Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Аэрозольное ослабление видимой и инфракрасной радиации в приземном слое атмосферы для характерных климатических районов

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Аэрозольное ослабление видимой и инфракрасной радиации в приземном слое атмосферы для характерных климатических районов"

РГ5 ОЛ

Российская академия наук Сибирское отделение Институт оптики атмосферы

На правах рукописи

Пхалагов Юрий Александрович

Аэрозольное ослабление видимой я инфракрасной радиации в прнземком слое атмосферы для характерных климатических рлйолоп

Специальность 04.00.22 —Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 1994

Работа ньшолнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических паук Горчаков Г.И.

доктор физнко—математических наук, профессор Самохвалов И.В. член—корресшшдспт РАН, профессор Тророгои С.Д.

Ведущая организация:

Научи« — производственное объединение Государстиелньш I! пси ¡туг прикладной опшкн (г.Казань)

Защита диссертации состоится " ^ " Тр а 1994 г.

в час. ОО мин, на заседании Специализированного

Совета Д 200 38.01 по зашите диссертации на соискание учено;"! степени доктора наук в Институте оптики атмосферы СО РАН (63*1055, г.Томск, пр.Академический, !).

С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке Института отнкп атмосферы СО РАН.

Автореферат разослан " 71994г.

Ученый секретарь Специализированного /)

Совета, канд. физ,—мат. наук В.В. Всротснникои

Аятуалыгость работы.

В последние три десятилетия наблюдается активное освоение оптического диапазона длин волн в системах связи, локации наземных й низколетящих объектов, проводки судов и посадки самолетов в условиях плохой видимости. Эффективное использование подобных систем на протяженных атмосферных трассах невозможно без знания основных закономерностей аэрозольного ослабления видимого и йнфракрасного (ИК) излучения в приземном (приводном) слое атмосферы при различных метеорологических условиях и в разных климатических регионах. Причем наибольший интерес для этих задач представляют количественные данные о коэффициентах аэрозольного ослабления оптического излучения в дымках, поскольку последние чаще всего реализуются в атмосфере. Кроме перечисленных прикладных задач, количественные данные об аэрозольном ослаблении оптической радиации в приземной атмосфере для разных климатических зон необходимы при разработке региональных оптических моделей атмосферы, которые нахбдят применение з климатологии, а также в задачах определения физических параметров атмосферы и подстилающей поверхности с искусственных спутников Земли. Сюда, например, относится задача определения температуры поверхности океана из космоса, точность которого в значительной мере зависит от того, насколько корректно проведен учет аэрозольного ослабления в области длин волн 8—12 мш в приводном слое. При интерпретации фотоснимков из космоса очень важно иметь информацию о маскирующем влиянии приземного слоя дымки в спектральном диапазоне 0,5—1,0'та. - . _

' Учитывая чрезвычайную изменчивость оптических свойств атмосферных дымок в приземном слое и значительные технические и методические трудности прямых измерений прозрачности атмосферы в

■ А

ИК области спектра, .весьма важной является задача разработки эмпирических динамичных моделей восстановления спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления в ИК области спектра по небольшому числу измеряемых входных параметров. Использование таких прогностических моделей, разработанных для наиболее характерных климатических регионов страны, позволит улучшить точность учета аэрозольной компоненты в задачах спектроскопии атмосферы и даст значительный экономический эффект при эксплуатации дорогостоящих энергоемких оптических комплексов.

Этот далеко не полный перечень задач, для решения которых требуются надежные - количественные данные о спектральных коэффициентах аэрозольного ослабления ведимой н ИК радиации в приземном слое атмосферы, свидетельствует об актуальности рассматриваемой в работе проблемы.

Состояние вопроса.

Сильная пространственно — временная изменчивость концентрации аэрозоля *в приземном слое, а также зависимость функции распределения частиц по размерам от многих внешних факторов (включая и тип подстилающей поверхности) обуславливают большое разнообразие как абсолютных значений, так и спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления а(Л) в дымках внутри одного географического района. Тип подстилающей поверхности (море, гумидные райо>ш континентов, пустыня) и ее состояние, в свою очередь, обуславливают региональные особенности в спектральном ходе коэффициентов а(Л). Такмм образом, для решения перешелешшх выше задач, исследования атмосферных дымок необходимо осуществлять при выполнении трех основных требований: они должны проводиться, по возможности, в различных климатических регионах, охватывать широкий диапазон длин воли и быть статистически обеспеченными.

До настоящего времени достаточно подробно были исследованы приземные атмосферные дымки только средней полосы России. Здесь прежде всего нужно отметить работы B.JI. Филиппова, A.C. Макарова и В. П. Иванова (ГИПО), а которых анализируются статистические данные по коэффициентам аэрозольного ослабления в видимой и И К областях спектра в разные сезоны года, а также Ю.С. Георгиевского, А.Х. Шукурова и А.И. Чавро (ИФА), А.М. Броунштейна и H.H. Парамоновой (ГГО), в которых рассматриваются массивы коэффициентов непрерывного ослабления.

В результате этих исследований было установлено большое разнообразие типов дымки, выявлена фундаментальная роль относительной влажности воздуха в формировании дымки, сделаны опенки вклада мелкодисперсного аэрозоля в ослабление ИК радиации в области спектра 8—12 мкм, установлены корреляционные связи между коэффициентами аэрозольного ослабления в видимой и И К областях спектра, разработаны эмпирические модели восстановления спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления видимого и ИК излучения на основе метеорологических данных, проанализировано влияние на спектральную структуру коэффициентов а(Х) синоптического фактора и сезонов года.

Из зарубежных работ в этом направлении следует отмстить работу Б.Ннльсона, в которой на основе статистических данных исследуется зависимость спектральной структуры коэффициентов а(л) в области 0.5 — 12 мкм от относительной влажности и температуры воздуха, от скорости ветра, от предыстории воздушной массы.

По совокупности этих и других исследований (имеются ввиду микрофизическис и нсфелометрические исследования ЛГУ, ИФА, АФИ и др.) можно считать, что к настоящему времени дымки континентальных районов умеренных широт изучены довольно обстоятельно.

В развитие этого направления атмосферной оптики, имеющего геофизический характер, представляется важным проведение исследований оптических свойств атмосферных дымок в других регионах, существенно отличных по климатическим условиям и по типу подстилающей поверхности от центральной части России. К числу таких районов относятся, в частности, совершенно не исследованные прибрежная зона моря и аридная зона.

Помимо этой глобальной геофизической задачи, в атмосферной оптике до настоящего времени имеются проблемы методологического характера, а также ряд дискуссионных физических вопросов. К их числу относится, например, проблема, связанная с разложением общего коэффициента ослабления излучения в ИК области длин воли на аэрозольную и молекулярную компоненты. До сих пор дискутируются вопросы о физической природе и количественном учете континуального поглощения паров воды, о роли субмикронной фракции в ослаблении излучешш в ИК области спектра, о вымывающем действии осадков и т.д.

Перечисленные проблемы остяки атмосферы и определили постановку данной работы.

Цель работы.

В соответствии с .изложенным выше, главная цель диссертационной работы состояла в исследовании основных закономерностей аэрозольного ослабления видимой и ИК радиации в дымках прибрежной зоны моря и аридной зоны и разработка на основе экспериментальных данных эмпирг'ческих, малопараметрических моделей восстановления спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления.

Основные ззда»55! исследований заключались в следующем: . 1. Создание комплекса полевой аппаратуры для измерений спектральной прозрачности атмосферы на протяженных приземных

трассах в диапазоне длин волн 0.5—12 мкм;

2. Разработка методологии разделения коэффициента общего ослабления излучения в И К области спектра на аэрозольную и молекулярную компоненты на основе статистических данных;

3. Исследование закономерностей изменчивости спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления оптического излучения в прибрежной зоне моря в зависимости от внешних факторов;

4. Изучение химического состава и функций распределения по размерам аэрозоля прибрежной зоны моря;

5. Разработка эмпирических малопараметрических моделей восстановления спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в широком диапазоне длин волн для прибрежных дымок;

6. Проведение комплексных исследовании оптических свойств приземных атмосферных дымок аридной зоны в разные сезоны года;

7. Исследование закономерностей изменчивости спектрального хода коэффициентов аэрозольного ослабления оптического излучения в дымках аридной зоны в зависимости от сезона года и других факторов;

8. Исследование континуального поглощения паров воды в области X = 10.6 мкм на основе данных натурных измерений в условиях высокой прозрачности атмосферы аридной зоны;

9. Разработка эмпирических моделей восстановления спектральных коэффициентов аэрозольного оставления в широком диапазоне длин волн для дымок аридной зоны по небольшому числу входных параметров.

Научная новизна результатов.

1. Разработана оригинальная статистическая методика разложения общего коэффициента ослабления в окнах прозрачности атмосферы на молекулярную и аэрозольную компоненты в ИК области спектра. Методика основана на применении линейного множественного

регрессионного анализа к массиву оптико—метеорологических данных. Б отличие от существующих методик, статистический способ разделения общего ослабления с(?.) на компоненты не требует для своего применения информации о спектральном разрешении измерительною прибора, что особенно важно в случае, когда измерения пропускания атмосферы проводятся фильтровыми спектральными приборами, где определение аппаратной функции является довольно трудной задачей;

2. На основе многолетних комплексных исследований оптико—метеорологических характеристик атмосферы в прибрежной зоне моря получен усредненный по большому числу реализаций спектральный ход коэффициентов аэрозольного ослабления излучения в дымках прибрежного района в области длин волн 0,48—12 мкм. Проанализированы закономерности трансформации указанного спектрального хода в зависимости от направления ветра в условиях бризовой циркуляции воздуха от относительной влажности воздуха, от скорости ветра, от предыстории воздушной массы, а также от вымывающего действия ливневых дох&гн. Сделан вывод о необходимости выделения дымок прибрежного морского района в самостоятельный тип — прибрежные дымки.

3. С помощью множественного регрессионного анализа массива коэффициентов е(Х) в дымках прибрежного района

— выявлена спектральная зависимость температурного множителя в коэффициенте континуального поглощения водяного пара в области Л = 8-12 мкм, которая имеет скачкообразный характер в районе 2 = 10.2-10.6 МКМ;

— получена статистическая оценка вклада поглощающего субмикронного аэрозоля в общее аэрозольное ослабление радиации в области Л = 8-12 МХМ. Максимум поглощения оказался в районе Л =9.2 мкм, где он составляет в 15% от общего аэрозольного

ослабления в условиях плотных дымок.

4. Разработана эмпирическая модель восстановления спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления излучения в ИК области спектра в дымках прибрежного района, где в качестве входного (измеряемого) параметра служит коэффициент аэрозольного ослабления излучения з видимом диапазоне длин волн;

5. Впервые проведены длительны'; комплексные исследования оптических свойств приземных дымок аридной зоны в широком диапазоне длин волн (0.44—11 мкм) для трех сезонов года (весна, лето, осень);

— установлена значительная сезонная изменчивость спектрального хода коэффициентов аэрозольного ослабления;

— показаны, существенные отличия оптических свойств дымок аридной зоны от других климатических районов;

— предложена гипотеза, объясняющая аномально высокую прозрачность атмосферы аридной зоны в летний период;

6. На основе натурных данных, полученных а летний период в условиях оче.:ь высокой прозрачности атмосферы аридной зоны, проведено уточнение параметров имеющейся модели континуального поглощения В.Н. Арефьева в области длины волны 10.6 мкм; .

7. Разработаны однопарамстрическне модели восстановления спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления з дымках аридной зоны для трех сезонок года;

8. Разработана предварительная двухпарамстрическая модель восстановления спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в ИК области спектра в дымках, где в качестве входных параметров служат коэффициенты «(Я.), измеренные в двух участках видимого диапазона длин волн.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов определяется, прежде всего, применением упомянутых выше

региональных моделей на этапе разработки различных оптических систем, предназначенных для работы У атмосфере, а также для оперативной оценки энергетического ослабления дорогостоящих оптических комплексов, работающих в ИК диапазоне длин поли.

Следует отметить также, что приведенные в диссертации аэрозольные модели для приземного слоя необходимы для разработки динамичных региональных оптико—геофизических аэрозольных моделей для всей толщи атмосферы, которые, в спою очередь, являются основой для многих задач, связанных с исследованием Земли из космоса.

Достоверность результатов исследований, рассматриваемых в работе, обеспечена:

— тщательным анализом и минимизацией погрешностей измерений спектрального пропускания атмосферы на протяженных трассах;

— качественным и количественным соответствием полученных зависимостей с данными других аиторои по учету молекулярной компопсеты коэффициента ослабления;

— сопоставлением оттичсских параметров атмосферной дымки, измеренных с номещыо спектральных, нефсломстрнческих и ыпкрофпз! ¡чсских методов.

Внедрение.

Полученные материалы и разработанные на их основе эмпирические методики определения коэффициентом аэрозольного ослабления в приземном (приводном) слое атмосферы- использовались при испытаниях различных оптических систем в нескольких организациях страны. От некоторых из них имеются акты внедрения.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 28 статьях в центральных журналах и тематических сборниках центральных издательств, а также в монографии, где автором написаны главы 1—3.

Алпробздия результатов.

Основные материалы работы докладывались на III—УШ и X Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1975, 1977, 1979, 1931, 1933, 1985 и 1989 гг.) I и П Совещаниях по атмосферной оптике (Томск, 1976 и 1980 гг.), УП Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию (Томск, 1982 г.), Ш и V Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1933 и ¡991 гг.), ХП Совещании по актинометрии (Иркутск, 1984 г.), IX и X Пленумах по оптике океана (Батуми, 1984 г. и Ростов—на—Дону, 1988 г.), V Совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1992 г.), ХП Межрегиональном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1993 г.), Российской аэрозольной конференции (Москва, 1993 г.).

Основные положения, выносимые на защиту

1. При наличии статистически обеспеченных массивов спектральных коэффициентов ослабления оптического излучения и метсопараметров

' атмосферы (с большим диапазоном изменчивости) разделение общего ослабления на аэрозольную и молекулярную компоненты к И К области спектра можно осуществить с по-,гощыо линейного множественного регрессионного анализа.

2. По совокупности особенностей усредненной спектральной зависимости коэффициентов аэрозольного ослабления, вида функции распределения и химическою состава аэрозоля дымка прибрежной зоны моря отличается от морской и континентальной дымки и может быть выделена всамострягельнын тип — прибрежная дымка.

3. В прибрежной дымке аэрозольное ослабление радиации в области длин волн 8—12 мкм в основном обусловлено рассеянием на грубодисиерсных чаепшах и лить около ослабления приходится

на поглощение субмикронной фракцией частиц, максимум которого расположен и районе X = 9,2 мкм.

4. Бризсвая циркуляция воздуха в прибрежной зоне моря слабо влияет на характер спектральной зависимости коэффициентов аэрозольного ослабления а(Л) во всем диапазоне длин волн от 0,48 до 12 мкм, в то время как изменение относительной влажности воздуха и ливневые дожди значительно трансформируют зависимость а(Л) в коротковолновой части спектра (0,48—1,06 мкм).

5. Спектральный ход коэффициентов аэрозольного ослабления в дымках аридной зоны в летний период имеет квазинейтральпый характер в диапазоне длин волн 0,44—11.5 мкм со средним значением а(Л) = 0,05 км'1. В дымках весснне—осеннего периода, при гжшюстях воздуха более 70%, вклад субмикронного аэрозоля в формировании спектральной структуры а(Л) становится уже заметным.

6. Высокая прозрачность приземного слоя атмосферы аридной зоны ' в летний период является следствием интенсивного выноса приземного аэрозоля в' верхние слои атмосферы с одновременным высушиванием увлажненных частиц в условиях низкой относительной влажности воздуха.

7. В дымках прибрежных районов и аридной зоны спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления в ИК области длин волн могут быть рассчитаны с помощью региональных эмпирических моделей, входным параметром которых является коэффициент ослабления в видимой области спектра. Абсолютная погрешность восстановления по этим моделям составляет для прибрежного района

0,025—0,040 км1, для аридной зоны--0,020 км1. Увеличение числа

входных параметров (температура, влажность, скорость ветра) практически не уменьшает погрешность восстановления.

Содержанке диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, семи гдап, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 334 стр. и содержит кроме основного текста 82 рисунка, 53 таблицы и 244 ссылки на литературу.

Во введении покачана актуальность темы диссертации, обоснована необходимость выполнения данной работы, подчеркнута ее научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 "Спектральная прозрачность приземной атмосферы (проблемы и вопросы)" рассматриваются основные физические процессы, формирующие спектральную структуру пропускания приземной атмосферы в видимой и И К—областях спектра (раздел 1.1)

В разделе 1-2 дается краткая характеристика существующих методик учета молекулярного поглощения ИК. излучения парами воды и другими атмосферными газами в задаче разделения общего ослабления на аэрозольную и молекулярную компоненты. В частности, рассмотрены возможности метода прямого расчета функций поглощения атмосферных гатов, . приведены расчетные алгоритмы эмпирических методик ГОИ, ГИПО, ГГО и ИЭМ (для континуального поглощения паров воды), обсуждена помограммная методика l.OWTRAN (CUJA). Отмечается,, что в случае неточного задания аппаратной функции спектрального прибора, использование этих расчетных методик может привести к значительным ошибкам в определении селективной компоненты поглощения.

С учетом этого, в разделе 1.3 предложен принципиально иной статистический метод разделения коэффициентов общего ослабления излучения r.(Á¿) в ИК области спектра на аэрозольную и молекулярную

Н

компоненты. Метод основан на линейном множественном регрессионном анализе »¡геенна коэффициентов £-Л.

В общем случае задачей регрессионного анализа является получение оптимальной оценки зависимой переменной .Ц) по измеренным значениям переменных Х^.Х},..., хт, (входные параметры). В случае, если Кд линейно зависит от аргументов .г,, ..., ,гш, то уравнение множественной регрессии для (где у~\...//, п— размерность массива) можно представить в виде

х0/ = к0 + А',д-)у -¡- кгх1} + • • ■ + кшХщ +SJ (1)

где ку—кт —.коэффициенты регрессии, определяющие весоиой вкла!

переменных хь..., хт в .г0 и подбираемые таким образом, чтобы

» \

' )

минимизировать погрешность восстановления х0

4к

свободны!! член уравнешш, учитывающий вклад в .¡у параметров, искоррелпр'ующих с переменными Л],..., л,,,.

В работе приведены формулы для расчета коэффициентов регрессии и погрешности восстановления для случая одно — двух— и трехпараметрнчсской аппроксимации .»од.

На конкретном примере выделения аэрозольной компоненты из общего ослабления в диапазоне' А = 0.5 — 12 мкм с использованием двухпараметрнчсской аппроксимации ( в качестве входных параметров были взяты ¿(0.55) и абсолютная влажность воздуха) показана принципиальная возможность применении данного статистического метода для решения этой задачи.

В глазе 2 "Физико—метеорологические особенности "атмосферы прибрежной и аридной зон" приведены краткие сведения об особенностях атмосферы прибрежной зоны Черного моря и аридной зоны Казахстана, где проводились основные исследования, вошедшие в

диссертационную работу.

В разделе 2.1.1 рассмотрены особенности ветрового режима прибрежной зоны моря, связанные с существованием морского бриза, который оказывает заметное влияние на климат этой зоны и на состав атмосферного аэрозоля внутри этой зоны.

Здесь же дан краткий обзор исследований химического состава морского аэрозоля, рассмотрены механизмы его образования, особенности выноса морских солен с моря на сушу.

В разделе 2.1.2 анализируется химический состав аэрозоля прибрежной зоны Черного мори на основе исследований, проведенных в двух пунктах Крымского побережья в 1979 и 19S1 гг. Анализ аэрозольных проб проводился на содержание следующих элементов: СГ, SOj-, NCOj, NOj, NH4\NA\ К+, Са2+, Mg2+ и РН.

Показано, что ионы хлора и сульфата вносят основной вклад в обшую концентрацию ионов (>60%), что, по-видимому, является общим свойством аэрозоля прибрежной зоны. Установлено, что в прибрежном аэрозоле Черного моря наблюдается явный избыток . сульфатов по отношению к морской воде, что согласуется с данными по другим акваториям. Анализ МКГ — эквивалентных соотношений показал, что прибрежный аэрозоль в основном состоит из следующих соединений: NaCl, KCl, MgCb, CaS04, (NH4)S04, CaC03, NaN03 и KNO3. Обнаружено также, что хлориды чаще встречаются при устойчивом ветре с моря, сульфаты при ветре с суши, а концентрация нитратов совершенно не зависит от ветрового режима в прибрежной зоне. Даны рекомендации как на основе простых средств химического анализа аэрозольных проб проводить идентификацию воздушных масс — в прибрежном районе но признаку морская — континентальная, что предетаил не ich важным при интерпретации данных оптических измерений.

В разделе 2.1.3 обсуждаются результаты измерений функции

распределения частиц по размерам с использованием счетчика A3—5 в прибрежной зоне Черного моря п зависимости от ветрового режима.* Показано, что распределение имеет выраженный бимодальный характер, где первая мода находится в области частиц с радиусом г~ 0.25 мкм, а вторая в районе г- 1 мкм. Отмечается общий дефицит мелкодисперсной фракции в прибрежном аэрозоле. Выявлено, что при ветре с суши распределение частиц по размерам заметно трансформируется, главным образом, за счет уменьшения концентрации крупных частиц.

В разделе 2.1.4 приводится краткий обзор экспериментальных исследований спектральной прозрачности ,'гшосфсры в прибрежной зоне моря па протяженных горизонтальных трассах и в широком диапазоне длин волн.

Отмечается, что по имеющимся результатам очень небольшого числа работ невозможно выявить основные особенности аэрозольного ослабления видимой и ИК радиации в дымках прибрежной зоны моря и для решения этой задачи необходимы специальные длительные исследования. -

В раздела 2.2.1 дана характеристика метеорологических особенностей района прилегающего к западной части озера Балхаш, где проводились исследования ' оптчческих и мнкрофпзичсских характеристик атмосферы аридной зоны в период с 1984 по 1988 гг.

Представлены гистограммы распределения вероятностей метеорологических элементов: парциального давления паров воды — е, относительной влажности воздуха — К и температуры воздуха — /, а также коэффициента аэрозольного ослабления в области /. = 0.55 мкм — а(0.55) для трех сезонов года (весна, лето, осень). Отдельно рассмотрены ночные условия. Один из наиболее важных результатов данного анализа состоит в том, что в районе измерений в теплые

*Микрофпзичссхлгнзмерснля проподшлсь В.В. Панкиным.

сезоны гола выявлен апомааьно низкий уровень коэффициентов аэрозольного ослабления а видимой области спектра. Это свидетельствует о том, что атмосфера арцдной зоны в это время года существенно обеднена субмикронной фракцией аэрозоля.

Микрофизнческие характеристики аэрозоля аридной зоны рассмотрены в разделе 2.2.2, где дается краткий обзор имеющихся литературных данных по этому вопросу, а также обсуждаются результаты измерений функции распределения частиц по размерам, проводимых синхронно с оптическими исследованиями в разные сезоны года. Показано, что в весенний период распределение частиц аэрозоля по размерам в аридной зоне приближенно можно описать монотонно убывающей'с ростом размера частиц функцией, а в летний и осенний сезоны распределение частиц имеет довольно хорошо выраженную полимодальную структуру с максимумами при гх < 0.2 мкм, л ~ 0.4 — 0.5 мкм и /3 - 1.5 — 2 мкм. Дается физическая интерпретация сезонной трансформации функции распределения частиц по размерам, показывающая, что в формировании спектра . размеров чотиц в приземном слое атмое((х:ры аридной зоны лидирующая роль принадлежит турбулентной диффузии.

3 главе 3 "Методы и средства измерений спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в видимом и ПК— диапазонах длин волн" проведен анализ возможностей микрофизических, нефелометрических, пассивных и базовых методов в задаче определения коэффициентов аэрозольного ослабления в широком диапазоне длин волн на протяженных приземных трассах (раздел 3.1) и дано краткое описание двух комплексов аппаратуры для измерения -спектрального "пропускания атмосферы базовым • методом. Рассмотрены методические и точностные аспекты измерений.

В разделе 3.2 рассмотрен комплекс аппаратуры, который использовался для измерения прозрачности атмосферы в прибрежной

зоне моря.

Комплекс включает и себя лга самостоятельных канала:

— фотометрический какал, работающий в диапазоне длин волн 0.44 -rl.06 мкм.

— спектрометрический канал, перекрывающий участок спектра i .06 -И 2 мкм.

Фотометрический канал использовался для измерений спектральной прозрачности атмосферы в абсолютных единицах на длинах воли 0.44; 0.48; 0.55 (0.59); 0.63; 0.69;0.83 (0.87); 0.94 и i.06 мкм. Он включал в себя модулируемый источник излучения и телескопический фотоэлектрический фотометр (телефотометр) с системой усиления и регистрации электрического сигнала, пропорционального лучистому потоку от удаленного источника. В качестве источника излучения здесь служила галогенная лампа накаливания, помещаемая в фокальной плоскости телескопического объектива МТО—1000 (фокус — 1000 мм, диаметр 100 мм). Излучение лампы модулировалось механически с частотой 450 Гц.

Огггичсе:;ая схема челефопгометра состояла из телеобъектива МТО— 1090М и окуляра с совмещенными фокусами, полевой диафрагмы, ограничивающей дневной фон, барабана с интерференционными фильтрами и фотоумножителя ФЭУ—28.

Электрический сигнал с ФЭУ усиливался селективным нановольтметром ("UN1PAN— 237"), затем усреднялся за 20—ти секундный период специально разработанным интегрирующим вольтметром и регистрировался цифропечатаюшим устройством на бумажной лете. Спектральная полуширина фильтров составляла 6 — 17 им, погрешность измерения сигналов не превышала ±6%.

Телефотометр мог работать как з ручном, так и в автоматическом режиме. В последнем случае перевод барабана фильтров. запуск интегрирующего вольтметра и ЦПУ есущест влялся специально

разработанным блоком управления и блока датчиков, состоящего из двух оптроиных пар и подвижного штока, установленных в корпусе барабана фильтров. При работе в автоматическом режиме полный цикл измерений (на всех ¿¡липах волн) длился около пяти минут.

Спектрометрический канал использовался для измерения прозрачности атмосферы в относительных единицах на /шипах волн:

I.06; 1.23; 1.53; 2.23; 3.53; 3.95; 4.66; 8.10; 3.30; 8.60; 9.35; 10.20; 10.60;

II.10: П.60 ¡t 11.90 мкм. Он включал в себя модулируемый источник ИК излучения и телескопический спектрометр с системой усиления и регистрации электрического сигнала. Инфракрасным излучателем здесь служил глебяр с температурой -1400 К, который помешался в фокусе параболического зеркального отражателя диаметром 900 мм и фокусным расстоянием 640 мм. Лучистый поток от излучателя модулировался с частотой 10 Гц."" Телескопический спектрометр состоял из астрономического телескопа типа Кяссегрена совмещенного с ИК мопохроматсром И КМ — 1. Диаметр главного зеркала телескопа составлял 720 мм, контротражатель — 180 мм. эффективное фокусное расстояние телескопа — 10 метров. Мопохроматор ИКМ—I с оптической системой Литтропа работзд с призмой NnCl во всем диапазоне длин волн от 1 до (2 мкм. В качестве приемника лучистой энергии в монохроматоре использовался висмутовый болометр типа БМК--3. Усиление, усреднение и регистрация сигналов осуществлялась аналогично фотометрическому каналу.

Поскольку измерения проводились главным образом в дискретных участках спектра, то монохроматор был снабжен блоком управления, позволяющим автоматически, по заданной программе, осуществлять измерения па любой длине волны. Спектральное разрешение монохромзтора в области длин волн 1.06 — 12 мкм составляло 0.1 — 0.2 мкм. Погрешность измерения сигналов не превышала ±6%.

j¿¡

В разделе 3.3 дано описание комплекса аппаратуры, с помошью которой) проводились измерения спектрального пропускания атмосферы в аридной зоне.

Отличие этого комплекса от описанного выше состоит ЛИШЬ я ТОМ, что в спектрометрическом канале монохромагор И КМ — 1 был заменен на1 фильтровый прибор. Прибор работал в восьми участках спектра: 1.06; 1.22; 1.60 и 2.17 мкм (интерференционные фильтры) и 3.97; 9.20; 10.60 и 11.50 мкм (лнсперсноиные узкополосные фильтры). Переход на фильтровый вариант спектрального прибора существенно

улучшил энергетику спектрометрического канала и позволил создать полевой измерительный комплекс с полной автоматизацией Процесса измерений. Спектральная полуширина используемых фильтров составляла 0.02 — 0.20 мкм, погрешность единичного измерения сигналов не превышала ±4%. В разделе 3.4 приведен перечень метеопараметров, измеряемых синхронно с оптическими исследованиями и перечислены стандартные приборы, с помощью которых эти параметры определялись.

Методика измерений спектрального пропускания атмосферы подробно рассмотрена в разделе 3.5. Приведены расчетные

соотношения дня определения пропускания атмосферы по фотометрическому и спектрометрическому каналам, основанные на измерении сигналов от удаленных (Z > 3 км) и близкорасположенных (Х- 100 — 200м) источников излучений. Абсолютизация спектра пропускания по спектрометрическому каналу осуществлялась в точке привязки спектров на длине волны А — 1.06 мкм.

В конце главы (раздел 3.6) проведен анализ погрешностей измерений, даны расчетные соотношения для оценки погрешностей по фотометрическому и спектрометрическому канонам.

С помощью этой аппаратуры были проведены измерения спектральной прозрачности приземной атмосферы в шести научных

экспедициях (1974—1977 гг., 1979 г. и 1981г.), а также в семи экспедициях в аридном зоне Казахстана (1984—1988 гг.).

В глаае 4 "Результаты исследований коэффициентов общего ослабления оптического излучения в прибрежных атмосферных дымках" рассматриваются статистические характеристики массивов спектральных коэффициентов общего ослабления е(А) для шести измерительных сезонов, включающих 946 усредненных реализаций за 108 измерительных суток. Измерения в 1974—1977 гг. проводились в районе горного массива Кара—Даг на трассе длиной Ь = 7.6 м, з 1979 г. на Керченском п-ве (I = 4.8 "м) и з 1981 г. на гг-ве Тарханкут (/ = 3.7 км). Все измерительные трассы проходили над поверх)юстью морских заливов.

Средние значения метеопарямстров, реализовавшихся во время измерений и нормированные коэффициенты взаимной корреляции между ними приведены в разделе 4.1. Средние значения и среднсквадратические отклонения коэффициента,'! г{Л) по годам приведены в разделе 4.2. Здесь же рассмотрены автокорреляционные связи коэффициентов ¿{Я). Покатано, что почти по всех массивах наблюдается существенно значимая взаимная корреляция коэффициентов ¿(Д) п пилимой и ИК областях спектра. Предполагается, что общим фактором вариаций коэффициентов ¿(Я) в видимой и ИК областях спектра может выступать концентрация грубодиснсреного морского аэрозоля.

Проведена опенка возможностей малопарамстрической аппроксимации спектральных коэффициентов экстиикиии в широком диапазоне длин волн с использованием собственных векторов авюкорреляцнотшых матриц ^>:,. Показано, что для оптимального

восстановления любой 1 — той реализации спектра коэффициентов в прибрежной дымке достаточно трех собственных векторов, на которые приходится 97—99% дисперсии ¿{Л). В разделе 4.3 проведен анализ

корреляционных связей коэффициентов ¿{Л) с метеорологическими параметрам;: атмосферы. Рассматриваются как общие, так и частные коэффициенты корреляции, чтобы минимизировать влияние опосредованных связей. Показано, что в окне прозрачности 8—12 мкм во все измерительные сезоны общие и частные коэффициенты корреляции между ¿(А) " парциальным давлением водяного пара (с) положительны и существенно значимы, что обусловлено значительным вкладом молекулярного поглощения паров воды (селективного и континуального) в общий коэффициент ослабления в этой области спектра. Наблюдаемая значимая корреляция между ¿(Я) и (г) в видимой и ближней ПК— областях спектра обусловлена не только опосредованным влиянием относительной влажности воздуха (/?), но и синхронным выносом водяного пара и мелкодисперсного аэрозоля с подстилающей поверхности в атмос<}>сру.

На основе выявленных корреляционных связей между оптическими . и метеорологическими параметрами в разделе 4.4 проведена оценка возможностей малопапаметричсской аппроксимации спектральных ' коэффициентов зкетннкннн в широком диапазоне длин ваш с использованием уравнения множественной линейной регрессии. Показано, что если в качестве входных параметров в уравнении использовать коэффициенты. зкетинкнии ¿(0.55) и г(3.9), характеризующие вклад мелко— и грубодисперсного аэрозоля, а также парциальное-давление паров воды е, то удается добиться погрешности восстановления коэффициентов с(/4) близкой к погрешности измерений. Такая точность восстановления £(Д) по

трехлараметрической аппроксимации позволяет существенно сжать имеющиеся массивы коэффициешов с(Л) для архивного хранения.

В разделе 4.5 рассмотрено применение аппарата множественной линейной регрессии для статистического разделения общего коэффициента ослабления ¿(Л) на аэрозольную и молекулярную

компонент!.!. Дтя этой цели в разделе 4.5.1 рекомендуется использовать двухпараметрическое представление ¿(Я) а виде:

£{Л) = к0 (Л) + (Я)-¿<0.55) + кг (Я) ■ е ± д\и) (2)

где £,(Я) — коэффициенты регрессии, рассчитываемые по данным корреляционной матрицы. Здесь составляющая ¿^(Я)-£(0.55) определяет вклад в е(Х) аэрозольной компоненты во всей области длин волн, а составляющая представляет собой молекулярную

компоненту <,(>.), обусловленную поглощением излучения парами воды и коррелирующую с вариациями е. Рассмотрено физическое содержание свободного члена уравнения — и предложен способ определения его аэрозольной доли, обусловленной частичной некоррелированностью вариации аэрозольного ослабления а видимой и И К областях спектра.

В развитие этого метода разработан метод с плавающим входным параметром по аэрозольной составляющей (раздач 4.5.2). Особенность его состоит и том, что аля разложения: коэффициента с на составляющие в области длины волны Л1 в качестве входного параметра, характеризующего аэрозольную компоненту, используется коэффициент аэрозольного ослабления а, выделенный для предыдущей длины волны

£(Л) = ^(Л^ + А^ЛЛ-а^^ + ^Ш-г- ' (3)

Учитывая несслектипность спектрального хода коэффициентов аэрозольного " ослабления, можно с достаточным "основанием предположит!,, что коэффициенты а на соседних длинах волн в среднем будут связаны между собой линейной зависимостью, которая не содержит свободного члена

Зтс последнее обстоятельство и является основны;« преимуществом Предлагаемого метода по сравнению с методом (2), поскольку в таком представлении константа ^о(Л) и выражении (3) полностью относи)ся к молекулярной компоненте.

В конце главы проверено сравнение этих двух методов для двух массивов с разным уровнем корреляции между коэффициентами экстинкции в видимой и ИК областях длин волн. Сделаны выводы об условиях применимости рассматриваемых методов.

В главе 5 "Применение линейного множественного анализа в задачах атмосферной оптики* рассматриваются возможности решения актуальных физических задач атмос<)>сриой оптики с использованием линейного множественного регрессионного анализа (раздел 5.1). В частности, к таким задачам можно отнести выявление по данным натурных измерений температурной зависимости поглощения ' в ' континууме водяного пара к оценка вклада субмикронного аэрозоля к поглощение ПК—рздкгшш ь атмосферных дымках.

Показано, что уравк! - не рсгрсссин для коэффициента с(>.)в области В—12 мкм для :-тлх зала-; можно представить ь виде:

£(.А)=МА) + Ш)-*[Л<,{ЯУ+Л,(Л)е + АгМ/]+ (4)

где /—температура воздуха; й(0.55) и а{3.9) — коэффициенты аэрозольного ослабления на длинах волн 0.55 мкм н 3.9 мкм; Аа= с(0.55)-с(3.9)— ослабление только мелкодисперсной фракцией аэрозоля; кй и кЦ — молекулярная и аэрозольная составляющие свободного члена, /5(Л) и а(А) — молекулярная и аэрозольная

компоненты ¿(Л).

Обоснование применимости уравнения (4) для решения перечисленных выше задач дано в разделе 5.2, где проведен анализ на устойчивость статистического метода разделения коэффициентов £х на компоненты при и; меняющемся числе входных параметров. На примере компоненты молекулярного поглощения атмосферных газов показана устойчивость метода для двух, трех и четырех входных параметров п регрессионном уравнении при различных вариантах их комбинаций в расчетной схеме. Проведено количественное сопоставление полученных значений уй(Л) в диапазоне Л " 8—!2 мкм с данными лабораторных исследований континуального поглощения паров волы для заданных значений е и l п показано их удовлетворительное соответствие в диапазоне длин волн 9—11.6 мкм, где поглощение обусловлено н основном континуальной компонентой.

В разделе 5.3 проведен краткий анализ работ но исследованию температурной зависимости континуального поглощения паров волы в области Л = 8 -12 мкм и обсуждаются результаты исследований этой зависимости на основе массива данных, полученных в прибрежной зоне в 1981 г. Показано, что с помощью чстырсхнарамстрического представления коэффициента экстинкции ¿(Л) в 'этой области длин волн удается . не только уверенно выявить отрицательную температурную зависимость континуального поглощения, но и исследовать ее спектральную структуру. Показано, что в отличие от существующего мнения о неизменности температурной зависимости в указанном диапазоне длин волн, температурный коэффициент скачкообразно возрастает более чем в три раза при переходе от длины волны ). = 10,2 мкм к X ~ 10,6 мкм. Такой характер изменения темиературною коэффициента указывает на то, что в этом участке спектра "включается" дополнительный физический механизм (|юрмировання непрерывного поглощения ихтучення. Предложена

гипотеза, что в качестве такого механизма может выступать поглощение ИК излучения жидкой водой.

Такое же чстырсхпараметрическое представление коэффициента зкетшнешш е(Х) было использовано для количественно!"! оценки вклада субмикронного аэрозоля в поглощение излучения в диапазоне длин волн 8—12 мкм из натурных данных, полученных в прибрежной зоне моря также в 1981 году (раздел 5.4). Расчет показал, что для прибрежных дымок этот вклад невелик и составляет при плотных дымках (Бм - 5 км) в максимуме поглощения (л = 9,2 мкм) менее 15% от суммарного аэрозольного ослабления.

В р'пделе 5.5 продемонстрирована возможность использования множественного регрессионного анализа для разделения коэффициента аэрозольного ослабления на компоненты, обусловленные мелко— и грубодисперспой фракциями частиц, в диапазоне X = 0.5 — 12 мкм.

Показано, что для этой задачи можно применять двухпараметрическое представление коэффициента а(Х), где в качестве входных независимых , параметров регрессионного уравнения используются слабо коррелирующие между собой величины: Да = гг(0.55) - «(3.9) и «(3.9). Выявлено, что для прибрежной дымки вклад мелкодисперсной фракции аэрозоля быстро убывает с ростом длины волны и в районе X = 2 мкм становится уже мен;,те 0.01 км-1. Вклад грубодисперспой фракции является доминирующим в области от 2 до 10 мкм и составляет по абсолютной величине 0.064 км-' в диапазоне от 0.5 до 10 мкм. Здесь же приведено сравнение вклада мелко— и фубодисисрсной фракции аэрозоля, рассчитанного с использованием статистического метода и но строгим формулам рассеяния теории Ми но микрофизичееким данным, восстановленным из оптических измерений ко:>ффйциент6в~аэрозольного ослабления в прибрежной зоне моря. Показано, что оба метода дают качественно очень близкие результаты. В целом данные, полученные в этом

разделе дают основание говорить о том, что в прибрежной дымке именно рассеяние грубодисперсным аэрозолем, а не поглощение' субмикроиными частицами, обуславливает непрерывное аэрозольное ослабление излучения в видимой и ИК—областях спектра.

В разделе 5.6 приводятся результаты исследований зависимости континуального поглощения водяного пара в области Л= 10.6 мкм от температуры и влажности воздуха по данным натурных измерений пропускания атмосферы в широком диапазоне длин волн в условиях исключительно высокой прозрачности воздуха арндной зоны. Для выделения континуальной компоненты из общего ослабления проводился тщательный учет вклада аэрозольного ослабления (с использованием описанного выше статистического метода), селективного поглощения парами ьоды и другими газовыми составляющими атмосферы.

Показано, что коэффициенты континуального поглощения в области ?. = 10,6 мкм хорошо аппроксимируются формулой, предложенной В.Н. Арефьевым, но с несколько иными параметрами полгонки и более слабой температурной зависимостью. Сравнение полученной модели континуального поглощения с другими показывают, что она лучше всего соответствует модели, предложенной в последней версии американской программы LOWTRAN.

В главе б "Аэрозольное ослабление оптического излучения в дымках прибрежной зоны моря" обобщены результаты . исследований спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в диапазоне длин воли 0.44—12 мкм в прибрежных дымках Крымского побережья Черного моря, проводимых в 1974—1981 гг.

В разделе 6.1 приведены статистические характеристики коэффициентов аэрозольного ослабления для общего массива, включающего более 800 отдельных усредненных реализаций спектров, полученных в разные годы в период с июня по октябрь. Приведены

средние значения коэффициентов «(А), их средпсквалратические отклонения сгал, коэффициенты ашокоррсляции Ра(.I, ):.■(■. и коэффициенты взаимной корреляции РаАа> Ра,? > Показано, что

в прибрежной зоне моря средний спектр коэффициентов а (л) в диапазоне длин волн 0.44—12 мкм представляет собой довольно гладкую кривую с минимумом в области X = 3,97 мкм. Наиболее характерной его особенностью является высокий уровень аэрозольного ослабления в диапазоне длин волн 8—12 мкм, составляющий около 0,10 клг1 при средней апдимостн 18—20 км." Последнее обусловлено повышенной концентрацией в прибрежной зоне моря грубодигпсрснсго солевого аэрозоля, генерируемого морской поверхностью.

ьыявлена существенно значимая автокорреляция между коэффициентами аэрозольного ослабления в видимой и ИК—областях спектра (раицал - ®Высказано Предположение, что такой

уровень корреляции в прибрежной зоне моря обусловлен в основном присутствием гшантских соленых частиц, вариации концентрации которых через рассеяние приводят к синхронным изменениям коэффициентов а (Л) как в видимой, так и в И К—областях спектра. Кроме того, определенный вклад в существование такого уровня корреляции может вносить синхронный вынос мелко— и грубодиснсрсного аэрозоля за счет пузырькового механизма генерации морского аэрозоля, а также адекватное влияние относительной влажности воздуха на гигроскопический соленой аэрозоль рашых размеров.

В разделе 6.2.1 рассмотрена изменчивость спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления в прибрежной зрне_Моря в зависимости от ветрового режима. Показано, что п случае, когда измерительная трасса проходит над морем, направление ветра с моря

О

на сушу или с суши на море слабо влияет на характер спектра коэффициентов <?(Я). Установлена неизвестная ранее немонотонная зависимость коэффициентов аэрозольного ослабления излучения от скорости ветра У, состоящая в том, что с ростом У от 0 до 3 м/с коэффициенты «(Л) увеличиваются во всем диапазоне длин волн, а при дальнейшем росте скорос.п ветра от 3 до 6 м/с рост а (Л) в видимой области спектра замедляется, а начиная с Я =1,25 мкм и далее проявляется тенденция их уменьшения, которая в области Я — 8— 12 мкм становится уже явной. В частности, в области Я = 1С,6 мкм при увеличении скорости ветра У от 3 до 4.7 м/с коэффициенты аэрозольного ослабления в среднем уменьшаются примерно на 20%.

Предложен физический механизм этого явления, свяпниый с особенностями выноса грубодиспсрспого солевого аэрозоля из приводного слоя в атмосферу.

Характер деформации спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления а (Я) с изменением относительной влажности воздуха рассматривается в разделе 6.2.2. Анализ усредненных данных показывает, что при влажности воздуха меньше 70% спектр коэффициентов ослабления имеет очень пологий характер, с довольно Низким уровнем ослабления в области 8—12 мкм (0,05 км-1)- При влажности 70—80% происходит резкое увеличение коэффициентов аэрозольного ослабления по всему спектру, но особенно в коротковолновой области. При увеличении влажности до 80—90% рост коэффициентов «(Я) отмечается только в диапазоне X < 2 мкм. Это говорит о том, что грубодисперсная фракция морского аэрозоля почти не меняет своих оптических свойств в диапазоне влажности 75—90%. Наконец, при влажностях больше 90% вновь отмечается рост коэффициентов а (А) в диапазоне 2—12 мкм и интенсивное нарастание ослабления в видимой области спектра. Здесь уже спектральная структура коэффициентов аэрозольного ослабления

отчетливо выражена, а уровень ослабления в окне 8—12 мкм стаксшггся ныше 0,1 км-1.

Рассматривается вопрос преимущественного роста субмпкронной фракции солевого аэрозоля с ростом относительной влажности в доконденсашгонном состоянии воздуха. Приводятся данные о критических значениях влажности для осуществления фазового перехода кристалл—раствор водорастворимых соединений прибрежного аэрозоля. Проведено сравнение полученной зависимости с

имеющимися экспериментальными и расчетными данными.

В разделе 6.2.3 • рассмотрено влияние ливневых дождей на трансформацию спектрального хода коэффициентов СС (Я) в прибрежной зоне моря. Анализируется спектральный ход коэффициентов Я ( Я ) , полученный до ливневого дождя И сразу после дождя в условиях одной воздушной массы.

Обнаружено, что после ливня очень сильно уменьшаются коэффициенты в вилимой и ближней ИК—областях спектра, в то время как в диапазоне длин волн 2—12 мкм уменьшение коэффициентов йг(Я) оказывается незначительным и в результате спектр коэффициентов аэрозольного ослабления из сильно выраженного («ода/^кю ~ 4 3) становится практически центральным. Полученный результат свидетельствует о том, тго в прибрежных дымках ливневые осадки вымывают преимущественно субмикронную фракцию аэрозоля, а грубодисперсный аэрозоль либо менее эффективно вымывается, либо постоянно генерируется морской поверхностью.

Влияние снноптическсго фактора на деформацию спектра коэффициентов с:(Л) рассматривается на массиве данных 1979 г., когда за период измерении в исследуемом ^районенаблюдались три периода, внутри которых физические характеристики воздушных масс были существенно различны (раздел 6.2.4).

Обнаружено, что и зависимости от предисторип воздушной массы характер спектра коэффициентов а( А) и их абсолютные величины меняются довольно значительно. В частности, выявлено, что уровень коэффициентов а(Л) в области длин воли Б—52 мкм заметно возрастает, если пришедшая воздушная масса долгое время находилась нал морской акваторией.

Отмечается, что лидирующим фактором в трансформации спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления при смене воздушной массы является относительная влажность возду>з.

Раздел 6.3 посвящен вопросам разработки региональной эмпирической модели аэрозольного ослабления оптического излучения в дымках прибрежной зоны моря. При рассмотрении об шеи и/.еоло.ип выбора входных параметров к подобного рода моделям (6.3.1) показано нсосиорииос преимущество использовании оптических параметров перед метеорологическими С точки зрения точностных характеристик модели. Приведены данные, показывающие, что введение в модель таких параметров, как температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра, время суток и время года описывают лишь 3% дисперсии коэффициентов аэрозольного ослабления в области длин волн Л = 3,75 мкм и 4% — в области Я - 8,5 мкм." В то же время с помощью коэффициента аэрозольного ослабления в видимой области спектра (л = 0,55 мкм) удается описать 78% дисперсии а в области Л = 3,75 мкм и 67% — в области Л = 8,9 мкм. Это происходит потому, что в вариациях коэффициента а(0.55) в значительной мере уже отражены и вариации метеопараметров и особенности подстилающей поверхности.

Региональная одпопараметрнческая модель, позволяющая с определенной точностью восстанавливать спектральную структуру коэффициенте!-, аэрозольного ослабления в широком диапазоне длин волн й лммкал прибрежной зоны представлена в разделе 6.3.2. Модель

позволяет оперативно определить коэффициенты а (Я) при известном аэрозольном 1>сла5леш;к в видимей области спектра (Я — 0.55 мкм).

Расчетный алгоритм модели, полученный из уравнения среднеквадратической регрессии представляется в виде

а(1) = А'0(Я) + ^г1(Я)-<зг(0.55) (5)

Эмпирические коэффициенты /4ь(Я) и к\(Л)у а также среднеквадратическая ошибка восстановления — приведены в

таблице 1.

Таблица 1

Эмпирические коэффициенты к модели (5)

к, мкм К, К«, км-1 5,км-'

0,55 1,0 • 0 0

0,69 0,77 0,019 0,012

1,06 0.51 0,017 0,022

1,25 0,45 0,014 0,026

1,60 . 0,36 0,014 0,028

2,20 0,32 0,017 0,032

3,97 0,27 0,019 0.031

8,60 0,30 0,029 0,038

9,20 С,33 0.31 0,38

10.20 0,32 0,31 0,039

11.10 0.32 0.042 0.043

Представлены рассчитанные по модели (5) спектральные зависимости коэффициентов аэрозольного ослабления для четырех значений 5т, равных 5, 10, 20 и 40 км. Показано, что данная модель

хорошо отражает динамику спектра коэффициентов а (Л) с изменением степени замутнения атмосферы, от квазинейтрального для высокой прозрачности, до очень выраженного для Б,,, = 5 гаг. Даны рекомендации по использованию данной модели для прикладных задач.

В главе 7 "Аэрозольное ослабление оптического излучения в дымках аридной . зоны" обобщаются результаты исследований спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в диапазоне длин волн 0.44—11.5 мкм, которые проводились в каменистой полупустыне, прилегающей к западной части оз. Балхаш в теплые сезоны в течение 1984—1988 гг. Длина измерительной трассы составляла 4625 м.

В разделе 7.1 дана краткая характеристика условий измерений и статистической обеспеченности данных. Выявлена исключительно высокая прозрачность приземной атмосферы аридной зоны в теплые сезоны года. Показана необходимость разделения всех полученных данных по сезонному признаку. С учетом этого весь массив, насчитывающий 589 отдельных усредненных реализаций спектров коэффициентов аэрозольного ослабления, был разделен на три подмассива: весна (230 реализаций), лето (167) и осень (192). Закономерности сезонной изменчивости спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в атмосфере аридной зоны рассматриваются в разделе 7.2. В табл. 2 приведены средние значения коэффициентов а (Л) и их среднеквадратическье отклонения для трех сезонов года.

Из приведенных данных видно, что для весенних дымок спектральная зависимость коэффициентов а характеризуется наличием хорошо выраженного максимума в видимой области спектра и минимальным уровнем в диапазоне длин волн 2—12 мкм. Дтя осенних дымок максимум осл „пения в коротковолновой части спектра выражен уже слабее, а уровень &(Л) в ИК диапазоне длин волк оказывается несколько выше. В летний сезон спектральный ход коэффициентов а имеет необычный для дымки квазипентральный

характер с тенденцией возрастания но мере продвижения в ИК область длин волн.

Таблица 2.

~а(л) и аа (км' ) в атмосфере аридной зоны.

Весна Лето Осень

>.. мкм а(Л) а(Л) <7„ а(Л) "с*

0.44 0.111 0.058 0.057 0.025 0.072 0.043

0.48 0.103 0.054 0.058 0.025 0.064 0.038

0.55 0.089 0.047 0.056 0.024 0.059 0.035

0.69 0.065 0.034 0.054 0.023 0.049 0.029

0.87 0.047 0.024 0.055 0.024 0.042 0.025

¡.06 0.042 0.022 0.052 0.022 0.043 0.025

1.22 0.036 0.018 0.056 0.024 0.043 0 025

1.60 0.031 0.016 0.054 0.023 0.040 0.024

2.17 0.026 0.013 0.061 0.026 0.042 0.025

3.97 0.026 0.013 0.069 0.030 0.044 0.026

9.20 0.032 0.015 0.073 0.03» 0.053 0.031

10.60 0.030 0.015 0.062 0.026 0.049 0.029

11.50 0.039 0.019 0.071 0.030 0.054 0.032

Дана физическая интерпретация высокой иро.рачпости атмосферы аричной зоны и сезонной трансформации спектральной сфумуры коэффициентов а (Л).

Закономерности суточной • изменчивости коэффициентов аэрозольного ослабления в атмосфере аридной зоны рассмафпнлкпси п разделе 7.3. Анализируются суточные хода коэффиииеикт «(Д ) на длинах волн 0.55 и 3.97 мкм, а также температуры, абсолютной и относительной влажности воздуха и скорости ветра для трех сезонов

года, осредненныс примерно по 20 суткам. Выявлено, что во все три сезона наблюдается хорошо выраженный суточный ход коэффициента а(0.55) с утренним максимумом в 4—7 часов и дневным минимумом в 14—17 часов. Коэффициент й(3.97) имеет хорошо выраженный суточный ход только в летний период с утренним максимумом в 5 часов и дневным минимумом в 17 часов. Весной суточный ход <2(3.9) выражен значительно слабее, а осенью практически полностью отсутствует. На основании совместного анализа временного хода оптических и метеорологических характеристик, а также частных коэффициентов взаимной корреляции РаМа (где а — абсолютная влажность воздуха) сделан вывод о том, что главным фактором суточной изменчивости коэффициентов аэрозольного ослабления в коротковолновой области спектра в весенний и осенний сезоны является относительная влажность воздуха, а в летний период ведущую роль в суточной изменчивости а (Л) во всем диапазоне длин волн играют процессы дневного выноса и ночной седиментации груболисперсного аэрозоля.

Вопросы влияния метеорологических параметров на трансформацию спектральной структуры коэффициентов аэрозольного ослабления в атмосфере аридной зоны рассматриваются в разделе 7.4. На основе анализа усредненных спектров коэффициентов а(Л) , полученных для разных диапазонов изменения относительной влажности воздуха (раздел 7.4.1) показано, что

— в весенний и осенний периоды изменение относительной влажности воздуха приводит к существенной трансформации спектра коэффициентов а (Л) только в коротковолновой области спектра (Я < I мкм), а в области длин волн 1 — 12 мкм влияние атажности практически не ощущается

— в летний период изменение влажности от 20 до 70% практически не приводит к трансформации спектральной зависимости

коэффициентов аэрозольного ослабления.

Исследование шшяния температуры воздуха на изменение спектрального хода коэффициентов ос (Я) проведено для пяти диапазонов /: -10-0°С; 0-5°С; 10—15°С и 25-30'С. Показано, что наиболее выраженный спектральный ход коэффициентов аэрозольного ослабления реализуется при отрицательных температурах воздуха. При повышении температуры спектры «(Я) становятся все более пологими, что является следствием уменьшения концентрации мелких частиц и увеличения относительного содержания грубодисперсного аэрозоля по мерс прогрева подстилающей поверхности и усиления процессов конвекции и турбулентной диффузии.

Исследованы , автокорреляционные связи коэффициентов аэрозольного ослабления в разных участках спектра в дымках аридной зоны для трех сезонов года (раздел 7.5). Обнаружено, что для весенней дымки наблюдается резкое уменьшение корреляции между коэффициентами а (Л) в видимой и ИК областях спектра уже на длине волны 1.6 мкм, что свидетельствует о совершенно разной природе мелких и крупных частиц пустынных районов, а также указывает па то, что мелкодисперсный аэрозоль не является поглощающим в ИК области спектра. В летней и осенней дымке реализуется сравнительно высокая корреляционная связь между коэффициентами 15 видимой и И К областях 'спектра. Показано,

что общим фактором синхронной изменчивости коэффициентов а(Л) во веем диапазоне длин ноли здесь является грубодисперсный тро'шль, вариации концентрации' которого адекватно отражаются п коэффициентах ослабление как в видимой, так И к ИК областях спектра.

В разделе 7.6. Г приведены эмгшрйчеекне одиштрамстрическис модели восстановления спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в дымках аридной зоны для вссны, лета н осени. Расчетный

алгоритм модели представляется в веде:

) ^ ¿0 ) + к) (Л ) ' ) (б)

где Ос(Л)1) — измеряемый коэффициент аэрозольного ослабления на фиксированной длине волны Лк. Эмпирические коэффициенты Лц ц которые находились с помощью ортогональной среднеквадратической регрессии, а также среднеквадратическая ошибка восстановления — ^«(А) приведены в табл. 3 для случая Лк. - 0.55 мкм.

Показано, что ошибки восстановления а (Л) в ИК. области спектра можно существенно уменьшить, если в качестве входного параметра моделей использовать коэффициент ослабления На длине волны Л ~ 1,06 мкм. Проанализированы возможные источники погрешностей при использовании сезонных однопараметрических моделей, которые связаны с изменением крутизны спектральной зависимости коэффициентов а(Л) в коротковолновой части спектра даже внутри одного сезона.

Для уменьшения такого рода погрешностей в оценках &(Л,) в ИК области спектра необходимо учесть вариации мелкодисперсной фракции аэрозоля в коэффициенте поскольку именно они

приводят к разрушению корреляции между н ).

обусловленной вариациями концентрации грубодисперсных частиц.

В разделе 7.6.2 показано, что такой учет можно осуществить на основе двухпарам^трнческой модели восстановления коэффициентов ¿КЯ,), где в качестве входных параметров используются коэффициенты аэрозольного ослабления в двух участках спектра Л1 и Я 2 видимого диапазона длин волн:

ТАБЛИЦА 34

Параметры ^(Х), б ЮС1» А'^Х), е? от.н, ед, и погрешность восстановления За(Х), с хм"1 к модели ( б ) — 0,55 мкм

к, юсм Весешых зиж| Летняя ды\!ха Осенняя дымка

ъ " К1

0,41 0,0 1.25 0.005 0,0 ; 1,02 0,010 0,0 1,22 0,007

0,48 0,0 1,15 0,005 0,0 1.01 0,008 0,0 1,09 0,005

! 0^5 0,0 1,00 ^ 0,0 0,0 1,00 0.0 0,0 • 1,0 0,0

С,69 " 0,0 0,73 ; 0,006 0,0 0,97 0,008 0,0 0,84 0,003

0,87 1 0.0 0.5? 0.010 0,0 0,93 0,009 0,0 0,72 0,012

1.06 0,0 0.4» 0,012 0.0 0.93 0,011 0,0 0,73 0,013

0.0 0.41 0.0 И -0,001 1,02 0,014 -0,001 0,75 0,0 м

1.60 -о/т 0,40 0,013 -0,001 0,99 0,014 -0,002 0,71 0.С16

3,17 -0,050 0,40 0,012 -0,003 1.14 0,018 -0,002 0,75 0,017

злЬ -0,023 0.55 0,012 -0.005 1.32 0,022 . -0,003 0,80 0,019

1 -0,0В 0.50 0.014 -0,007 1,43 0,024 -0,005 0.99 0,024

10,60 -0,017 «.52 <3.014 -0,003 1,15 0,019 -О.С93 0,87 0,020

11.50 -0,032 0,018 -0,606 1,37 0,023 -0,С05 1.01 0,325

а(Я^ = к0 + к1-а(Л2)-к2[а(Я1)-а(Я2)] (7)

где кц, к1 и к-^ — спектральные эмпирические константы.

Для примера проведено сравнение измеренных коэффициентов аэрозольного ослабления в области Л = 10,6 мкм в весенних дымках аридно]") зоны с рассчитанными по однопараметрической (6) и днухпара.Метрической (7) моделям, для Лх = 0,48 мкм и Л2 = 0,69 мкм.

Оказалось, что если в первом случае коэффициент корреляции между а,оы (10.6) и арцс (10.6) составлял 0.20, то во втором он возрос

до 0.76. Последнее свидетельствует о том, что модель (7) значительно лучше описывает экспериментальные данные. Это обстоятельство даст основание предполагать, что такой подход позволит в дальнейшем Построить единую модель, которая с достаточной для инженерных применений точностью будет описывать большинство оптических ситуаций в атмосфере.

В разделе 7.6.3 рассматриваются принципиальные возможности разработки комбинированных двухпараметрпческих моделей восстановления коэффициентов аэрозольного ослабления, где одним входным параметром является коэффициент а {Л) в видимой области спектра, а другим какой—либо параметр наиболее адекватно Характеризующий вариации а(Л) в ИК. области длин волн. Проведен анализ статистических связей коэффициентов а (Л) в диапазоне Л = 0.44—11.5 мкм, измеренных на протяженной трассе, с данными локальных измере иш концентрации частиц Л\/) (г— 0.2*5 мкм) и орсолыюй части индикатрисы рассеяния Д6) в области Л = 0.6328 мкм для углов 6 = 20' -V 10°. Показано, что в качестве второго входного параметра двухпараметрической комбинированной модели можно использовать />[/) для г- 1 +3.5 мкм или Дй) для 6=1°, которые

имеют наибольшую корреляцию с коэффициентами а (Л) в ИК области длин нолн. Отмечается, что использование подобных моделей эффективно, когда коэффициенты автокорреляции между а (Я) в видимой и ИК областях спектра малы.

В последнем разделе седьмой главы (раздел 7.6.4) рассматриваются принципиальные возможности оценки энергетического ослабления ИК радиации в естественных туманах различной плотности. Приведен краткий анализ имеющихся работ по этому вопросу, который -показывает, что наиболее надежно такие оценки можно сделать только при наличии информации о функции распределения частиц тумана по размерам с последующим расчетов коэффициентов ослабления ¿(Л) по формулам Ми. Техническая реализация этого метода в реальной атмосфере представляет собой довольно сложную задачу, особенно если требуется оперативное определение ¿(Л).

Учитывая эти обстоятельства была предпринята попытка разработать эмпирическую модель определения ¿(Л) в туманах с минимальным числом входных параметров. За основу был взят небольшой массив коэффициентов ослабления, полученный при измерениях в тумане аридной зоны, весной 1985 г. Измерения проводились по специальной методике, предусматривающей абсолютную синхронность сигналов в видимой и ИК областях спектра. Высокий уровень корреляции коэффициентов £10.55) с ¿(А;) (р - 0.99) послужил основанием для разработки регрессионной модели восстановления коэффициентов ¿(Л;) в туманах небольшой плотности с одним входным параметром ¿(0.55):

= (8)

Спектральные эмпирические" " коэффициенты модели (8) ¿„(А) н к,(Л), а также погрешность восстановления коэффициентов ослабления приведены ь табл. 4.

Таблица 4

Я, мкм /Cq, КМ-1 ¿1 4. КМ"1

1,06 -0,059 1,024 0,17

1,22 -0,107 1,030 0,13

1,60 -0,232 1,055 0,18

2,17 -0,500 1,131 0,32

3,97 -0,380 1,069 0,25

9,20 -0,403 1,062 0,32

10,60 -0,046 0,798 0,31

. И,50 —0,234 0,317 0,19

Проведено сравнение коэффициентов е{Л), рассчитанных по модели (8) с имеющимися экспериментальными данными других авторов и показано их удовлетворительное согласие.

В заключении диссертации дана краткая сводка оснсзных результатов, полученных в работе.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Зуев В.Е., Кабанов М.В., Пхалагов Ю.А. Экспериментальные исследования ослабления инфракрасной радиации в окнах прозрачности атмосферы в районе 1-2,5 мкм. Изв. АН СССР, ФАО, 1963, т. 4, N 7, С. 780-783.

2. Кабанов М.В., Г ерш ни A.A., Пхалагов Ю.А. Низкочастотные флуктуации интенсивности удаленных источников в ИК области спектра. 1. Изв. Вузов, Физика, 19G8, N 9, С. 121-125.

3. Кабанов М.В., Пхалагов Ю.А. О спектральной прозрачности осадков для инфракрасных волн. Изв. АН СССР, ФАО, 1970, т. 6, N 2, С. 213-217.

4. Миронов В.Л., Пхалагов Ю.А. Усредняюшее действие . кольиеаой приемной апертуры на величину амплитудных флуктуация. Изв. вузов. Физика, 1972, N 1, С. 145-147.

5. Зуев В.Е., Кабанов М.В., Пхалагов Ю.А. Аппаратура и методика измерений спектральной прозрачности атмосферы в диапазоне 0,48-12 мкм со средним разрешением. Изв. Вузов, Физика, 1972, N 5, С. 42-46.

6. Андреев С.Д., Зуев В.Е., Ивлср Л.С., Кабанов М.В., Пхалагов Ю.А. О некоторых особенностях спектрального пропускания дымок в видимой и ИК областях спектра. Изв. АН СССР, ФАО, 1972, т. 8, N 12, С. 1261-1267.

7. Андоеев С.Д., Ивлев Л.С., Кабанов М.В., Пхалагов Ю.А. Влияние относительной влажности воздуха на аэрозольной ослабление оптической радиации в атмосфере. Изв. Вузов СССР, Физика, 1974, N 5 С. 54-58.

8. Панченко М.В., Пхалагов Ю.А.. Тумаков А.Г. и др. К вопросу о применимости измерений коэффициента рассеяния в локальном объеме, для протяженных трасс в прибрежных условиях. Тез. докл. 4-го Все союш. снмпоз. по распростр. лазер. излуч. в атмосфере, Г. Томск, 27-29 нюня 1977 г. Томск, 1977, ч. 1, С. 15Э-162.

9. Зуев В.Е., Кабанов М. В., Панченко М.В., Пхалагов Ю.А., Ужсгов В. Н. Некоторые результаты исследований оптических свойств морской прибрежной ды.мк!, Изв. ЛИ СССР, ФАО, 1978, Т. 14, N 12, С 1268-1274

10. Пхалагов Ю.Л., Ужсгов В.Н. Влияние ливневых дождей на оптические свойства морской прибрежной дымки. Изв. АН СССР, ФАО, 1980. т. 16, N 4, С. 436-438.

11. Белан Б Д., Пхалагов Ю.А., Рассказчнкова Т.М., Сзксрин СМ., Ужегов В Н., Щелканоа Н.Н. Влияние направления переноса воздушной массы на оптические свойства морской прибрежной дымки. Тез. докл. II Всесоюзн. совеш. по атмосферной оптике. Ч. f, Томск, 1980, С 171-173.

12. Пхалагов Ю А., Ужего» В И. О структуре коэффициентов^ аэрозольного ослабления в условиях морской' прибрежной дымки. Тез. докл. 6 Всесоюзн. симпоз. по распростр. лазерн. Н"Ы1уч. в атмосфере. Тезисы докладов. Ч. I. Томск, 1981, С. 148-150.

13. Пхалагов Ю.А., Черкасова Т.Г. Химический' состав аэрозоля-прибрежной дымки. Изв. ЛИ СССР, ФАО, 1984, т. 20, N 5, С. 383-393.

14. Козлов B.C., Полькнн В.В., Пхалагов Ю.Л. Исследование микро-физическнх характеристик аэрозоля прибрежной зоны. XII Совещание по актинометрии. Тез. докл. Ч. I, Иркутск, 1984, С. 80-82.

15. Пхалагов Ю.А., Ужегов В. Н., Щелканов H.H. Об ослаблении ИК-нзлучення естественными тум-чами. Материалы 8 Всесоюзн. снмпоз. по распростр. лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1986, С. 119-123.

16. Волков А.Н., Пхалагов Ю.А., Ужсгоа В.Н., Щелканов H.H. Автоматический измеритель горизонтальной прозрачности приземной атмосферы. Там же, С. 228-231.

17. Пхалагов Ю.Л., Ужегов В.Н., Щелканов H.H. Влияние спорости ветра на аэрозольное ослабление оптической радиации в атмосфере морских акваторий. Изв. АН СССР, ФАО, 1987. т. 23, N 3. С. 324-327.

18. Козлов. В.С., Панченкп М.В., Полькин В.З., Пхалагов Ю.А. О влиянии относительной влажности воздуха на концентрацию аэрозоля по данным фотоэлектрических счетчиков частиц. Изв. АН СССР, ФАО, 1987, т. 23, N 3, С. 285-292.

19. Пхалагов Ю.А., Ужегов В.Н., Щелканов H.H. О неко-орых особенностях оптических свойств атмосферы пустынных районов в весенний период. Изв. АН СССР, ФАО, 1937, Т. 23, N 4, С. 409-414.

20. Белан Б Д., Задде Г.О., Пхалагов Ю.А., Рассказчиков;» Т.М. О временной трансформации вертикального распределения аэрэзол.ч в нижней атмосфере. Изв. АН СССР, ФАО, 1987, т. 23, N б, С. 622-S28.

21. Пхалагов Ю.Л., Ужегов В.Н. О статистических связях коэффициентов ослабления оптического излучения с метеорологическими параметрами атмосферы прибрежной зоны. Иза. АН СССР, ФАО, 1987, т. 23, N 9, С. 962-969.

22.Пхалагов Ю.А., Ужегов В.Н. Статистические Характеристики аэрозольного ослабления оптической радиации в дымках прибрежной зоны моря. Оптика атмосферы, 1988, т. 1, N 6, С. 16-22.

23. Пхалагов Ю.Л., Ужегов В.Н. Применение множественного регрессионного анализа для интерпретации ослабления радиации в диапазоне 8-12 мкм. Оптика атмосферы, 1988, т. 1, N 7, С. 22-28.

24. Пхалагов Ю.А., Ужсгов В.Н. Статистический метод разделения

O^LUTQ И К pj n!i2liHH ua unurtnu SHTb! ORTKK'

атмосферы, 1988, т. 1, N 10, С. 3-11.

25. Кабанов М.В., Панченко М.В., Пхалагов Ю.А. н др. Оптические свойства прибрежных атмосферных дымок. Новосибирск: Наука, 1988, 201 с.

26. Полькин В.В., Пхалагов Ю.А., Ужегоа В.Н., Щелканов H.H. О связи коэффициентов аэрозольного ослабления видимой и ИК-радиачии в атмосфере аридной зоны с данными счетчика аэрозолей АЗ-5. В кн. Взаимодействие излучения с дисперсными средами. Томск:, Изданий Томского филиала СО АН СССР, 1988. С. 67-70.

27. Пхалагов Ю.А., Ужегоа В.Н., Щелканов H.H. Метод последовательного разделения спектральных коэффициентов общего ослабления на компоненты. В ки.: Взаимодействие излучения с дисперсными средами. Том'к, 1988, изд-е ТФ СО АН СССР, С. 75-81. *

28. Щелканов H.H., Пхалагов Ю.А., Ужсгов В.Н. Исследование континуального поглощения водяно.о пара в натурных условиях в области 10,6 мкм. Оптика атмосферы и океана, 1992, т. 5, N 7, С. 681-687.

29. Щглканов H.H., Пхалагов Ю.А. К вопросу о разработке двухпараметрических аэрозольных моделей атмосферной дымки. XII Межреспубликанский симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах. Тезисы докладов. Томск, 19Ö3, С. 40.

30. Панченко М-В-. Полькин В.В., Пхалагов Ю.А., Щелканов H.H. Статистические связи оптических и микрофнзических характеристик аэрозоля аридной зоны. Оптика атмосферы н океана, 1993, т. о, N 8, С. Э05-912.

31. Пхалагов Ю.А., Ужсгов В.П., Щелканов H.H. Аэрозольное ослабление оптического излучения в атмосфере аридной зоны. Оптика атмосферы и океана, 1994, т. 7, N 10, С. 1318-1329.

За?*"? "