Введение к работе
Актуальность проблемы. Радиация играет фундаментальную роль в качестве основного источника и стока энергии в системе земная поверхность - океан - атмосфера. Поэтому исследование компонентов радиационного баланса Земли (РБЗ) на уровне верхней границы атмосферы (ВГА), является одной из приоритетных задач Всемирной Программы Исследований Климата, принятой Всемирной Метеорологической организацией.
Рассматривая, как меняются компоненты РБЗ, можно лучше понять механизмы перераспределения энергии в системе земная поверхность -океан - атмосфера. Данные о РБЗ также можно использовать для все еще не решенного вопроса о влиянии облачности на тепловой баланс у ВГА. Необходимо понять взаимосвязь между радиационными энергетическими потоками у ВГА и климатом для получения прогнозов влияния на него ряда возмущающих факторов (например, изменения содержания СОг, вулканических аэрозолей, величин поверхностных альбедо) и процессов обратных связей (например, обратные связи относительной влажности, облачности и лёд-альбедо).
Систематические наблюдения компонентов РБЗ необходимы для улучшения климатических моделей, для уточнения того, как регионы Земли и вся планета в целом обмениваются радиацией с космосом.
Компоненты РБЗ относят к ВГА, за которую условно принята поверхность на высоте 30 км от земной поверхности. Следовательно, их можно измерять только извне, с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Это дает возможность покрыть измерениями всю поверхность Земли, найти соответствующие градиенты горизонтального переноса энергии, например, потоки экватор - полюс, экспериментально оценить величину парникового эффекта атмосферы и т.п.
Одним из важнейших компонентов РБЗ является уходящая коротковолновая радиация (УКР) или, соответственно, альбедо.
В ряде российских и зарубежных работ подчеркивается важность мониторинга альбедо, как одного из ключевых факторов изменений климата. Изучение распределения альбедо по поверхности Земли и его вре-
4 менных изменений даёт материал для решения многих частных вопросов общей теории климата и его моделирования. Дальнейшее совершенствование аппаратуры и методов измерений УКР и альбедо с ИСЗ является, таким образом, также актуальной задачей.
Для решения подобных задач в Саратовском госуниверситете создан опытный образец спутникового измерителя коротковолновой отраженной радиации (ИКОР), предназначенный для измерений потоков уходящей коротковолновой радиации (УКР) и альбедо системы Земля-атмосфера и работавший на ИСЗ «Метеор-3» №7.
Поскольку основные инструментальные измерения составляющих РБЗ производились за рубежом, то проведение независимых сопоставимых измерений и разработка методики обработки полученных данных является актуальной задачей.
Цель настоящей работы - разработка теоретических и методических вопросов обработки всего массива наблюдений ИКОР с ИСЗ «Метеор-3» №7, получение и анализ научных данных, выдача рекомендаций на ОКР для международного космического эксперимента на ИСЗ «Ре-сурс-01» №4.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
Анализ условий наблюдений земной поверхности аппаратурой ИКОР, классификация наблюдательного материала в зависимости от его распределения по долготным поясам, условий освещения Солнцем земной поверхности. Оценка геотипов наблюдаемых поверхностей.
-
Теоретический анализ соотношения между измеренной величиной и искомыми величинами УКР и альбедо. Вывод рабочих формул. Разработка программ расчетов величин УКР и альбедо.
-
Оценка качества функционирования аппаратуры ИКОР.
-
Анализ широтного распределения УКР и альбедо в различных регионах Земли в зависимости от времени года, геотипа подстилающей поверхности, облачности.
5 5. Сопоставление данных, полученных аппаратурой ИКОР, с данными об альбедо и УКР, полученными другими радиометрами.
Использованные материалы.
-
Данные наблюдений УКР аппаратурой ИКОР за 1994-95 гг.;
-
Материалы наблюдений аппаратурой СКАРАБ, предоставленные французской стороной через ВНИИГМИ - МИД (г. Обнинск).
-
Материалы калибровки аппаратуры ИКОР.
-
Снимки земной поверхности с геостационарного ИСЗ GOES-7 над Тихим океаном (1994-1995 гг.).
-
Атласы NASA поглощенной солнечной радиации, альбедо, уходящей длинноволновой радиации (УДР) за 1975-78 гг. и 1986-88 гг..
Научная новизна работы:
получено новое теоретическое соотношение для расчета среднего значения альбедо в поле зрения измерителя ИКОР;
разработан весь процесс получения по кодам рабочих напряжений аппаратуры ИКОР значений УКР и альбедо, их привязки к координатам и времени;
весь массив наблюдений единообразно обработан и является независимым по отношению к аналогичным данным, полученным другими радиометрами;
на материале наблюдений аппаратурой ИКОР и СКАРАБ с привлечением данных, полученных с ИСЗ GOES-7, прослежены связи УКР-облачность и альбедо-облачность. Выявлены особенности широтного распределения УКР и альбедо по различным долготным поясам.
результаты сравнений потоков УКР, полученных квазисинхронно радиометрами ИКОР и СКАРАБ, сравнения с данными других радиометров показали, что погрешность измерений УКР и альбедо радиометром ИКОР невелика, а измерения соответствуют единой шкале Мирового радиометрического эталона (МРЭ).
6 На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
Итоги анализа условий наблюдений земной поверхности аппаратурой ИКОР, алгоритм обработки наблюдений, новое соотношение для расчётов среднего по полю зрения альбедо, оценка репрезентативности полученных результатов.
-
Программы обработки наблюдений, позволяющие осуществлять визуальный контроль положения проекции орбиты на поверхности Земли, а также производить полную обработку получаемой от радиометра ИКОР информации с выдачей значений УКР и альбедо на уровне верхней границы атмосферы.
-
Особенности широтного распределения мгновенных величин УКР и альбедо и среднемесячных зональных величин альбедо на ВГА для трех долготных поясов по данным измерений аппаратурой ИКОР.
Научно-практическая ценность работы.
-
Алгоритмы разработанных программ могут быть использованы для радиометров широкого и среднего поля зрения (СПЗ). К последнему типу относится ИКОР.
-
Разработаны программы машинной обработки, обеспечивающие:
выполнение визуального контроля и просмотр на фоне карт соответствующих проекций ежеминутных данных от любого витка с выдачей координат подспутниковой точки, азимутов и зенитных углов Солнца, величин УКР для каждого отсчета ИКОР с ИСЗ;
получение мгновенных широтных распределений УКР для любого витка наблюдений;
получение мгновенных широтных распределений альбедо для любого витка наблюдений;
получение среднемесячных зональных широтных распределений альбедо.
3. Создан банк данных наблюдений аппаратурой ИСП-2 (включая
ИКОР), переданный для использования в НИЦ ИПР Росгидромета.
-
Независимо подтверждено сохранение уровня шкалы коротковолнового канала радиометра СКАРАБ.
-
Рекомендации о целесообразности введения в блок электроники радиометра ИКОР управляющего звена, обеспечивающего смену режима его работы (включая круглосуточный), а также о необходимости установки датчика температуры на наружный блок радиометра внедрены в модернизированный экземпляр ИКОР, работающий в настоящее время на ИСЗ «Ресурс-01» :№4 (вывод на орбиту состоялся 10 июля 1998 г.). Это позволило улучшить характеристики модернизированного экземпляра ИКОР.
Апробация работы. Основные положения и материалы работы докладывались на следующих международных конференциях: «International Workshop on VUV and X-Ray Radiometry for Space-Based Instruments» (Берлин, Германия, 1994); «First International ScaRaB Science Working Group Meeting» (Париж, Франция, 1995); «Third International ScaRaB Science Working Group Meeting» (Будапешт, Венгрия, 1996); «Fourth International ScaRaB Science Working Group Meeting» (Брюссель, Бельгия, 1997); на Всероссийской научно-технической конференции по воздухоплаванию (Вольск, Россия, 1994), а также на объединённых семинарах кафедры метеорологии и климатологии СГУ, лаборатории астрономических и геофизических исследований НИИ механики и физики СГУ с участием сотрудников ВНИИГМИ - МЦД.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованных источников (121 наименование). Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 2 таблицы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
