Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование радиационного режима облачной атмосферы с использованием данных многоугловых измерений солнечной радиации

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование радиационного режима облачной атмосферы с использованием данных многоугловых измерений солнечной радиации"

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет»

(РГГМУ)

На правах рукописи УДК [551.521.1]

Гения Мванго Джефва

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО РЕЖИМА ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ МНОГОУГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Специальность 25.00.30 — метеорология, климатология и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 О ЛЕН 2012

Санкт-Петербург 2012

005047548

005047548

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет».

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук Мельникова Ирина Николаевна

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук

Васильев Александр Владимирович

Доктор физико-математических наук

Синькевич Андрей Александрович

Ведущая организация:

Международный Центр по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию им. Нансена (г. С.-Петербург)

Защита диссертации состоится 27 декабря 2012 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного Совета Д.212.197.01 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, д. 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан 26 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.197.01

доктор географических наук, профессор А.И.Угрюмов

Актуальность темы

Ухудшение экологической ситуации во многих регионах земного шара и на планете в целом требует исследований взаимодействия солнечной радиации, облачности и атмосферных аэрозолей, основанных на экспериментальных данных. Известно, что динамика облачного покрова и облачно-радиационные обратные связи играют главную климатообразующую роль в атмосфере земли. Глобальное потепление, связываемое с изменением температуры и обусловленное парниковым эффектом, будет сопровождаться усилением осадков в одних регионов и опустыниванием территорий в других. Выявлена корреляция спада осадков в субсахарской зоне с начала 60-х годов (т.е. в период засухи) с аномалиями температуры поверхности Индийского и Атлантического океанов в этот период. Взаимодействие между облачностью и безоблачной атмосферой является важнейшим фактором определяющим влагосодержание безоблачной атмосферы и интенсивность осадков. Уменьшение количества осадков вызывает опустынивание земель, что относится к крупным экологическим катастрофам. В частности к такому явлению можно отнести деградацию экосистемы в Сахели (Африка). Дистанционные методы восстановления оптических характеристик облачности способствуют определению влагосодержания облаков и построению прогнозов выпадения осадков в засушливых зонах. Понятно, что большие неопределенности численного моделирования связаны с неадекватным учетом взаимодействия атмосферы и океана, динамики облачного покрова, взаимодействия облачности и радиации. Адекватные реальной природе модели требуют экспериментальной проверки и осуществления полевых экспериментов. Результаты одного такого самолетного эксперимента анализируются в данной работе.

Цели работы

• Восстановление оптических параметров облачного слоя из самолетных имсрений интенсивности рассеянной солнечной радиации прибором CAR в

NASA, Goddard Space Flight Center с применением аналитического метода решения обратной задачи.

• Расчет лучистого коротковолнового притока тепла в слое облачной атмосферы, оценка скорости нагревания облачного слоя за счет коротковолоновой солнечной радиации и водозапаса облака для прогнозирования вероятности выпадения осадков на основе оптической модели, полученной при решении обратной задачи.

Основные задачи исследования:

• Вывод новых аналитических формул и уточнение имеющихся формул решающих обратную задачу оптики облаков для разной геометрии измерений (над облаком, под облаком, внутри облака на разных уровнях),

• Разработка алгоритма обработки экспериментальных данных, составление компьютерных программ для обработки данных, выбор метода регуляризации решения, и его реализация в программных кодах, анализ полученных результатов,

• Расчет лучистого коротковолнового притока тепла, скорости нагревания и водозапаса облака на основе полученных в работе оптических параметров.

Методы исследования

базируются на асимптотических формулах теории переноса радиации, методах

решения обратных задач и теории рассеяния.

Научная новизна работы.

• Получен ряд новых аналитических формул для решения обратной задачи оптики облаков из данных измерений рассеянной интенсивности солнечногой радиации.

• Предложен новый алгоритм обработки экспериментальных данных для определения оптических параметров облака при различной геометрии измерений.

• Впервые получены сразу два параметра облака: альбедо однократного рассеяния и оптическая толщина из данных самолетных измерений интенсивности солнечной радиации в облачной атмосфере для каждого спектрального канала независимо и без привлечения дополнительных ограничивающих допущений. Именно поэтому использованный метод дает значительное преимущество перед многими применяемыми ранее подходами к решению обратной задачи оптики облаков.

• Впервые проведена оценка лучистого притока коротковолновой радиации в слое облаков, скорости нагревания и водозапаса облака из измерений подобного рода.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Ряд новых аналитических формул для решения обратной задачи оптики облаков для обработки данных измерений над облаком, под облаком, внутри облака на разных уровнях

2. Алгоритм обработки экспериментальных данных,

3. Компьютерные программы для обработки данных,

4. Метод регуляризации решения, и его реализация в программных кодах,

5. Значения оптических параметров протяженного слоистого облака в 8-ми спектральных каналах, полученные из данных измерений над облаком, под облаком и на 11 уровнях внутри облака

6. Значения лучистого коротковолнового притока тепла, скорости нагревания и водозапаса облака, рассчитанные на основе оптической модели, полученной из решения обратной задачи оптики облаков.

Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на применении математически строгой теории переноса излучения, теории рассеяния света, и теории обратных задач правомочность которых доказана многолетним их применением, и сравнением полученных результатов с результатами других авторов и измерений.

Практическая значимость работы определяется необходимостью знания оптических параметров облачности, полученных из экспериментальных данных, для выяснения вопроса взаимодействия солнечной радиации -атмосферного аэрозоля — облачности; для расчета коротковолнового радиационного баланса облачной атмосферы; для построения оптических и радиационных моделей атмосферы в численных моделях климата; для оценки водозапаса облаков и прогноза количества осадков.

Личный вклад автора

Автором выведен ряд новых формул, решающих обратную задачу оптики облаков. Построен алгоритм обработки экспериментальных данных. Созданы компьютерные программы для обработки данных. Проведен анализ полученных результатов. Выполнена регуляризация решения задачи и получена оценка величины ряда важных метеорологических параметров.

Апробация работы.

Результаты исследований были доложены на международных и российских конференциях:

• 4-ый межрегиональный научный семинар «ЭКОЛОГИЯ И КОСМОС». Памяти Академика К Л. Кондратьева. НИИ Физики им. В. А. Фока, Санкт-Петербург, Петродворец, 08 февраля 2010

• 5-ый межрегиональный научный семинар «ЭКОЛОГИЯ И КОСМОС», Санкт-Петербург, 09 февраля 2012.

• Восьмая Всероссийская Открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов) Москва, ИКИ РАН, 15-19 ноября 2010

• 13th Conference on Atmospheric Radiation. Portland, Oregon. 28 June-2 July 2010.

• Конференция РГГМУ. Санкт-Петербург. Февраль 2011

• Девятая открытая Всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, 14-18 ноября 2011

• 34th International Symposium on Remote Sensing of Environment. The GEOSS Era: Towards Operational Environmental Monitoring. Sydney, Australia, 10-15 April 2011

• The International Radiation Symposium (IRS) 2012, Berlin, Germany, 06-10 August 2012

• Восьмая международная конференция Естественные и антропогенные аэрозоли. 1-5 октября 2012 г. Санкт-Петербург.

• Десятая открытая Всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, 12-16 ноября 2012

Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в

работе опубликованы или представлены для публикации в печатных изданиях:

• Сборник статей по материалам 4-ого межрегионального научного семинара «Экология и космос»» Санкт-Петербург. НИХИ СПбГУ. 2010, 2012;

• Сборники ИКИ РАН «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Москва. 2010, 2012.

• Proceedings of 34th International Symposium on Remote Sensing of Environment. The GEOSS Era: Towards Operational Environmental Monitoring. Sydney. Australia. 10-15 April 2011

• Журнал CO РАН Оптика атмосферы и океана, 2013

• Журнал Известия РАН, серия Физика атмосферы и океана, 2013

• Ученые записки РГГМУ, 2012

• Proceedings. The International Radiation Symposium (IRS) 2012, Berlin, Germany, 06-10 August 2012

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 2 приложений и списка литературы - 86 наименований, 12 таблиц и 15 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении на основе анализа современного состояния проблемы вариаций климата, повышения средней глобальной температуры, изменения осадков в засушливых зонах показана важность и актуальность заявленных в работе целей. Сформулированы основные задачи исследования, аргументирована обоснованность и достоверность полученных результатов.

В первой главе осуществляется физическая и математическая постановка задачи взаимодействия атмосферных аэрозолей, облачности и солнечной радиации на основе строгой теории переноса излучения и теории рассеяния. Введены и описаны основные понятия и характеристики указанного взаимодействия и рассмотрены особенности прямой задачи оптики облаков -диффузное приближение и асимптотические формулы теории переноса. Рассмотрен случай слабого истинного поглощения в среде и приведены соответствующие разложения асимптотических величин и функций по малому параметру. Представлены сведения о точности асимптотического метода. На основе анализа имеющейся информации о свойствах слоистой облачности показано, что для реальные слоистые облака достаточно протяженные и долгоживущие образования и применение рассмотренных подходов вполне правомерно для получения достоверных результатов.

Во второй главе описан прибор CAR с посмощью которого проводились измерения. Представлен процесс его калибровки, проведен анализ погрешностей измерений и описаны условия проведения самолетного эксперимента, результаты которого рассматриваются в работе. В третьей главе приведены основные сведения о математичеком аспекте решения обратных задач, перечислены подходы и методы определения

оптических параметров облачности других авторов и показано, что применяемое в данной работе аналитическое решение обратной задачи оптики облаков имеет ряд преимуществ, а именно: возможность определять сразу два оптических параметра (оптическую толщину и альбедо однократного рассеяния или объемные коэффициенты рассеяния и поглощения) для каждой длины волны или спектрального канала независимо, отсутствие ряда ограничивающих предположений (о консервативности рассеяния света в облаках, о полубесконечности оптической толщины облачного слоя) и ограничивающих связях между параметрами (равенство оптической толщины в разных спектральных каналах). Представлен аналитичекий аппарат, частично полученный автором, который служит основой для решения поставленной задачи. В частности, формулы для определения параметра подобия я2=(1-®оУР(1-я)], где соо - альбедо однократного рассеяния и g - параметр асимметрии индикатрисы рассеяния имеют вид:

• для обработки данных измерений отраженной радиации над облачным слоем

где рх и р1 измеряемые интенсивности отраженной радиации в двух углах визирования агссвя//, агссо5//2 и рлр-2,ра,<р) - коэффициент отражения полубесконечной консервативной атмосферы (г0=оо, ю0= 1), q' = 0,714; К(р), К0(Ц) и К2(р) - функция выхода и коэффициенты ее разложения по малому параметру л; а2(р) - это второй коэффициент в разложении функции плоское альбедо. Вид этих функций известен и значения для заданных углов солнца и визирования можно найти в таблицах или рассчитать по аппроксимационным формулам.

[Ро (р, )-р, ) - \ра (<р, /у/;,,) - р2 }К„ (>,)

(1)

^[Я-А]

для обработки данных измерений пропущенной радиации под облачным слоем

о-г^о (/О

-1

1

K2(Pi) K2(fi2)

(2)

K0(Ml) А-{1(//2)

где <Т] и о"2 измеряемые интенсивности пропущенной радиации в двух углах визирования arceos//] arceos/^

• для совместной обработки данных измерений отраженной и пропущенной радиации над и под облачным слоем

^о О)2 (л, - - ^о (/*)' с2

(3)

С = <тгК1(И)

277f2 + =

+ 1 Vy^ + M/O + "2 | + ^G")

Формулы для определения оптических параметров из измерений внутри облака следующие:

Для подслоя, примыкающего к верхней границе облака, обозначая У, =1\ -¡\ :

:K2(/i) а2(цп)аг(ц) ' К0(М) 6q\pa-p)

( 4/T/M

(4)

4- Т

Для внутренних подслоев облака, обозначая J¡ =I¡ -/, , имеем:

36/Í2 [J2 (r,_, )/(/;, r,)/(-/*, r,)-J2(T,)/(//, rM)/(-//, r,.,)]

Для нижнего подслоя, примыкающего к нижней границе облака:

■V'

27<7,2+ =

2 А

Формулы для определения оптической толщины здесь не приводим, они также даны в диссертации. Аналитическое представление решения обратной задачи позволяет получить формулы для погрешностей, вызванных процедурой обработки данных, которые служат для регуляризации окончательных результатов в алгоритме программы обработки. Анализ погрешностей метода восстановления, регуляризация полученного решения и учет горизонтальной неоднородности облака подробно описаны в тексте диссертации. В четвертой главе представлены полученные результаты восстановления оптических параметров облака из всех имеющихся в эксперименте наблюдательных данных. Подробно описан алгоритм обработки экспериментальных данных для каждого случая: наблюдений над облаком, под облаком, совместной обработки и наблюдений внутри облака на каждом уровне. Результаты для случаев обработки наблюдений над, под облаком и совместной обработки приведены в Таблице 1.

На рисунке 1 представлены вертикальные профили оптической толщины и альбедо однократного рассеяния для 2-х спектральных каналов 340 и 870 им, полученные из анализа данных внутри облака. Надо иметь в виду, что погрешности этих результатов значительны потому, что измерения проводились близко к верхней границе облака. Геометрическая толщина нижнего подслоя облаков 130 м, все верхние подслои толщиной около 10 м. Резкие вариации оптических параметров с высотой коррелируют для разных спектральных каналов, поэтому можно сделать вывод, что полученные результаты отражают реальную вертикальную неоднородность облачного слоя.

Процедура сглаживания с учетом вариаций, повторяющихся в разных спектральных каналах, поможет получить более надежные значения.

Таблица 1 - Результаты определения оптических параметров облака из самолетных радиационных наблюдений.

Л, мкм 0,340 0,381 0,472 0,682 0,870 1,035 1,219 1,273

В азе 28,0 18,2 21,84 13,0 11,1 11,7 13,9 15,3

Тор 9,8 11,7 16,4 22,3 23,8 36,5 20,0 18,2

Гор+Ваэе 13,2 11,3 16,1 28,9 14,1 18,44 13,8 12,0

Г Ваве 41,9 33,9 29,6 25,4 26,7 27,4 21,1 18,7

Тор 10,0 11,9 16,8 23,3 25,2 10,30 5,62 7,41

Гор+Ваэе 24,6 28,2 29,7 26,5 16,6 18,8 24,0 21,4

МБЭ г 0,002 0,003 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002

<7 КМ"' Вазе 104,8 84,6 85,0 72,29 63,6 68,5 67,0 72,0

Тор 25,2 29,7 42,0 58,3 63,0 91,2 52,7 46,9

Тор+Вазе 61,5 70,5 74,2 66,3 41,5 47,0 60,0 53,5

Я Вазе 0,067 0,064 0,066 0,063 0,053 0,061 0,053 0,056

Тор 0,009 0,01 0,004 0,006 0,007 0,012 0,010 0,004

Гор+ВаБе 0,0150 0,015 0,015 0,017 0,022 0,060 0,0155 0,0169

еоо Вазе 0,996964 0,996529 0,996435 0,996194 0,996004 0,995422 0,995393 0,995828

Тор 0,999796 0,999733 0,999718 0,999670 0,999624 0,999632 0,999621 0,99964С

Тор+Вазе 0,970319 0,989642 0,996325 0,99649 0,99786 0,99683 0,999555 0,99547

1-0)0 Ваве 0,003036 0,003581 0,003565 0,003806 0,003996 0,004578 0,004607 0,004172

Тор 0,000264 0,000267 0,000282 0,000330 0,000376 0,000368 0,000379 0,000360

Тор+Вазе 0,029681 0,010358 0,003675 0,00361 0,00214 0,33134 0,000445 0,00453

к, км1 Вазе 0,3182 0,3031 0,3029 0,2813 0,2541 0,3135 0,3086 0,3005

Тор 0,0066 0,0079 0,0118 0,0192 0,0240 0,0336 0,0200 0,0169

Тор+Вазе 0, 9813 0, 2931 0, 2726 0,1687 0,0937 0,1196 0, 0267 0,1638

МБР са 0,0008 0,009 0,004 0,004 0,004 0,004 0,024 0,006

1.4 1.2 1

!

f M

3

° 0.6 o.< 0,2 0

472 nm

a- _ f

1.6 1.4

1.2 > 1

| 0.8 3

m o. o, 0,2

"I

i.i i

Оптическая толщина

0,010 0,020 0,030

Альбедо однократного рассеяния

Рисунок 1 - Вертикальные профили а) оптической толщины в канале 472 нм и б) 1-альбедо однократного рассеяния между уровнями измерений в канале 680 нм, восстановленные из измерений NASA в 2000 г. (сплошные линии) и из измерений над Ладогой в 1985 г. (штриховые линии)

Для сравнения с полученными значениями оптических параметров

рассмотрены результаты восстановления параметров облачных слоев

полученные из самолетных радиационных измерений полусферических

потоков солнечной радиации, выполненных в Ленинградском (Санкт-

Петербургском) государственном университете в 1974 г. над Атлантическим

0,000

. 30 25 -20 -15 10 5 0

— 1: II July 1174 • 2: 04 Aug.1174 Т»В

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Длина волны, мкм

0,5 0,7 0,9 1,1

Длина волны.мкм

1,3

Рисунок 2 - Сравнение спектральных значений оптических параметров полученных из различных самолетных измерений

океаном у северо-западных берегов Африки в эксперименте ТРОПЭКС и в 1985 г. над Ладожским озером. В самолетных экспериментах применялся спектрометр, сконструированный и калиброванный специально для измерений солнечной радиации в атмосфере в диапазоне спектра 0,35-0,95 мкм со спектральным разрешением 0,002 мкм.

Измерения выполнялись в двух полетах в рамках международного эксперимента АТЭП (GATE) у берегов Северо-Западной Африки на широте 16 и 17° с.ш. 12.07.1974 (толщина облачного слоя 0,90 км) и 04.08.1974 (толщина облачного слоя 0,30) над и под облачным слоем после выноса песка из Сахары. Альбедо поверхности рассчитывалось по измеренным в экспериментах значениям отраженного и падающего потоков радиации на нижнем уровне полетов.

На рисунке 2 показаны спектральные зависимости оптической толщины и ко-альбедо однократного рассеяния, полученные из российских самолетных спектральных измерений, и результаты полученные в данной работе из наблюдений НАСА. Ромбами отмечены результаты, полученные из измерений под облаком, треугольниками — из измерений над облаком, и квадратами - из совместной обработки измерений над и под облаком.

Следует отметить, что все результаты настоящего исследования хорошо согласуются с величинами, полученными ранее. Таким образом, близкие значения альбедо однократного рассеяния и оптической толщины, а также ее спектральная зависимость выявлены в разных самолетных экспериментах, различающихся временем (1974 и 2000 гг), местом (Северо-запад и Юго-запад Африки), приборами (спектрометр и многоканальный радиометр) и измеряемой характеристикой (полусферические потоки и интенсивности). Результаты обработки измерений отраженной интенсивности радиации над облаком демонстрируют значительно более слабое поглощение и меньшую оптическую толщину, чем при обработке пропущенной радиации под слоем облака. Этому обстоятельству может служить то, что в верхней части облака

меньше поглощающих радиацию аэрозолей и меньше коэффициенты рассеяния и поглощения. Подобная картина получается и в результате анализа измерений

б)

1.3

>г.1В85

Рисунок 3 — а) Спектральная зависимость альбедо водной поверхности:

Атлантический океан 1974 г. и 2000 г. и Ладожское озеро 1985 г. б) Лучистый приток коротковолновой солнечной радиации в слое 1 км в относительных единицах от падающего солнечного потока

Альбедо поверхности представлено на рисунке За вместе результатами, полученными в эксперименте по программе ОАТЕ-1974 и измерениями над Ладожским озером в 1985 г. над водной поверхностью. Подчеркнем, что в УФ интервале все представленные результаты демонстрируют влияние подоблачного слоя атмосферы в УФ области, связанное с релеевским рассеянием. Спектральная зависимость в случае ОАТЕ-1974 указывает на влияние подоблачного слоя атмосферы и в полосе поглощения кислорода 0,762 мкм. Измерения над океаном и в 1974 и в 2000 гг. выполнялись на высоте 400500 м и величина альбедо на нижнем уровне измерения характеризует альбедо системы поверхность-подоблачный слой атмосферы. Нижний уровень измерений в 1985 г. находился на 100 м, поэтому подоблачная атмосфера влияет значительно слабее и не увеличивает альбедо поверхности. Высокое содержание пылевого аэрозоля спровоцировало сильное рассеяния и более

высокое значение альбедо системы подстилающая поверхность-подоблачный слой. Обратим внимание на практически совпадающие результаты альбедо поверхности океана в случае измерений над Атлантикой 4 Aug 1974 и 13 Sep 2000.

Расчет величины поглощения радиации (лучистого притока) в облачном слое

проведен по известной формуле dR(//ь) = [(F1' - F* )top- {F^ - F1 )base]/Az, где F* и t

F полусферические нисходящий и восходящий потоки на верхней и нижней границе облака соответственно. Соответствующие результаты представлены на рисунке 36 сплошной и пунктирной линиями. В случае наблюдений НАСА лучистый приток рассчитан методом Эддингтона на основе полученных оптических параметров облака и обозначен черными квадратами. Скорость нагревания атмосферного слоя содержащего облачный слой в коротковолновом спектральном диапазоне можно оценить как

8ТЛ _ dR dt J ~ rC. dz

(7)

где,

<Ш/с12 — лучистый приток тепла в слое 1 км, здесь составляет 0,2.10"3; дГ— изменение температуры в течение дня;

= 1000 Дж/(с м2) — солнечная постоянная в коротковолновом спектральном диапазоне (0,3 - 1,0 мкм);

г = 1кг/м3 — плотность воздуха на уровне 800 мб;

Ср = 1005 Дж/(кг град) — удельная теплоемкость сухого воздуха, Ср = 1952 Дж/(кг град) - удельная теплоемкость водяного пара при постоянном давлении; 4218Дж/(кг град) — удельная теплоемкость жидкой воды при температуре 0°С; для расчетов принято среднее значение Ср = 2392 Дж/(кг град).

Приближенная оценка скорости нагревания атмосферного слоя толщиной 400 м с облаками за счет коротковолновой солнечной радиации в течение дня (12 часов - светлое время) дает ЛТ~3,61 град/сутки.

Определение оптической толщины позволяет оценить водность облака, что важно для прогноза количества осадков. Известно простое соотношение между этими величинами :

1у=Яю1 = 11£_

А: 1,5Дз 4 '

где IV - водность облака (г/м3), Q - водозапас (кг/м2), Дз- геометрическая толщина облака, г — средний эффективный радиус капли, р — плотность воды. Поскольку определение оптической толщины из измерений под облаком имеет наименьшую погрешность и почти не зависит от угла визирования (как и должно быть в идеальном случае), то выберем значение оптической толщины на длине волны 1 мкм х = 25. Средний размер капель в облаке зависит от температуры нижней границы облака (°С) и от высоты над нижней границей (км), и его можно оценить по аппроксимирующей формуле

г = 5(1 +4,8 10"2 (9+2 10~2 02)(1 + 0,165 2 + 0,105 г2) (9)

Принимая температуру нижней границы облака 15°С, и учитывая, что высоты нижней и верхней границ облака равны 400 и 800 м соответственно, получим для среднего радиуса г = 9,1 мкм. Так как толщина облака Дг=400 м и плотность воды 1 г/см3, имеем для водности ^=0,375 г/м3, а для водозапаса облака () = 0,15 кг/м2. Оценки по формуле, приведенной в справочнике «Облака и облачная атмосфера»

0=0,13(1 +3,7 1О_20)(1 + 5,0 6,0 г2+ 2,1 г3)

(10)

дают соответственно значения: W = 0,358 г/м3 и Q =0,143 кг/м2, что хорошо согласуется с полученным результатом.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы. Рассматриваемые данные самолетных наблюдений представляют собой богатый материал и позволяют всесторонний анализ облака с точки зрения строгой теории переноса излучения. Рассматриваемый эксперимент послужил основой для создания детального алгоритма обработки аналогичных данных. Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1. Измерения интенсивности сильнее подвержены влиянию случайных вариаций ориентации самолета, чем измерения полусферических потоков, что значительно сказывается на результатах восстановления искомых параметров. Однако, регистрация по несколько сканов на каждой высоте позволяет оценить случайную погрешность, а большое количество направлений визирования позволяет провести регуляризацию результатов.

2. Погрешность восстановления оптических параметров из данных самолетных радиационных измерений определяется погрешностями измерений и метода решения обратной задачи. Следует особо подчеркнуть, что аналитический подход для решения обратной задачи (получение оптических параметров облака и их вертикального профиля) имеет преимущества по сравнению с численными методами решения обратной задачи. В частности, он не ставит дополнительные ограничения и не накладывает связей на искомые параметры, поэтому обеспечивает результаты более близкие к реальной природе. Формулы для погрешностей прямо получаются из формул для определения искомых параметров.

3. Результаты, полученные при применении аналитического метода решения обратной задачи к данным измерений интенсивности рассеянной солнечной радиации в NASA, хорошо согласуются с результатами, полученными ранее из данных спектральных измерений полусферических потоков в облаке

другим прибором, выявляют аналогичную спектральную зависимость оптической толщины и близкие значения альбедо однократного рассеяния.

4. Расчет лучистого коротковолнового притока тепла и скорости нагревания показывает значительное влияние облака на термический режим атмосферы. Оценка влагозапаса и облака хорошо согласуется с данными других исследований и может оказаться полезной для возможности предсказывать вероятность выпадения осадков (в данном случае над засушливыми районами Африки).

Публикации по теме диссертации по теме диссертации

Издания, рекомендованные ВАК выделены жирным шрифтом.

1. Гения Мванго Джефва. Метод и алгоритм обработки данных самолетных наблюдений НАСА. 4-ый межрегиональный научный семинар «ЭКОЛОГИЯ И КОСМОС». Памяти Академика К.Я. Кондратьева. НИИ Физики им. В.А. Фока, Санкт-Петербург, Петродворец, 08.02.2010

2. Джефва М.Г., Мельникова И.Н., Гатебе Ч. Определение оптических параметров облачной атмосферы из самолетных спектральных измерений интенсивности солнечной радиации. Сборник статей по материалам 4-ого межрегионального научного семинара «ЭКОЛОГИЯ И КОСМОС» СПб, НИХИСПбГУ. 2010.

3. Гения Мванго Джефва, Ирина Мельникова, Чарльз Гатебе. Оптические параметры протяженного облака из самолетных измерений НАСА. Тезисы. Восьмая Всероссийская Открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов) Москва, ИКИ РАН, 15-19 ноября 2010 г.

4. Genya M. Jefwa, I. Melnikova, С. К. Gatebe "Optical Parameters of extended Cloud from Airborne Observation". Thesis. 13th Conférence on Atmospheric Radiation which will be held 28 June-2 July 2010. Portland, Oregon.

5. Мванго Г. Д., Мельникова И.Н., Гатебе Ч. Аналитическое решение обратной задачи оптики облаков в применении к самолетным измерениям интенсивности рассеянной солнечной радиации. Сборник ИКИ РАН «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, М. 2010 Т. 7, № 1,99-111.

6. Гения Мванго Джефва., Оптические параметры протяженной облачности. Тезисы. Конференция РГТМУ. Февраль 2011 Санкт-Петербург.

7. Гения М.Д. Сравнительный анализ оптических параметров протяженного облака, полученных из самолетных измерений США (НАСА) и России (СПбГУ) Тезисы. VII Международная конференция «Естественные и антропогенные аэрозоли - 2011». Санкт-Петербург. 2011.

8. Genya Jefvva Mwango, Melnikova Irina, Gatebe Charles К. Comparing products of processing airborne NASA and Russian cloud data. Thesis. 34th International Symposium on Remote Sensing of Environment. The GEOSS Era: Towards Operational Environmental Monitoring. Sydney. 10-15 April 2011

9. Genya Jefwa Mwango, Melnikova Irina, Gatebe Charles K. Comparing products of processing airborne NASA and Russian cloud data. Proceedings of 34th International Symposium on Remote Sensing of Environment. The GEOSS Era: Towards Operational Environmental Monitoring. Sydney. 4 p., 2011

10. Гения M. Дж., Мельникова И. H., Гатебе Ч. Сравнительный анализ результатов обработки данных самолетных радиационных наблюдений, выполненных в СССР и НАСА. Тезисы. Девятая открытая Всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, 14-18 ноября 2011

11. Мванго Джефва Гения, Ирина Н.Мельникова, Чарльз Гатебе. Регуляризация решения обратной задачи при обработке самолетных измерений. Тезисы. Межрегиональный научный семинар «ЭКОЛОГИЯ И КОСМОС», Санкт-Петербург, 09.02.2012

12. М.Д. Гения, И.Н.Мельникова, Ч. Гатебе. Регуляризация решения обратной задачи при обработке самолетных измерений. Сборник статей по материалам межрегионального научного семинара «ЭКОЛОГИЯ И КОСМОС» им. К.Я.Кондратьева. СПб, ВВМ. 2012

13. М.Д. Гения, А.Д.Кузнецов, И.Н.Мельникова, Ч. Гатебе. Восстановление оптических параметров облаков из самолетных измерений. Регуляризация решения. Сравнение результатов разных экспериментов. Оптика атмосферы и океана. 2013. (В печати).

14. М.Д. Гения, А.Д.Кузнецов, И.Н.Мельникова, Ч. Гатебе. Сравнительный анализ оптических параметров облаков, полученных из самолетных измерений России (СПбГУ) и США (NASA). Изв. РАН. Сер. ФАО. 2013. (В печати).

15. М.Д. Гения, А.Д.Кузнецов, И.Н.Мельникова, Ч. Гатебе. Результаты обработки самолетных измерений интенсивности рассеянной солнечной радиации в облачной атмосфере. Ученые записки РГГМУ. 2012. (В печати)

16. Melnikova I., Genya J.M., Gatebe C.K. Results of processing airborne NASA and Russian cloud data. Thesis. The International Radiation Symposium (1RS) 2012, Berlin, Germany, 06-10 August 2012

17. Melnikova I., Genya J.M., Gatebe C.K. Results of processing airborne NASA and Russian cloud data. Proceedings. The International Radiation Symposium (1RS) 2012, Berlin, Germany, 06-10 August 2012

18. Мванго M., Аналитическое решение обратной задачи оптики облаков, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012, 93 с.

Гения Мванго Джефва

Подписано в печать 21.11.2012 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 617

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Гения Мванго Джефва, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

УДК [551.521.1] На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО

РЕЖИМА ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ

Специальность: 25.00.30 - Метеорология, климатология и агрометеорология

Научный руководитель

Гения Мванго Джефва

МНОГОУГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

доктор физ.-мат. наук

И.Н. Мельникова

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение............................................................................................................................................................4

1 Взаимодействие солнечной радиации с облачностью и

атмосферными аэрозолями................................................................................................................7

1.1 Прямые и обратные задачи оптики атмосферы..........................................8

1.2 Основные радиационные характеристики атмосферы..........................10

1.3 Оптические параметры атмосферы как рассеивающей среды.... 13

1.4 Оптическая модель слоистообразного облака..............................................15

1.5 Случай слабого истинного поглощения солнечной радиации... 18

1.6 Поле рассеянной солнечной радиации внутри облачного слоя 23

1.7 Случай консервативного рассеяния........................................................................24

1.8 Слоистообразная облачность......................................................................................25

2 Описание самолетного радиационного эксперимента........................................32

2.1 Условия проведения эксперимента и данные наблюдений..................32

2.2 Калибровка прибора..............................................................................................................34

2.3 Погрешности измерений....................................................................................................41

3 Восстановление оптических параметров облачного слоя из данных самолетных измерений..........................................................................................................................44

3.1 Аналитические формулы для решения обратной задачи оптики облаков..............................................................................................................................................46

3.2 Учет горизонтальной неоднородности облачного слоя........................51

3.3 Погрешности и область применимости..............................................................53

3.4 Регуляризация решения..........................................................................................................58

4. Результаты восстановления оптических параметров......................................................62

4.1 Оптические параметры облачного слоя..............................................................62

4.2 Сравнение полученных результатов с другими данными..................67

4.3 Расчет радиационных характеристик....................................................................75

Стр.

4.4 Оценка скорости нагревания облачного слоя................................................75

4.5 Оценка влагозапаса облака..............................................................................................77

Заключение....................................................................................................................................................79

Список использованных источников......................................................................................81

Список таблиц................................................................................................................................................94

Приложение А - Вывод формул для определения величины в2 и т при

измерениях интенсивности радиации......................................................................................96

Приложение Б - Компьютерные коды для обработки данных

измерений интенсивности..................................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Ухудшение экологической ситуации во многих регионах земного шара и на планете в целом требует исследований взаимодействия солнечной радиации, облачности и атмосферных аэрозолей. Как доказывается в [1], динамика облачного покрова и облачно-радиационные обратные связи играют главную климатообразующую роль в атмосфере земли. Глобальное потепление связывают с изменением температуры, которое обусловлено парниковым эффектом, согласно численным моделям средняя глобальная температура в следующем столетии будет повышаться со скоростью около 0.3 °С за 10 лет. В результате к 2025 г. она может возрасти (по сравнению с доиндустриальным временем) на 2 °С, а к 2100 г. на 4 °С. Глобальное потепление будет сопровождаться усилением осадков в одних регионов и опустыниванием территорий в других. Согласно данным наблюдений, в 80-е годы глобальная температура воздуха была выше, чем в любое другое десятилетие за прошедшие 140 лет. С начала столетия она повысилась примерно на 0.5 °С. Выявлена корреляция спада осадков в субсахарской зоне с начала 60-х годов (т.е. в период засухи) с аномалиями температуры поверхности Индийского и Атлантического океанов в этот период. Большие неопределенности численного моделирования климата связаны с неадекватным учетом взаимодействия атмосферы и океана, динамики облачного покрова, взаимодействия облачности и радиации [2].

Особенностью процессов облакообразования является их многомасштабность (глобальные, мезомасштабные и региональные масштабы), что осложняет параметризацию облачности. Мезомасштабные и региональные модели требуют экспериментальной проверки и осуществления полевых экспериментов. Результаты одного такого эксперимента анализируются в данной работе.

Исследования климатообразующих процессов, связанных с облаками, направлены на понимание динамики (образования, развития и диссипации) облачного покрова, и роли взаимодействия облачности и радиации [3]. При моделировании важны параметры, определяющие тип, фазовое состояние, эволюцию, время жизни и радиационные свойства облаков в зависимости от заданных термодинамических и динамических условий. Тип и размер облаков зависят от многих факторов, включающих стратификацию атмосферы и вертикальные движения, их эволюция обусловлена преобразованием воды в осадки, а также взаимодействием между облаками, радиацией, неадиабатическими притоками тепла и атмосферной циркуляцией. Для анализа облачно - аэрозольного взаимодействия важно уточнить влияние ядер конденсации на микрофизику и радиационные свойства облаков и поглощение солнечной радиации находящимся в облаках аэрозолем [3].

Создание моделей для ограниченных масштабов необходимо для параметризации

а) динамики облачности в моделях климата;

б) оценки вкладов облачно-радиационного вынуждающего воздействия и микрофизических процессов (с учетом роли аэрозоля) в формирование свойств и структуры облачного покрова;

д) совершенствование алгоритмов восстановления характеристик облачности по данным дистанционного зондирования.

Поэтому актуальность облачно-климатической проблематики определяет большой интерес к ней, проявляемый в различных странах.

Взаимодействие между облачностью и безоблачной атмосферой

является важнейшим фактором определяющим влагосодержание безоблачной

атмосферы и интенсивность осадков. Уменьшение количества осадков

вызывает опустынивание земель, что относится к крупным экологическим

катастрофам. В частности к такому явлению можно отнести деградацию

экосистемы в Сахели (Африка) [4]. Дистанционные методы восстановления

5

оптических характеристик облачности способствуют определению влагосодержания облаков и построению прогнозов выпадения осадков в засушливых зонах [5].

1 Взаимодействие солнечной радиации с облачностью и атмосферными аэрозолями

Важный аспект взаимодействия солнечной радиации и облачности определяется как фактор радиационного режима системы атмосфера-подстилающая поверхность, который в свою очередь формирует глобальные изменения климата [1]. Облака являются плохо определенным и наиболее изменчивым компонентом климатической системы, играющим ключевую роль в ее энергетике. Это проявляется, например, в важной роли скрытого тепла, выделяемого при образовании облаков, и преобладающей роли динамики облачного покрова, как фактора пространственно-временной изменчивости радиационного баланса Земли [2]. Большое значение имеет адекватная параметризация процессов облакообразования и оптических свойств облачности в моделях климата [3]. Отсюда следует необходимость проверки надежности существующих схем и их дальнейшего совершенствования, имея в виду проведение численных экспериментов для анализа чувствительности климата к характеристикам облачного покрова.

Свойства динамичной природной системы Земли определяются взаимодействием ее компонентов: атмосферы, океана, суши и биосферы [4]. Пять фундаментальных процессов определяют главные закономерности развития климатической системы:

- конвекция, ядра конденсации и образование облаков;

- циркуляция океана и ее взаимодействие с атмосферой и криосферой;

- гидрология суши и взаимодействие гидрологических процессов с

растительным покровом;

- биогеохимия парниковых газов (ПГ);

- циркуляция и химические процессы в верхней атмосфере.

Основной путь решения задачи включает исследования перечисленных процессов по данным наблюдений и численного моделирования. Первый из процессов, имеет приоритетное значение, поэтому важна разработка более адекватных моделей образования, развития и диссипации облаков с учетом влияния конвекции, ядер конденсации (обусловливающих изменение микроструктуры и, соответственно, оптических свойств облаков), взаимодействие облачности и радиации [5].

1.1 Прямые и обратные задачи оптики атмосферы

Поле коротковолновой радиации в атмосфере Земли является результатом взаимодействия солнечной радиации и атмосферы, при этом солнечная радиация подвергается многократному рассеянию и поглощению в атмосфере и отражению от подстилающей поверхности. Расчет поля радиации относится к так называемым прямым задачам атмосферной оптики и необходим для климатических блоков в задачах прогноза погоды и климата и для решения обратной задачи. Решение прямой задачи состоит из следующих этапов [6]:

• Задается оптическая модель атмосферы (объемные коэффициенты рассеяния и поглощения радиации, индикатриса рассеяния и отражательные свойства подстилающей поверхности). Необходимо задать геометрию задачи: направление падения солнечных лучей на верхнюю границу атмосферы и направление визирования.

• Выбирается метод расчета радиационных характеристик, оптимально решающий задачу с учетом необходимой точности и трудоемкости, и область применимости которого совпадает с заданной моделью атмосферы.

• Анализируются результаты, имея в виду конечную цель поставленной задачи. Это может быть выбор методов решения соответствующей

обратной задачи - исследование чувствительности радиационной характеристики к вариациям того или иного параметра среды. Сопоставление результата решения прямой задачи с данными измерений позволяет оценить оптические свойства атмосферы или получить значения оптических параметров. Результаты решения прямой задачи необходимы также для планирования радиационных экспериментов и проектирования соответствующих приборов.

Развитие дистанционных методов исследования атмосферы с использованием спутниковых и самолетных экспериментов обеспечивают широкие возможности, а необходимость построения адекватных оптических моделей атмосферы требует решения обратной задачи атмосферной оптики. Для постановки и решения обратной задачи требуется осуществить следующий алгоритм, представленный в монографии [6]:

а) выбор параметра или функции, подлежащих определению. При этом указываются характеристики поля излучения, которые необходимо для этого измерить;

б) разработка соответствующего математического аппарата "обращения" с использованием методов теории переноса излучения. Применение этого аппарата в совокупности с данными измерений должно давать искомую величину.

Важно, что обратная задача может быть некорректной и не иметь решения [12]. Постановка обратной задачи осмыслена лишь в том случае, если определяемая величина достаточно чувствительна к изменениям измеряемых характеристик. Для проверки этого момента как раз необходим анализ решения соответствующей прямой задачи. Необходимо также провести анализ устойчивости решения в области изменения параметров обратной задачи.

При рассмотрении облачных слоев большой оптической толщины

решение уравнения переноса получается в аналитической форме [с 6 по 11].

Соответствующие формулы выражают радиационные характеристики через

9

оптические параметры облачного слоя и, как было показано [14], допускают математическое обращение для решения обратной задачи.

1.2 Основные радиационные характеристики атмосферы

Будем рассматривать случай монохроматической радиации. При необходимости перехода к интегральным по спектру величинам необходимо производить интегрирование соответствующих выражений и результатов по длине волны.

Солнечную радиацию в атмосфере будем описывать двумя основными характеристиками: интенсивностью (встречается также термин лучистость) и потоком радиации (прямой и рассеянной) через единицу поверхности. Интенсивность I определяется как количество лучистой энергии исходящей из единичной площадки, перпендикулярной к направлению распространения радиации, в единичном телесном угле в единичном интервале длин волн в единицу времени. Обычно используемые единицы измерения интенсивности - Вт/(м2стерад мкм).

Важной характеристикой поля радиации является полный поток радиации через горизонтальную поверхность (в актинометрии эту величину обычно называют «баланс»). Эта величина обозначает количество лучистой энергии, проходящее во всех направлениях через единичную площадку в единичном интервале длин волн за единицу времени. Единица измерения потока радиации. Полный поток радиации выражается как интеграл от интенсивности:

4л

(1.1)

О

где 7*1 - полный поток радиации, Вт/(м2мкм);

I - интенсивность;

в - угол между направлением распространения радиации и нормалью к единичной площадке, град; ¿а - элемент телесного угла.

В атмосферных исследованиях естественным направлением нормали является перпендикуляр к верхней границе атмосферы.

Так как под интегралом стоит косинус угла в , изменяющий знак на промежутке изменения в, то поток может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от преимущественного направления переноса лучистой энергии при выбранном положении нормали. Удобно использовать такие характеристики, как нисходящий и восходящий полусферические потоки радиации ^ и связанные с полным потоком Ь соотношением

где - нисходящий полусферический поток радиации;

- восходящий полусферический поток радиации.

Полусферические нисходящий и восходящий потоки включают радиацию, приходящую к измеряющему прибору от всех точек соответственно верхней или нижней полусфер (в отличие от интенсивности, характеризующей точку на полусфере).

Процесс переноса радиации в рассеивающей среде описывается уравнением переноса излучения, полученным и исследуемым в теории переноса излучения [с 6 по 9]. Приведем здесь уравнение переноса для атмосферы, моделируемой плоско-параллельным и горизонтально-однородным слоем:

косинус угла визирования (угол, под которым наблюдается точка, откуда приходит фиксируемая прибором радиация);

косинус угла, под которым падает на верхнюю границу атмосферы параллельный поток солнечной радиации (зенитного угла Солнца);

косинус азимутального угла (угла между направлением на наблюдаемую точку в атмосфере и направлением на Солнце);

оптическая глубина;

вероятность выживания кванта (используется также термин альбедо однократного рассеяния); индикатриса рассеяния радиации.

Последние три параметра, описывают свойства атмосферы и будут рассмотрены в следующем параграфе.

При рассмотрении поля радиации на верхней и нижней границах рассеивающего слоя выразим интенсивность радиации через коэффициенты отражения и пропускания [6,7].

ДО» /л, ¡¿0,(р) = 8/л0 р(т0 (р)

Далее будем использовать коэффициенты отражения и пропускания, а

переход к соответствующим характеристикам в абсолютных единицах легко

осуществляется умножением на известные величины: косинус зенитного угла

12

где ^ -

Но

■

<Р -

т -С0о(т) -

Солнца [¿о и значение потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы лЗ.

1.3 Оптические параметры атмосферы как рассеивающей среды

В уравнение переноса (1.2) входят параметры, описывающие среду, в которой происходит перенос радиации. Основным параметром является оптическая глубина в атмосфере - г, безразмерная величина, ее положительное направление принято от верхней границы атмосферы к поверхности планеты, по определению равна

Коэффициент ослабления радиации - ф) описывает долю радиации, которая изымается из общего количества радиации, падающей на единичный объем, вследствие процессов рассеяния и поглощения: е(г) = а(г)+к(г). Величины а(г) и к(г) называются объемными коэффициентами рассеяни�