Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Параметризация потоков коротковолновой солнечной радиации на поверхности океана

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Параметризация потоков коротковолновой солнечной радиации на поверхности океана"



На правах рукописи

СИНИЦЫН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

Параметризация потоков коротковолновой солнечной радиации на поверхности океана

25.00.28 - океанология

19 НОЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

003483859

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Сергей Константинович Гулёв

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент Олег Викторович Копелевич Учреждение Российской академии наук Институт океанологии

им. П.П.Ширшова РАН

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Ирина Анатольевна Репина Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы

им. A.M. Обухова РАН

Ведущая организация:

Главная геофизическая обсерватория им. А.И, Воейкова

Защита диссертации состоится «24» ноября 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 002.239.02 в Учреждении Российской академии наук Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН, по адресу: 117997, Москва, Нахимовский пр-т, 36

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Автореферат разослан «21» октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к. ф.-м. н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Потоки тепловой энергии океан-атмосфера играют ключевую роль в климатической динамике двух основных компонентов климатической системы и необходимы для экспериментов с моделями циркуляции и для балансовых расчетов, крайне важных для оценок изменений климата. При этом потоки кортковолновой и длинноволновой радиации важны как для адекватного воспроизведения среднего теплового баланса поверхности, так и для описания изменчивости на различных масштабах. Основными источниками глобальных данных о потоках энергии океан-атмосфера являются долговременные ре-анализы, спутниковые наблюдения и расчеты по данным судовых попутных наблюдений на основе интегральных параметризаций. Поверхностные потоки из ре-анализов существенно зависят от параметризаций, используемых в атмосферных моделях, и от параметров, диагностируемых моделью, в частности облачности, наименее достоверно воспроизводимой моделями (WGASF 2000). Спутниковые данные доступны только за последние несколько лет и требуют детальной валидации. Поэтому климатологии потоков энергии океан-атмосфера, основанные на попутных судовых наблюдений, остаются незаменимым источником глобальной долговременной информации о взаимодействии двух сред.

В последние 10-20 лет основные усилия были направлены на улучшение параметризаций турбулентных потоков явного и скрытого тепла (Zeng et al. 1998, Fairall et al. 1999), что позволило создать параметризацию COARE-3, обеспечивающую расчет турбулентных потоков с точностью ±5 Вт/м2 для большинства условий. При этом развитие параметризаций коротковолновой радиации практически остановилось на рубеже 1980-х и 1990-х годов (Reed 1977, Dobson and Simth 1988, Гирдюк и др. 1992), когда был достигнут своеобразный предел точности интегральных схем, основанных на учете исключительно балла облачности. Стало ясно, что дальнейшее улучшение возможно только при наличии более детальной информации об облачности, в первую очередь о ее типах. Развитие параметризации длинноволновых потоков радиации (например, Берлянд 1960, Josey et al. 1999) аналогично истории параметризации коротковолновых потоков. Главным образом, общий балл облачности, температура и влагосодержание атмосферы использовались для поиска зависимостей длинноволновой радиации от определяющих параметров.

Как следствие, радиационные потоки океан-атмосфера на сегодня оказались значительно менее точно оцениваемыми по сравнению с турбулентными. Глобальные климатологии взаимодействия океана и атмосферы (например, da Silva et al. 1994, Josey et al. 1999,) характеризуются глобальными невязками теплового баланса до 30 Вт/м2. Учитывая относительно высокую точность расчета турбулентных потоков и невозможность возникновения таких погрешностей за счет ошибок репрезентативности (Gulev et al. 2007), радиационные потоки становятся наиболее вероятным источником ошибок.

В последние годы было проведено существенное обновление архива попутных наблюдений ICOADS (International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) (Worley et al. 2005), в частности значительно увеличено количество наблюдений за баллом и формами облаков разных уровней. От 50% до 80% попутных наблюдений в современном архиве включают гораздо более полную

информацию о структуре облачного покрова, чем балл общей облачности. Это дает основания для включения этих характеристик в параметризации коротковолновой и длинноволновой радиации и делает задачу создания новых, более точных параметризаций, крайне необходимой и своевременной. Все выше сказанное определяет актуальность темы работы.

Основная цель диссертационной работы - создание системы новых параметризаций для массовых расчетов радиационных потоков энергии между атмосферой и океаном на основе многолетних данных попутных измерений. Созданные параметризации построены на основе высокоточных измерений радиационных потоков т-$Ии и измерений метеорологических параметров, что позволяет теоретически обосновать их, и детально протестировать их точность. Для достижения сформулированной цели в ходе выполнения диссертационной работы решались следующие ключевые задачи:

• Получение высококачественных данных измерений о коротковолновых радиационных потоках на поверхности океана в различных климатических условиях с помощью высокоточной измерительной аппаратуры при одновременном измерении стандартных метеорологических характеристик атмосферы;

• Анализ влияния различных факторов (балла и типа облачности, температуры и влагосодержания атмосферы) на потоки коротковолновой радиации на поверхности океана на основе анализа условий в различных районах;

• Разработка системы высокоточных и экономичных параметризаций коротковолновых радиационных потоков, основанных на учете типов облаков, для их дальнейшего применения в массовых расчетах;

• Проведение тестирования разработанных параметризаций и их сравнение с существующими расчетными методами.

Предметом защиты является новое решение актуальной научной проблемы - улучшение расчетных методов и повышение точности количественного описания потоков коротковолновой радиации на поверхности Мирового океана. Основные положения, выносимые на защиту, содержат результаты, полученные автором впервые, что определяет новизну результатов диссертации;

• Во-первых, в ходе работы над диссертацией был сформирован уникальный массив радиационных и метеорологических экспедиционных наблюдений. Этот массив основан на экспедиционных рейсах в летний и осенний периоды с 2004-2007 гг. и включает 10-секундные регистрации величин коротковолновой радиации на поверхности океана и длинноволнового излучения атмосферы, выполненные одним и тем же приборным комплексом. Одновременно были получены стандартные наблюдения за температурой, влажностью воздуха и скоростью ветра с временным разрешением от 10 минут до одного часа, а также визуальные определения всех параметров облачности (в том виде, в котором они представлены в ЮОАВБ). Важно, что и инструментальные радиационные и стандартные наблюдения были выполнены постоянным составом наблюдателей. Дополнительно были собраны полносферные фотографические изображения облачного неба в цифровом виде, полученные с помощью высокоразрешающей облачной цифровой фотографической аппаратуры. Вся собранная информация представлена в виде компьютерной базы данных, обеспечивающей быстрый и

эффективный доступ ко всем видам наблюдений и возможность выборки разнородных наблюдений за заданные периоды.

• Во-вторых, в работе был впервые выполнен статистический анализ результатов радиационных измерений при различных метеорологических условиях в зависимости от типов облачности. Этот блок результатов представлен физико-статистическим анализом экспериментальных зависимостей потоков коротковолновой радиации от определяющих метеорологических параметров и типов облаков. Нами впервые для примерно 14-15 категорий облачных условий была проведена группировка, как прямых измерений радиационных потоков, так и измерений метеорологических параметров в соответствии с разными условиям облачности. Особое внимание при построении статистических зависимостей было уделено условиям достаточно плотной закрытости неба облаками (более 60%). При этом в дополнение к учету форм облаков мы ввели параметры, учитывающие также температуру и влажность приводной атмосферы.

Научная и практическая значимость. Разработанные в работе параметризации суммарной коротковолновой солнечной радиации могут быть использованы для массовых расчетов потоков коротковолновой радиации на поверхности океана по данным попутных метеорологических наблюдений и для создания глобальных климатологий радиационных потоков на акватории Мирового океана. Это определяет научную и практическую значимость выполненной работы. Научная достоверность определяется физической обоснованностью предположений, положенных в основу параметризации и высокой точностью использованных аппроксимаций. При разработке параметризаций было учтено все многообразие метеорологических условий, включая пространственную и временную изменчивость видов облачности и термодинамических параметров приводного слоя атмосферы. Практическая значимость работы также подтверждена тем, что в Российском агентстве по патентам и товарным знакам получен патент на СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИХОДЯЩЕЙ СУММАРНОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ (№2342685).

Личный вклад автора. Все научные результаты, представленные в работе, получены лично автором. Ряд технологических разработок (снижение погрешностей измерений приходящих радиационных потоков, связанных с колебаниями корабля, разработка методики натурных наблюдений) получены совместно с сотрудником Лаборатории взаимодействия океана и атмосфера ИО РАН М.П Александровой. В результатах полученных совместно с С.К. Гулевым и А. Маке автору принадлежит ведущая роль в выполнении расчетов и интерпретации результатов и равная роль в постановке задачи.

Апробация работы Результаты работы докладывались на международных конференциях и семинарах ведущих институтов. Список докладов приведен в приложении II.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 3 - в рецензируемых журналах. В Российском агентстве по патентам и товарным знакам получен патент. Список публикаций представлен в приложении I.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения и Приложения. Основная часть содержит 170 страниц, 100 рисунков и 47 таблиц. Список использованной литературы состоит из 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность проблемы, рассматриваются современные источники информации о коротковолновых потоках солнечной радиации, излагаются цели и задачи работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена научная новизна и практическое значение исследования, описана структура диссертации.

В первой главе приведен обзор процессов радиационного обмена в атмосфере над океаном и показана важность коротковолновой радиации в формировании основных климатических процессов в океане и атмосфере. В частности, представлены обзорно-аналитические результаты, показывающие сложность оценивания потоков коротковолновой радиации на поверхности океана по результатам интегрирования моделей радиационного переноса в облачной атмосфере. Более того, такие модели трудно применимы к построению достоверных параметризаций коротковолновой радиации на поверхности океана в силу сложности измерения ряда ключевых параметров, необходимых для моделирования (температура и оптическая толщина различных облачных слоев).

Другим важным элементом первой главы является критический обзор результатов оценивания потоков коротковолновой радиации на границе океан-атмосфера. Детально представлены проблемы развития параметризаций коротковоновой радиации и показано, что такие параметризации являются всегда компромиссом между полнотой описания физических процессов и доступными массовыми данными измерений, поскольку при наличии детальных измерений облачной структуры, высоты облачных слоев и температуры нижней границы облачного слоя, в целом нет проблем разработать высокоточный метод расчета коротковолновой радиации. Однако, он будет иметь крайне ограниченное применение при использовании для массовых расчетов.

В первой главе делается вывод о необходимости разработки новых расчетных методов для определения коротковолновой радиации с учетом максимально возможного использования массово доступной информации и использования высокоточных измерений in-situ.

Вторая глава посвящена проведению высокоточных измерений потоков радиации над океаном. В ходе выполнения работы нами был создан судовой измерительный комплекс для высокоточных измерений коротковолновой и длинноволновой радиации. Ядром комплекса является радиометр суммарной радиации Kipp&Zonen CNR-1. Этот уникальный прибор предназначен для измерения компонентов радиационного баланса солнечной и инфракрасной радиации. Он обеспечивает прием облучения с верхней и нижней полусфер (поле обзора равно 180°), измеряя как потоки излучения направленные вниз, так и вверх, обеспечивая сигнал на выходе в Вт/м2. Радиометр CNR-1 измеряет излучение в

интервале от 0,3 до 50 мкм. Этот спектр охватывает солнечное излучение от 0,3 до 3 мкм, и дальнюю инфракрасную радиацию от 5 до 50 мкм. Радиометр может предоставлять непрерывные ряды потоков радиации с дискретностью 10 сек, которые в последующем могут быть подвергнуты часовому осреднению. Радиационные измерения были совмещены с анализом полносферных снимков облачного неба, выполняемых современными цифровыми облачными фотокамерами с широкоугольными объективами типа «Fisheye». Примечательно, что еще 30 лет назад С. П. Малевский-Малевич указывал на необходимость выполнения фотографирования облачного неба и даже разработал маркированный объектив, позволяющий проводить такие измерения. Это позволяет не только точнее определять формы облаков, но и точно идентифицировать состояние диска солнца, существенно улучшая параметрическое описание радиации чистого неба. Поэтому в состав измерительного комплекса также вошла высокоразрешающая фотографическая полнообзорная аппаратура. Таким образом, для построения новых napcmempusaijuu мы использовали современную аппаратуру, дающую возможность принципиального улучшения точности измерения радиационных потоков.

Важнейшим требованием при построении параметризаций радиационных потоков на поверхности океана является выполнение измерений в разных климатических условиях. Так большинство существующих параметризаций (Reed 1977, Dobson and Smith 1988, ГГО 1992) основаны преимущественно на наблюдениях в средних широтах и недостаточно учитывают оптические свойства тропической и экваториальной облачности. В то же самое время, работы, выполненные в течение экспериметнов ТРОПЕКС и АТЭП, продемонстрировали принципиально различные характеристики оптических свойств облачной атмосферы в низких и высоких широтах. В ходе работы над диссертацией нами были выполнены измерения с научно-исследовательских судов Института Океанологии РАН «Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов» и AWI "Polarstern", которые дважды в год совершают переходы из Северной Атлантики в Южную для выполнения океанографических работ в Южном океане в рамках программы «Меридиан». Такая композиция рейсов судов предоставила уникальную возможность для выполнения наиболее репрезентативных измерений, поскольку суда пересекают практически все климатические зоны с различными облачными условиями, включая так называемое «море Мрака», характеризующееся специфическими условиями прозрачности даже при чистом небе. Важно, что на переходах суда относительно не загружены научной работой и выполнение радиационных измерений не предъявляет каких-либо жестких требований к судовой траектории.

В основу диссертационной работы легли данные измерений, полученные в период с 2004 года по 2006 год (рис. 1, Таблица 1). Это данные четырех рейсов, из которых три были выполнены вдоль меридиональных разрезов и один вдоль широтного разреза.

Таблица 1.

Маршруты научных рейсов и объем данных подученных в рейсах

Название Сроки Направление Число среднечасовых измерений КВ потоков На карте

НИС «Академик Сергей Вавилов» октябрь-декабрь 2004г. Калининград (Россия)- Кейптаун (ЮАР) - Ушуая (Аргентина) 602 Fisheye (красная линия на рис.1)

НИС «Академик Иоффе» июнь-июль 2005г. Гданьск (Польша) -м. Фарвел (Гренландия)-Сент-Джонс (Канада) 185 Fisheye (черная линия на рис !)

НИС «Академик Иоффе» сентябрь-ноябрь 2005г. Бременхафен (Германия) -Монтевидео (Уругвай) - Южные Шетландские о-ва -Ушуая (Аргентина) 663 Fisheye (синяя линия на рис. 1)

НИС «Академик Иоффе» март-апрель 2006г. Монтевидео (Уругвай) -Калининград (Россия) 318 Fisheye инклинометр (зеленая линия на рис. 1)

Рисунок 1. Схема маршрутов научных рейсов, в которых выполнены измерения, использованные в работе.

Во второй главе особое место отводится вопросу оценки различных видов инструментальных и наблюдательных погрешностей. Зависимость приходящей коротковолновой радиации от угла наклона Солнца предъявляет не только точностные требования к характеристикам измерительной аппаратуры, но и ряд методических требований к горизонтальности измерительной платформы (судна) или, по крайней мере, требует количественного учета влияния движений измерительной платформы на точность измерений радиации. Решение указанной проблемы возможно за счет использования стабилизирующих устройств, однако их установка и эксплуатация крайне дороги. В нашей работе на основании большого количества прямых измерений радиационных потоков с одновременной регистрацией характеристик качания судна был выполнен учет эффекта негоризонтальности измерительной платформы на величины измеряемой солнечной радиации и оценены диапазоны погодных условий, при которых измерения мо1уг выполняться с приемлемой точностью без применения дорогостоящих стабилизационных устройств.

Для этого были проведены коррекции прямых измерений коротковолновой радиации и проведена статистическая оценка возможного влияния качания судна на точность выполненных радиационных измерений.

Рисунок 2. Сравнение скорректированных усредненных данных с данными 10' секундных измерений.

Проведенное исследование точности измерений позволило показать, что частота опроса радиометра в 10 с позволяет пренебрегать качкой судна при оценивании часовых сумм коротковолновой солнечной радиации при высотах Солнца более 10°. При меньших высотах Солнца эффект качки может влиять на измеренные величины солнечной радиации в пределах 20%. Отметим, что при малых углах Солнца сами величины солнечной радиации малы, и даже значимые величины относительной погрешности составляют небольшие величины в абсолютном выражении. Учет качки судна при достаточной длительности наблюдений в силу гармоничности качаний приводит к относительно малым по сравнению с погрешностями вносимыми инструментальной точностью прибора

коррекциям измерений. Значимый эффект обнаруживается при относительно низком Солнце и волнении более 4 баллов. Значительное волнение, как правило, связано с высокой повторяемостью облачных условий, в которых влияние качки на точность измерений уменьшается. Таким образом, выполненные теоретические и экспериментальные оценки позволяют заключить, что влияние качки судна на измерение часовых сумм солнечной радиации во многих случаях пренебрежимо мало. Это позволяет в большинстве случаев вести высокоточные измерения коротковолновой солнечной радиации в открытом океане без применения дорогостоящей стабилизирующей платформы и использовать полученные измерения для последующей разработки интегральных параметризаций.

Таким образом, одновременное выполнение высококачественных измерений радиации на поверхности океана в различных климатических условиях и с оценками всех источников неопределенностей и наблюдение определяющих метеорологических параметров создало основу для разработки новой системы параметризаций коротковолновой радиации.

Также во второй главе мы использовали существующие параметризации для количественного оценивания неопределенностей, связанных с различием зависимостей радиации от балла облачности в различных схемах. Результаты применения различных параметризаций были подвергнуты статистической обработке. В качестве критерия оценки точности моделей использовалась средняя разность между наблюдаемыми и расчетными значениями по различным схемам, характеризующая систематическую ошибку параметризаций. Для оценивания случайной ошибки измерений нами рассчитывались среднеквадратические отклонения различий между наблюденными и рассчитанными величинами коротковолновой радиации после удаления средней разницы. Наконец, нами оценивалась корреляция наблюденных и рассчитанных значений, дающая статистическое представление об их согласованности. Нами были рассмотрены параметризации Добсона-Смита и ГГО в двух модификациях (для использования балла общей облачности и балла нижней и средней облачности). Существуют еще несколько параметризаций, в частности параметризации Ламба и Линда, однако они очень близки к параметризации Добсона-Смита и являлись в известном смысле ее «предвестниками». Широко используемая в расчетах параметризация Рида была сформулирована для среднесуточных и среднемесячных значений и не может сопоставляться с прямыми срочными наблюдениями.

Выполненные сопоставления различных параметризаций показали, что поведение схем параметризации в условиях средней облачности (от 3 до 6 окт) примерно одинаково и расхождения между разными параметризациями составляют до 30 Вт/м2. При высоком балле общей облачности в параметризации ГГО наблюдается увеличение разности натурных и рассчитанных данных до 60 Вт/м2, что объясняется большей изменчивостью потока радиации в условиях облачного неба.

Рис 3. показывает оценки среднеквадратических ошибок расчета коротковолновой радиации с помощью различных параметризаций. Рост относительной ошибки расчета коротковолновой радиации происходит с

увеличением балла общей облачности, что свидетельствует о том, что именно в этих условиях требуется существенное улучшение качества параметризаций.

Облачность, Окта

Рисунок 3. Поведение схем параметризации в зависимости от окт облачности.

В условиях малой и средней облачности параметризация ГГО (как для общей, так и двухслойной облачности) демонстрирует существенно более низкие погрешности, чем параметризация Добсона-Смита, для которой среднеквадратические отклонения могут быть в 2-3 раза выше по сравнению с параметризацией ГГО. В условиях плотной облачности среднеквадратические отклонения близки для всех параметризаций. Анализ коэффициентов корреляции (рис.3) показывает, что при облачности в пределах 0-5 окт все параметризации дают достаточно хорошее согласование с наблюдениями и слабо отличаются друг от друга по скоррелированности с измерениями. В то же время при условиях высокой облачности все параметризации обнаруживают существенное уменьшение коэффициентов корреляции с величин 0.96-0.98 (для облачности меньшей, чем 6 окт) до значений 0.80-0.82 (при облачности 7-8 окт). Учитывая, что это общее свойство всех исследованных параметризаций, мы можем заключить, что проблема описания потока коротковолновой радиации в условиях высокой и сплошной облачности является общей проблемой подхода, основанного на использовании данных исключительно о балле общей облачности при параметризации потоков коротковолновой радиации. Это позволило нам выстроить стратегию разработки

п

новой параметризации, основанную на детальном рассмотрении типов облаков, особенно в условиях высокой облачности.

В центральной, третье главе работы представлена поэтапная разработка новой параметризации. На первом шаге, как и в большинстве существующих схем, исследовалась зависимость приходящей солнечной радиации только от балла общей облачности. Существующие параметризации, учитывающие только общий балл облачности, основываются на линейных зависимостях приходящей солнечной радиации от высоты Солнца. В то же время из графиков на рис. 4 видно, что при малых углах Солнца зависимость фактора пропускания атмосферы от угла наклона Солнца значительно отличается от линейной. Поэтому применение нелинейной аппроксимации может дать существенное улучшение качества параметризации, особенно при условиях низкого Солнца. Нами был исследован широкий набор функций для статистической аппроксимации зависимостей коэффициента прозрачности атмосферы от синуса угла высоты Солнца. Было показано, что наиболее точная аппроксимация достигается при использовании логарифмических функций рис. 4.

Синус угла высоты Солнца Рисунок 4. Зависимость коэффициента прозрачности атмосферы от синуса угла высоты Солнца для 0 окт облачности в оригинальной параметризации SAIL (красная) и для района «моря Мрака» (синяя).

Для построения логарифмической аппроксимации функции пропускания атмосферы в зависимости от угла наклона Солнца, величины отношений Q/Qq вначале группировались в соответствии с баллом общей облачности. Затем для каждого класса, соответствующего определенному балу облачности, вычислялись средние отношения Q/Qo для всего интервала синусов высоты Солнца с шагом 0.1, которые аппроксимировались логарифмическими зависимостями для каждого

балла облачности. Расчет коэффициентов логарифмической аппроксимации выполнялся методом наименьших квадратов. Искомый вид зависимости выражается формулой

Т = а + ЬхЩЯт(Н ))

(1)

Отличия логарифмической зависимости потока приходящей солнечной радиации от высоты Солнца от линейной наиболее сильно проявляются при чистом небе (рис. 4). Эти отличия существенны при малых баллах облачности (1-4 окт) и становятся практически незначимыми при высокой облачности. Таким образом, использование логарифмической зависимости наиболее принципиально при чистом небе и малой облачности.

Особо следует отметить, что нами были отдельно разработаны логарифмические зависимости для использования в восточной тропической и экваториальной Атлантике, часто называемой «морем Мрака». В этом районе аэрозоль, переносимый с Сахары, играет немаловажную роль в ослаблении потока коротковолновой радиации. Для этого района нами было получено следующее соотношение для условий чистого неба:

где Qв - инсоляция на верхней границе атмосферы, рассчитанная теоретически, исходя из высоты солнца над горизонтом, 2 - поток коротковолновой радиации на поверхности океана, а и ¿, - эмпирические коэффициенты для каждой окгы облачности, которые определялись методом наименьших квадратов для различных баллов облачности. Рис. 4 показывает логарифимическую аппроксимацию для района тропических широт Атлантического океана.

С учетом логарифмической аппроксимации расчет суммарной солнечной радиации, приходящей к поверхности океана, производится по формуле:

где - инсоляция на верхней границе атмосферы, рассчитанная теоретически, исходя из высоты солнца над горизонтом, £> - поток коротковолновой радиации на поверхности океана, а а, и 6,- - эмпирические коэффициенты для каждой окты облачности, которые определялись методом наименьших квадратов для различных баллов облачности. В результате выполненных оценок были получены эмпирические коэффициенты а, и Ь,, представленные в таблице 2.

е=е0|р,71+о,15 хщмсн^))

(2)

(3)

Таблица 2.

Эмпирические коэффициенты логарифмической окта-параметризяшш ___г——,_ ЛВОАиМК (SAIL).

/ 0 1 2 3 4 5 6 7 8

ь, 0,15 0,13 0,13 0,13 0,17 0,15 0,14 0,15 0,12

Я/ 0,81 0,80 0,78 0,76 0,74 0,71 0,67 0,60 0,39

Сравнение полученных результатов нашей модели для общей облачности с существующими параметризациями (таблица 3) показывает, что наш подход, основанный на логарифмической зависимости фактора пропускания атмосферы, существенно более точен, по сравнению с основанными на линейных аппроксимациях. Использование логарифмической аппроксимации фактора пропускания в зависимости от высоты Солнца позволяет в 2 раза снизить систематическую ошибку (разность между средним моделируемым и средним измеренным потоком). Однако, при этом у предложенной нами параметризации наблюдается та же проблема что и у существующих моделей: существенный рост среднеквадратического отклонения (СКО) с увеличением общего количества облаков, в частности при облачности 7-8 окт (таблица 4). Это показывает, что основным направлением развития схем параметризации коротковолновой радиации должен стать учет свойств облачного покрова, особенно при высокой и сплошной облачности.

Таблица 3,

Сравнение ошибок логарифмической аппроксимации ЛВОАиМК (SAIL) с

Параметризации Средняя разн. Вт/м2 СКО, Вт/м2

Добсон и Смт 14 98

ГГО - общий балл облачности 17 95

ГГО - общ. и нижний балл 24 93

SAIL -9 92

Таблица 4.

Зависимость СКО для логарифмической зависимости от окт облачности.

Окта 0 1 2 3 4 5 6 7 8

СКО, Вт/м2 26 33 46 60 61 56 73 87 115

Сред, измер. поток, Вт/м2 476 610 576 526 592 636 555 465 245

При использовании подхода, основанного на учете лишь общего балла облачности, главным источником ошибок при высоком балле облачности является совместное рассмотрение в рамках единой окта-категории ситуаций с различными оптическими свойствами облаков. Например, категория 8 окт общей облачности

может быть представлена как нижней облачностью (например, слоистая облачность), так и определенным количеством верхней облачности (например, завеса перисто-слоистых облаков). Понятно, что при наличии лишь верхней облачности на поверхность поступает значительно большая доля солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, чем в условиях плотных слоистых облаков. Это хорошо видно на рис. 5 представляющем 3 снимка облачного неба высокоразрешающей камерой полного обзора. Таблица 5 приводит величины оценок коротковолновой солнечной радиации для этих трех случаев.

Таблица 5.

Оценки величин коротковолновой солнечной радиации для различных

типов нижней облачности.

Дата Тип облачност Среднечасовой поток, Вт/м2 Поток на верхней границе атмосферы Вт/м2

17.10.07 12:00 Перисто-слоистые 581 1100

28.10.07 15:30 Высококучевая просвечиваю щие 660 1337

30.10.07 17:00 Слоисто-кучевые плотные 247 1231

Рисунок 5. Снимки различных типов нижней облачности неба, сделанные широкоугольной камерой Р1«11еуе.

В то же время, учет морфологических особенностей различных типов облачности не позволяет полностью исключить неопределенности, или сделать погрешности пренебрежимо малыми. Например, в условиях слоистой облачности диск Солнца может просвечивать через облака или быть плотно закрытым ими.. Чем более прозрачны облака, тем больше поток приходящей коротковолновой радиации. Поэтому для повышения точности расчетов нами была проведена классификация облачности в случае высокого балла облачности (6-8 окт). Для оптимального выделения соответствующих категорий облачности и последующей разработки параметризующих зависимостей для различных категорий нами исследовались следующие характеристики облачного покрова: общий балл

облачности, нижний балл облачности, морфологический тип облачности, состояние диска Солнца. Стоит отметить, что один из важнейших факторов, влияющих на поток приходящей радиации - состояние диска Солнца ранее никогда не учитывавшийся в подобных классификациях. В итоге, наблюденные в экспедиционных рейсах ситуации облачного неба для случая полного закрытия неба облаками (8 окт облачности) были подразделены на 5 категорий.

Категория 1 включает наблюдения при так называемой плохой погоде, характеризующейся полным закрытием небесной сферы облаками слоистых и кучевых форм. При этих условиях прямая радиация полностью отсутствует, облачность имеет неоднородный состав (наличие наряду с N8, & и Си к) и очень большую оптическую плотность. Для условий этой категории нередко отмечается наличие осадков в виде дождя. Приходящая коротковолновая радиация в этих условиях очень слабо зависит от угла наклона солнца. Величина потока коротковолновой радиации со временем изменяется очень медленно.

Категория 2 включает в себя наблюдения в условиях слоисто-кучевых облаков, сформировавшихся путем уплотнения кучевых облаков за счет процессов внутри облачной конвекции. В этой категории отмечается менее плотная облачность по сравнению с первой категорией, что подтверждается величинами коэффициента прозрачности.

К категории 3 отнесены случаи, когда общий балл облачности определяется только облаками среднего яруса, то есть облаками менее оптически плотными. Эта категория характеризуется еще большим по сравнению с категорией 2 коэффициентом прозрачности атмосферы.

Категории 4 и 5 определяются наблюдением слоисто-кучевой облачности, образовавшейся путем опускания высококучевой облачности на более низкий ярус. При этом отличие категорий заключается в том, что в категории 5 Солнце визуально не определяется на небосводе.

Таблица 6 содержит номенклатуру облаков и состояния диска Солнца для каждой из выделенных категорий, а также уравнения регрессии, полученные методом наименьших квадратов, для зависимости коэффициента прозрачности атмосферы от синуса высоты Солнца.

Таблица 6.

Номенклатура облаков и состояния диска Солнца для выделенных

категорий облачности.

№ Категория Коэфф. прозрачности атмосферы

1 №(7/0_2_Х) Т=0,14*8т(ад+0,П

2 &(Си■) (4_0_0) Т=0,33 *5т(Ь$)+0,17

3 АзАс(0_7_Х) Т=0,3 4 х 8т(Ьф)+0,19

4 Бс(по_Си) (5_0_0_8ш1/0) Т=0,31х5ш(Ьо)+0,22

5 8с(по_Си) (5_0_0_8ип_П) Т=0,25 хзш(1ц>)+0,11

Сразу отметим, что не все возможные ситуации облачного неба при облачности 8 окт укладываются в предложенную классификацию. Некоторые

случаи пока не нашли своего места в таблице. Это является следствием достаточно коротких рядов наблюдений, не обеспечивающих достоверной статистикой многие облачные ситуации. По мере увеличения массива исходных данных число облачных категорий возрастет, что позволит в перспективе добиться еще большей объективности в предложенной системе категорий.

Результаты тестирования параметризации приведены в таблице 7, которая сводит воедино статистические характеристики параметризаций, которые использовались в работе для режимов сплошной облачности (8 окт). Новая параметризация примерно на 25% уменьшает СКО в сравнении с существующими параметризациями и на 6% улучшает коэффициент корреляции (КК) промоделированных с реально измеренными потоками коротковолновой приходящей солнечной радиации в условиях сплошной облачности.

Таблица 7.

Параметризации СКО Вт/м2 КК

Добсона-Смита 112 0,80

ГГО, однослойная 112 0,80

ГГО, двухслойная 108 0,82

SAIL 112,4 0,80

SAIL categ 94,5 0,86

В четвертой главе представлена проверка качества разработанной параметризации, которая была выполнена на основе данных полученных в ходе весеннего рейса на борту НИС "Polarstern" в апреле-мае 2007 года по маршруту Кейптаун (ЮАР) - Бремерхафен (Германия). Отметим, что эти данные не были использованы при построении регрессионных зависимостей и являются в этом смысле независимыми. В ходе рейса было получено 20 суточных серий измерений потока коротковолновой радиации и порядка 240 метеосроков. На основании этого было рассчитано около 240 среднечасовых и 18 среднесуточных величин потока коротковолновой солнечной радиации. Результаты сопоставления параметризаций на основе независимых данных приводятся в Таблице 8.

Как видно из таблицы 8, параметризация SAIL для расчета среднесуточных величин демонстрирует значительно более высокую точность по сравнению с существующими параметризациями. В среднем мы переоцениваем поток на 11 Вт/м\ Что самое интересное, двухслойная праметризация ГГО, на результаты которой мы равнялись при создании параметризации SAIL, существенно проигрывает в качестве расчета среднесуточных величин. Для понимания и интерпретации результатов нам необходимо оценить качество параметризации среднечасовых величин (Таблица 8).

Таблица 8.

Сравнение ошибок логарифмической аппроксимации SAIL с ошибками параметризаций Добсона-Смита и ГГО для независимого массива данных.

Для среднесуточных SAIL D&S MGOJ MGO_2

Коэфф кор. 0,97 0,93 0,94 0,75

СКО 11 16 19 22

Ср отклонение -4 -4 -10 2

Для среднечасовых SAIL D&S MGOJ MGO_2

Коэфф кор. 0,98 0,97 0,95 0,96

СКО 53 81 91 88

Ср отклонение -8 -19 -28 -1

Как можно видеть из таблицы 8, коэффициент корреляции нашей модели больше, но при этом КК для всех моделей не опускается ниже 0,95. При этом СКО нашей параметризации в 1,5-2 раза ниже, чем у существующих.

Рисунок 6. Поведение параметризаций в зависимости от окт облачности для независимого массива данных.

Рис. 6 показывает зависимость КК и СКО от балла обшей облачности для различных параметризаций. Как можно видеть по этому графику, коэффициент корреляции для нашей параметризации не опускается ниже 0,95. При этом коэффициенты корреляции результатов расчетов по другим моделям с наблюдениями ведут себя, как и раньше: с увеличением балла облачности коэффициент уменьшается, при этом при сплошной облачности наблюдается

резкое ухудшение качества модели. Аналогично ведет себя и величина среднеквадратичного отклонения, возрастая с ростом балла облачности. Результатом применения категорийного подхода для сплошной облачности в нашей модели является уменьшение СКО для 8 окт облачности. Хотя в целом СКО для нашей модели растет, в среднем оно остается в 1,5-2 раза меньше, чем для других моделей.

Отдельное тестирование было выполнено для радиационных потоков в центральной части Атлантического океана, прилегающей к побережью Африки, где аэрозоль, надуваемый с Сахары, играет немаловажную роль в ослаблении потока коротковолновой радиации.

1 J i 250 M^Palps/ •'гри.Г ße% ) Г " . V

•vi ' i L ■• I m

\ Fretawi 22.04^ \ \ Ш ^ Abidjan •

20.IX, S

Рисунок 7. Схема маршрута НИС "Polarstern", в которых выполнены измерения, использованные для независимой проверки параметризации SAIL.

Формальное применение предложенной параметризации (3) к измерениям, полученным 22 и 23 апреля 2007 года в ходе рейса на борту НИС "Polarstern" (рис 7) показывает, что рассчитываемый поток существенно завышает измеренные величины. Так величина среднесуточного потока в 290 Вт/м2 коротковолновой радиации для 22 апреля завышена на 47 Вт/м2,а для 23 апреля среднесуточная величина в 304 Вт/'м2 завышена на 23 Вт/м2, что составляет 16% и 7% погрешность соответственно.

Для расчета среднечасовых величин потоков коротковолновой солнечной радиации наибольшие погрешности наблюдаются для случаев высот солнца близких к полуденному и составляют до 160 Вт/м2, что составляет до 16% от среднечасовой величины. При этом величина среднеквадратического отклонения рассчитываемых величин потока от осредненных составляет порядка 52 Вт/м".

1200 —i

■ In-sltu

- парам. Море Мрака

- парам. SAIL

"Г

8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00

Время, ЦТС

Рисунок 8. Сравнение измеренных и рассчитанных величин потоков коротковолновой радиации для района моря Мрака 22 апреля 2007г.

В случае же применения новой формулы (2), специально разработанной для этого района, удалось снизить погрешность в расчетах среднесуточных величин до ±6 Вт/м2,что составляет примерно 2 % от величины потока (рис. 8). А для среднечасовых величин погрешность в расчетах не превышает ±30 Вт/м2, что составляет не более 3% от величины. Среднеквадратическое отклонение при этом составляет порядка 13 Вт/м2.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы. Подводя итоги разработки системы новых параметризаций коротковолновой радиации, сформулируем основные результаты работы:

Впервые выполнены долговременные измерения коротковолновой радиации во всех широтных зонах и при всех облачных условиях единым приборным комплексом и сформирован уникальный архив радиационных и метеорологических измерений. Архив включает около 2500 среднечасовых величин потоков коротковолновой радиации и соответствующих им метеонаблюдений, а также натурные измерения, начиная с 2004 года до настоящего времени, с оценками точности, влияние качки судна и предоставляет возможность разработки параметризаций коротковолновой радиации на поверхности океана.

В ходе выполнения работы нами был создан судовой измерительный комплекс для высокоточных измерений коротковолновой и длинноволновой радиации. Были получены оценки различных видов инструментальных и наблюдательных погрешностей. На основании этих оценок была разработана методика ведения натурных измерений потоков коротковолновой и длинноволновой радиации и проведения метеорологических наблюдений.

На основе использования созданного массива прямых радиационных и метеорологических измерений проведено детальное тестирование существующих параметризаций, основанных на использовании балла общей облачности и предложена оригинальная параметризация (SAIL), также основанная на использовании балла общей облачности, но включающая логарифмическую зависимость приходящей радиации от высоты Солнца. Для условий чистого неба отдельная зависимость предложена для моря Мрака. В результате применения новой формулы для моря Мрака удалось снизить погрешность в расчетах среднесуточных величин до ±6 Вт/м2, что составляет примерно 2 % от величины потока. А для среднечасовых величин погрешность в расчетах не превышает ±30 Вт/м2 что составляет не более 3% от величины.

Для условий сплошной облачности разработана система параметризаций, основанная на учете форм облачности и состояния диска Солнца. Параметризация подразделяет 8-бальную облачность на 5 категорий, характеризующихся различными условиями пропускания атмосферы. Использование этой параметризации позволяет на 15% уменьшить среднеквадратическое отклонение в сравнении с существующими параметризациями и на 6% улучшает коэффициент корреляции промоделированных значений коротковолновой радиации с реально измеренными потоками коротковолновой приходящей солнечной радиации в условиях сплошной облачности.

Приложение I

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. "MORE - meridional oceanic radiation experiment", Gulev, S.K., Sinitsyn A.V., Macke A., Kalisch J„ FLUX-NEWS, WCRP Bulletin, Jan. 2006, No. 1.

2. "More of MORE: the First MORE Cruise onboard RV Polarstern", A.Macke, J.Kalisch, A.Sinitsyn and A.Wassmann FLUX-NEWS, WCRP Bulletin, Oct. 2007, No.4.

3. "Уточнение параметризации коротковолновой радиации на поверхности океана на основе прямых измерений в Атлантическом океане", Синицын А.В., Александрова М.П., Гулев С.К., Метеорология и гидрология, 2007, № 4,45-54 сс, Москва.

4. "Оценка погрешностей прямых измерений приходящих радиационных потоков, связанных с колебаниями корабля", Синицын А.В., Александрова М.П., Океанология, 2009, том 49, № 4, 494-500сс, Москва.

5. Highly accurate parameterization of short-wave radiation parameterization at sea surface., Sinitsyn, A.V., Gulev S.K., J. Geophys. Res., submitted.

6. "Measurements of the thermal structure of the near-surface layer in the Black Sea coastal zone." A. Sinitsyn, V.N. Aksenov, S.K. Gulev, E.G. Andreev. Geophysical Research Abstracts, Vol. 6,02947,2004.

7. "Тепломассообмен в прибрежной зоне Черного моря ", Аксенов В.Н. Андреев Е. Г. Синицын А.В., IV Всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии", 71-72сс, 2004г, Москва,

8. "Модернизация измерительного комплекса для изучения тепломассообмена в прибрежной зоне Черного моря" Синицын А.В. Аксенов В.Н. Андреев Е. Г. Гулев С.К., IV Всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии", 72-73сс, 2004г, Москва.

9. "Measurements of the radiation fluxes in the Atlantic Ocean" A. Sinitsyn, J. Kalisch, S. Gulev, A. Macke, I. Rudeva, M. Alexandrova. Geophysical Research Abstracts, Vol. 7,04888,2005.

10. "A Study of Parameterisations of Insolation with the Use of Whole Sky Images" J. Kalisch, A. Sinitsyn, S. Gulev, A. Macke, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 04628, 2006.

11. "Comparison of the in-situ short-wave radiation measurements with bulk parameterizations: first MORE results" A. Sinitsyn, M. Aleksandrova, J. Kalisch, S.K, Gulev, A. Macke,. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8,03885,2006.

12. "Meridional Ocean Radiation Experiment MORE: First Results" A. Macke, J. Kalisch, A. Sinitsyn, S. Gulev, The 12th Conference on Atmospheric Radiation/12th Conference on Cloud Physics (Madison, WI), 2006.

13. "High quality measurements and parameterization of short wave radiation fluxes at sea: MORE results." A. Sinitsyn, M. Aleksandrova, S. Gulev, IUGG 2007 Perugia Abstract, 2007.

14. "Высокоточные измерения и параметризация коротковолновой солнечной радиации: результаты программы MORE". Синицын А.В., Александрова М.П.,

Гулев С.К.. Всероссийская конференция "Развитие системы мониторинга состава атмосферы (РСМСА)" 2007. 15. "Highly accurate parametrization of short wave solar radiation at sea and it comparison with different alternative parameterizations". A. Sinitsyn, S.K. Gulev, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU2009-5524,2009

В Российском агентстве по патентам и товарным знакам получен патент:

Александрова М.П., Гулев С.К., Синицын А.В. Патент на СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИХОДЯЩЕЙ СУММАРНОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ № 2342685. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Приложение II

Основные доклады по теме диссертации:

1. IV Всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии", 2004г, Москва, Россия.

2. Конференция Европейского Геофизического Общества, 2004, Ницца, Франция.

3. Конференция Европейского Геофизического Общества, 2005, Вена, Австрия.

4. Конференция Европейского Геофизического Общества, 2006, Вена, Австрия.

5. 12-я Конференция Атмосферной радиации и Физики облаков, 2006, Мэдисон, Висконсин, США.

6. 14-я Ассамблея Международного Геодезического и Геофизического Общества, 2007, Перуджа, Италия.

7. Всероссийская конференция "Развитие системы мониторинга состава атмосферы (РСМСА)" 2007, Москва, Россия.

8. Конференция Европейского Геофизического Общества, 2009, Вена, Австрия.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 01.10.2009 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 566. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. МБ. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Синицын, Алексей Владимирович

4

ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЙ ОБМЕН НА ГРАНИЦЕ ОКЕАНА-АТМОСФЕРЫ, ЕГО ИЗМЕРЕНИЯ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ.

1.1. Физические процессы, определяющие радиационный обмен на поверхности океана.

1.1.1 Закон излучения и спектр Солнца.

1.1.2 Распределение солнечного тепла на поверхности в отсутствии атмосферы.

1.1.3. Вековые изменения радиации и климата.

1.1.4. Рассеяние и поглощение солнечных лучей в атмосфере.

1.1.5 Закон ослабления солнечного луча на его пути в атмосфере.

1.1.6 Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли.

1.1.7 Альбедо.

1.2. Существующие параметризации потоков коротковолновой радиации на поверхности моря и их неопределенности.

1.2.1 Модели радиационного переноса.

1.2.2. Параметризация Ламба.

1.2.3. Параметризации Добсона и Смита.

1.2.4. Параметризации ГГО.

ГЛАВА 2. ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ПОТОКОВ НА ГРАНИЦЕ ОКЕАН-АТМОСФЕРА И ТЕСТИРОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПАРАМЕТРИЗАЦИЙ.

2.1. Меридиональный океанический радиационный эксперимент MORE.

2.2. Используемые наблюдательные средства для прямого определения коротковолновой радиации, их модернизация и адаптация.

2.2.1. Радиометр суммарной радиации.

2.2.2. Система регистрации данных.

2.2.3. Оценивание различных видов инструментальных и наблюдательных погрешностей.

2.3. Стандартные метеорологические наблюдения в ходе экспедиций эксперимента MORE.

2.4. Тестирование существующих параметризаций на основе данных эксперимента MORE.

2.4.1. Методика тестирования: основные статистические критерии.

2.4.2. Параметрическое описание радиационных потоков моделью ГГО и Добсона-Смита.

2.4.3. Параметрическое описание радиационных потоков при категорийном подходе Ламба.

2.5. Критический анализ существующих параметризаций, пределы н возможности их улучшения.

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ ПАРАМЕТРИЗАЦИЙ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.

3.1. Выбор стратегии и тактики создания новой системы параметризации.

3.2. Оценка точности логарифмической Окта-параметрпзацип.

3.3. Обоснование выделения категорий облачности, как основы дальнейшей разработки параметризаций коротковолновой радиации.

3.4. Статистические зависимости для расчета потоков коротковолновой радиации на основе учета различных категорий облачности.

3.5. Тестирование новых параметризаций и их сравненне с существующими параметризациями.

3.6. Параметризация приходящей коротковолновой радиации для экваториальной части Атлантического Океана в условиях чистого неба.

ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА КАЧЕСТВА ПАРАМЕТРИЗАЦИИ SAIL НА ОСНОВЕ НАТУРНЫХ ДАННЫХ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ С СУЩЕСТВУЮЩИМИ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯМИ DOBSON AND SMITH И ГГО.

4.1. Данные и использованные параметризации.

4.2. Проверки качества расчета среднесуточных величин.

4.3. Параметризация среднечасовых величин.

4.4. Применение параметризации SAIL на несвойственных ей масштабах времен».

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Параметризация потоков коротковолновой солнечной радиации на поверхности океана"

Потоки энергии океан-атмосфера являются ключевым процессом во взаимодействии двух основных компонентов климатической системы, обеспечивая обмен теплом и массой и адиабатические притоки тепла к средам. Точные оценки потоков энергии на границе океана и атмосферы необходимы не только для экспериментов с моделями циркуляции, в которых эти потоки используются в качестве граничных условий, но и для балансовых расчетов, крайне важных для оценок изменений климата. Основными источниками наших знаний о глобальных полях потоков энергии океан-атмосфера являются долговременные адаптивные анализы атмосферы (так называемые ре-анализы), спутниковые наблюдения и оценки, рассчитываемые по данным судовых попутных наблюдений на основе интегральных параметризаций. Поверхностные потоки из ре-анализов Национального Центра Прогнозов Природной Среды США (NCEP/NCAR) и Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов Погоды (ECMWF) обеспечивают глобальное покрытие и высокое разрешение, однако существенно зависят не только от параметризаций, используемых в атмосферных моделях, но и от метеорологических параметров, также диагностируемых моделью. В частности облачность, являющаяся ключевым параметром для оценки радиационных потоков, - один из наименее достоверно воспроизводимых моделью элементов [67]. Спутниковым данным о потоках, несомненно, принадлежит будущее, однако в настоящее время они доступны только за последние несколько лет и остаются неточными, требуя детальной валидации. Поэтому климатологии потоков энергии океан-атмосфера, построенные на основе попутных наблюдении, по-прежнему остаются незаменимым источником глобальной долговременной информации о взаимодействии двух сред.

Последние 10-20 лет характеризовались существенным прогрессом в развитии методов расчета потоков тепла на поверхности. Основные усилия были направлены на улучшение параметризаций турбулентных потоков явного и скрытого тепла [65,69]. В какой-то мере это отражает убеждение, сложившееся в течение 1980-х годов, что именно недостаточная точность параметризаций турбулентных потоков препятствует достоверному оцениванию теплового баланса океана. Результатом этих работ стала параметризация COARE-3, обеспечивающая расчет турбулентных потоков с точностью ±5 Вт/м для большинства условий. Развитие параметризаций коротковолновой радиации практически остановилось на рубеже 1980-х и 1990-х годов [11,40,61], когда был достигнут своего рода предел точности параметризаций, основанных на учете балла облачности. С одной стороны было ясно, что дальнейшее улучшение возможно, но оно требует более детальной информации об облачности. С другой, такая информация не была доступна в массовом масштабе, что делало любые более развитые параметризации трудно приложимыми к данным попутных наблюдений из архива ICOADS (International

Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) [68]. Проблема 70 летней истории развития параметризации длинноволновых потоков радиации [33,49] аналогична проблеме параметризации коротковолновой радиации. Опять, только общий балл облачности, температура и влагосодержание атмосферы использовались для поиска наиболее точной приходящей длинноволновой радиации от определяющих параметров.

Как следствие этого, именно радиационные потоки океан-атмосфера на сегодня оказались наименее точными по сравнению с турбулентными. На рисунке 1 приведены оценки неопределенностей глобально осредненных потоков явного и скрытого тепла, коротковолновой и длинноволновой радиации, связанных с использованием различных параметризаций. Эти оценки получены но ансамблю климатологии потоков тепла океан-атмосфера [48]. Обращает на себя внимание, что неопределенности в оценках коротковолновой радиации превышают погрешности в расчетах турбулентных потоков, выдвигая задачу создания новых, более точных параметризаций на первое место. Известно, что глобальные климатологии взаимодействия океана и атмосферы [36,49] характеризуются глобальными и региональными систематическими и случайными погрешностями в тепловом балансе до 30 Вт/м~. Учитывая относительно высокую точность расчета турбулентных потоков и невозможность возникновения таких погрешностей за счет ошибок репрезентативности [48]. радиационные потоки становятся наиболее вероятным источником ошибок. zoo

150 100 50 Е

Е 0

•50 ■ 100 -160 •200

Рисунок 1. Глобально оереднеппые потоки явного и скрытого тепла, коротковолновой и длинноволновой радиации вычисленные по ансамблю различных параметризаций, а так же по самой точной из существующих ("best estimate"). Погрешность на диаграмме показывает неопределенность, связанную с использованием различных параметризаций. Видно, что суммарная длинноволновая радиация самая неопределенная величина.

В конце 1990-х годов было проведено существенное обновление архива ICOADS, в ходе которого в данные попутных измерений были включены наблюдения не только за баллом общей облачности, но и за количеством и формами облаков разных уровней [32,48,51]. На рисунке мы приводим временную изменчивость общего количества наблюдений с ÍCOADS за период 1980-1990 гг. и количества наблюдений, включающих различные типы информации об облаках. От 50% до 80% попутных наблюдений в современном архиве включают гораздо более полную информацию о структуре облачного покрова, чем просто балл общей облачности (рисунок 2), Это дает основания для учета этих характеристик в параметризациях коротковолновой и длинноволновой радиации. По коль скоро все существующие параметризации используют только балл общей облачности или балл общей и нижней облачности, как параметризация ГГО [II] и не могут усваивать новые, более полные данные, то мы считаем очень своевременным создание параметризаций нового поколения, основанных на более богатой информации об атмосферных параметрах над океаном. years

Рисунок 2. Временная изменчивость общего количества наблюдений с ICOADS за период 1980-1990 гг. и количества наблюдении, включающих различные типы информации об облаках.

Основная цель диссертационной работы - создание сис темы новых параметризаций для массовых расчетов радиационных потоков энергии между атмосферой и океаном на основе многолетних данных попутных измерений. Созданные параметризации построены на основе высокоточных измерений радиационных потоков insitu и измерений метеорологических параметров, что позволяет теоретически обосновать их, и детально протестировать их точность. Для достижения сформулированной цели в ходе выполнения диссертационной работы решались следующие ключевые задачи:

• Получение высококачественных данных измерений о коротковолновых радиационных потоках на поверхности океана в различных климатических условиях с помощью высокоточной измерительной аппаратуры при одновременном измерении стандартных метеорологических характеристик атмосферы;

• Анализ влияния различных факторов (балла и типа облачности, температуры и влагосодержания атмосферы) на потоки коротковолновой радиации на поверхности океана на основе анализа условий в различных районах;

• Разработка системы высокоточных и экономичных параметризаций коротковолновых радиационных потоков, основанных на учете типов облаков, для их дальнейшего применения в массовых расчетах;

• Проведение тестирования разработанных параметризаций и их сравнение с существующими расчетными методами.

Как мы собираемся улучшить существующие параметризации и какие при этом будут использованы рабочие гипотезы? Как мы уже указывали, основной недостаток широко используемых параметризаций коротковолновой радиации [11,40,61] проистекает из попыток установить связь радиационных потоков с баллом облачности, без разделения на типы облачности и без учета их термодинамических свойств. При разработке новой системы параметризаций радиационных потоков на поверхности океана особенно важны две вещи. Во-первых, это понимание физики процесса трансформации радиационного потока в атмосфере над океаном, а во-вторых - обеспечение точных измерений радиационных потоков и различных параметров атмосферы современными измерительными системами.

Физика радиационного переноса может быть детально исследована на основе радиационного моделирования, результаты которого никогда не были использованы при построении параметризаций радиационных потоков над океаном. Взрывное развитие моделей радиационного переноса в атмосфере (RTM - radiative transfer models) в 90-е годы позволило точно рассчитать пропускание атмосферы для реального 3-х мерного неоднородного облака и, таким образом, создало основу для точного описания механизма прохождения радиации в атмосфере. Результаты моделей Schewski and Маске [62] предполагают, что внутри расчетной области пространственно-статистические свойства облачности и радиационные характеристики не сильно различаются, несмотря на высокую неравномерность в 3-х мерной структуре полей облачности. Поэтому, суммарный поток приходящей радиации на поверхность океана может быть с высокой точностью описан только осреднением в 3-х- мерной области свойств облачности (балл облачности, влагосодержание облаков, температура па верхней границе облачности). Так как все эти три параметра легко доступны из данных морских измерений (и, более того, могут быть также взяты из спутниковых измерений), развитие новой системы парметризаций является чрезвычайно многообещающим занятием. Таким образом, мы предполагаем использование современных моделей радиационного переноса для оценивания роли различных облачных параметров в формировании потоков коротковолновой и длинноволновой радиации на поверхности океана.

Другим важнейшим элементом разработки новой системы параметризаций является проведение высокоточных измерений потоков радиации над океаном. Долгое время приборы для измерения радиационных потоков над океаном (пиранометры и пиргеометры) оставались одним из самых консервативных блоков морских метеорологических инструментов. Только в последние годы были созданы многоканальные микроволновые радиометры, позволяющие вести непрерывную регистрацию потоков коротковолновой и длинноволновой радиации с борта судна. В 2004 году в рамках программы обеспечения техническими средствами (поддерживаемой в частности РФФИ) в ИО РАН был приобретен радиометр суммарной радиации Клрр&гопеп СЫЯ-1. Этот уникальный прибор предназначен для измерения компонентов радиационного баланса солнечной и инфракрасной радиации [53]. Он обеспечивает прием облучения с верхней и нижней полусфер (поле обзора равно 180°), измеряя, таким образом, как потоки излучения направленные вниз, так и вверх, обеспечивая сигнал на выходе в Вт/м2. Радиометр СЫК-1 измеряет излучение в интервале от 0,3 до 50 мкм. Этот спектр охватывает солнечное излучение от 0,3 до 3 мкм, и дальнюю инфракрасную радиацию от 5 до 50 мкм. Радиометр может предоставлять непрерывные ряды потоков радиации с дискретностью 10 сек, которые в последующем могут быть подвергнуты часовому осреднению. Нами были проведены в течение 19-го рейса НИС "Академик С. Вавилов" и 18-го рейса НИС "Академик Иоффе" (рисунок 3) пилотные измерения коротковолновой и длинноволновой радиации с помощью этого прибора, которые позволили с одной стороны исследовать его чувствительность, а с другой - разработать и создать систему периферийных устройств и компьютерных программ, позволяющих эффективно накапливать информацию в цифровом виде и обрабатывать ее [28,64]. Кроме того, радиационные измерения в современных условиях могут быть совмещены с прямыми измерениями высош облачности с помощью сеилометров и анализом широкоугольных снимков облачного неба, выполняемых современными цифровыми облачными фотокамерами с объективом типа 'ТизИеуе". Примечательно, что еще 30 лет назад С.П. Малевский-Малевич указывал на необходимость выполнения фотографирования облачного неба и даже разработал маркированный объектив, позволяющий проводить такие измерения. Сегодня такие изображения могут получаться непрерывно и накапливаться в цифровом виде. Это позволит не только точнее определять формы облаков, но и точно идентифицировать состояние диска солнца, существенно улучшая параметрическое описание радиации чистого неба. Таким образом, для построения новых параметризаций мы предполагаем использование современной аппаратуры, дающей возможность принципиального улучшения точности измерения радиационных потоков.

-50 0

Рисунок 3. Маршрут 19-го рейса НИС "Академик С. Вавилов" в октябре -декабре 2004г. и 18-ю рейса НИС "Академик Иоффе" в июне-июле 2005г.

Важнейшим требованием построения радиационных параметризаций является выполнение измерений в разных климатических условиях. Так, например, большинство существующих параметризаций [11,40,61] основаны преимущественно на наблюдениях в средних широтах и недостаточно учитывают оптические свойства тропической и экваториальной облачности.

Мы предполагаем проводить измерения с бортов научно-исследовательских судов Института Океанологии РАН «Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов», которые дважды в год совершают переходы по Северной Атлантики и переходы из Северной Атлантики в Южную для выполнения океанографических работ в Южном океане. Это поистине уникальная возможность, поскольку на переходах суда не загружены научной работой и выполнение радиационных измерений не предъявляет каких-либо жестких требований к положению судовой траектории - достаточно иметь меридиональный разрез и не важно, пройдет он в 100 милях западнее или восточнее.

Рейсы 2004 и 2005 года и стали основой для формулирования темы диссертационной работы.

Таким образом, изюминкой диссертационной работы является слияние преимуществ высококачественных измерений радиации на поверхности океана и высокоэффективных радиационных моделей при возможности относительно дешевого выполнения измерений. Это позволит создать новую систему параметризаций коротковолновой и длинноволновой радиации для дальнейшего ее применения для обработки глобальных попутных измерений ЮОАОБ. Эта стратегия даст реальные возможности для построения новой глобальной климатологии радиационного бюджета на поверхности океана, основанной на легкодоступных данных, и физически более существенно оправданных параметризациях.

Предметом зашиты является новое решение актуальной научной проблемы -улучшение расчетных методов и повышение точности количественного описания потоков коротковолновой радиации на поверхности Мирового океана. Основные положения, выносимые на защиту, содержат результаты, полученные автором впервые, что определяет новизну результатов диссертации:

• Во-первых, в ходе работы над диссертацией сформирован уникальный массив радиационных и метеорологических экспедиционных наблюдений. Этот массив основан на экспедиционных рейсах в летний и осенний периоды с 2004-2007 гг. и включает 10-секундные регистрации величин коротковолновой радиации на поверхности океана и длинноволнового излучения атмосферы, выполненные одним и тем же приборным комплексом. Одновременно были получены стандартные наблюдения за температурой, влажностью воздуха и скоростью ветра с временным разрешением от 10 минут до одного часа, а также визуальные определения всех параметров облачности (в том виде, в котором они представлены в 1С0А08). Важно, что и инструментальные радиационные и стандартные наблюдения были выполнены постоянным составом наблюдателей. Дополнительно были собраны полносферные фотографические изображения облачного неба в цифровом виде, полученные с помощью высокоразрешающей облачной цифровой фотографической аппаратуры. Вся собранная информация представлена в виде компьютерной базы данных, обеспечивающей быстрый и эффективный доступ ко всем видам наблюдений и возможность выборки разнородных наблюдений за заданные периоды.

• Во-вторых, в работе впервые выполнен статистический анализ результатов радиационных измерений при различных метеорологических условиях в зависимости от типов облачности. Этот блок результатов представлен физико-статистическим анализом экспериментальных зависимостей потоков коротковолновой радиации от определяющих метеорологических параметров и типов облаков. Нами впервые для примерно 14-15 категорий облачных условий, была проведена группировка, как прямых измерений радиационных потоков, так и измерений метеорологических параметров в соответствии с разными условиям облачности. Особое внимание при построении статистических зависимостей было уделено условиям достаточно плотной закрытости неба облаками (более 60%). При этом в дополнение к учету форм облаков мы ввели параметры, учитывающие также температуру и влажность приводной атмосферы.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Синицын, Алексей Владимирович

Заключение.

Таким образом, в этой главе построена новая параметризация коротковолновой радиации на поверхности океана (рисунок 3.21), которая может использоваться при всех типах облачных условий и обладает высокой точностью в широком диапазоне параметров. Однако и посторснпие и анализ качества созданной нами параметризации SAIL велись на одном и том же массиве данных, поэтому однозначно говорить о более высоком качестве нашей параметризации все-таки несколько не корректно.

Детальная проверка параметризации SAIL и сравнение результатов с другими существующими параметризациями будет проведена в следующей главе на основе массива данных, полученного на борту НИС "Polarstern" в ходе весеннего рейса в апреле-мае 2007 года по маршруту Кейптаун (ЮАР) - Еремерхафен (Германия).

Глава 4. Проверка качества параметризации SAIL на основе натурных данных и сравнительный анализ с существующими параметризациями Dobson and Smith и ГГО.

4.1. Данные и использованные параметризации.

Для проверки качества созданной нами параметризации были использованы независимые данные, полученные в ходе весеннего рейса на борту НИС "Polarstern" [59]. Рейс проходил в апреле-мае 2007 года по маршруту Кейптаун (ЮАР) - Бремерхафен (Германия). Использование независимых данных, то есть тех, которые не были включены в массив, на основе которого была построена праметризация, является принципиальным со статистический точки зрения.

Также для сопоставления точности разработанной параметризации с существующими методами расчета были использованы 2 наиболее известные параметризации потока коротковолновой радиации на поверхности океана, разработанные Dobson and Smith [40] и ГГО [11].

В рейсе НИС "Polarstern", данные которого были использованы для тестирования параметризаций, как и в описанных выше рейсах, нами использовался радиометр Kipp&Zonen CNR-1. Собранные данные о потоке коротковолновой радиации представляют массив величин в Вт/м" с разрешением в 10 секунд. В дальнейшем на основе этих регистраций рассчитывались среднечасовые и среднесуточные величины потока коротковолновой радиации. Также был собран массив стандартных метеонаблюдений, проводимых в сроки измерения радиации радиометром, и содержащий информацию об общем и нижнем баллах облачности (в Octa), типах облачности по ярусам, состоянии диска Солнца, температуре и относительной влажности воздуха, атмосферном давлении, а также времени и координате производимых наблюдений. Всего в ходе рейса НИС "Polarstern" было получено 20 суточных серий измерения потока коротковолновой радиации и порядка 240 метеосроков. На основании этих данных было рассчитано около 240 среднечасовых и 18 среднесуточных величин потока коротковолновой солнечной радиации.

Приведем здесь кратко описания используемых параметризаций, а также параметризации, разработанной в ходе нашей работы.

Параметризация Dobson and Smith является классическим примером одношаговои линейной модели для расчета среднечасовых величин потока коротковолновой радиации на поверхности океана, зависящий от высоты Солнца и эмпирических коэффициентов описывающих балл общей облачности ( см п. 1.2.3).

Параметризация ГГО (см п. 1.2.4) представляет собой классический вид двух шаговой параметризации для среднечасовых величин, в которой на первом шаге рассчитывают возможный поток коротковолновой радиации на поверхности океана в условии безоблачного неба с учетом поглощения потока аэрозолем и водяным паром. На втором шаге рассчитывался поток коротковолновой радиации в условиях наличия облачности. К сожалению, аналитического вида у функции F(n0) и F(n0, пн) нет, расчет по методики ГГО ведется на основании таблиц, в которых даны значения функций F(n0) и F(n0, пн) в зависимости от угла Солнца и наблюдаемой балльности облачности. Для наших нужд была проведена работа по нахождению аналитического вида функций F(n0) и F(n0, п„) на основе табличных данных. Все построенные зависимости описываются нами полиномами 6 степени.

Параметризация среднечасовых величин потока SAIL вобрала в себя простоту параметризации Dobson and Smith и гибкость параметризации ГГО. Поток коротковолновой радиации на поверхности океана описывается логарифмической зависимостью от высоты Солнца над горизонтом, и эмпирическими коэффициентами, зависящими от общего балла облачности (см. п 3.1). Также параметризация SAIL выделяет особый район в экваториальной части Северной Атлантики для расчета потоков в условиях чистого неба. А для случаев сплошной облачности применяет категорийный подход для расчетов потоков на поверхности океана (см. п. 3.4), в котором применена уже линейная зависимость потока от высоты Солнца.

4.2. Проверка качества расчета среднесуточных величин.

Вначале среднесуточные величины коротковолновой радиации рассчитывались интегрированием методом трапеций на основе параметризованных среднечасовых величин и сравнивались со среднесуточными величинами потока радиации получаемого из 10 секундного массива иснтрументальных суточных измерений. Результаты приведены в таблице 4.1.

Как видно из таблицы 4.2, параметризация SAIL для расчета среднесуточных величин работает значительно точнее других параметризаций. В среднем мы завышаем поток на 11 Вт/м". Важно отметить, что двухслойная параметризация ГГО, на результаты которой мы ориентировались при создании параметризации SAIL, существенно проигрывает в качестве расчета среднесуточных величин нашей параметризации. Для аккуратной интерпретации этих результатов нам необходимо перейти к рассмотрению качества и точности параметризации среднечасовых величин.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Синицын, Алексей Владимирович, Москва

1. Атлас облаков. Под ред. Хргиана А.Х., Новожилова Н.И. JI. Гидрометиздат. 1978.

2. Атлас теплового баланса. Под ред. Будыко М.И. JI. Гидрометиздат. 1955.

3. Бартенева О.Д., Самойленко В.В., Семенченко Б.А. О методике измерений радиационного баланса поверхности океана балаисомерами с плоской поэлителеновой защитой. Труды межвед. экспедиции ТРОПЭКС-72. JI. Гидрометиздат. 1974. с.675-681.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М. Мир. 1989. 544с.

5. Будыко М.И., Берлянд Т.Г., Ефимова H.A., Зубенок Л.И., Строкина Л.А. Тепловой баланс Земли. Л. Гидрометиздат. 1978.

6. Гирдюк Г.В. О методике расчета эффективного излучения поверхности океана. Труды ГГО. 1968. Вып.226. с. 18-33.

7. Гирдюк Г.В., Егоров Б.Н., Кириллова T.B., Несина Л.В. Влияние облачности на суммарную радиацию, поступающую на поверхность океана. Труды ГГО. 1973. Вып.297. с. 109-117.

8. Гирдюк Г.В., Егоров Б.Н., Кириллова T.B., Строкина Л.А. Прозрачность атмосферы над океаном и суммы возможной радиации. Труды ГГО. 1973. Вып.297. с.99-108.

9. Гирдюк Г.В., Егоров Б.Н., Малевский-Малевич С.П. Рекомендации но расчету составляющих радиационного баланса поверхности океана. Л. ГГО. МФ ААНИИ. 1982. 92с.

10. Гирдюк Г.В., Егоров Б.Н., Малевский-Малевич С.П. Определение радиационного баланса поверхности океана. Справочное пособие. СПб. Гидрометиздат. 1992. 148с.13.