ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 12 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Оценка параметров атмосферной турбулентности для стандартной модели атмосферы

В.В. Ахияров1, Е.А. Ищенко2

1 АО «Научно-производственное объединение дальней радиолокации», Москва, Россия
2 Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.20 УДК 621.396 EDN CTCOUL

Аннотация

В данной работе для стандартной модели атмосферы получены оценки основных параметров турбулентности в приземном слое высотой до 25 м и во всей толще тропосферы до высоты ~10 км. С использованием данной модели установлено, что вблизи земли квадраты структурных характеристик показателя преломления CN2 в радио- и оптическом диапазоне различаются примерно в пятьдесят раз, при этом значения CN2 остаются примерно постоянными до высоты несколько сотен метров. Выполнена оценка дисперсии флуктуаций показателя преломления CN2 и показано, что ее использование позволяет примерно на порядок увеличить дальность прогноза напряженности поля вблизи земли по сравнению со случаем отсутствия флуктуаций.

  • стандартная модель атмосферы
  • рекомендации Международного Союза Электросвязи
  • структурная характеристика показателя преломления
  • дисперсия флуктуаций показателя преломления
  • дальнее тропосферное распространение радиоволн
  • метод параболического уравнения
Abstract (in English)

Estimation of atmospheric turbulence parameters for the standard atmospheric model

In this work, estimates of the main turbulence parameters in the surface layer up to 25 m and in the entire thickness of the troposphere up to a height of ~10 km are obtained for a standard atmospheric model. It is shown that the refractive index structure parameter CN2 in the radio and optical ranges differ approximately fifty times near the ground. It is obtained that using the standard model of the atmosphere, the value of CN2 remains approximately constant up to a height of several hundred meters, which corresponds to the results of long-term (within a year) instrumental measurements. The refractive index fluctuations variance is estimated and it is shown that using it, the range of field strength prediction near the ground can be increased approximately ten times compared to the case of absence fluctuations.

Для цитирования

Ахияров В.В., Ищенко Е.А. Оценка параметров атмосферной турбулентности для стандартной модели атмосферы // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.20

Литература

  1. Рекомендация МСЭ-R P.835-6. Эталонные стандартные атмосферы. https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.835-6-201712-I!!PDF-R.pdf.
  2. Рекомендация МСЭ-R P.1546-6. Метод прогнозирования для трасс связи пункта с зоной для наземных служб в диапазоне частот от 30 МГц до 4000 МГц. https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.1546-6-201908-I!!PDF-R.pdf.
  3. Татарский В.И. Распространение радиоволн в турбулентной атмосфере. - Наука, 1967.
  4. Обухов А.М. Турбулентность и динамика атмосферы. - Гидрометеоиздат, 1988.
  5. Воронцов П.А. Турбулентность и вертикальные токи в пограничном слое атмосферы. - Гидрометеоиздат, 1966.
  6. Burk S.D. Refractive index structure parameters: Time-dependent calculations using a numerical boundary-layer model //Journal of Applied Meteorology and Climatology. - 1980. - Т. 19. - №. 5. - С. 562-576.
  7. Molina-Garcia A. et al. Vertical wind profile characterization and identification of patterns based on a shape clustering algorithm //IEEE Access. - 2019. - Т. 7. - С. 30890-30904.
  8. Tunick A. CN2 model to calculate the micrometeorological influences on the refractive index structure parameter //Environmental Modelling & Software. - 2003. - Т. 18. - №. 2. - С. 165-171.
  9. Sreenivasan K.R. The passive scalar spectrum and the Obukhov-Corrsin constant //Physics of Fluids. - 1996. - Т. 8. - №. 1. - С. 189-196.
  10. Srivastava M. K., Sarthi P. P. Turbulent kinetic energy in the atmospheric surface layer during the summer monsoon //Meteorological Applications. - 2002. - Т. 9. - №. 2. - С. 239-246.
  11. Смалихо И.Н. и др. Определение скорости диссипации энергии турбулентности из данных, измеренных лидаром "Stream Line" в приземном слое атмосферы //Оптика атмосферы и океана. - 2015. - Т. 28. - №. 10. - С. 901-905.
  12. Lukin V.P., Nosov E.V., Fortes B.V. The efficient outer scale of atmospheric turbulence //Astronomy with adaptive optics: present results and future programs, Proceedings of an ESO/OSA topical meeting, held September 7-11, 1998, Sonthofen, Germany, Publisher: Garching, Germany: European Southern Observatory, 1999, ESO Conference and Workshop Proceedings, vol. 56, Edited by Domenico Bonaccini, p. 619. - 1999. - Т. 56. - С. 619.
  13. Рекомендация МСЭ-R P. 453-12. Индекс рефракции радиоволн: его формула и данные о рефракции. https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.453-12-201609-S!!PDF-R.pdf.
  14. Marzano F. S. et al. Clear-air turbulence effects modeling on terrestrial and satellite free-space optical channels //2015 4th International Workshop on Optical Wireless Communications (IWOW). - IEEE, 2015. - С. 36-40.
  15. Belu R. R., Jumper G.Comparison of the refractive index structure constant prediction using radiosonde data to in-situ thermosonde measurements //2012 9th international conference on communications (comm). - IEEE, 2012. - С. 147-150.
  16. Grabner M. et al. Vertical dependence of refractive index structure constant in lowest troposphere //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2011. - Т. 10. - С. 1473-1475.
  17. Ben-Yosef N. et al. Refractive-index structure constant dependence on height //JOSA. - 1979. - Т. 69. - №. 11. - С. 1616-1618.
  18. Рекомендация МСЭ-R P.1621-2. Данные о распространении радиоволн, необходимые для проектирования систем связи Земля-космос, работающих в диапазоне 20-375 ТГц. https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.1621-2-201507-I!!PDF-R.pdf.
  19. Coulman C.E. et al. Outer scale of turbulence appropriate to modeling refractive-index structure profiles //Applied optics. - 1988. - Т. 27. - №. 1. - С. 155-160.
  20. Kermarrec G., Schön S. On the determination of the atmospheric outer scale length of turbulence using GPS phase difference observations: the Seewinkel network //Earth, Planets and Space. - 2020. - Т. 72. - С. 1-16.
  21. Andrews L.C. et al. Atmospheric channel characterization for ORCA testing at NTTR //Atmospheric and Oceanic Propagation of Electromagnetic Waves IV. - SPIE, 2010. - Т. 7588. - С. 80-91.
  22. Xu M. et al. Analysis of the optical turbulence model using meteorological data //Remote Sensing. - 2022. - Т. 14. - №. 13. - С. 3085.
  23. Eaton F.D. et al.Comparisons of VHF radar, optical, and temperature fluctuation measurements of Cn2, r0 and θ0 //Theoretical and applied climatology. - 1988. - Т. 39. - С. 17-29.
  24. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - Мир, 1981. - Т. 2.
  25. Ахияров В.В. Прогноз дальнего тропосферного распространения радиоволн с использованием рекомендаций Международного Союза Электросвязи // Радиолокация, навигация, связь. - 2023. - С. 255-262.
  26. Ахияров В.В. и др. Определение дисперсии флуктуаций показателя преломления для стандартной модели атмосферы //Распространение радиоволн. - 2023. - С. 479-482.
  27. Ахияров В.В. Дифракция метровых и дециметровых радиоволн над земной поверхностью //Электромагнитные волны и электронные системы. - 2006. - Т. 11. - №. 9. - С. 28-33.
  28. Ахияров В.В. Распространение и рассеяние радиоволн //Успехи современной радиоэлектроники. - 2008. - №. 12. - С. 3-25.
  29. Ахияров В.В. Вычисление множителя ослабления вблизи земли с учетом тропосферного рассеяния //Радиолокация, навигация, связь. - 2021. - С. 193-199.
  30. Ахияров В.В. Моделирование дальнего тропосферного распространения радиоволн методом параболического уравнения //Журнал радиоэлектроники. - 2022. - №. 1. http://jre.cplire.ru/jre/jan22/6/text.pdf
  31. Ахияров В.В. Рассеяние на статистически неровной поверхности с произвольными корреляционными свойствами //Журнал радиоэлектроники. - 2012. - №. 2. http://jre.cplire.ru/jre/feb12/2/text.pdf
  32. Ахияров В.В. Моделирование флуктуаций показателя преломления атмосферы для прогноза напряженности поля вблизи земли //Радиолокация, навигация, связь. - 2022. - С. 174-179.
  33. Ахияров В.В., Чернавский С.В. Использование численных методов для изучения условий распространения радиоволн //Радиотехника. - 2011. - №. 10. - С. 100-110.
  34. Ахияров В.В. Вычисление множителя ослабления над земной поверхностью методом параболического уравнения //Журнал радиоэлектроники. - 2012. - №. 1. http://jre.cplire.ru/jre/jan22/6/text.pdf.
  35. Ахияров В.В. Решение задач дифракции методом параболического уравнения //Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. - Т. 17. - №. 11. - С. 24-30.