Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы



Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы
Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы
Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы

 


Владельцы патента RU 2579358:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) (RU)

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов. Сущность: проводят синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте. Измеряют горизонтальную скорость воздушного потока с последующим определением ее среднего значения за время измерения. Строят усредненную структурную функцию аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривую ее аппроксимации. Выявляют когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений структурной функции. Измеряют временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяют высоту когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции. Определяют ширину когерентных турбулентных структур приземной атмосферы как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций. Технический результат: повышение точности определения когерентных турбулентных структур атмосферного пограничного слоя. 3 ил.

 

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях, а также для диагностики конвективных потоков в атмосферном пограничном слое с целью мониторинга развития грозовой и молниевой активности.

Известен способ дистанционной диагностики турбулентных течений, заключающийся в том, что в турбулентную среду вводят контрастные вещества и визуально с использованием высокоразрешающих камер следят за их переносом, далее по траекториям перемещения примесей восстанавливают параметры крупномасштабных структур турбулентных потоков (Ван Дайк. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир. 1986. 183 с.).

Недостатком способа является низкая точность измерения, необходимость однородного распределения контрастных примесей на масштабах турбулентного потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является бесконтактный способ измерения скорости, основанный на цифровой трассерной визуализации турбулентного потока. Измерение мгновенного поля скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. В поток жидкости или газа добавляются частицы малого размера (трассеры). Размер, плотность и объемная концентрация частиц подбираются таким образом, чтобы эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц, были минимальны. При этом измерительной областью потока считается ограниченная плоскость, «освещаемая» световым лазерным ножом (патент на полезную модель №110494, 2009).

Недостатком известного способа является низкая точность измерения параметров крупномасштабных натурных когерентных турбулентных структур, необходимость использования специальных высокочастотных импульсных лазеров и скоростных CCDPIV-камер.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и надежности определения когерентных турбулентных структур атмосферного пограничного слоя (АПС) за счет использования в качестве трассеров естественных, природных аэроионов, образующихся в АПС под воздействием галактических космических лучей и радиоактивных эманаций земной поверхности, и синхронной регистрации аэроэлектрических пульсаций атмосферного электрического поля.

Технический результат достигается в способе определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, включающем синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, измерение горизонтальной скорости воздушного потока с последующим определением ее среднего значения за время измерения, построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации, выявление когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений структурной функции, измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, определение высоты когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, определение ширины когерентных турбулентных структур приземной атмосферы как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций.

Синхронная регистрация сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте дает возможность оперативно вычислять структурную функцию турбулентного процесса, что позволяет проводить непрерывный мониторинг турбулентной активности АПС. Заданное временное разрешение необходимо для повышения точности вычисления структурной функции и нахождения средней величины, т.к. позволяет получить нужное количество единичных синхронных измерений в единицу времени. Синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций необходимо выполнять на фиксированной высоте вблизи плоской земной поверхности, т.к. величина сигнала аэроэлектрических пульсаций зависит от высоты над проводящей подстилающей поверхностью.

Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема установки для определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, на фиг. 2 - структурная функция D(r) пространственных флуктуаций параметров турбулентной атмосферы, l0 - внутренний масштаб турбулентности, L0 - внешний масштаб турбулентности, на фиг. 3 - экспериментальная структурная функция DE(r) и вертикальный размер L0=42 м когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы.

Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы осуществляется следующим образом.

Над земной поверхностью на фиксированной высоте синхронно в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением регистрируют аэроэлектрические турбулентные пульсации напряженности атмосферного электрического поля. Измеряют горизонтальную скорость воздушного потока с последующим определением ее среднего значения u за время измерения. Вычисляют структурные функции аэроэлектрических пульсаций согласно алгоритму:

где: DE(r) - структурная функция аэроэлектрических пульсаций,

r - расстояние между датчиками вдоль линии точек измерения напряженности атмосферного электрического поля,

Ez - амплитуда сигнала аэроэлектрических пульсаций.

Проводят по полученному ансамблю структурных функций построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации. Выявляют когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений усредненной структурной функции. Затем проводят измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяют высоту Lh обнаруженной когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, а также ширину LI обнаруженной когерентной структуры, согласно измеренной средней горизонтальной скорости потока u и времени τ наличия сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций LI = u*τ.

Конкретный пример реализации способа определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы.

Над земной поверхностью на высоте h=1 м устанавливается линейка из пяти датчиков аэроэлектрического поля - прецизионных электростатических флюксметров, предназначенных для регистрации аэроэлектрических турбулентных пульсаций напряженности атмосферного электрического поля в частотном диапазоне (0-5) Гц. Расстояние L между датчиками равно 20 м. Измеряется горизонтальная скорость воздушного потока u в месте установки датчиков с последующим определением ее среднего значения за время измерения. Цифровая регистрация сигналов осуществляется синхронно с каждого из датчиков с заданным (10 отсчетов в секунду) временным разрешением. Из полученных в результате регистрации амплитудно-временных рядов напряженности аэроэлектрического поля оперативно вычисляется усредненная структурная функция аэроэлектрических турбулентных пульсаций D E ( r ) = < | Δ E z ( r 0 + r ) Δ E z ( r 0 ) | 2 > и ее аппроксимация. Выявляются когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений усредненной структурной функции. Проводятся измерения временного интервала τ регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяется высота Lh обнаруженной когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции. Вычисляется ширина когерентной турбулентной структуры как произведение среднего по времени значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций. При измеренных скорости воздушного потока u=2 м/с и временном интервале структурированных аэроэлектрических турбулентных пульсаций τ=300 с ширина когерентной турбулентной структуры составляет LI=600 м при высоте Lh=42 м.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и надежность определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы.

Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, включающий синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, измерение горизонтальной скорости воздушного потока с последующим определением ее среднего значения за время измерения, построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации, выявление когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений структурной функции, измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, определение высоты когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, определение ширины когерентных турбулентных структур приземной атмосферы как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга природной среды и касается способа определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров. Способ включает синхронную съемку поверхности установленными на космическом носителе цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости видеоизображения контура пожара, калибровку яркости пикселей внутри контура, расчет по измерениям гиперспектрометра концентрации вредных выбросов от пожара по эталонному затуханию дважды прошедшего атмосферу светового луча в полосе поглощения кислорода 761…767 нм и его затуханию в видимом диапазоне.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц и 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций.

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (Ts) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети.

Изобретение относится к способам специализированного гидрометеорологического прогнозирования и может быть использовано для прогнозирования температуры рельса.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высот изотерм в мощных конвективных облаках. Сущность: измеряют наименьшую радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, температуру воздуха у поверхности Земли, соответствующую этому же району, приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности.

Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и может быть использовано для предупреждения экипажа воздушного суда (ВС) о слепящем воздействии низко расположенного над горизонтом солнца при посадке.
Изобретение относится к дистанционным способам радиационных исследований и может быть использовано для выявления радиационных загрязнений поверхности Земли. Сущность: на основе анализа излучений в инфракрасном диапазоне частот 8-14 мкм создают карты распределения латентного тепла в атмосфере.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикального профиля концентрации различных газов в атмосфере. Сущность: измеряют собственное излучение атмосферы и фона на некотором наборе частот в окрестности линии поглощения измеряемого газа.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик поверхностных морских течений. Сущность: двухполяризационные радиолокационные изображения трансформируют в два новых изображения, которые несут информацию о спектре коротких Брэгговских волн и обрушений ветровых волн. Посредством совместной обработки полученных изображений определяют величину дивергенции течений, а также ее продольный и поперечный размеры. Технический результат: возможность определения характеристик поверхностных морских течений в любой точке Мирового океана при любых освещенности и облачности.

Изобретение относится к способам исследований атмосферных электрических полей. Сущность: осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце. Сравнивают характеристики поляризованного света, регистрируемые аппаратурой мониторинга в двух взаимно ортогональных плоскостях. Причем мониторинг осуществляют с платформы наведения, установленной на борту высотного летательного аппарата или естественного спутника планеты. В процессе мониторинга для разных моментов времени синхронно вычисляют параметры двух векторов: вектора, ориентированного от контролируемой области пространства, в том числе над облаками, в направлении на Солнце, и вектора, ориентированного от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства. Ориентируют аппаратуру мониторинга по вектору, ориентированному в направлении на контролируемую область пространства. Осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в периоды, когда угол между синхронно вычисленными векторами находится в пределах не менее 45° и не более 135°. Технический результат: повышение оперативности, расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования штормовых подъемов уровней воды или наводнений. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период. Создают архив полей приземного атмосферного давления по срочным данным (за два срока) в районе формирования штормовых циклонов над морским устьевым участком реки. Рассчитывают повторяемость наводнений по всем месяцам года. По величине повторяемости наводнений выделяют “наводненческий период” (повторяемость больше 1%) и “ненаводненческий период” года. Для месяцев, вошедших в “ненаводненческий период”, наводнения считаются маловероятным событием, поэтому автоматически делают вывод о ненаступлении “наводненческой ситуации”. Для каждого месяца “наводненческого периода” определяют эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) по всему архиву срочных наблюдений полей приземного атмосферного давления. Затем для каждого месяца “наводненческого периода” рассчитывают эмпирические ортогональные составляющие (ЭОС). Выделяют диапазон трех первых ЭОС от минимального до максимального значения для дат наводнений каждого месяца “наводненческого периода”, формируют эталонную область ЭОС для каждого месяца. После этого по результатам оперативного гидродинамического прогноза поля приземного атмосферного давления рассчитывают ЭОС по ранее созданным ЭОФ для данного месяца. Определяют принадлежность ЭОС прогностического поля к эталонной области ЭОС наводнений прогнозируемого месяца. Делают вывод о наступлении/ненаступлении на анализируемый прогностический срок “наводненческой ситуации”. При анализе прогностического срока “наводненческой ситуации” рассчитывают число штормов с заданной непрерывной продолжительностью для заданной доверительной вероятности штормовых условий. Выявляют промежуток времени, в пределах которого скорость ветра позволяет выполнить безопасный переход судна. Определяют пространственное распределение фазы колебаний акватории по измерениям высоты уровня моря посредством альтиметрических спутников. Выделяют приливные и сейшевые колебания уровня моря. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 8 ил.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности. Сущность: система включает средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средства определения характеристик ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований, средства отображения ледовых образований, систему контроля состояния кессона, командно-управляющий комплекс, соединенный со средствами мониторинга гидрометеорологической обстановки, средствами определения характеристик ледовых образований и средствами защиты от воздействия ледовых образований. Причем средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены способными выдерживать нагрузку, сравнимую с критической нагрузкой, возникающей при ударе ледяного массива. Система контроля состояния кессона включает датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок. Средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей. При этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами. Надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов, наносимых на ледовое образование, в виде карбида кальция. Технический результат: повышение надежности защиты морских объектов хозяйственной деятельности в периоды льдообразования, дрейфа и торошения ледяных полей, расположенных в условиях как мелкого, так и глубокого морей. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол. С помощью газоаналитической и/или видеоаппаратуры устанавливают наличие или отсутствие струи истечения фумарольных газов. Обеспечивается исследование ресурсов Марса в аспекте возможности увеличения массы и объема его атмосферы за счет фумарольных газов.
Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса. Водяной пар получают нагреванием из водяного льда сезонно убывающих полярных шапок Марса. Обеспечивается локальное увеличение встречного теплового излучения атмосферы Марса.

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов. Способ включает измерение спектра падающего светового потока, прошедшего толщу атмосферы, фотометрами глобальной сети наблюдений «AERONET» с одновременным синхронным зондированием территории региона бортовым гиперспектрометром с возможностью получения изображения в любом спектральном канале видимого диапазона, совместную обработку регистрируемых сигналов фотометра и орбитальных средств, определение индекса состояния атмосферы q∑ по регрессионной зависимости: q∑=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6, где λ/λэт - относительное изменение средневзвешенной длины волны солнечного потока, регистрируемого фотометрами сети «AERONET», по отношению к средневзвешенной длине волны (λэт) эталонного, по Планку, солнечного потока; Wэт/W - относительное затухание светового потока, вычисляемое по сигналу, регистрируемому бортовым гиперспектрометром. Изобретение позволяет разделить эффекты взаимодействия светового потока с атмосферой и подстилающей поверхностью и, как следствие, повысить точность определения индекса состояния. 8 ил.

Изобретение относится к устройствам для распознавания количества облачности по пространственно-временной структуре излучения в видимой области и может быть использовано при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба. Устройство для определения общего балла облачности содержит систему регистрации данных в виде цифровой камеры с широкоугольным объективом, блока контроля положения системы регистрации, включающий трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения, блок управления регистрацией и обработки данных. Блок управления регистрацией данных связан цифровыми линиями связи с системой регистрации данных и с блоком контроля положения, последние жестко соединены между собой с образованием единой установки наружного монтажа. Цифровая камера закреплена на корпусе блока контроля положения системы регистрации, который выполнен в виде мини-компьютера в компактном ударопрочном пыле-влагозащищенном корпусе, а цифровые линии выполнены в виде единого кабеля. Технический результат - повышение достоверности, объективности и точности определения общего балла облачности, и возможность регистрации видимой пространственной структуры облачности в цифровом формате. 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области гляциологии и может быть использовано для коррекции результатов реечных снегомерных наблюдений на эффект оседания снежной толщи. Сущность: измеряют длину снегомерной рейки перед установкой ее в снежную толщу. Измеряют превышение рейки над снегом сразу после установки. Вычисляют глубину заглубления рейки. Устанавливают рядом с основной рейкой дополнительную рейку таким образом, чтобы глубина ее основания была как можно меньше. Определяют с помощью точного уровня вертикальное положение реек относительно друг друга. Повторно определяют относительное вертикальное положение реек спустя достаточно большой промежуток времени. Рассчитывают величину поправки на прирост высоты снежной толщи, равную опусканию дополнительной рейки относительно основной рейки. Технический результат: упрощение и повышение точности коррекции. 1 ил.
Наверх