Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ .........Л............................... 5
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ і2.
ГЛАВА I. АЭРОЗОЛЬ И ПРОЗРАЧНОСТЬ АТМОСФЕРЫ НАД
МОРЕМ №
І.І. Механизм возникнования и распределение
і.
по размерам частиц аэрозоля над морем,
Оптические константы ................... *и
Прозрачность аэрозольной компоненты атмосферы над морем 23
ГЛАВА 2." МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ .;....!..;. 3/
Обратная .задача 31
Методы"решения некорректно поставленной задачи ....... 33
Метод спектральной прозрачности ........ 36
Модификация метода спектральной прозрачности 40
Оптимальная схема обращения ............ *2
Формулы обращения. Оценка моментов распределения .... 52
Влияние ограничения спектрального интервала .............................. 63
Обращение для оптически "ясестких" частиц 66
Модельные обращения .................. 69
2.6. Экспериментальная проверка оптимальной
схемы обращения ?2
Стр.
2.6.Т. Сопоставление с прямыми измерениями
микроструктуры ;.... .1........ 72
2.6.2. Исследование на модели дисперсной системы .................................... 75
ГЛАВА 3. СУДОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ
АТМОСФЕРЫ НАД МОРЕМ ................'........ 83
3.1. Особенности мего,дики и аппаратурные пробле
мы измерений .............................. оЪ
Спектральный диапазон и требования к точности измерений ......................... М
Определение аэрозольной оптической толщи-
ны оо
3.I.3; Влияние солнечного ореола ;v.V.'.......... 91
Оптические фильтры .v.v.v. 9к
Приемники излучения и вторичный спектре-фотометрический стандарт ......... ........ 98
Солнечные спектрофотометры 100
Время, районы и метеоусловия судовых измерений :.' 105
Результаты измерений спектральной прозрачности атмосферы над морем ................. ЮЬ
ГЛАВА 4. МИКРОСТРУКТУРА АЭРОЗОЛЯ НАД МОРМ ПО ДАННЫМ
СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОЗРАЧНОСТИ ....:...... W
Физико-статистический анализ исходных данных 119
Параметры микроструктуры аэрозоля над морем.. 126 4.2.1. Функции распределения частиц аэрозоля по
размерам .V.V............................. 126
Стр.
Моменты распределения „ ..,,
Связь микроструктуры аэрозоля с метеопараметрами «у,...,.,..,..... ........ 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....,v.^........,......................... /34
ЛИТЕРАТУРА . .V...;...............-..;.................. о7
Введение к работе
Разработка дистанционных методов изучения аэрозоля является актуальної проблемо! современной метеорологии. Большой интерес представляют исследования аэрозоля в атмосфере над океаном. Это вызвано, в первую очередь, интенсивным развитием оптических методов изучения морей и океанов ив космоса, а также исследованиями радиационного взаимодействия океана и атмосферы.
Известно, что основное влияние на трансформацию спектральных потоков, несущих информацию об океане, в видимой области оказывает аэрозольная компонента атмосферы, И здесь главную проблему составляет правильное исключение из регистрируемого на спутнике сигнала шумов атмосферной дымки. Лымка сглаживает яркостные и спектральные контрасты, которые содержат информацию о поверхности и биологической продуктивности вод океана. Так, например, при изучении из космоса глобального распределения и динамики хлорофилла, содержащегося в морском планктоне, полезная часть сигнала в средних условиях составляет только 5+10$ от общего /I/. Для правильного исключения яркости атмосферной дымки нужно знать оптические свойства аэрозольной компоненты атмосферы над морем, которые сложно зависят от природы аэрозольных частиц, их строения и распределения по размерам /2/.
Существенное влияние оказывает аэрозоль и на процессы радиационного обмена между океаном и атмосферой. Это связано с прямым воздействием аэрозоля на перенос коротко- и длинноволновой радиации, а также влиянием аэрозоля на формирование и эволюцию облачного покрова /3, 4/.
В то же время, пространственно-временная изменчивость поля концентрации и микроструктура аэрозоля в вертикальном столбе атмосферы над морем изучена недостаточно. Это объясняется, прежде всего, сложностью такого эксперимента. В самом деле, информацию о микроструктуре аэрозоля необходимо получать во всем вертикальном столбе атмосферы и в течение короткого промежутка времени, а в это! ситуации локальные методы оценки микроструктуры с. помощью фотоэлектрических счётчиков и импакторов оказываются мало эффективными. Наиболее перспективны в этом отношении .дистанционные оптические метода. Одним из таких методов является метод спектрально! прозрачности (МОП) /5/. На основе данных о спектральном распределении аэрозольных оптических толщин И7„(А) атмосферы этот метод позволяет получить эксп-ресс-оценку параметров микроструктуры аэрозоля во всем вертикальном столбе атмосферы. Поэтому усовершенствование МОП и использование его для получения данных об аэрозоле над морем, анализ таких данных весьма актуальны.
Основная трудность использования МОП в атмосфере состоит в том, что данные о спектральном распределении аэрозольных оптических толщин можно получить на более узком интервале длин волн, чем этого требуют существующие схемы обращения этих данных на микроструктуру аэрозоля. Поэтому важное значение имеет разработка оптимальной схемы, позволяющей реализовать МОП при измерении на небольшом спектральном интервале.
Для проведения самих измерени! с борта судна, требуется специально разработанная методика и аппаратура, удовлетворяющая требованиям МОП и учитывающая особенности эксперимента. Эти особенности суть: качка судна, сильная изменчивость по спектру и большая яркость солнечного ореола.
имеющийся в настоящее время объем экспериментальных данных о спектральном распределении аэрозольных оптических тол-щин атмосферы над морем весьма незначителен, и большинство из них представляют измерения, выполненные всего на 2-4 длинах волн.
Таким образом, основные задачи диссертации заключаются в следующем: I/ Создание оптимально! схемы обращения данных о Тл№) на микроструктуру аэрозоля. 2/ Разработка методики и проведение судовых измерений спектрально! прозрачности атмосферы. 3/ Оценка по МСЖ параметров микроструктуры аэрозоля над различными районами Мирового океана.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Разработана оптимальная схема обращения данных о спе
ктрально! прозрачности атмосферы на микроструктуру аэрозоля.
В основу схемы положены аналитические оценки параметров ко
ротковолновой асимптотики спектра аэрозольных оптических тол
щин.
2. Предложенная схема позволяет проводить обращения
"L(А), используя заметно меньший спектральный интервал, и
обеспечивает лучшую точность определения параметров микроструктуры.
Установленная аналитическая связь моментов искомого распределения частиц по размерам со спектром аэрозольной оптической толщины позволяет оценивать эти моменты непосредственно, минуя процедуру обращения.
Разработанная методика судовых измерениі обеспечивает получение значенні ^а(Л) в спектральном интервале 0,37--1,02 мкм с точностью не хуке 0,02.
Судовые измерения спектральной прозрачности атмосферы,
выполненные в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах, а также в Средиземном и Красном морях, показывают, что спектральнні ход аэрозольных оптических толщин атмосферы над морем в большинстве случаев носит немонотонный характер. В сине-зеленой области спектра 0,40-0,55 мкм наблюдается устойчивый минимум, происхождение и изменчивость которого можно объяснить вариациями 'бимодальной микроструктуры аэрозоля.
Распределения частиц аэрозоля по размерам, полученные по МОП на основе судовых измерений спектрально! прозрачности, можно разбить на океанские и прибрежные. Для атмосферы над океаном распределение частиц можно аппроксимировать суммой двух логнормальных функций, а для прибрежной асимптотически справедлив степенно! закон.
Параметры микроструктуры аэрозоля зависят от метеоусловий: массовая концентрация частиц аэрозоля в вертикальном столбе атмосферы над морем возрастает при увеличении скорости ветра; счетная концентрация коррелирует с относительной влажностью и температурой воздуха. Коэффициенты корреляции соответственно равны 0,42 и -0,67.
Научная новизна работы состоит в том, что это первое последовательное исследование микроструктуры аэрозоля над морем методом спектральной прозрачности, в котором:
Предложена оптимальная схема обращения данных о спектральном распределении аэрозольных оптических толщин атмосферы на микроструктуру аэрозоля. Изучены условия применимости этой схемы, а также проведена её экспериментальная проверка.
Установлена аналитическая связь моментов искомого распределения частиц по размерам со спектром аэрозольной оптической толщины. Полученные формулы использованы для расчёта массо-
вой и счётной концентрации частиц аэрозоля над морем.
Для оценки параметров микроструктуры аэрозоля над морем проведены подробные спектральные измерения прозрачности атмосферы в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах, а также в Средиземном и Красном морях. Даны рекомендации для оптимального выбора параметров судового комплекса солнечных спектрофотометров.
Рассчитаны по МОП распределения по размерам частиц аэрозоля, которые характерны для прибрежной и океанской атмосферы. Исследовано влияние метеоэлементов на параметры микроструктуры аэрозоля в вертикальном столбе атмосферы над морем.
Изложим основное содержание .диссертации. Работа состоит из четырех глав, введения и заключения.
в первой главе дан кратки! обзор современных представлений о механизме возникновения и распределения по размерам частиц аэрозоля над морем, а также анализ экспериментальных данных по его оптическим константам и спектральной прозрачности атмосферы над морем. Особое внимание при этом уделено интерпретации с точки зрения микроструктуры уже имеющихся данных по спектральной прозрачности атмосферы над морем.
Во второй главе изложена теория метода спектральной проз-рачности, указаны его модификации и подробно исследовано влияние выбора параметров коротковолновой асимптотики спектрального показателя ослабления и квадратурных формул на точность обращения. Получены выражения для оптимальных оценок параметров коротковолновой асимптотики и установлена связь моментов искомой функции распределения частиц по размерам с поведением спектрального показателя ослабления. Проведен ряд численных экспериментов, показывающих явные преимущества предложенной охе-
мы обращения по сравнению с ранее использовавшимися. Разработанная схема проверена на основе сопоставления результатов обращения о прямыми измерениями микроструктуры и опытов с модельної .дисперсной системой.
В третьей главе содержатся результаты судовых измерений спектрально! прозрачности атмосферы над морем. Рассмотрены особенности методики и аппаратурные проблемы измерений, даны рекомендации для выбора входной апертуры, оптических фильтров и приемника излучения солнечного спектрофотометра. Подробно исследовано влияние на результаты измерениі эффекта околосолнечного ореола. Описаны судової комплекс спектральной аппаратуры, время и patоны измерениі.
В четвертой главе диссертации приведен анализ полученного экспериментального материала и рассчитаны по МОП распределения частиц аэрозоля по размерам, характерные для прибрешоі и оке-анскоі атмосферы. Изучены условия применимости степенного и логнормального законов для описания распределения по размерам частиц аэрозоля над морем. Даны оценки моментов распределения и исследована связь параметров микроструктуры с метеоэлементами.
В заключении приведены основные результаты работы.
Настоящая диссертация суммирует результаты исследований, выполненных автором за время работы в Ленинградском отделении Государственного океанографического института (ЛО ГОШ) и Ленинградском гидрометеорологическом институте (ЛМИ), а также за время участия в экспедициях на судах ЛТМИ и МШ, в период с 1977 по 1985 гг.
Основное содержание работы докладывалось на 7, П, УП и IX Пленумах рабочей группы по оптике океана Комиссии АН СССР
по проблемам Мирового океана (г.Калининград, 1978 г.; г.Баку, 1979 г.; г.Таллин, 1980 г.; г.Батуми, 1984 г.), на УШ Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (г.Томск, 1984 г.), на НУ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (г.Ленинград, 1984 г.), на школе молодых ученых социалистических стран по проблеме "Распространение оптического излучения в средах" (г.Томск, 1981 г.), а также на семинарах лаборатории космической океанографии и аэрометодов ЛО ГОИН (г.Ленинград), лаборатории оптики океана и атмосферы Л0 ИОАН (г.Ленинград) и на сессиях Ученого совета ЛІМИ (г.Ленинград).
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность доктору физико-математических наук, профессору К.С.Шифрину и кандидату физико-математических наук, доценту А.Я.Перельману за постоянное внимание и помощь в выполнении работы.
Автор признателен своим коллегам Б.Н.Волкову, Ю.В.Вилле-вальде, О.А.Ершову и А.В.Смирнову, которые активно содействовали развитию основных положений диссертации.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ
Си - радиус частицы
/ - функция плотности распределения частиц по размерам
п - I/ аэрозольная оптическая толщина,
2/ аэрозольный показатель ослабления, Н - высота однородной атмосферы К - показатель Ангстрема /С - фактор эффективности ослабления ПЬ - оптическая масса атмосферы М - массовая концентрация частиц ГЬ - действительная часть показателя преломления /V - счетная концентрация частиц 3/ - фактор эффективности ослабления в приближении
аномальной .дифракции Т7 - температура V - скорость ветра
X - I/ параметр частоты, 2/ индикатриса рассеяния ^0 - зенитный угол Солнца
ОС - I/ показатель ослабления, 2/ параметр регуляризации убк - момент распределения К -порядка }К - мнимая часть показателя преломления Л - длина волны б - стандартное отклонение (р - относительная влажность Ср - световой поток
