Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

4.3 Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

Вследствие большой изменчивости показатель преломления удобно характеризовать средними (усредненными за определенный период времени) величинами. Конкретные профили коэффициента преломления, полученные во время одного зондирования, существенно отличаются от усредненных высотных распределений N и от стандартной радиоатмосферы. Эти отличия обусловлены нерегулярным характером высотного распределения температуры и влажности, которое изменяется во времени и зависит от погоды и климата [6].

Представление о закономерностях среднего изменения с высотой коэффициента преломления атмосферы можно получить из анализа выражения (9). Из этого выражения следует, что увеличение Р и е вызывает рост N, в то время как увеличение Т приводит к уменьшению N. Если взять частные производные соотношения (9) последовательно по Р, е и Т, то получится выражение для оценки величины вклада, вносимого каждым метеорологическим параметром в изменение N. Для средних летних условий это выражение примет вид:

,(25)

где ∆T, ∆P, ∆e – приращения средних значений температуры, давления, упругости водяного пара соответственно.

Из выражения (25) видно, что изменения величины N в одной точке в основном зависят от изменения температуры и влажности, причем влияние влажности заметно превосходит влияние температуры, т.к. величины ∆e и ∆T при выбранной системе единиц примерно одного порядка; влияние давления в этом случае настолько мало, что им можно даже пренебречь [7].

По средним значениям N на высотах 0, 24, 40, 112, 180 м был построен график вертикального профиля показателя преломления воздуха в июле (см. рисунок 4). Из графика видно, что показатель преломления убывает с высотой. Это происходит потому, что (если опять же анализировать выражение (9) ) Р и е с высотой уменьшаются, а Т увеличивается до определенного уровня, а потом уменьшается. В слое от 0 до 24 м идет достаточно выраженное падение N (градиент здесь равен – 0,183 N – ед/м). В слое от 24 до 40 м немного уменьшается интенсивность падения N, но не сильно (градиент составляет – 0,100 N–ед/м). А вот от 40 до 112 м наблюдается самое маленькое (незначительное) уменьшение N с высотой (градиент слоя составляет всего – 0,053 N – ед/м). Начиная со 112 и до 180 м наблюдается самое сильное падение N с высотой (градиент здесь самый большой и равен – 0,204 N – ед/м). Разница между нулевым уровнем и высотой 180 м составляет 23,7 N – ед/м (такая небольшая разница скорее всего обусловлена сглаженным среднемесячным ходом влажности – изменения ее тоже очень маленькие по вертикали).

Данный, среднемесячный профиль N близок к стандартной линейной зависимости. И поэтому можно аппроксимировать этот профиль линейной зависимостью (на графике аппроксимация показана черной линией).

Уравнение этой линии выглядит следующим образом:

,(26)

где у – значение N,

х – значение высоты.

Величина достоверности аппроксимации составляет: R2 = 0,9356.

Рисунок 4 – Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

Видно, что эта характеристика составляет приблизительно 94%. Это говорит о том, что аппроксимация вполне достоверна.

4.4 Повторяемость различных видов рефракции в июле

В ряде приложений широко применяются данные не о самом коэффициенте преломления, а о величине его вертикального градиента. Для стандартной атмосферы с нормальной (стандартной) рефракцией вертикальный градиент равен:  N – ед/м. Однако в приземном слое градиенты, близкие к стандартному, наблюдаются сравнительно редко вследствие большой изменчивости профиля N на этих высотах. К стандартной величине градиента близки лишь средние значения градиента в достаточно толстом слое воздуха – в слое 0 – 1000 м и более, причем время усреднения тоже должно быть достаточно большим – усреднение за месяц, за сезон и т.п.

Как и приземные значения показателя преломления, градиенты подвержены сезонным изменениям, причем сезонный ход среднемесячных значений градиента связан с сезонным ходом самого коэффициента преломления. С увеличением высоты слоя воздуха сезонные колебания градиентов уменьшаются, и на высотах более 600 м ими можно пренебречь [6].

Детальное рассмотрение многочисленных N – профилей, полученных в разную погоду в разное время суток, показало в основном большинстве случаев наличие критических и сверхкритических градиентов величины N в самом нижнем 25 – метровом слое атмосферы. Для слоя 25 – 121 м – характерна повышенная рефракция. Слой выше 120 м выглядит самым стабильным, он приближается к стандартной атмосфере.

Как следует из выражения (9), появление больших градиентов N должно иметь место в тех слоях атмосферы, где наиболее резко выражена инверсия температуры и происходит падение с высотой абсолютной влажности воздуха. Летом именно в слое до 100 м наиболее резко выражены ночные инверсии температуры, а днем наблюдается значительное падение влажности с высотой. Оба эти фактора и обусловливают сверхкритическую и повышенную рефракции в нижнем 120 метровом слое атмосферы [7].

По полученным значениям N на разных высотах (во все дни июля) определялись вертикальные градиенты dN/dH для слоев 0 – 24, 24 – 40,

40 – 112, 112 – 180 м. Градиенты были разбиты на 4 интервала:

1. Отрицательный ();

2. Пониженный ();

3. Повышенный ();

4. Сверхкритический ().

В соответствии с этой разбивкой для каждого вида рефракции были посчитаны их повторяемости. (см. таблицы 2, 3).

Таблица 2 – Повторяемость различных видов рефракции в июле

Таблица 3 – Повторяемость различных видов рефракции в каждом слое

Отрицательная рефракция наблюдалась в общем случае за месяц всего в 18% из 100%. Она была отмечена во всех слоях. От 0 – 24, 24 – 40, 40 – 112 м чаще всего (повторяемость рефракции в этих слоях практически одинаковая, но наблюдалась она в разные дни), и лишь 1 раз в слое 112 – 180 м (9 июля).

Положительная пониженная рефракция наблюдалась меньшее количество раз за месяц и составила всего 9%. Была отмечена она в основном в слое

40 – 112 м, а вот в слое 0 – 24 м наблюдали ее всего 2 раза (16 и 24 июля).

За месяц чаще всего наблюдали положительную повышенную рефракцию и сверхрефракцию, которые составили соответственно 19% и 54%. Повышенная рефракция чаще отмечалась в слоях 24 – 40, 40 – 112,

112 – 180 м; меньше всего в слое 0 – 24 м (всего 3 раза). Полученные результаты соответствуют выводам, сделанным в работе [7] о том, что для слоя 25 – 121 м характерна повышенная рефракция. Сверхрефракция составила самый большой процент повторяемости за месяц (наблюдалась она во всех слоях). Наиболее часто она встречалась в слоях 0 – 24 и 112 – 180 м (повторяемость ее в этих слоях практически одинаковая). Меньше всего раз сверхрефракция была отмечена в слоях 24 – 40 и 40 – 112 м. Это так же соответствует выводам в работе [7] о том, что сверхрефракция в большинстве случаев наблюдается в нижнем 25 – метровом слое.

Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что наибольшую повторяемость в июле повышенной и сверхкритической рефракций в нижнем 180 – метровом слое атмосферы обусловливают 2 фактора:

Резко выраженная инверсия температуры воздуха;

Падение с высотой влажности воздуха.

Заключение

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

В летний период в умеренном климатическом поясе на высотах до