Том 39, номер 05, статья № 8

Аннотация:

Анализ статистических свойств флуктуаций плотности аэрозоля на высотах полетов гражданской авиации может служить отправной точкой для исследования случайной компоненты поля скоростей ветра. В настоящей работе представлены результаты анализа флуктуаций мощности рассеянного сигнала, измеренного самолетным лидаром в эксперименте проекта DELICAT (DEmonstration of LIdar based Clear Air Turbulence detection). Предложен новый метод исследования аэрозольных облаков, основанный на двумерном преобразовании Фурье. Получены пространственные спектры флуктуаций плотности аэрозоля. Для анализа выбирались участки полетов с постоянными высотой, направлением и скоростью самолета. Сигнал рассматривался в системе координат, где по оси абсцисс отложено расстояние от самолета до рассеивающего объема, а по оси ординат – пройденный самолетом путь относительно воздушной массы. В такой системе облака аэрозоля проявляются в виде полос, наклоненных под углом 45°. В областях, где наблюдался аэрозоль, двумерные спектры имеют пик в окрестности главной диагонали частотной плоскости. Их диагональные сечения равны оценкам одномерных пространственных спектров флуктуаций концентрации аэрозоля в рамках следующих приближений: 1) облака считаются неподвижными в масштабе времени порядка 1 мин, 2) вариации направления линии зондирования пренебрежимо малы. На основе полученных данных были сделаны оценки наклона одномерных спектров. Результаты настоящей работы могут послужить основой для исследования случайной компоненты поля скоростей ветра.

Ключевые слова:

лидар, дистанционное зондирование, пространственные спектры, флуктуации плотности аэрозоля, рассеяние, турбулентность

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Williams P.D. Increased light, moderate, and severe clear-air turbulence in response to climate change // Adv. Atmos. Sci. 2017. V. 34. P. 576–586. DOI: 10.1007/s00376-017-6268-2.
2. Veerman H.P.J., Vrancken P., Lombard L. Flight testing DELICAT – a promise for medium-range clear air turbulence protection // European 46th SETP and 25th SFTE Symposium, 15–18 June 2014. Luleå, Sweden. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01111380.
3. Vrancken P., Wirth M., Ehret G., Barny H., Rondeau P., Veerman H. Airborne forward-pointing UV Rayleigh lidar for remote clear air turbulence detection: System design and performance // Appl. Opt. 2016. V. 55, N. 32. P. 9314–9328. DOI: 10.1364/AO.55.009314.
4. Demonstration of Lidar based Clear Air Turbulence detection // European Commission. France, 2009–2014. URL: https://cordis.europa.eu/project/id/233801 (last access: 15.05.2026).
5. Kopec J., Vrancken P. EU Project DELICAT (Demonstration of Lidar based CAT detection). URL: https://elib.dlr.de/87930/ (last access: 15.05.2026).
6. DELICAT Report Summary. https://cordis.europa.eu/ project/id/233801/reporting (last access: 15.05.2026).
7. DELICAT Final Report. https://cordis.europa.eu/docs /results/233/233801/final1-d6300-final-report.pdf (last access: 15.05.2026).
8. Kameyama S., Ando T., Asaka K., Hirano Y., Wadaka S. Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing // Appl. Opt. 2007. V. 46, N 11. P. 1953–1962. DOI: 10.1364/AO.46.001953.
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. Гурвич А.С. Лидарное зондирование турбулентности на основе усиления обратного рассеяния // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2012. Т. 48, № 6. С. 655–665.
12. Гурвич А.С. Лидарное позиционирование областей повышенной турбулентности ясного неба // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2014. Т. 50, № 2. С. 166–174.
13. Банах В.А., Разенков И.А. Лидарные измерения усиления обратного рассеяния // Опт. и спектроскоп. 2016. Т. 120, № 2. С. 339–348. DOI: 10.7868/S0030403416020021.
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. DOI: 10.15372/AOO20210104.
15. Воробьев В.В., Виноградов А.Г. Влияние фоновой турбулентности в лидарных исследованиях турбулентности ясного неба // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 12. С. 1015–1022; Vorob’ev V.V., Vinogradov A.G. Effect of background turbulence in lidar investigations of clear air turbulence // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 2. P. 134–141. DOI: 10.1134/S1024856014020134.
16. Гурвич А.С., Куликов В.А. Диагностика короткоживущих аэрозольных скоплений при помощи самолетных лидаров // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 4. С. 263–267. DOI: 10.15372/AOO20160402.
17. Gurvich A.S., Kulikov V.A. Impact of pitch angle fluctuations on airborne lidar forward sensing along the flight direction // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10, N 10. P. 3851–3864. DOI: 10.5194/amt-10-3851-2017.
18. Федорова О.В., Коваль О.А., Мамонтов А.Е. Лидарные наблюдения строения и эволюции скоплений аэрозоля в проектe DELICAT // Тр. междунар. конф. «Турбулентность, динамика атмосферы и климата». Москва, май 2018. М.: Физматкнига, 2018. С. 574–582.
19. Fedorova O.V., Koval O.A., Mamontov A.E. Lidar observations of the structure and evolution of aerosol clusters in the DELICAT project // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. V. 231. DOI: 10.1088/1755-1315/231/1/012016.
20. Федорова О.В., Мамонтов А.Е., Коваль О.А. Наблюдения атмосферного аэрозоля с самолета в проекте DELICAT // Международный научно-исследовательский журнал. 2020. № 4. C. 68–82. DOI: 10.23670/IRJ.2020.94.4.012.
21. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.
22. Ишимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. Т. 1. 270 с.
23. Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. М.: Наука, 1965. 512 с.
24. Кляцкин В.И. Стохастические уравнения глазами физика (Основные положения, точные результаты и асимптотические приближения). М.: Физматлит, 2001. 528 с.