Исследование точности спутникового метода определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения на горизонте Земли

Семакин, Сергей Геннадьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование точности спутникового метода определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения на горизонте Земли
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование точности спутникового метода определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения на горизонте Земли"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

484815U

СЕМАКИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ СПУТНИКОВОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СТРАТОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ РАССЕЯННОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ГОРИЗОНТЕ ЗЕМЛИ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 6 МАЙ 2011

Санкт-Петербург - 2011

4848158

Работа выполнена на физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета и в Международном центре по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена (Санкт-Петербург).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Тимофеев Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Успенский Александр Борисович (ГУ НИЦ "Планета", Москва)

кандидат физико-математических наук, Фролькис Виктор Абрамович (СПбГАСУ, Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Главная геофизическая обсерватория

им. А.И. Воейкова (ГТО), г. Санкт-Петербург

Защита состоится го U/jQ/^S) 24D/S ъщд в /Z часов на заседании совета Д 212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкг-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан " О*/ " _2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.

A.JI. Котиков

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Аэрозольная компонента атмосферы играет существенную роль в разнообразных атмосферных процессах - переносе солнечного и теплового излучения, формировании радиационного баланса системы атмосфера-подстилающая поверхность, облакообразовании, фотохимии атмосферы и, как следствие, погоды и климата Земли. Во время и после мощных вулканических извержений он активно участвует в гетерогенных процессах, приводящих к разрушению озонного слоя, к нагреванию стратосферы и охлаждению тропосферы. В фоновом состоянии стратосферный аэрозоль играет заметную роль в балансе рада газов, в частности, семейства NOx. Анализ пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля позволяет исследовать динамику атмосферы. До сих пор нет полной ясности в вопросе антропогенного влияния на стратосферный аэрозоль, что обусловлено относительно коротким периодом его исследований и их неполнотой. Таким образом, современные потребности научных исследований делают необходимыми долговременные измерения оптических (оптические толщи,, вертикальные профили коэффициентов аэрозольного рассеяния и поглощения) и микрофизических характеристик (функция распределения частиц по размерам (ФРР), фазовое состояние, форма и структура аэрозольных частиц).

Дистанционные методы измерений (наземные и спутниковые) интенсивно используются в настоящее время для получения глобальной, периодической информации о многочисленных параметрах атмосферы и поверхности для решения задач численного прогноза погоды, исследований современных изменений климата Земли и т.д. Значительное количество информации о стратосферном аэрозоле было получено в последние десятилетия с помощью спутниковых методов, в частности, затменным методом измерений в последовательных спутниковых экспериментах с аппаратурой SAGE I, II и III., Однако существенным недостатком этого метода является малое число измерений за сутки (28-29), что значительно затрудняет исследования пространственно-временных вариаций атмосферных параметров.

практически глобальные измерения характеристик стратосферного аэрозоля с высокой периодичностью. В связи с этим были проведены и проводятся спутниковые эксперименты по измерениям рассеянного солнечного излучения в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра (аппаратура LORA, SOLSE, OSIRIS, SAGE III, SCIAMACHY). В ближайшие годы планируется запуск в космос приборов для оперативного использования этого метода (прибор OMPS) для зондирования стратосферы. В указанных работах основное внимание уделялось анализу возможностей и примерам определения характеристик газового состава атмосферы, прежде всего содержания озона. При этом влияние аэрозольных характеристик либо исключалось при использовании дифференциального подхода, либо они предполагались известными (задавались или микрофизические, или оптические характеристики аэрозоля). Однако работ, посвящённых исследованию самого стратосферного аэрозоля с использованием измерений рассеянного в лимбе планеты солнечного излучения недостаточно. Причём исследования в этом направлении проводились в основном с использованием достаточно грубых приближений (например, приближения однократного рассеяния), до сих пор не исследована информативность метода, погрешности его применения в различных условиях, возможности получения информации об интегральных параметрах стратосферного аэрозоля.

Интерпретация измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения с целью получения информации об оптических и микрофизических характеристиках аэрозоля задача очень сложная. Это связано, по крайней мере, с двумя обстоятельствами:

- аэрозольное ослабление и рассеяние описывается более сложным образом, чем газовое поглощение - через интегральные соотношения для реального полидисперсного аэрозоля, а сами коэффициенты ослабления и рассеяния, индикатрисы рассеяния определяются функцией распределения частиц по размерам и комплексным показателем преломления, зависящим от природы аэрозольных частиц и состояния самой атмосферы,

- формирование поля рассеянной солнечной радиации описывается с помощью интегро-дифференциалыюго уравнения переноса излучения, учитывающего специфику сферической геометрии среды, процессы

многократного рассеяния, рефракцию, отражение от подстилающей поверхности, молекулярное поглощение и т.д.

Представляет несомненный интерес задача определения потенциальных погрешностей восстановления оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля при использовании адекватной радиационной модели, и реалистической модели случайных погрешностей измерений при различных условиях спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения горизонта Земли. В представленной диссертационной работе это делается на основе численного моделирования лимбовых измерений в видимой и ближней инфракрасной (БИК) областях спектра. Данная диссертационная работа посвящена численному анализу информативности и точности определения характеристик фонового стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения, а также совершенствованию современной радиационной модели переноса излучения в спектральной области 0.3-1.5 мкм.

Цели работы

1. Совершенствование радиационной модели атмосферы в спектральной области 0.3-1.5 мкм, в частности, уточнение методики расчётов функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм.

2. Моделирование спутникового эксперимента по измерению рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения (на примере спутникового прибора типа SAGE III).

3. Оценка погрешностей определения оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля с помощью спутникового метода измерения рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения.

4. Оценка погрешностей определения микрофизических характеристик (интегральные площади и объёмы частиц) фонового стратосферного аэрозоля с помощью спутникового метода измерения рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения.

5. Выбор оптимальных условий проведения спутниковых измерений для повышения точности и информативности спутникового метода лимбового рассеяния относительно аэрозольной компоненты атмосферы.

В соответствии с поставленными целями были решены следующие основные задачи:

а) Создана методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных трассах в атмосфере в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм при учёте сдвига центров линий от величины давления, континуального поглощения и интерференции спектральных линий и определены погрешности этой методики на основе сравнения со спутниковыми измерениями (затменный эксперимент SAGE III).

б) Проведён анализ влияния погрешностей исходных параметров на результаты расчётов функций пропускания на касательных трассах в полосе кислорода при 0.76 мкм при учёте всех основных процессов трансформации излучения в атмосфере.

в) Разработана на основе метода статистической регуляризации и имеющихся статистических моделей аэрозоля методика решения обратной задачи по определению вертикальных профилей коэффициента аэрозольного рассеяния КАР (однопараметрическая обратная задача).

г) Для проведения численных расчетов погрешностей спутникового метода осуществлена компиляция глобального массива реализаций вертикальных профилей температуры, давления, характеристик газового состава атмосферы, микрофизических и оптических характеристик аэрозолей, альбедо поверхностей и построены ковариационные и взаимоковариационные матрицы, описывающие естественные вариаций параметров атмосферы и поверхности.

д) Разработана на основе метода линейной множественной регрессии методика по восстановлению вертикальных профилей КАР и параметра асимметрии ПА индикатрисы рассеяния и интегральных параметров микрофизики стратосферного аэрозоля (площадь поверхности частиц S и объём частиц V в единице объёма) из данных спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения.

е) Исследована информативность и потенциальная точность определения как оптических, так и микрофизических параметров стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения.

ж) Проведено сравнение различных подходов решения обратных задач по определению параметров фонового стратосферного аэрозоля.

Научная новизна

1. Впервые реализована методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм при учёте сдвига центров линий от величины давления, континуального поглощения и интерференции спектральных линий и определена её точность.

2. Проведён сравнительный численный анализ различных постановок обратной задачи определения оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения.

3. Проведён анализ погрешностей спутникового метода измерений оптических и микрофизических характеристик фонового стратосферного аэрозоля при учёте вариаций всех важнейших атмосферных параметров и вариаций альбедо поверхности, влияющих на формирование рассеянного солнечного излучения лимба Земли.

4. Впервые исследована информативность спутникового многопараметрического метода определения оптических характеристик и микроструктуры стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного излучения.

5. Исследована зависимость погрешностей определения характеристик стратосферного аэрозоля от геометрии положения Солнца и условий наблюдения и даны рекомендации по оптимальным условиям проведения спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения на горизонте планеты для повышения точности определения параметров стратосферного аэрозоля.

Основные положения, выносимые на защиту

- методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм, учитывающая сдвиг, интерференцию спектральных линий и континуальное поглощение, позволяет повысить точность расчёта почти в 2 раза для некоторых спектральных каналов прибора SAGE III;

- учёт многократного рассеяния необходим при моделировании

измерений рассеянного на горизонте планеты уходящего солнечного излучения;

- при учёте вариаций всех основных параметров атмосферы и подстилающей поверхности потенциальные погрешности восстановления характеристик аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного излучения составляют 10-30% для КАР и 5-25% для ПА, соответственно, на высотах 12-45 км в спектральном диапазоне 380-1020 нм;

- погрешности восстановления интегральных площадей S и объёмов V частиц составляют на высотах 12-45 км 28-33% и 33-40%, соответственно, для высотного шага восстановления 1 км и 18-20% для высотного шага 5 км;

- информативность (в терминах уменьшения априорной неопределённости) спутникового эксперимента с прибором SAGE III по восстановлению КАР высока и составляет 75-85% для высот стратосферы, для ПА информативность метода невелика (20-30%);

- информативность спутникового метода по восстановлению S и V составляет 60-70% и 65-75%, соответственно, для высот стратосферы;

- вертикальное разрешение рассматриваемого метода измерений в средней атмосфере составляет 4-6 км;

- наилучшая точность измерения характеристик стратосферного аэрозоля достигается при малых азимутальных углах наблюдения и больших зенитных углах Солнца (т.е. при малых углах рассеяния).

Практическая ценность работы обусловлена

1. реализацией методики расчёта функций пропускания атмосферы в полосе 0.76 мкм повышенной точности, учитывающей сдвиг, интерференцию спектральных линий и континуальное поглощение, которая может использоваться для решения различных прямых и обратных задач атмосферной оптики, в том числе и для улучшения высотной привязки спутниковых лимбовых измерений;

2. получением новых данных об информативности и точности спутникового метода измерений оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля;

3. оценками погрешностей определения микрофизических параметров стратосферного аэрозоля, а таюке рекомендациями по условиям проведения эксперимента, которые могут быть использованы при разработке сценариев

будущих спутниковых лимбовых измерений;

4. численным анализом различных подходов к формулировке обратной задачи по восстановлению оптических параметров стратосферного аэрозоля;

5. реализованным в компьютерном коде алгоритмом решения обратной задачи и построенным в работе регрессионным оператором, который можно применить для интерпретации спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения в спектральных каналах, аналогичных каналам прибора SAGE III.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием:

- последних лабораторных данных о количественных характеристик молекулярного поглощения в полосе кислорода при 0.76 мкм,

- радиационных кодов для расчёта рассеянного солнечного излучения горизонта Земли, прошедших международное тестирование,

- современных данных о естественных вариациях основных параметров атмосферы и поверхности,

- статистических моделей атмосферного аэрозоля, построешгых на основе большого объема эмпирических данных,

- теоретически обоснованных и апробированных ранее численных методик решения обратных задач атмосферной оптики (регуляризованный регрессионный подход и метод статистической регуляризации),

- реальных моделей погрешностей измерений спутникового прибора SAGE III,

- данных спутниковых измерений с объективными оценками погрешностей измерений.

Апробация работы

Результаты, представленные в диссертации, докладывались на ряде международных и всероссийских конференций: Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2006 (Санкт-Петербург), XI всероссийская школа-конференция молодых учёных МАПАТЭ-2007 (Нижний Новгород), Молодежная научная конференция «Физика и прогресс»-2008 (Санкт-Петербург), 6-я открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН 2008

(Москва), Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация и динамика" МСАРД-2009 (Санкт-Петербург). Результаты также докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета, Международного центра по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена и в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГТО), Санкт-Петербург.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, были получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Автором усовершенствована методика расчёта функций пропускания в полосе кислорода 0.76 мкм, разработанная сотрудником кафедры физики атмосферы физического факультета СПбГУ доктором ф.-м. наук А. В. Поляковым. Учёт спектроскопических эффектов смещения центров линий, интерференции и континуального поглощения в А-полосе кислорода производился на основе параметризации лабораторных измерений, осуществленных сотрудниками XII Парижского университета. Автором проведён анализ влияния неопределённостей модельных данных на результаты расчёта функций пропускания в полосе кислорода 0.76 мкм, а также анализ рассогласований между модельными расчётами функций пропускания и экспериментальными данными затменных измерений прибора SAGE III в этой полосе. Также автором реализована методика решения обратной задачи определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения; проведён анализ информативности и точности определения оптических и микрофизических характеристик фонового стратосферного аэрозоля по результатам лимбовых измерений. Расчёт интенсивности рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения производился с помощью радиационного кода SCIATRAN, разработанного доктором А. В. Розановым (Бременский университет, Германия), с использованием компиляции модели атмосферного аэрозоля и модели состояния атмосферы, выполненной сотрудницей кафедры физики атмосферы физического факультета СПбГУ канд. физ.-мат. наук Я. А. Виролайнен. Автором даны рекомендации по оптимальным условиям лимбовых измерений для повышения точности определения параметров стратосферного аэрозоля.

Методики решения обратной задачи определения параметров стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям и оценки точности восстановления методами статистической регуляризации и множественной линейной регрессии реализованы автором лично.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из оглавления, перечня используемых в работе аббревиатур, введения, четырёх глав и заключения. В конце представлен список цитируемой литературы из 175 наименований. Общий объём работы составляет 119 страниц, она содержит 27 иллюстраций и 7 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении указаны актуальность и цель работы, перечислены основные поставленные задачи, отмечены научная новизна, практическая ценность и достоверность полученных в работе результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены публикации по теме диссертации, а также личный вклад автора, описана общая структура работы.

Первая глава диссертации - вводная - посвящена общему рассмотрению важности изучения стратосферного аэрозоля, его влиянию на климат, радиационный баланс и химический состав атмосферы, его источникам и характеристикам, высотному и широтному распределению. Подробно рассмотрены различные методы изучения стратосферного аэрозоля, приведён перечень известных спутниковых приборов по исследованию аэрозоля. Особое внимание уделено дистанционным спутниковым методам зондирования -затменным (по измерениям ослабления солнечного излучения на касательных трассах) и лимбовым (по измерениям спектров рассеяния солнечного излучения горизонта Земли) экспериментам. В этой главе представлена общая схема дистанционных методов зондирования атмосферы, а также современные проблемы зондирования стратосферного аэрозоля. В конце главы делается заключение о необходимости сочетания в современных системах наблюдения различных спутниковых и наземных методов.

Вторая глава диссертации посвящена совершенствованию современной радиационной модели переноса излучения в атмосфере, в частности - в полосе поглощения кислорода при 0.76 мкм. Описаны общие механизмы ослабления и рассеяния излучения в спектральной области 0.3-1.5 мкм: релеевское и

аэрозольное рассеяние, молекулярное поглощения газами, атмосферная рефракция. Актуальность исследования А-полосы поглощения кислорода 0.76 мкм обусловлена её использованием в задачах дистанционного термического зондирования атмосферы и в высотной привязке спутниковых измерений. Представлена традиционная модель расчёта поглощения в А-полосе кислорода и её улучшенный вариант, учитывающий интерференцию и смещение спектральных линий, а также континуальное поглощение. Произведено сравнение двух методик на примере расчёта функций пропускания в полосе кислорода в затменном эксперименте. Проведены массовые сравнения высококачественных экспериментальных (затаенный эксперимент со спутниковой аппаратурой SAGE III) и расчётных функций пропускания, и показано, что новая методика существенно (почти в 2 раза в центре полосы) улучшила рассогласования расчётных и экспериментальных данных. В этой главе также осуществлён анализ влияния неточностей задания исходной информации о состоянии атмосферы и параметров тонкой структуры спектральных линий кислорода на погрешности расчёта функций пропускания в затменном эксперименте. Сделан вывод о том, что характеристики ослабления солнечного излучения в полосе поглощения кислорода при 0.76 мкм требуют уточнения при использовании экспериментальных данных в этой области для осуществления температурного зондирования атмосферы и осуществления высотной привязки лимбовых измерений.

интенсивности рассеянного на горизонте планеты излучения относительно вариаций коэффициента аэрозольного рассеяния для набора длин волн и положений Солнца. Вертикальное разрешение дистанционного метода определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля составило ~ 46 км.

В этой главе приведён анализ информативности и точности дистанционного метода относительно оптических характеристик стратосферного аэрозоля. Оценки потенциальной точности и информативности рассматриваемого метода измерений осуществлялись с использованием метода статистической регуляризации.

70 80 90 100

Коэффициент восстановления КАР, %

Piic. 1. Коэффициент восстановления 6 профиля аэрозольного рассеяния для набора длин волн в аэрозольных каналах приборов SAGE III, зенитный угол Солнца 54°, азимут 51°, погрешность измерения интенсивности прибора SAGE III.

В главе представлен анализ влияния условий и геометрии измерений на точности зондирования оптических характеристик стратосферного аэрозоля Показано, что максимальная точность восстановления характеристик стратосферного аэрозоля достигается при малых углах рассеяния излучения. Относительная погрешность восстановления коэффициента аэрозольного рассеяния КАР для высот стратосферы растёт с длиной волны в спектральном диапазоне 380-1020 нм. Информативность дистанционного метода определения

КАР во всей рассматриваемой спектральной области (384-1022 нм) высока и составляет 75-95% в зависимости от условий спутникового эксперимента, высоты в атмосфере и длины волны (рис. 1).

Исследовано влияние наличия метеорной пыли в атмосфере на погрешности определения КАР стратосферы. Анализ показал, что в исследуемом спектральном диапазоне для любого положения Солнца погрешность восстановления КАР на высотах стратосферы при добавлении фоновой метеорной пыли не меняется значительно (изменения не превышают 1%). Тем не менее, для экстремального случая наличия метеорной пыли (метеорные потоки) происходит увеличение погрешности восстановления КАР на 1-4% и на 2-10% для крайних каналов 384 нм и 1022 нм, соответственно, на высотах 25-45 км.

Полученные в этой главе погрешности дистанционного метода следует рассматривать как потенциальные (минимально возможные), так как рассматривалась традиционная упрощённая постановка обратной задачи -восстановление одного параметра стратосферного аэрозоля - коэффициента рассеяния и было изучено влияние лишь одного фактора, определяющего точности восстановления КАР - случайных ошибок измерений.

В четвертой главе рассмотрена более реалистичная постановка обратной задачи определения оптических и микрофизических параметров стратосферного фонового аэрозоля - одновременное восстановление коэффициента аэрозольного рассеяния и параметра асимметрии (КАР и ПА), интегральных площадей и объёмов аэрозольных частиц (S и V) при учёте вариаций всех основных параметров атмосферы и поверхности - профилей температуры и давления, содержания атмосферных газов и альбедо поверхности. Для проведения этих исследований использовалась компиляция глобального массива реализаций вертикальных профилей температуры, давления, характеристик газового состава атмосферы, микрофизических и оптических характеристик аэрозолей, альбедо поверхностей и рассчитанные ковариационные и взаимоковариационные матрицы, описывающие естественные вариации параметров атмосферы и поверхности.

Проведены численные эксперименты по восстановлению профилей КАР и ПА, S и V по замкнутой схеме на представительном ансамбле состояний атмосферы (1200 реализаций) для различных длин волн и условий освещения атмосферы. Оценка погрешностей определения характеристик стратосферного

аэрозоля при решении обратной задачи осуществлялась с использованием метода множественной линейной регрессии.

Представлено сравнение результатов численного анализа восстановления характеристик стратосферного аэрозоля в рамках миогопараметрического подхода к решению обратной задачи с упрощённым подходом, используемым в большинстве исследований. Сделан вывод, что оценю! погрешностей восстановления оптических параметров стратосферного аэрозоля, осуществлённые в ряде работ представляются, вероятно, существенно заниженными.

50 —I

40 —

20 —

10 —

ЗУС=54 АС=51

—1 384км

-- 2 755нм

з Ю22НМ ----- 4 384НМ

. ------5 75 5нм

6 1022НМ

[

i\V

"НТ

10 20 30 40 50 120 160 200

Отноо. погрешность восстановления КАР, %

240

Рис. 2. Относительные погрешности восстановления высотных профилей КАР для разных длин волн. Кривые 1-3 - неопределённости по результатам восстановления для длин волн 384, 755, 1022 нм, соответственно, кривые 4-6 -их априорные неопределённости для тех же длин волн. Зенитный угол Солнца 54°, азимут 51°.

Погрешности (рис. 2) восстановления КАР и ПА при интерпретации численных экспериментов по измерению рассеянного солнечного излучения лимба Земли для различных условий спутниковых экспериментов составляют на высотах 12-45 км 10-30% и 5-25%, соответственно, в спектральном диапазоне 384-1022 нм. При этом происходит уменьшение априорной неопределённости КАР в 4-5 раза (с 90-200% до 10-30%) и примерно в два раза

для ПА (с 5-35% до 10-25% на крайних длинах волн). Информативность спутникового эксперимента с прибором SAGE III по восстановлению КАР высока и составляет 75-85% для высот стратосферы. Для ПА информативность метода невелика (20-30%).

Погрешности восстановления S и V с помощью интерпретации спектральных измерений рассеянного солнечного излучения в видимой и ближней ИК областей спектра лимба Земли при различных условиях спутниковых экспериментов составляют на высотах 12-45 км 28-33% и 33-40%, соответственно, для высотного шага восстановления на сетке высот через 1 км. При этом происходит уменьшение априорной неопределённости S в ~2 раза (с 60-90% до 28-33%) и в ~3 раза для V (с 80-140% до 33-40%). Информативность спутникового эксперимента с прибором SAGE III по восстановлению S и V составляет 60-70% и 65-75% соответственно для высот стратосферы.

— &КХЗТ& h, N4 50- Вкюота Ь, *м

- ! { с i г ч * \ —V 40- I У ч t m'

- * \ 1 / S ; Л» ' * _ 30- 4 \ I V^ * ___

— ■ ? U а • + * _ _ » : -5Т : 20- I б * »

- ; 1 —,D~% 5 KM 10- t — / : V л-а-.-.-.-.-.-.-.-л-лч^-.-л- D~% S км;

I ■

■ , , | . , 1 | 1 | и ■ i • i • i ■ i

0 20 40 60 80 100 0 40 80 120 160

Отноа. пагр. восстановления S, % Относ, ппгр. восстановления V, %

Рис. 3, Сравнение профилей погрешностей восстановления S и V для стандартного высотного шага 1 км (чёрная сплошная) и для осреднённых профилей по слоям толщиной 5 км (серая сплошная), а также их априорная неопределённость (пунктир).

Для подавления случайных ошибок и более достоверного анализа малых естественных вариаций S и V, характерных для фонового аэрозоля, предложено использовать высотное усреднение полученных результатов в слоях толщиной 5 км, соответствующих реальному вертикальному разрешению дистанционного метода (рис. 3). Погрешности определения S и V в этих слоях существенно уменьшились и, в подавляющем большинстве случаев, составили 18-20% для

высот стратосферы.

Завершает диссертацию заключение, в котором сформулированы основные полученные результаты и выводы:

2. Улучшенная методика расчёта поглощения в полосе кислорода существенно в 2 раза) уменьшает рассогласования радиационной модели с экспериментом для большинства каналов спутникового прибора SAGE III.

3. Реализована методика решения обратной задачи по восстановлению оптических ц интегральных параметров микрофизики стратосферного аэрозоля (коэффициент аэрозольного рассеяния КАР, параметр асимметрии ПА, площадь поверхности частиц S и объём частиц Fb единице объёма) по данным спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения.

4. Погрешности определения КАР, ПА, S и V заметно зависят от условий освещения атмосферы и условий проведения спутникового эксперимента. Повышение точности определения характеристик стратосферного аэрозоля наблюдается при малых углах рассеяния солнечного излучения, что обусловлено спецификой аэрозольной индикатрисы рассеяния.

5. Учёт многократного рассеяния необходим при моделировании измерений рассеянного на горизонте планеты уходящего солнечного излучения.

6. Полученные результаты исследований погрешностей спутникового метода при различных условиях освещения и геометрии измерений позволяют осуществлять оптимальное планирование спутникового эксперимента по определению оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля.

7. Разработанные методики восстановления оптических и микрофизических параметров стратосферного аэрозоля могут быть.применены для интерпретации реальных спутниковых измерений рассеянного в лимбе

солнечного излучения, в частности, таких приборов как SAGE III, SCIAMACHY и нового прибора QMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite).

Далее следует раздел благодарностей и список использованной литературы.

Список публикаций по теме диссертации

1. Семакин С.Г., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., Сравнение измеренных и рассчитанных функций пропускания в А-полосе кислорода при 0.76 мкм // Исследование Земли из космоса, с. 37-43, Россия, 2008, №1.

2. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков А.В., Виролайнен Я.А., Потенциальные точности восстановления коэффициента рассеяния стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного излучения //Исследование Земли из космоса, с.54-63, Россия, 2009, №4.

3. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков А.В., Виролайнен Я.А., Анализ погрешностей определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля спутниковым методом лимбового рассеяния // Исследование Земли из космоса, Россия, 2010, №3, с.71-76.

4. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков А.В., Виролайнен Я.А., Об определении микроструктуры стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения горизонта Земли // Оптика атмосферы и океана, Россия, 2010, т.23, №4, с.334-338.

5. Семакин С.Г., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., Сравнение рассчитанных и измеренных функций пропускания в А-полосе кислорода при 0.76 мкм // Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2006, сборник тезисов. - Санкт-Петербург. - 2006. - С.79-80.

6. Семакин С.Г., Анализ возможностей восстановления оптических характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям уходящего рассеянного солнечного излучения горизонта Земли // Физика атмосферы: наука и образование, юбилейный сборник, стр. 96-100, СПб, Россия, 2007.

7. Семакин С.Г., Потенциальные погрешности определения оптических параметров стратосферного аэрозоля спутниковым методом лимбового зондирования // Молодёжная научная конференция «Физика и прогресс»-2008. Сборник тезисов. - Санкт-Петербург. -2008. - С. 15.

8. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков А.В., Виролайнен Я.А., Рассеянное солнечное излучение лимба как источник информации о стратосферном аэрозоле // Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация и динамика" МСАРД-2009. Сборник тезисов. -Санкт-Петербург. - 2009. - С.31.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 29.04.11 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. иеч. л. 1. Тираж 100 экз., Заказ № 1177/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929-43-00.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Семакин, Сергей Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Стратосферный аэрозоль и методы его исследования.

1.1 Стратосферный аэрозоль.

1.2 Методы исследования стратосферного аэрозоля.

1.3 Спутниковые приборы затменного метода.

1.4 Спутниковые приборы лимбового метода (SOLSE/LORE, OSIRIS, SCIAMACHY, SAGE III).

1.5 Интерпретация результатов дистанционных измерений.

1.6 Современные проблемы зондирования характеристик стратосферного аэрозоля.

1.7 Выводы.

Глава 2. Радиационная модель атмосферы в спектральной области 0.3 -1.5 мкм.

2.1 Введение.

2.2 Механизмы ослабления и рассеяния в спектральной области 0.3 -1.5 мкм.

Молекулярное рассеяние.

Учёт молекулярного поглощения.

Оптические характеристики аэрозоля.

Учёт атмосферной рефракции.

2.3 Важность исследования А-полосы кислорода 0.76 мкм.

2.4 Модель расчёта функций пропускания в А-полосе кислорода 0.76 мкм.

2.5 Погрешности расчёта функций пропускания, обусловленные неточностями задания различных параметров состояния атмосферы и спектральных линий.

2.6 Улучшенная методика расчётов коэффициентов поглощения кислорода.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование точности спутникового метода определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения на горизонте Земли"

3.2 Физико-математическая модель лимбового зондирования атмосферы.60

3.3 Радиационный код SCIATRAN.62

3.4 Аэрозольная модель атмосферы.64

3.5 Модель погрешности измерения интенсивности (SAGE III).71

3.6 Анализ весовых функций.72

3.7 Расчёт информативности и точности дистанционного метода относительно оптических характеристик стратосферного аэрозоля.75

3.8 Анализ погрешностей и информативности зондирования оптических характеристик стратосферного аэрозоля.77

3.9 Основные результаты и выводы.82

Глава 4. Анализ погрешностей определения оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля.84

4.1 Введение.84

4.2 Регрессионный подход к решению обратных задач атмосферной оптики.85

4.3 Реализация методики численных оценок погрешностей.87

4.4 Результаты численного анализа погрешностей восстановления оптических характеристик аэрозоля.90

4.5 Результаты численного анализа погрешностей восстановления микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля.95

4.6 Влияние вертикального усреднения на погрешности восстановления.98

4.7 Основные результаты и выводы.99

Заключение.102

Благодарности.105

Список литературы.106

Аббревиатуры

АС

БИК

ДОСик-исз

ЗУС

КАО

КАП

КАР

КДОкпп

ПА-ПСОско

СКР

СПбГУ

СР

УФ —

ФП

ФРР

AFGL

ATMOS

CRISTA

ERBS

F AS CODE

GOME

GOMOS

HALOE

HITRAN

ILAS —

LOWTRAN

MIPAS

MODTRAN

NASA

OMI

OPC

POAMs

SAGE

SAM

SBUVазимут Солнца. ближняя инфракрасная область спектра, долговременная орбитальная станция, инфракрасная область спектра, искусственный спутник Земли, зенитный угол Солнца, коэффициент аэрозольного ослабления, коэффициент аэрозольного поглощения, коэффициент аэрозольного рассеяния, квазидвухлетние осцилляции, комплексный показатель преломления, параметр асимметрии, полярные стратосферные облака, среднеквадратическое отклонение (см. также СКР). среднеквадратическая разность.

Санкт-Петербургский Государственный Университет, средняя разность. ультрафиолетовая область спектра, функция пропускания. функция распределения частиц по размерам. Air Force Geophysical Laboratory Atmospheric Trace Molecule Spectroscopy

Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere Earth Radiation Budget Satellite Fast Atmospheric Signature Code Global Ozone Monitoring Experiment Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars HALogen Occultation Experiment High Resolution Transmission (database) Improved Limb Atmospheric Spectrometer Low Resolution Transmittance Code Michelson Interferometric Passive Atmosphere Sounder Moderate Resolution Transmittance Code National Aeronautics and Space Administration Ozone Monitoring Instrument Optical Particle Counter

Polar Ozone and Aerosol Measurement (instrument) интегральная площадь частиц в единице объёма. Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Stratospheric Aerosol Measurement Sounder Solar Backscatter Ultra-Violet Instrument

SCIAMACHY - Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography

SEVIRI - Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager

SPOT-3 - Satellite Probatoire d'Observation de la Terre (France)

TOMS - Total Ozone Mapping Spectrometer (project)

UARS — Upper Atmosphere Research Satellite

V — интегральный объём частиц в единице объёма.

Введение

Аэрозольная компонента атмосферы играет существенную роль в разнообразных атмосферных процессах [2, 15, 92] — переносе солнечного и теплового излучения, формировании радиационного баланса системы атмосфера—подстилающая поверхность и, как следствие, погоды и климата Земли, облакообразовании, фотохимии атмосферы и т.д. Во время и после мощных вулканических извержений он активно участвует в гетерогенных процессах, приводящих к разрушению озонного слоя, к нагреванию стратосферы и охлаждению тропосферы [93, 16]. В фоновом состоянии стратосферный аэрозоль играет заметную роль в балансе ряда газов, в частности, семейства NOx. Анализ пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля позволяет исследовать динамику атмосферы. До сих пор нет полной ясности в вопросе антропогенного влияния на стратосферный аэрозоль, что обусловлено относительно коротким периодом его исследований и их неполнотой. Современные потребности научных исследований делают необходимыми долговременные измерения оптических (оптические толщи, вертикальные профили коэффициентов аэрозольного рассеяния и поглощения) и микрофизических характеристик (функция распределения частиц по размерам (ФРР), фазовое состояние, форма и структура аэрозольных частиц).

Оптические и микрофизические характеристики стратосферного аэрозоля исследуются с помощью различных локальных и дистанционных методов [39]. Значительное количество информации о стратосферном аэрозоле было получено в последние десятилетия с помощью спутниковых методов, в частности, затменным методом измерений в последовательных спутниковых экспериментах с аппаратурой SAGE I, II и III [155, 173, 98]. Затменный метод основан на измерении поглощения атмосферой солнечного излучения на касательных трассах при восходе и заходе Солнца за горизонт планеты. Этот метод характеризуется высокой потенциальной точностью, хорошим высотным разрешением, отсутствием необходимости абсолютной калибровки прибора для получения функций пропускания. Однако существенным недостатком этого метода является малое число измерений за сутки (28-29), что значительно затрудняет исследования пространственно-временных вариаций атмосферных параметров. Следует отметить, что разным спутниковым методам присущи различные преимущества и недостатки и поэтому оптимальная космическая система мониторинга газового и аэрозольного состава атмосферы должна включать совокупности различных дистанционных измерений.

В последние годы существенно возрос интерес к использованию спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра при касательной геометрии (излучения горизонта Земли). Этот спутниковый метод позволяет осуществлять практически глобальные измерения характеристик стратосферного аэрозоля с высокой периодичностью. В связи с этим были проведены и проводятся спутниковые эксперименты по измерениям рассеянного солнечного излучения в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра (аппаратура LORA, SOLSE, OSIRIS, SAGE III, SCIAMACHY) [99, 44, 112, 65]. Существенно, что в ближайшие годы планируется запуск в космос приборов для оперативного использования этого метода (прибор OMPS [37]) для зондирования стратосферы. В указанных работах основное внимание уделялось анализу возможностей и примерам определения характеристик газового состава атмосферы, прежде всего содержания озона. При этом влияние аэрозольных характеристик либо исключалось при использовании дифференциального подхода, либо они предполагались известными (задавались или микрофизические, или оптические характеристики аэрозоля). Однако работ, посвященных исследованию самого стратосферного аэрозоля с использованием измерений рассеянного в лимбе планеты солнечного излучения недостаточно. Причём исследования в этом направлении проводились в основном с использованием достаточно грубых приближений (например, приближения однократного рассеяния), до сих пор не исследована информативность метода, погрешности его применения в различных условиях, возможности получения информации об интегральных параметрах стратосферного аэрозоля.

В ряде работ [43, 102] были рассмотрены возможности определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля, но при сильных упрощающих предположениях. Так в работе [43] предполагались известными функции распределения и состав аэрозольных частиц по размерам (ФРР) и искались концентрации аэрозольных частиц.

Измерения характеристик аэрозоля (как профилей оптических характеристик, так и интегральных микрофизических характеристик) в глобальном масштабе необходимо осуществлять с погрешностями 10/20 % (оптимальные и предельные погрешности), за исключением случая использования данных в атмосферной химии в нижней тропосфере, где требования более высокие (5/20 %) [169].

В работе [30] предложена новая методика интерпретации спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения в лимбе планеты, использующая в качестве априорной информации при решении обратной задачи модельную статистическую информацию о микрофизических и оптических характеристиках стратосферного аэрозоля. В этой работе, однако, использовался радиационный код, учитывающий только однократное рассеяние, а также упрощённая модель погрешностей измерений. Представляет несомненный интерес проблема определения потенциальных погрешностей восстановления оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля при использовании как более адекватной радиационной модели, так и реалистической модели случайных погрешностей измерений при различных условиях спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения горизонта Земли. В представленной диссертационной работе это делается впервые на основе численного моделирования лимбовых измерений в видимой и ближней инфракрасной (БИК) областях спектра. Данная работа посвящена как численному анализу информативности и точности определения характеристик фонового стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения, так и совершенствованию современной радиационной модели переноса излучения в спектральной области 0.3-1.5 мкм.

Целями диссертационной работы являются:

1. Совершенствование радиационной модели атмосферы в спектральной области 0.31.5 мкм, в частности, уточнение методики расчётов функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм.

2. Моделирование спутникового эксперимента по измерению рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения (прибор типа SAGE III).

В соответствии с поставленными целями были решены следующие основные задачи:

1.Создана методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных трассах в атмосфере в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм при учёте сдвига центров линий от величины давления, континуального поглощения и интерференции спектральных линий.

2. Проведён анализ влияния погрешностей исходных параметров на результаты расчётов функций пропускания на касательных трассах в полосе кислорода при 0.76 мкм при учёте всех основных процессов трансформации излучения в атмосфере.

3. Определены погрешности усовершенствованной методики расчёта функций пропускания атмосферы в полосе кислорода на основе сравнения со спутниковыми измерениями (эксперимент SAGE III)

4. Разработана на основе метода статистической регуляризации и имеющихся статистических моделей аэрозоля методика решения обратной задачи по определению вертикальных профилей коэффициента аэрозольного рассеяния КАР (однопараметрическая обратная задача).

5. Проведена компиляция глобального массива реализаций вертикальных профилей температуры, давления, характеристик газового состава атмосферы, микрофизических и оптических характеристик аэрозолей, альбедо поверхностей и построены ковариационные и взаимоковариационные матрицы, описывающие естественные вариаций параметров атмосферы и поверхности.

6. Разработана на основе метода линейной множественной регрессии методика по восстановлению вертикальных профилей КАР и параметра асимметрии ПА индикатрисы рассеяния и интегральных параметров микрофизики стратосферного аэрозоля (площадь поверхности частиц S и объём частиц V в единице объёма) из данных спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения.

7. Исследована информативность и потенциальная точность определения как оптических, так и микрофизических параметров стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения.

8. Проведено сравнение различных подходов решения обратных задач по определению параметров фонового стратосферного аэрозоля.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые реализована методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм при учете сдвига центров линий от величины давления, континуального поглощения и интерференции спектральных линий.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием

- современных данных о естественных вариациях основных параметров атмосферы и поверхности,

- статистических моделей атмосферного аэрозоля, построенных на основе большого объема эмпирических данных,

- теоретически обоснованных и апробированных ранее численных методик решения обратных задач атмосферной оптики (регрессионный подход и метод статистической регуляризации),

- реальных характеристик погрешностей измерений спутникового прибора SAGE III, определённых авторами эксперимента,

- данных спутниковых измерений с объективными оценками погрешностей измерений. Научная и практическая значимость обусловлена

- реализацией методики расчёта функций пропускания атмосферы в полосе 0.76 мкм повышенной точности, учитывающей сдвиг, интерференцию спектральных линий и континуальное поглощение, которая может использоваться для решения прямых и обратных задач атмосферной оптики, в том числе и для улучшения высотной привязки спутниковых лимбовых измерений;

- получением новых данных об информативности и точности спутникового метода измерений оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля;

- оценками погрешностей определения параметров стратосферного аэрозоля, а также рекомендациями по условиям проведения эксперимента, которые могут быть использованы при разработке сценариев будущих спутниковых лимбовых измерений;

- численным анализом различных подходов к формулировке обратной задачи по восстановлению оптических параметров стратосферного аэрозоля;

- реализованным в компьютерном коде алгоритмом решения обратной задачи и построенным в работе регрессионным оператором, который можно применить для интерпретации спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения в спектральных каналах, аналогичных каналам прибора SAGE III.

Основные положения, выносимые на защиту

- учёт многократного рассеяния необходим при моделировании измерений рассеянного на горизонте планеты уходящего солнечного излучения;

- при учёте вариаций основных параметров атмосферы и подстилающей поверхности потенциальные погрешности восстановления характеристик аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного излучения составляют 10-30% для КАР и 5-25% для ПА, соответственно, на высотах 12-45 км в спектральном диапазоне 384-1022 нм;

- информативность спутникового эксперимента с прибором SAGE III по восстановлению КАР высока и составляет 75-85% для высот стратосферы, для ПА информативность метода невелика (20-30%);

- вертикальное разрешение рассматриваемого метода измерений в средней атмосфере составляет 4-6 км; наилучшая точность измерения характеристик стратосферного аэрозоля достигается при малых азимутальных углах наблюдения и больших зенитных углах Солнца.

Личный вклад

Все результаты, представленные в диссертационной работе, были получены автором лично или при его непосредственном участии.

Автором усовершенствована методика расчёта функций пропускания в полосе кислорода 0.76 мкм, разработанная сотрудником кафедры физики атмосферы физического факультета СПбГУ доктором ф.-м. наук А. В. Поляковым. Учёт спектроскопических эффектов смещения центров линий и интерференции в А-полосе кислорода производился по модели [159] (XII Парижский университет). Автором проведён анализ влияния неопределённостей модельных данных на результаты расчёта функций пропускания в полосе кислорода 0.76 мкм, а также анализ рассогласований между модельными расчётами функций пропускания и экспериментальными данными затменных измерений прибора SAGE III в этой полосе. Также автором реализована методика решения обратной задачи определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения; проведён анализ информативности и точности определения оптических и микрофизических' характеристик фонового стратосферного аэрозоля по результатам лимбовых измерений. Расчёт интенсивности рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения производился с помощью радиационного кода SCIATRAN, разработанного доктором А. В. Розановым (Бременский университет, Германия), с использованием компиляции модели атмосферного аэрозоля и модели состояния атмосферы, выполненной сотрудницей кафедры физики > атмосферы физического факультета СПбГУ канд. физ.-мат. наук Я. А. Виролайнен. Автором даны рекомендации по оптимальным условиям лимбовых измерений для повышения точности определения параметров стратосферного аэрозоля. Методики решения обратной задачи определения параметров стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям и оценки точности восстановления методами статистической регуляризации и множественной линейной регрессии реализованы автором лично.

Апробация работы

Результаты, представленные в диссертации, докладывались на ряде международных и всероссийских конференций: Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2006 (Санкт-Петербург), XI всероссийская школа-конференция молодых учёных МАПАТЭ-2007 (Нижний Новгород), Молодёжная научная конференция «Физика и прогресс»-2008 (Санкт-Петербург), 6-я открытая всероссийская конференция

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН 2008 (Москва), Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация и динамика" МСАРД-2009 (Санкт-Петербург). Результаты также докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета, Международного центра по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена и в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО), Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 статей, в том числе 4 в рецензируемых журналах, входящих в список Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК).

1. Семакин С.Г., Поляков A.B., Тимофеев Ю.М., Сравнение измеренных и рассчитанных функций пропускания в А-полосе кислорода при 0.76 мкм // Исследование Земли из космоса, с. 37-43, Россия, 2008, №1.

2. Семакин С.Г., Анализ возможностей восстановления оптических характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям уходящего рассеянного солнечного излучения горизонта Земли // Физика атмосферы: наука и образование, юбилейный сборник, стр. 96-100, СПб, Россия, 2007.

3. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Виролайнен Я.А., Потенциальные точности восстановления коэффициента рассеяния стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного излучения // Исследование Земли из космоса, с.54-63, Россия, 2009, №4.

4. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Виролайнен Я.А., Анализ погрешностей определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля спутниковым методом лимбового рассеяния // Исследование Земли из космоса, Россия, 2010, №3, с.71-76.

5. Семакин С.Г., Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Виролайнен Я.А., Об определении микроструктуры стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения горизонта Земли // Оптика атмосферы и океана, Россия, 2010, т.23, №4, с.334-338.

Общая структура работы

Во введении указана цель работы, перечислены основные поставленные задачи, отмечена научная новизна работы, указаны основные публикации по теме диссертации и описана общая структура работы.

Первая глава диссертации — вводная — посвящена общему рассмотрению важности изучения стратосферного аэрозоля, его влиянию на климат, радиационный баланс и химический состав атмосферы, его источникам и характеристикам, высотному и широтному распределению. Подробно рассмотрены различные методы изучения стратосферного аэрозоля, приведён перечень известных спутниковых приборов по исследованию аэрозоля. Особое внимание уделено дистанционным спутниковым методам зондирования — затменным (по измерениям ослабления солнечного излучения на касательных трассах) и лимбовым (по измерениям спектров рассеяния солнечного излучения горизонта Земли) экспериментам. В этой главе представлена общая схема дистанционных методов зондирования атмосферы, а также современные проблемы зондирования стратосферного аэрозоля. В конце главы делается заключение о необходимости сочетания в современных системах наблюдения различных спутниковых и наземных методов.

Вторая глава диссертации посвящена совершенствованию современной радиационной модели переноса излучения в атмосфере, в частности — в полосе поглощения кислорода при 0.76 мкм. Описаны общие механизмы ослабления и рассеяния излучения в спектральной области 0.3-1.5 мкм: релеевское и аэрозольное рассеяние, молекулярное поглощения газами, атмосферная рефракция. Обоснована актуальность исследования радиационной модели в А-полосе поглощения кислорода при 0.76 мкм. Представлена традиционная модель расчёта поглощения в А-полосе кислорода и её улучшенный вариант, учитывающий интерференцию и смещение спектральных линий, а также континуальное поглощение. Произведено сравнение двух методик на примере расчёта функций пропускания в полосе кислорода в затменном эксперименте. Проведены массовые сравнения экспериментальных (эксперимент со спутниковой аппаратурой SAGE III) и расчётных функций пропускания, и показано, что новая методика существенно улучшила рассогласования расчётных и экспериментальных данных. В этой главе также осуществлён анализ влияния неточностей задания исходной информации о состоянии атмосферы и параметров тонкой структуры спектральных линий кислорода на погрешности расчёта функций пропускания в затменном эксперименте. Сделан вывод о том, что характеристики ослабления солнечного излучения в полосе поглощения кислорода при 0.76 мкм требуют уточнения при использовании экспериментальных данных в этой области для осуществления температурного зондирования атмосферы и осуществления высотной привязки лимбовых измерений.

Третья глава работы посвящена постановке и описанию дистанционного спутникового метода зондирования оптических характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения. Представлена физико-математическая модель лимбового зондирования атмосферы, реализованная в виде радиационного кода SCIATRAN [134]. Здесь указана роль многократного рассеяния в формировании уходящего рассеянного излучения. Подробно описана статистическая модель аэрозоля, используемая в качестве априорной информации в прямой задаче расчёта рассеянного в лимбе излучения; приведены величины априорной изменчивости модельных оптических и микрофизических параметров стратосферного аэрозоля. Представлена модель погрешности измерения интенсивности рассеянного в лимбе излучения на примере эксперимента с аппаратурой SAGE III, в дальнейшем используемая для моделирования спутникового эксперимента. Проанализированы весовые функции интенсивности рассеянного на горизонте планеты излучения относительно вариаций коэффициента аэрозольного рассеяния для набора длин волн и геометрии измерений. В этой главе приведён анализ информативности и точности дистанционного метода относительно оптических характеристик стратосферного аэрозоля. Оценки потенциальной точности и информативности рассматриваемого метода измерений осуществлялись с использованием метода статистической регуляризации. В главе представлен анализ влияния условий и геометрии измерений на точности зондирования оптических характеристик стратосферного аэрозоля. Показано, что максимальная точность восстановления характеристик стратосферного аэрозоля достигается при малых углах рассеяния излучения. Сделан вывод о том, что полученные погрешности дистанционного метода в традиционной упрощённой постановке обратной задачи следует рассматривать как потенциальные (минимально возможные).

В четвёртой главе рассмотрена более реалистичная постановка обратной задачи определения оптических и микрофизических параметров стратосферного фонового аэрозоля - одновременное восстановление коэффициента аэрозольного рассеяния и параметра асимметрии (КАР и ПА), интегральных площадей и объёмов аэрозольных частиц (S и V) при учёте вариаций всех основных параметров атмосферы и поверхности — профилей температуры и давления, содержания атмосферных газов и альбедо поверхности. Для проведения этих исследований использовалась компиляция глобального массива реализаций вертикальных профилей температуры, давления, характеристик газового состава атмосферы, микрофизических и оптических характеристик аэрозолей, альбедо поверхностей [7] и рассчитанные ковариационные и взаимоковариационные матрицы, описывающие естественные вариации параметров атмосферы и поверхности.

Проведены численные эксперименты по восстановлению профилей КАР и ПА, Б и V по замкнутой схеме на представительном ансамбле состояний атмосферы (1200 реализаций) для различных длин волн и условий освещения атмосферы. Оценка погрешностей определения характеристик стратосферного аэрозоля при решении обратной задачи осуществлялась с использованием метода множественной линейной регрессии. Представлено сравнение результатов численного анализа восстановления характеристик стратосферного аэрозоля в рамках многопараметрического подхода к решению обратной задачи с упрощённым подходом, используемым в большинстве исследований. Сделан вывод, что оценки погрешностей восстановления оптических параметров стратосферного аэрозоля, осуществлённые в ряде работ представляются, вероятно, существенно заниженными.

Завершает диссертацию заключение, в котором сформулированы основные полученные результаты и выводы. Далее следует раздел благодарностей и список использованной литературы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Семакин, Сергей Геннадьевич

Основные результаты этой главы опубликованы в [27, 28].

Заключение

В соответствии с поставленными целями диссертационной работы были решены следующие задачи и сделаны соответствующие выводы:

1. Усовершенствована радиационная модель атмосферы в спектральной области 0.3-1.5 мкм, в частности, уточнена методика расчёта функций пропускания (ФП) атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода при 0.76 мкм. Традиционная методика расчёта поглощения в А-полосе кислорода дополнена учётом эффектов сдвига и интерференции спектральных линий [159], а также континуального поглощения. Осуществлён анализ влияния погрешностей исходной информации о параметрах атмосферы на результаты расчётов ФП при моделировании затменного спутникового эксперимента в полосе кислорода при 0.76 мкм с использованием улучшенной радиационной модели, учитывающей все основные процессы трансформации излучения в атмосфере (в том числе и аэрозольное ослабление). Произведена и проанализирована статистика рассогласований результатов расчётов прозрачности атмосферы на касательных трассах с экспериментальными данными спутникового прибора SAGE III. Исследования.показали, что улучшенная методика расчёта поглощения в полосе кислорода существенно (~ в 2 раза) уменьшает рассогласования радиационной модели с экспериментом для большинства каналов спутникового прибора SAGE III. Применение этой методики в задачах дистанционного спутникового зондирования атмосферы позволит улучшить высотную привязку спутниковых измерений и уменьшить погрешности определения температуры атмосферы, что в свою очередь позволит получать более достоверную информацию о состоянии атмосферы как с помощью затменных, так и лимбовых экспериментов.

2. Реализована разработанная на основе методов статистической регуляризации и множественной линейной регрессии и имеющейся статистической модели стратосферного аэрозоля методика решения обратной задачи по восстановлению оптических и интегральных параметров микрофизики стратосферного аэрозоля (коэффициент аэрозольного рассеяния КАР, параметр асимметрии ПА, площадь поверхности частиц S и объём частиц V в единице объёма) по данным спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения. При построении обратного оператора учитывались реальные погрешности измерения уходящего излучения спутниковым прибором SAGE III.

3. Рассчитаны весовые функции рассматриваемой обратной задачи, описывающие чувствительность уходящего рассеянного солнечного излучения к вариациям КАР для набора прицельных высот и спектральных каналов. Они демонстрируют высокие потенциальные возможности восстановления вертикальных профилей КАР с помощью рассматриваемого спутникового метода. При этом вертикальное разрешение лимбового метода измерений достаточно высокое в средней атмосфере (4-6 км), но оно ухудшается для меньших высот в силу влияния вкладов многократного рассеяния и отражения от поверхности/облаков.

4. Погрешности восстановления КАР и ПА при интерпретации спектральных измерений рассеянного солнечного излучения лимба Земли для различных условий спутниковых экспериментов составляют на высотах 12-45 км 10-30% и 5-25%, соответственно, в спектральном диапазоне 384-1022 нм. При этом происходит уменьшение априорной неопределённости КАР в 4-5 раза (с 90-200% до 10-30%) и примерно в два раза для ПА (с 5-35% до 10-25% на крайних длинах волн). Информативность спутникового эксперимента с прибором SAGE III по восстановлению КАР высока и составляет 7585% для высот стратосферы. Для ПА информативность метода невелика (20-30%).

5. Погрешности восстановления S и Y при интерпретации спектральных измерений рассеянного солнечного излучения в видимой и ближней ИК областей спектра лимба Земли для различных условий спутниковых экспериментов составляют на высотах 1245 км 28-33% и 33-40%, соответственно, для высотного шага восстановления на сетке высот через 1 км. При этом происходит уменьшение априорной неопределённости S в ~2 раза (с 60-90% до 28-33%) и в ~3 раза для V (с 80-140% до 33-40%). Информативность спутникового эксперимента с прибором SAGE III по восстановлению S и V составляет 60-70% и 65-75%, соответственно, для высот стратосферы.

6. Показано, что учёт многократного рассеяния необходим при моделировании измерений рассеянного на горизонте планеты уходящего солнечного излучения. Наилучшая точность измерения характеристик стратосферного аэрозоля достигается при малых азимутальных углах наблюдения и больших зенитных углах Солнца.

7. Проведён сравнительный численный анализ различных постановок обратной задачи по определению оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля, — с учётом вариации лишь искомого параметра аэрозоля (традиционный подход) и при учёте вариаций всех атмосферных параметров, влияющих на формирование рассеянного солнечного излучения лимба Земли. Исследование показало, что общий подход даёт более реалистичные оценки погрешности восстановления КАР. Таким образом, оценки погрешностей восстановления оптических параметров стратосферного аэрозоля, осуществлённые в работах [43, 30, 102, 26] представляются, вероятно, существенно заниженными.

8. Проведено сравнение полученных данных с результатами численного моделирования по затменному методу зондирования атмосферы прибором SAGE III. Затменный эксперимент, в отличие от рассмотренного в данной работе лимбового, даёт потенциально более точные восстановления микрофизических параметров стратосферного аэрозоля. Это обусловлено, прежде всего, простотой обратной задачи (восстановления S и V по спектральной зависимости коэффициента аэрозольного ослабления), так и высоким отношением сигнал/шум в затменных экспериментах. Относительно большие погрешности лимбового метода рассеяния связаны с более сложной физико-математической основой метода, в котором на измеряемые значения рассеянного солнечного излучения влияет большое количество дополнительных факторов — отражение от поверхности, релеевское рассеяние, многократное рассеяние и т.д.

9. Изучена зависимость погрешностей спутникового лимбового метода определения интегральных параметров стратосферного аэрозоля от вертикального разрешения спутниковых измерений. Для подавления случайных ошибок и более достоверного анализа малых естественных вариаций S и V, характерных для фонового аэрозоля, предложено использовать высотное усреднение полученных результатов в слоях толщиной 5 км. Погрешности определения S и V в этих слоях, в подавляющем большинстве случаев, составили 18-20% для высот стратосферы.

10. Полученные результаты исследований погрешностей спутникового метода при различных условиях освещения и геометрии измерений позволяют осуществлять оптимальное планирование спутникового эксперимента по определению оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля.

11. Использование спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения лимба планеты позволяет определять интегральные микрофизические параметры стратосферного аэрозоля с большей погрешностью, чем более простые затменные методы. Однако лимбовый метод рассеяния по сравнению с затменным методом позволяет осуществлять в течение суток не 25 - 30 измерений, а многие сотни и тысячи, что важно при изучении пространственно-временных вариаций состояния стратосферы в глобальном масштабе.

12. Разработанные методики восстановления оптических и микрофизических параметров стратосферного аэрозоля могут быть применены для интерпретации реальных спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения, в частности, таких приборов как SAGE III, SCIAMACHY и нового прибора OMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite).

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору, доктору физ.-мат. наук Юрию Михайловичу Тимофееву за неоценимую помощь в подготовке диссертации и научное руководство в течение ряда лет, а также за ценные советы, замечания и обсуждение текста данной работы.

Диссертант также пользуется случаем выразить глубокую благодарность доктору ф.-м. н. Полякову A.B. за предоставленные алгоритмы по решению прямых и обратных задач математической физики, за существенную помощь в их доработке применительно к решению поставленных в диссертации задач, а также за доступ к данным восстановления КАО по результатам спутниковых измерений прибора SAGE III.

Автор благодарит также всех сотрудников отдела Физики Атмосферы физического факультета СПбГУ за всестороннюю поддержку в научной работе, в том числе и Я.А. Виролайнен за предоставление статистической модели атмосферного аэрозоля. Неоценимую помощь при подготовке публикаций и докладов по теме диссертации оказала Е. М. Шульгина. Диссертант также благодарен Розанову A.B. за консультацию в деле освоения радиационной модели SCIATRAN, а также доктору Rault D.F. и доктору Loughman R.P. (NASA), за предоставленную информацию о модели погрешностей измерения прибора SAGE III в лимбовой моде. Автор благодарит сотрудников XII Парижского университета за предоставление кода программы с методикой расчёта коэффициентов поглощения в полосе кислорода.

Главная часть работ, на которых основана диссертация, выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 06-05-64909-а, грант 08-05-00857-а), частичной финансовой поддержке грантов Рособразования (101138 и 393846), Министерства образования и науки РФ (РНП.2.1.1.4166 и РНП.2.2.1.1.3836, гранты АВЦП 1138 и АВЦП 3946), и при поддержке Научного Фонда «Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена» (Санкт-Петербург).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Семакин, Сергей Геннадьевич, Санкт-Петербург

1. Адикс Т.Г., Дианов-Клоков В.И., О молекулярных параметрах полосы поглощения Ог 0.7620 и расчеты по ним функций пропускания. Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 4, No. 10, 1968.

2. Асатуров M.JI., Будыко М.И. и др. Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 256 с.

3. Бадаев В.В., Малкевич М.М., О возможности определения вертикальных профилей аэрозольного ослабления по спутниковым измерениям отраженной радиации в полосе кислорода 0.76 мкм. Изв. АН СССР. ФАО, т.14. N0/ 10, с. 1022-1030, 1978.

4. Бадаев В.В., Малкевич М.С., Низик Б., Циммерман Г., Определение оптических параметров земной поверхности, океана и атмосферы со спутников «Интеркосмос-20 и 21», Исслед. Земли из космоса, No. 5. с. 18-29, 1985.

5. Виролайнен Я.А., А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев, Статистические модели оптических свойств тропосферного аэрозоля Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2004, том 40, №2, с. 255-266.

6. Ивлев JI.C. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. JL: Изд-во ЛГУ, 1982.

7. Ивлев U.C., Андреев С.Д., Оптические свойства атмосферных аэрозолей. Л.: Изд-во ЛГУ, 1986.

8. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А., Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999.

9. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Прямые методы расчета функций пропускания атмосферных газов // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. — 1967. — Т.З. -№2.-С. 198-206.

10. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со спутников. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 410 с.

11. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса. — JL: Гидрометеоиздат, 1978. — 280 с.

12. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. JL: Гидрометеоиздат, 1983. — 224 с.

13. Кондратьев К.Я., Исследования Земли из космоса: Научный план системы EOS // Исследование Земли из космоса, 2000, No. 3, с. 82-91.

14. Креков Г.М., Звенигородский С.Г. Оптическая модель средней атмосферы. — Новосибирск: Наука, 1990. — 278 с.

15. Поляков A.B., Система обработки данных орбитальных измерений прозрачности атмосферы аппаратурой "Озон-МИР" 1. Предварительная обработка телеметрической информации //Исслед.Земли из космоса , №4 с.46-55, 1999.

16. Поляков A.B., Методика интерпретации измерений прозрачности спутникового спектрометра SAGE III. 2004.

17. Поляков A.B., Тимофеев Ю.М., Ионов Д.В., СтилХ., Ньючерч М., Новая интерпретация измерений прозрачности спутниковым спектрометром SAGE III // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. - Т.41. - №3. - С.410-422.

18. Поляков A.B., Определение газового состава атмосферы и характеристик аэрозоля затменным методом. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. СПбГУ, Санкт-Петербург, 2006.

19. Семакин С.Г., Поляков A.B., Тимофеев Ю.М., Сравнение измеренных и рассчитанных функций пропускания в А-полосе кислорода при 0.76 мкм // Исследование Земли из космоса, с. 37-43, Россия, 2008, №1.

20. Семакин С.Г., Ю. М. Тимофеев, А. В. Поляков, Я. А. Виролайнен, Анализ погрешностей определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля спутниковым методом лимбового рассеяния // Исследование Земли из космоса, Россия, 2010, №3, с.71-76.

21. Семакин С.Г., Ю. М. Тимофеев, А. В. Поляков, Я. А. Виролайнен, Об определении микроструктуры стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения горизонта Земли // Оптика атмосферы и океана, Россия, 2010, т.23, №4, с.334-338.

22. Тимофеев Ю.М., Васильев A.B., Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.; Наука, 2003, с. 177-179.

23. Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Васильев A.B., Виролайнен Я.А., Возможности определения оптических параметров аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного солнечного излучения // Исследование Земли из космоса. —2006. —№1. -С. 19-24.

24. Турчин В.Ф., Козлов В.П., Малкевич М.С., Использование методов математической статистики для решения некорректных задач // УФН. 1970. Т.102. №3. С.345-386.

25. Чайка A.M., Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Косцов B.C., Анализ спутникового метода определения микроструктуры стратосферного аэрозоля // Исследование Земли из космоса. 2006, №3, с.55-61.

26. Чайка A.M., Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Стратосферный аэрозоль по данным измерений аппаратуры SAGE III // Исследование Земли из космоса. 2007, №2, с. 10-18.

27. Чайка A.M., Тимофеев Ю.М., Поляков A.B., Интегральные микрофизические параметры фонового стратосферного аэрозоля в 2002-2005 годах (спутниковый эксперимент с аппаратурой SAGE III) // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008, т.44, №2, с.206-220.

28. Чайка A.M., Исследование фонового стратосферного аэрозоля по данным спутниковой аппаратуры SAGE III. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. СПбГУ, Санкт-Петербург, 2008.

29. Шифрин К.С., Перелъман А.Я., Определение спектра частиц дисперсной системы по данным о её прозрачности // Цикл работ в журнале «Оптика и спектроскопия», т. 15, стр. 533-542, 667-675, 803-813; 1963, т. 16, 117-128; 1964, т.20, 143-153, 1966.

30. Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) (Limb Profile Ozone) for the Ozone Mapping and Profiler Suite (OMPS). National Polar-Orbiting Operational Environmental Satellite System (NPOESS) Program Contract Number: F04701-99-C-0044 CDRL A012.

31. Anderson G.P., Clough S.A., Kneizys F.X., Chetwynd J.H., Shettle E.P. AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0—120 km). // Air Force Geophysics Laboratory. Hanscom, Massachusetts. Environmental research papers. — 1986. -№ 954. 43 p.

32. Assessment of stratospheric aerosol properties (ASAP)/ Edited by Thomason L. and Peter Th. WCRP-124. WMOD/TD-No. 1295, SPARC Report No. 4, 348 h. February 2006.

33. Bass A.M., Paur R.I. The ultraviolet cross sections of ozone: I. The measurements in atmospheric ozone / Eds Zerefos C.S., Ghazi A.D. Reidel Publ. Сотр. Dordrecht, 1984. -P. 606-610.

34. Bertaux J.L., Kyr 'ol'a E., Fussen D. et ah, Global ozone monitoring by occultation of stars: an overview of GOMOS measurements on ENVISAT. Atmos. Chem. Phys., 10, 12091— 12148,2010 www.atmos-chem-phys.net/10/12091/2010/doi: 10.5194/acp-10-12091-2010.

35. Bigg E.K., Stratospheric particles // J. Atmos. Sci., v.32, 910, 1975.

36. Bourassa A.E., D.A. Degenstein, R.L. Gattinger, J. Llewellyn, Stratospheric aerosol retrieval with optical spectrograph and infrared imaging system limb scatter measurements, J. Geophys. Res. Vol. 112, D10217, doi:10.1029/2006JD008079, 2007.

37. Bovensmann, H., J. P. Burrows, M. Buchwitz, J. Frerick, S. Noel, V. V. Rozanov, К. V. Chance, and A. P. H. Goede, SCIAMACHY: Mission objectives and measurement modes, J. Atmos. Sci., 56,127-150, 1999.

38. Brasseur G., Granier C. and Walters S., Future changes in stratospheric ozone and the role of heterogeneous chemistry // Nature, v.348, 626, 1990.

39. Brogniez C. and Lenoble J., Size distribution of stratospheric aerosol from SAGE II multiwavelength extinction // In Aerosol and Climate, pp.305-311, edited by P.V. Hobbs and M.P. McCormick, A. Deepack, Hampton, V A, 1988.

40. Burch D.E., Gryvnak D.A., Strengths, widths and shapes of the oxygen lines near 13,100 cm" 1 (7620 A). Appl.Opt., 8, 7, 1969.

41. Burkholder J. B., Talukdar R. K. Temperature dependence of the ozone absorption spectrum over the wavelength range 410 to 760 nm // GRL. 1994. - V. 21. - № 4. - P. 581-584.

42. Cadle R.D., Crutzen P.J. and Ehhalt D., Heterogeneous chemical reactions in the stratosphere // J. Geophys. Res., v.80, 3381, 1975.

43. Chu W.P. and McCormick M.P., Inversion of stratospheric aerosol and gaseous constituents from spacecraft solar extinction data in the 0.38 — 1.0 p. m wavelength region // Appl. Opt., v.18, 1404, 1979.

44. Chu W.P., McCormick M.P., Lenoble J., Brogniez C. and Pruvost P., SAGE II inversion algorithm // J. Geophys. Res., v.94, 8339, 1989.

45. Chu W.P., Trepte C.R. et al., SAGE III measurements, Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 2002. - №481. - P.457-464.

46. Dedier F. Rault, Ozone profile retrieval from SAGE III limb scattering measurements, J. Geophys. Res. Vol. 110, D09309, doi:10.1029/2004JD004970, 2005.

47. Dedier F. Rault and Ghassan Taha, Validation of ozone profiles retrieved from SAGE III limb scatter measurements, J. Geophys. Res. Vol. 112, D13309, doi: 10.1029/2006JD007679, 2007.

48. Deshler T. at al., Trends in the nonvolcanic component of stratospheric aerosol over the period 1971-2004//J. Geophys. Res., v.lll, D01201, doi: 10.1029/2005JD006089, 2006.

49. Dutton E.G. andDeLuisi J.J., Spectral extinction of direct solar radiation by the El Chichon cloud during December 1982 // Geophys. Res.Lett., v.10, 1013, 1983.

50. Dutton E.G. and Christy J.R., Solar radiative forcing at selected locations and evidence for global lower tropospheric cooling following the eruptions of El Chichon and Pinatubo // Geophys. Res. Lett., v.19, 2313, 1992.

51. Fischer J., Grassl H., Detection of cloud top height from back-scattered radiances within the oxygen A band, part 1. Theoretical study, J. Appl. Meteorol. 30, 1245-1259, 1991.

52. Flittner D.E., P. K. Bhartia, B. M. Herman, 03 profiles retrieved from limb scatter measurements: Theory, Geophys. Res. Lett. 27, No. 17, pp.2601-2604, 2000.

53. Glaccum W., Lucke R., Bevilacqua R.M. et al., The Polar Ozone and Aerosol Measurement (POAM) II Instrument // J. Geophys. Res., v. 101, pp. 14479-14487, 1996.

54. Goodman J., Snetsinger K.G., Pueschel R.F., Ferry G.V. and Verma S., Evolution of Pinatubo aerosol near 19 km altitude over western North America // Geophys. Res. Lett., v.21, pp. 1129-1132, 1994.

55. Grainger R.G., Lambert A., Rodgers C.D., Taylor F.W. and Deshler T., Stratospheric aerosol effective radius, surface area and volume estimated from infrared measurements // J. Geophys. Res., v.100, N0.D8, pp.16507-16518, 1995.

56. Griffioen E„ L. Oikarinen, LIMBTRAN: A pseudo three-dimensional radiative transfer model for the limb-viewing imager OSIRIS on the Odin satellite, J. Geophys. Res. 105, No. D24, pp. 29,717-29,730, 2000.

57. Hamill P., Jensen E.J., Russel P.B. and Bauman J.J., The life cycle of stratospheric aerosol particles //Bull. Am. Meteor. Soc., v.78, 1395, 1997.

58. Hansen J., Rossow W., Fung I. ( Eds. ). Long- term monitoring of global climate forcing and feedbacks. NASA Conf. Publ., - 1993, - 3234p.

59. Hanson D.R. and Ravishankara A.R., The reaction probability of CIONO2 and N2O5 on 40 to 75% sulphuric solution//J. Geophys. Res., v.96, 17307, 1991.

60. HaringR., Pollock R., Cross R., Crisp D., Current development status of the Orbiting Carbon Observatory Instrument Optical Design, SPIE Proceedings, 2004.

61. Henyey, L. C., and J. L. Greenstein (1941), Diffuse radiation in the galaxy, Astrophys. J., 93, 70-83.

62. Hervig M.E., Deshler T. and Russel J.M., Aerosol size distribution obtained from HALOE spectral extinction measurements // J. Geophys. Res., v.103, 1573, 1998.

63. Hervig M.E., Deshler T., Stratospheric aerosol surface area and volume inferred from HALOE, CLAES, and ILAS measurements // J. Geophys. Res., v. 103, No.D19, p.25345-25352,1998.

64. Hess M., Koepke P., Schult /., Optical propetries of aerosol and clouds: The software package OP AC. Bull. American Meteor. Soc., v. 79, No. 5, 1998, p.831-844.

65. Hitchman M., McKay M. and Trepte C.R., A climatology of stratospheric aerosol // J. Geophys. Res., v.99, No D10, pp.20689-20700, 1994.

66. Hofmann D.J. and Rosen J.M., On the background stratospheric aerosol layer // J. Atmos. Sci., v.38, 168, 1981.

67. HumlicekJ., Optimized computation of the Voigt and complex probability functions//JQSRT vol27, No 4, pp437-444, 1982.

68. Jaeger H., Long-term record of lidar observations of the stratospheric aerosol layer at Garmisch-Partenkirchen // J. Geophys. Res., v. 110, D08106, doi:10.1029/2004JD005506, 2005.

69. Jensen E.J. and Toon O.B., The potential effects of volcanic aerosols on cirrus cloud microphysics // Geophys. Res. Lett., v. 19, 1759, 1992.

70. Junge C.E., Chagnon C.W. and Manson J.E., Stratospheric aerosols // J. Meteorology, 18, 81, 1961.

71. Kent G.S. and McCormick M.P., SAGE and SAM measurements of global stratospheric optical depth and mass lading // J. Geophys. Res., v.89, 5303, 1984.

72. Kinne S., Toon O.B. and Prather M.J., Buffering of stratospheric circulation by changing amounts of tropical ozone: A Pinatubo case study // Geophys. Res. Lett., v. 19, 1927, 1992.

73. Kneizys F.X., Robertson D.C., Abreu L.W. et al. The MODTRAN 2/3 Report and LOWTRAN 7 MODEL / Edited By: L.W. Abreu, G.P. Anderson. 1996. - 260 p.

74. Koelemeijer R.B.A., Stammes P. et al., A fast method for retrieval of cloud parameters using oxygen A band measurements from the Global Ozone Monitoring Experiment, J. Geophys. Res. V. 106, p.3475-3490, 2001.

75. Kokhanovsky, A. A., Rozanov, V. V., von Hoyningen-Huene, W., Bovensmatm, H., Burrows, J. P., and Baltink, H. K., The determination of cloud altitudes using SCIAMACHY onboard ENVISAT. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 1, 3 (2004), 211-214.

76. Kolenda B. et al., Aerosol size distribution measurements using a multispectral lidar-system // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 1714, pp.208-219, 1992.

77. Kondratyev K. Ya. Radiation in the Atmosphere. — New York.: Academic Press, 1969. — 471 p.

78. Kondratyev K.Ya., Climate effects of aerosol and clouds. Springer/PRAXIS. Chichester, U.K., 1999. 264 p.

79. Korpela S. et al. GOMOS, Global Ozone Monitoring by Occupation of Stars. // In: Proceedings of the Quadrennial Ozone Symposium 1988 / Bojkov, R.D. and Fabian (Eds.). — Deepak Publishing, Hampton, Virginia. 1992. P. 11695.

80. Lacis A.A., Hansen J.E., Stratospheric aerosol studies // J. Geophys. Res., v.66, 2163, 1961.

81. Lads A.A., Hansen J.E. and Sato M, Climate forcing by stratospheric aerosols // Geophys. Res. Lett., v. 19, 1607, 1992.

82. Lenoble J., Pruvost P. Inference of the Angstrom Coefficient from SAGE short-wavelength data // Joura. Climate and Appl. Meteor. 1983. - V. 22. - № 10. - P. 1717-1725.

83. Lenoble J., Brogniez C. Information on stratospheric aerosol characteristics contained in the SAGE satellite multiwavelength extinction measurements // Appl.Opt. 1985. - V. 24. -№7.-P. 1054-1063.

84. Llewellyn, E. J., et al., OSIRIS An application of tomography for absorbed emissions in remote sensing, in Applications of Photonic Technology 2, 627-632, 1997.

85. Llewellyn, E. J., et al. (2003), First results from the OSIRIS instrument on-board Odin, Sodankyla Geophys. Obs. Publ., 92, 41-47.

86. Lucke R., Korwan L.D., Bevilacqua R.M. et al., The Polar Ozone and Aerosol Measurement (POAM) III instrument and early results // J. Geophys. Res., v. 104, pp. 1875518799, 1999.

87. Lumpe J.D., Bevilacqua R.M. et al., POAM II retrieval algorithm and error analysis // J. Geophys. Res., v.102, No.D22, p.23593-23614, 1997.

88. Lumpe J.D., Bevilacqua R.M. et al., POAM III retrieval algorithm and error analysis // J. Geophys. Res., v. 107, No. D21, doi:10.1029/2002JD002137, 2002.

89. McCormick M.P., Chu W.P., Grams G.W. et al., High-latitude stratospheric aerosols measured by the SAM II satellite system in 1978 and 1979 // Science, v.214, pp.328-331, 1981.

90. McCormick M.P., Aerosol measurements from earth orbiting spacecraft // Adv! Space Res., v.2, 73, 1983.

91. McCormick M.P. and Swissler T.J., Stratospheric aerosols mass and latitude distribution of the El Chichón eruption cloud for October 1982 // Geophys. Res. Lett., v. 10, 877, 1983.

92. McCormick M.P., SAGE II: An overview //Adv. Space Res., v.7, No.2, p.73-86, 1987.

93. McCormick M.P., Thomason L.W. and Trepte C.R., Atmospheric effects of the Mt. Pinatubo eruption//Nature, v.373, 399, 1995.

94. McGee T. J., Burris J. SOt absorption cross sections in the near UV//JQSRT. -1987. V. 37. -№ 2. P. 165-182.

95. McPeters R. D., S. J. Janz, E. Hilsenrath, T. L. Brown, D. E. Flittner, and D. F. Heath, The retrieval of O3 profiles from limb scatter measurements: Results from the Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment, Geophys. Res. Lett. 27, 2,597-2,600, 2000.

96. Molina L. T., Molina M. J. Absolute absorption cross sections of ozone in the 1.85- to 350-nm wavelength region // JGR. 1986. -V. 91. -№ D13. -P. 14501-14508.

97. Mueller, R. W., Bovensmann, H., Bruns, M., Kaiser, J., Richter, A., Rozanov, A., Wittrock, F., and Burrows, J. P., Consistent interpretation of ground based and GOME BrO SCD data. Adv. Space Res. 29 (2002), 1655-1660.

98. Murtagh, D. P. et al., An overview of the Odin atmosphere mission, Can. J. Phys., 80, 309-319, 2002.

99. Oikarinen L., E. Sihvola, and E. Kyrola, Multiple scattering radiance in limb-viewing geometry, J. Geophys. Res. 104, No. D24, pp. 31,261-31,274, 1999.

100. Pinnick R.G., Rosen J.M. and Hofman D.J., Stratospheric aerosol measurements III: Optical model calculations // J. Atmos. Sci., v.33, pp. 304-314, 1976.

101. Pitts M.C., Thomason L.W., SAGE III temperature and pressure retrievals: initial results, Proc. SPIE 4882, pp. 62-70, 2003.

102. Prather M, Catastrophic loss of stratospheric ozone in dense volcanic clouds // J. Geophys. Res., v.97, 10187, 1992.

103. Ramanathan V., Cess R.D., Harrison E.F., Minnus P., Barkstrom B.R., Ahmad E. and Hartmann D., Cloud-radiative forcing and climate: Results from the Earth Radiation Budget Experiment// Science, v.243, 57, 1989.

104. Rampino M.R. and SelfS., Sulphur-rich volcanic eruptions and stratospheric aerosols // Nature, v.310, 677, 1984.

105. Rendall C. E„ Rusch D. W. et al. An overview of POEM II aerosol measurements at 1.06 |im// GRL. 1996. -V. 23. -№ 22. - P. 3195-3198.

106. Rodgers C.D., Inverse methods for atmospheric sounding. Theory and practice. Series on Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics V.2. World Scientific. Singapore-New Jersey-London-Hong Kong. 2000. 238 pp.

107. Rodriguez J.M., Ko M.K.W., Sze N.D. and Heisey C.W., Role of heterogeneous conversion of N2O5 on sulphate aerosol in global ozone losses //Nature, v.352, 134, 1991.

108. Rothman L.S., Jacquemart D., Barbe A. et al., The HITRAN molecular spectroscopic database : edition of 2004, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 96, 139-204.

109. Rozanov, V. V., D. Diebel, R. J. D. Spurr, and J. P. Burrows, GOMETRAN: A radiative transfer model for the satellite project GOME the plane-parallel version, J. Geophys. Res., Vol. 102, 16,683-16,695, 1997.

110. Rozanov, A., Rozanov, V., and Burrows, J. P., Combined differential-integral approach for the radiation field computation in a spherical shell atmosphere: Non-limb geometry. J. Geophys. Res. 105 (2000), 22937-22943.

111. Russel P.В., Viezee W., Hake R.D. and Collis R.T.H., Lidar observations of the stratospheric aerosol: California, October 1972 March 1974 // Quart. J. Roy. Meteor. Soc., v.102, 675, 1976.

112. Russel J.M. III, Gordley L.L., ParkJ.H. et al, The Halogen Occultation Experiment // J. Geophys. Res., v.98, pp.10777-10797, 1993.

113. Sassen К., Evidence for liquid-phase cirrus cloud formation from volcanic aerosols: Climatic implications // Science, v.257, 516, 1992.

114. SAGE III ATBD Team, SAGE III Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD), Solar and Lunar Algorithm LaRC 4750-00-109 version 2.1 26. March 2002 (отчет на сайте www-sage3.larc.nasa.gov).

115. Schneider W., Tyndall G., Burrows J, Moortgat G. K. NO2 Absorption cross sections at 298 К. Date of compilation: 02-Sept-86. Max-Planck-Institut fuer Chemie, Airchemistry department Mainz., 1986.

116. Seinfeld J.H., Pandis S.N., Atmospheric Chemistry and Physics. New York: J Wiley and Sons, Inc., 1998,715p.

117. Shedlovsky J.P. and Paisley S., On the meteoritic component of stratospheric aerosols // Tellus, V.18, 499,1996.

118. Sheridan P. J., Schnell R.C., Hofmann D.J. and Deshler Т., Electron microscope studies of Mt. Pinatubo aerosol layers over Laramie, Wyoming during summer 1991 // Geophys. Res. Lett., v.19, 203, 1992.

119. Smith H.J.P., Dube D.J., Gardner M.E., Cloagh S.A., Kneizys F.X., Rothman L.S. FASCOD — Fast Atmospheric Signature Code (Spectral Transmittance and Radiance) Rep. AFGL-TR-78-0081. Hanscom. Mass. USA: Air Force Geophys. Lab, 1978. - 87 p.

120. Smith, W.L., Wool'f, H.M., Nieman, S.J. and Achtor, T.H., ITPP-5 The use of AVHRR and TIGR in TOVS data processing. Technical proceedings of the seventh inter-national TOVS study conference - Igls, Austria 10-16 February 1993, Ed. Eyre J. R, 443-449.

121. Solomon S., Grose W.L., Jones R.L., McCormick M.P., Molina M.P., O'Neill A., Poole L.R. and Shine K.P., Global Ozone Research and Monitoring Project Report No.20, 1990.

122. Solomon S., Sanders R.W., Garcia R.R. and Keys J.G., Increased chlorine dioxide over Antarctica caused by volcanic aerosols from Mt. Pinatubo // Nature, v.363, 248, 1993.

123. Solomon S., Portmann R. W., Garcia R.R., Thomason L. W., Poole L.R. and McCormick M.P., The role of aerosol variations in anthropogenic ozone depletions at northern midlatitudes // J. Geophys. Res., v.101, 6713, 1996.

124. Steele H.M. and Hamill P., Effects of temperature and humidity on the growth and optical properties of sulphuric acid-water droplets in the stratosphere // J. Aerosol Sci., v. 12, 517, 1981.

125. Steele H.M., Turco R.P., Retrieval of aerosol size distributions from satellite extinction spectra using constrained linear inversion // J. Geophys. Res., v.102, No. D14, p.16737-16747, 1997.

126. Steele H.M., Lumpe J.D. et al., Retrieval of aerosol area and volume densities from extinction measurements: Application to POAM II and SAGE II // J. Geophys. Res., v. 104, N0.D8, p.9325-9336, 1999.

127. Strong K., B.M. Joseph, Retrieval of vertical concentration profiles from OSIRIS UV-visible limb spectra, Can. J. Phys. Vol. 80, doi:10.1139/P01-153, 2002.

128. Sugita T. Yokota T. et al., Temperature and pressure retrievals from 02 A-band absorption measurements made by ILAS: Retrieval algorithm and error analyses", Proc. SPIE 4150, pp. 94-105, 2001.

129. Tabazadeh A., Toon O.B., Clegg S.L. and Hamill P., A new parameterization of H2SO4/H2O aerosol composition: Atmospheric implications // Geophys. Res. Lett., v.24, 1931, 1997.

130. Thomason L. W. A diagnostic stratospheric aerosol size distribution inferred from SAGE IImeasurements// JGR.- 1991.-V. 96. -№D12.-P. 22501-22508.

131. Thomason L. W., Poole L.R. and Deshler T., A global climatology of stratospheric aerosol surface area and density deduced from SAGE II measurements: 1984-1994 // J. Geophys. Res., v.102, No.D12, p.8967-8976, 1997.

132. Thomason L. W. and Taha G., SAGE III Aerosol Extinction Measurements: Initial Results // Geophys. Res. Lett., v.30, 1631, doi:10.1029/2003GL017317, 2003.

133. Tran H., Boulet C., Hartmann J.-M., Line-mixing and collision induced absorption by oxygen in the A-band: Laboratory measurements, model, and tools for atmospheric spectra computations, J. Geophys. Res., Ill, D15210, doi: 10.1029/2005JD006869,2006.

134. Trepte C.R. and Hitchman M.H., The stratospheric tropical circulation deduced from satellite aerosol data //Nature, v.355, 626, 1992.

135. Trepte C.R., Thomason L.W. and Kent G.S., Banded structures in stratospheric aerosol distributions // Geophys. Res. Lett., v.21, 2397, 1994.

136. Turco R.P., Hamill P., Toon O.B. and Pollack J.B., OCS, stratospheric aerosols and climate //Nature, v.283, 283, 1980.

137. Turco R.P., Whitten R.C. and Toon O.B., Stratospheric aerosols: Observation and theory // Rev. Geophys., v.20, 233, 1982.

138. Valero F.P.J. and Pilewskie P., Latitudinal survey of spectral optical depth of the Pinatubo volcanic cloud-derived particle sizes, columnar mass loading and, effects on planetary albedo // Geophys. Res. Lett., v. 19, 163, 1992.

139. Viggiano A.A. and Arnold F., Extended sulfuric acid vapor concentration measurements in the stratosphere // Geophys. Res. Lett., v.8, 583, 1981.

140. Wang P.-H., McCormick M.P., Swissler T.J., Osborn M.T., Fuller W.H. and Yue G.K., Inference of stratospheric aerosol composition and size distribution from SAGE II satellite measurements // J. Geophys. Res., v.94, N0.D6, pp. 8435-8446, 1989.

141. Website: http://d33.infospace.ru/d33 conf/sb2010t2/310-320.pdf.

142. Wittrock, F., Oetjen, H., Fietkau, S., Medeke, T., Rozanov, A., and Burrows, J. P., MAX-DOAS measurements of atmospheric trace gases in Ny-Alesund. Atmos. Chem. Phys. Discuss. 3 (2003), 6109-6145.

143. WMO (World Meteorological Organization), Scientific assessment of ozone depletion -Report №25. 1991.

144. Young R., Houben H. and Toon O., Radiatively forced dispersion of the Mt. Pinatubo volcanic cloud and induced temperature perturbations in the stratosphere during the first few months following the eruptions // Geophys. Res. Lett., v.21, 369, 1994.

145. Yue G.K. and Deepak A., Latitudinal and altitudinal variation of size distribution of stratospheric aerosols inferred from SAGE aerosol extinction coefficient measurements at two wavelengths // Geophys. Res. Lett., v.l 1, 999, 1984.

146. Yue G.K., McCormick M.P. and Chu W.P., A comparative study of aerosol extinction measurements made by the SAM II and SAGE satellite experiments // J. Geophys. Res., v.89, No. D4, pp.5321-5327, 1984.

147. Yue G.K., McCormick M.P. and Chu W.P., Retrieval of composition and size distribution of stratospheric aerosols with the SAGE II satellite experiment // J. Atmos. Oceanic Technol., v.3, pp.371-380, 1986.

148. Yue G.K., A new approach to retrieval of aerosol size distributions and integral properties from SAGE II aerosol extinction spectra // J. Geophys. Res., v.104, No. D22, pp.2749127506, 1999.

149. Yue G.K., Retrieval of aerosol size distributions and integral properties from simulated extinction measurements at SAGE HI wavelengths by the linear minimizing error method // J. Geophys. Res., v.105, No. Dill, pp.14719-14736, 2000.

Информация о работе

Семакин, Сергей Геннадьевич
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург, 2011
ВАК 25.00.29

Диссертация

Исследование точности спутникового метода определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного солнечного излучения на горизонте Земли - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы