Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Уходящая коротковолновая радиация и альбедо системы Земля-атмосфера по наблюдениям с ИСЗ "Метеор" № 7

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Уходящая коротковолновая радиация и альбедо системы Земля-атмосфера по наблюдениям с ИСЗ "Метеор" № 7"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова

сч^

На правах рукописи Котума Александр Иванович

Уходящая коротковолновая радиация и альбедо системы Земля - атмосфера по наблюдениям с ИСЗ «Метеор-3» №7

11.00.09 - метеорология, климатология и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

' л.

4

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре метеорологии и климатологии и в НИИ механики и физики Саратовского государственного университета им. II.Г. Чернышевского

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ю.А. Скляров

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н.Ф. Вельтищев

кандидат географических наук, старший научный сотрудник Н.А. Зайцева

Ведущая организация: Казанский государственный университет

Защита состоится «26» ноября 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д-053.05.30 в Московском государственном университете им. М..В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП—3, Воробьевы горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже

Автореферат разослан «<3<5» октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук / , С.Ф.Алексеева

\лЛ к. сы^'Ь

Актуальность проблемы. Радиация играет фундаментальную роль в качестве основного источника и стока энергии в системе земная поверхность - океан - атмосфера. Поэтому исследование компонентов радиационного баланса Земли (РБЗ) на уровне верхней границы атмосферы (BFA), является одной из приоритетных задач Всемирной Программы Исследований Климата, принятой Всемирной Метеорологической организацией.

Рассматривая, как меняются компоненты РБЗ, можно лучше понять механизмы перераспределения энергии в системе земная поверхность -океан - атмосфера. Данные о РБЗ также можно использовать для все еще не решенного вопроса о влиянии облачности на тепловой баланс у BFA. Необходимо понять взаимосвязь между радиационными энергетическими потоками у ВГА и климатом для получения прогнозов влияния на него ряда возмущающих факторов (например, изменения содержания СО2, вулканических аэрозолей, величин поверхностных альбедо) и процессов обратных связей (например, обратные связи относительной влажности, облачности и лёд-альбедо).

Систематические наблюдения компонентов РБЗ необходимы для улучшения климатических моделей, для уточнения того, как регионы Земли и вся планета в целом обмениваются радиацией с космосом.

Компоненты РБЗ относят к BFA, за которую условно принята поверхность на высоте 30 км от земной поверхности. Следовательно, их можно измерять только извне, с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Это дает возможность покрыть измерениями всю поверхность Земли, найти соответствующие градиенты горизонтального переноса энергии, например, потоки экватор - полюс, экспериментально оценить величину парникового эффекта атмосферы и т.п.

Одним из важнейших компонентов РБЗ является уходящая коротковолновая радиация (УКР) или, соответственно, альбедо.

В ряде российских и зарубежных работ подчеркивается важность мониторинга альбедо, как одного из ключевых факторов изменений климата. Изучение распределения альбедо по поверхности Земли и его вре-

менных изменений даёт материал для решения многих частных вопросов общей теории климата и его моделирования. Дальнейшее совершенствование аппаратуры и методов измерений УКР и альбедо с ИСЗ является, таким образом, также актуальной задачей.

Для решения подобных задач в Саратовском госуниверситете создан опытный образец спутникового измерителя коротковолновой отраженной радиации (ИКОР), предназначенный для измерений потоков уходящей коротковолновой радиации (УКР) и альбедо системы Земля-атмосфера и работавший на ИСЗ «Метеор-3» №7.

Поскольку основные инструментальные измерения составляющих РБЗ производились за рубежом, то проведение независимых сопоставимых измерений и разработка методики обработки полученных данных является актуальной задачей.

Цель настоящей работы - разработка теоретических и методических вопросов обработки всего массива наблюдений ИКОР с ИСЗ «Метеор-3» №7, получение и анализ научных данных, выдача рекомендаций на ОКР для международного космического эксперимента на ИСЗ «Ре-сурс-01» №4.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ условий наблюдений земной поверхности аппаратурой ИКОР, классификация наблюдательного материала в зависимости от его распределения по долготным поясам, условий освещения Солнцем земной поверхности. Оценка геотипов наблюдаемых поверхностей.

2. Теоретический анализ соотношения между измеренной величиной и искомыми величинами УКР и альбедо. Вывод рабочих формул. Разработка программ расчетов величин УКР и альбедо.

3. Оценка качества функционирования аппаратуры ИКОР.

4. Анализ широтного распределения УКР и альбедо в различных регионах Земли в зависимости от времени года, геотипа подстилающей поверхности, облачности.

5. Сопоставление данных, полученных аппаратурой ИКОР, с данными об альбедо и УКР, полученными другими радиометрами.

Использованные материалы.

1. Данные наблюдений УКР аппаратурой ИКОР за 1994-95 гг.;

2. Материалы наблюдений аппаратурой СКАРАБ, предоставленные французской стороной через ВНИИГМИ - МЦД (г. Обнинск).

3. Материалы калибровки аппаратуры ИКОР.

4. Снимки земной поверхности с геостационарного ИСЗ GOES-7 над Тихим океаном (1994-1995 гг.).

5. Атласы NASA поглощенной солнечной радиации, альбедо, уходящей длинноволновой радиации (УДР) за 1975-78 гг. и 1986-88 гг..

Научная новизна работы:

- получено новое теоретическое соотношение для расчета среднего значения альбедо в поле зрения измерителя ИКОР;

- разработан весь процесс получения по кодам рабочих напряжений аппаратуры ИКОР значений УКР и альбедо, их привязки к координатам и времени;

- весь массив наблюдений единообразно обработан и является независимым по отношению к аналогичным данным, полученным другими радиометрами;

- на материале наблюдений аппаратурой ИКОР и СКАРАБ с привлечением данных, полученных с ИСЗ GOES-7, прослежены связи УКР-облачность и альбедо-облачность. Выявлены особенности широтного распределения УКР и альбедо по различным долготным поясам.

- результаты сравнений потоков УКР, полученных квазисинхронно радиометрами ИКОР и СКАРАБ, сравнения с данными других радиометров показали, что погрешность измерений УКР и альбедо радиометром ИКОР невелика, а измерения соответствуют единой шкале Мирового радиометрического эталона (МРЭ).

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Итоги анализа условий наблюдений земной поверхности аппаратурой ИКОР, алгоритм обработки наблюдений, новое соотношение для расчётов среднего по полю зрения альбедо, оценка репрезентативности полученных результатов.

2. Программы обработки наблюдений, позволяющие осуществлять визуальный контроль положения проекции орбиты на поверхности Земли, а также производить полную обработку получаемой от радиометра ИКОР информации с выдачей значений УКР и альбедо на уровне верхней границы атмосферы.

3. Особенности широтного распределения мгновенных величин УКР и альбедо и среднемесячных зональных величин альбедо на ВГА для трех долготных поясов по данным измерений аппаратурой ИКОР.

Научно-практическая ценность работы.

1. Алгоритмы разработанных программ могут быть использованы для радиометров широкого и среднего поля зрения (СПЗ). К последнему типу относится ИКОР.

2. Разработаны программы машинной обработки, обеспечивающие:

- выполнение визуального контроля и просмотр на фоне карт соответствующих проекций ежеминутных данных от любого витка с выдачей координат подспутниковой точки, азимутов и зенитных углов Солнца, величин УКР для каждого отсчета ИКОР с ИСЗ;

- получение мгновенных широтных распределений УКР для любого витка наблюдений;

- получение мгновенных широтных распределений альбедо для любого витка наблюдений;

- получение среднемесячных зональных широтных распределений альбедо.

3. Создан банк данных наблюдений аппаратурой ИСП-2 (включая ИКОР), переданный для использования в НИЦ ИПР Росгидромета.

4. Независимо подтверждено сохранение уровня шкалы коротковолнового канала радиометра СКАРАБ.

5. Рекомендации о целесообразности введения в блок электроники радиометра ИКОР управляющего звена, обеспечивающего смену режима его работы (включая круглосуточный), а также о необходимости установки датчика температуры на наружный блок радиометра внедрены в модернизированный экземпляр ИКОР, работающий в настоящее время на ИСЗ «Ресурс-01» :№4 (вывод на орбиту состоялся 10 июля 1998 г.). Это позволило улучшить характеристики модернизированного экземпляра ИКОР.

Апробация работы. Основные положения и материалы работы докладывались на следующих международных конференциях: «International Workshop on VUV and X-Ray Radiometry for Space-Based Instruments» (Берлин, Германия, 1994); «First International ScaRaB Science Working Group Meeting» (Париж, Франция, 1995); «Third International ScaRaB Science Working Group Meeting» (Будапешт, Венгрия, 1996); «Fourth International ScaRaB Science Working Group Meeting» (Брюссель, Бельгия, 1997); на Всероссийской научно-технической конференции по воздухоплаванию (Вольск, Россия, 1994), а также на объединённых семинарах кафедры метеорологии и климатологии СГУ, лаборатории астрономических и геофизических исследований НИИ механики и физики СГУ с участием сотрудников ВНИИГМИ - МЦД.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованных источников (121 наименование). Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 2 таблицы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в работе, сформулированы её основные цели и задачи, обоснована научная

новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Глава I содержит краткое описание аппаратуры «Измеритель солнечной постоянной» второго поколения (ИСП-2), принцип работы и методика её калибровки.

Отдельный раздел посвящен детальному описанию аппаратуры «Измеритель отражённой коротковолновой радиации» (ИКОР), входящей в состав ИСП-2. ИКОР состоит из двух блоков. Блок наружный ИКОР установлен вне гермоотсека спутника и ориентирован в надир. Он содержит приемник радиации и необходимые вспомогательные элементы. Блок электроники, находится внутри гермоотсека спутника при стабильном температурном режиме. Работает прибор в автоматическом режиме. Его основные характеристики приведены в следующей таблице.

Основные характеристики радиометра ИКОР

Диапазон измерений коротковолновой отражённой радиации, Вт/ м2 5 ... 500

Спектральный диапазон измерений коротковолновой отражённой радиации (ограничивается пропускающей способностью входного оптического фильтра), мкм 0.3 ... 3,5

Наяирный угол зрения приёмника радиации, град 30

Случайная погрешность измерений, % 1,5

ИКОР обладает рядом достоинств: а) полностью исключена зависимость показаний от давления, влажности и влияния внутренних конвективных потоков в силу того, что приемник вакуумирован до 10" мм рт. ст.; б) снижена зависимость показаний от температуры окружающей среды; в) метод замещения измеряемой радиации электрической мощностью является физически наиболее обоснованным и позволяет выполнить абсолютные измерения. Числовые оценки показывают, что ИКОР может обеспечивать измерения с систематической погрешностью на уровне 1-2%.

Циклограмма работы измерителей ИСП-2 и ИКОР на ИСЗ «Ме-теор-3» №7 была следующей. Система ежесуточно включалась на два витка, один из которых использовался для прогрева аппаратуры, а второй был измерительным. Из-за ограниченных возможностей системы накопления информации (обеспечивалось хранение данных за один виток) регистрировались только данные измерений витков, находящихся в зоне видимости пункта приёма информации (г. Обнинск).

Детально рассмотрены условия наблюдений земной поверхности аппаратурой ИКОР для данного спутника. Для этого прецессирующего околополярного ИСЗ с высотой орбиты 1205,8 км (орбита практически круговая) и наклоном к плоскости экватора около 82° найдено, что период обращения спутника составляет 109,42 мин. или 13,16 оборотов в сутки. По отношению к Солнцу плоскость орбиты поворачивается с периодом 209 суток, а повторение аналогичных геометрических условий наблюдений, обусловленное сдвигом системы витков спутника, происходит с периодом 10,3 суток. Также рассмотрены условия наблюдения ИСЗ «Метеор-3» №7 для пункта приёма спутниковой информации (г. Обнинск). Показано, что спутник появляется в зоне видимости пункта приёма 2~5 раз в сутки.

В соответствии с циклограммой работы радиометра ИКОР и особенностями приема спутниковой информации, ограничивающими зоны его наблюдений и время работы, все данные наблюдений (358 витков) классифицированы по трём основным долготным поясам наблюдений:

(1) пояс «Тихий океан» (131 виток) проходит через центральную часть Тихого океана. Его ширина у экватора составляет приблизительно 27° по долготе;

(2) пояс «Африка» (108 витков) располагается в центральной части Африки, а его ширина, аналогично, составляет 27° по долготе;

(3) пояс «Индийский океан» (91 виток) проходит через центральную часть Индийского океана и имеет ширину около 50°.

Последний раздел содержит описание зон наблюдений и классификацию наблюдаемых типов сцен.

Глава 2 посвящена изложению теоретических и методических вопросов обработки наблюдений уходящей коротковолновой радиации и альбедо.

В апертуру радиометра (ИКОР) поступает поток от всей наблюдаемой поверхности. Необходимо было решить задачу преобразования этой величины к общепринятым величинам (УКР и альбедо) на верхней границе атмосферы.

Для решения данной задачи разработана методика полной обработки измерений аппаратурой ИКОР, от кодов рабочих напряжений до получения текущих средних мгновенных величин УКР и альбедо в поле зрения (ПЗ) измерителя, а также зональных среднемесячных величин альбедо системы земная поверхность - атмосфера. Весь процесс обработки разделён на четыре последовательных уровня.

Нулевой уровень включает в себя выделение из телеметрической информации «сырых» данных о кодах рабочих напряжений ИКОР (текущих отсчётов), информации о текущем времени и координатах подспутниковой точки для каждого измерения ИКОР, а также дополнительных служебных данных.

Первый уровень обработки сводится к расчету физических значений мощностей т^ (в Вт ■ м~2) у приёмника радиации в моменты измерения (эти величины называют «измерением» радиометра).

Второй уровень заключается в установлении взаимосвязи между измерением шкв и величинами УКР и альбедо на верхней границе атмосферы в момент измерения ИКОР. Для этого использовался метод «фактора формы», позволяющий получить среднее значение измеряемой величины (уходящее излучение, альбедо) в пределах ПЗ радиометра. При получении величин УКР используется следующее измерительное уравнение:

М 2% у,

шКБ(0о,Фо) = ^вРкв(©о>фо) - 1 ]Р(0,ФАф)созуэшус1ус1р

% Р=0 у=0

где ©о и Ф0 - координаты подспутниковой точки (на поверхности Земли), к которой отнесено измерение ши; f^ - «фильтровый фактор»; FKB(©0,i>0) - среднее значение уходящей коротковолновой радиации с поверхности в ПЗ аппаратуры ИКОР, отнесенное к подспутниковой точке; ß - азимутальный угол в плоскости приёмника радиации; у - надир-ный угол у приёмника радиации; у t - надирный угол границы ПЗ измерителя; R(0,<J>,S,<p) - двунаправленная функция, учитывающая анизотропию измеряемой радиации; 0 и Ф - полярное расстояние и долгота текущей точки на поверхности ВГА в ПЗ измерителя; 9 и ср - местные зенитный угол и азимут луча, уходящего из той же точки к радиометру; cosy - функция, учитывающая угловой отклик приёмника. Выражение в скобках и есть «фактор формы» (ФФ). В изотропном приближении (R = 1) ФФ в выражении (1) равен:

ФФ = sin2 у(. (2)

Тогда в качестве рабочей формулы для определения потока УКР в изотропном приближении получим из (1);

F - ткв

sin уе ■ fKB

Величина fKB учитывает «цветовой эффект». Дело в том, что ИКОР калиброван по прямой солнечной радиации, для которой fKB равен единице. У отраженной от различных сцен солнечной радиации спектральное распределение будет иным, что и учитывается величиной fKB. В диссертации содержится выражение для его расчета.

Для получения величин альбедо методом ФФ принимается, что среднее значение альбедо отнесено к подспутниковой точке, а интегральная по спектру освещённость солнечной радиацией Е постоянна в пределах площади в ПЗ измерителя (последнее абсолютно справедливо, поскольку Е относится к BFA). В этом случае используется измерительное уравнение для шкв, аналогичное (1):

m

кв^о-Фо) = «Е^кв

2 n У f

* J Jcosz0 cosy sinydydp

Р=0Т"0

(3)

где а - среднее значение альбедо для ВГА в ПЗ прибора; z0 - зенитный угол Солнца, а выражение в скобках есть ФФ для альбедо. Как видно, в данном случае выражение для ФФ усложнилось появлением coa'Zq. Трудность определения ФФ возникает из-за того, что z0 определяется географическими координатами рассматриваемой точки в ПЗ радиометра и склонением Солнца в момент измерения. Интегрирование же ведется по углам у и р радиометра. Поэтому проблема нахождения среднего альбедо по ПЗ измерителя обычно решается численными методами.

Нами предложен новый аналитический подход [3,4], позволяющий существенно упростить решение данной задачи. Дело в том, что и к выражению для ФФ при расчетах альбедо можно применить теорему о среднем, если суметь оценить среднее значение по ПЗ величины cos z@. Суть предложенного метода заключается в выражении величины среднего косинуса зенитного угла Солнца cos г0 по ПЗ измерителя через косинус зенитного угла Солнца в подспутниковой точке cosz% (эта величина легко рассчитывается по формулам сферической тригонометрии для каждого момента измерений). В работе приведено решение данной задачи. В итоге для расчёта cos zQ получено выражение: cos zL sin2 а,

cosz0 --

2(1 - cos a()

где аг ~ геоцентрический угол, соответствующий углу уг. Очевидно, что величина cos z@ отличается от cos z0 на величину коэффициента к, постоянного для спутников с круговой орбитой (поскольку а, не изменяется)

г.; „2 „

к =

2(1 - cosa,)

В работе показано, что это выражение вполне репрезентативно. Приведены соотношения для расчетов угла ае и оценка коэффициента к для двух среднеугольных радиометров на разных орбитах.

Такой подход позволяет вынести cos zs из под интеграла в выражении (3), что дает возможность без затруднений взять оставшийся интеграл. В итоге получена новая расчётная формула для альбедо: а = _ткв

О 9

Е cos z0 • к ■ sin у (

Это выражение использовалось при обработке всего наблюдательного материала.

В подразделе, озаглавленном «Третий уровень», кратко изложена методика получения широтного распределения мгновенных величин УКР и альбедо, а также рядов зональных среднемесячных величин альбедо с угловой шириной зоны 5 и 10 градусов по широте.

Далее в главе описаны программы, разработанные для машинной обработки данных ИКОР, подробный текст основной сводной программы приведен в Приложении к диссертации.

В главе 3 приведены оценки качества функционирования аппаратуры ИКОР на ИСЗ «Метеор-3» №7.

Радиометр ИКОР калиброван в шкале МРЭ. Важно было убедиться, что уровень его шкалы после вывода на орбиту не изменился. Это косвенно было проверено путём сравнения данных о величинах УКР, полученных аппаратурой ИКОР с измерениями коротковолнового канала французской сканирующей аппаратуры, расположенной на том же ИСЗ и работавшей одновременно с ИКОР.

В диссертации кратко представлена суть использованной методики взаимосравнения сканирующей и несканирующей аппаратуры. Величины УКР, полученные аппаратурой ИКОР, рассчитывались по разработанной и изложенной в Главе 2 методике и сравнивались с расчетными величинами УКР от аппаратуры СКАРАБ, полученными суммированием измерений УКР всех пикселей, попадающих в ПЗ ИКОР в момент измерения. Эта работа выполнена совместно с А.П. Трищенко (ВНИИГМИ - МЦД). Результаты сравнений показали хорошее совпадение измерений радио-

метрами ИКОР и СКАРАБ (средняя разность за 100 отсчетов около 4 Вт ■ м-2 • ср"1 с коэффициентом корреляции 0,93). Следует учесть, что ИКОР является радиометром другого типа, имеет другие приёмные элементы и иной принцип предполетной калибровки. Американскими специалистами были выполнены сравнения показаний аппаратуры СКАРАБ и американской аппаратуры проекта ERBE, показавшие аналогичное совпадение шкал сравниваемых приборов. В диссертации приведены необходимые подробности. С учетом этого, можно также заключить, что измерения, выполненные аппаратурой ИКОР, с хорошей точностью соответствуют существующим зарубежным рядам измерений УКР и альбедо.

Кроме того, был проведён анализ качества текущей информации от аппаратуры ИКОР, который показал отсутствие сбоев в ее работе практически за весь период функционирования на борту спутника «Ме-теор-3» №7. С учетом этого, а также по результатам анализа возможной зависимости показаний прибора от температуры рекомендовано: ввести в блок электроники ИКОР управляющее звено для обеспечения смены режимов работы (в том числе круглосуточного) и установить датчик температуры на блок наружный ИКОР. Эти рекомендации реализованы в работающей в настоящее время аппаратуре ИКОР на ИСЗ «Ресурс-01» №4.

Глава 4 посвящена анализу данных об уходящей коротковолновой радиации и альбедо, полученных за время работы радиометром ИКОР на ИСЗ «Метеор-3» №7.

В главе приведены результаты анализа распределения УКР в зависимости от широты и времени года, иллюстрированные соответствующими графиками. Широтное распределение УКР имеет выраженный годовой ход. Оно практически симметрично относительно экватора вблизи дней равноденствий. Наибольшая асимметрия отмечена около дней солнцестояний. В летних полушариях величины УКР максимальные, а в высоких широтах зимних - доходят до нуля. Локальные отклонения вызыва-

ются влиянием облачности. В работе приведены соответствующие данные.

По имеющейся информации, полученной радиометром СКАРАБ (предоставлена ВНИИГМИ - МЦД), качественно оценена связь величин альбедо по измерениям ИКОР с облачностью по данным СКАРАБ. В качестве примера на рис. 1, взятом из диссертации, для части витка изображены синхронные данные об облачности (СКАРАБ) и широтный ход

30

сз О.

га 0

S-

о

о,

я

в

-30

-180 -150 -120 о o,i о,2 о,з о,4

Долгота, град. Альбедо

Рис. 1. Широтное распределение альбедо и синхронные данные об облачности 15.09.1994 (Тихий океан)

альбедо (ИКОР). Кружки показывают мгновенные ПЗ аппаратуры ИКОР через 2 минуты. Хорошо заметна положительная корреляция альбедо с площадью облачности в ПЗ ИКОР.

Аналогичная работа была выполнена по сравнению альбедо (ИКОР) и полей облачности, полученных по данным спутника GOES-7 на каждый день измерений (данные получены из Национального Климатического Центра Данных США). На рис. 2 приведены графики широтного распределения альбедо над Тихим океаном за 6 последовательных дней 16-21 сентября 1994 г.

По приведенным кривым можно проследить развитие различных облачных образований за указанный срок. Особенно хорошо прослеживаются изменения облачности внутритролической зоны конвергенции (ВЗК) у широты +10°, облачных масс у широт +50° и -50°, и в осо-

бенности поведение огромного облачного образования у широты -25°. Для сравнения приводим на рис. 3 снимок со спутника GOES-7 за 20 сентября 1994 г. Видно, что в ПЗ ИКОР попадает центральная часть вновь образовавшегося циклона (основная облачная масса, регистрировавшаяся в предыдущие дни, за это время сместилась к востоку и имеет координаты приблизительно -105° долготы и -35° широты). 1,0

0,8

о 0,6 =( о VO

л

ч <

0,4

0,2

0

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Широта, град.

Рис. 2. Широтное распределение альбедо за шесть последовательных дней в сентябре 1994 г.

Из этих приведенных примеров (остальные данные также подтверждают отмеченные связи) видно, что существует практически однозначная связь величин альбедо для радиометра среднего поля зрения (СПЗ), каковым является ИКОР, с облачностью. Рост альбедо в сторону высоких широт согласуется с известной зависимостью альбедо от солнечного зенитного угла.

Далее в главе содержится анализ широтного распределения среднемесячных зональных величин альбедо для трёх основных долготных поясов, полученных по измерениям аппаратурой ИКОР.

Рис. 3. Снимок с ИСЗ GOES-7 за 20 сентября 1994 г.

Для каждого пояса отмечены следующие основные особенности широтного распределения альбедо:

1. Пояс «Тихий океан» (рис. 4): (а) Отчетливо во все месяцы виден локальный максимум (величины альбедо составляют 0,18-0,24) вблизи экватора (широты +5° ... +10°), связанный с облачностью ВЗК, заметны его перемещения по широте от месяца к месяцу. По обе стороны от него имеются два минимума. Самые низкие значения альбедо имеет минимум южного полушария (до 0,12), что связано с практически полным отсутствием облачности в этой части Тихого океана (это видно и по снимкам спутника GOES-7); (б) Кривые широтного распределения альбедо отражают условия освещения Земли Солнцем в зависимости от времени года. В феврале-марте в северном полушарии зима, зенитные углы Солнца велики, что дает большие величины альбедо, чем в южном. В августе, наоборот, в северном полушарии для одних и тех же широт альбедо меньше, чем в южном; (в) Амплитуда изменений альбедо от

1,0 0,8

о 0,6

с=С

Ф

\о л ч

0,4

0,2

0

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8

Широта, град.

Рнс. 4. Широтное распределение среднемесячных зональных альбедо для пояса - «Тихий океан»

зимних к летним значениям в 2-3 раза больше в средних и высоких значениях северного полушария, чем в тех же широтах южного, что отражает, по-видимому, близость континентов в северных широтах к зоне наблюдений; (г) В высоких широтах (у полюсов) альбедо, как в зимнее, так и в летнее время (для соответствующего полушария) на 10-25% больше у южного полюса, чем у северного.

2. Пояс «Индийский океан» (рис. 5). В этом поясе подстилающая поверхность существенно неоднородна, в отличие от центральной части Тихого океана. Если в южном полушарии это собственно океан, то в северном - прибрежная зона, материк Евразия и на широтах +70 ... + 82° витки проходили в регионе Баренцева и Норвежского морей, далее через Гренландию в сторону Северной Америки. Найдены также характерные особенности в распределении альбедо для данного пояса: (а) В отличие от пояса «Тихий океан» локальный максимум, связанный с облачностью ВЗК, смещен в южное полушарие (широтная зона 0 ... -10°). Он также окружен двумя минимумами, из которых южный более глубокий и неко-

! 1 ! 1 1 1

.....Л эевраль-март 1994г. вгуст 1994г.

V, i У — а

\\ \ — сентябрь 1994г. -- апрель 1995г. - - май 1995г. „

• 0 — /

\ _д_\ : <у / i/'

' У V / / /

\ч ч /

-V 'ГС .>—. ✓ sV "Т'Т 1 V/ / v—'

ч- ' г' ' '

торые месяцы соответствует сцене «океан» (альбедо составляет 0,12— 0,20,21); (б) Максимумы в зоне +20... +35° соответствуют прибрежной полосе суши, а минимумы у широты + 40° приходятся на гористую местность (Гималаи, горы Афганистана); (в) Обращает внимание минимум у широты + 75°, видимый практически во все месяцы. Он связан с прохождением спутника над Баренцевым морем, практически не замерзающим из-за влияния Гольфстрима. Далее к 1,0

0,8

о 0,6

О

\о —

** 0,4

0,2

0

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8

Широта, град.

Рис. 5. Широтное распределение среднемесячных зональных альбедо для пояса - «Индийский океан»

северу альбедо быстро растет (регион Гренландии); (г) Для пояса «Индийский океан» нет измерений в зимние месяцы. Однако видно, что амплитуда изменений альбедо над континентом в 1,5-5 раза больше даже для весенних и летних месяцев; (д) Обращают внимание аномально низкие значения альбедо для марта 1995 г. В марте в средних и высоких широтах европейской территории России обычно лежит снег. Однако по измерениям ИКОР величины альбедо там в марте на 10-40% ниже, чем в апреле-мае. Для выяснения причин аномалии проведён поиск по ежемесячным обзорам погодных явлений, публикуемым в журнале «Метео-

1 1 | 1 |

-- август 1994г. — сентябрь 199 \

4г.

\ \ •Л •V —. ларт 1995г. шрель 1995г 1ай 1995г.

N к \ 'Л

/

А \ \ • / '

--У-1 V к» * » ' ч » ч/

\ ... V- * --1- -V / N. • """у

х;

рология и гидрология». Оказалось, что в марте 1995 г. отмечалась аномально теплая погода почти на всей европейской территории России. Температура повсеместно на 8-12°С превышала среднюю многолетнюю. Это привело к сходу снежного покрова, увеличению в 1,5-3 раза против нормы водности рек. Все это привело к резкому снижению альбедо в широтной зоне +40 ... +70°, что и зарегистрировано радиометром ИКОР.

3. Пояс «Африка» (рис. 6). Его подстилающая поверхность весьма неоднородна: к северу от экватора - часть западной Африки с пустыней 1,0

0,8

о 0.6

а О л

^ 0,4

0,2

0

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Широта, град.

Рис. 6. Широтное распределение среднемесячных зональных альбедо для пояса - «Африка»

Сахара, Средиземное море, восточная Европа и Северный ледовитый океан. К югу от экватора - Атлантический океан с восточным побережьем Африки, южнее - 30° по широте располагается океан и затем Антарктида. Для этого долготного пояса имеются данные за зимние месяцы (декабрь, январь), летний (июнь) и весенний месяц май. Можно отметить следующее: (а) В зимние месяцы растянутый пик альбедо имеется на широтах 0 ... -10°. Это зона Гвинейского залива. В летний

месяц пик отмечается на широте +6°. Перемещения облачности напоминают дрейф облачности ВЗК; (б). Во все месяцы четко выделяется зона Сахары (широта +18 ... +30°). Годовая амплитуда вариаций альбедо над Сахарой составляет 5-9 единиц альбедо, что отчасти объясняется годовым ходом зенитного угла Солнца; (в) Разница между альбедо соседних месяцев невелика, а годовая амплитуда изменений альбедо над материком (северные широты) огромна (от 7 до 45% по абсолютной величине альбедо) по сравнению с амплитудой изменения альбедо над океаном (южные широты); (г) В летние месяцы хорошо заметен локальный минимум у +40°, соответствующий Средиземному морю. На кривых зимних месяцев его нет, по-видимому, из-за большого количества облачности над морем.

В последнем разделе 4 главы изложены результаты попытки оценить по измерениям альбедо возможность обнаружения развития явления Эль-Ниньо в 1994-95 гг.

Выводы

1. Анализ условий наблюдения земной поверхности радиометром ИКОР с прецессирующего спутника «Метеор-3» №7 показал, что повторение геометрических условий наблюдений с данного спутника происходит с периодом в 10,3 суток, за который часовой угол Солнца изменяется на 17°.

2. В соответствии с циклограммой работы радиометра ИКОР и особенностями приема спутниковой информации, ограничивающими зоны его наблюдений и время работы, данные наблюдений (358 витков) классифицированы по трём основным долготным поясам наблюдений: «Тихий океан» (131 виток); «Африка» (108 витков); «Индийский океан» (91 виток).

3. Разработана методика полной обработки данных аппаратуры ИКОР, от кодов рабочих напряжений до расчёта текущих средних мгновенных величин УКР и альбедо в поле зрения радиометра. Получено но-

вое рабочее соотношение для расчётов среднего значения альбедо в поле зрения СПЗ-радиометров.

4. Созданы программы машинной обработки наблюдений, позволяющие осуществлять визуальный контроль результатов измерений, положения проекции орбиты ИСЗ на поверхность Земли, положения подсолнечной точки в моменты измерений, а также выдавать результаты анализа в виде табличного материала и графиков виткового или среднемесячного широтного распределения измеряемых величин. Весь массив наблюдений радиометром ИКОР на ИСЗ «Метеор-3» №7 полностью обработан при помощи этих программ.

5. Путём прямого сравнения потоков УКР, полученных аппаратурой ИКОР, с данными французской сканирующей аппаратуры СКАРАБ, функционирующей одновременно на том же ИСЗ, а также путём косвенного сравнения с данными американской сканирующей аппаратуры проекта ERBE, показано, что измерения прибора производятся в шкале, близкой к шкале МРЭ и данные радиометров трёх проектов сопоставимы. Анализ первичной информации ИКОР показал отсутствие сбоев и высокую стабильность его работы.

6. Широтное распределение альбедо имеет годовой ход, при этом в северном полушарии годовые вариации альбедо для океана существенно больше, чем в южном. Так, в средних северных широтах над Тихим океаном они в 2-3 раза превышают годовую амплитуду альбедо аналогичных широт южного полушария. В летние периоды альбедо для океана имеет приблизительно одинаковые значения для обоих полушарий, а зимние альбедо северного полушария значительно превышают зимние альбедо южного. Над сушей в средних и высоких широтах северного полушария годовая амплитуда альбедо превышает океаническую почти в 2 раза, что связано с наличием снежного покрова в зимнее время года. Даже над Сахарой, где в течение года климатические условия меняются незначительно, наблюдается годовая амплитуда альбедо в 5 ... 9 процентов от его абсолютной величины.

7. Во всех исследованных поясах альбедо у южного полюса всегда больше, чем в соответствующие сезоны у северного. Разница достигает 30 процентов.

8. Зарегистрировано аномальное распределение альбедо в марте 1995 г. над восточно-европейской частью России. Показано, что оно вызвано климатической аномалией, связанной с ранним весенним потеплением и досрочным сходом снежного покрова на соответствующей территории. Снижение величин альбедо в рассматриваемом регионе составило 10 ... 40 процентов от его абсолютной величины.

9. Анализ широтного распределения зональных среднемесячных величин альбедо с целью обнаружения явления ЭНЮК 1994-95 гг. показал, что можно говорить лишь о косвенном подтверждении его наличия.

В работе также отмечается, что радиометр ИКОР обладает высокой чувствительностью к измеряемой УКР и стабильностью показаний. Среднеугольные радиометры (СПЗ), к каковым относится ИКОР, позволяют решать многие задачи метеорологии и климатологии, требующие умеренного и грубого разрешения. В силу простоты конструкции и надежности они могут применяться для долговременного мониторинга УКР и альбедо.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Yu.A. Sklyarov, Yu.I. Brichkov, VA. Vorobyov., A.I. Kotuma, L.B. Sa-zonov. Satellite Short-wave Outgoing Radiation Monitor//International Workshop on VUV and X-Ray Radiometry for Space-Based Instruments. Proceedings. Berlin. PTB. 22-23 sept. 1994. P. 73-76.

2. Ю.А. Скляров, Ю.И. Бричков, B.A. Воробьёв, А.И. Котума, Л.А. Пахомов, В.М. Фейгин. Измеритель солнечной постоянной второго поколения на спутнике «Метеор-3» №7/ /Исследование Земли из космоса. 1995. №4. стр. 17-23.

3. Ю.А. Скляров, Ю.И. Бричков, В.А. Воробьёв, А.И. Котума. Об обработке данных спутниковых измерений уходящих радиационных потоков широкоугольными радиометрами//Исследование Земли из космоса. 1996. №3. стр. 48-56.

4. Yu.A. Sklyarov, Yu.l. Brichkov, V.A. Vorobyov, A.I. Kotuma. Concerning the processing of the outgoing radiation fluxes satellite measurements by wide field of view radiometers//Minutes of the Third International ScaRaB Science Working Group Meeting. Budapest, Hungary. November 6-8. 1996. Annex 9.5. P. 1-3.

5. Yu.A. Sklyarov, Yu.l. Brichkov & A.I. Kotuma. Concerning of the IKOR data processing//Proceedings of the Fourth International ScaRaB Science Working Group Meeting. Brussels, Belgium. June 9-11. - 1997. P. 27.1-27.3.

6. Yu.A. Sklyarov, Yu.l. Brichkov, A.I. Kotuma. Some Results of Measurements Received by IKOR Radiometer from "Meteor-3" №7 Satellite/ / Proceedings of the Fifth International ScaRaB Science Working Group Meeting. France, Paris. June 2-4, 1998. Annex 3.

КОТУМА Александр Иванович

Уходящая коротковолновая радиация и альбедо системы Земля - атмосфера по наблюдениям с ИСЗ "Метеор-3" №7

Автореферат

Отнетствснщлй за выпуск - к.ф.-м.н. Ю.И. Бричков

Подписано к печати 16.10.98. Объем 1,2. Тираж 100. Заказ 87. Изд-во ГосУНЦ "Колледж", г. Саратов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Котума, Александр Иванович, Саратов

< V "С "" с 4

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

Котума Александр Иванович

Уходящая коротковолновая радиация и альбедо системы Земля - атмосфера

по наблюдениям с ИСЗ «Метеор-3» №7

Специальность 11.00.09 - «метеорология, климатология и агрометеорология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.А. Скляров

Саратов - 1998

- 2 -

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. Аппаратура ИСП-2 и условия ее работы на ИСЗ

«Метеор-3» №7.....................................................................17

1.1. Измеритель солнечной постоянной второго поколения ИСП-2.....................................................................................17

1.2. Измеритель коротковолновой отраженной радиации (ИКОР)....................................................................................20

1.3. Условия наблюдений земной поверхности аппаратурой ИКОР с ИСЗ «Метеор-3» №7.............................................25

1.4. Геотипы поверхностей в зоне наблюдений..........................35

Глава 2. Обработка наблюдений уходящей коротковолновой

радиации и альбедо. Теория и методы.................................38

Глава 3. Оценка качества функционирования аппаратуры ИКОР

на ИСЗ «Метеор-3» №7.......................................................72

3.1. Сравнение одновременных измерений уходящей коротковолновой радиации аппаратурой ИКОР и СКАРАБ..................................................................................72

3.2. Анализ качества текущих записей отсчётов радиометра ИКОР......................................................................................82

Глава 4. Уходящая коротковолновая радиация и альбедо системы Земля-атмосфера по данным аппаратуры ИКОР на ИСЗ «Метеор-3» №7...........................................84

4.1. Связь уходящей коротковолновой радиации и альбедо

с наблюдаемыми сценами.....................................................84

4.2. Особенности широтного распределения альбедо...............95

4.3. Закономерности широтного распределения среднемесячных зональных величин альбедо...................108

4.4. Явление Эль-Ниньо - Южное Колебание по данным распределения альбедо.......................................................129

Заключение.........................................................................................140

Библиографический список.................................................. 145

Приложение 1. Перечень использованных сокращений.......160

Приложение 2. Программа анализа данных ИКОР...................162

- 4 -

Введение

С самых древних времен климатические условия играли огромную роль в жизни человека. Даже в настоящее время, когда так велик уровень развития нашей цивилизации, климат продолжает влиять на экономическую деятельность людей. Наиболее выражена эта взаимосвязь в сельском хозяйстве. В последние годы перед человечеством остро встал вопрос об антропогенном воздействии на климат. Чтобы оценить вклад антропогенных воздействий на изменение климата, необходимо провести ряд исследований, на базе которых можно построить климатические модели.

Поскольку земная климатическая система (ЗКС) является глобальной, а также в связи с тем, что атмосфера и океан являются подвижными средами, то исследования ЗКС наиболее целесообразно производить извне этой системы, т.е. из космоса. Именно поэтому космические исследования стали играть основную роль в изучении процессов, происходящих в ЗКС, т.к. только они могут дать глобальное представление о ЗКС и ее изменениях. Климат зависит от чрезвычайно сложного комплекса процессов, на которые также влияет огромное количество факторов, в основном это - астрономические и геофизические факторы. Среди них преобладающим является солнечный фактор, т.к. известно, что Солнце является практически единственным источником энергии на Земле. Однако, климат это не просто отклик на внешние факторы. Также существует целый ряд внутренних факторов ЗКС, которые накладывают свое влияние на внешние. К числу внутренних факторов относятся: химический состав и физическое состояние атмосферы и океана, их взаимодействие с биосферой, конфигурация и топография континентов, состояние полярного льда и другие внутренние геофизические факторы, которые определяют перенос энергии и вещества в ЗКС.

В качестве основного источника и стока энергии в системе Земля-океан-атмосфера фундаментальную роль играет радиация. Именно по этой причине определение компонентов радиационного баланса Земли (РБЗ) в верхней части атмосферы и радиационного баланса на поверхности, является приоритетной задачей Всемирной программы Исследований Климата [20]. Радиационным балансом подстилающей поверхности (РБП) называют разность между приходом и расходом лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой от этой поверхности [32]. От радиационного баланса подстилающей поверхности зависит ее температура, а также температура приземного слоя воздуха и их суточные и годовые вариации. Радиационный баланс подстилающей поверхности и его компоненты зависят от многих факторов. Особенно сильно на него влияют высота Солнца, продолжительность светлого времени суток, характер и состояние земной поверхности, замутнённость атмосферы, содержание в ней водяного пара и других поглощающих газов, наличие облачности и др. Если приход лучистой энергии больше ее расхода, то РБП положителен и земная поверхность нагревается, а если же приход меньше расхода, то РБП отрицателен и земная поверхность охлаждается. Следовательно РБП является одним из основных климатообразую-щих факторов.

Радиационный баланс поверхности является микроклиматической характеристикой и может определяться только по измерениям в данном конкретном месте поверхности.

Наблюдения составляющих радиационного баланса со спутников обычно относят к верхней границе атмосферы (ВГА), за которую условно принимают поверхность с высотой 30 км над поверхностью Земли. Следовательно, в этом случае определяются компоненты РБЗ, показывающие, как тот или иной регион планеты обменивается

радиацией с космосом. РБЗ - это чистый баланс приходящей к региону солнечной радиации и уходящих от него лучистых потоков.

Компоненты РБЗ, т.е. входящие и выходящие потоки радиации у ВГА, определяют с одной стороны влияния радиации на ЗКС, а с другой стороны они являются мерой отклика на это влияние [85].

Баланс радиационной энергии у верхней границы атмосферы является основным компонентом энергетического баланса системы Земля-атмосфера и космос. Для каждого конкретного региона можно привести формулу энергетического баланса системы Земля-атмосфера [12,31,85]:

^ = R-Qa-Qo, (1)

Ol

где Q - количество энергии в столбе Земля-атмосфера в данном регионе (в расчете на 1 м2), R - радиационный баланс у верхней границы атмосферы региона, поступающей в этот регион, а QA и Q0 -горизонтальные потоки энергии, покидающие данный регион или поступающие в него в результате атмосферного или океанического переноса, соответственно.

Баланс радиационной энергии у ВГА можно выразить следующей формулой:

R = S-F или R = E(l-a)-F, (2)

где S - поглощенная солнечная радиация, а F - уходящее длинноволновое излучение из системы Земля-атмосфера, а - альбедо у ВГА, Е - солнечная радиация, приходящая на ВГА.

Если рассматривать всю поверхность Земли, то члены горизонтального переноса выпадают из уравнения (1) и оно примет вид

Таким образом, изменение теплосодержания Земли как целого равно радиационному балансу Земли. В среднем за большие сроки он равен нулю.

Рассматривая как меняются компоненты РБЗ можно лучше понять механизмы перераспределения энергии. Так, например, длинноволновое уходящее излучение всегда больше над нагретыми поверхностями, т.е. летом над континентами, а зимой над океанами. Альбедо - коэффициент отражения солнечной радиации ведет себя совсем по другому. Например, летом альбедо может быть больше над океанами, чем над сушей. Это обычно связано с наличием большого количества облачности над океанами. Зимой значения альбедо над континентами в средних и высоких широтах как правило больше чем над океаном, что связано с наличием снежного и ледяного покрова.

Кроме того, компоненты РБЗ и сам РБЗ тесно связаны с типом подстилающей поверхности и режимом циркуляции. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим теперь уже классический пример: два региона, близких по условиям инсоляции и по широте, например, пустыню Сахара и бассейн реки Амазонки [85]. Оба эти региона имеют также относительно высокое региональное среднее значение альбедо в течение всего года. Однако, высокое альбедо является следствием относительно высокого альбедо песчаной подстилающей поверхности над Сахарой, а высокое значение альбедо над бассейном реки Амазонки связано в первую очередь с наличием устойчивой конвективной облачности (альбедо земной поверхности в этом регионе намного ниже, чем в Сахаре). Кроме того при всей схожести положения и размеров этих регионов наблюдается резкий кон-

траст в уходящей длинноволновой радиации (УДР). Над Сахарой нагретая поверхность излучает тепло в космос через относительно сухую и безоблачную атмосферу, а над Амазонским бассейном содержится намного больше водяного пара и большое количество облачности. С одной стороны это приводит к сильному отражению солнечной радиации, а с другой стороны происходит задерживание УДР. Вследствие этого наблюдается также контраст в РБЗ. Над Амазонским бассейном РБЗ положителен, а над Сахарой - отрицателен. Ситуация над Сахарой необычна для областей суши, близких к экватору.

Поэтому можно сделать вывод, что систематические наблюдения РБЗ и его компонентов необходимы для улучшения климатических моделей, особенно в том, что касается взаимодействия и обратной связи между облачностью и радиацией, так как эти эффекты еще недостаточно изучены.

Наблюдения с искусственных спутников Земли (ИСЗ) позволяют оценить также широтное распределение величин РБЗ. Это даст возможность найти соответствующие градиенты экватор-полюс, а следовательно, оценить горизонтальный перенос энергии в этих направлениях. Данные РБЗ также можно использовать для оценки влияния облачности на тепловой баланс у ВГА и зависимости этих эффектов от места и времени года. Необходимо понять взаимосвязь между радиационными энергетическими потоками у ВГА и земным климатом, для получения прогнозов влияния ряда возмущающих факторов (например, изменения СО2, вулканических аэрозолей и поверхностных альбедо) и процессов обратных связей (например, обратные связи относительной влажности, облачности и лёд-альбедо) [12,23-26,29,31,85,93, 101,102].

Следует отметить, что основные инструментальные измерения компонентов РБЗ до сих пор выполнялись за рубежом. Из наиболее ценных можно отметить результаты, полученные на спутнике Ним-бус-6 и, в особенности, Нимбус-7 [73,79,86,88,89,90,95,96], аппаратура на котором работала с ноября 1978 г. по январь 1993 г. Прецизионные измерения солнечной постоянной были выполнены как с ИСЗ Нимбус-7, так и наиболее точные с американского ИСЗ Миссия Максимума Солнечной Активности (аппаратура БММ АСШМ) [47,99,100,117-120]. Огромный материал наблюдений был собран в так называемом Эксперименте Радиационного Баланса Земли (ЭРБЗ), в котором измерения всех составляющих РБЗ производились одновременно с трёх спутников (двух на приполярных гелио-синхронных орбитах и одного - ЕИВБ на прецессирующей орбите с углом наклона к плоскости экватора в 57°). Измерения начались в октябре 1984 г. (ЕИВБ), декабре 1984 г. (ШАА 9) и марте 1986 г. (ЗМОАА 10), а со спутника ЕКВБ продолжаются до сих пор [47,105].

Разработана соответствующая измерительная техника, причём для измерений уходящей коротковолновой радиации (УКР) и УДР использовались приборы трёх типов: сканирующие узкоугольные радиометры с достаточно высоким разрешением (40x40 или 60x60 км2 в надире), а также широкоугольные - с широким полем зрения (ШПЗ), и радиометры со средним полем зрения (СПЗ), ориентированные в надир [94,98,112]. Надирный угол поля зрения широко и

среднеугольных радиометров составляет 60-62° и 30°, соответственно [98,112]. Разработаны методы получения энергетических величин УДР и УКР потоков по данным кодовых отсчётов рабочих напряжений радиометров на спутнике. Разработаны алгоритмы и программы обработки получения средних величин и их привязки к сеткам масштабов 10° х10°, 5° х5° и 2,5° х 2,5° [112,113]. Аналогичная

работа была выполнена для получения средних значений во времени [77,78,81,84]. Опубликован ряд атласов компонентов радиационного баланса Земли [74,75,114,115]. Для более точного учёта факторов анизотропии и спектральных поправок наблюдаемых сцен разработаны модели, учитывающие геотип сцены, состояние облачности, зенитные углы Солнца и другие [72,75,87]. В нашей стране были выполнены основополагающие теоретические работы по расчётам компонентов РБЗ по данным спутниковых наблюдений [10,11,17,27, 36-38,41,67,69]. Издан ряд обзорных работ, включающих климатологию РБЗ [12,21,22,26,31]. Однако, можно указать лишь несколько попыток экспериментального определения компонентов РБЗ [35,7,14,27,39,60,61,64]. При этом, к сожалению, публиковались лишь эпизодические результаты измерений.

В Саратовском университете ведутся длительные работы по созданию наземной, аэростатной и спутниковой аппаратуры для измерения составляющих РБЗ [8,13,19,34,35,45,46,48-59,104-111]. При поддержке ГГО им. А.И. Воейкова были созданы прецизионные полностью автоматизированные пиргелиометры, один из которых работал на спутнике «Космос-1484». Результаты опубликованы как в нашей стране, так и за рубежом [8,48,107,108]. По предложению и при поддержке НПО «Планета» (ныне НИЦ ИПР) Росгидромета разработана и создана новая модель второго поколения измерителя солнечной постоянной (ИСП-2) [44,52,53], аппаратура для измерений отраженной коротковолновой (КВ) радиации ИКОР [49,56, 57,110] и уходящей длинноволновой радиации. Наибольший интерес представляли измерения альбедо, как наиболее изменчивой компоненты РБЗ. Поэтому, в первую очередь, в СГУ были созданы полностью автоматизированные образцы аппаратуры ИКОР. Создана контрольная группа пиргелиометров, имеющая привязку к Международному радиометрическому Эталону (МРЭ) с точностью не хуже

0,1%, которая официально была аттестована метрологической службой Главной Геофизической Обсерватории Госкомгидромета СССР с 1990 г. как средство измерений первого разряда. Таким образом, метрологическая аттестация приборов велась путём привязки к общепринятой шкале МРЭ. С помощью измерителя ИКОР проведён ряд высотных аэростатных измерений на самой большой в мире трассе [54,56,106]. Были получены важные научные результаты, в том числе и сравнения с данными американских моделей [54]. С 1990 года проводилась подготовка к участию в совместном российско-французско-германском эксперименте на метеорологическом спутнике «Метеор-3» №7. С французской стороны участвовал че-тырёхканальный Сканирующий Радиометр Радиационного Баланса Земли (СКАРАБ) [91-93]. Аппаратура, созданная в СГУ, была объединена в единый измерительный комплект с общим названием ИСП-2, измеряющий прямую солнечную радиацию (солнечную постоянную) и уходящую КВ радиацию Земли (альбедо). Спутник «Метеор-3» №7 выведен на орбиту 25 января 1994 г. Включение аппаратуры ИСП-2 состоялось 22 февраля 1994 г., а французской аппаратуры СКАРАБ - 24 февраля 1994 г. [44,52,53,110].

Оба комплекта аппаратуры работали в основном в соответствии с утверждёнными циклограммами. В силу ряда непредвиденных обстоятельств аппаратура на ИСЗ, в том числе штатная, последовательно выходила из строя. Прибор СКАРАБ работал с месячным перерывом до 5 марта 1995 г., затем поток данных прекратился. Аппаратура ИСП-2 работала до 13 мая 1995 г., когда прекратил работу последний субблок передатчика ИСЗ «Метеор-3» №7. После этого ИСП-2 больше не включалась. В целом всё же получен большой массив информации, ограниченный утверждённой циклограммой работы. Для обработки полученных массивов данных на конкурсной

основе была утверждена Международная научная рабочая группа (155"\\^3) проекта СКАРАБ, в состав которой избран проф. Ю.А. Скляров, регулярно участвующий в её заседаниях (см. например, [46,104,105,109,111]).

Параллельно с процессом обработки наблюдательных данных шла подготовка к аналогичному международному проекту на ИСЗ «Ресурс-01» №4, в том же составе аппаратуры. Для программы СГУ необходимо было получить по возможности полную информацию о работе аппаратуры ИСП-2 и ИКОР с тем, чтобы успеть вовремя внести необходимые изменения в саму аппаратуру, систему передачи данных по телеметрии, а также в циклограмму работы аппаратуры для получения максимума информации с ИСЗ «Ресурс-01» №4, вывод на орбиту которого состоялся 10 июля 1998 г.

Цель настоящей работы - разработка теоретических и методических вопросов обработки всего массива наблюдений ИКОР с ИСЗ «Метеор-3» №7, получение и анализ научных данных, выдача рекомендаций на ОКР для международного космического эксперимента на ИСЗ «Ресурс-01» №4.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. �