Введение к работе
Актуальность работы
Аэрозольная компонента атмосферы играет существенную роль в разнообразных атмосферных процессах - переносе солнечного и теплового излучения, формировании радиационного баланса системы атмосфера-подстилающая поверхность, облакообразовании, фотохимии атмосферы и, как следствие, погоды и климата Земли. Во время и после мощных вулканических извержений он активно участвует в гетерогенных процессах, приводящих к разрушению озонного слоя, к нагреванию стратосферы и охлаждению тропосферы. В фоновом состоянии стратосферный аэрозоль играет заметную роль в балансе ряда газов, в частности, семейства NOx. Анализ пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля позволяет исследовать динамику атмосферы. До сих пор нет полной ясности в вопросе антропогенного влияния на стратосферный аэрозоль, что обусловлено относительно коротким периодом его исследований и их неполнотой. Таким образом, современные потребности научных исследований делают необходимыми долговременные измерения оптических (оптические толщи, вертикальные профили коэффициентов аэрозольного рассеяния и поглощения) и микрофизических характеристик (функция распределения частиц по размерам (ФРР), фазовое состояние, форма и структура аэрозольных частиц).
Дистанционные методы измерений (наземные и спутниковые) интенсивно используются в настоящее время для получения глобальной, периодической информации о многочисленных параметрах атмосферы и поверхности для решения задач численного прогноза погоды, исследований современных изменений климата Земли и т.д. Значительное количество информации о стратосферном аэрозоле было получено в последние десятилетия с помощью спутниковых методов, в частности, затменным методом измерений в последовательных спутниковых экспериментах с аппаратурой SAGE I, II и III. Однако существенным недостатком этого метода является малое число измерений за сутки (28-29), что значительно затрудняет исследования пространственно-временных вариаций атмосферных параметров.
В последние годы существенно возрос интерес к использованию спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра при касательной геометрии (излучения горизонта Земли). Этот спутниковый метод позволяет осуществлять
практически глобальные измерения характеристик стратосферного аэрозоля с высокой периодичностью. В связи с этим были проведены и проводятся спутниковые эксперименты по измерениям рассеянного солнечного излучения в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра (аппаратура LORA, SOLSE, OSIRIS, SAGE III, SCIAMACHY). В ближайшие годы планируется запуск в космос приборов для оперативного использования этого метода (прибор OMPS) для зондирования стратосферы. В указанных работах основное внимание уделялось анализу возможностей и примерам определения характеристик газового состава атмосферы, прежде всего содержания озона. При этом влияние аэрозольных характеристик либо исключалось при использовании дифференциального подхода, либо они предполагались известными (задавались или микрофизические, или оптические характеристики аэрозоля). Однако работ, посвященных исследованию самого стратосферного аэрозоля с использованием измерений рассеянного в лимбе планеты солнечного излучения недостаточно. Причём исследования в этом направлении проводились в основном с использованием достаточно грубых приближений (например, приближения однократного рассеяния), до сих пор не исследована информативность метода, погрешности его применения в различных условиях, возможности получения информации об интегральных параметрах стратосферного аэрозоля.
Интерпретация измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения с
целью получения информации об оптических и микрофизических
характеристиках аэрозоля задача очень сложная. Это связано, по крайней мере,
с двумя обстоятельствами:
- аэрозольное ослабление и рассеяние описывается более сложным образом,
чем газовое поглощение - через интегральные соотношения для реального
полидисперсного аэрозоля, а сами коэффициенты ослабления и рассеяния,
индикатрисы рассеяния определяются функцией распределения частиц по
размерам и комплексным показателем преломления, зависящим от природы
аэрозольных частиц и состояния самой атмосферы,
- формирование поля рассеянной солнечной радиации описывается с
помощью интегро-дифференциального уравнения переноса излучения,
учитывающего специфику сферической геометрии среды, процессы
многократного рассеяния, рефракцию, отражение от подстилающей
поверхности, молекулярное поглощение и т.д.
Представляет несомненный интерес задача определения потенциальных погрешностей восстановления оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля при использовании адекватной радиационной модели, и реалистической модели случайных погрешностей измерений при различных условиях спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения горизонта Земли. В представленной диссертационной работе это делается на основе численного моделирования лимбовых измерений в видимой и ближней инфракрасной (БИК) областях спектра. Данная диссертационная работа посвящена численному анализу информативности и точности определения характеристик фонового стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения, а также совершенствованию современной радиационной модели переноса излучения в спектральной области 0.3-1.5 мкм.
Цели работы
Совершенствование радиационной модели атмосферы в спектральной области 0.3-1.5 мкм, в частности, уточнение методики расчётов функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм.
Моделирование спутникового эксперимента по измерению рассеянного
на горизонте планеты солнечного излучения (на примере спутникового прибора типа SAGE III).
Оценка погрешностей определения оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля с помощью спутникового метода измерения рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения.
Оценка погрешностей определения микрофизических характеристик (интегральные площади и объёмы частиц) фонового стратосферного аэрозоля с помощью спутникового метода измерения рассеянного на горизонте планеты солнечного излучения.
Выбор оптимальных условий проведения спутниковых измерений для повышения точности и информативности спутникового метода лимбового рассеяния относительно аэрозольной компоненты атмосферы.
В соответствии с поставленными целями были решены следующие основные задачи:
а) Создана методика расчёта функций пропускания атмосферы на
касательных трассах в атмосфере в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм при
учёте сдвига центров линий от величины давления, континуального
поглощения и интерференции спектральных линий и определены погрешности
этой методики на основе сравнения со спутниковыми измерениями (затменный
эксперимент SAGE III).
б) Проведён анализ влияния погрешностей исходных параметров на
результаты расчётов функций пропускания на касательных трассах в полосе
кислорода при 0.76 мкм при учёте всех основных процессов трансформации
излучения в атмосфере.
в) Разработана на основе метода статистической регуляризации и
имеющихся статистических моделей аэрозоля методика решения обратной
задачи по определению вертикальных профилей коэффициента аэрозольного
рассеяния КАР (однопараметрическая обратная задача).
г) Для проведения численных расчетов погрешностей спутникового
метода осуществлена компиляция глобального массива реализаций
вертикальных профилей температуры, давления, характеристик газового
состава атмосферы, микрофизических и оптических характеристик аэрозолей,
альбедо поверхностей и построены ковариационные и взаимоковариационные
матрицы, описывающие естественные вариаций параметров атмосферы и
поверхности.
д) Разработана на основе метода линейной множественной регрессии
методика по восстановлению вертикальных профилей КАР и параметра
асимметрии ПА индикатрисы рассеяния и интегральных параметров
микрофизики стратосферного аэрозоля (площадь поверхности частиц S и объём
частиц V в единице объёма) из данных спутниковых измерений рассеянного в
лимбе солнечного излучения.
е) Исследована информативность и потенциальная точность
определения как оптических, так и микрофизических параметров
стратосферного аэрозоля по спутниковым измерениям рассеянного на
горизонте Земли солнечного излучения.
ж) Проведено сравнение различных подходов решения обратных задач по определению параметров фонового стратосферного аэрозоля.
Научная новизна
Впервые реализована методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм при учёте сдвига центров линий от величины давления, континуального поглощения и интерференции спектральных линий и определена её точность.
Проведён сравнительный численный анализ различных постановок обратной задачи определения оптических характеристик фонового стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения.
Проведён анализ погрешностей спутникового метода измерений оптических и микрофизических характеристик фонового стратосферного аэрозоля при учёте вариаций всех важнейших атмосферных параметров и вариаций альбедо поверхности, влияющих на формирование рассеянного солнечного излучения лимба Земли.
Впервые исследована информативность спутникового многопараметрического метода определения оптических характеристик и микроструктуры стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного излучения
Исследована зависимость погрешностей определения характеристик стратосферного аэрозоля от геометрии положения Солнца и условий наблюдения и даны рекомендации по оптимальным условиям проведения спутниковых измерений рассеянного солнечного излучения на горизонте планеты для повышения точности определения параметров стратосферного аэрозоля.
Основные положения, выносимые на защиту
- методика расчёта функций пропускания атмосферы на касательных
трассах в полосе поглощения кислорода 0.76 мкм, учитывающая сдвиг,
интерференцию спектральных линий и континуальное поглощение, позволяет
повысить точность расчёта почти в 2 раза для некоторых спектральных каналов
прибора SAGE III;
- учёт многократного рассеяния необходим при моделировании
измерений рассеянного на горизонте планеты уходящего солнечного излучения;
- при учёте вариаций всех основных параметров атмосферы и
подстилающей поверхности потенциальные погрешности восстановления
характеристик аэрозоля по лимбовым измерениям рассеянного солнечного
излучения составляют 10-30% для КАР и 5-25% для ПА, соответственно, на
высотах 12-45 км в спектральном диапазоне 380-1020 нм;
- погрешности восстановления интегральных площадей S и объёмов V
частиц составляют на высотах 12-45 км 28-33% и 33-40%, соответственно, для
высотного шага восстановления 1 км и 18-20% для высотного шага 5 км;
- информативность (в терминах уменьшения априорной
неопределённости) спутникового эксперимента с прибором SAGE III по
восстановлению КАР высока и составляет 75-85% для высот стратосферы, для
ПА информативность метода невелика (20-30%);
информативность спутникового метода по восстановлению S и V составляет 60-70% и 65-75%, соответственно, для высот стратосферы;
вертикальное разрешение рассматриваемого метода измерений в средней атмосфере составляет 4-6 км;
- наилучшая точность измерения характеристик стратосферного аэрозоля
достигается при малых азимутальных углах наблюдения и больших зенитных
углах Солнца (т.е. при малых углах рассеяния).
Практическая ценность работы обусловлена
1. реализацией методики расчёта функций пропускания атмосферы в
полосе 0.76 мкм повышенной точности, учитывающей сдвиг, интерференцию
спектральных линий и континуальное поглощение, которая может
использоваться для решения различных прямых и обратных задач атмосферной
оптики, в том числе и для улучшения высотной привязки спутниковых
лимбовых измерений;
2. получением новых данных об информативности и точности
спутникового метода измерений оптических характеристик фонового
стратосферного аэрозоля;
3. оценками погрешностей определения микрофизических параметров
стратосферного аэрозоля, а также рекомендациями по условиям проведения
эксперимента, которые могут быть использованы при разработке сценариев
будущих спутниковых лимбовых измерений;
численным анализом различных подходов к формулировке обратной задачи по восстановлению оптических параметров стратосферного аэрозоля;
реализованным в компьютерном коде алгоритмом решения обратной задачи и построенным в работе регрессионным оператором, который можно применить для интерпретации спутниковых измерений рассеянного в лимбе солнечного излучения в спектральных каналах, аналогичных каналам прибора SAGE III.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием:
последних лабораторных данных о количественных характеристик молекулярного поглощения в полосе кислорода при 0.76 мкм,
радиационных кодов для расчёта рассеянного солнечного излучения горизонта Земли, прошедших международное тестирование,
современных данных о естественных вариациях основных параметров атмосферы и поверхности,
статистических моделей атмосферного аэрозоля, построенных на основе большого объема эмпирических данных,
теоретически обоснованных и апробированных ранее численных методик решения обратных задач атмосферной оптики (регуляризованный регрессионный подход и метод статистической регуляризации),
реальных моделей погрешностей измерений спутникового прибора SAGE III,
- данных спутниковых измерений с объективными оценками
погрешностей измерений.
Апробация работы
Результаты, представленные в диссертации, докладывались на ряде международных и всероссийских конференций: Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2006 (Санкт-Петербург), XI всероссийская школа-конференция молодых учёных МАПАТЭ-2007 (Нижний Новгород), Молодёжная научная конференция «Физика и прогресс»-2008 (Санкт-Петербург), 6-я открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН 2008
(Москва), Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация и динамика" МСАРД-2009 (Санкт-Петербург). Результаты также докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета, Международного центра по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена и в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО), Санкт-Петербург.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертационной работе, были получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Автором усовершенствована методика расчёта функций пропускания в полосе кислорода 0.76 мкм, разработанная сотрудником кафедры физики атмосферы физического факультета СПбГУ доктором ф.-м. наук А. В. Поляковым. Учёт спектроскопических эффектов смещения центров линий, интерференции и континуального поглощения в А-полосе кислорода производился на основе параметризации лабораторных измерений, осуществленных сотрудниками XII Парижского университета. Автором проведён анализ влияния неопределённостей модельных данных на результаты расчёта функций пропускания в полосе кислорода 0.76 мкм, а также анализ рассогласований между модельными расчётами функций пропускания и экспериментальными данными затменных измерений прибора SAGE III в этой полосе. Также автором реализована методика решения обратной задачи определения характеристик стратосферного аэрозоля по измерениям рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения; проведён анализ информативности и точности определения оптических и микрофизических характеристик фонового стратосферного аэрозоля по результатам лимбовых измерений. Расчёт интенсивности рассеянного на горизонте Земли солнечного излучения производился с помощью радиационного кода SCIATRAN, разработанного доктором А. В. Розановым (Бременский университет, Германия), с использованием компиляции модели атмосферного аэрозоля и модели состояния атмосферы, выполненной сотрудницей кафедры физики атмосферы физического факультета СПбГУ канд. физ.-мат. наук Я. А. Виролайнен. Автором даны рекомендации по оптимальным условиям лимбовых измерений для повышения точности определения параметров стратосферного аэрозоля.
Методики решения обратной задачи определения параметров стратосферного аэрозоля по лимбовым измерениям и оценки точности восстановления методами статистической регуляризации и множественной линейной регрессии реализованы автором лично.
Структура и объем диссертации
