Низкая цена
Всего 249a за скачивание одной диссертации
Скидки
75 диссертаций за 4900a по акции. Подробнее
О проекте

Электронная библиотека диссертаций — нашли диссертацию, посмотрели оглавление или любые страницы за 3 рубля за страницу, пополнили баланс и скачали диссертацию.

Я впервые на сайте

Отзывы о нас

Особенности вертикального распределения водяного пара в арктической стратосфере по данным оптического гигрометра : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 25.00.29

Год: 2005

Номер работы: 306275

Автор:

Стоимость работы: 249 e

Без учета скидки. Вы получаете файл формата pdf

Оглавление и несколько страниц
Бесплатно

Вы получаете первые страницы диссертации в формате txt

Читать онлайн
постранично
Платно

Просмотр 1 страницы = 3 руб



Оглавление диссертации:

ВВЕДЕНИЕ Диссертационная флуоресцентного влажности в работа посвящена для усовершенствованию аэростатных и измерений гигрометра FLASH-B и верхней тропосфере стратосфере исследованию особенностей вертикального распределения водяного пара в Арктической стратосфере по данным, полученным при помощи гигрометра. Исследовательская часть работы выполнена на основе экспериментального лабораторного материала и по данным аэростатного зондирования Арктической атмосферы гигрометром FLASH-B. Актуал

Вода встречается в атмосфере в l(» трех своих фазах и является исключительно важной её составляющей. Состояние атмосферы в большой степени зависит от содержания в ней воды и состояния, в которой она находится в атмосфере, при этом, содержание воды заметно меняется во времени и пространстве. Пространственное распределение и изменение во времени содержания водяного пара в атмосфере, особенно в области верхней тропосферы и нижней стратосферы (ВТНС), влияет на радиационные, динамические и химич

. Измерения содержания водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере - чрезвычайно сложная задача. Концентрация водяного пара в стратосфере в сотни раз меньше, чем в тропосфере и имеет высокий градиент в области тропопаузы. К тому же, пространственная и временная изменчивость водяного пара в стратосфере сравнительно мала, поэтому даже незначительные изменения концентрации требуют внимательного рассмотрения. А это, в свою очередь, предъявляет высочайшие требования к точности измерений. На с

. Гигрометры точки инея NOAA-CMDL. Принцип действия гигрометра точки инея NOAA/CMDL [24,25] основан на измерении температуры небольшого зеркала, которое охлаждается при помощи хладагента и имеет на поверхности тонкий слой инея. При таких условиях температура зеркала представляет собой точку инея воздуха, проходящего через прибор. Парциальное давление водяного пара затем вычисляется по формуле Гоффа и Гратча для давления насыщенного водяного пара надо льдом [26]. Слой инея на зеркале детектиру

. Флуоресцентный метод измерения влажности был разработан в 1978 и описан в работах [34] и [35]. Метод заключается в измерении флуоресценции возбуждённого фотодиссоциации гидроксила молекул ОН, воды образующегося под в результате вакуумного воздействием ультрафиолетового (ВУФ) излучения на длине волны Х,<137 нм. Более подробно флуоресцентный метод описан в разделе

2.1 данной работы. Для измерений в нижней тропосфере применяется метод измерения поглощения Lyman-a излучения (абсор

. Принцип измерений, основанный на лазерно-диодной инфракрасной спектроскопии, являет собой простой подход к решению характерных для контактных измерений проблем. Конструкция гигрометров данного типа не требуют применения закрытых камер и воздушных клапанов, что позволяет избежать проблем связанных с дегазацией влаги со стенок. Лазерно-диодные гигрометры JPL. В лазерных гигрометрах JPL (Лаборатория реактивного движения, США) используется абсорбционная спектроскопия второй гармоники [44]. В

. Уже несколько десятков лет радиозонды используются в качестве базового средства для профилирования структурных параметров атмосферы до высоты нижней [48]. В радиозондовых измерениях основных метеопараметров измерения влажности представляют собой наиболее сложную задачу, т.к. вертикальное распределение влажности в атмосфере требует от датчика широкого динамического диапазона и малого времени отклика. Поэтому считается, что качество радиозондовых измерений влажности уменьшается по мере снижен

В данной главе были представлены и описаны различные методы и аэростатные приборы для контактных измерений водяного пара в тропосфере и стратосфере. Основные характеристики этих приборов даны в таблице

1.1. В приложении 1 перечислены дистанционные приборы аэростатного, самолётного, наземного и спутникового базирования, применяемые в настоящее время для измерения концентрации водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере, а также приведены их основные технические характеристики

Фотодиссоциация многоатомных молекул под действием вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ) с длиной волны Л, < 137 нм приводит к образованию двухатомных молекулярных осколков с возбуждёнными электронными уровнями [64]: Возбуждённый осколок может либо высвечивать (флуоресцировать) на некоторой большей длине волны, либо его возбуждение может быть снято (за счёт столкновительного тушения) исходной молекулой или другими добавленными газами М. Обычно при этом образуется неизлучающие продук

Оптический флуоресцентный гигрометр FLASH-B (FLuorescent Advanced Stratospheric Hygrometer for Balloon) разработан и сконструирован в Центральной Аэрологической Обсерватории (ЦАО), г. Долгопрудный, Он представляет собой аэростатный прибор открытого типа, предназначенный для контактных измерений концентрации водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере в тёмное время суток. В приборе использован флуоресцентный метод измерения влажности (см.

2.1). Для диссоциации молекул водяного пара

Электронный блок состоит из: фотоприёмного блока, блока питания прибора, блока питания лампы, блока цифровой обработки, микроконтроллера и соединительной платы. Принципиальная схема электронного блока гигрометра FLASH-B представлена на рис.

2.3. Основное предназначение электронного блока — модуляция лампы и синхронная демодуляция сигнала, поступающего от ФЭУ. Синхродетектирование позволяет, в частности, увеличить отношение сигнал/шум более, чем в 100 раз. 39 Осциллятор генерирует си

В оптическом гигрометре для измерения потока флуоресценции от возбуждённого гидроксила ОН используется фотоумножитель HAMAMATSU R647-04 (Япония). ФЭУ HAMAMATSU R647-04 относится к фотоумножителям фронтального типа, работающим в режиме счёта фотонов. Режим счёта фотонов является одним из самых эффективных использования ФЭУ для измерения очень слабых световых потоков. Он широко используется для флуоресцентной спектроскопии и астрофотометрии. В таблице

2.3 приведены основные технические ха

Оптическая система гигрометра предназначена для сбора излучения флуоресценции на фотокатод ФЭУ. Она состоит из трёх осесимметрично расположенных ' # • кварцевых или пластиковых линз (см. рис.2,1) в металлической оправе. В базовом варианте реализации оптической системы последняя состоит из двух двояковыпуклых кварцевых линз и одной выпукло-вогнутой линзы, расположенной вогнутой стороной наружу и служащей, также, оправой для лампы. Эскиз кварцевых линз приведён на рис.

2.5.

0

Коаксиальная схема оптической системы прибора позволяет предъявлять минимальные требования к ее юстировке. Это важно для создания массовой технологии сборки многоэлементной оптической системы. При использовании линз с заданными техническими характеристиками основное требование к юстировке сводится к их ортогональному расположению относительно общей оптической оси прибора. Цилиндрический корпус оптического блока позволяет фиксирующих легко выполнять это требование. прокладок, Дополнительная юс

. Основными требованиями, исходя из которых выбираются взаиморасположение элементов оптической системы и их оптические параметры, являются:

- точная фокусировка излучения флуоресценции на фотокатод;

- оптимизация расстояния между окном ВУФ лампы и центром анализируемого объёма воздуха;

- уменьшение габаритов прибора. Оптимальное расстояние Ьф между окном ВУФ лампы и центром анализируемого составляет 24 мм. При увеличении этого расстояния, соответственно, возрастает, поглощен

Водородная лампа используется в оптическом гигрометре, в качестве источника вакуумного ультрафиолетового излучения для диссоциации молекул водяного пара (реакция (1)). Источником фотонов с энергией 10,2 еВ является излучение атомарного водорода на линии Lyman-a (121,6 нм). Окно прозрачности в сечении поглощения кислорода на этой длине волны обеспечивает наиболее эффективное производство возбуждённых радикалов гидроксила в том пространстве, где происходит измерение флуоресценции. На рис.

. Как видно из формулы (6) в разделе

2.1 интенсивность флуоресценции прямо пропорциональна интенсивности возбуждающего ВУФ излучения. Таким образом, стабильность интенсивности излучения водородной лампы в гигрометре является важнейшим параметром, характеризующим стабильность работы самого прибора и его точностные характеристики. При этом следует отличать долговременную стабильность лампы, которая обеспечивает сохранение калибровки прибора в течение длительного времени, и стабильность ин

Гигрометр .FLASH-B не является абсолютным прибором, поэтому требует прохождения процедуры что при калибровочной является процедуры. Результатом коэффициент, гигрометра, калибровочной установлено, калибровочный правил хранения индивидуальный для каждого отдельного прибора. Экспериментально соблюдении калибровочный коэффициент сохраняется постоянным. Существует несколько методов калибровки гигрометров. В ЦАО, в частности, до определённого времени применялся метод калибровки в плотном газе. В э

В соответствии с выкладками, приведёнными в разделе

2.1, интенсивность флуоресценции возбуждённых радикалов ОН , образующихся в результате облучения молекул воды ВУФ излучением можно представить как: 1ф, = K-FQiH20l (10) где К - некая константа, определяемая вероятностью высвечивания радикала, интенсивностью ВУФ излучения и геометрией прибора, а. FQ - т.н. «фактор тушения»: ^ А А + к[возд.] (И) 61 Фактор тушения описывает относительную значимость процессов дезактивации (тушения) ради

Погрешность измерений гигрометра FLASH-B можно представить в виде двух составляющих: систематической погрешности, которая задаётся погрешностью калибровки и случайной погрешности. Случайная погрешность прибора, в свою очередь, обусловлена рядом факторов, таких как шум ФЭУ и электроники, нестабильность интенсивности БУФ излучения лампы, как в полёте, так и непосредственно во время калибровочной процедуры. В этом разделе приводится подробный расчёт погрешности прибора, прибора.

Погрешность калибровки состоит из систематической погрешности, которая, очевидно, определяется погрешностью поверочного гигрометра, и случайной погрешности. Для начала рассмотрим вклад погрешности поверочного прибора - гигрометра точки инея MBW-373L. Для него имеем паспортизированную погрешность определения точки росы/инея ±0,1 ^С, а погрешность определения общего давления смеси ±1 мБар. Отношение смеси водяного пара связано с точкой инея через парциальное давление в ходе которого поэтапно ан

. Как было упомянуто в предыдущем разделе, данные отношения смеси водяного пара гигрометра FLASH-B рассчитываются по среднему за время интеграции (4 сек) значению сигнала прибора. Очевидно, что сигнал внутри кадра данных имеет некий разброс значений, который можно классифицировать, как случайную погрешность измерений. К источникам этой погрешности можно отнести в первую очередь нестабильность напряжения питания ФЭУ, зависимость выходного сигнала ФЭУ от напряжения питания, шум ФЭУ и электроник

Значение отношения смеси водяного пара в алгоритме обработки данных сигнала гигрометра FLASH-B рассчитывается по формуле (8), приведённой в разделе

2.5. Таким образом, отношение смеси ft есть функция от трёх параметров - КК, сигнала и давления воздуха: // = f(k, S, Р). Для оценки погрешности д^ была использована методика, приведённая в работе [78]. Относительную погрешность можно оценить по формуле для косвенных измерений: \ EEf r^Y+f^Y (ЬУ+(ЁЕУV f A ^ \ 2 ds \ил J определены со \ s

Разработанная методика оценки констант тушения воздуха позволила определить значения констант для отдельно взятых полос в спектре флуоресценции ОН. Сравнение полученных результатов с оценками констант тушения, выполненными по другой методике, и с литературными данными даёт удовлетворительное согласие. Полученные значения константы тушения были использованы для определения поправки для формулы пересчёта сигнала флуоресценции в отношение смеси водяного пара на высотах больше 25 км. Разработанны

Для W - передачи данных измерений гигрометра применяется радиотелеметрическая система, в которой в качестве радиопередатчика используется аэростатном метеорологический подвесе радиозонд Высота Vaisala RS80-15L, располагающийся на одном с гигрометром. полёта рассчитывается по данным температуры окружающего воздуха и давления, поставляемым радиозондом. Радиозонд Vaisala RS80-15, производимый С- финской компанией Vaisala Оу, это сетевой метеорологический радиозонд, оснащённый радиозонда

Аэростатный подвес поднимается на резиновой гелием или оболочке, водородом. наполненной В состав аэростатного подвеса входит парашют, размотчик с тросиком длиной 50 м и связки Стандартная подвеса, при гигрометр-радиозонд. схема которой аэростатного гигрометр располагается в подвесе в вертикальном положении объективом вниз, показана на рис.

3.3. 50 м На рис.

3.4 показано, как выглядит сам гигрометр и гигрометр в полётном кожухе. Полётный кожух представляет Iv. собой пенопластов

В рамках данной работы бьш разработан программный пакет для ПК, предназначенный для приёма, обработки и визуализации данных измерений гигрометра FLASH-B ч. в режиме реального времени в полностью автоматическом режиме. Программа написана в оболочке Borland Delphi 7 и предназначена для работы под операционными системами Windows 81 95/98/2000/ХР. Программный пакет имеет оконный интерфейс и состоит из исполняемого модуля HygroFLASH.exe объёмом 900 КБ. Программа HygroFLASH имеет следующие основ

В главе 3 рассмотрены особенности и дано описание техники проведения аэростатных экспериментов с гигрометром FLASH-B. Приведено описание радиотелеметрической системы передачи данных, рассмотрены и проанализированы различные схемы аэростатного подвеса и типичные результаты аэростатных экспериментов. Приведено описание программного пакета для приёма и обработки данных аэростатного эксперимента. Показано, что аэростатный эксперимент с гигрометром FLASH-B является сравнительно простым в исполнени

Глава 4 СРАВНЕНИЕ ГИГРОМЕТРА FLASH-B С ГИГРОМЕТРОМ NOAA И МИКРОВОЛНОВЫМ РАДИОМЕТРОМ MIAWARA НО ДАННЫМ НОЛЕВОЙ КАМПАНИИ LAUTLOS-WAWAP. Эта

глава посвящена сравнению данных измерений флуоресцентного гигрометра с данными других приборов, полученных в ходе проведения международной полевой кампании сравнений LAUTLOS-WAWAP.

. Целью международной полевой кампании LAUTLOS было проведение сравнений существующих аэростатных приборов для измерения влажности стратосферы и тропосферы, а также получение новых высокоточных данных о влажности стратосферы в Арктическом регионе. В сравнении принимали участие приборы России, США, Германии, Швейцарии и Финляндии. Кампания проводилась с 27 января по 29 февраля 2004 года в Арктическом центре Финского метеорологического института в г. Соданкюла, Финляндия (

67.4° С.Ш.,

сравнения. Отношения смеси водяного пара в стратосфере, как правило, не имеет высоких градиентов, поэтому зачастую время отклика гигрометра не играет важной роли. В некоторых случаях профили водяного пара (например на границе стратосферного Профиль влажности, циклона) имеют тонкую структуру, точное полученный в результате аэростатного воспроизведение которой зависит от быстродействия гигрометра. эксперимента от

18.02.2004, имеет тонкую структуру и поэтому может быть использован для оцен

данными аэростатных экспериментов. Принцип действия наземного микроволнового радиометра MIAWARA основан на измерении интенсивности излучения водяного пара на линии 22,235 ГГц. Широкополосный опто-акустический спектрометр, входящий в состав радиометра, имеет ширину полосы пропускания 1 ГГц и разрешение 1,2 МГц. Узкополосный спектрометр имеет ширину полосы пропускания 40 МГц и разрешение 14 КГц. Подробное описание прибора приведено в проведения полевой кампании LAUTLOS радиометр работах [82,83]

4.4 Измерения влажности гигрометром FLASH-B в тропосфере. Измерение влажности флуоресцентным методом на тропосферных высотах существенно затрудняется сильным поглощением ВУФ излучения водородной лампы водяным паром и кислородом. Это ограничивает высотный диапазон измерений гигрометра FLASH-B верхней тропосферой (7-8 км). Сравнение данных измерений FLASH-B с данными гигрометра точки инея NOAA (см.

3.2) показало, что расхождение между данными на тропосферных высотах в среднем состав

4.5 Выводы к главе 4 В главе 4 рассмотрены результаты международной полевой кампании LAUTLOS, которая проводилась в январе - февраля 2004 года в г. W Соданкюла, Финляндия (

67.4° с.ш.,

26.6° в.д.). Дано описание аэростатных экспериментов кампании с участием нескольких приборов для измерения влажности в тропосфере и стратосфере. Отмечено, что такие интенсивные измерения вертикального распределения влажности в Арктическом регионе осуществлялись впервые. Результаты аэростатных экспе

5.1 Вертикальное распределение водяного пара внутри и вне стратосферного циклона по данным измерений FLASH-B январе-феврале 2004 г.

. Арктический стратосферный циклон зимы 2003/04 года можно охарактеризовать, как слабый (самый слабый за последние 25 лет) и неглубокий циклон. Формирование циклона происходило в середине ноября с центром, смещённым от полюса в сторону Восточной Сибири. К концу ноября циклон был уже полностью сформирован и в средней стратосфере (на уровнях от 45 гПа до 5 гПа) образовались области с температурами, достаточно низкими для образования стратосферных облаков первого типа [87]. В течение декабря обл

В результате серии аэростатных экспериментов, проведённых в рамках полевой кампании LAUTLOS (см.

3.1), при помощи гигрометра FLASH-B были получены 11 вертикальных профилей влажности. За время проведения полевой кампании, граница стратосферного циклона, определяемая по значению нормированного градиента потенциальной завихренности, дрейфовала относительно места, в котором проводилось аэростатное зондирование. Среди 11 профилей водяного пара, измеренных при помощи гигрометра FLASH-B, 3 про

Полулагранжиановая адвекционная модель MIMOSA [91] позволяет рассчитывать поля метеоэлементов с горизонтальным разрешением 0,3° на v^ заданных изоэнтропических поверхностях. Транспортная схема модели MIMOSA базируется на данных Европейского центра среднесрочных прогнозов ECMWF Т106 с горизонтальным разрешением 1,125° х 1,125° на 28 изобарических уровнях. В данном случае модель MIMOSA использовалась для построения зональных и меридиональных разрезов полей модифицированной потенциальной завихр

5.3

а) Зональный разрез полей модифнщфованной потенщ1альной завихренности для восточной долготы 27,66°, рассчитанный при помощи модели MIMOSA для времени аэростатного эксперимента 6

02.2004. Белой пунктирной линией показана траектория полёта аэростата;

б) профиль водяного пара, измеренный гигрометром FLASH-B

6.02.2004. Спустя несколько дней после

6.02 стратосферный циклон под влиянием среднеширотных воздушных масс переместился в восточном направлении и И феврал

. В разделе

5.1.3 мы показали, что модель MIMOSA способна воспроизводить динамическую структуру полей потенциальной завихренности, которая объясняет вертикальную распределение водяного пара по данным измерений. В данном разделе приводятся результаты моделирования непосредственно вертикального распределения водяного пара. В качестве исходных данных для модельных расчётов были использованы данные ECMWF Т106 по удельной влажности, значения которой были переведены в значения отношения смеси

1). Из рис.

5.6 видно, что локальный максимум отношения смеси на уровне 525 К - 550 К воспроизводится в моделированном профиле водяного пара MIMOSA, однако выражен менее ярко, чем в наблюдаемом профиле влажности. Это обусловлено тем, что заниженные (как видно из рис.

5.6) исходные данные влажности ECMWF существенно влияют на результаты модельных расчётов, занижая их и, как следствие, сглаживая вертикальную структуру моделируемого профиля влажности. 650 600 ^ 550 ^ W 25 февраля

В данном разделе речь пойдёт о структурных особенностях вертикального распределения водяного пара в стратосфере и о причинах их возникновения. Слоистость или возникновение локальных максимумов и минимумов в профиле стратосферной влажности может быть вызвана неоднородной адвекцией в области с высоким горизонтальным градиентом влажности (например вблизи границы стратосферного циклона), гравитационными волнами или дегидрацией, вызванной образованием и оседанием ледяных частиц, и регидрацией в ни

5.3.1 Слоистая структура профиля стратосферной влажности на границе циклона Представляет особый интерес рассмотреть профиль вертикального распределения водяного пара, полученный на границе циклона. Пример такого профиля представлен на рис.

5.8. Этот профиль характеризуется наличием слоев, амплитуда которых примерно соответствует разнице в значении влажности внутри и вне циклона, что сразу вызывает предположение о различном происхождении воздушных масс, прибывающих в точку измерения (нео

v_ стратосферных облаков. В этом разделе речь пойдёт о структурных особенностях вертикальных профилей водяного пара, полученных в присутствии полярных стратосферных облаков в январе 2005 г. Зимой 2004/2005 года Арктический стратосферный циклон был самым сильным за последние 10-15 лет, и температуры внутри циклона в конце января достигли рекордно низких для Арктической стратосферы значений. На уровне 475 К площадь возможного Ч-- образования ПСО II типа достигла к концу января 3 млн. км . В

. Известно, что полярные стратосферные облака (ПСО) играют чрезвычайно важную роль в химическом разрушении озона. Гетерогенная активация хлорных и бромных компонент на поверхности ПСО приводит к значительному увеличению скорости газофазного разрушения озона в зимневесенний период в высоких широтах. Скорость гетерогенной активации, а также воздействие на озон за счёт денитрификации определяется типом ПСО [100,101,102]. Образование различных типов ПСО, в свою очередь, тесно связано с реальной т

. Зимой 2004/2005 года со станции в пос. Ню-Алесунд (о. Западный Шпицберген, Норвегия, 78,9° с.ш., 11,9° в.д.) была произведена серия аэростатных измерений влажности при помощи гигрометра FLASH-B. Было получено 5 вертикальных профилей водяного пара, из которых 4 - внутри стратосферного циклона, а 2 из них (6 и 26 января) в условиях присутствия ПСО. Одновременно с измерениями водяного пара проводились лидарные измерения аэрозольного рассеяния и регулярное озоновое зондирование. Лидар, работающ

. В главе 5 рассматриваются вертикальные профили водяного пара, полученные при помощи гигрометра FLASH-B в результате серии аэростатных измерений в январе-феврале 2004 г. на севере Скандинавского полуострова, а также в январе 2005 г на о. Шпицберген. Представленные результаты геофизического анализа 11 профилей водяного пара, измеренных за время проведения кампании LAUTLOS, а также модельные расчёты позволили объяснить структурные особенности вертикального распределения водяного пара вне, внут