Том 36, номер 11, статья № 6
Разенков И. А. Зондирование волн Кельвина–Гельмгольца турбулентным лидаром. I. Лидар УОР-4. // Оптика атмосферы и океана. 2023. Т. 36. № 11. С. 910–920. DOI: 10.15372/AOO20231106.Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:
Атмосферные волны вызывают повышенный интерес среди ученых в связи с обменными процессами, происходящими в пограничном слое. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты зондирования турбулентным лидаром УОР-4 (532 нм) мезомасштабных волн Кельвина–Гельмгольца в устойчиво стратифицированном пограничном слое атмосферы. Атмосферные волны в большинстве случаев наблюдались в вечернее и ночное время в интервале высот от поверхности земли до 600 м, когда число Ричардсона в приземном слое не превышало критического значения +1/4. Фурье-анализ временных рядов структурной характеристики коэффициента преломления Cn2 показал, что спектр волнового процесса в пограничном слое атмосферы состоит из набора монохроматических волн с разными частотами колебаний. Во время наблюдений период волн изменялся от 1 до 11 мин, а их амплитуда – от 20 до 300 м. Выяснено, что монохроматические волны существуют от получаса до двух часов. Исчезновение одних монохроматических волн компенсируется возникновением новых. Генерирование мелкомасштабной турбулентности происходит на протяжении всего жизненного цикла волны Кельвина–Гельмгольца. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что турбулентный лидар представляет собой чувствительный прибор, позволяющий дистанционно обнаруживать и наблюдать атмосферные волны.
Ключевые слова:
турбулентный лидар, увеличение обратного рассеяния, неустойчивость Кельвина–Гельмгольца, атмосферная турбулентность
Список литературы:
1. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978. 532 с.
2. Шакина Н.П. Гидродинамическая неустойчивость в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 308 с.
3. Nappo C.J. An introduction to atmospheric gravity waves. Academic press, 2002. 300 p.
4. Poulos G.S., Blumen W., Fritts D.C., Lundquist J.K., Sun J., Burns S.P., Nappo C., Banta R., Newsom R., Cuxart J., Terradellas E., Balsley B., Jensen M. CASES-99: A comprehensive Investigation of the stable nocturnal boundary layer // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2002. V. 83. P. 555–581.
5. Eichinger W.E., Cooper D.I., Forman P.R., Griegos J., Osborn M.A., Richter D., Tellier L.L., Thornton R. The development of a scanning Raman water vapor lidar for boundary layer and tropospheric observations // J. Atmos. Ocean. Technol. 1999. V. 11, N 2. P. 1753–1766.
6. Newsom R.K., Banta R.M. Shear instability gravity waves in the stable nocturnal boundary layer as observed by Doppler lidar during CASES-99 // J. Atmos. Sci. 2003. V. 60. P. 16–33.
7. Люлюкин В.С., Каллистратова М.А., Кузнецов Р.Д., Кузнецов Д.Д., Чунчузов И.П., Широкова Г.Ю. Внутренние гравитационно-сдвиговые волны в атмосферном пограничном слое по данным акустической локации // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2015. Т. 51, № 2. С. 218–229.
8. Каллистратова М.А., Люлюкин В.С., Кузнецов Р.Д., Петенко И.В., Зайцева Д.В., Кузнецов Д.Д. Содарные исследования волн Кельвина–Гельмгольца в низкоуровневых струйных течениях // Динамика волновых и обменных процессов в атмосфере. М.: ГЕОС, 2017. С. 212–259.
9. Виноградов А.Г., Гурвич А.С., Кашкаров С.С., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. «Закономерность увеличения обратного рассеяния волн». Свидетельство на открытие № 359. Приоритет открытия: 25 августа 1972 г. в части теоретического обоснования и 12 августа 1976 г. в части экспериментального доказательства закономерности. Государственный реестр открытий СССР // Бюлл. изобретений. 1989. № 21.
10. Виноградов А.Г., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Эффект усиления обратного рассеяния на телах, помещенных в среду со случайными неоднородностями // Изв. вузов. Радиофиз. 1973. Т. 16, № 7. С. 1064–1070.
11. Кравцов Ю.А., Саичев А.И. Эффекты двукратного прохождения волн в случайно неоднородных средах. // Успехи физ. наук. 1982. Т. 137, № 3. С. 501–527.
12. Гурвич А.С. Лидарное зондирование турбулентности на основе усиления обратного рассеяния // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2012. Т. 48, № 6. С. 655–665.
13. Разенков И.А. Анализ технических решений при проектировании турбулентного лидара // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 9. С. 766–776; Razenkov I.A. Engineering and technical solutions when designing a turbulent lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N S1. P. S148–S158.
14. Разенков И.А. Перспективы применения турбулентного УОР-лидара для исследования пограничного слоя атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 1. С. 26–35; Razenkov I.A. Capabilities of a turbulent BSE-lidar for the study of the atmospheric boundary layer // Atmos. Ocean. Opt. 2021. V. 34, N 3. P. 229–238.
15. Воробьев В.В. О применимости асимптотических формул восстановления параметров «оптической» турбулентности из данных импульсного лидарного зондирования. I. Уравнения // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 10. С. 870–875; Vorob’ev V.V. On the applicability of asymptotic formulas of retrieving “optical” turbulence parameters from pulse lidar sounding data: I – Equations // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 2. P. 156–161.
16. Воробьев В.В. О применимости асимптотических формул восстановления параметров «оптической» турбулентности из данных импульсного лидарного зондирования. II. Результаты численного моделирования // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 11. С. 987–993; Vorob’ev V.V. On the applicability of asymptotic formulas of retrieving “optical” turbulence parameters from pulse lidar sounding data: II – Results of numerical simulation // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 2. P. 162–168.
17. Разенков И.А. Эвристический подход к определению структурной характеристики Cn2 из лидарных данных // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 3. С. 195–204; Razenkov I.A. A heuristic approach to defining the structure parameter of the refractive index of the atmosphere from turbulent lidar data // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 4. P. 345–354.
18. Miles J.W. On the stability of heterogeneous shear flow // J. Fluid Mech. 1961. V. 10, N 4. P. 496–509.
19. Howard L.N. Note on a paper of John W. Miles // J. Fluid Mech. 1961. V. 10, N 4. P. 509–512.
20. Разенков И.А. Специфика зондирования пограничного слоя атмосферы турбулентным лидаром // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 8. С. 643–648.
21. Squire H.B. On the stability for three-dimensional disturbances of viscous fluid flow between parallel walls // Proc. Roy. Soc. London. Series A. 1933. V. 142, N 847. P. 621–628.
22. URL: https://www.ventusky.com/ (last access: 13.03.2023).