Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численные исследования спутникового метода определения газового состава атмосферы по измерениям прозрачности на касательных трассах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численные исследования спутникового метода определения газового состава атмосферы по измерениям прозрачности на касательных трассах"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на оравах рукописи ПОЛЯКОВ Александр Викторович

УДК 551.(501.71 +510.534)

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПУТНИКОВОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ПРОЗРАЧНОСТИ НА КАСАТЕЛЬНЫХ ТРАССАХ

04.00.22 - геофизика

Автореферат Диссертации иа соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сашсг-Петербург 1994

/

Работа выполнена в Научно-Исследовательском Институте Физики Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Научный руководитель • доктор физ.-мат. наук, профессор Ю. М. Тимофеев

Официальные оппоненты:

доктор фит-мат. наук А. Б. Успенский

кандидат физ.-мат. наук, доцент А. Д. Кузнецов

Ведущая организация: Главная Геофизическая Обсерватория им. А. И. Воейкова

Зашита диссертация состоится " 1994г.

в / чГ час. на заседании специализированного ученого совета Д063.57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, при Санкт-Петербургском Государственном Университете

по адресу: 199164, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. 3*Т

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Университета. Автореферат разослан " Лру!^ 1994г.

Учений секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Растущее понимание человечеством важности сохранения среды своего обитания приводят, в частности, к развитою глобальных методов контроля состава зсмпой атмосферы. Становятся уже хрестоматийными такие проблемы, как грядущее глобальное потешгенне, вызванное ростом содержапия в атмосфере углекислого газа и, вероятно, ряда других газовых составляющих; снижение концентрации озона нплоп, до появлепия так называемых озоновых шр, угрожающее смертоносным ультрафиолетовым излучением и вызванное по-видимому попаданием в атмосферу различных ащропогепных загрязнений. Поэтому чрезвычайно актуальным является вопрос о иаличпп п динамике распределения в атмосфере малых газовых составляющих (далсе-МГС), оказывающих заметное влияние на тепловой баланс и различного рода фотохимические и химические процессы в зеипой атмосфере.

Как известно, существуют различные подходы к измерениям состава атмосферы, и в течение многих лет для этих целей используются многочисленные методики. Тем не менее, выбранный нами для исследований так называемый метод прозрачпост атмосферы, основанный на космических измерениях излучения, прошедшего через атмосферу по траекториям, касательным к поверхности Земли, обладает рядом присущих только ему преимуществ. Основными аз них являются:

- высокая чувствительность к малым количествам МГС я потенциально высокая точность определения их количества

- возможность получения информации о составе атмосферы в региональном и глобальном масштабе.

- потенциально высокое вертикальное разрешение.

- относительная простота и надежность измерений.

Заметам, что рассматриваемый метод является аналогом и представляет собой дальнейшее развитие широко распространенного наземного метода измерения содержания различных составляющих, атмосферы. Следует заметать, что метод измерения прозрачности на касательных трассах неодпократпо использовался в реальных спушнковых экспериментах [15]. Несмотря на это, методы решения соответствующих ему обратные задач и оценки возможностей существующей и разрабатываемой в рамках данного метода аппаратуры требуют дальнейшего развития и совершенствования, что и является основной целью данной работы.

Целью диссертационной работы является: дальнейшее развитие и совершенствование методов решения обратных задач и оценки возможностей существующей и разрабатываемой в рамках метода измерения прозрачности атмосферы на касательных трассах аппаратуры.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач;

1) Разработка алгоритмов и программ расчета функций пропускания атмосферы н других параметров переноса излучения в различных областях спектра электромагнитного излучения.

2) Создание методики, алгоритма и программного обеспечения решения нелинейных обратных задач атмосферной оптики.

3) Разработка упрощенной методики оценки оптимального спектральпого разрешения прибора для изолированной спектральной линии в И К области спектра.

4) Создание программных комплексов оценок точности решети обратной задачи и численного моделирования спутниковых экспериментов для различных типов измерительной аппаратуры.

.5) Расчеты точностных характеристик параметров атмосферы, получаемых с помощью конкретных спектральных приборов.

б) Обработка имеющихся данных реальных спутниковых экслгримеетов.

Научная повизна работы состоит в следующем: В ходе работы при решения посташгенных выше задач была разработала принципиально новая упрошенная методика оцегаш оптимального спектрального разрешения для случая изолированной лишш, реализующегося в ряде экспериментальных измерений в ИК области спектра.

Создал универсальный п эффективный алгоритм и на его основе программа прямого расчета, позволяющая проводить расчеты различных параметров переноса излучения в ИК области спектра с гарантированной погрешностью и высоким спскц льпым разрешением.

Рассчитаны погрепшосга восстановления водяного пара, озопа, N0 для конкретной спутниковой аппаратуры, проанализировано влияпие па них ряда параметров атмосферы и аппаратуры.

По результатам спутниковых экспериментов получены профшщ высотного хода озона и N02, данные о влагосодержаппи атмосферы.

Предложеп новый метод решения нелинейных обратных задач с использованием априорной информации о решении и погрешностях измерений, находящий применение в обратных задачах атмосферной оптпкп.

Практическая значимость работы.

Работа проводилась в соответствии с планом важнейших хоздоговорных и бюджетных работ, выполняемых отделом физики атмосферы НИИФ ЛГУ (ныне СПбГУ). Часть материалов диссертационной работы использовалась в Гос НИЦ ИПР при планировании спутниковых экспериментов и обработке нх результатов. Результаты исследований могут использоваться при формулировке ТЗ на спутниковую аппаратуру для

определения МГС земной атмосферы методом прозрачности. Область применения разработанной программы прямого расчета существенно выходит за рамки диссертации. Эта программа может быть использована и уже используется в различных организациях при исследовании и разработке различных методик дистаиционных измерений в ПК области спектра. Программа внедрена в Гос НИЦ ИПР (Государственном Научно-Исследовательском Центре Изучения Природных Ресурсов, Москва) и ГОИ (Государственном Оптическом Институте, СПб).

Результаты исследований получены на основе фундаментальных соотношений теории переноса излучения, современных данных о количественных характеристиках взаимодействия электромагнитного излучения с газовой средой (коэффициентов поглощения, параметров тонкой структуры полос поглощения) и методов решения некорректных задач, подтверждены экспериментальными данными и являются вполне падежными и обоснованными.

Апробация работа

Результаты работы докладывались па ряде Всесоюзных совещаний и семинарои (па Всесоюзных совещаниях в Томске, Таллине, Звенигороде, Тарту, а также на внутренних семинарах НИИФ ЛГУ (ныне СПбГУ),ОКБ "Интеграл", ГТО им. А. И. Воейкова) в 1980-1991 гг. Основпые результаты изложены в публикациях, список которых приводится в конце автореферата. В работах, натканных в соавторстве, личный вклад соискателя состоял в разработке физико-математических моделей, алгоритмов, программ, проведении расчетов, анализе и интерпретации полученных результатов; руководстве разработкой комплексов программ и ряда вспомогательных программных средств.

Основпые положения, выносимые на защиту Соискателем выносятся на защиту следующие положения:

Методика прямого расчета, реализованная п алгоритмах и программах прямого расчета радиационных характеристик атмосферы в ПК области спектра, обеспечивающая гарантированную погрешность вычислений и использующая реально приемлемые ресурсы ЭВМ.

Методика решения нелинейных обратных задач атмосферной оптики, использующая априорную информацию об искомых величинах.

Комплекс алгоритмов и программ для определения погрешностей нзмерешш МГС атмосферы различной спектральной аппаратуры.

Результаты численного исследования (на основе разработанных методик) погрешностей измерения профилей ряда МГС атмосферы дня различных спектральных приборов.

Результаты обработки спутниковых зкепериментальных данных по измерениям прозрачности атмосферы на касательных трассах п пологах поглощения водяного пара, озона, двуокиси азота.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая тезисы докладов. Нсречепь публикаций приведен в конце автореферата.

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав п заключения. Работа изложена па 220 страницах машинописного текста, включая 50 рисупков и 14 таблиц. Список литературы содержит ! 44 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении показана актуальность темы диссертации и современное состояние проблемы. Сформулирована цель диссертационной работы, кратко описана структура диссертации. . -

В первой главе диссертации рассматриваются общие вопросы определения состапа атмосферы дпетапщюппыми методами, выполнен сравнительный анализ раздпчиых существующих методик. Дастся краткая

характеристка различным дистанционным методам исследования газового состава атмосферы. Формулируются основные особенности выбранного в качестве основного предмета исследования диссертации метода определения газового состава атмосферы на основе спутниковых измерений прозрачности на касательных трассах:

- высокая чувствительность к малым количествам МГС;

- относительно высокое вертикальное разрешение;

- пизкое горизонтальное разрешение;

- низкая периодичность наблюдений

Несмотря на большое количество уже завершенных и осуществляемых в настоящее время спутниковых экспериментов измерения прозрачности на касательных трассах, соответствующие методы решения обратных задач атмосферной оптики и оценки возможностей существующей и разрабатываемой аппаратуры требуют дальнейшего развития и совершенствования, в чем и заключается основная цель данпой работы. В частности, используемые ранее в различных работах методы решения нелинейных обратных задач атмосферной оптики не позволяют получить решение, соответствующее априорной статистике. Для решения этой задачи соискателем разработан итерационный метод, описываемый формулой (1), который, как показано в диссертации, позволяет получить решение пелшейпой обратной задачи с учетом априорной ппформации о решении.

.;+(41-4'гч^'о-*-•>«*-**)) (I)

Здесь - очередные приближения искомого вектора параметров

состояния атмосферы,

х - среднее значение вектора параметров состояния атмосферы, 4, - матрица производных нелинейного оператора А прямой задачи,

у - вектор измеренных значений пропускания.

Соискателем также предлагаем и обосновывается альтернативный пс.гход к рсшсшпо обратной задачи, позволяющий в некоторых специальных случаях решать линейную задачу в терминах оптических толщ.

Вторая глава диссертации посвящена обоснованию и описанию разработанных в ходе решали поставленных задач алгоритма и программы прямого расчета фупкцнй пропускания и других параметров переноса излучили в ПК области спектра. Рассматриваются различные методы расчета функций пропускания, анализируются их достоинства и недостатки. Обосновывается необходимость разработки алгоритмов и программ прямого расчета ФП, формулируются требования, которым должен удовлетворять пакет программ прямого расчета фушащй пропускания: универсальность эффективность точность портативность открытость

С учетом сформуллрованпых выше требований и на основания ряда оценок построен алгоритм прямою расчета функций пропускания, основные особенности которого заключаются в следующем:

Контур Фойгтз спектральной лшпш представляется в форме суммы слагаемых, каждое из которых отличается от пуля лишь внутри некоторого интервала, н функции крылового вклада. Это разбиение па слагаемые построено таким образом, что скорость изменения каждого слагаемого и, соответственно, необходимая "мелкость" шзга по спектру прп его вычисления уменьшается для широхих интервалов. . -

Вычисление функции крылового вклада производится однократно для фиксированных спектральной области н набора газов. Открытость комплекса программ обеспечивает возможность дополнения его модулями

для различных типов теометрии измерении. 1$ настоящий момент помимо варианта расчетов пропускания однородной среды реализованы также программные модули дая расчетов уходящего и нисходящего теплового излучения атмосферы и сдогалстпующих вариащюнных ирончводнт но содержанию поглощающих газоп, а также д'Ш расчетов пропусканий па касательных трассах, с получением соответствующих вариационных производных.

Разработанный комплекс программ в течение ряда ляг широко используется для решения ряда конкретных задач, связанных с переносом инфракрасного излучения в земной атмосфере. В основном работа велась п следующих направлениях:

Анализ точности исходной спектроскопичл-кой информации Методические исследования фупкций пропускали» и различных способов нх расчета

Моделирование спутниковых экспериментов

Обширный опыт эксплуатации комплекса программ прямого расчета функций пропускания свидетельствует о его пригодности для решения широкого класса задач, связаншк с переносом инфракрасной радиации в атмосфере. Несмотря на ряд мер, принятых для повышения быстродействия программы, время выполнения некоторых расчетов все еще остается знач1ггеяьиым. Это, по видимому, обусловлено уппвсрса.инестио алгоритма, то есть отсутствием существенных ограничений на многие параметры расчетов..

Специфические дня различных сшчлралинд диапазонов особенности переноса излучения приводят к заметным различиям соответствующих алгоритмов решения обратных задач атмосферной оптики. По ряду причт: наиболее широко для определения состава атмосферы используется нмспно инфракрасная (1 ЮОмкм) область спектра.

В третьей главе диссертации описапы разработанные для ИК области спектра алгоритмы и программы для анализа точности определения содержания МГС, а также созданная для конкретного отечественного прибора ("НКЛР") программа оперативного решения обратной задачи.

Для измерений оптическими методами содержания МГС в земной атмосфере в ряде случаев требуется создание аппаратуры высокой и сверхвысокого спектрального разрешения, которое часто является основным параметром, определяющим ее сложность и стоимость. Учитывая большое количество различных МГС и огромное количество соответствующих спектральных линий поглощеппя в широкой спектральной области от 1мкм до радиодиапазопа, представляется практически важной разработка простых методик оцепкп требуемого спектрального разрешения соответствующей аппаратуры. Для решения этой задачи для упрощенной модели переноса солнечного излучения на касательных трассах ( измерения па спутнике, самолете, аэростате) построены' номограммы [4,7], позволяющие приближенно оцешпь оптимальное спектральное разрешение аппаратуры и соответствующую погрешность пзмерспия содержания МГС в спектральной области 1-ЮОмкм для большого числа МГС атмосферы. Номограммы построены для случая изолированной спектральной лшнш и в предположении о постояпстве состояния атмосферы вблизи перигея луча зрения. С помощью номограмм получены оценки оптимального спектрального разрешеши и соответствующие погрешности определения содержания МГС, показавшие хорошее ссгтпетствпе с рядом осуществленных ранее спутниковых экспериментов, что свидетельствует о применимости- предложенной методики длярешеппя поставленных прп ее создании задач.

Описанная выше методика одептсп оптимального спектрального разрешения проста л удобна, по область ее применения ограничена. Полное

ринение задачи о виборе спектральных интервалов измерений, оптимальном разрешении прибора в условиях перекрывающихся линии поглощения исследуемого газа и взаимного перекрывания полос поглощеши различных атмосферных газов может быть получено лишь при выполнении расчетов функций пропускания атмосферы и соответствующих вариационных производных в достаточно широком диапазоне спектра и прицельных высот с последующей оценкой погрешности определения профилей соответствующих газов, например, па основе методов, описанных' в главах I и 2 настоящей диссертации. Такой подход был реализован для исследования возможностей определения профилей содержания N¿0 и СО. Для исследования был выбран спектральный тпервал 2100-2200СМ"1, п котором помимо упомянутых газов наблюдается поглощение парами воды и углекислым газом. С помощью программ прямого расчета (глава 2) для упомянутого спектрального интервала с учетом поглощеши четырьмя газами были рассчитапы функции пропусгапня и соотвегствзтощие варнацно'нпые производные для случая измерения прозрачности па касательных трассах для различных прицельных высот с шагом и спектральным разрешенпсм 0.1см-'. Результаты расчетов исиользовались для оценок погрешностей решения обратной задачи. Ъылп рассчитаны остаточные дисперсии гг (ошибки восстановлении) содержаний СО и N о*'

для различных схем измерения, спектрального разрешения и ошибок измерений. Полученные результаты показывают, что измерения но веем рассматриваемом спектральном интервале с разрешением 0.1 см-' (аналог-измерений прибором типа интерферометра) пошоляют определять содержание обоих исследуемых газов па высотах менее +Окм с погрешностью не хуже 3-6% при различных (0.5-3%) ошибках измерения пропускания. Также были выполнены расчеты сг для интервалов шириной

по 10см' (но 100 измерений в каждом), покрывающих весь исследуемый

спектральный интервал. Такая схема измерений близка к применяемой в сканирующих приборах и, кроме того, эта расчеты позволяют судить о "спектральном ходе" точности восстановления и осуществить пыбор квазиоптимальных областей спектра. В частности, оказалось, что ни один из рассмотрешплх 15 интервалов не позволяет получить для N20 ошибку определения, меньшую 10% на всех уровнях ниже 40 км. Рекомендуемая п этом случае схема измерений должна включагь интервал 2160-2170см-1 и шпхрпал 2210 2220см"', что позволит получить для обоих газов погрешность, меньшую 10% на высотах до 40км. Также рассматривалась схема прибора типа фильтрового 4-х канального спектрометра. Для прибора этого типа оценка погрешности оказалась, п осповном, на уровне 10-20? с, что существенно хуже, чем в двух рассмотренных ранее случаях.

Для решения задачи определения содержания водяного пара п стратосфере в ОКБ "Интеграл" был разработан спектрометр "Икар" |1], осуществляющий измерения ИК излучения п области спектра 3802-3825см"' с относительно высоким (0.45см"') спектральным разрешением и отношением спгпал/щум 300. Для исследования возможностей прибора а обработки результатов реальпых спупшковыч измерений прозрачпостп нами созданы соответствующие комплексы программ и выполнен ряд расчета!. Теоретические оценки погрешности восстановления водяного пара показали, что для высот , менышге 40км, профиль влагосодержашш может быть получег с точностью не хуже 10%, а до высот 70км - не хуже 20%. Заметим, что увеличение погрешности измерения пропускания до 1% снижает потолок зондирования до 45-50км, что говорит об оптимальности достигнутого в приборе отношения сигнал/шум. -Эксперимент с аппаратурой "Икар" был проведен в январе 1986г. По ряду технических и организационных причин в результате проведенных измерений всего было измерено лишь два спектра поглощения водяного пара, и только один из

них соответствует точному наведепную на Солнце. Разумеется, интерпретация единичного измеренного спектра потребовала существенной коррекции разработашюго программного обеспечения. Очевидно, в сложившейся ситуации возможно было лишь оценить интегральное влагасодержацие выше прицельной высоты и, при некоторых допошштсльных предположениях, величину отношения смеси водяного пара на прицельной высоте. Полученные значения (1.5-2.0 хЮ^'мол./см^ и 0.81.5х10"3г/г) в общем достаточно хорошо согласуются с современными представлениями о влагосодержании верхней тропосферы. Следует заметить, что разработанный пакет программ операгавной обработки измерений прозрачности найдет свое применение при обработке результатов измерений следующей версией прибора работающей в беспилотном режиме на автоматическом космическом аппарате, запуск которого планируется п 1995г.

В последние десятилетня резко возрос интерес к проблемам, связанным с озоном земной атмосферы. В ОКБ "Интеграл" создано несколько моделей специализированного прибора ("Озоп-М", "Озон-Мир") дта измерения содержания атмосферпого озопа по совместным измерениям прозрачности земной атмосферы в УФ, видимой н ближней ИК областях спектра [15]. Два экземпляра таких нрибороп уже работали на орбите, а п 1995г. планируются измерения следующей, улучшенной версией прибора. Четвертая глзва диссертации посвящена решению ряда задач, связанных с исследованном потенциал!,них возможностей этой аппаратуры и оперативной обработке получаемых данных. Кратко опишем осповные особенности прибора "Озон-М", применительно к которому выполнялась большая часть работы.

1. Измерения выполняются в 4-х широких спектральных интервалах, расположенных в ультрафиолетовой, видимой и ближней И К облаиях спектра (0.25-1мкм). Во всех этих четырех пнгервалах одновременно

производится сканирование, позволяющее получить величины интенсивности нгчучення для нескольких десятков мин волн в каждом канале.

2. Спектральное разрешение прибора ДЛ=0.2-0.7нм

3. Время сканирования около 0.7сек, что обеспечивает получение не менее 20-30 атмосферных спектров при любой траектории спутника

4. Выбор спектральных интервалов ориентирован аа получение информации о содержании озона и некоторых других комнонентои атмосферы в диапазоне высот 20-70км.

5. В приборе реализованы 3 канала усиления, что позволяет повыешь точность измеренш пропусканий, близких к нулю и единице. При этом относительная погрешность измерений меняется от 0.3 до 1%.

Ослабление солнечного излучения в области спектра, в которой расположены каналы прибора, обусловлено молекулярным поглощением, молекулярным рассеянием нзлучеши и аэрозольным ослаблением. Для оценки вклада различных компонент в ослабление излучения в каналах прибора была разработана упрощенная методика приближенного расчета функций пропускания в исследуемой области спектра. Исследовалось влияние различных газовых составляющих, молекулярного н аэрозольного рассеяния. В результате расчетов оказалось, что помимо молекулярного рассеяния и ослабления аэрозолем заметный вклад в поглощение излучения в каналах прибора вносят только озон и N02- На основе этих оценок дая решения поставленных в главе 4 задач были разработаны следующие алгоритмы и соответствующие программы:

Программа расчета функций пропускания в каналах прибора на касательных трассах.

Ирограмма, моделирующая замкнутый численный ■эксперимент, объединяющая в себе расчет функций пропускания и решение обратной задачи. '

Программа, моделирующая спутниковые измерения.

Программа интерпретации спутниковых измерений.

С использованием разработанных комплексов программ были выполнены расчеты теоретических оценок погрешности восстановления профилей содержат« Озона, 5(02, параметров молекулярного рассеяния и аэрозольного ослабления излучения. Оказалось, что погрешность восстановления- профиля озона практически одинакова для различных среднеклиматических моделей атмосферы, а высотный ход и величина се несколько изменяются лишь для случаев, соответствующим резким отклонениям профиля содержания озона от средних. Относительная погрешность в определении профиля содержания озопа составляет 8-10% для границ исследуемого диапазона высот (20-70км) и около 8% в области высот 45-50км, а в остальной части высотного диапазона ее величина замелю меньше (5-6% для высот 50-65км и 3-4% для высот 25-40км). Величины теоретических оценок погрешности восстановления профиля содержат» двуокиси азота также близки для различных рассмотренных профилей, оставаясь в пределах 15-20% в диапазоне высот 20-50км. Хотя эта погрешности замегпо выше соответствующих величин для озоиэ, информация о профиле N02 представляет собой существенный интерес, поскольку . этот газ изучеп ' значительно хуже озопа. Вследствие отиоситслшо небольших оптических толщ аэрозольного ослаблсппя на прицельных высотах свыше 35-40км и влияния молекулярного ослаблсншг излучения точность определения коэффициента ослаблсппя годучешм аэрозолем оказывается лучше 50% только для высот, меньших 40км.

Очевндно, для мощных аэрозольных слоев потрешноаь окажется существенно меньшей.

Представляет нтерес сопоставление величин теоретических оценок погрешности восстановления параметров атмосферы рассматриваемым прибором н известным прибором SAGE. Выполненные расчеты показали, что использование многокаиальион схемы н более широкого спектр алию1, о интервала в приборе "Озон-М" (относительно SAGE) приводит к существенному повышению то'шости определешш содержания обоих исследуемых газов и существенному расширению высотного диапазона получаемых значений содержания. Гак, если для прибора SAGE на высотах 50-70км погрешность определения содержания 03 составляет 20-50%, то .чногоканальпый спектрометр позволяет определить эту величину с погрешностью 5-10%. Существенно улучшайся и погрешность восстановления содержания NO2. Если для SAGE погрешности восстановления содержания NCH в диапазоне высот 20-50км составляют 25-W ., то д ля прибора "Озон-М" они уменьшаются до 15-20% соответственно.

С помощью программ, специально созданных для расчетов по схеме замкнутого численного эксперимента, была выполнена серия расчетов по моделированию измерений с использованием представительною набора модельных состояний атмосферы (всего ! 5 различных моделей атмосферы). Результаты расчетов для профилей, принадлежащих апрнориому ансамблю, подтверждают рацее полученные оценки погрешностей восстановления содержания газов и аэрозоля. Численные эксперименты с профилями, имеющими существенные отличия (до 10 крат) от срсднеклнматических моделей подтвердили работоспособность алгоритмов решения обратной задачи и в этих случаях, показав незначительное увеличение ошибки восстановления.

В 1988-1990г.г. на ИСЗ серии "Метеор" были проведены измерения прозрачности атмосферы на касательных трассах двумя экземплярами рассматриваемого прибора "Озон-М". К сожалению, в связи с многочисленными и разнообразными техшпсскими дефектами, неполадками и организационными сложностями пригодность имеющихся результатов . измерений прозрачности первым из них для получения профилей МГС представляется неудовлетворительной. Тем не менее, с учетом ряда ограничений, допущений и с помощью коррекции поступившей информации было получено некоторое количество (около 20) профилей вертикального распределения озона в атмосфере Земли, хотя достоверность их не бесспорна. Несмотря на упомянутые выше дефекты всего процесса измерений и формирования информации, описывающей эксперимент, гтредстаплеяпме результаты демонстрируют пригодность и эффективность разработанного комплекса программ и алгоритмов для обработки спутниковой информации.

В процессе функционирования прибора 2 были получены результаты измерений приблизительно по 50 випсам, причем качество передачи информации сзтдеспзашо улучшено. Фактически пригодными к обработке оказались около 50% полученных данных. Предварительные результаты обработки измерений показали, что существует необходимость дополнительного исследования характеристик аппаратуры н уточнения высотной привязки наблюдений. С этой целью были подробно изучены даппые телеметрия ряда витков я условия ее получигая. Анализ этих измерений позволил сделать ряд выводов об отклонениях в работе прибора от запланированных параметров, и соответственно скорректировать полученную информацию.

После проведения коррекций телеметрическая информация прибора 2 была обработана с помощью разработанного пакета программ.

Выпо.'шйшыс измерения опюсятся к концу января - началу февраля 1990г. н прноянштглыю 70 град, северной широты для различных долгог. < >пшчи roübiifiil особенностью восстановленных профилей содержания озона является значительное (ца порядок и более) превышение концентраций озона на высотах 60-80км по сравнению со среднеклиматическими значениями. Для февральских измерений это превышение охватывая значительно более широкий слой (40-Sükm) и составляет большую величину. Январские измерения профилей озона достаточно хорошо согласуются с модельными значениями в слое 20-40 км. При эюм для (тих восстановлений в ряде случаев обнаруживался дефицит озона (по сравнению со ср'-днеклнматнческими моделями) в слое 20-30 км. Естественно встает вопрос о достоверности полученных данных, особенпо в свете произвольности и приближенности ряда сделанных предположешш на этане коррекции телеметрической информации. Отсутствие независимой информации о реальном состоянии озоносферы в моменты п в районах измерении делает необходимым провеян сопоставление с типичными значениями определяемых величин. Сравнивая данные о содержании озона в мезосфсре с полученными профилями, можно вновь сделать, вывод, что результаты восстановления по данным измерений рассматриваемой в данной главе аппаратурой дают существенно завышенные зпачения концентрации озона. 'Лот вывод справедлив и с учетом пространственной и временной изменчивости содержания озона, которая, по независимым i.annLiM. достигает изменений концентрации озона в 3 раза. Завышения концентраций озона по данным измерений прибора 2, как отмечалось pauee, составляют порядок и более. Лналит различных возможных причин обнаруженных рассогласований позволяет сделать вывод, но паиболее вероятной причиной полученных результатов (¡завышенных содержаний озона) могут быть систематические погрешности в задании абсолютной

высотной привязки измереиий прозрачности атмосферы на касательных трассах, обусловленные погрешностями временной (либо баллистической) привязки соответствующих данных.

Заметим, что в процессе работы с данными прибора 1. был сделай аналогичный вывод, хотя и существенно менее обосповаппый из-за малого объема обработанной информации и низкой ее достоверности. Кроме того, в ходе численных экспериментов было показано, что коррекция положения спутника (юга временной привязки измерений, что в данном случае эквивалигтпо) позволяет получить и для прибора 2 профили озона, допустимые с точки зрепия изложенных выше соображений.

Отметим, что основные результаты исследований, приведенных в данной главе, использовались при формулировке технических требований при создании усовершенствованного прибора для измерений прозрачности атмосферы па касательных трассах "ОЗОН-МИР" (экологический модуль станшш "МИР', международный проект "Природа"), а основной комплекс программ (после соответствующей доработки и усовершенствования) будет прпмспеп при интерпретации последующих измерений, проведение которых планируется в 1995 году.

В заключении формулируются основные результаты диссертации:

1) Предложенное в диссертации расширение' известного метода статистической регуляризации для решения нелинейных задач может найти применение (и уже находит его) при решении различных обратных задач атмосфсрпой оптики.

2) Разработанный в ходе работы над диссертацией пакет программ прямого расчета функций пропускания находит разнообразные применения как па кафедре Физики атмосферы НИИФ СПбГУ, так и в других организациях. Обширный многолетий опыт его эксплуатации свидетельствует о применимости созданпого программного обеспечения

для решения широкого класса задач, связанных с переносом инфракрасною излучения в атмосфере, в том числе включая расчеты функций пропускания однородной и неоднородной среды, их вариационных производных, теплового излучения в его вариационных производных и т. д.

3) Предложенная приближенная методика оценки спектралыюго разрешения инфракрасной оптической аппаратуры дает хорошие результаты, что подтверждается сопоставлением с характеристиками пекоторых приборов, и в ряде случаев может бьггь использована для оценок требуемого спектрального разрешения разрабатываемой аппаратуры.

4) Разработанный комплекс программ для обработай результатов измерений аппаратурой "Икар" и выполненные с его помощью расчеты позволяют сделать вывод о высоких потенциальных возможностях аппаратуры подобного типа. Пакет программ для обработки спутниковых измерений, практическая ценность которого подтверждается результатами обработки имеющихся данных реальных измерений, планируется использовать для обработки результатов измерений аппаратурой "Феникс", запуск которой будет осуществлен в 1995г.

5) Созданы программы численного моделирования измерений и решения замкнутой обратной задачи, а также интерпретации спутниковых измерений прозрачности атмосферы прибором "Озон-М". Исследованы характеристики теоретической точности восстановления профилей озона, N20, параметров молекулярного и аэрозольного ослабления излучения с использованием прибора "Озон-М" и описаиных алгоритмов. При этом достижимая погрешпость определения высотных профилей содержания озона в диапазоне высот 20-70 км не превосходит 8%, N02 в ;шапазонс высот 20 - 50 км колеблется от 18 до 25%, коэффнцнетпа ослабления излучения аэрозолем в диапазоне высот 20 - 35 км лучше 50%.

Показаны существенные преимущества приборов типа "Озон-М" но сравнению с четырехканальпым фотометром SAGE.

(1) На оснопе реальных снупщкопы;; измерений, лыпллипшмх двумя образцами прибора Tima "Озоп-М" показала пригодность разработанпых программ для обработки спутниковой измерительной информации. Получены профили высотного хода содержания озопа.

7) Отметим, наконец, чт& основные результаты исследований, выполненных п ходе работ по интерпретации измерений прибором "Озон-М" использовались при формулировке технических требований при создании усовершенствованного прибора для измерений прозрачности атмосферы па касательных трассах "ОЗОН-МИР' (экологический модуль станции "МИР', международный проект "Природа"), а основной комплекс программ (после соответствующей доработки и усовершенствования) может быть применен при интерпретации последующих космических экспериментов в 1995г.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование концентрации Н20 в атмосфере па касатслып.гс трассах с п0мощьк> бортового ИК спектрометра "Икар-2". (соавторы Белацкпй В.В., Никушип Ф. А., Прохоров В. М., Семенов К). П., Тимофеев Ю. М., Тонкой М. В.) // В сб. "Дистанционное зондироваппе атмосферы с борта орбитальпого комплекса "Салют-7 - Космос-1686- Союзт-14". Гарту.: Издательство института астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР, 1986. С.141-164.

2. Сравните различных методик прямого расчета функций пропускания 15 мкм полосы CÜ2 с экспсрпмснталытмп датшми. (соавторы Вг.с:пьков А. П., Варнава В. А., Дслср В., Клрасев А. В., Осипов В. М.,' Тимофеев Ю.М., Шпетсух Д.)// В кн. Дистанционное зондирование агмссфсри со гпуптка "Метеор". Л. :Гпдрометеоиздат. 19"'9. С. 131 112.

3. Возможности исследования содержания малых газовых составляющих атмосферы с искусственного спутника Земли быстродействующим спектрометром ттша Мкар-2. (соавторы Занадворов II. Н., Тимофеев Ю.М., Лаптев В. С., Белицкпй В.В., Борисов А. В.) //1-я Всесоюзная конференция по количественному анализу неорганических газов. Л.. 1983. С. 73-76 .

4. Номограммы для оценки возможности определения малых газовых составляющих атмосферы // в кн. Методы исследования газового и аэрозольного состава атмосферы (Проблемы физики атмосферы; Вып. 17} Л.: Изд-во Лепиптр. ун-та, 1982. С. 194-202.

5. Итерационный метод решения нелинейных обратных задач с использованием априорной информашш. (соавтор Розанов В.В.) //Груда ГосНИЦИПР. 1989. Вып. 33. С. 99-103.

6. Использование нрямых методов расчета характеристик молекулярного поглощения в задачах дистанционного зондирования атмосферы, (соавтор Тимофеев Ю.М.у/Возможности исследования природных ресурсов дистанцдонными методами, межвузовский сборник. Л.: Ленинградский университет, 1986. С. 36-42.

7. Об оценке спектрального разрешения оптической аппаратуры для измерения малых газовых составляющих атмосферы, (соавтор Тимофеев Ю.М.) //Метеорология и пшрологшг. 1982. №3. С. 102- 106.

8. О точности определения содержания малых газовых составляющих атмосферы затменным методом, (соавтор Тимофеев Ю.М.)// Тезисы докладов 111 Всесоюзного совещанья по атмосферной оптике и актинометрии. Томск, 1983. ч. II. С 150-151.

9. Эффективный алгоритм прямого расчета функций пропускания и примеры его использования, (соавтор Тимофеев Ю.М.)//В кн. Дистанционное зондирование атмосферы со спуяшка "Метеор". Л.: 1 ндрсметсоиздат, 1979. С. 105-112.

10. Определение характеристик состояния озопосферы по данным спутниковых наблюденпй.( соавторы Тимофеев Ю.М., Бирюлина М. С:, Иоберовский А. В., Розанов В.В. ) //Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума по атмосферному озону. Ленинград, 15-17 мая 1985,.С. 12.

11. Сравнение различных схем измерений прозрачности атмосферы на касательных трассах в задаче определения вертикальных профилей О3 и N02 (соавторы Тимофеев Ю.М., Розапов В.В. ) // в кн.: тезисы докладов Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы" апрель 1989г., Звенигород' М., ¡959. С. 95.

12. О точности определения вертикальных профилен содержания О3 и N021,3 основе измерений прозрачности атмосферы па касательных трассах (соавторы Тимофеев Ю.М., Розанов В.В.) // в кн.: Тезисы докл. I Всесоюзной конференции по количественному анализу неоргапических газов. Ленинград, 1983. С. 73 - 74.

13. Мпогоспсктральпый метод определения верттлеалъпых профилей содержания О3, N02 и аэрозольного ослабления радггащпг п атмосфере, (соавторы Тимофеев Ю.М., Розапов В.В., Поберовскин Л. В.) //Метеорология и гидрология, 1986. №8. С. 66-73.

14. Совместное определеппе вертикальных профилей температуры, влажпостп п содержания озоиа в атмосфере по данным измерений уходящего теплового излучения (соавторы Тимофеев ГО. М., Бпрюлппа ГЛ. С.) //Тезисы докладов XI Всесоюзи. сопещ. по аттпюмстрии. Ч VI: Днстанцпоппое зондирование атмосферы п подстилающей поверхности. Таллин. 1980. С. 112-115.

Литература других авторов, использованная в автореферате.

15. Занадворов П. Н., Побсровскпй А .В., Лаптев , н др. Спектрометр для исследования содержания озона методом затменпого зондирования с

ИС'З //тезисы докладов I Всесоюзной конференщш по анализу ' неорганических газов. Ленинград, 27-29 сентября 1983. С. 19-20.

16. Тимофеев Ю. М. Спутниковые методы исследования газового состава атмосферы (обзор)// Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. №5. С. 451-472.