СОДЕРЖАНИЕ
Введение.........................................................1
Глава 1. Физико-математическая постановка задачи.................11
1.1. Физическая постановка задачи..............................11
1.1.1. Актуальность проблемы зондирования атмосферы...........11
1.1.2. Современные методы определения газовою состава атмосферы ......................................................... 14
1.1.3. Интегральное уравнение переноса ИК излучения...........20
1.2. Математические аспекты решения обратных задач атмосферной оптики.........................................................22
1.2.1. Математическая постановка задачи.......................23
1.2.2. Методы решения обратных задач атмосферной оптики 24
1.2.3. Статистический подход к решению обратных задач атмосферной оптики.........................................28
1.3. Методы расчета функции пропускания........................31
1.4. Основные выводы...........................................34
Глава 2. Радиационная модель атмосферы...........................36
2.1. Метод прямого расчета нисходящего теплового ИК излучения и его вариационных производных по атмосферным параметрам 36
2.1.1. Физико-математические аспекты радиационной модели атмосферы и алгоритма прямого расчета......................39
2.1.2. Алгоритм прямого расчета нисходящего теплового ИК излучения и его вариационных производных...................51
2.2. Исследование чувсгвнтельности нисходящего теплового ИК излучения к вариациям различных параметров атмосферы...........56
2.3. Примеры расчетов нисходящего излучения и сопоставление их результатов с экспериментальными данными.......................73
2.4. Основные результаты и выводы..............................83
Глава 3. Исследование потенциальной точности определения МГС из спек тров нисходящего теплового ИК излучения......................86
3.1. Реализация статистического подхода к исследованию характеристик точности наземных дистанционных измерений 86
3.2. Потенциальная точность одновременного определения температуры, влажности и содержания озона.......................90
3.2.1. Постановка задачи и основные этапы исследования потенциальной точности......................................90
3.2.2. Потенциальная точность восстановления ОС и вертикального профиля озона...............................................95
3.2.3. Потенциальная точность определения термической структуры атмосферы................................................ 101
3.2.4. Потенциальная точность определения влагосодсржання.....103
3.3. Исследование различных схем наземного эксперимента по восстановлению содержания МГС атмосферы........................108
3.3.1. Потенциальная точность одновременного определения МГС при измерениях нисходящего излучения в зенит...............110
3.3.2. Потенциальная точность определения МГС при использовании спектрально-угловой схемы измерений........................116
3.4. Основные результаты и выводы..............................124
Глава 4. Численное моделирование наземного зондирования атмосферы 126
4.1. Описание алгоритма замкнутого численного эксперимента и алгоритма интерпретации измеренных спектров....................127
4.2. Численное моделирование наземных дистанционных измерений атмосферных параметров.........................................131
4.2.1. Анализ различных факторов, влияющих на точность
газов. По характеру взаимодействия измерительного прибора (МП) с исследуемым объемом воздуха все существующие методы можно условно разделить на две основные группы [11]:
• локальные измерения, основанные на прямом взаимодействии ИП с измеряемой примесью [59, 87, 115, 116, 124, 127];
• дистанционные измерения, основанные на интерпретации измерений различных характеристик электромагнитного излучения (например, [18,38, 102]).
Методы первой группы возникли гораздо раньше и теперь еще служат одним из основных средств измерения большинства атмосферных составляющих. К ним относятся как метод отбора проб, при котором некоторый объем воздуха из определенной части атмосферы отбирается в специальные сосуды, а затем анализируется в лабораторных условиях, так и контактные методы, в которых анализ отобранного воздуха производится на месте. Зачастую контактный метол является единственно возможным, когда речь идет о быстро меняющих свою концентрацию газах (например, при измерениях в стратосфере таких химически активных газов, как МО, Н02,0, С1).
Общее преимущество локальных методов состоит в получении сведении о газовом составе в конкретном месте атмосферы и возможности построения детального распределения концентрации МГС, недостаток - в не всегда высокой точности измерений, связанный с экстремальными условиями проведения большинства измерении (подвижная платформа, низкая температура, малая величина давления).
Среди локальных методов необходимо упомянуть аэростатные и самолетные измерения, позволяющие определять с высокой точностью содержание ряда МГС, в том числе вертикальные профили стратосферных и общее содержание метана, СО [127, 91], СРС-12 [59]
15
(метод проб) и тропосферного озона [124) (контактный метод). Так, например, в США проводился многолетний эксперимент [115), использовавший метод отбора проб, в ходе которого были установлены тренды в содержании метана в атмосфере.
В настоящее время в мире насчитывается около 40 станций, производящих еженедельные запуски озонозондов и поставляющих информацию в единую базу данных [102]; существует разветвленная сеть метеорологических станций, регулярно измеряющих профили температуры и влагосодсржания, а также некоторых других МТС [87] с помощью радиозондов.
Особое внимание в последнее время уделяется дистанционным методам зондирования атмосферы. По сравнению с локальными дистанционные методы в большинстве случаев не оказывают никакого влияния на исследуемый объект. Эти методы широко используются в наземных, спутниковых, самолетных экспериментах, существенным их преимуществом является возможность установки соответствующей аппаратуры на любую подвижну ю платформу.
Дистанционные методы можно классифицировать по происхождению поля электромагнитного излучения на пассивные (поля естественного происхождения) и активные (поля искусственного происхождения). Среди активных наиболее распространены методы, использующие лазерное излучение, а гакже акустические и радиолокационные методы (последние позволяют определять характеристики поля ветра, облачности). Преимуществом лазерных методов зондирования является высокая информативность (определение самых разнообразных параметров), а также высокое пространственное (до 10 см) и временное разрешение, определяемые прежде всего длительностью лазерного импульса и чувствительностью приемной
16
- Київ+380960830922