Введение к работе
Диссертация посвящена изучению спектрального и интегрального лучистого теплообмена атмосферы в связи с изменчивостью 0ПТИ7 ческих и микрофиэических параметров аэрозоля и облаков на основе комплексных (в основном самолетных) измерений от экваториальной Атлантики до Арктики.
Актуальность работы і*
Комплексные исследования системы Земля - атмосфера приобрели -особую., актуальность., в -связи, .с .развитием методов..дистанцией ног-го зондирования с летательных аппаратов (метеоспутников, самоле-товлабораторий, аэростатов). В то же время, использование идентичного оборудования на этих носителях и на Земле для заранее выбранных полигонов позволяет проверить работоспособность используемых приборов, осуществить дешифрирование тех или. иных объектов, оценить влияние промежуточной толщи атмосферы и трансформацию как интегрального, так и спектрального излучения в свободной атмосфере.
Комплексные исследования подстилающей поверхности и атмосферы, как составляющих природной и антропогенной окружающей среды, имеют важное значение при:
-
создании банка данных о радиационных характеристиках подстилающей поверхности, системы Земля - атмосфера в связи с изменчивостью метеорологических условий, микрофизических и оптических параметров аэрозоля в рамках экологического мониторинга окружающей среды;
-
параметризации радиационных характеристик, особенно, альбедо, в связи с численным моделированием общей циркуляции атмосферы и климата;
-
учете вклада атмосферного аэрозоля, особенно, антропогенного - от города, лесных пожаров в растущий парниковый эффект на Земле;
-
оценке влияния облачности на радиационный режим регионального глобального климата.
Экспериментальное изучение радиационного режима тропосферы
и атмосферы в целом имеет самостоятельное значение, но оно может
быть использовано для лучшего понимания парникового эффекта в
атмосфере и геофизических обратных связей, таких, как альбедная,
облачная, аэрозольная. . -
Развитие современных региональных и международных экспериментов по изучению взаимодействия аэрозоля, облаков и радиации в различных участках электромагнитного спектра, ежегодные конференции, семинары по переносу радиации в атмосфере, постоянный рост публикаций по оптике атмосферных аэрозолей и облаков свидетельствуют об актуальности подобных исследований лучистого теплообмена в атмосфере.
Состояние проблемы
30 - 40 лет тому назад начали активно обсуждать проблему возможного глобального потепления климата, которая связывалась в первую очередь с парниковым эффектом в атмосфере за счет роста содержания углекислого газа как за счет природного фактора, так и связанного с хозяйственной и, в частности, техногенной деятельностью человеческого общества. На усиление или ослабление парникового эффекта и лучистого теплообмена в атмосфере могут существенно влиять водяной пар, а значит облачность, другие оптически активные малые газовые компоненты; аэрозоли, например, образующиеся в результате эрозии почв, опустынивания, сокращения лесов нашей планеты в результате пожаров, сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива и т. п.
Излучение Солнца трансформируется в системе атмосфера-Земля - рассеивается, отражается, поглощается, переиэлучается в виде более длинноволнового излучения. Тепловое излучение, идущее как от Солнца, так и подстилающей поверхности, взаимодействуя с облаками и аэрозолем, может существенно влиять как на спектральные, так и интегральные потоки радиации. Вертикальная структура радиационных характеристик, лучистого теплообмена не может быть определена только с Земли или со спутника. Для этого необходима
летающая платформа с соответствующим оборудованием, а таковым являются самолеты и аэростаты. Первые в силу своей большей мобильности предпочтительнее.
В пятидесятые-шестидесятые годы над территорией бывшего СССР и в Антарктиде использовались самолеты типа ИЛ-12, ЛИ-2, АН-2 для вертикального зондирования атмосферы с целью получения данных о профилях основных метеоэлементов, изучения облачности и активного воздействия на облака.
В начале семидесятых годов для обеспечения работ по спутниковой метеорологии на базе серийных самолетов ИЛ-18 были созданы
летающие лаборатории, „ГГО им. Л.И .Воейкова и ЦЛО, а в ЛВИКЛ
і им.А.Ф.Можайского "- на основе АН-12. Самолет ИЛ-18 ГТО был оборудован аналогами бортовой аппаратуры первых метеорологических искусственных спутников Земли и вспомогательной аэрологической и аэрофогосъемочной аппаратурой, предназначенной для изучения состояния атмосферы и подстилающей поверхности, и по сравнению с самолетами ЦАО и ЛВИКА был более насыщен оборудованием для радиационных измерений в широком спектральном диапазоне длин волн. С начала восьмидесятых годов самолетлаборатория ИЛ-18 ГГОпринимал участие в осуществлении программ комплексного энергетического эксперимента КЭНЭКС, международного атлантического тропического эксперимента АТЭП и первого глобального эксперимента по программе исследований глобальных атмосферных процессов ПИГАП, советско-американского аэрозольно-радиационного эксперимента и в других национальных и международных программах.
Постановка такого рода широкомасштабных комплексных измерений над территорией бывшего СССР стала возможной благодаря инициативе и общему руководству академика К.Я.Кондратьева при финансировании и содействии со стороны Гидрометеослужбы и Академии наук при участии целого ряда организаций.
Комплексные самолетные вместе с. наземными и спутниковыми одновременными измерениями могут выявить взаимосвязь основных микрофифизнческих, оптических и радиационных параметров системы подстилающая поверхность-атмосфера с тем, чтобы уже на их основе осуществлять і'менее дорогостоящий мониторинг окружающей среды
(например, 'с Земли или из космоса). Наконец, установление таких функциональных взаимосвязей может быть использовано для разработки физически более обоснованных моделей общей циркуляции атмосферы и климата с учетом облачности и аэрозоля. Так, согласно последним представлениями и расчетам, удвоение концентрации уг-лекислого газа % в радиационное нагревание составляет 4 Вт/м , тогда как облачно-аэрозольно-радиационное возмущающее воздействие, согласно рагічегов и измерений, может достигать 25-4 0 Вт/м*" Все это, вместе с вкладом за счет активности вулканов, утончением озонового слоя Земли привело к отмечаемому всеми глобальному потеплению климата.
В течение последующих лет проводились комплексные самолетные исследования безоблачной (включая аэрозольно замутненную) и облачной атмосферы, анализ, обработка и интерпретация радиационного блока данных', .с-упором на результаты измерений спектральных полусферических потоков излучения от ближней ультрафиолетовой части до ближней инфракрасной области спектра, в которой сосредоточена большая часть приходящей от Солнца лучистой энергии. Изучение "приходно-расходной" части спектрального лучистого теплообмена в связи с изменчивостью аэрозоля и облаков было' особенно важно, так как ранее выполненные измерения были связаны с интегральными потоками коротковолновой (KB: 0.3 - 3.0 мкм) и длинноволновой (ДВ: 3-30 мкм) радиации.
Самолетные исследования радиационных характеристик аэро-зольнооблачной атмосферы проводились в США, Великобритании, Франции, Германии с применением широкополостных фильтровых датчиков эппли и многоканальных радиометров, тогда как на самолете-лаборатории ГГО использовались дифракционные спектрометры для измерения потоков радиации, что вместе с комплексным характером наблюдений расширяло возможности спектрального анализа радиационного режима свободной атмосферы.
Цель работы
Основная цель диссертационной работы состоит в установлении
?
взаимосвязи основных спектральных и интегральных радиационных
характеристик атмосферы с оптическими и микрофизическими параметрами аэрозолей и облаков, в оценке радиационного возмущающего воздействия облачной атмосферы по сравнению с безоблачной на основе аэрометодов.
Основные научные задачи диссертационной работы
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1.: Проведение комплексных самолетных исследований спектральных и интегральных радиационных, аэрологических, микроструктурных, оптических характеристик безоблачной и облачной атмосферы и накопление банка соответствующих данных для разных регионов Земли.
-
Оценка влияния природной и антропогенной окружающей среды на перенос теплового излучения.
-
Обнаружение малых очагов горения и картирование лесных пожаров с самолетов на основе метода ИК-съсг.ки с учетом влияния промежуточного слоя атмосферы и возможностей идентификации исс-ледусиых объектов.
-
Систематизация данных о спектральных радиационных характеристиках различных' подстилающих поверхностей.
-
Лэрозольнот.радиационное зондирование стратосферы.
-
Апробация микроволнового метода определения интенсивности осадков над океаном на основе комплексных самолетных и судовых измерений.
-
Сравнение радиационного режима облачной и безоблачной атмосферы и климатологическая оценка радиационного возмущающего воздействия облаков на ochodc результатов самолетного зондирования атмосферы от экваториальной Атлантики до Арктики.
-
Сравнение результатов комплексных измерений радиации и расчетов применительно к условиям эксперимента и объяснение физического механизма аномального поглощения облаками коротковолнового соллеччого излучения. ""' ...
Научная новизна полученных результатов'
На защиту выносятся следующие основные результаты, составляющие научную новизну работы:
результаты комплексных измерений переноса радиации (в основном, с самолетов-лабораторий) в свободной атмосфере в фоновых условиях, при наличии аэрозольных выносов и облаков над городом и другими регионами;
оценена роль поглощения в коротковолновой области спектра аэрозольных и, особенно, облачных слоев, подверженных антропогенному влиянию города;
зависимость спектральных и интегральных радиационных характеристик облаков от их оптической толщины;
данные экспериментальных исследований об альбедо системы подстилающая поверхность - тропосфера в зависимости от высоты зондирования, высоты Солнца, альбедо нижележащей поверхности, скорости радиационного изменения температуры в различных слоях атмосферы;
зависимость радиояркостной температуры от интенсивности осадков над океаном и сопоставимость микроструктурных измерений осадков и их интенсивности по самолетным и корабельным измерениям в период АТЭП.
Наиболее существенным вкладом, определяющим научную новизну полученных результатов, является изучение влияния оптических параметров аэрозолей и облаков на спектральный и интегральный лучистый теплообмен в свободной атмосфере; оценка коротковолнового радиационного возмущающего воздействия на уровнях вблизи подстилающей поверхности и верхней границы атмосферы для реальных условий облачности и ясного неба; объяснение механизма аномального поглощения облаков.
Практическое значение полученных результатов состоит в еле-
дующем:
апробированы методы комплексных синхронных измерений на Земле, с самолетов-лабораторий, аэростатов и метеоспутников;
метод ИК-съемки для обнаружения малых очагов горения и картирования крупных лесных пожаров нашел применение при разработке и использовании ИК-тепловизоров в авиалесоохране;
оценен вклад аэрозоля и облаков в изменчивость радиационных характеристик атмосферы и подстилающей поверхности; '
результаты комплексных измерений в свободной атмосфере послужили основой для численного моделирования применительно к условиям эксперимента и объяснения "аномального" поглощения облаков; использованы в опубликованных монографиях, а также в публикациях, связанных с реализацией международных программ;
радиационное возмущающее воздействие облаков проявляется наиболее заметно в южных широтах при наличии аэрозольных выносов и над городом с выраженной техногенной составляющей загрязнений окружающей среды.
Достоверность и апробация полученных результатов
Результаты проведенных исследований внедрены в виде ряда научно-исследовательских отчетов по госбюджетным и хоздоговорным темам, договоров о научно-техническом содружестве.
Совместная і работа с'сотрудниками Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, Центральной аэрологической обсерватории. Инженерно-космической академии им. А.Ф.Можайского, Института физики атмосферы и Центра экологической безопасности РАН, Петербургского и Вайомингского университетов, Украинского научно-исследовательского института и' Института физики Академии Наук Еелорусии, Арктического и антарктического научно-исследовательского института отражена в совместных публикациях.
О достоверности полученных результатов может говорить тот факт, что часть из представленных данных получена в ходе международного сотрудничества и проведения совместных полевых экспериментов, которые включали поверку и сравнение используемых од-
нотипных приборов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на б международных, 7 всесоюзных и республиканских конференциях. Опубликовано 65 научных работ, из них 10 за рубежом и 5 монографий в соавторстве. Основные научные результаты опубликованы "Гидроме-теоиздатом".
