Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию фонового стратосферного аэрозоля по данным спутниковых измерений прозрачности атмосферы.
Актуальность темы. Стратосферный аэрозоль играет важную роль в различных атмосферных процессах, влияет на радиационный баланс и химический состав атмосферы [1]. Несмотря на более чем 40 - летние исследования стратосферного аэрозоля различными методами, значительное количество существующих (разнородных) данных не позволяет полностью описать его многочисленные характеристики, необходимые для численного моделирования состояния стратосферы и ее влияния на климат Земли [1]. В частности, остается открытым вопрос о величине антропогенного влияния на фоновый стратосферный аэрозоль. Это обусловлено периодическими мощными вулканическими извержениями, приводящими к увеличению его содержания на порядки и трудностями выделения чисто фоновых состояний. Так, например, влияние извержения вулкана Пинатубо (Филиппины, июнь 1991 г.) прослеживалось в течение 5-7 лет [1].
Основными источниками фонового стратосферного аэрозоля являются SCb и OCS, а также сульфатный аэрозоль, поступающие из тропосферы в тропических районах [1]. До конца не изучена количественно роль биогенных эмиссий диметилсульфида (CH3SCH3), метеоритов, космического излучения, полетов самолетов и ракет в формировании фонового стратосферного аэрозоля [1].
Актуальным в настоящее время является получение новых данных о состоянии фонового стратосферного аэрозоля. Длительный период отсутствия мощных вулканических извержений после извержения Пинатубо (июнь 1991 г.) делает для исследований фонового аэрозоля наиболее удобным период, начиная приблизительно с 1996-1998 г.г.
С февраля 2002 года по декабрь 2005 года на спутнике «Метеор-ЗМ» №1 функционировал многоканальный спектрометр SAGE III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III, российско-американский эксперимент) [2, ], по результатам измерений которого (затменный метод), в частности, определялись высотные профили спектрального коэффициента аэрозольного ослабления (СКАО) в диапазоне 0.385-1.55 мкм [2].
Целью диссертационной работы является получение и анализ новой информации о пространственно-временных вариациях параметров микрофизики стратосферного аэрозоля на основе обработки данных совместного российско-американского спутникового эксперимента SAGE III. В соответствии с поставленной целью были решены следующие основные задачи:
Проведено исследование информативности и потенциальной точности спутникового метода определения различных микрофизических параметров стратосферного аэрозоля. На основе этого был осуществлен выбор оптимальных характеристик микрофизики для фонового стратосферного аэрозоля.
Реализована разработанная на основе метода множественной линейной регрессии и имеющейся статистической модели стратосферного аэрозоля методика решения обратной задачи по восстановлению интегральных параметров микрофизики стратосферного аэрозоля (площадь поверхности частиц S и объем частиц V в единице объема) из данных спутниковых измерений СКАО.
Обработаны данные всех измерений, выполненных прибором SAGE III за период его
функционирования (02.2002 - 12.2005; 33350 измерений), для углубленного анализа были обработаны также данные эксперимента SAGE II за период с 1998 по 2005 год.
4. Проведена валидация полученных результатов на основе использования данных
зондовых измерений, выполненных сотрудниками Университета штата Вайоминг
(США).
Исследованы пространственно-временные вариации параметров S и V: (а) долготные; (б) широтно-долготные; (в) сезонные и межгодовые.
Проведено сравнение полученных данных с климатологией стратосферного аэрозоля и результатами численного моделирования.
Создана доступная через Интернет база данных параметров S и V фонового стратосферного аэрозоля, полученных по данным прибора SAGE III (2002-2005 г.г).
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными результатами:
1. Впервые исследована информативность спутникового метода определения
микроструктуры стратосферного аэрозоля на основе понятия о количестве информации
по Шеннону и показана целесообразность определения параметров S и V (площадь
поверхности и объем частиц в единице объема) в условиях фонового аэрозоля.
2. Впервые получены на основе данных спутникового эксперимента SAGE III значения
интегральных микрофизических параметров стратосферного аэрозоля и проведен анализ этих данных.
3. Впервые получены и исследованы долготные зависимости параметров микрофизики
стратосферного аэрозоля.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием в качестве входной информации провалидированных данных спутниковых измерений спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления, апробированного метода множественной линейной регрессии для решения обратной задачи, численными оценками и экспериментами по анализу погрешностей восстановленных параметров. Достоверность подтверждается сравнением полученных результатов с данными независимых зондовых измерений.
Научная и практическая значимость. Получены новые данные о фоновом стратосферном аэрозоле (2002-2005 гг), в том числе новая информация о долготных зависимостях его параметров. Эти данные могут найти применение для построения более полной климатологии параметров стратосферного аэрозоля, анализа возможного антропогенного влияния на стратосферный аэрозоль, для валидации и совершенствования численных моделей стратосферного аэрозоля. На основе разработанной методики решения обратной задачи была проведена также обработка данных эксперимента SAGE II за период 1998-2005 гг, эти данные были переданы в Институт метеорологии М. Планка (Гамбург, Германия) для валидации разрабатываемой ими новой версии численной модели стратосферного аэрозоля. На защиту выносятся следующие положения:
Информативность и точность метода определения микроструктуры стратосферного аэрозоля, основанного на спутниковых измерениях прозрачности атмосферы.
Вывод о том, что в условиях фонового стратосферного аэрозоля для анализа его относительно малых пространственно-временных вариаций целесообразно восстанавливать не функции распределения частиц по размерам, а интегральные параметры (площади и объемы) в относительно толстых высотных слоях (5 км).
Алгоритм (методика) решения обратной задачи по восстановлению параметров микрофизики стратосферного аэрозоля из спутниковых измерений спектрального коэффициента аэрозольного ослабления.
Валидация полученных результатов на основе сравнения с данными локальных зондовых
измерений параметров стратосферного аэрозоля, выполненных Университетом штата Вайоминг (США).
5. Анализ долготных, широтно-долготных, сезонных и межгодовых вариаций параметров S
и V стратосферного аэрозоля.
6. Сравнение полученных результатов с климатологией и результатами численного
моделирования стратосферного аэрозоля.
Личный вклад автора. Исследования информативности и точности восстановления различных параметров микрофизики фонового стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям прозрачности (в выборе методов этих исследований также принимали участие соавторы опубликованных работ). Выбор оптимальных параметров для восстановления в условиях фонового стратосферного аэрозоля. Разработка и реализация методики решения обратной задачи. Обработка данных спутниковых измерений. Валидация и анализ полученных результатов (в анализе результатов принимали участие также соавторы опубликованных работ). Сравнение полученных результатов с климатологией и результатами численного моделирования стратосферного аэрозоля.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на ряде международных и всероссийских конференций: Международном Симпозиуме по Атмосферной Радиации стран СНГ (МСАР-04, МСАР-06; Санкт-Петербург, 2004, 2006), Ассамблеях Европейского Геофизического Союза (24-29.04.2005 и 2-7.04.2006, Вена, Австрия), Международном симпозиуме SOSST (6-9.06.2005, Вашингтон, США), 31-м Международном Симпозиуме по дистанционному зондированию окружающей среды (ISRSE, Санкт-Петербург, 20-24 июня 2005), Международном симпозиуме «Физика атмосферы: наука и образование» (Санкт-Петербург, 2007). Результаты также докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, Международного центра по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена и в Российском государственном гидрометеорологическом университете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Объем диссертации составляет 154 страницы, включая 65 рисунков и список литературы из 111 наименований.
Похожие диссертации на Исследование фонового стратосферного аэрозоля по данным спутниковой аппаратуры SAGE III
