2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ; 4
ГЛАВА 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ _________________________________________________________________________9
1.1 Основные физические величины и связывающие их соотношения_____________________10
1.2 МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ______________________________________________16
1.3 Прямые и обратные задачи 01 пики аэрозоля_____________________________________19
1.4 Модель атмосферы______________________________________________________________21
1.5 Задачи исследования. Общие допущения в рассматриваемых задачах________________23
Выводы главы 1____________________________________________________________________29
ГЛАВА 2 АЭРОЗОЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ОДНОКРАТНО И МНОГОКРАТНО РАССЕЯННОГО СВЕТА В БЕЗОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЕ________________________________________________________30
2.1 Постановка задачи_____________________________________________________________31
2.2 Угловая структура однократно и многократно рассеянного света__________________33
2.3 Входные параметры для решения задачи__________________________________________34
2.4 Выпор оптимального числа траекторий при решении уравнения переноса излучения 37
2.5 Нефелометрические углы рассеяния при расчетах яркости_________________________38
2.6 Исследования компоненты яркости неба, обусловленной многократным рассеянием и отражением света от подстилающей поверхности______________________________________41
ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 2____________________________________________________________________50
ГЛАВА 3 КОСВЕННЫЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ АЛЬБЕДО ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И ИСКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ИЗМЕРЕНИИ ЯРКОСТИ НА СЕТИ АЕНООДТ______________________________________________________________________________51
3.1 Начальные условия для решения задачи по нахожде! 1ию альбедо местности________53
3.1.1 выбор пунктов наблюдений в сети АЕДСЖЕТ_____________________________________54
3.1.2 ВЫБОР диапазона углов рассеяния_____________________________________________60
3.2 Описание методики оценки альбедо местности____________________________________64
3.3 Применение методики по нахождению альбедо из измерений яркости неба в плоскостях альмукантарата и вертикала Солнца_________________________________________________66
3.3.1 анализ результатов__________________________________________________________66
3.3.2 Сравнение с данными сети АЕЯОНЕТ____________________________________________70
3.4 косвенный метод оценки погрешностей измерений яркости неба сети ДЕЛСЖЕТ_______72
3.4.1 условия, составляющие основу разрабатываемого метода________________________72
3.4.2 Сущность метода оценки абсолютной погрешности и его применение к данным наблюдений________________________________________________________________ 73
3.5 Влияние исключения систематических погрешностей на определяемые из измерений яркости характеристики атмосферы и подстилающей поверхности_______________________________78
3
3.5.1 ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ АЛЬБЕДО ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВНЕСЕНИИ ПОПРАВОЧНЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ В ЯРКОСТЬ НЕБА_____________________________________________________78
3.5.2 Изменение величины альбедо однократного рассеяния при внесении поправочных МНОЖИТЕЛЕЙ В ЯРКОСТЬ НЕБА_____________________________________________________80
Выводы ГЛАВЫ 3_______________________________________________________________85
ГЛАВА 4 ВОССТАНОВЛЕНИЕ ФАКТОРА АСИММЕТРИИ АЭРОЗОЛЬНОЙ ИНДИКАТРИСЫ РАССЕЯНИЯ_______________________________________________________________________86
4.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ______________________________________________________ 87
4.2 ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА_________________________89
4.3 ВЫБОР СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ИНТЕГРАЛАМИ В ПЕРЕДНЮЮ И ЗАДНЮЮ ПОЛУСФЕРЫ _______91
4.4 ВЫВОД АППРОКСИМАЦИОННЫХ ФОРМУЛ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФАКТОРА АСИММЕТРИИ_____94
4.5 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ К ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ ___________________97
ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 4_______________________________________________________________99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ_____________________________________________________________________100
ЛИТЕРАТУРА_____________________________________________________________________103
ПРИЛОЖЕНИЕ 1___________________________________________________________________116
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 118
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
В настоящее время актуальна проблема объяснения причин глобальных изменений климата нашей планеты. Повышение приземной температуры воздуха часто связывают с прогрессирующим увеличением техногенных выбросов парниковых газов. Их накоплению в атмосфере также способствует регулярный рост числа лесных пожаров, активная распашка земель и т.д. В то же время, помимо изменений в газовой компоненте атмосферы, на земной климат оказывает влияние аэрозоль, особенно его поглощательная характеристика. Вследствие этого возникает необходимость широкомасштабных исследований аэрозольной компоненты атмосферы с целью выяснения степени ее влияния на радиационный баланс и, следовательно, на климат.
Трудности получения полноценной информации об оптических свойствах атмосферного аэрозоля, необходимой для выполнения современных прогностических расчетов, связаны с сильной пространственной и временной изменчивостью характеристик находящихся в атмосфере частиц. Поэтому актуальны исследования поглощения и рассеяния света частицами, выполненные для больших рядов наблюдений. Особый интерес представляет' разработка соответствующих методик определения свойств аэрозоля при широких вариациях его оптических и микрофизических параметров в условиях широкого разнообразия проводимого эксперимента.
Также особую роль в формировании климата региона играет отражательная способность подстилающей поверхности, незначительные изменения которой влекут за собой изменения температуры приземного слоя воздуха. Поэтому определение доли поглощенной и отраженной от земной поверхности солнечной радиации является важной и актуальной задачей.
Изучением свойств аэрозоля и подстилающей поверхности занимаются исследователи в течение нескольких десятилетий, для чего используются самые различные методы наблюдений (in situ, наземное и спутниковое дистанционное
5
зондирование). Для систематического мониторинга оптических свойств атмосферы около пятнадцати лет назад была создана автоматическая сеть наземных станций АЕЯОКЕТ. Измерения осуществляются на идентичных солнечных фотометрах С1МЕЬ и обрабатываются по единой методике во всем мире, в том числе и в России. Результаты наблюдений сети АЕЯОКЕТ используются многими специалистами для построения аэрозольных моделей атмосферы, однако вопрос точности этих результатов исследован не в полной мере. Значит, актуален поиск альтернативных методик, направленных на более тщательный анализ погрешностей в измерениях аэрозольной оптической толщи и яркости дневного неба. В частности, представляется весьма важным решение вопроса о разделении экспериментальных погрешностей на систематические и случайные. Несомненный интерес имеет и оценка асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния из наблюдений яркости неба без решения обратной задачи по восстановлению микроструктуры аэрозоля.
Целью диссертационной работы является исследование таких оптических характеристик аэрозоля, как оптические толщи поглощения и коэффициенты асимметрии рассеянных световых потоков, а также отражательной способности подстилающей поверхности для широкого диапазона вариаций оптических параметров атмосферы в видимой области спектра. При этом все исследования базируются на результатах измерений яркости дневного безоблачного неба. В работе использованы экспериментальные данные яркости, представленные на сайте АЕЛОМЕТ.
Основные задачи работы
1. Исследование зависимости яркости неба от аэрозольной оптической толщи поглощения. Поиск простых соотношений, связывающих эти величины при однократном и многократном рассеянии. Использование полученных результатов в оценке поглощательной способности частиц (на примере аридного аэрозоля).
6
2. Разработка и апробация методики оценки альбедо подстилающей поверхности на основе данных измерений яркости неба.
3. Разделение экспериментальных погрешностей в измерениях яркости неба на систематические и случайные.
4. Получение аппроксимационных формул для восстановления фактора асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния. Сопоставление с результатами существующих методик расчета, принятых на сети АЕЯОЫЕТ.
Научная новизна работы
1. Предложена методика обработки экспериментальных данных по спектральной прозрачности и яркости безоблачной атмосферы для оценки альбедо подстилающей поверхности в пункте наблюдений. Методика базируется на результатах решения уравнения переноса излучения и апробирована для точек небосвода в плоскостях альмукантарата и вертикала Солнца.
2. Предложена новая методика калибровки наблюдений яркости неба по молекулярному рассеянию. Ее практическое применение дает возможность разделить экспериментальные погрешности измерений спектральной прозрачности атмосферы и яркости на систематические и случайные. Для ряда пустынных районов земного шара определены поправочные множители, исключающие систематические ошибки.
3. На основе модельных расчетов яркости предложены удобные для практики аппроксимационные формулы для определения фактора асимметрии аэрозольной функции рассеяния в длинноволновой области спектра. Формулы апробированы на наблюдениях в длине волны 0.675лмсм.
4. Впервые детально исследованы зависимости компонент яркости однократно и многократно рассеянного света от оптической толщи и зенитного угла Солнца. Выявлено влияние оптической толщи рассеяния и альбедо подстилающей поверхности на эти зависимости. Результаты модельных расчетов компонент яркости применены в оценках поглощательной способности аридного аэрозоля (с учетом пункта 2).
Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена тем, что в основу разрабатываемых методик положены модельные расчеты яркости рассеянного излучения, базирующиеся на численных решениях фундаментального уравнения переноса излучения. Подобрано оптимальное число траекторий фотонов, благодаря чему относительная погрешность вычислений яркости составила не более 0.5%. Для графического представления материалов и вывода ап-проксимационных формул использовано специальное программное обеспечение (пакет Origin 6.1 корпорации Origin Lab). Результаты модельных расчетов оказались хорошо согласующимися с наблюдательными данными, что свидетельствует о практической пригодности предлагаемых методик.
Практическая значимость работы
Разработанные методы определения ряда оптических характеристик атмосферы и подстилающей поверхности могут найти практическое применение при интерпретации наблюдений спектральной прозрачности атмосферы и яркости дневного неба. Особенно рационально их использование в случае обработки обширных рядов наблюдений, когда требуется получение статистически значимых результатов за длительный временной промежуток, а также в прогностических целях.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в пяти статьях и в пяти тезисах докладов на конференциях. В том числе одна статья опубликована в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК для печати диссертационных материалов по специальности.
Апробация результатов
Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на V Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2006), XIII и XIV Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2006 и 2007), VII и VIII Конференциях молодых ученых
ИВЭП СО РАН (Барнаул, 2007 и 2008), Международной конференции «Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании» (Алматы, 2008).
На защиту выносятся
1. Методика обработки наблюдательных данных спектральной оптической толщи и яркости рассеянного света, предназначенная для оценки альбедо местности.
2. Метод калибровки яркости по молекулярному рассеянию при малых аэрозольных оптических толщах, позволяющий разделить экспериментальные погрешности на систематические и случайные.
3. Способ оценки фактора асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния из наблюдений яркости неба. Условия его применимости и границы.
4. Результаты модельных расчетов компонент яркости многократно рассеянного и отраженного света для разных оптических толщ поглощения, длин волн, зенитных углов Солнца и альбедо подстилающей поверхности. Рекомендации по их практическому использованию в целях исследования поглощающей способности частиц по данным измерений яркости неба.
Личный вклад автора заключается в разработке предложенных в работе методов, выполнении всех расчетов и последующем анализе результатов, поиске экспериментального материала и выборе подходящих данных для решения поставленных задач, подготовке статей к публикации.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 118 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 11 таблиц. Список цитируемой литературы, включая работы соискателя, содержит 118 наименований. Основной текст работы дополняют 2 приложения.
ГЛАВА 1
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
С точки зрения электромагнитной теории атмосфера представляет собой молекулярно-аэрозольную среду, в которой происходят процессы рассеяния и поглощения солнечного излучения. Увеличение общей загрязненности атмосферы и связанные с этим процессом глобальные изменения биосферы вызвали повышенный интерес к физико-химическим свойствам и структуре атмосферных аэрозолей. Влияние аэрозоля на пропускание, рассеяние и отражение солнечной радиации шрает определенную роль в установлении климатических условий. Оценка роли аэрозоля в формировании радиационного баланса тропосферы и подстилающей поверхности и его виляние на климат в целом интересует исследователей не одно десятилетие [1-8].
Аэрозоль - мельчайшие твердые частицы или капельки жидкости, способные сохраняться во взвешенном состоянии в газовой среде. Он отличается сильной по сравнению с газами светорассеивающей способностью и, хотя по весу составляет ничтожную часть атмосферы, в значительной мерс определяет поле рассеянной радиации [9-11]. Основными источниками аэрозолей являются почвы, растения, поверхности морей и океанов, вулканы, метеоритные потоки, лесные пожары, химические и фотохимические реакции в атмосфере, хозяйственная деятельность человека [2, 12-13]. Пространственно-временная изменчивость поля концентрации, химического состава и микроструктуры аэрозоля определяется распределением источников, а также процессами переноса и трансформации аэрозоля.
Аэрозоль земной атмосферы может быть классифицирован в зависимости как от высоты (аэрозоль приземный, тропосферный, стратосферный и т.п.), так и от географического района. По источнику возникновения выделяют четыре основных типа аэрозоля, имеющих значимые различия в оптических свойствах:
1) городской и промышленный аэрозоль, продуцированный в результате горе-
- Київ+380960830922