Главная » 2014 » Август » 27 » Скачать Исследование мезомасштабной неоднородной структуры тропосферы и ее влияния на распространение радиоволн методом численного бесплатно
1:14 AM
Скачать Исследование мезомасштабной неоднородной структуры тропосферы и ее влияния на распространение радиоволн методом численного бесплатно
Исследование мезомасштабной неоднородной структуры тропосферы и ее влияния на распространение радиоволн методом численного моделирования
Диссертация
Автор: Зинин, Денис Петрович
Название: Исследование мезомасштабной неоднородной структуры тропосферы и ее влияния на распространение радиоволн методом численного моделирования
Справка: Зинин, Денис Петрович. Исследование мезомасштабной неоднородной структуры тропосферы и ее влияния на распространение радиоволн методом численного моделирования : диссертация кандидата физико-математических наук : 25.00.29, 01.04.03 / Зинин Денис Петрович; [Место защиты: Казан. гос. ун-т им. В.И. Ульянова-Ленина] - Казань, 2009 - Количество страниц: 159 с. ил. Казань, 2009 159 c. :
Объем: 159 стр.
Информация: Казань, 2009
Содержание:
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 МЕЗОМАСШТАБНЫЕ АТМОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ
11 Динамика атмосферы
12 Методы исследования атмосферы
13 Распространение радиоволн в атмосфере
14 Выводы
ГЛАВА 2 МЕЗОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ
21 при вязка к реальным данным'
22 модель атмосферных процессов
23 Коэффициент преломления
24 Распределенные вычисления
25 Модель реальной атмосферы
26 Достоверность результатов моделирования
27 Выводы
ГЛАВА 3 МЕЗОМАСШТАБНАЯ НЕОДНОРОДНАЯ СТРУКТУРА МЕТЕОПАРАМЕТРОВ И ПРИМЕСЕЙ В ТРОПОСФЕРЕ
31 Неоднородная структура метеопараметров
32 Неоднородная структура примесей
33 Выводы
ГЛАВА 41У1КЗОМАСШТАБНАЯ НЕОДНОРОДНАЯ СТРУКТУРА КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ РАДИОВОЛН В АТМОСФЕРЕ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАДИОВОЛН
41 Модель неоднородной с груктуры коэффициента преломления радиоволн в нижней атмосфере
42 дос говериость результатов моделирования
43 Неоднородная структура коэффициента преломления радиоволн в атмосфере
44 Распространение радиоволн в неоднородной нейтральной атмосфере
45 Выводы
Введение:
Диссертация посвящена исследованию мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы и ее влиянию на распространение радиоволн. Под мезомасштабами в данной работе подразумеваются характерные временные интервалы от десятков минут до десятков часов, пространственные интервалы от километров до сотен километров. Разработана модель мезомасштабной неоднородной структуры реальной атмосферы на основе методов трехмерного численного моделирования динамики атмосферы, с использованием эмпирических данных, реальных геофизических данных, с учетом нестационарного характера атмосферных процессов. Получены параметры мезомасштабных пространственно-временных вариаций метеопараметров, концентрации ряда примесей, коэффициента преломления радиоволн. Исследовано влияние мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на физические характеристики радиотрасс при различных зенитных углах с учетом зависимости от времени суток и сезонов года.
Актуальность темы. В реальной атмосфере присутствуют неоднородности и возмущения в широком спектре масштабов. В настоящее время мезомасштабная пространственно-временная неоднородная структура атмосферы остается изученной недостаточно. Изучение мезомасштабной неоднородной структуры атмосферных параметров необходимо для решения фундаментальных и прикладных задач экологии, распространения радиоволн в атмосфере, физики атмосферных процессов, и является одним из актуальных направлении современных исследований в области физики атмосферы и радиофизики.
Для задач спутникового радиозондирования земной поверхности и навигации представляет интерес всестороннее исследование возмущения, которое оказывает мезомасштабная неоднородная структура реальной атмосферы на распространение радиоволн по различным трассам. Для получения точных параметров указанного возмущения необходимо восстановление реальной мезомасштабпой неоднородной структуры коэффициента преломления по всей длине радиотрассы на момент распространения радиоволн. Мезомасштабная неоднородная структура реальной атмосферы, в том числе поля коэффициента преломления, меняется во времени, зависит от реальных гео- и метеоусловий на местности.
Для всестороннего изучения указанных явлений и процессов необходимы трехмерные данные о полях атмосферных параметров в реальной атмосфере п их динамика. Получение подобных данных в достаточном разрешении экспериментальными методами сопряжено с рядом практических трудностей, высоких материальных затрат, иногда вовсе технически неосуществимо. Рост вычислительной мощности современных распределенных вычислительных систем и указанные выше проблемы делают актуальным направление исследований мезомасштабных атмосферных процессов на основе сочетания экспериментальных методов и методов численного моделирования [53, 60, 61, 108], что снимает часть ограничений чистых экспериментальных методик.
Целыо работы является исследование мезомасштабных пространственно-временных вариаций полей различных атмосферных параметров (метеопараметры, примеси, коэффициент преломления радиоволн), а также влияния мезомасштабной структуры коэффициента преломления на распространение радиоволн в атмосфере.
Решаемые задачи. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
• Создание адекватной трехмерной модели мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы (температуры, давления, влагосодержания, ряда примесей, коэффициента преломления радиоволн) и ее динамики.
• Получение достоверных мезомасштабных неоднородных полей атмосферных параметров и их динамики.
• Исследование пространственно-временной изменчивости мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы.
• Исследование влияния мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на физические характеристики радиотрасс.
Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на комплексном подходе, использующем мезомасштабную численную метеомодель, реальные метео- и геофизические данные, длинные ряды натурных измерений, модель коэффициента преломления радиоволн, модель .распространения радиоволн в неоднородной среде. Применяется метод параллельных расчетов на высокопроизводительном вычислительном кластере. Анализ мезомасштабных пространственно-временных вариаций атмосферных параметров и их влияния на распространение радиоволн проводится с использованием статистических методов.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
• Впервые создана модель мезомасштабной пространственно-временной изменчивости атмосферных параметров, включающая концентрацию ряда примесей и коэффициент преломления радиоволн, на основе численной метеомодели и длинных рядов натурных ежеминутных измерений.
• Впервые получена приближенная к реальной детальная мезомасштабная трехмерная динамика неоднородной структуры метеопараметров, концентрации ряда примесей (аэрозоль, HN04, N205, HN03, О3, S02, CO, H2O2), коэффициента преломления радиоволн в атмосфере над территорией РТ.
• Впервые получены параметры мезомасштабной пространственно-временной изменчивости полей метеопараметров, концентрации примесей, коэффициента преломления в атмосфере над территорией РТ на основе трехмерных полей и их динамики.
• Впервые получены значения возмущения физических характеристик радиотрасс мезомасштабной неоднородной структурой атмосферы с учетом зависимости от времени суток и сезонов года, на основе трехмерных полей коэффициента преломления и их динамики.
На защиту выносятся:
• Нестационарная модель мезомасштабной неоднородной структуры метеопараметров, примесей (аэрозоль, HN04, N205, HNO3, 03, S02, СО, Н202), коэффициента преломления радиоволн в тропосфере над территорией РТ.
• Закономерности пространственно-временной изменчивости мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы для метеопараметров, примесей (аэрозоль, HN04, N205, HN03, 03, S02, СО, Н202), полученные по длинным рядам трехмерных полей высокого разрешения над территорией РТ.
• Мезомасштабная неоднородная структура коэффициента преломления радиоволн в атмосфере и параметры возмущения характеристик радиотрасс с учетом зависимости от времени суток и сезонов года.
Практическая ценность работы.
Модель мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы над территорией РТ, включающая метеопараметры, концентрации ряда примесей, коэффициент преломления, применима для научных исследований и решения широкого круга задач в области физики атмосферы, радиофизики, экологии. Модель применима для исследований атмосферы над другими территориями с некоторыми переработками под локальные особенности местности. Использование модели позволяет сократить расходы на получение экспериментальных данных, позволяет получить данные недоступные экспериментальными методами.
Массив данных о динамике реальной атмосферы над территорией РТ и пространственно-временные характеристики мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы отражают особенности атмосферной физики, могут быть использованы при разработке соответствующих теоретических концепций, применимы для научных исследований и решения широкого круга задач в области физики атмосферы, радиофизики, экологии.
Результаты и закономерности по влиянию мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы на характеристики радиотрасс отражают особенности и атмосферной физики, ценны для понимания сущности атмосферной радиофизики, применимы для практического совершенствования методов спутникового дистанционного зондирования земной поверхности, повышения точности современных средств навигации, радиолокации и др., позволяют сократить расходы измерения радиоволновых характеристик атмосферы.
Степень внедрения. Созданная модель и другие результаты данной работы применяются в различных научных исследованиях в области физики атмосферы и радиофизики в Казанском Государственном Университете, в частности для исследований с использованием просвечивания атмосферы радиоволнами на трассах "приемник - спутник (GPS-Глонасс)".
Личный вклад автора. Автором выполнены работы по решению поставленных задач аналитическими и численными методами. Проведены работы по созданию вычислительного кластера. Разработана распределенная численная модель мезомасштабной неоднородной структуры реальной атмосферы над территорией РТ, включающей поля концентрации примесей и коэффициента преломления. Проведено моделирование и получены трехмерные поля мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы и ее динамика. Проведен анализ пространственно-временных вариаций мезомасштабной неоднородной структуры атмосферы. Проведено численное моделирование распространения радиоволн в полученной неоднородной среде и анализ полученных результатов. Сделаны основные выводы по полученным результатам.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2004; XXI Всероссийская научная конференция "Распространение радиоволн", Йошкар-Ола, Май 2005; 3-я международная конференция "Фундаментальные проблемы физики", Казань, Июнь 2005; European Aerosol
Conference 2005 (EAC 2005), Ghent, August 2005; Международная конференция "Аэрозоли и Безопасность - 2005", Обнинск, Октябрь 2005; XII Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2005; XXIV Всероссийский симпозиум "Радиолокационное исследование природных сред", Санкт-Петербург, Апрель 2006; Российско-Канадский семинар "Моделирование атмосферного переноса загрязнений при террористических актах, взрывах и пожарах промышленных предприятий", Москва, Июнь 2006; Advanced atmospheric aerosol symposium, Milan, November 2006; XIII Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2006; Региональная научно-практическая конференция "Картография. Навигация. Геоинформационные системы", Казань, Июнь 2007; European Aerosol Conference 2007 (EAC 2007), Salzburg, September 2007; XIV Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2007; Региональная научно-практическая конференция "Геоинформационные системы. Тенденции, проблемы, решения", Казань, Июнь 2008; III Межрегиональная конференция "Промышленная экология и безопасность", Казань, Сентябрь 2008; XXII Всероссийская научная конференция "Распространение радиоволн", Сочи, Сентябрь 2008.
Автор принимал участие в качестве исполнителя в исследованиях, поддержанных грантами: РФФИ 04-05-64194, РФФИ 03-05- 96211 , НИОКР 09-9.5187, госконтрактами Академии наук РТ №№ 06-6.3-13 и 09-9.5-32, "Университеты России" УР 01.01.074. Автор принимал участие в качестве научного руководителя в исследовании, поддержанном грантом молодых ученых Академии наук РТ 072/2008.
Работа удостоена наград: 1 место в секции радиофизика на итоговой студенческой научно-практической конференции КГУ, Казань, Май 2004; Грамота молодых ученых на XII рабочей группе "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2005; Победитель конкурса на соискание именных стипендий Мэра города Казани,
Казань, 2006; Грамота молодых ученых (1-е место) на XIV рабочей группе "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2007.
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 32 работы. Из них 11 статей в научных журналах (из них 4 по списку ВАК), 4 статьи в сборниках трудов научных конференций, 17 опубликованных тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 159 страниц печатного текста, в том числе 65 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 151 источник.
