Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Глобальная база данных по метеорологическим и оптическим моделям атмосферы 15
1.1 Определение вертикальной структуры облачности по данным радиозондовых измерений 15
1.2 Методика моделирования слоя разорванной облачности 19
1.3 Оптические характеристики аэрозоля и облачности 23
1.4 Моделирование изменчивости газового состава атмосферы и оптических свойств подстилающей поверхности 29
Глава 2 Алгоритмы метода Монте- Карло 32
2.1 Трехмерные алгоритмы для расчета интенсивностей и потоков солнечного излучения 32
2.2 Вычисление интегральных потоков солнечного излучения 38
2.3 Применение сопряженного уравнения переноса для вычисления коэффициентов анизотропии солнечного излучения для сферической модели атмосферы 45
2.4 Трехмерный алгоритм метода Монте-Карло для расчета интенсивности собственного излучения атмосферы в каналах ИК зондировщиков 57
2.5 Методика учета рассеяния в быстрых радиационных моделях для анализа данных спутниковых ИК спектрометров 70
Глава 3 Сопоставление рассчитанных и измеренных потоков солнечного излучения на поверхности Земли 81
3.1 Валидация вычислений солнечных потоков в безоблачной атмосфере 81
3.2 Сопоставление расчетов солнечных потоков с измерениями на станциях американской программы АРМ 92
3.3 Распределения потоков солнечного излучения на поверхности Земли в условиях разорванной облачности 97
3.4 Исследование эффекта увеличения солнечного излучения на поверхности Земли при небольших баллах облачности 103
Глава 4 Определение параметров облачной атмосферы по измерениям из космоса
4.1 Определение оптической толщины слоистой облачности по данным спутникового радиометра AVHRR 110
4.2 Определение параметров атмосферы в условиях разорванной облачности по данным AVHRR 117
4.3 Детектирование и оценка балла облачности по данным атмосферных ИК зондировщиков IASI 125
4.4 Сравнение восстановленного поля облаков с натурными измерениями самолетного интерферометра NAST-1 136
Глава 5 Определение концентраций и потоков углекислого газа по спутниковым измерениям 140
5.1 Спутниковый спектрометр SCIAMACHY и алгоритм восстановления концентраций малых газовых компонент WFM - DOAS 140
5.2 Сопоставление восстановлений WFM - DOAS концентраций С02 над Сибирью с самолетными измерениями 142
5.3 Новая методика определения ХС02 при различных типах облачности 149
5.4 Выбор рабочих каналов спектрометра SCIAMACHY по данным самолетных наблюдений и валидация результатов 163
5.5 Методика оценки параметров углеродного обмена в бореальных лесах 168
Глава 6 Оценка возможности определения характеристик пылевого аэрозоля и общего содержания N02 по измерениям AERONET .181
6.1 Общая характеристика измерений в сети AERONET 181
6.2 Влияние крупных частиц на оценки оптических и радиационных характеристик пылевого аэрозоля 187
6.3 Определение общего содержания N02 по данным сети AERONET 203
6.4 Сопоставление оценок ОС N02 по данным AERONET с результатами других измерений 222
6.5 Интерактивные процедуры CSIF2002 и CSIF2009 для расчета интегральных солнечных потоков 229
Заключение 234
Список литературы
- Оптические характеристики аэрозоля и облачности
- Трехмерный алгоритм метода Монте-Карло для расчета интенсивности собственного излучения атмосферы в каналах ИК зондировщиков
- Распределения потоков солнечного излучения на поверхности Земли в условиях разорванной облачности
- Сопоставление восстановлений WFM - DOAS концентраций С02 над Сибирью с самолетными измерениями
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В течение последних десятилетий заметно вырос интерес общества к проблемам изменения климата и, особенно, к наблюдаемому глобальному потеплению. Изменчивость климата и температурного режима обусловлена поведением различных естественных и антропогенных факторов, регулирующих радиационный обмен Земли с космосом. С точки зрения анализа антропогенного влияния на изменения климата наиболее важен промышленный выброс углекислого газа (СОг). Как указывается в последнем докладе, выпущенном в 2007 г. Межправительственной группой экспертов по изменению климата Всемирной Метеорологической Организации, удвоение содержания С02 в атмосфере приведет к уменьшению мощности уходящего в космос излучения на 3.7 Вт/м и возрастанию средней глобальной температуры на 2.5 К. Подобные оценки основаны на результатах физико-математического моделирования климатических изменений.
Главным естественным фактором, влияющим на температурный режим атмосферы, является облачность. Несмотря на то, что облачность определяет около 2/3 планетарного альбедо, не только величина ее суммарного радиационного воздействия (форсинга), но и знак не были оценены до конца 80-х гг. XX века. Современные оценки облачного форсинга дают разброс -15 ^--21 Вт/м , вследствие сильной изменчивости свойств облачности как по времени, так и по географическим регионам.
Количественное описание радиационного воздействия перечисленных и других факторов - задача радиационных блоков современных гидродинамических моделей прогноза погоды и изменения климата Земли.
В настоящее время существуют определенные проблемы адекватного учета указанных факторов при описании процессов переноса излучения в атмосфере для оценки радиационного форсинга. Во-первых, это методические трудности, связанные с разработкой приближенных, но достаточно точных и быстрых алгоритмов для радиационных блоков, которые могли бы корректно учитывать основные эффекты переноса солнечного или теплового излучения в реальной атмосфере.
Во-вторых, это проблема организации постоянного мониторинга состояния атмосферы для измерения или оценки параметров, используемых в качестве исходных данных гидродинамических моделей. Для такого мониторинга необходима глобальная система наблюдений, важнейшей компонентой которой является космическая система наблюдений. Несмотря на то, что методы дистанционного зондирования атмосферы (ДЗА) получили значительное развитие в последнее двадцатилетие, остается много задач ДЗА, требующих дальнейших методических проработок с целью повышения точности и достоверности получаемых оценок атмосферных параметров по данным спутниковых и наземных дистанционных измерений.
Проиллюстрируем существующие методические трудности при разработке радиационных алгоритмов гидродинамических моделей и проблемы повышения достоверности продуктов ДЗА на двух примерах.
Примером несовершенства радиационных алгоритмов является известный эффект «аномального облачного поглощения», т.е. завышение на 5-28 Вт/м среднесуточного поглощения солнечного излучения (СИ), получаемого по наземным и самолетным измерениям, относительно расчетных результатов. Это завышение превышает радиационный эффект удвоения содержания СОг, поэтому возникают сомнения в надежности количественных оценок климатического эффекта диоксида углерода современными моделями, а значит, и тесно связанного с ним антропогенного воздействия на динамику глобального потепления.
К чему приводит разброс в оценках используемых величин атмосферных параметров, полученных на основе дистанционных измерений, можно видеть на примере альбедо однократного рассеяния (АОР) пылевого аэрозоля - важнейшего оптического параметра для всех климатических моделей. Например, в работах, опубликованных в 2001-2002 гг., указывается, что сахарская пыль поглощает всего 1-5% падающего СИ, по сравнению с 10-15%, полученными в середине 80-х - начале 90-х гг. XX в. Такое снижение в оценках поглощения СИ объясняется
величиной АОР пылевого аэрозоля, которое, по «новым» данным, меняется в диапазоне 0.95-Ю.98. Согласно «старым» данным диапазон изменчивости этой же величины составил 0.70-Ю.88.
Приведенные примеры подтверждают актуальность исследований, выполненных в диссертации и направленных на разработку комплекса строгих радиационных методик и алгоритмов, пригодность которых для прогнозирования климатических изменений и дистанционного определения параметров атмосферы подтверждена реальными натурными экспериментами.
Степень разработанности научной проблемы. Разработке методик и алгоритмов для установления точных количественных зависимостей между энергетическими характеристиками СИ или собственного излучения атмосферы с ее основными метеорологическими параметрами для прогнозирования климата и решения задач ДЗА посвящено большое количество работ. Теоретическое обоснование разнообразных радиационных алгоритмов приведено, например, в известном обзоре под редакцией Жаклин Ленобль (Jacqueline Lenoble), где, в частности, отражен значительный вклад, который внесли в развитие теории переноса атмосферной радиации различные научные школы Советского Союза. В обзоре выполнен сравнительный анализ результатов расчетов характеристик СИ, полученных на основе рассмотренных методов, для фиксированных моделей атмосферы. Фактически, это было одно из первых международных тестирований радиационных алгоритмов. За последние два десятилетия подобные тестирования были выполнены для расчетов интегральных потоков как собственного, так и СИ. В 1999 г. начала свою деятельность международная рабочая группа I3RC (Intercomparison of 3D Radiation Codes) под руководством Роберта Кахалана (Robert Cahalan) по сравнению трехмерных радиационных алгоритмов, позволяющих учитывать стохастические свойства разорванной облачности
Как правило, радиационные алгоритмы отражают уровень нашего понимания физики переноса оптического излучения в атмосфере, который достигнут к моменту их разработки. Существенный, но неучтенный в алгоритмах физический фактор может вызывать большое расхождение между результатами натурных измерений и расчетов, не нарушая согласия в результатах параллельных,
формально независимых расчетов. В связи с этим в последнее время основным способом подтверждения адекватности радиационных алгоритмов и создаваемых на их основе методик ДЗА стало сравнение расчетных результатов или оценок параметров атмосферы с данными измерений, проводимых на специальных тестовых полигонах при тщательном контроле атмосферных условий. Этот подход реализован в диссертации, значительная часть которой посвящена валидации разработанных методик и алгоритмов путем прямого сравнения получаемых результатов с данными измерений.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка и валидация методик и алгоритмов для решения различных задач радиационной климатологии и дистанционного определения параметров атмосферы на основе моделирования переноса солнечного и теплового излучения с подробным учетом основных факторов, определяющих его распространение и регистрацию наземной или спутниковой аппаратурой.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка реалистических моделей земной атмосферы, отражающих стохастический характер и многообразие различных форм облачности;
разработка методик и алгоритмов для получения количественных оценок интенсивности и потоков солнечного и теплового излучения в различных условиях и их валидация по данным натурных измерений;
разработка и валидация способа детектирования облачности по измерениям спутниковых ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения;
разработка и валидация методик дистанционного определения в атмосфере средней концентрации и потоков углекислого газа;
оценка влияния пылевого аэрозоля на точность определения оптических и радиационных параметров атмосферы по данным наземных измерительных сетей;
разработка и валидация методики дистанционного определения общего содержания (ОС) в атмосфере диоксида азота N02.
Научная новизна:
-
Впервые создана реляционная база полностью определенных модельных облачных ситуаций на основе подготовленного в NOAA набора данных радиозондирования (около 8000 вертикальных профилей в различных регионах земного шара). Отличительной особенностью созданной базы является сохранение в моделях корреляционных связей между вертикальными профилями температуры/влажности и параметрами облачности.
-
Разработана новая методика моделирования разорванной облачности нормальным случайным полем, параметры корреляционной функции которой определяются только баллом, средними диаметром и толщиной облаков.
-
Для СИ и собственного теплового излучения атмосферы разработаны трехмерные алгоритмы метода МК с полинеиным учетом газового поглощения, позволяющие вычислять вертикальные профили потоков оптического излучения, а также моделировать измерения спутниковых спектрометров при различных типах облаков, включая разорванную и многослойную облачность.
-
На основе сопряженного уравнения метода Монте-Карло (МК) с полинеиным учетом газового поглощения созданы алгоритмы вычислений интенсивностей и потоков СИ применительно к сферической модели атмосферы. Впервые на основе расчетов получены угловые матрицы коэффициентов анизотропии уходящего СИ для интерпретации спутниковых измерений радиационного баланса Земли.
-
Разработана новая методика моделирования собственного излучения облачных или пылевых слоев с учетом их рассеивающих свойств для использования в быстрых радиационных моделях.
-
Разработан новый способ детектирования облачности «подпиксельного» размера и оценена его надежность применительно к данным спутникового ИК-зондировщика IASI и самолетного интерферометра NAST-I.
-
Впервые получены количественные оценки влияния крупных пылевых частиц на точность восстановления оптических характеристик аэрозоля по измерениям спектральных потоков прямого и рассеянного солнечного излучения глобальной сетью AERONET.
-
Разработана новая методика определения концентрации тропосферного углекислого газа по измерениям спутникового спектрометра SCIAMACHY/ENVISAT в условиях облачности. Сравнение с результатами независимых измерений в различных географических регионах позволило оценить ее точность: -1% или 3-4 млн"1.
-
Разработана новая методика определения ОС N02 по данным измерений спектральных оптических толщин аэрозоля глобальной сети AERONET и проведена ее валидация путем сравнения с результатами независимых измерений.
-
Создано новое интерактивное программно-математическое обеспечение - CSIF2002/2009 для расчета солнечных потоков и оценки радиационного форсинга NO2 и аэрозоля в зависимости от состояния атмосферы.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы использовались при интерпретации измерений спутникового радиометра SCARAB/Метеор для оценки компонент радиационного баланса Земли. Вычисления спектральных интенсивностей собственного излучения атмосферы и подстилающей поверхности применялись для обоснования процедур интеркалибровки ИК-каналов спутниковых отечественных сканеров МСУ-МР/Метеор-М и МСУ-ГС/Электро-Л по их зарубежным аналогам. Результаты расчетов спектральных солнечных потоков используются в Метеорологической обсерватории (МО) Географического факультета МГУ для тестирования эмпирических методик.
Алгоритм и результаты расчетов аэрозольных параметров вошли в качестве составной части в европейскую спектроскопическую базу данных GEISA [Jacquinet-Husson et al, 2005, 2008]. Интерактивное программно-математическое обеспечение CSIF2002/2009 используется в ряде научных организаций для расчета потоков СИ и оценок радиационного влияния аэрозоля и диоксида азота. Разработанный алгоритм определения ОС диоксида азота по измерениям AERONET будет использован для валидации оценок его содержания по данным отечественного спектрометра СА-МП (аналога спектрометра SCIAMACHY), который должен быть установлен на полярно-орбитальном спутнике нового поколения «Метеор-МП».
На основе расчетов автора в Гидрометцентре России для тестирования и развития радиационных алгоритмов в моделях прогноза погоды была создана специальная «База данных эталонных потоков солнечного и теплового излучения», на которую получено Свидетельство о государственной регистрации №20126220475 от 25 мая 2012 г.
Разработанные алгоритмы и результаты расчетов использовались в рамках федеральных целевых и ведомственных программ: «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации», «Федеральная космическая программа России»; при обосновании характеристик целевой аппаратуры полярно-орбитальных и геостационарных метеоспутников, при оценке в Ситуационном центре Росгидромета последствий распространении вулканического пепла от исландских вулканов Эйяфьятлайокудль и Гримсвотн, а также при выполнении грантов РФФИ, международных фондов МНТЦ, CRDF, INTAS, американской программы ARM, Европейского космического агентства ESA и Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников EUMETSAT.
Методология исследования. При разработке радиационных алгоритмов и методик проводились теоретико-экспериментальные исследования, основанные на комбинации математического моделирования процессов переноса оптического излучения с анализом данных натурных измерений, получаемых из различных источников. Разработке способов дистанционного определения параметров атмосферы предшествовало моделирование измерений с подробным учетом специфики используемых приборов и различного рода ошибок.
Положения, выносимые на защиту
-
Глобальная база данных метеорологических и оптических моделей атмосферы, созданная на основе анализа 8000 вертикальных профилей температуры и влажности по данным радиозондовых измерений NOAA в различных районах земного шара.
-
Методика и алгоритм моделирования разорванной облачности нормальным случайным полем.
-
Трехмерные алгоритмы метода МК для вычисления потоков и интенсивностей СИ и собственного излучения атмосферы при различных типах облаков, включая разорванную и многослойную облачность.
-
Методика получения угловых моделей анизотропии СИ для интерпретации спутниковых измерений радиационного баланса Земли.
-
Методика детектирования облачности по измерениям спутниковых ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения.
-
Методика оценки средней концентрации углекислого газа по измерениям спектрометра SCIAMACHY/ENVISAT.
-
Методика и алгоритм определения ОС NO2 по данным глобальной аэрозольной сети AERONET.
-
Интерактивное программно-математическое обеспечение -CSIF2002/2009 () для расчета интегральных солнечных потоков и оценки радиационного форсинга N02 и аэрозоля.
Степень достоверности и апробация результатов. Разработанные радиационные алгоритмы для расчета потоков и интенсивностей оптического излучения основаны на высокоточном моделировании процесса переноса фотонов методом МК с полинейным учетом газового поглощения. Все разработанные методики и алгоритмы дистанционного определения параметров атмосферы проходили проверку путем прямого сравнения модельных расчетов с результатами независимых расчетов или измерений, выполненных в различных районах земного шара.
По результатам диссертационной работы опубликовано 69 работ, из них 47 в изданиях, включенных в список ВАК, и рецензируемых трудах международных конференций, 23 - в трудах конференций и препринтах Курчатовского института.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: Coordination Group for Meteorological Satellites (2010-2012), Workshop Global Space-based Inter-Calibration System (2011, 2012), International Radiation Symposium (1996, 2000, 2008, 2012); Gordon Research Conference (2003, 2005); ARM Science Team Meetings (2002, 2004); International assembly of the American Geophysical Union (1998, 2007);
Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (1998, 2002, 2004, 2011); Meteorological Satellite Conference (2000, 2004, 2007), International Symposium on Remote Sensing of Environment (2005), Workshop Intercomparison of 3D Radiation Codes (1999, 2005) и др. Результаты работы представлялись на научных семинарах в различных институтах, включая РНЦ «Курчатовский институт»; НИЦ «Планета»; ИФА им. А. М. Обухова; Гидрометцентр России; ИКИ РАН; МО МГУ; Goddard Space Flight Center; John Hopkins University; Canada Centre for Remote Sensing; Institute of Remote Sensing (Bremen), Институт леса им. В. Н. Сукачева.
Оптические характеристики аэрозоля и облачности
В отечественных работах вместо облачной модели С.1 [43] обычно используется, так называемое, «широкое» распределение облачных капель, рекомендованное Е.М.Фейгельсон [2].Для вычисления оптических характеристик аэрозолей был разработан специальный алгоритм [44] на основе теории Ми. В его основу была положена методика, представленная в монографии Дейрменджана[43].
Обеспечение устойчивости расчетов при достаточно широком распределении частиц по размерам и наличии поглощения обеспечивалось на основе рекомендаций [45]. В отличие от известных аналогов разработанный алгоритм обеспечивает заданную точность вычислений индикатрис для всех углов рассеяния.
Для перечисленных в [42] длин волн и всех аэрозольных фракций и моделей, из числа представленных в таблице 1.3, в БД рассчитаны основные оптические характеристики: коэффициент ослабления, альбедо однократного рассеяния, средний косинус индикатрисы и ее значения для 204 углов. Значения оптических характеристик для произвольной длины волны находятся линейной интерполяцией по ближайшим опорным значениям. Коэффициенты ослабления внеоблачных аэрозолей рассчитаны для концентрации N0=l см 1. В таблице 1.4 приведены значения концентраций [44], при которых коэффициент ослабления соответствующей фракции или модели равен одному обратному километру на длине волны А=0.55 мкм.
Для облачной модели, в качестве которой используется «широкое» распределение [2] коэффициенты ослабления рассчитаны для концентрации N=353.678 см"3.Такая концентрация соответствует характерной для облаков водности W=0.3 г/м 3. Спектральный ход комплексного коэффициента преломления воды задавался линейной интерполяцией по длине волны данных [46].
Относительная ошибка вычисления значений индикатрис для любого угла не превышает 0.3%. Помимо использования в БД по атмосферным моделям, полученный массив расчетных данных вместе с двумя небольшими сервисными программами нашел самостоятельное применение для определения оптических характеристик более сложных композиционных моделей или пересчета этих характеристик на другое спектральное и угловое разрешение [27,29].
Выше 20 км аэрозоль не учитывается. Выбор континентальной или морской модели аэрозоля в нижнем атмосферном слое определяется по значению признака "Land" или "Sea", характеризующим точку запуска радиозонда.
Для вычислений оптических параметров ледяных облаков использовалась параметризация ЦАО [35]. Непосредственно применяются 4 модели, помимо температуры Т слоя воздуха характеризуемые количеством частиц в единице объема N и ледностью IWC (Ice Water Content)
Общая протяженность полетов непосредственно в этих облаках превышает 50000 км. Приведенные на рисунке 1.5 кривые для данных моделей представляют собой распределения ледяных облачных кристаллов по размерам п(г), в качестве которых рассматривается радиус RP круга с площадью равной «средней площади проекции (тени) кристалла при его хаотической ориентации...»[35]. п(г), ші" cm"3 RP, (im
Согласно теореме Коши, которая гласит, что эта площадь для любой выпуклой фигуры в среднем равна одной четвертой площади ее (фигуры) полной поверхности. Наиболее часто в качестве типичной формы ледяных кристаллов принимают гексагональные призмы с диаметром D окружности, описанной вокруг основания, (подчеркнем, что D не равен 2RP) и высотой L. На рисунке 1.6 приведены регрессионные зависимости отношения D/L от высоты L призмы. Наблюдается хорошее совпадение кривых, полученных различными авторами. по данным Фу [47]
Из-за включения в кристалл пузырьков воздуха от L зависит также и плотность кристаллов, которая становится меньше чем 0.92 г/см3 - обычная плотность сплошного льда. В свою очередь такое уменьшение (до 0.6 г/см при L=2000 мкм) влияет на величину комплексного коэффициента преломления. Зависимость плотности ледяных гексагональных частиц от длины призмы, описывается формулой [33]
Использование зависимости D/L от L позволяет на основе теоремы Коши найти функции основных геометрических параметров призм (высоты L, объема V и полной поверхности) от радиуса проекции RP.. В свою очередь, это позволяет найти зависимости от RP различных эффективных радиусов Rv (равенство объема сферы и призмы), Ryp (равенство по отношению V/P), которые часто используются при адаптации вычислительных схем теории Ми к несферическим частицам. Эти зависимости представлены на рисунках 1.7 и 1.8. 1/ / 1/
Зависимость между Рисунок 1.8 - Зависимости проекционным радиусом и длиной различных эффективных радиусов в ледяных кристаллов зависимости от проекционного радиуса Rp В работе Фу [47] показано, что основные различия в результатах между применяемыми методиками лежат при волновых числах х= 27rRVp/ в пределах от 1 до 10. При А,=10 мкм это соответствует RVp=1.5 - 15 мкм или примерно RP=2-20 мкм, т.е. в районе максимума функций распределения частиц по размерам, что важно при определении интегральных оптических характеристик моделей. Для лучшего совпадения с результатами точных, но очень трудоемких расчетов, основанных на математическом описании взаимодействия электромагнитной волны с гексагональными призмами (аналог теории Ми для несферических частиц FDTDT - Finite-Difference Time Domain Technique), Фу применяет взвешивание результатов по теории Ми с оценками, полученными в приближении геометрической оптики.
В разработанном подходе применяется теория Ми с использованием эффективного радиуса Re. Радиус R. является функцией от трех переменных: RP, Rv и величины I m-l, где m - комплексный коэффициент преломления льда. Фактически для нахождения Re используется интерполяция Re = Rv + f(Rv I m-1 ) (RP - Rv),
Трехмерный алгоритм метода Монте-Карло для расчета интенсивности собственного излучения атмосферы в каналах ИК зондировщиков
Методика вычисления пространственных распределений интенсивностей и потоков солнечного излучения (СИ) представляет собой моделирование случайных траекторий фотонов методом Монте-Карло [50]. При этом процесс распространения света рассматривается как случайная цепь столкновений фотонов с частицами атмосферы или подстилающей поверхностью, в результате которых происходит либо поглощение, либо рассеяние фотонов. Непосредственно учитывается рассеяние солнечного излучения облачным и внеоблачным аэрозолем, молекулами воздуха, отражение от подстилающей поверхности, поглощение атмосферными газами. Более подробно учет селективного поглощения света атмосферными газами при вычислениях интегральных потоков или интенсивностей в спектральных каналах приборов будет приведен в следующем разделе. В данном разделе рассматривается только монохроматический случай.
В расчетах используется плоскопараллельная модель атмосферы, при которой последняя разбивается на однородные, параллельные земной поверхности слои. В каждом слое коэффициенты рассеяния и поглощения считаются постоянными. Высота верхней границы атмосферы принята равной 100 км. Снизу атмосфера ограничена плоской подстилающей поверхностью. Отражение от поверхности определяется законом Ламберта [50]. Спектральный ход альбедо поверхности задается линейной интерполяцией табличных данных [69,70] в зависимости от длины волны. Для моделирования облачной атмосферы на некоторых высотах могут располагаться непересекающиеся слои разорванной или сплошной облачности. Тестовые расчеты выполнены для одного слоя. Геометрическая структура разорванной облачности строится в виде детерминированных реализаций поля Z(x,y), определяемого горизонтальными координатами х,у и ограниченного на некотором уровне Z0 снизу. Плоскость горизонтальных координат разбивается на малые квадратные области (пиксели) со стороной d. Облачное поле задается на области размером LxL (L»d) в виде двумерного массива чисел, представляющих высоту верхней границы облачности для каждого пиксела. Поле с периодом L повторяется в направлениях горизонтальных осей координат. Высота нижней границы облачности полагается постоянной. При сплошной облачности используется модель горизонтально-однородного слоя. Оптические характеристики облаков (пространства между верхней границей и нижним уровнем слоя) определяются в зависимости от длины волны. В международном сравнении трехмерных радиационных кодов I3RC [25], проводившимся с использованием реальных полей однослойной облачности, участвовали два радиационных алгоритма KIAE1 и KIAE2, разработанных автором.
Алгоритм KIAE1 основан на простом прямом моделировании траекторий фотонов. Каждая траектория начинается на верхней границе атмосферы, и начальный вес фотона приравнивается Q0=Sx cos Go, где Sx. солнечная постоянная, которая в тестовых расчетах I3RC заменялась единицей, 90 - зенитный угол Солнца. Другие горизонтальные координаты начальной точки имеют равномерное распределение в LxL. Потоки рассчитывается для каждого пикселя, когда фотон пересекает его верхнюю (отражение R) или нижнюю (коэффициент пропускания Т) границу. Интенсивность отраженного (Iu) в зените или нисходящего (Id) в надире излучения определяется отношением суммарного вклада фотонов, траектория которых пересекает поверхность под зенитным углом не более заданного а, к телесному углу Q= 2rc(l-cos а). В расчетах а=10. Второй алгоритм KIAE2 предназначен только для расчета интенсивностей I. Он основан на сопряженном уравнении переноса с использованием принципа взаимности оптического луча. Траектории фотона моделируются в противоположенном направлении, т.е. из «приемника» (верхняя или нижняя граница пиксела, для которой оценивается интенсивность) в "источник" (в направлении на Солнце).
В общем случае интенсивность I определяется как математическое ожидание I = (ZQ„g(n)w0exp(n)V где n = 0..N - число столкновений с частицами атмосферы или подстилающей поверхности для заданной траектории; Qn - весовой множитель учета энергетической ценности фотонов; g(jj.) - фазовая функция рассеяния или отражения поверхности; ц - косинус угла рассеяния или отражения; со0 - альбедо однократного рассеяния или альбедо поверхности; тп - суммарная оптическая толщина между точкой рассеяния (отражения) и верхней границы атмосферы вдоль направления солнечного луча.
При попадании фотона в облачный слой длина свободного пробега фотона моделируется на основании метода "максимального сечения" [50], состоящего в переходе к фиктивной рассеивающей среде с постоянным коэффициентом рассеяния а таким, что везде о(х, у, z) ст . В этом случае последовательно моделируется длина свободного пробега 1п фотона иначе моделирование без столкновения продолжается. Моделирование длины свободного пробега осуществляется с учетом только рассеивающих свойств атмосферы. Учет атмосферного поглощения производится путем накопления поглощательной оптической толщины вдоль траектории фотона и соответственном экспоненциальном уменьшении его энергетической ценности. При пересечении контрольного уровня вес фотона добавляется в соответствующий счетчик. Учет альбедо земной поверхности осуществляется уменьшением веса фотона при его попадании на подстилающую поверхность.
Расчеты могут выполняться одновременно для нескольких значений альбедо подстилающей поверхности. Для этого предусмотрен отдельный учет энергетической ценности фотонов для каждого значения альбедо. Моделирование траектории прекращается при вылете фотона за границу атмосферы.
На рисунке 2.1 представлены рабочие материалы группы 13 RC для наиболее интересного случая: двумерного облачного поля, восстановленного по измерениям с мультиспектрального сканера, установленного на спутнике Landsat-5. Пространственное разрешение сканера 80м. Результаты расчетов, полученные с использованием алгоритмов KIAE1 и KIAE2 (они отмечены красным цветом), находятся в удовлетворительном согласии с данными других авторов как для среднего пропускания (рисунок 2.1 а), так и для среднего коэффициента отражения в вертикальном направлении (б). Во втором случае алгоритм KIAE1 дает дополнительное смещение за счет усреднения в 10-градусном интервале углов.
На рисунке 2.2 [25] представлено пространственное распределение по пикселям коэффициента отражения в вертикальном направлении для облачного поля, построенное по данным расчетов различных участников I3RC. В верхнем правом углу рисунка показаны результаты расчетов автора с использованием алгоритма KIAE2, которые детально совпадают с полями яркости, полученными большинством коллег.
Распределения потоков солнечного излучения на поверхности Земли в условиях разорванной облачности
В отличие от (2.10) накопление усредняемых величин в (2.12), если произошло поглощение фотона (А=1), идет по всем слоям атмосферы. Вт- слое, в котором непосредственно произошло поглощение и Ат=1, умножением на отношение коэффициентов дополнительно учитывается изменение вероятности поглощения фотона за счет возмущения концентрации qmj.
Для перехода к непрерывной зависимости якобианов от высоты или атмосферного давления значения, полученные по (2.10) и (2.12), надо поделить на геометрическую толщину слоев или разность давлений на их границах.
Математические выражения (2.10)н-(2.12) довольно просты. Их вычисления алгоритмически хорошо увязываются с определением энергетических вкладов фотонов на основе (2.8) и (2.9) в величину интенсивности уходящего излучения и практически не сказываются на времени счета. Предварительное вычисление коэффициентов газового поглощения для МК алгоритма производится полинейным (line-by-line) методом. В последней версии [73] они рассчитываются с помощью программы LBLRTM (версия VI 1.6 от 15 июня 2009 г.). Программа разработана в американской корпорации AER (Atmospheric and Environmental Research, Inc) и находится в открытом доступе на сайте http://www.rtweb.aer.com/lblrtm_frame.html. Основным достоинством LBLRTM является то, что она учитывает последние достижения в области атмосферной спектроскопии и проходит тщательную экспериментальную проверку в рамках американской программы ARM и по другим натурным экспериментам.
Аподизация в алгоритме проводится за счет случайного выбора частоты фотона по нормальному закону, математическое ожидание которого совпадает с серединой канала, а дисперсия определяется шириной аподизирующей функции. Таким образом, как и при расчете потоков СИ (см 2.2), интегрирование по геометрическому пространству при определении интенсивностей и ее якобианов происходит одновременно с интегрированием по спектру, что позволяет добиться высокой вычислительной эффективности алгоритма. Например, время расчета для 5361 каналов, равномерно расположенных с шагом 0.25 см"1, в диапазоне 660-н2000 см"1 составляет примерно 4 минуты для горизонтально однородных моделей атмосферы и 9 минут для вариантов с разорванной облачностью. Среднеквадратическая погрешность расчетов яркостных температур в этих расчетах находится в пределах 0.05+0.2 К в зависимости от канала, а погрешность определения якобианов 5% в области их максимумов. Приведенные оценки быстродействия получены для обычного персонального компьютера с частотой процессора 3.5 Гг и твердотельным диском.
Коэффициенты газового поглощения определяются для участка спектра, размеры которого примерно совпадают с шириной аподизированной рабочей полосы выбранного канала. Так, при заданном положении середины канала vch коэффициенты рассчитываются со спектральным разрешением 0.001 см"1 в полосе (vch-3s, vch+3s), где s - среднеквадратичное отклонение нормального распределения или функции Гаусса, которая обычно используется для аподизации интерферограмм. Величина s= 0.4247-FWHM, где FWHM (Full Width at Half Maximum) - полная ширина аподизирующей функции, рассчитанная на половинном уровне от ее максимума.
Для полной проверки алгоритма использовалось сопоставление полученных с его помощью оценок интенсивностей и яркостных температур с известными результатами расчетов для горизонтально однородных моделей атмосферы. В первую очередь было проведено сравнение интенсивностей уходящего излучения, вычисленных методом МК и непосредственно LBLRTM для среднеширотной газовой модели атмосферы MLS [42]. Результаты сравнения показаны на рисунке 2.10. &
Разность (МК - FRTM IASI) в яркостных температурах уходящего излучения (MLS) Дополнительное тестирование МК алгоритма было выполнено при сопоставлении яркостных температур уходящего излучения с подобными оценками при использовании базы данных HITRAN96 (рисунок 2.11). В этом случае параллельные расчеты были выполнены на основе модели FRTM IASI [58], прошедшей тщательное тестирование по данным различных натурных экспериментов [59,60]. Максимальное расхождение в оценках яркостной температуры не превышает 0.7 К, что для подобного рода сравнений следует признать вполне приемлемым, учитывая различия в используемых спектроскопических базах данных, погрешности самой FRTM IASI как из-за радиационного кода, так и из-за табличных интерполяций, используемых для ускорения счета.
Правильность вычисления якобианов по температуре и концентрациям можно подтвердить простой проверкой соблюдения очевидных приближенных равенств, основанных на формуле Лагранжа: где ДТ, ATS, а- постоянные величины, характеризующие сдвиг вертикального профиля температуры атмосферы или температуры подстилающей поверхности, а также относительное возмущение вертикальных профилей концентраций атмосферных газов. С этой целью интенсивности и якобианы собственного излучения невозмущенной атмосферы, используемые в правых частях (2.8)-Н2.10), рассчитывались для модели летней среднеширотной атмосферы MLS [42]. Затем в исходные данные вносились возмущения по ДТ, ДТ8 или а, и расчеты повторялись для определения интенсивностей [Т(г) + ДТ], [Т5+ДТ3], l[q(z) (1 + а)] стоящих в левых частях (2.13) (2.15), и соответствующих им яркостных температур ТВо
Сопоставление восстановлений WFM - DOAS концентраций С02 над Сибирью с самолетными измерениями
Влияние СОг на климат обуславливает необходимость контроля его содержания в масштабах всей планеты. В марте 2002 г. на борту европейского исследовательского спутника Envisat был запущен дифракционный спектрометр SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography) [112,113]. Спутник Envisat имеет полярную солнечно-синхронную орбиту со средней высотой над поверхностью Земли около 800 км. Орбита спутника пересекает экватор в утренние часы - в 10.00 по местному времени. Территория России попадает в зону действия спутника примерно в одно и то же время - между 11:30 и 11:50 по местному солнечному времени. Горизонтальное разрешение SCIAMACHY при надирных измерениях в среднем составляет 60 км поперек и 30 км вдоль следа трассы спутника на земной поверхности.
Спектральный интервал SCIAMACHY разделен на 8 каналов, характеристики которых приведены в таблице 5.1, взятой из [112]:
Содержание С02 (количество молекул) в вертикальном столбе атмосферы восстанавливается по измерениям в надир восходящей солнечной радиации, полученным в 6-ом канале спектрометра. Этот диапазон содержит полосу поглощения СОг с центром 1600 нм, которая является относительно свободной от мешающих (главным образом, водяного пара) газов. Одновременно по измерениям в 4-ом канале восстанавливается содержание кислорода 02 (А-полоса с центром 760 нм). Это позволяет вычислить концентрацию ХС02 для столба сухого воздуха по формуле: где LC02 and L02 - содержание С02 and 02 в столбе атмосферы, Wo2 =0.2095 - относительная доля кислорода в сухом воздухе. Для восстановления содержания малых газовых составляющих (в том числе и С02) по данным спектрометра SCIAMACHY в университете г. Бремена (Германия) был разработан специальный алгоритм, известный как WFM - DOAS (Weighting Function Modified Differential Optical Absorption Spectroscopy) [113,114,115]. Алгоритм WFM-DOAS основан на минимизации невязки логарифмов рассчитанных (Imod) и измеренных (I„bs) яркостей, нормированных по внеатмосферному солнечному спектру. Минимизируется функционал где i=l,..,«, - номера спектральных каналов; V - содержание всех атмосферных газов (включая С02), поглощающих в выбранном канале; Р (ат) - подгоночный полином по ij,bs с постоянными коэффициентами ат, т=1-кЗ.
Для эффективных расчетов Fmjd(V) и определения содержания С02 по формуле (5.2) была реализована схема, основанная на интерполяции по таблицам, рассчитанным заблаговременно для широкого диапазона оптических параметров атмосферы.
Авторы алгоритма WFM -DOAS акцентировали внимание на двух важных аспектах его применения [115]. Во-первых, в процессе восстановления концентрации СОг необходимо - насколько это возможно - отсортировать пиксели, содержащие облачность. С этой целью был разработан специальный пороговый алгоритм, описанный в [115]. Он основан на измерении отражательной способности атмосферы (нормированной интенсивности уходящего излучения) с помощью специального вспомогательного прибора PMD (Polarisation Measurement Device), входящего в SCIAMACHY. Пространственное разрешение PMD в 4 раза лучше пространственного разрешения самого SCIAMACHY, спектральный диапазон - 320-380 нм. Если полученная на основе измерений PMD отражательная способность выше предопределенного заранее порогового значения для любого подпикселя, то соответствующий ему пиксель SCIAMACHY классифицируется как облачный.
Во-вторых, в действующей версии алгоритма WFM-DOAS восстановления ХСОг для устранения очевидных отклонений в оценках LC02 and L02, связанных, в том числе, и с ошибками калибровками в 4 и 6 каналах SCIAMCAHY, результаты измерений в которых задействованы в (5.1), используются масштабирующие множители, не зависящие от времени и места измерений. В дальнейшем калибровочные константы менялись примерно на 10% [179] для уточнения калибровок и уменьшения влияния деградации ПЗС- матриц. В связи с этим в [115] предлагалось использовать результаты определения С02 по данным SCIAMCHY только с целью анализа его пространственно-временной изменчивости, не привязываясь к абсолютным значениям оценок LC02 или ХС02.
Сопоставление восстановлений WFM - DOAS концентраций С02 над Сибирью с самолетными измерениями
Разработка и отладка методик определения концентрации С02 по спутниковым данным требует большого количества опорных данных относительно временной и пространственной изменчивости концентраций углекислого газа в атмосфере Земли. До недавнего времени источником этих данных являлись результаты расчетов по моделям глобального кругооборота углерода [117,118], которые, в свою очередь, имеют ошибки. Существует определенная опасность, что настройка спутниковых алгоритмов определения содержания СОг в атмосфере только по расчетным данным приведет к порочному кругу, когда ошибки моделей приведут к согласованным ошибкам в интерпретации спутниковых данных, а это, в свою очередь, затруднит совершенствование самих углеродных моделей. Особенно актуально это обстоятельство для северных районов России и Канады, где, согласно [117], и происходит модельный недоучет поглощения примерно 1- 2Гт углерода бореальными лесами.
В связи с этим большую ценность представляют новые независимые данные результатов самолетных измерений концентраций С02, полученные над Сибирью [119,120,121]. В данных публикациях подробно описана организация этих измерений, используемая аппаратура и полученные результаты для районов г. Сургута и г. Новосибирска. Здесь отметим только, что полеты проводились в течение года один раз в месяц, пробоотбор атмосферного воздуха осуществлялся на 8 высотах в диапазоне от 0.4 до 7 км. Эти данные были использованы в [122] для тестирования алгоритма WFM-DOAS по результатам измерений SCIAMACHY, проводимых с апреля по октябрь 2003 года. Для увеличения статистической обеспеченности размеры территорий, для которых выполнялся анализ спутниковых данных, были расширены, по сравнению с районами полетов. Пиксели отбирались на площадях, ограниченных окружностями с радиусом 1000 км и центрами в Сургуте (6124 с.ш., 7329 в.д.) и на берегу Новосибирского водохранилища (5457 с.ш., 8306 в.д.).
