Том 37, номер 07, статья № 4

Аннотация:

Для оперативного определения типа атмосферной турбулентности (колмогоровской, когерентной и др.) разработана новая методика на основе алгоритма спектрального анализа последовательных перекрывающихся выборок из постоянно пополняемой совокупности данных метеоизмерений. Выборки формируются методом скользящего временного окна. Критерием смены типов турбулентности выступает величина наклона инерционного интервала спектра флуктуаций температуры вблизи максимума, равная «-5/3» в колмогоровской турбулентности и «-8/3» в когерентной. Наклон вычисляется из уравнения линейной регрессии на начальном участке спектра, протяженность которого устанавливается по уровню уменьшения на один порядок от максимума. Показано, что такие наклоны спектров для зарегистрированных метеоситуаций в городских условиях распределены логнормально. Обнаружено, что доля неколмогоровской турбулентности в более чем пяти миллионах рассчитанных спектров значительно больше ожидаемой и составляет 75–97% в зависимости от строгости оценки. Последовательности спектров с одинаковым наклоном соответствуют областям турбулентности одного типа. Границы областей определяются с точностью шага сдвига скользящего окна. Размеры областей оцениваются на основании информации о скорости ветра и продолжительности регистрации. Показано, что протяженность областей может значительно превышать размеры области для обычной единичной выборки при сравнимых условиях. Для ускорения постобработки больших массивов в алгоритме использован программный интерфейс передачи сообщений MPI для вычислительного кластера с произвольным числом узлов. Областью применения методики в астрономической практике является оценка и регистрация вдоль оптической трассы размеров пространственных областей «сильной» и «слабой» турбулентности, в которых интенсивность турбулентности находится в фиксированных интервалах, а также размеров областей с фиксированной температурной стратификацией.

Ключевые слова:

колмогоровская турбулентность, атмосферная неколмогоровская турбулентность, когерентная турбулентность, область турбулентности, метеорологические измерения

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. 1941. Т. 30, № 4. С. 299–303.
2. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Докл. АН СССР. 1941. Т. 32, № 1. С. 22–24.
3. Монин А.С. Структура атмосферной турбулентности // Теория вероятности и ее применение. 1958. Т. 3, вып. 3. С. 285–317.
4. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
5. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. В 2 т.: Т. 1. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 693 с.
6. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. В 2 т.: Т. 2. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. 741 с.
7 . Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В. Температурно-ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы в прибрежной зоне Байкала. I. Число Ричардсона // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 8. С. 621–630.
8. Одинцов С.Л. Развитие и применение акустических средств диагностики атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 9. С. 786–791.
9. Разенков И.А. Эвристический подход к определению структурной характеристики показателя преломления атмосферы по данным турбулентного лидара // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 3. С. 195–204.
10. Маракасов Д.А., Афанасьев А.Л., Гордеев Е.В. Оценка параметров инерционного интервала турбулентного спектра температуры из временных рядов данных акустических метеостанций // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 3. С. 254–261.
11. Колосов В.В., Дудоров В.В., Филимонов Г.А., Панина А.С., Воронцов М.А. Учет влияния крупномасштабных атмосферных неоднородностей в задаче распространения лазерного излучения на протяженных высотных трассах // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 12. С. 1034–1040.
12. Фалиц А.В., Банах В.А. Численное моделирование эффекта усиления обратного рассеяния в неколмогоровской анизотропной среде // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 1. С. 19–25.
13. Shikhovtsev A.Yu., Kovadlo P.G., Kopylov E.A., Ibrahimov M.A., Ehgamberdiev Sh.A., Tillayev Yu.A. Energy spectra of atmospheric turbulence for calculating C_n² parameter. I. Maidanak and Suffa Observatories in Uzbekistan // Atmosphere. 2021. V. 12, N 12. P. 1614.
14. Shikhovtsev A.Yu., Kovadlo P.G., Lezhenin A.A., Korobov O.A., Kiselev A.V., Russkikh I.V., Kolobov D.Y., Shikhovtsev M.Yu. Influence of atmospheric flow structure on optical turbulence characteristics // Appl. Sci. 2023. V. 13, N 3. P. 1282.
15. Маракасов Д.А., Сухарев А.А., Цвык Р.Ш. Исследование структуры турбулентных недорасширенных сверхзвуковых струй методом лазерного просвечивания // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 8. С. 694–701.
16. Агафонцев М.В., Герасимова Л.О., Рейно В.В., Шестернин А.Н. Исследование конвективной турбулентности над нагретой поверхностью методом скоростной термографии // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 7. С. 584–590.
17. Волков М.В., Гаранин С.Г., Козлова Т.И., Коновальцов М.И., Копалкин А.В., Лебедев Р.С., Стариков Ф.А., Течко О.Л., Тютин С.В., Хохлов С.В., Цыкин В.С. Фазировка излучения 7-канального оптоволоконного лазера с динамическими турбулентными искажениями фазы с использованием стохастического параллельного градиентного алгоритма при ширине полосы 450 кГц // Квант. электрон. 2020. Т. 50, № 7. C. 694–699. DOI: 10.1070/QEL17193.
18. Носов В.В., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Формирование турбулентности в астрономических обсерваториях юга Сибири и Северного Кавказа // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 3. С. 1–19. DOI: 10.15372/AOO20190309.
19. Носов В.В., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Перемежаемость колмогоровской и когерентной турбулентности в горном пограничном слое (обзор) // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 9. С. 726–749. DOI: 10.15372/AOO20210909.
20. Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Ильичевский В.С., Корольков В.А., Тихомиров А.А., Шелевой В.Д. Автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс АМК-03 // Метеорол. и гидрол. 2006. № 11. С. 89–97.
21. Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Лукин В.П., Носов В.В., Носов Е.В., Торгаев А.В. Аппаратно-программный комплекс для исследований структуры полей турбулентных флуктуаций температуры и ветра // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 5. С. 378–384.
22. Тихомиров А.А., Корольков В.А., Смирнов С.В., Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Кураков С.А., Тельминов А.Е., Богомолов В.Ю., Кабанов М.М., Капустин С.Н., Репина И.А., Пашкин А.Д., Степаненко В.М. Метеорологические наблюдения и их приборное обеспечение в ИМКЭС СО РАН // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 2. С. 122–131.
23. Van der Hoven I. Power spectrum of horizontal wind speed in the frequency range from 0.0007 to 900 cycles per hour // J. Meteorol. 1957. V. 14, N 2. P. 160–164.
24. Cooley J.W., Tukey J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series // Math. Comput. 1965. V. 19. P. 297–301.
25. Фишер Р.А. Статистические методы для исследователей. М.: Госстатиздат, 1958. 268 с.
26. Мартенс Л.К. (гл. ред.) Техническая энциклопедия: в 26 т. 2-е изд. М.: ОНТИ, 1937–1941.
27. Гурвиц А., Курант Р. Теория функций. М.: Наука, 1968. 648 с.
28. Носов В.В., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Структура турбулентности над нагретыми поверхностями. Численные решения // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 23–30. DOI: 10.15372/AOO20160103.
29. Носов В.В., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Доказательство гипотезы Хопфа о структуре турбулентности (памяти Татарского) // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 1. С. 12–18. DOI: 10.15372/AOO20230102.