Способ определения метеорологической дальности видимости

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля горизонтальной дальности видимости в дневное время суток. Способ включает регистрацию в видимой области спектра рассеянного солнечного излучения, приходящего из открытого участка неба под углом, близким к линии горизонта. Дополнительно регистрируют спектры рассеянного солнечного излучения, приходящего из вертикального направления под углом 90° к линии горизонта. При этом предварительно, однократно, в условиях высокого (полуденного) солнца и безоблачного неба регистрируют калибровочные спектры рассеянного солнечного излучения, приходящего из вертикального направления под углом 90° и под углом 30°, по направлениям к линии горизонта. Во всех зарегистрированных спектрах измеряют полосы поглощения димера кислорода (О₂-О₂) и определяют его интегральные концентрации, а метеорологическую дальность видимости в выбранном горизонтальном направлении вычисляют как утроенное произведение, рассчитанной по барометрической формуле и приведенной к приземной концентрации высоты вертикального столба димера кислорода на отношение разности интегральных концентраций димера кислорода, измеренных по спектрам рассеянного солнечного излучения, соответственно в горизонтальном и в вертикальном направлениях, к разности интегральных концентраций димера кислорода, полученных по предварительно измеренным калибровочным спектрам рассеянного солнечного излучения, соответственно под углами в 30° и 90° к горизонту. Технический результат заключается в устранении экстраполяции данных, исключении индивидуальной зрительной оценки МДВ, возможности определения МДВ по всем азимутальным направлениям, обеспечения мобильности, автоматизации и непрерывности получения данных о МДВ. 3 ил.

 

Изобретение относится к метеорологии, к способам измерения метеорологической дальности видимости (МДВ).

Ряд метеорологических явлений (дымка, туман, дождь, снегопад, мгла, пыльная буря и др.) могут приводить к значительному ухудшению видимости, что представляет опасность при движении транспорта, поэтому на сети гидрометеорологических станций всех стран мира наблюдения за видимостью входят в число основных метеорологических наблюдений. Визуальные наблюдения за видимостью не обеспечивают непрерывность получения данных об опасных явлениях. Кроме того, для них характерны субъективные ошибки. Поэтому оснащение наблюдательной станции приборами для измерения видимости является важной государственной задачей.

Метеорологическая дальность видимости (МДВ) представляет собой наибольшее расстояние, на котором можно различить черный объект с угловыми размерами не менее 15 минут, расположенный в горизонтальной плоскости вблизи земли при наблюдении на светлом фоне неба /1/.

Метеорологическая оптическая дальность (МОД), международное обозначение- (MOR). В то время как МДВ, связана с метеорологическими характеристиками атмосферы (необходим дневной фон неба), для определения МОД используют искусственные источники излучения, для просвечивания коротких участков атмосферы (базы), на которых определяют коэффициент ослабления излучения α (м^-1), с последующей экстраполяцией этого коэффициента на большие расстояния.

Исходя из необходимости метеорологического единства измерений, соотношение между (МДВ), (MOR) и коэффициентом ослабления α, в дневное время, (при пороге контрастной чувствительности глаза ε=0,05) выражают в виде /1, 2/:

В существующей практике наиболее часто используются два метода приборных измерений MOR - метод трансмиссометра (ТМ) и нефелометрический метод (НМ).

ТМ основан на следующем принципе: в слое заданной длины (так называемая измерительная база) с помощью автономного излучателя и фотоприемника на ней определяется коэффициент прозрачности атмосферы, рассчитанный на километровую единицу длины, которая затем пересчитывается на МДВ.

В НМ методе оценивается показатель ослабления интенсивности света посредством измерения светового потока, рассеянного за пределы луча света находящимися в атмосфере частицами. НМ метод не требует базисных участков, пригоден в светлое и темное время суток, может быть применен в открытой местности, поскольку используется незначительный объем воздушной среды. К числу недостатков методов ТМ и НМ относится то, что измерения проведенные на ограниченных участках атмосферы экстраполируются на разные направления и дистанции значительно большие чем те, на которых проводились измерения. Трансмиттеры невозможно установить на транспортные средства, а для нефелометра данные по МДВ точны только в однородной по всем направлениям атмосфере:

Наиболее близким к предлагаемому способу определения МДВ является визуально-инструментальный метод гашения используемый в известном поляризационном устройстве М-53А, в котором отсутствуют автономные источники излучения и для измерения МДВ используется рассеянное солнечное излучение в видимой области спектра при визировании через прибор естественного объекта на фоне открытого неба.

Действие прибора основано на оптическом раздвоении двоякопреломляющей призмой изображения неба и наблюдаемого объекта с последующим приведением к равенству яркости этих изображений или с последующим гашением одного из них в следствии вращения поляроида. В результате вращения поляроида контраст между объектом и небом уменьшается, пока изображения объекта и фона неба не перестанут различаться. Ослабление излучения от неба при исчезновении контраста, получаемое за счет вращения маховика поляроида. Деления лимба поворота маховика поляроида пересчитывается, в метеорологическую дальность видимости в избранном направлении. /3/

К недостаткам метода следует отнести необходимость визуальной оценки яркости изображений, ручное наведение и управление процессом измерения, а также необходимость поиска удаленных естественных объектов на фоне неба, необходимость оценки условий их освещения и отражательных характеристик.

Целью предлагаемого изобретения является совмещение достоинств как визуального так и автоматических методов определения МДВ и устранение присущих этим методам недостатков, экстраполяции данных, исключение индивидуальной зрительной оценки МДВ, возможность определения МДВ по всем азимутальным направлениям, обеспечения мобильности, автоматизации и непрерывности получение данных о МДВ.

В соответствии с законом Бугера, при слабом поглощении, ΔJ/J<<1, ослабление излучения проходящего газовую среду, соответственно, и сигнал спектрометра R=ΔJ/J пропорциональны интегральной концентрации газа (∫ρ(L)*dL) (см^-2), находящемуся на пути излучения, умноженному на сечение поглощение молекул этого газа (см²) и представляют собой величину:

где ρ (мол*см^-3) - концентрация искомого газа на зондируемой трассе, ΔJ/J или (ΔJ _(λ1,λ2)/J_(λ1,λ2), - отношение разности интенсивностей в максимумах и минимумах поглощения искомого газа к средней интенсивности J_(λ1,λ2 в регистрируемом солнечным излучении на двух (или нескольких) длинах волн λ₁ и λ₂, ИЛИ - разность сечений поглощения искомого газа на Δ₁ и Δ₂ R - величина безразмерная.

В работах /1, 2, 3/ впервые доказано, что для расчета средней концентрации газа на горизонтальной трассе следует принять что:

где α - коэффициент, главным образом, аэрозольного ослабления солнечного излучения на трассе. При использовании для измерений солнечного излучения сигнал спектрометра R, будет иметь вид:

где R₀ - постоянная составляющая сигнала, обусловлена неравномерной структурой спектра солнечного излучения (фраунгоферовыми линиями) и поглощением излучения искомым газа до рассеяния излучения на зондируемой трассе /5/.

В предлагаемом изобретении, как и в сопоставляемом способе измерения МДВ, все измерения спектров солнечного излучения должны производится на фоне открытых (без топографических объектов) участков неба.

Согласно /1, 2, 3/, для исключения R₀, измерения R должны проводится в двух направлениях под углом к горизонту, как в горизонтальном R(0°) так и в вертикальном R(90°), тогда

измеренная разность сигналов спектрометра ΔR(0°,90°) представляет собой произведение сечения поглощения на интегральную концентрацию газа (ρ_срα^-1) на горизонтальной трассе:

Из этого выражения следует, если концентрация газа ρ_ср на горизонтальной трассе известна, а его интегральная концентрация на трассе ∫ρ(L)*dL, (мол/см^-2) измерена, то можно определить и коэффициент ослабления излучения α.

Это решение с 1989 г., используется методом дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (DOAS) для зондирования атмосферных газов с помощью спектроскопии рассеянного солнечного излучения. /4, 5/

В настоящее время интегральное содержание газа: ∫ρ(L)*dL) на пути рассеянного солнечного излучения атмосферы, например, под углом, например, q к горизонту, принято обозначать как SCD (q) (мол/см^-2) (slant column density), а разность интегральных содержаний, полученных под разными углами к горизонту, например, q, φ, обозначать, как ΔSCD (q, φ). С новым обозначением уравнение (3) имеет вид:

или, в соответствии с (5)

Интегральное содержание газа в вертикальном столбе тропосферы принято обозначать, как VCD_trop. /6/

Для определения (ρ_ср*α^-1) в выражении (6) воспользуемся измерениями в атмосферном воздухе интегральной концентрации SCD димера кислорода О₂-О_2, (O₄), концентрация которого ρ_O4 пропорциональна квадрату концентрации молекул кислорода ρ_O2 и, вследствие этого, концентрация О₄ равномерно распределена в атмосфере в горизонтальном направлении и убывает с высотой Z (м) прямо пропорционально квадрату концентрации кислорода /7/.

Так как О₄ имеет полосы поглощения с несколькими максимумами: 477.3, 532.2,577.2 нм., находящимися в видимой области спектра /7/, появляется возможность измерения α, в видимой области спектра, а следовательно и определить МДВ на визируемой горизонтальной трассе. Так как одна из полос поглощения О₄ находится близко к максимуму спектральной чувствительности глаза (555 нм.), а две другие по обе от него стороны, одновременные измерения позволяют более точно измерять МДВ при изменяющихся в течении дня спектральных характеристиках рассеянного солнечного излучения.

Как показано в /6/, в соответствии с геометрией распространения рассеянного излучения, можно измерить интегральную концентрацию О₄ в вертикальном столбе тропосферы VCD_trop (О₄), которая будет равна разности измеряемых интегральных концентраций газа, при визировании рассеянного солнечного излучения под углами 30° и 90° градусов по отношению к горизонту, тогда:

1. На первом этапе, измерений дополнительно, предварительно, однократно, для калибровки, в условиях высокого (полуденного) солнца и безоблачного неба, регистрируем калибровочные спектры рассеянного солнечного излучения приходящего, из вертикального 90° и под углом 30° градусов, по направлению к линии горизонта, причем во всех зарегистрированных спектрах измерим полосы

поглощения димера кислорода (О₂-О₂), определим его интегральные концентрации по этим направлениям SCD_O4(30°) и SCD_O4(90°) и вычислим как в (7) вертикальную интегральную концентрацию VCD_trop(O₄)=SCD_O4(30°) и SCD_O4(90°)

Зависимость концентрации молекул воздуха ρ(воз) (а значит и молекул кислорода О₂ в изотермической атмосфере, в зависимости от высоты Z описывается выражением /8/:

где: ρ_о(O₂) - приземная концентрация кислорода, а ρ_z(О₂) на высоте z (м) от поверхности /8/, Т₀=273 K° - температура у поверхности земли (в неизотермической атмосфере температура Т берется средняя по высоте) /8/, g=9.8 (м/с²) - ускорение свободного падения, Rc=287,05 м2/(c²K²) - удельная газовая постоянная сухого воздуха /8/.

Концентрация димера О₄ ρ_z(O₄) на высоте z пропорционально квадрату плотности кислорода (О₂):

Где W - коэффициент пропорциональности.

Из (7) (8) и (9) при изменении высоты z от о до ∞ получаем интегральную концентрацию димера кислорода О₄ в вертикальном столбе тропосферы:

Из (1, 6) интегральная концентрация О₄ в горизонтальном направлении будет:

Из выражения (10):

Разделим (11) на (12) и получим:

Где ∫{exp(-gz/RcT₀)}² dz - рассчитанная по барометрической формуле и приведенная к приземной концентрации высота вертикального столба димера кислорода. Как заявлено в формуле изобретения, получим:

Например, для изотермической атмосферы при изменении Z от 0 до ∞ интеграл:

2. На втором этапе в дневное время, под углами 0° и 90° к линии горизонта проводим измерения спектров рассеянного солнечного излучения и определяем разность интегральных концентраций димера кислорода ΔSCD_O4(0°,90°) и используя полученную на первом этапе вертикальную интегральную концентрацию димера кислорода VCD_O4=ΔSCD_O4 (30°,90°), а также результат (16) по формуле (14) вычисляем МДВ:

Подставляя (16) в (14) получим:

На рис. 1, 2, 3 приведены 2 примера выделения, для различных метеоусловий и углов визирования над горизонтом, помощью программы QDOAS /9/ в рассеянном солнечном излучении спектров поглощения димера О₄, вычисления (в относительных единицах) интегральных концентраций ΔSCD_O4 и расчета с помощью выражения (17) для 2х выбранных случаев МДВ.

Из (17) и данных рис. 1 и 2 для 23.04.18 г. получим: МДВ=66.7 км

Из (17) и данных рис. 1 и 3 для 26.04.18 г. получим МДВ=18.7 км.

Литература:

1. Ковалёв В.А. «Видимость в атмосфере и ее определение.» Ленинград. Гидрометеоиздат 1988 г. стр. 76, 92

2. «Руководство по определению дальности видимости на ВПП (RVR).» ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) 2006 г. стр. 3. http://www.aviamettelecom.ru/docs/lib2/rvr_20161011.pdf

3. Устройство поляризационное М-53А https://studfiles.net/preview/1664512/page:13/

4. Шайков М.К. «Способ определения газового состава атмосферного воздуха.» А.С. №1764014 A1 G01W 1/00 от 27.10.89, Бюл. №35 от 22.05.92 г.

5. Шайков М.К., Чаянова Э.А., Иванов Е.В. «Новый метод и корреляционный спектрометр для дистанционного измерения содержания двуокиси азота атмосфере» Ан СССР «Оптика атмосферы», том. 3, №3 март 1990 г. с. 320-324.

6. Т. Wagner1, О. Ibrahim1, R. Shaiganfar1, and U. Platt2 «Mobile MAX-DOAS observations of tropospheric trace gases» стр. 4

Atmos. Meas. Tech., 3, 129-140, 2010 p. 2859.

7. T. Wagner, C. von Friedeburg, M. Wenig, C. Often, and U. Piatt «UV-visible observations of atmospheric O4 absorptions using direct moonlight and zenith-scattered sunlight for clear-sky and cloudy sky conditions» JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 107, NO. D20, 4424, doi:10.1029/2001JD001026, 2002 pp. 3-6

8. Матвеев Л.Т. «Курс общей метеорологии. Физика атмосферы стр. 84-87

9. QDOAS http://uv-vis.aeronomie.be/software/QDOAS/ Thomas DANCKAERT Caroline FAYT Michel VAN ROOZENDAEL Isabelle DE SMEDT Vincent LETOCART Alexis MERLAUD Gaia PINARDI

Способ определения метеорологической дальности видимости (МДВ), включающий регистрацию в видимой области спектра рассеянного солнечного излучения, приходящего из открытого участка неба под углом, близким к линии горизонта, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют спектры рассеянного солнечного излучения, приходящего из вертикального направления под углом 90° к линии горизонта, и предварительно, однократно, в условиях высокого (полуденного) солнца и безоблачного неба регистрируют калибровочные спектры рассеянного солнечного излучения, приходящего из вертикального направления под углом 90° и под углом 30°, по направлениям к линии горизонта, причем во всех зарегистрированных спектрах измеряют полосы поглощения димера кислорода (О₂-О₂) и определяют его интегральные концентрации, а метеорологическую дальность видимости в выбранном горизонтальном направлении вычисляют как утроенное произведение, рассчитанной по барометрической формуле и приведенной к приземной концентрации высоты вертикального столба димера кислорода на отношение разности интегральных концентраций димера кислорода, измеренных по спектрам рассеянного солнечного излучения, соответственно в горизонтальном и в вертикальном направлениях, к разности интегральных концентраций димера кислорода, полученных по предварительно измеренным калибровочным спектрам рассеянного солнечного излучения, соответственно под углами в 30° и 90° к горизонту.