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.

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.