Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Метод расчета потоков солнечного излучения в атмосфере с учетом процесса взаимодействия радиации и облачности

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Шатунова, Марина Владимировна

Введение.

Глава 1. Методы расчета потоков солнечного излучения в гидродинамических моделях атмосферы.

1.1 Роль механизма взаимодействия радиации и облачности в задаче моделирования атмосферных процессов и анализ используемых методов.

1.2 Основные процессы, влияющие на перенос солнечного излучения в безоблачной атмосфере.

1.3 Методы описания поглощения атмосферными газами в радиационных алгоритмах.

1.3.1 Основные влияющие атмосферные газы, учитываемые в моделях прогноза погоды и климата.

1.3.2 Поглощение солнечного излучения водяным паром и углекислым газом.

1.3.3 Поглощение солнечного излучения озоном.

1.3.4 Поглощение солнечного излучения кислородом.

1.4 Методы расчета потоков солнечного излучения в атмосфере.

1.4.1 Метод расчета потоков, основанный на использовании интегральной функции пропускания. Приближенный учет рассеяния излучения, функция рассеяния.

1.4.2 Уравнение переноса излучения в атмосфере.

1.4.3 Преобразование уравнения переноса к двухпотоковому виду.

Глава 2. Алгоритм расчета потоков солнечного излучения в безоблачной атмосфере, основанный на решении уравнения переноса.

2.1 Решение системы дифференциальных уравнений для потоков излучения.

2.2 Расчет оптических характеристик слоев безоблачной атмосферы.

2.3 Сравнение с полинейными расчетами.

Глава 3. Метод расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом микрофизических параметров облаков разного фазового состава.

3.1 Метод определения оптических свойств слоя атмосферы, содержащего облака.

3.2 Преобразование оптических параметров облака с использованием 5 - функции для трансформации индикатрисы рассеяния.

3.3 Микрофизические характеристики облаков и их применение для расчета потоков солнечного излучения.

3.3.1 Микрофизические характеристики облаков по данным наблюдений.

3.3.2 Использование результатов модели преобразования влаги для определения радиационных характеристик облаков и атмосферы.

3.4 Исследование зависимости оптических свойств облаков и радиационных характеристик атмосферы от микрофизических параметров облачности. Численные эксперименты.

3.4.1 Зависимость альбедо и пропускания облаков от водности и эффективного радиуса частиц.

3.4.2 Зависимость потоков солнечного излучения в атмосфере от микрофизических параметров облачности.

3.4.3 Влияние кристаллических облаков на потоки излучения.

Глава 4. Влияние методов расчета количества крупномасштабной облачности и методов описания взаимодействия радиации и облачности на оптические свойства облаков, потоки излучения и температуру поверхности.

4.1 Зависимость потоков излучения от методов расчета количества крупномасштабной облачности и ее вертикальной структуры.

4.2 Зависимость оптических свойств облаков и радиационного баланса на подстилающей поверхности от методов параметризации взаимодействия радиации и облачности.

4.3 Влияние методов описания взаимодействия радиации и облачности на радиационные характеристики атмосферы.

4.4 Применение разработанного алгоритма в модели «Почва - растительность -приземный слой атмосферы» для исследования влияния методов параметризации взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности.

4.5 Эксперимент по включению разработанного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в мезомасштабную модель прогноза погоды.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Метод расчета потоков солнечного излучения в атмосфере с учетом процесса взаимодействия радиации и облачности"

Описание термодинамических процессов в атмосфере, основанное на уравнении притока тепла, требует знания различных видов притоков, действующих в атмосфере. Главным источником энергии для земной атмосферы является Солнце. Потоки солнечной энергии, проходя через атмосферу, трансформируются в результате действия различных компонент атмосферы и, прежде всего, облачности. Поглощенная земной поверхностью и атмосферой энергия в различных регионах земного шара формирует градиенты температуры, регулирующие циркуляцию атмосферы. В связи с этим описание процесса переноса солнечного излучения в атмосфере является необходимой компонентой физических пакетов гидродинамических моделей атмосферы.

Особенности пространственного распределения радиационных потоков и притоков излучения в атмосфере и на подстилающей поверхности связаны в первую очередь с распределением облачности в атмосфере и вариациями ее оптических свойств. Этот процесс вносит вклад в формирование горизонтальных градиентов температуры в атмосфере и на земной поверхности.

Моделирование процесса переноса излучения в гидродинамических моделях прогноза погоды и изменения климата основаны на информации и методах, разработанных в различных разделах физической оптики, теории переноса излучения и физики атмосферы.

Главная особенность построения радиационных алгоритмов для применения в гидродинамических моделях атмосферы состоит в том, что алгоритмы должны быть настроены на ограниченную информацию, которую может предоставить гидродинамическая модель. Объем этой информации зависит от содержания уравнений модели, которые описывают эволюцию параметров атмосферы. В результате решения основной системы уравнений, предназначенной для прогноза погоды и изменений климата, рассчитывается пространственное распределение ветра, температуры, влажности на различных уровнях в атмосфере. Облачность и осадки в большинстве случаев определяются с использованием диагностических соотношений.

В последние десятилетия в наиболее развитых метеорологических центрах (ЕЦСПП, Немецкая служба погоды, Метеорологическая служба Великобритании, Национальный центр атмосферных исследований США (ИСАИ) и др.) расширяют стандартную систему уравнений модели, добавляя в нее уравнение переноса водности или водности и ледности. В связи с этим появляются дополнительные переменные модели, которые могут быть использованы для описания микрофизических и оптических свойств облаков. В некоторых мезомасштабных моделях используются более детальные микрофизические уравнения, такие как кинетическое уравнение, позволяющее рассчитать эволюцию функции распределения облачных частиц по размерам, уравнение для концентрации облачных частиц и др. Однако, использование этих уравнений в крупномасштабных моделях невозможно по многим причинам, и алгоритмы вычисления микрофизических и оптических свойств облаков в этих моделях остаются на уровне параметризаций.

Проведенные в последние десятилетия в различных странах численные эксперименты с гидродинамическими моделями атмосферы показали, что имеется связь результатов моделирования полей температуры, геопотенциала Н500, облачно-радиационного форсинга с изменениями пространственного распределения радиационных характеристик атмосферы, обусловленных вариациями микрофизических и оптических свойств облаков (.Kiehl, 1994; Frazer et al., 1995; Lohmann, Rockner, 1996).

Результаты этих экспериментов свидетельствуют о важности исследований в области описания взаимодействия радиации и облачности с учетом микро физических свойств облаков и его влияния на радиационные характеристики атмосферы.

Для расчета потоков солнечного излучения, строго говоря, должно быть использовано решение трехмерного уравнения переноса, учитывающего взаимное влияние процессов поглощения и рассеяния излучения. В связи с чрезвычайной сложностью решения этого уравнения, которое в некоторых случаях дополнительно осложняется формой индикатрисы рассеяния, в современных моделях используют различные приближенные методы. Широко применяется двухпотоковое приближение решения уравнения переноса, которое основано на усреднении интенсивности излучения по углам, в предположении изотропности рассеяния.

Существуют различные варианты таких решений, однако, для облачной атмосферы, с учетом особенности распространения излучения в облаках, наиболее часто используют приближение дельта - Эддингтона, предложенное Дж.Джозефом с соавторами (Joseph et al., 1979), которое используется также в настоящей работе. Особенность этого метода состоит в применении 6 - функции для трансформации двучленной индикатрисы рассеяния в методе Эддингтона таким образом, что часть энергии рассеянной в облаке в направлении падающего излучения присоединяется к потоку прямого излучения, а новая усеченная индикатриса остается двучленной с трансформированным фактором асимметрии {Potter, 1970). Это позволяет воспользоваться решением уравнения переноса в двухпотоковом приближении с двучленной индикатрисой и трансформированными параметрами уравнения переноса.

В безоблачной релеевской атмосфере, где фактор асимметрии индикатрисы рассеяния равен нулю, метод дельта - Эддингтона переходит в метод Эддингтона.

Создание нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод описания механизма взаимодействия радиации и облачности, основанного на информации о микрофизических свойствах облаков, является задачей диссертации. Эта задача требует разработки двух частей алгоритма: для безоблачной атмосферы и для облачной. В данной работе обе части объединены единым вычислительным алгоритмом, основанном на методе дельта - Эддингтона и примененном к многослойной атмосфере. В отдельных слоях, где присутствует облачность, используется метод описания взаимодействия радиации и облачности, базирующийся на информации о микрофизических параметрах облаков. Для численных экспериментов эта информация поступает в радиационный алгоритм из модели преобразования влаги в атмосфере, разработанной в Гидрометцентре России под руководством JI. Р. Дмитриевой-Арраго (Дмитриева-Арраго, Скроцкая, 1985; Дмитриева-Арраго, Акимов, 1996, 1998; Dmitrieva-Arrago, Akimov, 1998).

Описание переноса излучения в безоблачной атмосфере опирается на данные о составе атмосферы и спектроскопической информации об особенностях поглощения различными атмосферными газами с учетом неоднородности атмосферы. С помощью этой информации рассчитываются коэффициенты поглощения влияющих газов. В данной работе учитывается влияние на перенос солнечного излучения водяного пара, углекислого газа, озона и релеевского рассеяния.

Разработка алгоритма расчета потоков в безоблачной атмосфере и проведенное в работе тестирование результатов расчета является необходимой частью построения радиационного алгоритма. Тестирование выполнено на данных стандартных моделей атмосферы путем сравнения с полинейными расчетами, предоставленными Б.А.Фоминым.

Поскольку облака вносят существенную перестройку в вертикальное распределение радиационных притоков тепла по сравнению с безоблачными условиями, то эволюция оптических свойств облаков вносит вклад в радиационную энергетику модели.

В связи с этим важнейшей частью алгоритмов расчета радиационных характеристик в облачной атмосфере является описание механизма взаимодействия излучения с облаками.

Современное состояние методов, применяемых в моделях, определяется наличием информации о микрофизических характеристиках облаков (водности, функции распределения частиц облака ло размерам, фазовом состоянии). Методы расчета оптических свойств облаков, основанные на классических работах К.С.Шифрина (1951, 1955), ван де Хюлста (1957) и К.-Н.Лиоу (Liou, 1992) широко используются в российских и зарубежных исследованиях.

Для описания механизма взаимодействия солнечного излучения и облачности при решении уравнения переноса в двухпотоковом приближении необходимо знание оптической толщины, вероятности выживания кванта и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния облаков.

Для определения этих параметров в настоящее время разработано несколько методов параметризации. Наиболее известным является метод А.Слинго (Slingo, 1989), применяемый в моделях Метеорологической службы Великобритании, Института вычислительной математики РАН, Главной геофизической обсерватории и др. Другим известным методом является метод, разработанный Б.Рокелем с соавторами (Rockel et ed., 1991) и применяемый в моделях Института Макса Планка и Метеорологического исследовательского центра Австралии. Для кристаллических облаков применяется метод Э.Эберта и Дж.Карри (.Ebert, Curry, 1992), в частности, в модели ЕЦСПП.

В диссертации оптическая толщина облаков и вероятность выживания кванта определяются с помощью коэффициентов ослабления и поглощения, рассчитываемых с применением формул из работы В.И.Хворостьянова (1980).

Такого рода подход к проблеме, - решение уравнения переноса в двухпотоковом приближении с использованием метода параметризации процесса взаимодействия радиации и облачности, как показал анализ публикаций по этому вопросу, является современным и оптимальными для применения в гидродинамических моделях атмосферы.

Целью работы является построение нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения с учетом влияния микрофизических свойств облаков для применения в моделях прогноза погоды и изменений климата.

Для достижения поставленной цели в рамках данной работы решались следующие задачи: создание вычислительного алгоритма и программного комплекса для расчета потоков солнечного излучения в многослойной атмосфере; развитие метода описания взаимодействия солнечного излучения и облачности с учетом микрофизических параметров облаков (водности, эффективных радиусов, фазового состава) и включение его в общий алгоритм расчета потоков излучения; тестирование алгоритма расчета потоков в безоблачных условиях на результатах по линейных расчетов; тестирование компонент метода описания взаимодействия радиации и облачности на результатах точных расчетов по теории Ми и данных наблюдений; сравнение развитого метода описания взаимодействия солнечного излучения и облачности с известными методами по результатам расчета оптических характеристик облаков; проведение экспериментов по включению созданного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в модель прогноза погоды; применение нового радиационного алгоритма в модели «подстилающая поверхность - растительность - приземный слой атмосферы» для анализа влияния разных методов описания взаимодействия на температуру подстилающей поверхности; применение нового радиационного алгоритма к анализу влияния разных методов описания взаимодействия на радиационные изменения температуры в атмосфере; численные эксперименты для исследования зависимости оптических свойств облаков от изменения микрофизических характеристик в широком диапазоне.

Научная новизна данной работы заключается в создании нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод описания взаимодействия излучения со слоистообразной облачностью с учетом микрофизических характеристик облаков.

Выполненный в работе анализ существующих методов показал, что развитый в диссертации метод имеет более широкие возможности в определении оптической толщины и вероятности выживания кванта в облаке, чем существующие методы. Его применение возможно для облаков любого фазового состава. Метод не имеет ограничений на размер облачных частиц и может быть использован при любом спектральном разрешении радиационного алгоритма.

Применение разработанного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом влияния микрофизических характеристик облаков позволило получить новые результаты: оценить величины возможных погрешностей в альбедо, пропускании и поглощении облаками в моделях атмосферы при недостатке или неточности информации о размерах частиц облака и водности, при реальном диапазоне изменений этих величин; показать большое значение информации о размере облачных частиц для расчета оптических характеристик облаков и потоков излучения в атмосфере; оценить влияние малых изменений радиусов облачных капель (в пределах 10-20 %) при разных водностях облака на вариации потоков излучения, приходящих на подстилающую поверхность (в пределах 10-80 Вт/м2). Это сопровождается перераспределением энергии между прямой и рассеянной компонентами потока, и изменениями альбедо системы земля - атмосфера в пределах 10 - 15 %; оценить величину возможных погрешностей в альбедо системы земля - атмосфера и потоках на ВГА за счет использования приближения сфер для кристаллических частиц в облаках верхнего яруса. Неточность информации о параметре асимметрии индикатрисы рассеяния, в частности, для случая гексагональных призм, дает погрешность в радиационном балансе на ВГА до 40 Вт/м2, а в альбедо системы земля - атмосфера до 0.09 в рассмотренном случае. предложить интерпретацию механизма настройки климатических моделей на спутниковые данные по радиационному балансу на ВГА путем выбора соответствующего метода расчета количества облаков и влияние этой настройки на другие радиационные характеристики модельной атмосферы. Показано, что при одинаковой общей облачности, но различной вертикальной структуре облаков, которая является следствием разных методов параметризации облачности, различия в радиационном балансе на ВГА могут составлять 30 - 50 Вт/м2. Этим изменениям сопутствуют изменения в радиационном балансе на подстилающей поверхности примерно такой же величины. Изменения в альбедо системы земля -атмосфера за счет разной вертикальной структуры облачности могут составлять 0.02 - 0.06. Причиной таких эффектов является не только разное количество облаков на разных уровнях в атмосфере при одинаковой общей облачности, но и различия в оптических свойствах облаков разных ярусов.

Практическая ценность состоит в построении нового алгоритма и вычислительного комплекса для расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод расчета оптических параметров облаков, для применения в моделях прогноза погоды и изменений климата. Точность нового алгоритма оценена путем сравнения с результатами точных расчетов и данных измерений. Погрешность расчетов потоков и притоков излучения в основном меньше 5%.

Зависимость результатов моделирования крупномасштабных атмосферных процессов от микрофизических параметров облаков, которые лежат в основе механизма взаимодействия радиации и облаков, была продемонстрирована экспериментами, выполненными с моделями ЕЦСПП, Г^САК. и др. Отсюда следует необходимость развития и совершенствования методов описания взаимодействия радиации и облачности и включения их в алгоритмы расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере.

Эти задачи решаются в диссертации и определяют практическую ценность выполненной работы.

Развитый метод описания взаимодействия является более гибким, чем существующие методы, - позволяет рассчитывать оптические параметры облаков различного фазового состава. Метод может быть применен в широком диапазоне размеров частиц облаков, полагаемых сферическими, и не связан с конкретным спектральным разрешением. Численные эксперименты с разными методами описания взаимодействия показали преимущества развитого в диссертации метода.

Результаты сравнения с расчетами по методу, предложенному А.Слинго для капельных облаков, оказались близкими, что подтверждает качество используемого в работе метода.

Сравнение с методом Б.Рокеля и др. для облаков разного фазового состава обнаруживает значительные расхождения с методом данной работы. В то же время результаты сравнения рассчитанных оптических толщин кристаллических облаков с данными расчетов и измерений оказались удовлетворительными. Это позволяет считать развитый в работе метод более надежным, чем метод Б.Рокеля, и применять метод для смешанных и кристаллических облаков.

Представленный в диссертации алгоритм и программный комплекс подготовлены для использования в моделях прогноза погоды и изменения климата, при наличии в моделях информации о водности облаков и эффективных радиусах распределения облачных частиц по размерам. В диссертации представлены результаты применения нового алгоритма в мезомасштабной модели прогноза погоды Гидрометцентра России и модели «почва - растительность - приземный слой атмосферы» Гидрометцентра России.

Алгоритм допускает дальнейшее развитие физического содержания и может быть использован в исследовательских целях.

В первой главе, которая носит обзорный характер, рассмотрены результаты численных экспериментов, выполненных в ведущих метеорологических центрах с прогностическими и климатическими моделями атмосферы. Из этих экспериментов следует, что имеется заметная чувствительность радиационных и метеорологических характеристик атмосферы (радиационного баланса, облачно-радиационного форсинга, температуры и др.) к вариациями микрофизических свойств облаков, что по существу означает вариации процесса взаимодействия радиации и облачности (Kiehl, Ramanathan, 1990; Rockel et al., 1991; Frazer et al., 1995; Lohmann, Rockner, 1996). Эти эксперименты показали важность совершенствования методов описания механизма взаимодействия при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов.

Представлен анализ существующих методов описания процесса взаимодействия радиации и облачности (Slingo, 1989; Rockel et al., 1991, Ebert, Curry, 1992).

В первой главе рассмотрены также методы описания поглощения в безоблачной атмосфере, включая использованные в диссертации.

Рассмотрен современный подход к расчету потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, который основан на решении трехмерного уравнения переноса излучения в плоскопараллельной атмосфере. Изложена процедура преобразования этого уравнения к двухпотоковому виду, следуя работе Дж.Джелейна и Х.Холлингсворта (Geleyn, Hollingsworth, 1979).

Во второй главе представлен метод решения системы дифференциальных уравнений переноса для расчета потоков рассеянного и прямого излучения в зависимости от оптических параметров среды, входящих в уравнение переноса: оптической толщины, вероятности выживания кванта и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния.

Разработан вычислительный алгоритм, позволяющий рассчитать потоки излучения в многослойной атмосфере, при наличии информации об оптических свойствах слоев. Система алгебраических уравнений в многослойной атмосфере решается методом единственного деления Гаусса.

В главе приведены формулы для расчета оптических свойств слоев атмосферы при учете газового поглощения и релеевского рассеяния. Разработано два варианта спектрального разрешения для описания процесса поглощения излучения атмосферными газами (Н20, С02,0з), капельной водой и льдом.

Представлены результаты сравнения рассчитанных с помощью разработанного алгоритма потоков и притоков излучения для безоблачной атмосферы при условии поглощения отдельно Н2О, СО2, Оз с результатами полинейных расчетов (Фомин, 1997) для стандартных моделей атмосферы. Сравнение выполнено для двух вариантов разрешения спектра поглощения атмосферных газов (39 и 19 интервалов), при двух значениях зенитного угла Солнца. Точность расчетов потоков и притоков излучения в случае более грубого спектрального разрешения не ухудшается по сравнению с результатами, полученными при более подробном разрешении. Обсуждаются возможные причины погрешностей. Погрешности в расчете потоков и притоков излучения при поглощении углекислым газом и озоном значительно меньше для всех условий.

В третьей главе диссертации рассмотрены особенности применения общего алгоритма расчета потоков к облачной атмосфере.

Представлены основанные на теории Ми приближенные методы расчета коэффициентов ослабления и поглощения облаками в зависимости от водности облаков и эффективного радиуса распределения частиц по размерам (Хворостъянов, 1980). Выполнено сравнение рассчитанных коэффициентов ослабления и поглощения в облаке с результатами точных расчетов с использованием теории Ми, предоставленные автору диссертации А.Н.Рублевым и Б.А.Фоминым. Наибольшая погрешность при расчете коэффициентов ослабления и поглощения составляет 2 - 3 %.

В главе представлена процедура использования 8 - функции для модификации облачной индикатрисы рассеяния, отличающейся сильной вытянутостью (Potter, 1970) и способ преобразования оптических параметров облачного слоя с учетом трансформации индикатрисы рассеяния (Joseph et al., 1979). Представлены также формулы для оптических параметров, характеризующих облачные слои, необходимые для расчета потоков излучения в облачной атмосфере.

В этой же главе приведены сведения о характерных величинах микрофизических параметров слоистообразных облаков и методах их определения, для контроля получаемых результатов и для применения в численных экспериментах.

Здесь же выполнено исследование зависимости оптических свойств облаков и радиационных характеристик атмосферы от микрофизических параметров облаков (водности и эффективного радиуса). Проведено сравнение рассчитанных величин альбедо облака с данными наблюдений, которое следует считать удовлетворительным с точностью до согласования исходной информации. По результатам экспериментов обнаружена важность учета размера облачных частиц в методах описания взаимодействия радиации и облачности.

Разработанный алгоритм был применен к расчету оптических свойств кристаллических облаков и исследованию их влияния на потоки солнечного излучения. Полученные величины оптических толщин оказались в пределах интервала изменений, известного из наблюдений и расчетов.

Особое внимание было уделено исследованию роли фактора асимметрии индикатрисы рассеяния, который рассчитывается в моделях весьма приближенно (Rockel et al., 1991; Ebert, Curry, 1992), в связи со сложностью описания формы частиц в кристаллических облаках. Результаты расчетов {Аникин и др., 1989; Takano, Liou, 1989 и др.) позволили оценить соотношение между параметром асимметрии для призм и для сфер, минимальное значение которого оказалось 0.85 для видимого диапазона. Эта оценка позволила провести численный эксперимент для определения погрешностей в величинах потоков на границах атмосферы и альбедо системы, связанных с предположением о сферичности частиц в кристаллических облаках.

Основываясь на результатах численных экспериментов, рассмотрены разные стороны механизма взаимодействия радиации и облачности, связанные с недостатком информации о микрофизических параметрах облаков и получены оценки возможных погрешностей в определении оптических характеристик облаков и потоках изучения.

В четвертой главе представлены результаты численных экспериментов. Исследовано влияние количества облаков и их оптических свойств на радиационные характеристики атмосферы. В результате экспериментов обнаружена зависимость потоков излучения и альбедо системы от вертикальной структуры облачности, которая влияет различием оптических свойств облаков разных ярусов.

Проведено сравнение развитого в работе метода описания взаимодействия радиации и облачности с известными методами А.Слинго (Slingo, 1989) и Б.Рокеля (Rockel et al., 1991).

Сравнение показало, что результаты расчетов для капельных облаков оказались близкими к результатам по методу А.Слинго по величине оптических толщин капельных облаков и поглощенной радиации, - расхождения менее 10 %. Радиационные балансы на подстилающей поверхности отличаются менее чем на 1 %.

В результате экспериментов оказалось, что методы А.Слинго и развитый в работе метод, содержащие зависимость оптических параметров от водности и эффективного радиуса подтверждают друг друга для капельных облаков. Взаимное подтверждение результатов, полученных с использованием метода А.Слинго и развитого в настоящей работе, имеет обоснование. Метод А.Слинго является аппроксимацией результатов точных расчетов. Метод, развитый в диссертации, являясь приближенным, в то же время проверен на точных расчетах теории Ми с удовлетворительными результатами.

Из экспериментов также следует, что метод Б.Рокеля, в котором учитывается зависимость только от водности, дает большие отличия.

Из проведенных сравнений следует вывод о том, что учет размеров частиц облака для расчета оптических свойств облаков необходим. Методы, где отсутствует эта характеристика, страдают большими ошибками в расчетах радиационных характеристик облаков и облачной атмосферы.

Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения был применен в модели «Почва - растительность - приземный слой атмосферы» для анализа влияния механизма взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности. Совместно с автором модели И.А.Розинкиной были проведены эксперименты, которые показали, что расхождения в температуре подстилающей поверхности при использовании разных методов увеличиваются при увеличении количества слоев облаков. В эксперименте с однослойной капельной облачностью различия в температуре подстилающей поверхности между методом А.Слинго и развитым в работе малы - 0.3°. При двухслойной облачности максимальные различия в температуре подстилающей поверхности между развитым в диссертации методом и методом Б.Рокеля оказались равными 3° и больше. Изменение температуры подстилающей поверхности сопровождается большими изменениями турбулентного потока тепла в атмосферу.

Выполнен анализ различий в радиационных изменениях температуры в облачных слоях атмосферы, связанных с разными методами описания взаимодействия радиации и облачности. Обнаружены различия примерно в 4° на фоне больших характерных величин нагревания в облаке, до 8 - 10 град/сут. Такие различия могут быть значимыми для циркуляционных процессов разного масштаба в атмосфере.

Показано также, что чем больше водность и чем меньше размер частиц облака, тем интенсивнее нагревание облака. В связи с этим правильное описание нагревания облачных слоев с учетом основных влияющих факторов представляется весьма существенным для решения многих задач моделирования атмосферных процессов, как локальных, так и крупномасштабных.

Выполнены эксперименты по применению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в атмосфере к мезомасштабной модели атмосферы, разработанной Д.Я.Прессманом. В первых экспериментах по прогнозу температуры подстилающей поверхности и атмосферы, проведенных совместно с автором модели, оказалось, что температура поверхности суши для Московского региона по характеру поля и величинам оказалась близка к результатам исходного варианта модели, в котором для расчета потоков солнечного излучения был использован метод Е.М.Фейгельсон.

Максимальные различия температуры подстилающей поверхности и температуры воздуха на высоте 10 м составили 2 - 2.5° в сторону уменьшения по сравнению с исходным вариантом. Одной из причин этого уменьшения температуры может быть приближенно заданная величина эффективного радиуса частиц облака, необходимого в новом алгоритме, который не рассчитывается в рамках мезомасштабной модели. Этот вопрос требует дополнительного анализа. Эксперименты показали работоспособность нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения с учетом взаимодействия радиации и облачности и возможность его применения в гидродинамических моделях атмосферы.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основное содержание и результаты диссертации были представлены в докладах на:

- Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-99), Санкт-Петербург, 12-15 июля, 1999

- Конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ, Москва, 6-8 декабря, 1999

- Международном симпозиуме по атмосферной радиации (IRS 2000) «Современные проблемы атмосферной радиации», Санкт-Петербург, 24 - 29 июля, 2000

16

- XXVI Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества, Ницца, Франция, 25 - 30 марта, 2001

- VIII Объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Иркутск, 25-29 июня, 2001.

- Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-02), Санкт-Петербург, 18-21 июня, 2002

Семинаре по радиационному теплообмену при Российской комиссии по атмосферной радиации

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, кандидату физ.-мат. наук Л.Р.Дмитриевой-Арраго за руководство и помощь в работе над диссертацией, кандидату технических наук А.Н.Рублеву и доктору физ.-мат. наук Б.А.Фомину за любезно предоставленные результаты точных расчетов для проведения сравнений и другие материалы, кандидату физ.-мат. наук Д.Я.Прессману и кандидату физ.-мат. наук И.А.Розинкиной за помощь в проведении численных экспериментов, кандидату физ.-мат. наук Л.В.Берковичу и кандидату физ.-мат. наук Ю.В.Ткачевой за предоставленные данные для проведения численных экспериментов.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Шатунова, Марина Владимировна

Основные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией:

1. Разработан метод расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом взаимодействия радиации и облачности с известными микрофизическими характеристиками - водностью, ледностью, средним или эффективным радиусом распределения частиц по размерам.

2. Разработан и реализован вычислительный алгоритм и программный комплекс для решения уравнения переноса излучения в двухпотоковом приближении 8 - Эддингтона в многослойной атмосфере. Алгоритм основан на решении системы неоднородных дифференциальных уравнений для восходящего и нисходящего потоков рассеянного излучения и уравнения для расчета потока прямого солнечного излучения. Потоки излучения рассчитываются в результате решения алгебраической системы уравнений методом Гаусса. Единый алгоритм применяется для облачных и безоблачных условий.

3. Проведено сравнение потоков и притоков излучения в безоблачной атмосфере с учетом поглощения атмосферными газами (водяным паром, углекислым газом, озоном) в двух вариантах спектрального разрешения (39 интервалов и 19 интервалов) с результатами полинейных расчетов, выполненных Б.А.Фоминым, для стандартных моделей атмосферы. В результате сравнения получены близкие результаты в обоих вариантах разрешения. В связи с этим в работе использовано меньшее спектральное разрешение без потери точности. Из анализа результатов сравнения с точными расчетами следует, что погрешности в расчете потоков, приходящих на подстилающую поверхность, не более 1 %. Наибольшие погрешности оказались при расчете восходящего потока и поглощения в толще атмосферы в случае поглощения водяным паром до 5 - 7 %. Исключение составляют арктические широты, где при малом содержании водяного пара в атмосфере погрешность достигает 14 %. Сравнение подтвердило правильность не только описания спектра поглощения атмосферных газов, но и основного вычислительного алгоритма.

4. Развит алгоритм описания взаимодействия радиации и облачности с использованием приближенных формул для расчета облачных коэффициентов ослабления и поглощения, предложенных В.И.Хворостьяновым. Выполнено тестирование коэффициентов ослабления и поглощения для конкретных радиусов частиц и конкретной водности на результатах точных расчетов с помощью теории рассеяния излучения на крупных частицах Ми, выполненных А.Н.Рублевым и Б.А.Фоминым. Результаты сравнения показали, что расхождения для коэффициента ослабления в облаках составляют 1 - 2 %, для коэффициента поглощения - находятся в основном в пределах 10 %. Алгоритм может быть использован для облаков разного фазового состава. Не имеет ограничений на размер частиц и спектральное разрешение.

5. Выполнены эксперименты по включению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в атмосфере в мезомасштабную модель прогноза погоды, разработанную Д.Я.Прессманом. В первых экспериментах по прогнозу температуры подстилающей поверхности и атмосферы, проведенных совместно с автором модели, оказалось, что температура поверхности суши для Московского региона по характеру поля и величинам близка к результатам исходного варианта модели. Однако, величины температуры ниже на 2.0 - 2.5°. Результаты эксперимента позволяют рассчитывать на улучшение прогноза температуры при дальнейшем взаимодействии с моделью и уточнении параметров.

6. Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения был использован в модели «Почва - растительность - приземный слой атмосферы» для анализа влияния различных методов описания взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности. По результатам экспериментов, проведенных совместно с автором модели, в случае капельных облаков, метод А.Слинго (БИ^о, 1989) и метод развитый в диссертации дают одинаковый эффект, - отличия в температуре подстилающей поверхности менее 1°. Использование метода Б.Рокеля (Rockel et al., 1991) приводит к значениям температуры, отличающимся примерно наЗ°.

Разработанный алгоритм был применен для исследования физических связей между микрофизическими свойствами облаков и радиационными характеристиками облаков и атмосферы:

1. Исследовано влияние микрофизических параметров облаков на их оптические свойства. Проведено сравнение рассчитанных величин альбедо с результатами измерений в зависимости от водозапаса облаков в разных интервалах радиусов и зенитного угла Солнца. Рассчитанные величины альбедо находятся в пределах разброса результатов измерений, составляющего 0.32 - 0.8 при различных зенитных углах Солнца.

2. Учитывая недостаток информации о радиусах частиц облаков в гидродинамических моделях атмосферы, был выполнен анализ зависимостей оптических характеристик облаков от радиусов частиц. Возможные погрешности в альбедо и пропускании могут быть 30 % и более, в поглощении - 10 %, при изменении величин эффективных радиусов с 5 мкм до 15 мкм, характерных для различных географических условий и форм облаков.

3. Выполнены численные эксперименты по оценке величин оптической толщины кристаллических облаков. Рассчитанные величины оптической толщины кристаллических облаков находятся в пределах расчетов и измерений, выполненных и проанализированных Л.Н.Павловой и А.Г.Петрушиным (1981), Т.А.Тарасовой (1981), Б.Соденом и Л.Доннером (Soden, Donner, 1994). Интервал изменений оптических толщин составляет 0.25-8.5.

4. Рассмотрено влияние отличия формы облачных частиц от сферической в кристаллических облаках верхнего яруса. Продемонстрирована зависимость альбедо системы и радиационного баланса на ВГА от формы кристаллических частиц по результатам численных экспериментов с уменьшенным фактором асимметрии индикатрисы рассеяния, соответствующим гексагональным призмам. Различия в потоках четко обнаружились при количестве облаков более 0.5 и составили 10 %. Максимальное изменение альбедо составило 0.09, а максимальное уменьшение радиационного баланса - 40 Вт/м2 в рассмотренном в диссертации случае.

5. Проведены численные эксперименты, которые показали, что потоки и притоки излучения зависят не только от количества облаков, но и от вертикальной структуры облачности, которая действует своими разными оптическими свойствами. При одинаковой общей облачности различия в потоках могут быть существенными, в зависимости от того какого яруса облачность формирует общую облачность. Различия в радиационном балансе на подстилающей поверхности могут достигать 30 - 50 Вт/м2.

6. Исследована зависимость оптических свойств облаков, радиационных балансов на границах атмосферы, величины поглощенного излучения в атмосфере и альбедо системы земля - атмосфера от методов описания взаимодействия радиации и облачности в широком диапазоне микрофизических параметров - водности, ледности и эффективного радиуса распределения частиц по размерам. Результаты расчетов с использованием методов А.Слинго (Slingo, 1989) и развитого в диссертационной работе оказались близки в случае капельных облаков. Таким образом, оба метода подтверждают друг друга.

7. Выполнен анализ различий в радиационных изменениях температуры в облачных слоях атмосферы, связанных с разными методами описания взаимодействия радиации и облачности. Метод Б.Рокеля (.Rockel et al., 1991) дает заметные отклонения. Обнаружены различия примерно в 4° на фоне характерных величин нагревания в облаке, до 8 - 12 град/сут.

Дальнейшее развитие работы предполагается проводить в следующих направлениях: продолжение экспериментов по включению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в мезомасштабную модель прогноза погоды при согласовании параметров модели и радиационного алгоритма; - уточнение описания фактора асимметрии индикатрисы рассеяния для облаков разного фазового состава; продолжение численных экспериментов, направленных на исследования влияния отличия формы кристаллов от сферической на радиационные характеристики кристаллических облаков и атмосферы; уточнение метода описания поглощения водяным паром путем учета континуального поглощения.

Заключение

Представленная работа основана на методах и сведениях, относящихся к различным направлениям, развиваемым в теории переноса излучения, в физической оптике, спектроскопии, физике атмосферы и метеорологии.

Используются современные достижения теории переноса излучения, предназначенные для практических целей. Методы, развитые в физической оптике и спектроскопии, применяются для описания процессов поглощения и рассеяния излучения в атмосфере и облаках. Важной основой для решения поставленных в диссертации задач являются сведения и методы из физики облаков. Все эти процессы рассматриваются на фоне различных метеорологических условий.

Учитывая возможности практического приложения разработанного алгоритма, в работе были использованы различные приближенные подходы и методы, для оценки которых привлекались точные методы и данные наблюдений.

Все перечисленные научные направления нашли отражение в списке использованных источников.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Шатунова, Марина Владимировна, Москва

1. Авиационно-климатический атлас-справочник СССР. Статистические характеристики пространственной и микрофизической структуры облаков, 1975. 1, вып.З, Гидрометеоиздат, М.

2. Аникин П.П., А.Г.Петрушин, Т.А.Тарасова, 1989: Оптические характеристики перистых облаков. В сб. Радиационные свойства перистых облаков, М., Наука, 5365

3. А.Х.Хргиан, С.М.Шметер, 1961: Физика облаков. Гидрометеоиздат, JL, 460с. ван де Хюлст, Г., 1961: Рассеяние света малыми частицами. М., 536с. Галин В.Я., 1998: Параметризация радиационных процессов в атмосферной модели

4. Горчакова И.А., 2000: Параметризация интегральных потоков солнечного излучения.

5. Изв. Академии наук, Физика атмосферы и океана, 36, 3, 376-385 Гуди P.M., 1966: Атмосферная радиация. I. Основы теории. Мир, М., 522с. Динамическая метеорология (Теоретическая метеорология), 1976, п/р Д.Л.Лайхтмана,

6. Дмитриева-Арраго JI.P., Л.В.Самойлова, Г.В.Паршина, 1973: Зависимость поля радиации от радиационных и метеорологических параметров атмосферы. Труды ГГО, 315, 61-75

7. Ленобль, Ж., 1990: Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах: Стандартные методы расчета. Гидрометеоиздат. Л., 264с.

8. Мазин И.П., С.М.Шметер, 1983: Облака: строение и физика образования. Л., Гидрометеоиздат, 280 с.

9. Мазин И.П., Н.А.Монахова, В.Ф.Шугаев, 1996: Вертикальное распределение водности и оптических характеристик в континентальных облаках слоистых форм. Метеорология и Гидрология, № 9, 14-34

10. Матвеев Л. Т, 1981: Динамика облаков. Гидрометеоиздат, Л. 312с.

11. Мэйсон Б.Дж., 1961: Физика облаков. Л., Гидрометеоиздат, 542 с.

12. Неелова Л.О., 1989: Оценка влияния радиации и облачности на результаты гидродинамического моделирования атмосферных процессов. Диссертация на соискание уч.степени канд.физ.-мат.наук, Л., 153 с.

13. Никонов С.А, 1995: Обобщенный двухпотоковый метод решения уравнения переноса солнечной радиации в плоском слое. Метеорология и гидрология, 3,37-48

14. Облака и облачная атмосфера (справочник), 1989, п/р И.П.Мазина, А.Х.Хргиана Гидрометиздат, Л., 647 с.

15. Павлова Л.Н., А.Г.Петрушин, 1981: Оптические характеристики ледяных облаков. В сб. Радиация в облачной атмосфере, п/р Е.М,Фейгельсон, Л. Гидрометеоиздат, 56 58

16. Пекелис Е.М., Д.Я.Прессман, В.З.Кисельникова, О.В .Дрофа, 1999: Численные гидродинамические модели мезомасштабного прогноза погоды Гидрометцентра России. В сб. 70 лет Гидрометцентра России, С.-Пб., Гидрометеоиздат, 80-89

17. Подольская Э.Л., Л.О.Неелова, 1997: Усовершенствование интегральной функции пропускания для коротковолновой радиации. Известия АН, Физика атмосферы и океана, 33, 5, 676-679

18. Радиация в облачной атмосфере, 1981, п/р Е.М.Фейгельсон, Гидрометеоиздат, Л., 280 с.

19. Розинкина И.А., 2001: Модель Гидрометцентра России почва растительность -приземный слой атмосферы: алгоритм и результаты тестирования. Метеорология и гидрология, 3, 19-33

20. Рублев А.Н., А.Н.Троценко, П.Ю.Романов, 1997: Использование данных спутникового радиометра АУНИК. для определения оптических толщин облачности. Изв. Академии наук, сер. Физика атмосферы и океана, 33, 5, 670 675

21. Соболев В.В., 1956: Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. ГИТТЛ, М., 292 с.

22. Соболев В.В., 1972: Рассеяние света в атмосферах планет. Наука, М., 336с.

23. Тарасова Т.А., 1981: Радиационные особенности ледяных облаков. В сб. Радиация в облачной атмосфере, п/р Е.М,Фейгельсон, Л. Гидрометеоиздат, 127 -130

24. Фадеев Д.К., В.Н. Фадеева, 1963: Вычислительные методы линейной алгебры. ГИФМЛ, М., 734 с.

25. Фейгельсон Е.М., Л.Д.Краснокутская, 1978: Потоки солнечного излучения и облака.

26. Гидрометеоиздат, Л., 158 с. Фихтенгольц Г.М., 1961: Курс дифференциального и интегрального исчисления. Физ.мат.из.

27. А.И.Воейкова, 46(108), 5-33 Шифрин К.С., И.Н.Минин, 1957: К теории негоризонтальной видимости. Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, 68, 5-75

28. Шифрин К.С., О.Авасте, 1960: Потоки коротковолновой радиации в безоблачной атмосфере. Исследования по физике атмосферы, 2. Институт физики и астрономии АН ЭССР, Тарту, 23-65

29. Ballard S.P., D.Gregory, M.G.Hutchinson, 1995: Parameterization of mixed-phase cloud and precipitation in the UK Meteorological office unified model. Workshop on Cloud

30. Microphysics Parameterizations in Global Atmospheruc Circulation Models, Kananaskis, Alberta, Canada, 23-25 May 1995, WCRP-90, WMO/TD-No.713, 249-282 Briegleb B.P., 1992: Delta-Eddington approximation for solar radiation in the NCAR

31. Geleyn J.-F,. 1977: Parameterization of radiative transfer at ECMWF. Proceedings of the ECMWF 1977 seminar on the parameterization of the physical processes in the free atmosphere, 273-345

32. Geleyn, J.F., H.Hollingsworth, 1979: An economical analitic method for the computation of the interaction between scattering and line absorption of radiation. Contrib.Atm.Phys., 52, 1-16

33. Heymsfield, A. J., K. M. Miller, J. D. Spinhirne, 1990: The 27-28 October 1986 FIRE IFO

34. Howard J.N., D.E.Burch, D.Williams, 1956: Infrared transmission of synthetic atmosphere.

35. Parts I-Y. J.Opt.Soc.Amer., 46, 186-190, 237-241, 242-245, 334-338, 452-455 Infrared handbook, The, 1 978. Ed. W.L.Wolfe, G.J.Zissis. The IRIA C entre, Enviromental

36. King, J.I.F., P.R.Gast, 1961: Thermal radiation, in Handbook of Geophysics, chap.16, 32 pp., Macmillan, New York1.cis A.A., J.E.Hansen, 1974: A parameterization for the absorption of solar radiation in the

37. Magono Ch., Ch. W.Lee, 1973: The vertical structure of snow clouds as revealed by "Snow crystal sondes", Pt. II. J.Met.Soc.Jap.,51,3,176-190

38. Manabe S., J.Smagorinsky, R.F.Strickler, 1965: Simulated climatology of a general circulation model with a hydrological cycle. Mon.Wea.Rew., 93, 101-109

39. Matveev L.T., 1984: Cloud dynamics, Atmospheric Science Library, D. Reidel Publishinf Company, 340 pp.

40. Morcrette J.-J., 1990: Impact of changes to the radiation transfer parameterizations plus cloud optical properties in the ECMWF model. Mon.Wea.Rev., 118, 215-229

41. Nakaya, U., 1954: Snow crystals: natural and artificial. Harvard Univ. Press, 510 pp.

42. Penndorf R., 1950: Absorption of solar energy in E layer by molecular oxygen. J. Meteorol., 7, 3-7

43. Pirnach A.M., 1998: the construction and application of numerical models to the study of cloud dynamics and the structure of winter frontal rainbands. J.Atmos.Sci., 47-48, 355376

44. Potter, J.F., 1970: The delta approximation in radiative transfer theory. J.Atmos.Sci., 27, 943949

45. Pruppacher H.R., J.D.Klett, 1978: Microphysics of clouds and precipitation. D.Reidel publishing company, London, England, 350 pp.

46. Ritter, B., J.F.Geleyn, 1992: A comprehensive radiation scheme for numerical weather prediction models with potential applications in climate simulations. Mon.Wea.Rev., 120, 303-325

47. Rockel, B., E.Raschke, B.Weyres, 1991: A parameterization of broad band radiative transfer properties of water, ice and mixed clouds. Beitr.Phys.Atm., 64, 1-12

48. Rodgers C.D., 1967: The radiative heat budget of the troposphere and lower stratosphere. Mass.Inst. of Technology. Planetary Circulation Project, Rep. A2, 99 pp.

49. Roeckner, E., 1995: Parameterization of cloud radiative properties in the ECAHM4 model. In: WCRP Workshop "Cloud microphysical parameterization in global atmospheric circulation models", 23-25 May, 1995, WCRP-90, Kananskis, Canada, 105-116

50. Soden, B.J., L.J.Donner, 1994: Evaluation of a GCM cirrus parameterization using satelliteobservations. J.Geophys.Res., 99, D7, 14401-14413 Stephens, G.L., 1978a: Radiation profiles in extended water clouds. I. Theory. J.Atmos.Sci, 35,2111-2122

51. WCP-112, 1986: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation, 57 pp.

52. Wielicki, B.A, J.T.Suttles, A.J.Heymsfield, R.M.Welch, J.D.Spinhire, M.C.Wu, D.O'C.Starr, L.Parker, R.F.Arduini, 1990: The 27-28 October FIRE IFO cirrus study case: