Том 39, номер 10, статья № 5

Аннотация:

Экспериментальные исследования внутренней гравитационной волны (ВГВ) важны для понимания динамических процессов в атмосфере и улучшения прогноза погоды. Использование одновременно трех импульсных когерентных доплеровских лидаров (ИКДЛ) позволяет получать наиболее полную информацию о параметрах ВГВ, включая скорость, угол направления распространения и длину ВГВ. В настоящей работе разработан метод определения параметров ВГВ на основе совместных измерений тремя ИКДЛ, разнесенными на определенные расстояния по горизонтали. Эффективность метода подтверждена результатами численного моделирования, с помощью которого определены границы применимости метода и оптимальные параметры измерений. Результаты работы могут быть полезны при планировании лидарных экспериментов по изучению ВГВ, распространяющейся в пограничном слое атмосферы.

Ключевые слова:

импульсный когерентный доплеровский лидар, внутренняя гравитационная волна (ВГВ), скорость и направление распространения ВГВ

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
2. Little C.G. Acoustic methods for the remote probing of the lower atmosphere // Proc. IEEE. 1969. V. 57, N 4. P. 571–578. DOI: 10.1109/PROC.1969.7010.
3. Brown E.H., Hall F.F. Advances in atmospheric acoustics // Rev. Geophys. 1978. V. 16, N 1. P. 47–110. DOI: 10.1029/RG016i001p00047.
4. Kallistratova M.A. Physical grounds for acoustic remote sensing of the atmospheric boundary layer // Acoustic Remote Sensing Applications. Berlin: Springer, 1997. P. 3–34.
5. Зайцева Д.В. Внутренние гравитационные волны в атмосферном пограничном слое и их влияние на приземные характеристики вертикального обмена: дис. ... на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. М.: Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, 2022. 134 с.
6. 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.
7. Pierson G., Davies F., Collier C. An analysis of performance of the UFAM pulsed Doppler lidar for the observing the boundary layer // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009. V. 26, N 2. P. 240–250. DOI: 10.1175/2008JTECHA1128.1.
8. Dolfi-Bouteyre A., Canat G., Valla M., Augere B., Besson C., Goular D., Lombard L., Cariou J.P., Durecu A., Fleury D., Bricteux L., Brousmiche S., Lugan S., Macq B. Pulsed 1.5-mm LIDAR for axial aircraft wake vortex detection based on high-brightness large-core fiber amplifier // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2009. V. 15. P. 441–450. DOI: 10.1109/JSTQE.2008.2010463.
9. Wu S., Liu B., Liu J., Zhai X., Feng C., Wang G., Zhang H., Yin J., Wang X., Li R., Gallacher D. Wind turbine wake visualization and characteristics analysis by Doppler lidar // Opt. Express. 2016. V. 24, N 10. DOI: 10.1364/OE.24.00A762.
10. Banakh V.A., Nadeev A.I., Razenkov I.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Test results of a pulsed coherent Doppler lidar created at the Institute of Atmospheric Optics SB RAS // Proc. SPIE. 2019. V. 11208. P. 112085K-1–112085K-9. DOI: 10.1117/12.2540944.
11. Смалихо И.Н., Банах В.А., Разенков И.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Сравнение результатов совместных измерений скорости ветра когерентными доплеровскими лидарами StreamLine и ЛРВ // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 10. С. 826–835. DOI: 10.15372/AOO20221005; Smalikho I.N., Banakh V.A., Razenkov I.A., Sukharev A.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Comparison of results of joint wind velocity measurements with the Stream Line and WPL coherent Doppler lidars // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N S1. P. S79–S91.
12. Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar observations of atmospheric internal waves in the boundary layer of atmosphere on the coast of Lake Baikal // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9, N 10. P. 5239–5248. DOI: 10.5194/amt-9-5239-2016.
13. Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Estimating the parameters of wind turbulence from spectra of radial velocity measured by a pulsed Doppler lidar // Remote Sens. 2021. V. 13, N 11. P. 2071. DOI: 10.3390/rs13112071.
14. Смалихо И.Н., Банах В.А., Сухарев А.А. Определение параметров турбулентности из спектров вертикальной компоненты скорости ветра, измеряемой импульсным когерентным доплеровским лидаром. Часть III. Эксперимент на побережье озера Байкал // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 11. С. 891–897. DOI: 10.15372/AOO20211109.
15. Banakh V.A., Smalikho I.N. The impact of internal gravity waves on the spectra of turbulent fluctuations of vertical wind velocity in the stable atmospheric boundary layer // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 2894. DOI: 10.3390/rs15112894.
16. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 288 с.
17. Blumen W., Banta R., Burns S.P., Fritts D.C., Newsom R., Poulos G.S., Sun J. Turbulence statistics of a Kelvin–Helmholtz billow event observed in the night-time boundary layer during the Cooperative Atmosphere – Surface Exchange Study field program // Dyn. Atmos. Ocean. 2001. V. 34. P. 189–204. DOI: 10.1016/S0377-0265(01)00059-4.
18. Witschas B., Rahm S., Wagner J., Dörnbrack A., Rapp M. Airborne wind lidar measurements of vertical and horizontal winds for the investigation of orographically induced gravity waves // J. Atmos. Ocean. Technol. 2017. V. 34, N 6. P. 1371–1386. DOI: 10.1175/JTECH-D-17-0021.1
19. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Лидарные исследования волновых структур и ветровой турбулентности в устойчивом пограничном слое атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 12. С. 1040–1052. DOI: 10.15372/AOO20241208; Smalikho I.N., Banakh V.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Lidar studies of wave structures and wind turbulence in the stable atmospheric boundary layer // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 2. P. 166–179.
20. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.
21. Rees J.M., Mobbs S.D. Studies of internal gravity waves at Halley Base, Antarctica, using wind observations // Q. J. Roy. Meteorol. Soc. 1988. V. 114, N 482. P. 939–966. DOI: 10.1002/qj.49711448206.
22. Monserrat S., Thorpe A.J. Gravity wave observations using an array of microbarographs in the Alearic Islands // Q. J. Roy. Meteorol. Soc. 1992. V. 118, N 504. P. 259–282. DOI: 10.1002/qj.49711850402.
23. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Определение параметров внутренней гравитационной волны по данным совместных измерений тремя импульсными когерентными доплеровскими лидарами. Часть 2. Эксперименты // Оптика атмосф. и океана. 2026. Т. 39, № 10. С. 866–875.
24. Sun J., Nappo C.J., Mahrt L., Belušić D., Grisogono B., Stauffer D.R., Pulido M., Staquet C., Jiang Q., Pouquet A., Yague C., Galperin B., Smith R.B., Fin-nigan J.J., Mayor S.D., Svensson G., Grachev A.A., Neff W.D. Review of wave-turbulence interactions in the stable atmospheric boundary layer // Rev. Geophys. 2015. V. 53, N 3. P. 956–993. DOI: 10.1002/2015RG000487.
25. Frehlich R.G., Yadlowsky M.J. Performance of mean-frequency estimators for Doppler radar and lidar // J. Atmos. Ocean. Technol. 1994. V. 11, N 5. P. 1217–1230. DOI: 10.1175/1520-0426(1994)011<1217:POMFEF>2.0.CO;2.
26. Frehlich R.G., Hannon S.M., Henderson S.W. Performance of a 2-mm coherent Doppler lidar for wind measurements // J. Atmos. Ocean. Technol. 1994. V. 11, N 6. P. 1517–1528. DOI: 0.1175/1520-0426(1994)011<1517:POACDL>2.0.CO;2.
27. Frehlich R.G., Hannon S.M., Henderson S.W. Coherent Doppler lidar measurements of wind field statistics // Bound.-Lay. Meteorol. 1998. V. 86, N 1. P. 223–256. DOI: 10.1023/A:1000676021745.
28. Frehlich R.G., Cornman L.B. Estimating spatial velocity statistics with coherent Doppler lidar // J. Atmos. Ocean. Technol. 2002. V. 19, N 3. P. 355–366. DOI: 10.1175/1520-0426-19.3.355.
29. Frehlich R.G. Velocity error for coherent Doppler lidar with pulse accumulation // J. Atmos. Ocean. Technol. 2004. V. 21, N 6. P. 905–920. DOI: 10.1175/JTECH1596.
30. Hardesty R.M. Performance of a discrete spectral peak frequency estimator for Doppler wind velocity measurements // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1986. V. GE-24, N 5. P. 777–783. DOI: 10.1109/TGRS.1986.289423.
31. Ray B.J., Hardesty R.M. Discrete spectral peak estimation in incoherent backscatter heterodyne lidar. I: Spectral accumulation and Cramer-Rao lower bound // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1993. V. 31, N 1. P. 16–27. DOI: 10.1109/TGRS.1993.215856.
32. Von Kàrmàn T. Progress in the statistical theory of turbulence // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1948. V. 34. P. 530–539. DOI: 10.1073/pnas.34.11.530.
33. Смалихо И.Н., Банах В.А. Точность оценивания скорости диссипации энергии турбулентности из измерений ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром при коническом сканировании зондирующим пучком. Часть I. Алгоритм обработки лидарных данных // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 3. С. 213–219; Smalikho I.N., Banakh V.A. Accuracy of estimation of the turbulent energy dissipation rate from wind measurements with a conically scanning pulsed coherent Doppler lidar. Part I. Algorithm of data processing // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 5. P. 404–410.