Пассивное зондирование оптических характеристик атмосферы над океаном и континентом

- 2 -
Оглавление
Введение........................................................................6
Глава I. Методики и аппаратура для экспресс - диагностики
атмосферного замутнення в мобильных условиях....................................24
§1.1 Характеристика основ метода пассивного зондирования (МПЗ) для
определения горизонт&аьной дальности видимости..................................25
§1.2 Анализ требований к реализации МПЗ в корабельных условиях..................31
§1.3 Программно-алгоритмическое обеспечение измерителя ИКОС.....................34
§1.4. Устройство и принцип действия корабельных измерителей ИКОС................36
§1.5 Результаты испытаний и сопоставление с другими методами....................41
§1.6 Исследования коэффициентов ослабления света в морской атмосфере............45
§1.7 Развитие МПЗ применительно к авиационным условиям..........................49
§1.8 Аппаратура и результаты самолетных исследований............................54
1.8.1 Самолетные спектрофотометрические комплексы...............................54
1.8.2 Результаты апробации самолетных МПЗ и подспутниковые
(Космос-1939) эксперименты......................................................60
Глава II. Аппаратурно-методические вопросы солнечной
спектрофотометрии атмосферы.....................................................66
§2.1 Основы измерений прямой и околосолнечной радиации на
наклонных трассах...............................................................67
§2.2 Методика определения аэрозольных оптических толщ (ЛОТ) атмосферы 71
2.2.1 Определение АОТ атмосферы в видимой области спектра
(традиционный подход)...........................................................71
2.2.2 Определение АОТ атмосферы в ИК диапазоне спектра..........................72
2.2.3 Оценки искажающего влияния рассеянного и теплового излучения
атмосферы......................................................................78
§2.3 Расчет атмосферных масс в широком диапазоне зенитных углов
наблюдений...................................................................... 81
§2.4 Методика определения ореольных индикатрис рассеяния атмосферы..............86
§2.5 Автоматизированные многоволновые солнечные фотометры (АМСФ)................91
2.5.1 Общие требования к многофункциональному фотометру.........................91
- з -
2.5.2 Миоговолновой солнечный фотометр АМСФ-3....................................94
2.5.3 Ореольный солнечный фотометр ЛМСФ-5.......................................100
2.5.4 Методика измерений и процедуры первичной обработки данных.................105
§2.6 Метрологические характеристики солнечных фотометров........................110
2.6.1 Проверка и стабилизация основных характеристик фотометра..................110
2.6.2 Калибровка фотометра......................................................113
2.6.3 Оценка погрешности измерений..............................................116
Глава III. Пространственно-временная изменчивость
спектральных АОТ атмосферы над океаном и континентом............................124
§3.1 Общая характеристика проведенных исследований..............................126
3.1.1 Современное состояние исследований АОТ атмосферы..........................126
3.1.2 Характеристика атмосферно-оптических исследований в
Атлантическом океане............................................................133
3.1.3 Условия и объем исследований прозрачности атмосферы в районе
г. Томска.......................................................................137
§3.2 Пространственная изменчивость АОТ атмосферы над океаном,
районирование...................................................................142
§3.3 Оценки крупномасштабной изменчивости АОТ атмосферы.........................151
3.3.1 Сезонные колебания ЛОТ атмосферы..........................................151
3.3.2 Длиннопериодные вариации АОТ в континентальных условиях...................152
3.3.3 Замутнение атмосферы Атлантики после извержения в. Пинатубо...............155
§3.4 Вариации АОТ атмосферы в масштабе синоптических колебаний..................163
3.4.1 Межсуточная изменчивость АОТ в районе г. Томска...........................163
3.4.2 Вариации АОТ морской атмосферы............................................171
§3.5 Дневная изменчивость аэрозольного замутнения атмосферы.....................176
3.5.1 Дневной ход АОТ атмосферы в летних условиях г. Томска.....................178
3.5.2 Характер дневной изменчивости спектральных АОТ над океаном................181
§3.6 Особенности спектрального хода АОТ атмосферы...............................185
3.6.1 Спектральный ход АОТ атмосферы и вариации параметра
Ангстрема в континентальных условиях............................................185
3.6.2 Пространственно-временная изменчивость параметра Ангстрема
над океаном.....................................................................189
-4-
3.6.3 Нарушение спектратьной зависимости АОТ в отдельных
спектральных участках..........................................................191
3.6.4 Взаимосвязь АОТ атмосферы в отдельных спектральных участках..............198
§3.7 Подспутниковые эксперименты и результаты сопоставления с
другими исследованиями АОТ атмосферы над океаном...........................203
3.7.1 Результаты синхронных измерений АОТ с борта НИС и спутника
Ж)АА-11.........................................................................203
3.7.2 Сравнение средних характеристик АОТ над океаном с результатами
исследований других авторов....................................................205
Глава IV. Вариация общего содержания в атмосфере
водяного пара..................................................................211
§4.1 Роль атмосферных газов в радиационно-климатических проблемах и
основы дифференциального метода солнечной спектроскопии (ДМС)..................212
§4.2 Анализ методик определения общего влагосодержания (ОВС)
атмосферы.......................................................................216
§4.3 Результаты калибровки оптического гигрометра..............................223
§4.4 Общая характеристика исследований ОВС в континентальных
и морских условиях.............................................................230
§4.5 Взаимосвязь ОВС атмосферы с характеристиками вертикального распределения влажности...................................................... 234
4.5.1 Корреляции влагосодержания с метеопараметрами атмосферы..................234
4.5.2 Оценка сглаженных профилей влажности в тропосфере........................236
4.5.3 Высота однородной атмосферы для влажности - Но...........................246
§4.6 Географическое распределение и межсуточная изменчивость ОВС
атмосферы.......................................................................247
4.6.1 Географическое распределение влагосодержания атмосферы над
Атлантикой......................................................................247
4.6.2 Межсуточные вариации ОВС атмосферы над океаном...........................251
4.6.3 Межсуточная изменчивость ОВС в континентальных
условиях (г. Томск)............................................................255
§4.7 Особенности дневного хода ОВС и высоты Но над океаном и
континентом.................................................................. 257
- 5 -
§4.8 Применение ДМС для определения общего содержания малых
газовых компонент атмосферы.....................................................261
Глава V. Результаты комплексных исследований характеристик
радиации и прозрачности атмосферы...............................................271
§5.1 Общие сведения и терминология..............................................274
§5.2 Автоматизированный комплекс для радиационных исследований
атмосферы.......................................................................276
§5.3 Закономерности многолетней изменчивости радиации в Западно-
Сибирском регионе...............................................................291
§5.4 Особенности маломасштабной изменчивости солнечной радиации в
районе г. Томска................................................................306
5.4.1 Вариации спектральной прямой радиации.....................................306
5.4.2 Межсуточная изменчивость суммарной радиации и влияние синоптических условий...........................................................311
5.4.3 Оценки влияния города на компоненты прозрачности атмосферы и
приход солнечной радиации.......................................................320
§5.5 Обобщение результатов исследований пространственно-временной изменчивости АОТ и ОВС атмосферы на интегральную прозрачность и прямую солнечную радиацию.......................................................321
5.5.1 Влияние прозрачности атмосферы и продолжительности солнечного
сияния (ПСС) на формирование дневного хода радиации.............................323
5.5.2 Обобщение результатов районирования АОТ на пространственное
распределение интегральной прозрачности атмосферы над океаном...................325
§5.6 Взаимосвязи характеристик радиации и прозрачности атмосферы................327
5.6.1 Корреляции радиационных характеристик с ПСС и компонентами прозрачности атмосферы..........................................................329
5.6.2 Взаимосвязи АОТ атмосферы с характеристиками приземного слоя..............333
§5.7 Результаты исследований оптических характеристик полупрозрачной
облачности......................................................................340
Заключение.................................................................... 349
Литература......................................................................351
-6-В веде 11 не
Актуальность. Одной из важнейших проблем современного естествознания является исследование климато-эколст ического состояния планеты, происходящих преобразований и разномасштабных колебаний в климатической системе с ее центральным звеном - атмосферой. Об актуальности изучения среды обитания свидетельствует тот факт, что в последние десятилетия эта крупная междисциплинарная проблема вышла за рамки чисто научных интересов в область дискуссий и конкретной деятельности государств, политических институтов и общественных организаций. В этой связи понятна необходимость предоставления более полной и достоверной научной информации о процессах происходящих в окружающей среде, сценариях изменения климата, в том числе с учетом увеличения антропогенной нагрузки.
С точки зрения радиационного климата, ключевыми объектами атмосферы являются облака, аэрозоль и водяной пар, которые отличаются максимальной изменчивостью, подвижностью и многообразием процессов взаимодействий, отягощенных прямыми и обратными связями. К настоящему времени накоплен колоссальный объем сведений как о радиационно-значимых элементах атмосферы, так и о закономерностях поступления солнечной радиации, определяющей климат планеты [1-3, 59-63, 74, 117, 153-160, 304, 305, 365, 366. 387 и др.[. Вместе с тем, полученная информация и формализованные представления об элементах климатической системы пока не удовлетворяют возрастающим требованиям прогностических расчетов и не всегда адекватно отражают реальность. Становится актуальной детализация атмосферно-оптических исследований - по спектральному составу приходящей радиации, маломасштабной изменчивости радиационных характеристик, свойствам в труднодоступных районах планеты (особенно атмосфера над океаном), а так же получение более полной количественной определенности в отношении известных характеристик и закономерностей.
Важность исследований полей аэрозоля, влажности и радиации подтверждается постановкой и содержанием всех современных международных, национальных и региональных климатических программ : Всемирная программа исследований климата (\VCRP), Международная геосферно-биосферная программа (ЮВР), Национальные программы - “Глобальные изменения природной среды и
-7-
климата” (Россия), “Атмосферные радиационные измерения” (ARM Program, США), региональная программа “Климато-экологический мониторинг Сибири” и многие другие.
Специфика измерений радиационных потоков [59-62, 158, 365, 366 и др.] хорошо согласуется с методами пассивного зондирования [36-41, 63-75, 320 и др.), которые позволяют, по оптическим характеристикам излучения, определить необходимые атмосферные - аэрозольную оптическую толщу (АОТ), общее влагосодержание (ОВС), балл облачности или продолжительность солнечного сияния (ПСС) и др. Благодаря обобщающему характеру, интегральные характеристики выступают в роли основных параметров различных моделей и схем радиационных расчетов, важны при решении прикладных задач, требующих учета энергетических потерь излучения в атмосфере. Кроме того, развитие теории решения обратных задач расширяет информационные возможности и перспективы пассивных методов, одновременно определяя необходимость повышения качественного уровня измерительных технологий. Особо следует отметить эффективность реализации пассивных методов с борта мобильных средств, а также
- при проведении рутинных и автономных измерений в нолевых условиях.
Таким образом, несмотря на известные достоинства новых технологий активного зондирования атмосферы, применение методов и средств пассивного зондирования остается актуальным, а их возможности далеко не исчерпаны.
Состояние вопроса.
Обозначенная тема исследований охватывает довольно широкий круг проблем, которые касаются характеристик радиационного режима, общего содержания в атмосфере и свойств аэрозоля, водяного пара, а также методологии оптического зондирования в части пассивных методов и измерительных систем. Каждая проблема имеет важное самостоятельное значение, специфику методических подходов и свою историю развития. В силу, отмеченной многоплановости и многочисленности исследований, автор счел целесообразным во введении ограничиться ретроспективой самого общего характера с указанием некоторых принципиальных соображений, а также наиболее известных научных школ и ученых. Историю же и состояние вопросов по конкретным направлениям
- представить отдельно (по главам работы).
-8-
Прежде всего следует отметить, что оптический диапазон электромагнитных волн играет особую роль в радиационно-климатических исследованиях. Именно в области спектра от УФ до ближнего ИК-диапазона поступает основной поток солнечной энергии, который : а) питает климатическую машину через многообразные взаимодействия с элементами системы “атмосфера - океан - суша - криобиосфера” и б) “включает” всю последующую цепочку энергетических обменов и циркуляций вещества (аэрозоль, вода, компоненты биосферы и т.д.). Разнообразие процессов и явлений в оптическом диапазоне определяет его другое важное значение - высокие информационные возможности “общения” с окружающей средой, начиная с такого примера как зрение человека и кончая современными методами оптического зондирования, включая пассивные.
Интенсивное развитие оптических методов и атмосферных исследований стало возможным после теоретического осмысления процессов взаимодействия излучения с веществом, успехов в инфракрасной, лазерной технике, спектроскопии, радиоэлектронике. Применительно к рассматриваемым проблемам, определяющую роль сыграли работы Е.С. Кузнецова, В.В. Соболева, Д. Дейрмеджана, Г. Ван де Хюлста, В. Мидлтона, В.Е. Зуева, К .Я. Кондратьева, P.M. Гуди, К.С. Шифрина [1, 2, 9, 48, 118, 132, 158, 266 и др.]. Открытие новых явлений, закономерностей в области атмосферной оптики стимулировало совершенствование методологии пассивного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. Идеи принципиального характера были сформулированы в трудах В.Г. Фесенкова, Г.В. Розенберга, М.С. Малкевича, Л. Каплана, Ямамото, М. Маккормика, А.Н. Тихонова, А.М. Броунштейна, Г.Ш. Лившица, Г.П. Гущина [3, 37, 39, 63, 69, 117, 173, 309]. В ходе дальнейших атмосферно-оптических исследований получили физическое обоснование и развитие многочисленные методы определения характеристик атмосферы и океана (через атмосферу) - Г.И. Горчаков, В.А. Смеркалов, В.Е. Павлов, В.Н. Арефьев, Ю.М. Тимофеев, А.Х. Хргиан, М. Григе, С. Платт, В.И. Дианов-Клоков, В.Н. Пелевин, О.В. Копелевич, Б.Т. Ташснов и др. (38, 71, 73, 121, 128, 130, 270, 347, 352, 354 и др.].
Безусловно важное значение для получения регулярных данных о радиационно-значимых характеристиках атмосферы в различных районах имело создание сети актинометрических, аэрологических и озонометрических станций. Разработка единообразных методик, приборов и научное руководство сетевыми
-9-
наблюдениями осуществлялось Главной Геофизической обсерваторией и такими учеными как С.И. Савинов, H.H. Калитин, Ю.Д. Янишевский, Г.П. Гущин.
Исследования процессов радиационных переносов и рассеяния света непосредственно связаны с проблемой атмосферного аэрозоля, которая по сути является междисциплинарной и привлекает внимание ученых из различных областей знаний. В числе крупных научных организаций по проблемам атмосферного аэрозоля можно назвать ИФА, ИОА, ИХК и Г, ЛИ , ИВЭП, ИО -РАН и СО РАН; ЛГУ, МГУ и ТГУ; ГГО, ИЭМ, ЦАО, ААНИИ и ИПГ; ГОИ и ГИПО; АФИ НАН Казахстана и ИФ АН Белоруссии.
Особо следует отметить глубокую, многоплановую проработку различных вопросов теории светорассеяния в дисперсных средах, собственно природы атмосферного аэрозоля, газового состава и радиационного режима атмосферы, которая проводилась и ведется учеными ИФА РАН (Г.С. Голицын, Г.В. Розенберг, Г.И. Горчаков, М.А. Свириденков, A.A. Исаков, A.C. Емиленко, М.С. Малкевич,
Э.М. Фейгельсон, П.П. Аникин, А.Х. Шукуров, Т.А. Тарасова, С.В. Дворяшин, В.И. Дианов-Клоков, Е.И. Гречко, Н.Ф. Еланский, А.С. Елохов и др.).
Многочисленные исследования оптических и микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля с последующим обобщением в виде моделей иди методик расчетов были выполнены К.С. Шифриным, К.Я. Кондратьевым, Л.С. Ивлевым, Г.М. Крековым, Р.Ф. Рахимовым, М.В. Панченко,
Ю.А. Пхалаговым, В.А. Смеркаловым, Б.Д. Беланом и др.
Большой комплекс детальных исследований спектральных, поляризационных, пространственно-угловых характеристик рассеянного излучения аэрозольной атмосферы выполнен в Астрофизическом институте НАН Казахстана - Е.В. Пясковская-Фесенкова, Г.Ш. Лившиц, В.Н. Глушко,
A.И. Иванов, В.Е. Павлов, Б.Т. Ташенов, Г.П. Торопова и др.
Наиболее близкими к настоящей работе являются результаты экспериментальных исследований Г.П. Гущина, О.Д. Бартеневой, К.С. Шифрина,
Н.И. Никитинской, Г.Г. Сакунова, Л.К. Веселовой, A.B. Смирнова, В.М. Волгина,
O.A. Ершова, Ю.В. Виллевальде, А.А. Исакова, А.Х. Шукурова, П.П. Аникина,
Е.Е. Артемкина, В.Н. Аднашкина, Г.М. Абакумовой, Е.В. Ярхо, Г.П. Пановой,
B.Н. Арефьева, В.П. Устинова. Благодаря их многолетним наблюдениям и методическим проработкам, получила всестороннее развитие идея метода
солнечной спектрофотометрии атмосферы, были выявлены ряд важных
-10-
закономсрн остей пространственно-временной изменчивости компонент интегральной прозрачности атмосферы, свойств и особенностей спектрального хода ЛОТ атмосферы в различных районах и климатических условиях. И особенно велика роль российских ученых в изучении характеристик спектральной прозрачности атмосферы в труднодоступных, но климатически важных районах планеты - Мировой океан, Арктика, Антарктида, аридная зона [63, 86, 131, 208, 215, 221, 226, 232, 235, 268, 272, 292, 313 и др.].
Постоянное обращение к результатам перечисленных авторов было чрезвычайно полезным для уточнения научных выводов, стимулировало поиск новых решений и методических подходов в исследованиях.
В последний период вызрело понимание, что дальнейшее углубление знаний о взаимосвязанных процессах, протекающих в атмосфере, уже невозможно только на обобщении накопленных сведений - индивидуально о полях аэрозоля, влажности, облачности, радиации. Характерным стало стремление различных научных школ в постановке комплексных программ и проведении совместных исследований. В этой связи, следует особо подчеркнуть, что выбор направления и характера исследований автора тоже сформировался под влиянием осознания важности применения комплексного подхода в изучении проблем атмосферной оптики - подхода, заложенного и развитого В.Е. Зуевым в Институте оптики атмосферы. Применительно к представляемой работе, это нашло свое отражение в попытке перейти от интегрирования результатов отдельных экспериментов (по аэрозолю, влагосодержанию, радиации) к развитию подхода совместного, комплексного исследования основных и наиболее изменчивых характеристик, определяющих радиаггионные переносы в атмосфере. Использование последних достижений оптико-электронной техники, в сочетании с компьютерными технологиями, позволило на современном уровне развить известные методы, разработать новые и провести сложные комплексные эксперименты, которые ранее были возможны при объединении усилий нескольких научных групп.
Целью работы являются комплексные исследования свойств и закономерностей взаимосвязанной изменчивости полей аэрозоля, влажности, радиации в облачной атмосфере над океаном и континентом на основе развития методов пассивного зондирования атмосферы и совершенствования методик определения ее оптических характеристик.
-11-
Основные задачи исследований.
1. Создание аппаратурно-методической базы для комплексных атмосфернооптических исследований, которая удовлетворяет современным требованиям автоматизации, мобильности и оперативности получения данных, в частности:
- разработка бортовых (корабельных, самолетных) систем пассивного зондирования атмосферы и многофункционального радиационного комплекса;
- развитие комплексного подхода применения метода солнечной спектрофотометрии атмосферы, ориентированного на повышение точности и информативности экспериментов.
2. Выполнение экспериментов, направленных на развитие и совершенствование методов оптического зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в части:
- испытаний и калибровки разработанной аппаратуры, а также отработки в натурных условиях методов и методик измерений;
- проведение синхронных подспутниковых экспериментов с борта судна и самолета для валидации данных космического зондирования, проверки и уточнения методик расчета исследуемых характеристик.
3. Проведение экспериментов в натурных условиях с многомесячными регулярными измерениями оптических характеристик атмосферы в интересах получения достоверных результатов о их свойствах и пространственно-временной изменчивости.
4. Изучение короткопериодной изменчивости спектральных ЛОТ, ОВС атмосферы и высоты ее однородного слоя с получением количественных данных, характеризующих дневной ход, синоптические колебания и взаимосвязи с параметрами приземного слоя в различных геофизических условиях.
5. Выявление основных факторов, определяющих географическое распределение компонент прозрачности атмосферы (АОТ, ОВС) над Атлантическим океаном и обоснование принципов районирования с учетом результатов ранее проведенных исследований.
6. Комплексные исследования закономерностей изменчивости компонент коротковолнового солнечного излучения совместно с характеристиками прозрачности атмосферы, облачности; анализ и количественные оценки влияния различных факторов на процессы атмосферно-радиационных взаимодействий.
-12-
Метод исследований. Выбранные автором методы пассивного зондирования отличаются тем, что позволяют восстанавливать искомые характеристики среды по собственному или рассеянному излучению от природных объектов. Базовые физические принципы большинства методов были обоснованы еще в начале века (метод солнечной спектрофотометрии - начиная с работ К. Онгстрема, Ланглея, Аббота, метод “контрастов” - в работах Кошмидера, Мидлтона, Шаронова). Тем не менее, потенциал пассивного зондирования далеко не исчерпан. Вместе с успехами в смежных областях знаний и развитием техники открываются новые возможности для повышения чувствительности и более полного извлечения информации об атмосферной среде.
Основными достоинствами пассивных методов, которые определили их выбор и развитие в настоящей работе являются следующие : относительно простая техническая реализация, возможность адаптации к мобильным и полевым условиям применения, отсутствие воздействия на среду, пригодность к рутинным измерениям. Немаловажно подчеркнуть и гибкость использования компактных фотометрических систем - варьируя схемами, методиками эксперимента и обработки данных можно решать различные задачи и получать многообразную информацию. Именно это обстоятельство позволило провести комплексные радиационные исследования при скромных затратах.
Научная новизна.
1. Показана и обоснована возможность реализации простых схем пассивного оптического зондирования атмосферы для определения характеристик прозрачности (защищенных авторскими свидетельствами) с борта мобильных средств, а именно :
- разработан новый оригинальный метод и микропроцессорный измеритель, которые обеспечивают оперативное определение в корабельных условиях метеорологической дальности видимости по фону горизонта [6-8, 16-26, 29];
- предложены оригинальные методы и разработана аппаратура для оценки оптической толщи атмосферы по контрастам яркости подстилающей поверхности, наблюдаемой с борта самолета [41-45, 51-58];
- исследованы и оценены возможности разработанных средств и методов на основе их апробации в натурных условиях.
-13-
2. Получил дальнейшее развитие метод солнечной спектрофотометрии атмосферы в части:
- разработки нового методического подхода определения спектральных ЛОТ атмосферы в расширенном диапазоне спектра и углов наблюдений (91-99];
- создания многофункциональных солнечных фотометров и автоматизированного радиационного комплекса, имеющих оригинальные технические решения и предназначенных для работы в полевых и корабельных условиях (88, 137, 138, 144, 372-374, 3941;
Их применение обеспечило возможность измерений с высокой степенью непрерывности и регулярности, необходимой для новых, более детальных исследований оптических характеристик в области малых масштабов. Впервые предложены и реализованы ряд других методик (ореольной калибровки без использования диффузных экранов, измерений продолжительности солнечного сияния, “зимней” калибровка радиометра и др.), а также показана эффективность применения в комплексных полевых экспериментах широкополосного дифференциального метода определения общего содержания парниковых газов (ОСГ) [31, 32, 123, 144, 146, 312, 342, 364, 380].
3. Проведена серия самолетных и судовых подспутниковых экспериментов в обеспечение проверки и развития новых методов и средств дистанционного космического зондирования (температуры подстилающей поверхности радиометром МСУ-СК, спутника “Космос-1939”; оптической толщи атмосферы -радиометром АУНИЛ, спутника МОАА-11) (296-299).
4. Выполнен большой комплекс атмосферно-оптических исследований в различных географических районах (5 морских экспедиций в Атлантике и 6 комплексных экспериментов в районе г. Томска), в рамках которых фактически впервые был предложен и реализован подход совместного изучения короткопериодной изменчивости спектральных АОТ, ОВС, ПСС и приходящей радиации |88, 254-258, 278, 296, 327, 342, 373].
5. По данным многочисленных экспериментов в реальной атмосфере рассмотрен ряд новых закономерностей и процессов |34, 89, 152, 250, 253-258].
- Для средних атмосферных условий (лето умеренных широт континента и ряд районов Атлантики) впервые выявлен и обоснован характер регулярной компоненты дневного хода АОТ, параметра Ангстрема, ОВС, а также
-14-
интегральной прозрачности атмосферы, определяющей приток прямой солнечной радиации.
- Проанализированы другие масштабы изменчивости и на основе новых, более детальных результатов, показана определяющая роль синоптических колебаний для АОТ и важная (после сезонных) - для ОВС. Причем единообразный подход в исследованиях позволил впервые количественно показать, что относительная межсуточная изменчивость АОТ атмосферы и параметров Ангстрема над океаном более значительная, чем над континентом.
- На основе выясненной приоритетной роли выносов континентального аэрозоля в пространственно-временной изменчивости АОТ над океаном, впервые предложено и обосновано генетическое районирование аэрозольной компоненты прозрачности, а также представлены статистически обеспеченные результаты для выделенных районов.
- Совместные измерения АОТ и ОВС атмосферы, на примере реальных ситуаций, позволили количественно показать, что вариации аэрозольной компоненты, по сравнению с влажностной, оказывают большее влияние на изменение интегральной прозрачности (в части пространственных неоднородностей атмосферы над океаном, при смене типичных воздушных масс в Западно-Сибирском регионе и др.).
6. Впервые предложена и проанализирована конкретная методика оценки сглаженных профилей влажности в тропосфере на основе данных ОВС, измеренных дифференциальным методом солнечной фотометрии, и влажности в приземном слое, а также показана эффективность применения высоты однородного слоя атмосферы (Но“^У/<зь) при интерпретации поля влажности [151, 328, 334, 337], а именно:
- впервые показано увеличение высоты Н0 в послеполуденный период (лето, Западная Сибирь);
- в пространственно-временной изменчивости Н0, характеризующей профиль влажности, выявлены 4 основных значения - для океана во внутритропической зоне конвергенции Н0«2.5 км, другие районы Но* 1.2 км; для суши (умеренные широты) в теплый период Но« 2.3 км, а зимой Н0 около 4 км.
7. В рамках комплексных радиационных экспериментов получены ряд новых научных результатов о вариациях и взаимосвязях радиационно-значимых характеристик в условиях Западно-Сибирском региона [254, 261, 342, 389, 393] :
-15-
- определены статистические характеристики межсуточных колебаний спектральной прямой и суммарной радиации, корреляции с ПСС и компонентами прозрачности, а также взаимосвязи последних с метеопараметрами;
- оценено влияние синоптических ситуаций и показано, что смена воздушных масс, типичных для региона, приводит к появлению корреляции между АОТ и ОВС атмосферы;
- по данным одновременных исследований в лесной зоне и городе оценено антропогенное влияние последнего на АОТ, ОВС и приток прямой радиации;
- по многолетним (36 лет) сетевым данным определены тренды, выявлены низкочастотные колебания годовых сумм ПСС, прямой, суммарной, рассеянной радиации и предложено объяснение особенностей (глобальных и региональных) эволюции радиационного режима территории и местных различий, обусловленных аэрозольно-газовыми загрязнениями;
- получены количественные данные о прозрачности и индикатрисах рассеяния перистой облачности в расширенном диапазоне спектра (индикатрисы -0,37 - 4 мкм, прозрачность - 0,37 - 12 мкм) для условий региона.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается : высокой степенью регулярности наблюдений и
продолжительностью рядов, надежностью аппаратуры и точностью измерений, для достижения которой, исследовались метрологические характеристики приборов и применялись современные методики измерений. Для солнечного фотометра дополнительно проводилась калибровка в горной местности - Тенерифской астрофизической обсерватории. Обсуждаемые в работе выводы находят подтверждение в результатах, полученных другими методами и соответствуют современным теоретическим представлениям о радиационных взаимодействиях и процессах изменчивости полей аэрозоля, влаги, радиации.
Научная н практическая значимость работы заключается в том, что на современном уровне измерительных технологий и физических представлений в области оптики атмосферы, получила развитие система методов пассивного зондирования атмосферы, методик обработки данных и измерителей, которые существенно расширяют возможности экспериментальных исследований окружающей среды, а также - оценки характеристик прозрачности с борта
-16-
мобильных средств. Кроме того, приборы типа ИКОС были внедрены в отраслевой организации в качестве инструмента оперативной диагностики атмосферного замутнения в корабельных условиях, а подспутниковые эксперименты послужили основой для принятия решений о практическом использовании данных космического зондирования.
Результаты комплексных исследований оптических характеристик атмосферы над океаном и континентом дополняют и углубляют знания о закономерностях короткопериодной изменчивости, процессах трансформации свойств полей аэрозоля, влажности радиации в изменяющихся внешних условиях и могут бьггь использованы в моделях и схемах климатических расчетов или при инженерной разработке оптических систем, работающих через атмосферу.
Полученные автором материалы экспериментальных исследований использовались при решении научных и прикладных задач в ИОА СО РАН, ИО РАН, МГИ АН Украины, Ы0АА/ЧЧЕ8018 и ^БА (США), а также нашли отражение в отчетах по климаго-экологическому мониторингу региона. Подтверждением научно-практической значимости работы является присуждение (в группе соавторов) диплома 2-й степени в конкурсе прикладных работ СО АН СССР в 1986 г. и диплома ВДНХ СССР - в 1991 г.
Публикации. Результаты работы отражены в одной монографии, в 49 статьях, 6 авторских свидетальствах на изобретения и более 70 тезисах докладов.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на Всесоюзных и Межреспубликанских симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (1975, 1976, 1986, 1989, 1993), Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (1982), Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике (1976, 1980, 1983), Всесоюзных конференций “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение” (1979, 1986), Международном симпозиуме “Световые и радиационные измерения (Венгрия, 1981), Международном совещании по подспутниковым экспериментам в рамках МЦКП “Природа”
(1989), Пленумах рабочей группы по оптике моря и атмосферы (1989, 1990), Всесоюзной конференции по современным проблемам охраны окружающей среды
(1990), Научной ассамблее 1АМАР (Вена, 1991), Совещании по распространению
-17-
лазерного излучения в дисперсной среде (1992), Международных симпозиумах ЮДОЗв (1993, Пасадена 1994, Фирензе 1995), Межреспубликанских симпозиумах “Оптика атмосферы и океана” (1994, 1995, 1996, 1997, 1998), Международной конференции по атмосферной радиации (Нэшвилл 1994), Научной ассамблее СОБРАЯ (Гамбург, 1994), Совещаниях рабочей группы “Аэрозоли Сибири” (1995, 1997, 1998), Совещаниях по программе “Атмосферные радиационные измерения” (Сан-Антонио 1996, Тусон 1998), Международной конференции “Оптика океана” (Галифакс, 1996), Европейской аэрозольной конференции (Гамбург, 1997), Конференции американской ассоциации аэрозольных исследований (Денвер 1997), на семинарах ИОА СО РАН, ИФА РАН,МГИ АН УССР.
На защиту выносятся
основные положения
1. Развитие методов и средств пассивного зондирования атмосферы для мобильных условий применения, выразившееся в следующем.
• Разработан метод зондирования атмосферы (“по фонам морского горизонта”) и микропроцессорный измеритель с программно-алгоритмическим обеспечением, который обеспечивает оперативное определение в корабельных условиях метеорологической дальности видимости (показателя ослабления света) в диапазоне -4-40 км с погрешностью около 20 %, подтвержденную результатами натурных исследований и межведомственных испытаний.
• Разработаны самолетные фотометрические комплексы, предложены и апробированы простые схемы зондирования “по наблюдаемым контрастам подстилающей поверхности”, которые :
- позволяют оценивать оптические характеристики атмосферы с борта самолета в видимом и ИК-диапазоне;
- обеспечили получение достоверной информации, необходимой для проверки действия космической системы ( МСУ-СК /“Космос-1939” и методики) зондирования температуры подстилающей поверхности.
2. Комплексный подход совместного исследования оптических характеристик атмосферы и радиации, в составе :
а) детально проработанной методики определения АОТ в расширенном спектральном диапазоне и углов наблюдения, учитывающей нелинейную зависимость логарифма функций пропускания газов от
-18-
оптических масс, разную зависимость масс от зенитного угла и реальную
изменчивость переменных компонент атмосферы (Н2О, 03);
б) автоматизированного радиационного комплекса для
одновременных измерений обработки и контроля в реальном масштабе
времени радиационно-значимых характеристик - АОТ, ОВС, компоненты
радиации и др.;
- является эффективным инструментом исследований изменчивости в области малых масштабов и дает достоверную количественную информации об особенностях радиационных процессов (формирования регулярной составляющей дневного хода радиационно-значимых характеристик атмосферы; трансформации характеристик мутности атмосферы и приходящей радиации при смене воздушных масс; изменения ряда климатообразующих факторов в городской зоне и др.).
3. Установлено, что во внутригодовой изменчивости характеристик прозрачности атмосферы синоптический масштаб играет основную роль в вариациях АОТ и важное значение (после сезонных колебаний) для ОВС атмосферы, причем :
- относительная изменчивость АОТ атмосферы над океаном, обусловленная выносом аэрозоля с континента, превышает аналогичные колебания в континентальных районах умеренных широт;
- вариации аэрозольной компоненты ослабления излучения, по сравнению с влажностной, оказывают более существенное влияние на диапазон изменения интегральной прозрачности (приток прямой радиации).
4. Дневной ход АОТ и ОВС атмосферы является более слабым и вуалируется соседним (синоптическим) масштабом колебаний. Детальные исследования обоснованно выявляют, объясняют и количественно описывают характер средней дневной изменчивости общего содержания аэрозоля и водяного пара в атмосфере :
а) средняя дневная изменчивость АОТ в летних условиях континента (Томск) проявляется в монотонном росте замутнения до 14-16 час. среднего солнечного времени с последующим спадом (относительная амплитуда около 15%) и спектральными различиями, которые характеризуются наличием полуденного минимума показателя Ангстрема;
-19-
б) дневное увеличение содержания аэрозоля над океаном заканчивается в предполуденные часы, а затем следует более выраженный спад ЛОТ (дневная амплитуда 10-30%) со спектральными различиями, которые проявляются в двукратном увеличении показателя Ангстрема к вечеру;
в) дневной ход ОВС над континентом с амплитудой - 10% характеризуется утренним, вечерним максимумами и прелполуденным (~11 час.) минимумом, причем высота однородного слоя, отражающая вертикальное распределение водяного пара, увеличивается от утра к вечеру почти на 20%;
г) характер дневных изменений ОВС над океаном имеет качественное сходство, но максимумы ниже уровня статистической значимости.
5. Принципы районирования прозрачности атмосферы Атлантики,
учитывающие преобладающие в каждой зоне источники и переносы аэрозоля с континента, отражают основные факторы и особенности пространственных неоднородностей аэрозольного замутнения над океаном. Полученные количественные характеристики спектральных АОТ, основанные на качественных наблюдениях (по продолжительности, регулярности, точности) дают систематизированное представление о прозрачности океанической атмосферы, процессах ее изменчивости и являются (в данное время) наиболее статистически обоснованными.
Предметом защиты являются также следующие выводы и разработки.
1. Результаты комплексного анализа (для условии Сибири) закономерностей взаимосвязанной изменчивости компонент прозрачности и радиации, в части:
- количественных оценок асимметричной зависимости прихода солнечной радиации под влиянием средней дневной изменчивости АОТ, ОВС, ПСС;
- оценок влияния города на АОТ, ОВС атмосферы и приходящую радиацию;
- характеристик и результатов выделения региональных и глобальных особенностей в многолетней изменчивости ПСС и радиации (тренды, низкочастотные колебания, влияние антропогенного загрязнения).
2. Методика и разработанный прибор (фотоэлектронный гелиограф) для автоматизированной регистрации продолжительности солнечного сияния.
3. Результаты исследований прозрачности и ореольных индикатрис рассеяния перистой облачности (О), а также методики определения оптических
-20-
характеристик Сл в широком диапазоне спектра (прозрачность - 0,4-12 мкм, “ореол” - 0,4-4 мкм).
4. Обоснование перспективности метода широкополосной (ДЯДжЮ-2) солнечной фотометрии для определения общего содержания аэрозоля и парниковых газов (Н20, С02, Оз) в полевых и мобильных условиях применения.
5. Методика оценки сглаженных профилей влажности в тропосфере и результаты интерпретации пространственно-временной изменчивости поля влажности на основе экспериментальных данных о высоте однородной атмосферы.
6. Результаты подспутниковых (Ж)АА-11) экспериментов, ставшие основой для валидации данных и улучшения методик космического зондирования
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 376 страниц текста, в том числе - 164 рисунка, 96 таблиц и 414 ссылок на литературные источники.
Содержание работы.
Во введении дана краткая характеристика темы и содержания диссертационной работы, обоснована ее актуальность, новизна и достоверность результатов исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе “Методики и аппаратура для экспресс-диагностики атмосферного замутнения в мобильных условиях” рассмотрены основы разрабатываемых методов определения характеристик прозрачности атмосферы с борта корабля и самолета, приведено описание созданных автоматизированных измерителей, а также результатов исследований и испытаний методов в натурных условиях.
Вторая глава “Аппаратурно-методические вопросы солнечной
спектрофотометрии атмосферы” посвящена развитию метода солнечной фотометрии атмосферы в части повышения информативности, комплексности исследований и точности определения оптических характеристик. В этой же главе отражены результаты разработки и испытании многофункциональных
автоматизированных солнечных фотометров для измерений оптических характеристик атмосферы в полевых и морских условиях. Реализация
-21-
аппаратурно-методических задач послужила основой для проведения многочисленных и детальных атмосферно-оптических исследований : а) 5 морских экспедиций в Атлантике в широтной зоне 10° ю.ш.-ь60°с.ш. - 264 дня измерений (дополнительно к -600 дням во всех других экспедициях) со степенью регулярности наблюдений - 0,9; б) 6 комплексных экспериментов в Томске - 188 дней измерений, степень регулярности наблюдений - 0,7.
В третьей главе “Пространственно-временная изменчивость спектральных АОТ атмосферы над океаном и континентом” на основе результатов пяти морских (Атлантика) и шести континентальных (Томск) экспедиций в период 1989-1997 г.г., анализируются закономерности вариаций аэрозольного замутиения атмосферы в различных геофизических условиях. Основное внимание уделено исследованию короткопериодной изменчивости АОТ - синоптическим колебаниям и регулярной компоненте дневного хода. В качестве обобщающего результата морских исследований проводится обоснование принципов и результатов генетического районирования акватории Атлантики, отражающего особенности пространственных неоднородностей аэрозольной компоненты прозрачности.
Четвертая глава “Вариации общего содержания в атмосфере водяного пара” посвящена изучению пространственно-временной изменчивости общего влагосодержания атмосферы, имеющей важное значение для радиационных переносов и других климатических задач. Как и для АОТ, более подробно рассмотрены вопросы межсуточных колебаний и дневной ход ОВС в различных географических районах. Подробно анализируется и показывается эффективность применения в полевых экспериментах дифференциального метода солнечной фотометрии в варианте грубого спектрального разрешения. Здесь же рассмотрена методика определения сглаженных профилей влажности в тропосфере и обсуждаются результаты изменчивости высоты однородного слоя атмосферы над океаном и континентом.
В пятой главе “Результаты комплексных исследований характеристик радиации и прозрачности атмосферы” последовательно приводятся результаты:
разработки автоматизированного радиационного комплекса и методического подхода экспериментальных исследований;
- анализа особенностей многолетней изменчивости радиации в Западно-Сибирском регионе (тренды, низкочастотные колебания и др.);
-22-
- исследований изменений радиационных характеристик в области малых масштабов (асимметрия дневного хода, влияние города и синоптических колебаний);
- оценок корреляций приходящей радиации с компонентами прозрачности, а также взаимосвязей АОТ с метеопараметрами;
- экспериментальных исследований оптических характеристик перистой облачности.
В Заключении, в качестве основного итога отмечается, что получили системное развитие методы и средства пассивного зондирования атмосферы для определения комплекса ее оптических характеристик, а также - методики интерпретации эмпирических данных с современных позиций понимания физических процессов, происходящих в окружающей среде. Эффективное использование разработанной аппаратурно-методической базы обеспечило получение богатого материала геофизических данных и решение крупной научной задачи по исследованию свойств, закономерностей изменчивости АОТ, О ВС атмосферы (над океаном и континентом) и их влиянию на радиационный режим.
Личный вклад автора. Проведение продолжительных экспериментальных исследований в многочисленных морских, самолетных и полевых экспедициях, а также разработка измерительных систем были бы невозможны без сотрудничества с коллегами из Института оптики атмосферы СО РАН и других организаций.
Создание бортового комплекса “ПУСК” и измерителей “ИКОС” осуществлялось под научно-методическим руководством автора в СКВ НП “Оптика” СО РАН - руководители работ Н.П. Солдаткин, М.Л. Байбаков,
С.Д. Бураков. Совместно с В. В. Веретенниковым и С.В. Логиновым было подготовлено программно-алгоритмическое обеспечение к прибору “ИКОС-2”.
Цикл работ, связанный с самолетными экспериментами, а также анализом многолетней изменчивости радиации и влиянием синоптических факторов, был выполнен в тесном сотрудничестве с БД. Беланом, Т.К. Склядневой и Т.М. Рассказчиковой.
Исходные идеи методики определения АОТ в расширенном диапазоне спектра были сформулированы совместно с А.М. Игнатовым (МГИ АН УССР -NOAA/NESD1S, USA). В рамках дальнейшего сотрудничества, автор отвечал за проведение подспутниковых измерений, обоснование качества результатов и,
-23-
частично - за сопоставление со спутниковыми данными, а коллеги из NOAA (А. Игнатов, Л. Стоув и др.) - за корректировку методики космического зондирования.
С Ю.Н. Пономаревым, K.M. Фирсовым и М.Ю. Катаевым исследовались возможности дифференциальной широкополосной методики определения ОСГ -ССЬ, СН4. но эти вопросы в диссертации практически не рассмотрены.
Содержание и результаты комплексных радиационных исследований в районе г. Томска обсуждалось с М.В. Панченко, М.В. Кабановым, В.В. Зуевым.
Большая часть исследований, рассмотренных в диссертации, выполнена вместе с Д.М. Кабановым, а на отдельных этапах с С.А. Турчиновичем, А.Н. Волковым, В.В. Полькиным, С.В. Афониным, Т.А. Ереминой и И.Л. Дергилевой под научным руководством автора.
Автору принадлежит формулировка основных идей, методов и задач исследований, изложенных в диссертации, непосредственное участие в создании аппаратуры, проведении измерений, а также ведущая роль в интерпретации полученных данных.
-24-
Глава I. Методики и аппаратура для экспресс - диагностики атмосферного замутнения в мобильных условиях
Эффективная эксплуатация оптико-электронных систем различного назначения, работающих в мобильных условиях (корабельных, авиационных ) требует оперативного определения степени атмосферного замутнения, определяющего энергетические потери излучения и качество изображения. Использование в бортовых условиях известных измерителей, основанных на базовом, нсфелометрическом, лидарном и др. методах [1, 4, 5] не всегда бывает целесообразным или вообще невозможно. При решении ряда прикладных задач, по совокупности характеристик, оказываются эффективными методы пассивного зондирования (МПЗ). Так, в результате исследований [6] была показана перспективность МПЗ атмосферы основанных на фотометрировании фона морского горизонта.
В настоящей главе изложены итоги работ по развитию и реализации пассивных методов в конкретных образцах измерительных приборов для оперативного определения характеристик замутнения в корабельных и самолетных условиях. В начале главы дана краткая характеристика МПЗ для морских условий, рассмотрены аналитические выражения для вычисления коэффициентов ослабления света. Далее приведено описание разработанных алгоритмов (§1.3) и экспериментальных образцов измерителей (§1.4) коэффициентов ослабления света (ИКОС). В §1.5; 1.6 представлены результаты испытаний приборов ИКОС в береговых и судовых условиях, подтвердившие их эффективность для экспресс-диагностики замутнения морской атмосферы. Показывается, что реализация МПЗ с использованием многоэлементного фотоприемного устройства и цифровой обработки сигналов во встроенном микропроцессоре, позволили создать малогабаритный оптико-электронный прибор, который реализует некоторые качества измерителя интеллектуального типа.
В двух последних параграфах обсуждаются некоторые возможности применения МПЗ для определения коэффициентов ослабления (оптической толщи) с борта самолета, приведены краткое описание бортовых комплексов, результаты проверки методов и подспутниковых экспериментов.
-25-
§1.1. Характеристика основ пассивного метода определения горизонтальной
Степень замутнения атмосферной среды, обусловленная содержанием в воздухе аэрозольных и газовых компонент, обычно характеризуется прозрачностью атмосферы Т, коэффициентом ослабления света а или дальностью видимости Бм, которые связаны между собой выражениями [1|:
где с = о + - коэффициенты ослабления, рассеяния и поглощения света, Ь -
протяженность измерительной трассы, &0'55 - коэффициент ослабления в области спектральной чувствительности глаза с X = 0,55 мкм. (Здесь и далее, если нет
шах
необходимости, символы длины волны X - опушены).
Большое разнообразие исходных требований к измерению атмосферного замутнения (спектральное разрешение, диапазон спектра, точность, состояние атмосферной среды и др.) и условий применения привели к разработке и использованию различных методов и типов измерителей [1, 4, 51. На рис. 1.1 приведена упрошенная структура основных групп методов для определения прозрачности атмосферы, не конкретизирующая их разновидности.
Для условий морской атмосферы, как было показано ранее [6,7], достаточно эффективным является метод определения степени атмосферного замутнения по яркости фона морского горизонта. В основе МПЗ лежит известное в практической деятельности явление кажущегося размытия линии наблюдаемого горизонта вплоть до ее полного исчезновения при увеличении замутнения атмосферы. То есть, по степени резкости горизонта можно судить о дальности видимости или прозрачности атмосферы. Для практического решения такой задачи необходимо уравнение, описывающее яркость подстилающей поверхности в области горизонта при скользящих углах наблюдения. Наиболее общим уравнением, характеризующим взаимодействие и распространение излучения в рассеивающей, поглощающей и излучающей среде, а также описывающим наблюдаемую яркость В, является уравнение переноса излучения (УПИ) [2, 9, 10, 47 и др.].
Будем полагать, что выполняются следующие требования (см. рис. 1.2):
1) среда плоскопараллельная, бесконечная и однородная в горизонтальном направлении;
дальности видимости.
Т = ехр(-вЬ);
8м * 3,9/е0.55 >
(1.1)
(1.2)
-26-
Рис. 1.1 Условная классификация методов определения прозрачности атмосферы
Рис.1.2 Схема к уравнению переноса излучения при горизонтальном зондировании в плоскопараллельной атмосфере
-27-
2) нижняя граница (подстилающая поверхность) имеет постоянные оптические характеристики вдоль направления со ;
3) верхняя граница - полупрозрачная и равномерно освещена Солнцем.
В этом случае, при формальных граничных условиях В(£,со)=Во при f=0, УПИ допускает простое решение [8-10]:
B(€)=Boexp(-eO+S[l-exp(-6<)J, (1-3)
S= В°(Та) /е + о(4то)-' f B(©’)p(ü>,©’)d<ü’ , (1.4)
где S - функция источников среды, зависящая от параметров атмосферы и условий освещения; р(со , со') - индикатриса рассеяния из направления со' в направление со ; В°(Та) - яркость абсолютно черного тела при температуре атмосферы Та; В(со’) -яркость излучения, воздействующего на элементарный объем из направления со’. (Приведенное выражение (1.3) известно также как световоздушное уравнение или формула Кошмидсра).
Не останавливаясь на подробном анализе вида и условий применения УПИ, проведенных в (6-11, 25, 261, отметим, что именно при фотометрировании горизонта решение находится в форме (1.3, 1.4). Измерительная трасса в этом случае остается в пределах 1-3° углов визирования около горизонта и в пределах нескольких десятков метров однородного приземного слоя, обеспечивая выполнение вышеуказанных требований. Кроме того, при больших протяженностях измерительных трасс (т=е€>3), которые реализуются при визировании неба у горизонта, наблюдаемая яркость атмосферной дымки (фона неба В}1Г) достигает своего яркостного насыщения и становится равной функции источников:
lim B(ö = S * В„г. (1.5)
При визировании "ниже горизонта" роль границы выполняет подстилающая поверхность:
Во = Впп • (1*6)
Приведенное решение УПИ (1.3, 1.4) следует дополнить уравнением оптического пути (см. рис. 1.3) с учетом сферичности Земли и рефракции [121:
4> = -| + *<l-«/2R0=! + ^; (1.7)
Рис. 1.3 Геометрическая схема пассивного зондирования при учете сферичности земли и рефракции (приведен частный случай наблюдения линии горизонта): Б СМ и ОС - траектории прямолинейного (без рефракции) и рефракционного распространения света, соответственно; ГО - высота точки наблюдения.
Рис. 1.4 Иллюстрация угловых распределений яркости фона морского горизонта при различных Бм (МДВ).
-29-
Є = ЛВ + ВС = Яч/ - [(ІЗД2 - 2Юі]І/2 =
Ч/ + р
(1.8)
= 11<р+^р -|(Кф)2+2Мр],/2 •
где н/ , ф - углы визирования, причем ф = у -(2Ь/Я)1/2; р -угол рефракции; к = Ко/К =2^ £- коэффициент рефракции, имеющей среднее значение 0,15; 1^=6371 км - средний радиус Земли; Лр - радиус душ окружности, по которой распространяется свет в рефракционной атмосфере; Я=К0/1-к; ^р=(2ЬЯ)1/2 -расстояние до рефракционного горизонта; 11 - высота точки наблюдения над уровнем подстилающей поверхности.
Наблюдение подстилающей поверхности при изменяющемся угле визирования ф требует более детального анализа из-за неортотропности реальных поверхностей в области скользящих углов наблюдения (яркость В0 = Впп является функцией угла визирования). При описании угловой зависимости Впп(ф) обычно используют приближенные (модельные) представления [13, 14]. В частности, при скользящих углах наблюдения яркость взволнованной морской поверхности Вм может быть выражена эмпирической зависимостью [15]:
где ам, Эм ' эмпирические коэффициенты; ам=0,36±0,13; Рм“0>&*3,5 град-і,
Таким образом, применение уравнений (1.3-1.9) служит основой для различных МПЗ и алгоритмов вычисления характеристик атмосферного замутнения по измеренным угловым распределениям яркости в области морского горизонта [6, 8, 15-19]. На рис. 1.4 иллюстрируется трансформация углового распределения яркости фона в области горизонта при изменении атмосферного замутнения.
В качестве примера приведем аналитическое выражение для логарифмического углового метода. Используя (1.3), для яркости моря при углах Ф, и ф2 можно записать:
Решая систему (1.10) относительно с , после несложных преобразований получим:
Вм(ф) * ам Внг{1 - ехр(-(Зм- ф)],
(1.9)
Рерсд.*1 >95.
В(фі) - Внг - [Внг - Вм(фі)] ехр(-£^^), ЖФ2) = ®нг - (Внг “ Вм(фг) єхр(-е^ ^).
(1-Ю)
где е0 - коэффициент ослабления света, вычисленный в приближении ортотропной подстилающей поверхности, а ено - поправка на неортотропность:
е - Пп1 ~ам р ~ ехр(~Рм ф1)|* / а п ^ (иг)
0 ~ 1 - «м ■ [1- ехр(-(Зм ф^)] ~ -£2)' (1Л2)
В результате проведенных исследований было выяснено, что поправка ено при выборе углов <р{ в пределах 10490’ в среднем достигает величины 0,05-0,07 км-1. Из численных оценок ошибок определения е [6, 7) следует, что основная погрешность возникает из-за неточности угловой привязки к направлению на горизонт, учета неортотропности моря и неоптимального выбора углов визирования <р} в различных атмосферных замутнениях.
Оценки суммарной погрешности пассивных методов, полученные на основе сопоставления результатов измерений с данными базового метода показали [6], что для типичных условий эксперимента ее можно оценить величиной 0,04 КМ’1. Заметим, что погрешность наиболее распространенного и точного базового метода [5], обычно оценивается величиной -0,02 км*1. Конечно, следует иметь в виду, что в отдельных реальных ситуациях для пассивного метода могут возникать дополнительные погрешности, обусловленные, например, фотометрированием в области ветровых . полос на морской поверхности или наличием ложных горизонтов (суперрефракция света).
Приведенная краткая характеристика МПЗ отражает результаты исследований, начатых в начале 70-х годов 17, 8 и др.]. Итоги работы обобщены в кандидатской диссертации автора, а оригинальная часть защищена авторскими свидетельствами |6, 20-221. Одним из выводов проведенных исследований отмечается перспективность реализации МПЗ в морских условиях, где применение других методов затруднено или невозможно.
Дальнейшее развитие работ по МПЗ было связано с созданием и испытаниями автоматизированных измерителей коэффициента ослабления света для корабельных условий применения. Разработка специализированных приборов проводилась под научным руководством автора в СКБ НП ’’Оптика” СО РАН. Испытаниями первого из приборов - измерителя горизонтальной прозрачности атмосферы (ИГПА), была подтверждена применимость МПЗ не только в видимом, но и в ИК-диапазоне спектра 8-12 мкм [23]. Заинтересованность ряда организаций
-31-
морского флота в корабельных измерителях атмосферного замутнения позволили возобновить работы по МПЗ и привели к созданию в начале 90-х годов нескольких малогабаритных приборов, типа ИКОС, со встроенными микропроцессорами.
§1.2 Анализ требований к реализации МПЗ в корабельных условиях.
Из характеристики МПЗ следует, что для его реализации необходимы: измерение углового распределения яркости фона в области горизонта в заданном диапазоне углов и угловых разрешений; пространственно-угловая привязка результатов фотометрирования (задание высоты и направления на горизонт); определение информативного участка диаграммы яркости для последующего использования в алгоритме расчета. Специфические условия корабля налагают дополнительные требования к применяемому методу и аппаратуре. Основным фактором, требующим учета или оптимизации, является влияние качки -изменение углового положения и высоты измерительного прибора относительно среднего уровня морской поверхности. Анализ различных вариантов показал, что наиболее эффективным методом угловой привязки в корабельных условиях является нахождение направления на горизонт из измеренной диаграммы яркости по характерному резкому спаду при переходе от "неба” к "морю" (см. рис. 1.4). Погрешность определения углов в этом случае оказывается соизмеримой с угловым разрешением прибора.
Условия выполнения рассмотренных требований в количественном виде могут быть оценены следующим образом.
1. Угловое разрешение измерителя о,, можно оценить из соотношения:
В!- В,
гГ—|Г * 5Ф 0-13)
нг - В0
где В1? В2 - измеряемые яркости разнесенные на величину углового разрешения прибора, В0- собственная яркость моря, неискаженная влиянием атмосферы, 5* -погрешность фотометрирования.
Выражение (1.13) выбрано из соображений, что изменением яркости и оптической толщи (т=8 £) в пределах углового разрешения можно пренебречь по сравнению с погрешностью фотометрирования. Подставляя в (1.13) уравнения для двух углов визирования (1.10), можно получить:
-32-
е~е1(1-е'еД')<8ф, (1.14)
где А] - разность расстояний до подстилающей поверхности в пределах углового разрешения.
Учитывая, что наиболее жесткие условия к предъявляются в области горизонта (£ = у/Ш), после ряда упрощений получим:
28
®И<------^ехр[е1пЬ1(211К)|/2], (1.15)
®ПШ1 '
где епип - минимальное значение коэффициента ослабления в заданном диапазоне измерений. Например, для условий Ещш'ОЛ км-1; 6<,=0,05; 11=0,02 км, величина сои составит 0,75 мрад (2,58 утл. мин.).
2. Полный угол поля зрения Пн можно оценить на основе аналогичного (1.13) соотношения :
- В0
*8*, (1.16)
’йг~ ^0
где Вп - конечное (наиболее удаленное от горизонта) значение яркости в пределах угла ноля зрения С2И. Посте подстановки соответствующих выражений и упрощений, получим:
Фтах > (1-17)
где е - максимальная величина коэффициента ослабления в заданном
шзх
измерительном диапазоне. Например, для е =0,5 км; 11=0,015 км; 5а=0,05,
П1ДХ ■
величина О. составит 0,15 рад (8,6°). Полученную оценку П можно получить и из
и и
других соображений. Опыт береговых исследований МПЗ [6] показал, что для условий атмосферных дымок информативный участок В(<р) достаточно ограничить 2-3 градусами. В условиях качки судна, для более уверенного "захвата" горизонта и информативного участка эту величину целесообразно увеличить на 4-6°. В результате получим оценку Пи*=6^9°.
3. Время измерения в заданном диапазоне углов - Пи должно быть таким, чтобы не сказывалось влияние изменения пространственного положения измерителя во время качки. Наиболее жестким данное условие будет в случае высоких прозрачностей , то есть при 8=8т,п. Очевидно, что время измерения наиболее информативного участка диаграммы яркости (Д<рИНф*0,7 Ои) должно
-33-
быть меньше времени изменения углового положения судна (и прибора) на величину угла поля зрения. В конечном виде временное условие запишется в форме:
где Ук - угловая скорость качки судна или случайных изменений положения прибора при работе "с руки”. Например, для условийгв^^О,! км-1;етах=0,5 км-1; сои=0,75 мрад; Ук=0,03 рад/сек (1,7°/сек); величина 1„ составит 0,125 сек.
4. Высота установки прибора Ь, как показали результаты береговых исследований |6|, должна быть не менее 15-20 м. При работе с меньших высот реализуются короткие измерительные трассы (до горизонта), в результате чего сокращается информативный участок, а измеряемая яркость В(ф) испытывает резкий скачок. Кроме того, при малых высотах уже нельзя пренебречь колебаниями высоты прибора из-за качки. Оптимальную высоту точки наблюдений можно оценить простой эмпирической формулой:
Расширение диапазона измерений. Исследования и испытания, проведенные до создания прибора ИКОС-2, показали, что расширение диапазона измерений в область сильных замутнений (е>0,5 км'1), в основном, затруднено угловой привязкой диаграммы яркости фона. Проанализируем это более подробно. При высоких прозрачностях погрешность угловой привязки не должна превышать нескольких угловых минуг . В случае применения МПЗ в мобильных условиях (работа из положения ”с руки" или с борта судна) такая точность достигается на основе анализа самой диаграммы яркости по резкому скачку при переходе через горизонт.
В условиях сильных замутнений горизонт размывается и становится неразличимым для угловой привязки результатов измерений. В то же время, требуемая точность определения углов значительно снижается и по оценкам достаточна в 10...20 угл. мин. То есть, в этом случае возможны другие решения, например, применение пузырьковых уровней средней точности (10-15 угл. мин.), устанавливаемых на измерителе таким образом, чтобы центральное положение уровня соответствовало определенному, заранее заданному элементу (адресу) многоэлементного фотоприемного устройства (ФПУ). Другими словами, при
К°ПШ1
(1.18)
(Ы9)
-34-
горизонтировании прибора по уровню, заданный адрес ФПУ ориентируется на горизонт и осуществляется угловая привязка диаграммы яркости В(ф).
Ряд других особенностей конкретной реализации МПЗ, для удобства изложения, будет рассмотрен при описании прибора ИКОС и алгоритма обработки экспериментальных данных.
§1.3 Программно-алгоритмическое обеспечение измерителя ИКОС
Весь процесс самотестирования, измерения и обработки данных в приборе ИКОС автоматизирован и осуществляется во встроенном микропроцессоре по оригинальным алгоритмам. Полное программное обеспечение включает следующие основные части.
1. Специальные алгоритмы-команды управления работой прибора: ввода константы - высоты прибора; вычитание нулевого уровня сигналов и выравнивание чувствительности ФПУ; задание режима работы (метода угловой привязки).
2. Вспомогательные алгоритмы подготовки результатов измерений:
- программа оценки уровня освещенности ФПУ для установки необходимой диафрагмы и времени экспонирования (режим "день-вечер”);
- алгоритмы фильтрации и исключения влияния неоднородностей яркости морской поверхности;
- алгоритм автоматического поиска горизонта и угловой привязки;
- программа определения информативного участка.
3. Основной алгоритм расчета метеорологической дальности видимости 8М, основанный на итерационном алгоритме покоординатной минимизации, сочетающий методы прямого поиска с переменным шагом и квадратичной интерполяции.
Для краткости приведем характеристику наиболее существенных частей программы.
Важной частью вспомогательного алгоритма является процедура угловой привязки - определения направления на горизонт. В основе алгоритма лежит соотношение поиска максимума:
кг = тах{В; + В^т}, (1.20)
-35-
где кг - адрес "горизонта" в диаграмме углового распределения яркости фона; ш -ширина окна (сдвига), оптимизированная под ре&чьные крутизны спада яркости в области горизонта.
Предварительно для исключения случайных выбросов в диаграмме В(ф) - В; осуществляется процедура фильтрации. В основе алгоритма используется условие, что яркость фона ниже горизонта (см. рис. 1.4) - монотонно убывающая функция . Поэтому применяются процедуры вида:
а) устранение шумов на основе фильтрции данных
Последней частью вспомогательного алгоритма является определение информативного участка, где происходит основное изменение (0,7-f0,8 от общего) яркости фона при переходе от "неба" (яркость в направлении над горизонтом) до "моря" - яркость при крайних значениях угла визирования (см. рис. 1.4). Именно результаты из информативного участка используются в дальнейшем для вычисления искомой величины.
Подготовка основного алгоритма была выполнена с участием Логинова С. В. и Веретенникова В.В. |16].
В качестве теоретической основы интерпретации данных был использован метод оптимальной параметризации развитый в [27]. Яркость фона, заданная уравнениями (1.3, 1.8, 1.9), рассматривается как функция неизвестных параметров !s, ам, рм}.принадлежащих пространству Р, а множество этих функций образует параметрическое семейство U с областью определения Р. Вычисление величины е
из результатов углового распределения яркости в* = B*(9j) (j = 1,2,....n)
можно рассматривать как определение некоторой точки р* g Р, координаты
которой удовлетворяют системе нелинейных уравнений B(cpj,p) = B*. В качестве
приближенного решения задачи можно рассматривать точку р*, которая для заданного массива данных обеспечивает наилучшее приближение функциями
п
Bj - во всех других случаях,
где Fj - коэффициент фильтра.
б) преобразование к монотонно убывающей функции
(1.22)