Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование влияния определяющих параметров на перенос ИК-излучения в системе "Океан-атмосфера"

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния определяющих параметров на перенос ИК-излучения в системе "Океан-атмосфера""

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ АКАДЕМИЯ НАУК УССР_____________ - -

На правах рукописи

СТАНИЧНЬИ Сергей Владимирович'

Л

(

__/:

г и

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПЕРЕНОС ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ "ОКЕАН - АТМОСФЕРА" 04.00.22 - геофизика .

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Севастополь 1991

Работа выполнена в Мэрском гидрофизическом институте АН УССР •

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Дворянине® Г.С. (МРИ АН УССР) кандидат физико-математических наук Чавро А. Л. (ОШ АН СССР) Ведущая организация: ИКИ АН СССР (г. Москва)

Защита состоитсяЧЭ91г. на заседании специализиро-

г

ванного совета Д 016.01.01 при Шрском гидрофизическом институте АН УССР (335000, г. Севастополь, ул. Капитанская,2).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института АН УССР (335000, г. Севастополь, ул. .Капитанская ,2). , .

Автореферат разослан "¿7* О г.

* / •

Ученый секретарь специализированного совета ка^д. физ. -мат. наук

А.М. Суворов

Актуальность темы. За последнее десятилетие дистанционные методы исследования океана с использованием спутниковых носителей стали неотъемлемой частью океанологии, являясь единственным способом получения информации о глобальных распределениях физических полей в поверхностном слое океана за короткий временной интервал.

Наибольший прогресс бил достигнут при восстановлении полей 'температуры поверхности океана (ТГО) по данным пассивного зондирования в ИК и СВЧ диапазонах спектра электромагнитных воле. Современные методы определения ТШ в ИК-диапазоне имеют ряд преимуществ перед СВЧ-диапазоном, как по пространственному разрешение, так и по точности. Однако до настоящего времени оценка реальной точности методов дистанционного зондирования в Ж-диапазоне при сопоставлении с контактными измерениями температуры не удовлетворяет необходимой для решения океанологических задач ошибке - 0.3 -0.5 К При контактных измерениях за ТПО принимает обычно температуру, измеряемую на глубине 0.05-1м, а инфракрасное излучение формируется в слое толщиной --10 мкм. В связи с этим можно .выделить два основных фактора, которые вызывают отличие измеряемой дистанционно температуры от ТПО: искажают« влияние поверхности, искажающее влияние атмосферы. Устранению атмосферного влияния посвящэно большинство работ по разработке и проверке методик восстановления ТПО в ИК- диапазоне.

Отметим, что при сопоставлении с экспериментальными данным методики дают большую ошибку , чем в модельных расчэ-

тах. Важным фактором, вызывающим такое отличие, может быть неучет процессов формирования излучения ка границе раздела "океан-атмосфера". Дэ настоящего времени не разработаны Модели дистанционного зондирования в ИК-диапазоне, включающие в себя как расчет переноса излучения в атмосфере, так к трансформацию излучения на границе раздела "океан-агмосфе-ра" с учетом отличия температуры излучавдэго слоя от температуры нижележащих слоев. Причем, для описания радиационной температуры поверхности необходимо параметрическое задание угловой структуры нисходящего излучения, отражающегося от поверхности.

Все вышесказанное в основном и определяет актуальность и направленность приведенных в диссертации результатов по экспериментальной проверке методик восстановления ТГО и экспериментальным и модельным исследованиям излучателькых характеристик морской поверхности.

Цель работы. Основные цели работы состоят в следующем: -экспериментальная реализация спектральной к угловой .с;»«* восстановления ТПО.

-разработка и зкспариментзлькзл проззрка радиационной модели морской поверхности з ИИ-диапазоне с учетом нисходящего излучения атмосферы.

Научная новизна. Экспериментально проверена двухспект-ральная схема восстановления Т1Ю с борта самолета - лаборатории. На сканерных сйикках А\'Нй? проверена возможность восстановления ТПС по осреднении угловым зависимостям. Реализовала и экспериментально проверена радиационная мо-

дель морской поверхности с учетом отраженной составляющей.

Практическая ценность. Излученные результаты являются " основой для комплексной модели дистанционного зондирования л Ж-диапазоне с учетом трансформации излучения на границе раздела "океан-атмосфера и могут Сыть использованы при разработке методов и средств дистанционного измерения температурь' океана и пропускания атмосферы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы токлэдязяяь пз. 3-й Съезде океанологов в 1987г., т семинарах по спутниковой гидрофизике г.Севастополь 1988 -1990гг., на X пленуме рабочей группы по оптике океана в 1988г. , на семинаре "Проблемы спутниковой океанографии: использование информации ИК- диапазона. " (г. Ленинград) 1989г., на советско - американских семинарах по дистанционному зондирован;::-:; 1989г., Симферополь, 1980г.), совеганиях пс прегради "ИНТЕРКОСНХ" ( Прага, 1985г. , Ялта, 1987г.)

1Т8[(1т ..'С у Тсио!*!* СП} 5ЛИКОВсШС Ь р2.0ОТ•

Структура и ебтем работы. Диссертация состоит из введения, трех глаз, заключения, списка гатируемой литературы. Общий С-О'ЬбМ ДпСС-гГТЗХЦи! 135 СТраНЯЦ, бйбДЗ'ОГрсафйЯ ЗгСЛЮЧ&9Т в с^Сл 81 наименование отечественной и зарубежной литературы. Б диссертации зкягаэны 45 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы и дано краткое содержание диссертации, сформулированы цели и задачи."

В первой глазе рассмотрены методические основы дистанцл-онного измерения ТПО в Ж-диапазоне.

В первом параграфе приведены основные уравнения, описывающие перенос излучения в системе "океан-атмосфера", и на основе литературных данных дана количественная оценка влияния различных факторов.

Во втором параграфе рассмотрены методические основы проведения экспериментальных измерений в ИК- диапазоне в натурных условиях, предложена методика устранения ошибок, возникающих при изменении внешних характеристик.

В параграфах 3 и 4 рассмотрены основные соотношения для спектральных и угловых методик восстановления Т1Ю. Реализована и экспериментально проверена двухспектральная методика на самолете - лаборатории на акватории Черного моря. Проведена экспериментальная и модельная оценка возможности использования параметров осредненной угловой структуры восходящего излучения для восстановления ГПО. Отмечено влияние изменчивости Т1Ю в штилевых условиях на точность сопоставления дистанционных и контактных измерений.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию нисходящего излучения атмосферы, необходимому для описания иэлучательных характеристик поверхности с учетом отраженной составляющей.

В параграфе 1 дана общая характеристика проведенных экспериментальных исследований на акватории Атлантического океана, Средиземного и Черного морей, описан аппаратурный комплекс, состоящий из двухканального ИК-радиометра со спектральными интервалами с центрами 11.0 мкм и 12.0 мкм и шириной 0.3 мкм, системы углового сканирования и регистра-

ции на базе ЭВМ "Электроника" и IBM PC/AT. Часть рассматриваемых измерений проведена радиометром со спектральным_ин-тервалом 8 - 13 мкм.

В параграфе 2 исследована связь нисходящего va зенита излучения атмосферы с интегральным пропусканием и метеопараметрами приводного слоя атмосферы, рассмотрены экспериментальные и модельные данные о связи интегрального пропускания в двух спектральных интервалах. Показано, что нормированная на функцкг Планка при температуре приводного воздуха В(То) интенсивность нисходяадэго излучения I* связана с ин-гегралъньгм пропусканием Ро состнспрнп?^.

iV'B(To) = (1 - Ре) *С, •где С = 0.9: ЦЛя измерений в Атлантике вос-стчь:,н %нны-. ? пошвдз этого соотношения значении Ро в каналах 1;.... мкм и 12.0 мкм ли-связана с влажностью приводиог_- воздух«, а отношение штических толпщк в диапазоне из макс-к;;-; i от 10 г/м

;о 23 r/м равно 0. 6

В параграфе 3 предлож&аа параметризация уг.-.о-уО ~ : ;;.>:туг ж нисходящего излучения на основе ;:спользован;*.- чсрмкро-шиоЛ на функцию Планка интенсивк: зти. Пара»*?'??:;;»--'ч еэ-юстаглена с экспериментальными данными и ; асче-

•ами по программе L0VTRAN 5, а так же с чцмей

Ридерса. Предложенная. параметризация пслолл-.-: сплсывать гловуго структуру нисходящего изучения, как функцию от ик-егрального пропускания атмосферы или температуры гла>-ости приводного воздуха, что удобно при анализе влияния аз личных факторов на рзлг^илнны* характеристики поверх-

ности.

В третьей главе рассмотрены процессы формирования излучения на границе раздела "океан-атмосфера"', включающие радиационные характеристики поверхности и пространственную изменчивость ТПО.

В параграфе 1 дан обзор эффектов на поверхности, определяющих радиационные характеристики и точность сопоставления дистанционных и контактных измерений, выделены факторы обусловливающие отличие радиационной температуры поверхности от температуры излучавшего слоя и нижележащих слоев воды.

Параграф 2 посвящен рассмотрению вопроса о влиянии тонких пленок поверхностно активных веществ (ПАВ) на излуча-тельную способность поверхности, приведены результаты модельных расчетов и экспериментальные данные пс измерению коэффициента отражения про* воды, в£>«ть.-х в реальных условиях на акваториях Черного и Средиземного морей. Сделан ньгеод о малом влиянии на излучательнун способность тонких пленок ПАЕ, наиболее часто встречающихся в океане.

Е параграфе 3 рассмотрены излучательные характеристики плоской морской поверхности с учетом нисходяцгго излечения. Проведена параметризация оптических констант морской веды, как функция от длины волны излучения, а также параметризация угловой зависимости Сренелевских коэффициентов . отражения. Предложено соотношение для угловой зависимости излучения поверхности, как функции Ро и То. Сопоставление с экспериментальными результатами показало допустимость использования Яренелевских коэффициентов отражения до углов визи-

рованмя А5 - 50 при слабых ветрах. - —■ - -.....- ----------

В параграфе 4 рассмотрены расчеты излучения взволнованной поверхности с учетом нисходящего излучения для различных гидрометеорологических ситуаций. Расчеты проводились по методике аналогичной (Мазийа, ТаказМта, Такауаша, 1938) отличием представленных исследований.является учет отраженной составляющей^ что псззолило.подучить данные для различных состояний атмосферы и океана Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных для различных скоростей ветра и прозрачности атмосферы. Шзроховатость поверхности вызывает уменьшение радиационной температуры, для углов визирования >45° причем определяющим параметром является скорость ветра, а состояние атмосферы играет меньшую роль. Причиной уменьшения радиационной температуры при увеличении шероховатости является увеличение вкяада плсшэдок, отражающих излучение, приходящее из более холодных участков небосвода.

- Е параграфе 5 рассмотрены экспериментальные результаты измерений пространственных флукгуаций температуры в период солнечного прогрева при слабых ветрах, зыделекы характерные особенности таких флуктуаций, изменчивость характерных масштабов флуктуация в цикле солнечного прогрева. Амплитуда флукгуаций температуры достигает 2 К, а характерные пространственные масштабы флукгуаций изменяется от 100-200 м в полуденное время до 4-10 км в ночное. Приводятся результаты синхронных записей ТПО и радиационной температуры поверхности, показана идентичность регистрируемых флукгуаций на

- 10 -

масштабах 0.1-10 км. Рассмотрены возможные проявления цугов внутренних волн вблизи подводной возвышенности в флуктуаци-ях температуры приповерхностного слоя. Для безоблачных си- туаций с учетом отражения нисходящего излучения проведена оценка отличия температуры излучающего слоя от температуры,' измеряемой контактным датчиком.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных в работе исследований:

-Реализована и экспериментально проверена с борта самолета - лаборатории двухканальная схема восстансвтгкия Т1Ю. Показана эффективность такой методики для устранения искажающего влияния атмосферы. В контролируемых уловия;: точность сопоставления синхронных дистанционных и чтакт-ных измерений составила величину :.?■ К. Однако т< период солнечного прогрева при слабых Еетрах, при небольиггх

часа) временах несинхронности, ошибка сопоставление может достигать 1.5К .

-Ш основе сканерных снимков прибора АУННК продвмон: рована возможность использования параметров осредненной угловой структуры излучения для восстановления ТПО'. Проводе;:.-: оценка возможных оэибок, вносимых трендами основных о г:;; г гуляющих параметров.

••Для описания нисходящего излучения предложено .¡юль*-:-вать- нормализованную на функцию Планка от температуры . водного воздуха интенсивность нисходящего из зенита излучения (параметр/), что позволило установить на основе мод^лъ-ных расчетгое ;; аналитических оценок связь с интеграл? ныч

пропусканием. Предложена методика оценки интегрального пропускания по наземным измерениям, проведена проверка методики на экспериментальна данных.

-На основе параметра У проведена параметризация УС НИА. Предложенная параметризация проверена на экспериментальных данных и сопоставлена с параметризацией Сондерса. Использование параметра У позволило построить на основе данных Сондерса двухпараыетричнул зависимость.

-Исследование излучатедьных свойств юрской поверхности показало постоянство оптических свойств при наличии на поверхности тонких пленок ПАЕ

-На основе проведенных параметризаций оптических констант от длины волны и Сренелевского коэффициента отражения проведено сопоставление рассчитанных и экспериментальных угловых зависимостей радиационной температуры поверхности, показано хорошее соответствие экспериментальных и модельных зависимостей до углов 6оГ Расчеты по предложенным зависимостям УС показали, что радиационные температуры в каналах 11.0 и 12.0 мкм могут отличаться на величину до 0.65 К.

-Проведенные расчеты для шероховатой поверхности показали, что. максимальное отличие радиационной температуры взволнованной поверхности от ровной (в диапазоне изменчивости У= 3 - 15 и/с-, Ро=0. 2 - 0. 2; 6 = 0 - 70 ) составляет 0. ЗК.

-Отмечена изменчивость масштабов флуктуации температуры в цикле солнечного прогрева от 100-200 м в полдень,до 1-4 км в вечернее время. Амплитуда флуктуаций составила до 2 К

- 12 -

-Проведенная оценка отличия температуры излучаюшрго слог от контактной для безоблачных условий на акватория Атлантики составила -0.32 К, при отличии радиационной температу] -0.68 К. Отмечена высокая корреляция лТз с скорогтыг ветра.

-Исследования, проведенные в работе, могут стать осново; для разработки блока трансформации излучения на границ раздела "океан-атмосфера" в рамках комплексной модели дис таяционного зондирования в ИК-диапазоне.

Основные результаты диссертации опубликованы в следущи работах:

1. Куница В. Э. Станичный С. В. Использование угловой сгрукту излучения для восстановления ТПС по скакеньа; исибалениям Ж диапазоне // Иссл. Земли из космоса, 1383,W5.с 73 - 83.

2. Мироненко В. А., Станичный С. В., Цветков А. В." Элелериме? таяьные самолатные исследования погрешности восстановлен! температуры морской поверхности ддвухкакааьыыьг мете дом "окне" 8-12 мкм .'/ Е кк:. Шконтактк« мг.'едь: средст) измерений океанографических параметров, 1 ¿¿Г, ,Гэдромети; дат, с, lie - 119.

3. Мироненко В. А. .Станичный С. Е. .Терехик 1С. Ь. .Цветков А. Результату спутниково.:: измерений темперзтуры подстилают поверхности в йК-диаг.азоке спектра !•' В кк. Неконтактн методы и средства измерений океанографических параме

1986,Я ,Гкдром?ткздат, с. 157 - 159.

4. Мкроиеако В. А. , Станичный С. В, ,'Серехин Ю. В. Определен температурьы:-: градиентов на повс; хности океана метод; спута«хзвск ИК радиометрии // В .-.-:.: Дистанционное зокди;

вание океана,-Севастополь, 1982,с. 123 --132. — 5. Шфоненко R А., Пантелеева Г. Г., Станичный C.B. Исследование влияния шероховатости'морской поверхности на интенсивность восходящего Ж-излучения // Морской гидрофизический журнал, 1986, N 2, с 57-58.

6. Осоасккй И. А., Пантелеева Г. Г., Станичный С. В. Угловые зависимости излучатель ньк характеристик водной поверхности, -// Иссл. Зешги кэ космоса, 1991, N 2, с. 3-7.

7. Осовский И. А., Станичный С. Е Особенности формирования ИК

- излучения на границе раздела океан - атмосфера // Физика и химия океана: M - лы 3 съезда' советских океанологов, JL : Гидрометеоиздат, 1987. с. 176.

8. Осовский И. А. Станичный С. Е Радиационная модель поверхности океана в ИК - диапазоне // Оптика моря и атмосферы: M

- лы 10 Пленума РГ пс оптике океана, Ростов - на - Дону, 1988. с. 430 -431.

Сергей Владимирович Ста:лчный

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ НА . ПЕРЕНОС ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ "ОКЕАН-АТМОСФЕРА"

Автореферат

Подписано в печать OS.OkÜfr

Формат бумаги БО х 90 1/16 Объем 1 уч. изд. л.

Заказ W0102 Тираж 100 зкз.

Отпечатано на ротапринте Морского гидрофизического института АН УССР

335005, Севастополь-5, ул. Ленина, 23.