальное значение коэффициента усиления, достижимое на заданном расстоянии, зависит от интенсивности оптической турбулентности в момент измерений. Временной ход коэффициента усиления обратного рассеяния хорошо согласуется с временными изменениями структурной постоянной флуктуаций показателя преломления воздуха, определяемой из независимых измерений. Полученные результаты создают базу для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований по определению условий применимости турбулентного лидара. Проведены длительные непрерывные измерения интенсивности оптической турбулентности турбулентным лидаром в приземной атмосфере в сравнении с независимыми измерениями структурной постоянной флуктуаций показателя преломления на трассе зондирования. Результаты одновременной работы на одной и той же 2-х км трассе макета турбулентного лидара и датчика дрожаний изображения показывают, что измеряемые исходные для восстановления структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере «сырые» данные лидара (коэффициент усиления) и датчика дрожаний изображений (среднеквадратическое отклонение случайных смещений энергетического центра тяжести изображения некогерентного источника света) удовлетворительно согласуются друг с другом. Коэффициент корреляции между результатами измерений этими приборами составляет 0,7-0,8. Значения средней по трассе структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере, восстановленные из данных лидара и из данных датчика дрожаний изображения, совпадают по абсолютной величине с погрешностью до 100%, что для измерений такого рода является типичным. Коэффициент корреляции между этими восстановленными значениями структурной постоянной несколько выше, чем коэффициент корреляции между исходными для восстановления измеряемыми параметрами, и составляет величину примерно 0,8-0,9. Пределы изменения восстановленных из данных турбулентного лидара значений структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха соответствуют результатам многочисленных измерений структурной постоянной в приземном и пограничном слоях атмосферы прямыми датчиками и дистанционными оптическими измерителями, что ещё раз косвенно подтверждает корректность данных лидара об интенсивности оптической (температурной) турбулентности.

 

Публикации

1. Афанасьев А.Л., Банах В.А., Гордеев Е.В., Маракасов Д.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В. Measurement of the cross wind velocity by the Doppler lidar and the correlation passive optical meter Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V.10466. P.104662X-1 - 104662X-7 (год публикации - 2017).

2. Банах В.А., Герасимова Л.О. Energy density fluctuations of pulsed Laguerre-Gaussian beam superposition in a turbulent atmosphere Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V. 10466. P. 1046617-1 - 1046617-6 (год публикации - 2017).

3. Банах В.А., Герасимова Л.О. Influence of absorption lines of atmospheric gases on the pulsed radiation spectrum of short duration Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V. 10466. P.1046613-1 - 1046613-5 (год публикации - 2017).

4. Банах В.А., Залозная И.В., Фалиц А.В. Пространственно-временная структурная функция интенсивности оптического изображения топографического объекта в турбулентной атмосфере Известия Вузов. Физика, Т. 60. № 12/2. С. 182-185 (год публикации - 2017).

5. Банах В.А., Смалихо И.Н. Accuracy of estimation of the turbulence energy dissipation rate in the atmospheric boundary layer from measurements of the radial wind velocity by micropulse coherent Doppler lidars Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V.10466. P.104662W-1 - 104662W-10 (год публикации - 2017).

6. Банах В.А., Смалихо И.Н. Оценивание скорости диссипации турбулентной энергии в пограничном слое атмосферы из измерений радиальной скорости ветра микроимпульсными когерентными доплеровскими лидарами. I. Численный анализ Оптика атмосферы и океана, Т. 30. № 8. С. 631-637 (год публикации - 2017).

7. Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В. Lidar measurements of the turbulence energy dissipation rate in the boundary layer of atmosphere in presence of low level jet streams and atmospheric internal waves Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V. 10466. P.104662V-1 - 104662V-7 (год публикации - 2017).

8. Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В. Estimation of the turbulence energy dissipation rate in the atmospheric boundary layer from measurements of the radial wind velocity by micropulse coherent Doppler lidar Optics Express, V.25. No.19. P.22679-22692 (год публикации - 2017).

9. Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В. Оценивание скорости диссипации турбулентной энергии в пограничном слое атмосферы из измерений радиальной скорости ветра микроимпульсными когерентными доплеровскими лидарами. II. Эксперимент Оптика атмосферы и океана, Т. 30. № 8. С. 638-643 (год публикации - 2017).

10. Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Гордеев Е.В., Сухарев А.А. Демонстрация возможности получения оценок профиля скорости и направления ветра двухлучевым методом с помощью импульсного когерентного доплеровского лидара Известия Вузов. Физика, Т. 60. № 12/2. С. 175-178. (год публикации - 2017).

11. Герасимова Л.О., Банах В.А. Влияние линий поглощения атмосферных газов на спектр импульсного излучения короткой длительности Известия Вузов. Физика, Т. 60. № 12/2. С. 167-170 (год публикации - 2017).

12. Гордеев Е.В., Кусков В.В., Шестернин А.Н. Адаптивное управление волновым фронтом лазерного пучка по сигналу обратного атмосферного рассеяния Сборник трудов VII Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы радиофизики", 2017 г., C. 205-209 (год публикации - 2017).

13. Разенков И.А. Аэрозольный лидар для зондирования турбулентности Сборник трудов VII Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы радиофизики", 2017 г., C. 155-161 (год публикации - 2017).

14. Смалихо И.Н., Банах В.А. Measurements of wind turbulence parameters by a conically scanning coherent Doppler lidar in the atmospheric boundar layer Atmospheric Measurement Techniques, V. 10. P. 4191-4208 (год публикации - 2017).

15. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Измерения параметров вихревых следов самолетов когерентным доплеровским лидаром Stream Line Оптики атмосферы и океана, Т. 30. № 8. С. 664-671 (год публикации - 2017).

16. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Lidar investigation of wake vortices generated by a landing aircraft Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V.10466. P.1046635-1 - 1046635-8 (год публикации - 2017).

17. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Measurements of aircraft wake vortex parameters by a Stream Line Doppler lidar Atmospheric and Oceanic Optics, V.30. No.6. P.588-595 (год публикации - 2017).

18. Смалихо И.Н., Банах В.А., Хольцэпфель Ф., Рам Ш. Лидарные измерения параметров вихревых следов самолетов на летных полях аэропортов Мюнхена и Толмачево Известия Вузов. Физика, Т. 60. № 12/2. С. 143-146 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 г. по проекту были проведены эксперименты по накоплению ветровых и температурных данных в выездной экспедиции на территории Байкальской астрофизической обсерватории Института солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН на западном берегу Байкала. Обработаны большие объёмы и выполнен первичный анализ полученных экспериментальных данных. Проведено усовершенствование алгоритмов лидарной визуализации самолётных вихрей на основе инкорпорации в алгоритмы обработки лидарных данных моделей эволюции вихрей, учитывающих влияние подстилающей поверхности. Проведена выездная экспедиция в аэропорт Толмачёво в Новосибирске в целях исследования эволюции вихрей в следах самолетов различных типов при различных термодинамических условиях в атмосфере. Продолжены измерения интенсивности оптической турбулентности УОР лидаром в сравнении с независимыми измерениями структурной постоянной флуктуаций показателя преломления на трассе зондирования при различных турбулентных условиях в приземной атмосфере. Выполнены теоретические исследования проявления эффекта усиления обратного рассеяния при варьировании размеров приёмо-передающих апертур УОР лидара и интенсивности оптической турбулентности. Осуществлено восстановление структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления на трассе зондирования из измерений коэффициента усиления обратного рассеяния созданным в проекте УОР лидаром. Анализ результатов визуализации пространственно-временных распределений компонент вектора скорости ветра из данных непрерывных измерений лидаром Stream Line показал, что во время эксперимента на Байкале скорость ветра варьировалась в широких пределах, достигая в некоторых случаях 20 м/с. Абсолютная величина вертикальной составляющей вектора скорости ветра могла достигать 2 м/с. Анализ пространственно временных распределений температуры воздуха и ее вертикального градиента из измерений профилемером МТР-5 показал, что большую часть времени этого эксперимента температурная стратификация атмосферы была устойчивой. Практически каждый день с помощью лидара Stream Line наблюдались низкоуровневые струйные течения (НСТ). Дважды наблюдались НСТ суточной продолжительности. Иногда в пограничном слое атмосферы (ПСА) одновременно образовывались два струйных течения на различных высотах с существенно различающимися направлениями ветровых потоков. Как правило, именно при наличии двух струйных течений в ПСА возникали атмосферные волны. С использованием разработанного в проекте подхода было выявлено 14 случаев образования атмосферных волн с амплитудами волновых составляющих не менее 0,6 м/с для горизонтальной скорости ветра и не менее 0,2 м/с для вертикальной. Продолжительность возникавших волновых изменений скорости ветра варьировалась от 40 мин до 6 часов. Период осцилляций был различным и составлял от 5 до 20 минут. Чем более резкое изменение с высотой направления ветра при устойчивой стратификации, тем больше амплитуда атмосферной волны. Атмосферная волна с наибольшей амплитудой была зарегистрирована 23.08.2018. В этот день также, как и в другие, во всём пограничном слое температурная стратификация была устойчивой. Примерно до 6 часов утра одновременно на высотах 100-300 и 400-800 метров было два струйных течения, затем в течение дня оставалось только верхнее. В период с 02:30 до 09:30 трижды наблюдались атмосферные волны. В одной из зарегистрированных волн амплитуда волновой составляющей достигала 3 м/с для горизонтальной и 1 м/с для вертикальной компонент. Волновые вариации столь большой амплитуды в проводившихся до этого экспериментах не наблюдались. Из полученных с использованием разработанного в проекте метода азимутальной структурной функции пространственно- временных распределений параметров ветровой турбулентности установлено, что на высотах локализации струйных течений ветровая турбулентность слабая, в то время как вне локализации НСТ ветровая турбулентность может быть сильной. Так, например, 21 августа НСТ наблюдалось с 00:00 до 08:30 и с 21:00 до 24:00 на высотах 200 - 400 м. На этих высотах в это время скорость диссипации турбулентной энергии не превышала 0,0001 м2/с3. Вне НСТ в слое 100-200 м, наоборот, в это время турбулентность очень сильная, на высоте 100 м скорость диссипации достигает 0,09 м2/с3, а дисперсия радиальной скорости - 2,5 (м/с)2. С 08:30 до 21:00 НСТ не наблюдалось. В это время скорость диссипации на высотах 200-400 метров принимала значения, на порядок превышающие значения скорости диссипации во время НСТ на этих высотах. Разработана теория оценивания циркуляции самолетных вихрей из ветровых измерений микроимпульсными когерентными доплеровскими лидарами, учитывающая влияние поверхности Земли, разработан алгоритм оценивания циркуляции из лидарных данных на основе этой теории, проведены численные эксперименты, полностью имитирующие процесс получения и обработки лидарных данных для оценки циркуляции, и на основе результатов проведённых численных экспериментов определены погрешности оценивания циркуляции с использованием разработанного алгоритма. Показано, что без учета влияния подстилающей поверхности оценка циркуляции самолётных вихрей из лидарных данных может быть завышена более, чем на 10%. Выполнен эксперимент на летном поле аэропорта Толмачево в Новосибирске, в котором, кроме ветрового лидара, были задействованы приборы для измерения температуры и параметров температурной турбулентности воздуха, что позволило получать информацию о термодинамическом состоянии приземного слоя воздуха во время существования самолетных вихрей. За время эксперимента были получены данные о следовых вихрях 70 самолетов, включая большие грузовые самолеты В747-8F и MD-11F. Данные об изменениях со временем высоты осей и циркуляции вихрей за тяжёлыми самолётами MD-11F получены впервые. Во время эксперимента вихри за самолетами этого типа наблюдались 6 раз при разных атмосферных условиях. Установлено, что продолжительность наблюдения вихрей за самолетами MD-11F с использованием микроимпульсных лидаров значительно возрастает, если кинетическая энергия турбулентности в приземном слое не превышает 0,5 м2/с2. Результаты эксперимента дополняют базу данных о параметрах самолётных вихрей, созданную в проекте по результатам предыдущих лидарных экспериментов на летных полях аэропортов Толмачево и Богашово в Томске. Обобщение экспериментальных данных о поведении коэффициента усиления обратного рассеяния при различных турбулентных условиях в приземной атмосфере, полученных при выполнении проекта, показывает, что с усилением оптической турбулентности коэффициент усиления сначала растёт, затем, с переходом в режим сильной оптической турбулентности на трассе зондирования, насыщается на определённом уровне и уменьшается по мере дальнейшего усиления оптической турбулентности. В среднем профили коэффициента усиления в направлении зондирования, полученные при различных значениях структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха, параметризуются с помощью обобщённого параметра, представляющего собой рассчитанную в приближении Рытова дисперсию флуктуаций интенсивности плоской волны. С увеличением параметра Рытова коэффициент усиления растёт, достигая максимума при значениях параметра в диапазоне от 1,5 до 2, а затем постепенно убывает с увеличением параметра Рытова. Разработан новый алгоритм численного моделирования распространения лазерного излучения на локационных трассах в случайно неоднородных средах для решения теоретических задач исследования проявления эффектов корреляции встречных волн при зондировании атмосферы в различных режимах оптической турбулентности. Новизна алгоритма определяется тем, что при моделировании распространения рассеянного излучения в обратном направлении осуществляется переход от комплексной амплитуды к лучевой интенсивности волнового поля. Использование разработанного алгоритма моделирования позволило выполнить теоретические исследования проявления эффекта усиления обратного рассеяния при различных режимах интенсивности оптической турбулентности применительно к УОР лидару. Для режима слабых флуктуаций интенсивности и статистически однородной турбулентности на трассе разработан алгоритм решения обратной задачи восстановления структурной постоянной флуктуаций показателя преломления из измерений коэффициента усиления обратного рассеяния УОР лидаром. Алгоритм сводится к минимизации квадратичного функционала от разности между экспериментальными и расчётными значениями коэффициента усиления вдоль трассы зондирования. Разработанный алгоритм решения обратной задачи был применён к экспериментальным данным, полученным УОР лидаром. Восстановленные из лидарных измерений значения структурной постоянной флуктуаций показателя преломления согласуются со значениями структурной постоянной, рассчитанными из независимых измерений дисперсии дрожаний изображения некогерентного объекта на той же трассе, на которой проводилось зондирование. Коэффициент линейной корреляции между этими значениями лежит в пределах 0,7-0,8. Все планировавшиеся по проекту работы на 2018 г выполнены. Все запланированные в проекте на 2018 г. научные результаты достигнуты.

 

Публикации

1. - Томские учёные вновь провели эксперименты на площадке аэропорта Толмачёво Официальный сайт аэропорта Толмачёво, - (год публикации - ).

2. Банах В.А., Герасимова Л.О., Залозная И.В., Фалиц А.В. Усиление лидарного сигнала в режиме сильной оптической турбулентности Оптика атмосферы и океана, Т. 31. № 08. С.609–615. (год публикации - 2018).

3. Банах В.А., Смалихо И.Н. Lidar studies of wind turbulence in the stable atmospheric boundary layer Remote Sensing, V.10. N18. 1219 (год публикации - 2018).

4. Банах В.А., Смалихо И.Н. Лидарные исследования ветровой турбулентности в пограничном слое атмосферы Турбулентность, динамика атмосферы и климата. М. Физматкнига. 572 с., М. Физматкнига. 572 с. (год публикации - 2018).

5. Банах В.А., Фалиц А.В., Сухарев А.А., Красненко Н.П., Раков А.С. Вариации температурного режима пограничного слоя атмосферы в регионах с различной орографией Оптика атмосферы и океана, Т. 31. № 09. С. 734–742 (год публикации - 2018).

6. Банах В.А., Фалиц А.В., Сухарев А.А., Орозобаков А.Т. Variations of temperature regime of the atmospheric boundary layer in regions with various orography Proceedings of SPIE 10833, V.10833. CID: 10833 3U [10833-74] (год публикации - 2018).

7. Разенков И.А. Optimization of the Lidar Parameters for Atmospheric Turbulence Study Proceedings of SPIE 10833, V.10833. CID: 10833 3U [10833-74] (год публикации - 2018).

8. Разенков И.А. Турбулентный лидар. I. Конструкция Оптика атмосферы и океана, Т. 31. № 01. С. 41–48 (год публикации - 2018).

9. Разенков И.А. Turbulent Lidar: I−Design Atmospheric and Oceanic Optics, V.31. No.03. pp. 273–280 (год публикации - 2018).


Возможность практического использования результатов
1. Разработаны методы лидарной визуализации самолётных вихрей. Накоплена база данных о параметрах вихрей за самолётами различных типов. Результаты находят применение при разработке регламентов, обеспечивающих авиабезопасность и повышение пропускной способности аэропортов. 2. Разработан метод и создан макет лидара для измерения интенсивности температурной турбулентности в атмосфере. Такого типа лидаров нет. Может найти применение в системах мониторинга атмосферы для обеспечения авиабезопасности и метео обеспечения высокоточных атмосферных лазерных комплексов.