Оптические характеристики облаков верхнего яруса по данным лидарного зондирования

Оглавление
2
Введение............................................................5
Глава 1. Опыт исследования облаков верхнего яруса: наблюдаемые параметры, методы исследований, теория светорассеяния
1.1. Облака верхнего яруса как объект исследования..............19
1.2. Оптические методы исследования характеристик облаков верхнего яруса........................................................23
1.3. Основы описания рассеяния электромагнитных волн
на частицах.................................................... 26
1.3.1. Интегральное уравнение рассеяния......................... 27
1.3.2. Наблюдаемые характеристики поля (параметры Стокса). . . 29
1.3.3. Сечения рассеяния, оптическая теорема.........................33
1.3.4. Тензор молекулярного упругого и неупругого рассеяний . ... 34
1.3.5. Уравнение переноса излучения через рассеивающую среду . . .35
1.4. Основы поляризационного зондирования облаков верхнего
яруса...........................................................38
1.4.1. Вывод лидарного уравнения через параметры Стокса . ... 38
1.4.2. Определение преимущественной ориентации в ансамбле
частиц облаков верхнего яруса..............................39
1.4.3. Канонический (блочно-диагональный) вид матриц обратного рассеяния облаков верхнего яруса......................................42
Выводы к первой главе................................................43
Глава 2. Модифицированная методика поляризационного зондирования атмосферы
2.1. Оптические характеристики свободной атмосферы на основе данных лидара комбинационного рассеяния света в задаче калибровки по “молекулярному реперу".............................44
2.1.1. Методика определения профиля температуры......................44
2.1.2. Методика определения профилей отношения рассеяния и
3
коэффициента ослабления.......................................43
2.2. Матрицы обратного рассеяния облаков верхнего яруса
по данным поляризационного зондирования.......................52
2.2.1. Основные методические задачи, решаемые при проведении поляризационных измерений...........................................52
2.2.2. Калибровка по “молекулярному реперу" и учет динамики облачного слоя при определении элементов матрицы обратного рассеяния...........................................................56
2.2.3.Профиль отношения рассеяния по данным поляризационных измерений...........................................................59
Выводы по второй главе............................................. 62
Глава 3. Модифицированные алгоритмы обработки данных лидарного зондирования облаков верхнего яруса
3.1. Помехи и сигналы при зондировании облаков верхнего яруса в режиме счета фотонов............................................... 63
3.2. Калибровка сигналов лидарного зондирования по интервалу
высот........................................................ 69
3.3. Алгоритмы предварительной обработки результатов измерений 71
3.3.1. Коррекция просчетов......................................... 72
3.3.2. Коррекция эффекта последействия ФЭУ......................... 73
3.3.3. Вычитание уровня шума........................................74
3.4. Алгоритмы вычисления элементов матриц обратного рассеяния облаков верхнего яруса............................................. 75
3.4.1. Калибровка сигналов поляризационного зондирования по “молекулярному реперу”........................................75
3.4.2. Алгоритмы определения профилей отношения рассеяния ... 76
3.4.3. Алгоритмы вычисления оценок элементов матрицы обратного рассеяния.....................................................79
3.4.4. Алгоритмы вычисления оценок элементов канонической (блочно-диагональной) матрицы обратного рассеяния .... 82
Выводы по третьей главе
84
4
Глава 4. Характеристики облаков верхнего яруса по данным лидарного
зондирования
4.1. Поляризационный лидар “Стратосфера 1М”.......................86
4.2. Лидар комбинационного рассеяния.................................94
4.3. Характеристики облаков верхнего яруса по данным лидара
комбинационного рассеяния, в задаче калибровки по "молекулярному реперу"........................................101
4.4. Характеристики облаков верхнего яруса по данным
поляризационного зондирования за период 1991 - 2002 года . . 106
4.4.1. Характеристики облаков верхнего яруса по результатам измерений отношения рассеяния.......................................107
4.4.2. Матрицы обратного рассеяния и направление преимущественной ориентации частиц в облаках верхнего яруса
по данным поляризационного зондирования.......................111
4.4.3. Основные выводы по результатам поляризационных измерений облаков верхнего яруса..............................................118
4.5 Практические рекомендации по созданию лидара для
мониторинга облаков верхнего яруса на основе модифицированной методики поляризационного зондирования........................121
Выводы к четвертой главе.............................................123
Заключение...........................................................124
Литература
131
Введение
5
Аюуальность темы
Облака верхнего яруса (ОВЯ) входят в состав свободной атмосферы Земли и находятся на высоте 5-13 км в средних широтах. Имея сложный состав, переменные параметры, ОВЯ являются одним из климатообразуюших факторов планетарного масштаба. Необходимо отмстить также, что, являясь, по существу, функциональным природным элементом значительного масштаба, ОВЯ влияют на экологическую ситуацию, что также определяет значительную потребность в изучении и использовании знания о природе ОВЯ. Таким образом, решение задачи определения характеристик ОВЯ, одновременно со снижением себестоимости таких исследований за счет привлечения новых технологий, становится одной из актуальных задач современности. ОВЯ при оптической толщине г а 0,1 0,2 дают значительный парниковый эффект и изменение альбедо системы Земля-атмосфера до 5% [112-114]. Тонкие ОВЯ, расположенные над подстилающей
поверхностью с малым альбедо, больше влияют на альбедо системы, чем плотные нижерасположенные облака 1109 — 111].
Оптика облаков, содержащих кристаллы льда, к настоящему времени изучена недостаточно. Исследования форм кристаллов в облаках проводились с помощью аэростатов и самолетов. На основании пока имеющихся статистически малообеспеченных данных трудно сделать обоснованное заключение об общих закономерностях повторяемости форм кристаллов в облаках. Формы облачных кристаллов весьма разнообразны. По принятой Международной метеорологической организацией
классификации встречающиеся в облаках и осадках кристаллы подразделяются на 10
видов [1-6].
Настоящим прорывом в развитии методов исследования характеристик облачности надо считать использование лазеров, что дало возможность оперативно измерять такие парамегры ОВЯ, как высоту и вертикальную протяженность, распределение плотности, динамику ОВЯ. Таким образом, рассеянное облаками излучение лазера, зафиксированное с помощью регистрирующей аппаратуры, позволяет получить большой объем
информации об ОВЯ. Еще большую информацию об ОВЯ можно получить из поляризационных измерений. Практика зарубежных исследований основывается на измерении рассеянного ОВЯ излучения для двух состояний поляризации. Состояние поляризации рассеянного излучения различно для сферических и несферических частиц, и по результатам измерений можно выделить в облачном слое жидкую и кристаллическую фазы [ЮЗ].
6
Однако измерения полной матрицы обратного рассеяния (МОР) проводятся только на уникальной лидарной установке Томского государственного университета и Института оптики атмосферы [96-101]. Анализ компонентов МОР позволяет выделить пространственное распределение характеристик и преимущественное направление ориентации рассеивающих частиц. Параметр ориентированности ансамбля частиц ОВЯ играет важную роль в процессах ослабления солнечного излучения и должен также учитываться в моделях распространения солнечною излучения через атмосферу Земли [135].
Процедура непосредственно поляризационных измерений в целом носит законченный характер, и в результате цикла измерений массив данных состоит из 12 пар профилей. За последнее десятилетие накоплен большой объем экспериментальных данных по результатам поляризационных измерений ОВЯ. Однако сложившаяся методика обработки данных не позволяла произвести сравнение характеристик ОВЯ, поскольку МОР были получены в базисах, не учитывающих ориентированность ансамбля кристаллических частиц.
В новой методике необходимо было также учесть, что на механизм кристаллообразования в ОВЯ оказывает влияние распределение температуры в подоблачном и облачном слоях.
Кроме того, важно учесть, что изменчивость ОВЯ в цикле поляризационных измерений, погрешности установки поляризационных элементов приводят к появлению существенных систематических по1рсшностеЙ в определении МОР. Также существенную роль на точность полученных результатов оказывает изменчивость ошибок измерений. Например, точность оценок элементов МОР находится в зависимости от высоты зондирования. В то же время учет нереопределенности данных позволяет повысить точность измерений МОР.
Возможность реализации перечисленных выше требований к новой методике обоснована тем, что в ИОА СО РАН на базе канала спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) Сибирской лидарной станции были достигнуты результаты позволяющие применить их в методике поляризационных измерений [162,165,174,177-179]. Данные измерений с помощью СКР-канала, проводимые совместно с поляризационными измерениями, способны разрешить ряд задач по модификации методики поляризационных измерений. В первую очередь это касается методики измерения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры до высоты тропопаузы.
7
Целью диссертационной работы является изучение статистических особенностей МОР ОВЯ на основе модифицированной методики лазерного зондирования, уменьшающей систематические и случайные погрешности, обусловленные как несовершенством аппаратуры, так и динамикой ОВЯ.
Задачи диссертационного исследования:
1. Модификация методики поляризационного зондирования ОВЯ путем калибровки аппаратуры но «молекулярному реперу» с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.
2. Повышение точности определения МОР последовательным применением методов статистического оценивания параметров: подавление случайного шума в сигналах зондирования ОВЯ с помощью метода оптимальной линейной регрессии; оценивание параметров при калибровке по интервалу высот; учет переопределения данных при вычислении МОР; линеаризация и учет переопределения в нелинейной задаче преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ.
3. Разработка методики и алгоритма преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ: учет свойств симметрии МОР; приведение МОР к каноническому (блочно-диагональному) виду, дающему возможность сравнения результатов независимых измерений.
4. Получение статистических данных об элементах МОР ОВЯ с применением модифицированной методики обработки результатов зондирования за 1991-2002 гг. Методы исследования
В работе использован комплексный подход: теория рассеяния Рэлея, Ми; теория рассеяния на ансамбле несферических частиц; теория спонтанного комбинационного рассеяния; физическое и численное моделирование; методы математической статистики; натурный эксперимент.
На защиту' выносятся следующие положения:
1. Калибровка сигналов поляризационного зондирования облаков верхнего яруса по «молекулярному реперу» на основе сигналов спонтанного комбинационного зондирования и учет переопределенности данных на основе метода наименьших квадратов повышают точность оценок элементов матриц обратного рассеяния не менее чем в 2,2 раза.
2. Приведение матриц обратного рассеяния к каноническому (блочнодиагональному) виду, не зависимому от ориентации базисных векторов, на основе свойств симметрии и направления преимущественной ориентации ансамбля
8
кристаллических частиц облаков верхнею яруса - позволяет проводить сравнение результатов независимых измерений.
3. Значительная доля (до 25%) облаков верхнего яруса характеризуется отношением рассеяния в интервале 1,25-1,75; до 70% облаков верхнего яруса представлены ансамблями частице набором параметров: 0<^<0,2, |я,2|<0,2 и аи =0 ориентацию которых можно считать случайной. Здесь х ~ параметр ориентированности; ап, аи -элементы матрицы обратного рассеяния ансамбля кристаллических частиц облаков верхнего яруса.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы
На основе теории СКР получены количественные оценки параметров СКР-лидара, характеристики которого подтверждены результатами натурных исследований.
В частности, измерения профиля температуры СКР-лидаром удовлетворительно соответствуют шар-зондовым измерениям.
Разработанные алгоритмы и последовательность операций получения параметров ОВЯ неоднократно проходили проверку на достоверность полученных результатов. В частности, оценки величин, полученные на основе алгоритма метода наименьших квадратов с прямой подстановкой параметров, идентичны оценкам, полученным на основе алгоритма метода, использующего вектор множителей Лежандра для связанных параметров в линейной модели.
Выбор участка калибровки по «молекулярному реперу» обоснован в соответствие с предсказанным теорией характером поведения экспериментальных данных. Полученные в результате обработки данные о МОР ОВЯ, профилях отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры находятся в соответствии с данными, предсказанными теорией, и результатами независимых измерений на участках трассы зондирования с преобладанием молекулярного рассеяния. Для статистической обработки результатов измерений привлекались однородные данные с оценкой стандартного отклонения, не превышающего одной сотой для элементов МОР.
Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором
Для решения задач исследования ОВЯ автором впервые детально проработана методика калибровки сигналов зондирования поляризационного лидара но «молекулярному реперу» на высотах, где преобладает молекулярное рассеяние, с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.
9
Впервые разработана и прошла экспериментальную проверку модифицированная методика получения профиля коэффициента ослабления с использованием лидарных сигналов СКР на основе барометрической формулы и уравнения состояния атмосферы.
Впервые детально проработана и апробирована методика повышения точности оценок элементов МОР, полученных из эксперимента, учитывающая такие статистические особенности экспериментальных данных, как динамика ОВЯ, изменчивость ошибок измерений в зависимости от высоты зондирования и переопределённость данных.
Впервые проведен статистический анализ данных зондирования по отношению рассеяния и МОР ОВЯ за 1991- 2002 гг.
Научная и практическая полезность результатов диссертационной работы
Методика, разработанная в процессе диссертационной работы, положена в основу систематических исследований МОР ОВЯ в Т1*У и ИОА. Результаты исследований МОР ОВЯ за 1991- 2002 гг. могут быть положены в основу построения физических моделей ОВЯ и могут использоваться для верификации полных МОР кристаллических облаков, полученных теоретическим путем.
Алгоритмы учета изменчивости ошибок измерений, переопределенноеги данных, приемы линеаризации при обработке данных, алгоритмы калибровки лидарных сигналов по выбранному интервалу высот (дальности), учитывающие ошибки как самих сигналов, так и ошибки привлекаемых для сравнения данных, обладают универсальным характером и могут быть с успехом адаптированы для применения в других задачах лидарного зондирования.
Статистические данные об ориентации ансамблей частиц в ОВЯ могут быть использованы для уточнения моделей перистых облаков в задачах переноса солнечной радиации в атмосфере. В частности, эти данные позволяют оценивать вероятность появления квазихаотической ориентации частиц в ОВЯ и, вследствие этого, использовать модель сфер эквивалентных радиусов.
На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных возможны разработка и построение оптимального лидара для мониторинга ОВЯ. Использование и внедрение результатов работы
Модифицированная методика поляризационного зондирования ОВЯ признана в качестве базовой для проведения исследований и последующей модификации аппаратуры уникальной лидарной установки Томского государственного университета и Института оптики атмосферы.
Результаты диссертационной работы использованы в международной программе НПО «Зонд» при разработке СКР-лидара нового поколения.
10
Простота и эффективность метода восстановления непериодических сигналов, полученного в процессе диссертационной работы, позволяют широко использовать его в прикладных задачах лидарного зондирования в счете фотонов (ИОА, ТГУ).
Апробация результатов
Основные положения диссертационной работы, или отдельные ее разделы, докладывались и обсуждались: на Международной конференции по зондированию атмосферы (Кейп-Код, США, 1987); 14-й Международной конференции по лазерному зондированию атмосферы (Сан-Кандино, Италия, 1988); III Международном симпозиуме по зондированию тропосферы (Гамбург, Германия, 1994); IX-X Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987, 1989); I—II Межреспубликанских симпозиумах (Томск, 1994, 1995); IX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002); Юбилейной Всероссийской научной конференции (МГУ, Москва, 2002).
Струкггура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 152 наименования, содержит 127 страниц машинописного текста, 32 рисунка и 7 таблиц.
В первой главе приведен обзор известных исследований и современное состояние проблемы определения характеристик ОВЯ. ОВЯ образуются в верхней тропосфере в результате упорядоченного подъема и адиабатического охлаждения воздуха.
В главе рассмотрены основные выводы теории рассеяния электромагнитных волн на частицах, интегральное уравнение рассеяния [115-121]. Также рассматриваются вопросы рассеяния на частицах несферической формы, относящиеся к рассеянию на кристаллических образованиях облаков верхнего яруса. Показан квантово-механический подход к описанию СКР [137-152]. Большое внимание уделено теоретическим основам поляризационного зондирования ОВЯ. Для этого рассматриваегся вид лидарного уравнения выраженного через параметры Стокса. При зовдировании в зенит в ансамбле кристаллических частиц в направлении зондирования z существует плоскость зеркальной симметрии [135]. Если плоскость зеркальной симметрии составляет азимутальный угол ф с плоскостью ориентации координат лидара xoz, то преобразованием поворота, эти плоскости можно совместить
У1(л) = и(-ф)М(л)и(-ф). (1)
Таким образом, матрица М (/г) имеет вид
11
А в 0 Н'
В E + F 0 0
0 0 -E + F D
н 0 -D С
М'(л) =
Здесь матричные элементы, инвариантные относительно оси вращения
А = Л/„, С = Ми, Я = Ми = М„, Е = I(W„ - ЛО = 1(Л/„ - А/„),
и элементы, неинвариантные относительно оси вращения
В = А/12 cos2^- Л/,,sin2фу D = A/J4cos2^-Л/24 sin2^,
F = i (Л/22 + jVf )cos 4^ - A/2J sin 4^.
(2)
(3)
(4)
'1 ь 0 h'
М0(/г) = Ъ * + / 0 0
0 0 -в+/ d
<h 0 -d с,
Нормировка матрицы обратного рассеяния М‘(яг) на элемент Л/,, позволяет приводить матрицы, измеренные в разных экспериментах, к единому каноническому (блочно-диагональному) виду, удобному для сравнения и анализа
(5)
Здесь элементы канонической (блочно-диагональной) матрицы М0(;г) образованы нормировкой на элемент А/„, например И = И/Ми, и т. д. Теперь элементы
унифицированной матрицы М0(д) находятся в одном диапазоне величин [-1,1], что удобно для задач интерпретации результатов независимых измерений.
Вторая глава посвящена изложению модифицированной методики определения характеристик ОВЯ из лидарных измерений. Глава состоит из двух частей. В первой части описывается методика определения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры из лидарных сигналов СКР [162]. Метод предполагает регистрацию сигналов обратного рассеяния на несмещенной длине волны Л0 и в двух узких участках чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния молекул азота и кислорода. Каждый из грех сигналов описывается уравнением лазерной локации
Р,тг = К,0(А)Д(А)ехр|- |[а0(х)+а,(д:)Ц, (< = 1,2,3) (6)
где / - номер спектрального участка; /^(А) - мощность сигнала в /-м участке спектра, принимаемая с расстояния А; Ki - аппаратурная константа для канала, регистрирующего излучение в / -м участке спектра; С(А) - геометрическая функция, учитывающая
12
перекрытие диаграмм направленности приемной и передающей антенн лидара; Д(А) и а,(И) - коэффициенты обратного рассеяния и ослабления соответственно. Для отношения рассеяния можно получить выражение
—Ш {7)
к(т+рг(И)) ’
Здесь К является коэффициентом пропорциональности между сечениями рассеяния упругого и неупругого молекулярного рассеяния. Используя барометрическую формулу и уравнение состояния идеального газа, можно получить выражение для профиля коэффициента ослабления
1
а и* =
2ЛЛ^,
, С(А,„) 5(А,.)Г(А;)
1п + ІП
4/? Щ)Т(ИН) ’
С{И,)
где 5(Л) = (Д(Л) + />2(Л))Л2. Метод дистанционного определения температуры, предложенный Куни, основан на оптимальном но чувствительности выборе двух участков чисто вращательного спектра азота, таким образом, чтобы отношение сигналов от выбранных участков чисто вращательного спектра максимально зависело от температуры. Показано, что при изменении температуры на один градус изменение величины отношения сигналов может составлять 1,5-2%.
Во второй части главы рассматривается метод извлечения информации о МОР МГ(А) из лидарньгх поляризационных измерений [173,175]. Рассматриваются характеристики принимаемых рассеянных сигналов, образующих систему уравнений дтя определения МОР из С-функций, определяемых из лидарных сигналов РХ(Н) и Р2{И) для разных состояний поляризации излучений передагчика и приемника
(9)
/>,№ + />,( А)’
где Р, (Л) = 1сА,^0 ЛЛ"2Гг (Л)8М ^ СА)*,, (Ю)
/> (А) = ^-скМЛГ'Т'Ш'ТАЛА>,. (11)
Здесь g и g* - нормированные, взаимгго-ортогональные приборные вектора (матрицы-строки) приемника; я, - нормированный вектор-параметр (матрица-столбец) Стокса передатчика.
Для извлечения информации о МОР из принятых лидарных сигналов необходимо учесть вклад и свести к минимуму зависимость полученных данных от характеристик