Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса
Актуальная проблема изменения климата, в котором важную роль играет атмосфера, ее оптически активные компоненты, приводит к необходимости организации мониторинга атмосферы. Оценка изменения климата возможна лишь с помощью многопараметрическігх теоретических моделей, для создания которой требуются в том числе данные о пространственно-временном распределении озона, паров воды и других малых газовых составляющих (МТС), аэрозоля и термодинамических характеристик атмосферы. Естественно, что получение такой информации возможно на основе проведения регулярных измерений компонент и характеристик, оказывающих заметное влияние на климатообразование, а также анализа полученных рядов данных.
Традиционно, мониторинг состояния атмосферы выполняется и развивается с применением контактных (прямых) и дистанционных (косвенных) методов исследований. Контактные методы, к которым относятся аэрологическое, аэростатное, самолетное и ракетное зондирование, а также наземные измерения, как следствие более раннего возникновения и развития, к настоящему времени получили большое распространение. Например, многие развитые страны имеют собственную сеть зондирования атмосферы с помощью радиозондов. Однако эти методы не могут полностью удовлетворить требования современных исследований из-за таких серьезных трудностей и недостатков, как:
при получении пространственно-разрешенных характеристик атмосферы необходимо средство для перемещения метеодатчика, заборника, детектора или прибора-анализатора;
сетевые носители-радиозонды и метеоракеты используются как одноразовые подъемные средства, что вызывает удорожание наблюдений, и, в частности, на примере отечественной метеосети приводит к вынужденным их сокращениям;
при измерениях проявляется возмущающее действие прибора на исследуемую воздушную среду, учет которого затруднителен и не всегда возможен.
К частным недостаткам радиозондов относятся невозможность получения параметров атмосферы в заранее заданном направлении, инерционность измерений, приводящая к недостаточному пространственному разрешению. Кроме того, радиозонды в редких случаях поднимаются до высот 30 км (чаще всего достигают высот 20-25 км). Самолетные, аэростатные и ракетные средства зондирования не могут обеспечить массовость измерений из-за их дороговизны и зависимости от погодных условий.
Градиентные наблюдения, проводимые на метеомачтах, ограничены высотой в несколько десятков, в отдельных случаях - сотен метров.
Дистанционные методы зондирования атмосферы основаны на измерении и интерпретации характеристик электромагнитного и акустического трансформированного поля после его взаимодействия с исследуемой средой. Дистанционные измерения составляющих и параметров атмосферы осуществляются двумя методами: пассивными и активными. К первой группе относятся спектрометрические (радиометрические) методы зондирования, базирующиеся на измерении и анализе спектрального состава солнечной радиации и теплового излучения атмосферы (полосы поглощения в ИК-диапазоне и отдельные теллурические линии в микроволновом диапазоне для 03, НгО и других МГС ) с земли, аэростатов, самолетов или космических аппаратов. В нашей стране эти методы зондирования получили развитие в работах НИИ ЛГУ, ГГО и ИПФ РАН и активно используются для измерения содержания МГС в атмосфере. Достоинство спектроскопического метода зондирования заключается в относительной простоте его аппаратурной реализации и эксперимента, глобальном характере измерений (при наблюдениях со спутников). Недостатки косвенных измерений связаны с решением некорректных обратных задач при отсутствии точных начальных данных о реальных характеристиках атмосферы, вследствие чего ограничивается точность получаемых результатов и пространственное разрешение, а также наблюдаются трудности в восстановлении пространственных профилей МГС в слоях атмосферы с резкой изменчивостью ее физических свойств. Кроме того, зондирование Оз, НгО и других МГС в микроволновом диапазоне возможно только на больших высотах (Н>20 км), поскольку внизу происходит размытие теллурических линий.
Активные методы зондирования атмосферы можно разделить на лазерные, акустические и прожекторные (здесь не рассматривается метод зондирования заряженных компонент в ионосфере с помощью СВЧ - излучения). Из-за ограниченности дальности действия акустическое зондирование в основном может быть использовано для исследования свойств пограничного слоя атмосферы. Прожекторное зондирование наиболее приемлемо для измерения интегральных характеристик, например, как общего содержания газов на трассах или аэрозольных оптических толщ. Его отличает простота реализации и аппаратурная надежность. Из активных методов исследования атмосферы наиболее прогрессивным является лазерное зондирование, которое позволяет измерять составляющие и параметры атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением и с охватом
диапазона высот от приземного слоя до мезосферы. В этом заключается главное преимущество и уникальность лидарного метода перед описанными выше. Как и любому другому методу, лидарному присущи определенные недостатки, связанные с ограничением по погодным условиям, возможностью выполнением ряда измерений только в ночное время, сложность аппаратуры, трудностью в создании многоцелевых лидарных комплексов. Поэтому естественно, имея ввиду уникальные возможности лидарного метода и достоинства других методов, следует рассматривать их как взаимодополняющие друг друга в интересах всестороннего исследования атмосферы.
Начало применения лазеров для зондирования атмосферы относится к 60-ым годам. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в этой области в таких странах, как США, ФРГ, Франция, Россия, Япония. В России и странах СНГ исследования атмосферы лидарными методами получили развитие в работах ученых таких институтов и организаций, как ЦАО, ИОА, ИПГ, НПО "Тайфун", ГГО, МГУ, ИОФАН, ЦФП, ИФ АНБ, ИСАН, ХИРЭ, ИКИ АНК. В настоящее время обозначается тенденция создания лидарных станций для сетевых наблюдений. Но, к сожалению, станций, работающих в режиме регулярных наблюдений нескольких характеристик атмосферы, сейчас насчитывается не больше десяти в мире. Как правило, исследования атмосферы проводятся отдельными лидарами, каждый из которых способен измерять только одну составляющую (характеристику) атмосферы.
Необходимо также отметить, что если физические принципы, на которых базируется применение лидарного метода, сейчас изучены достаточно хорошо, то остается широкий простор в плане разработки новых методик и современной аппаратуры с целью расширения возможностей лазерного зондирования атмосферы.
С учетом разнообразия и сложности свойств атмосферы, для проведения ее оптических исследований на современном уровне уже недостаточно единичных измерений отдельных составляющих и параметров атмосферы в ограниченном числе пунктов. Требуется :
одновременное зондирование максимально-доступного числа компонентов и параметров атмосферы (термодинамические характеристики, МГС, аэрозоль);
повышение качественных и количественных дифференциальных (профили) и интегральных (общее содержание, оптические толщи) характеристик измерений (точность, чувствительность, пространственно-временное разрешение, диапазон высот, дальность и потолок зондирования);
- проведение исследований на основе регулярных наблюдений и накопление
долговременных рядов данных;
- выполнение наблюдений в ряде разделенных пунктов, т.е. в составе объединенной
сети.
Цель работы
В соответствии с вышеизложенным материалом и предъявленными требованиями цель работы ставилась следующим образом; развитие методов и разработка средств лазерного и оптического (некогерентного) дистанционного зондирования максимально доступного количества климатообразующих и экологически значимых компонентов и параметров атмосферы в расширенном пространственно-временном масштабе для получения, накопления и использования данных в интересах задач исследований изменения климата и экологии окружающей среды.
Основные задачи исследований
-
Разработка и развитие методов и средств лазерного зондирования климатоэкологических компонент и параметров в тропосфере и стратосфере Земли: водяного пара, озона, аэрозоля, температуры.
-
Разработка оптических (нелазерных) способов и средств дистанционного зондирования МТС (озон, двуокись азота, водяной пар) и аэрозоля атмосферы.
-
Организация оптического контроля за вертикальным распределением (ВР) Оз, NO2, Т, НгО и вертикальной стратификацией аэрозоля, общим содержанием озона и ТЧОг и спектральной оптической толщей аэрозоля.
-
Накопление рядов данных в интересах задач климатологии и экологии, фрагментный анализ данных, проводимый как с целью показа преимуществ комплексного использования лидарных и спектрофотометрических методов, способов и средств в изучении свойств атмосферы, так и на предмет исследования особенностей пространственно-временного распределения климатоэкологических характеристик атмосферы, их взаимодействия и связи с атмосферными процессами
Научная новизна
1. На базе трех лидарных методов: метода упругого рассеяния, метода
дифференциального поглощения и метода спонтанного комбинационного рассеяния света
разработан и создан комплекс средств лазерного зондирования атмосферы, включая
лазерный локатор для измерения влажности атмосферы с экспериментально
подтвержденной высотой зондирования до 17 км, и многофункциональный УФ-В лидарный
комплекс для одновременного зондирования озона, аэрозоля и температуры в тропосфере и
стратосфере Земли, а также предложены и технически реализованы оригинальные
оптические способы дистанционного зондирования МГС (Оз, N02, Н20) и аэрозоля
атмосферы.
2. Разработаны, развиты и усовершенствованы методики лазерного зондирования
МГС, аэрозоля и температуры атмосферы, значительно повышающие точность и
расширяющие высотный диапазон лидарных измерений. В частности
методика одночастотного зондирования аэрозоля, минимизирующая ошибку восстановления стратификации аэрозоля на 20-30% по сравнению с известными за счет использования данных метеозондов, калибровки эхо-сигналов на удлиненном участке высот 25-30 км, коррекцию аппаратурных искажений лидарных сигналов и учету влияния рассеивающих параметров атмосферы..
методика зондирования температуры по молекулярному рассеянию света, в которой учет прозрачности атмосферы и применение более короткой длины волны лазера (353 нм) позволил впервые расширить диапазон высот зондирования температуры за счет использования эхосигналов с более низких высот 13-15 км.
методика зондирования МГС по дифференциальному поглощению излучения, где впервые для обработки лидарных сигналов использованы математические методы решения обратных некорректных задач, дающих единственную возможность восстановления профилей концентрации газов при малых уровнях эхо-сигналов. Для данной методики исследованы два принципиально разных варианта реализации МДП: для узкой изолированной линии
П0ГЛ0ЩЄНИЯ( МОЛекуЛЫ Н20, Ада, = 694,38 НМ) И ДЛЯ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩеНИЯ ( МОЛеКуЛЫ О.;, Хчи =
308 нм, Хпе - 353 нм) зондируемого газа, по результатам которых выработаны требования к оптимизации спектральных характеристик лидара (при зондировании влажности) и предложены способы по устранению искажающего влияния аэрозольной и температурной стратификации (при зондировании озона)
- нетрадиционная методика зондирования температуры, в которой носителем информации о
пространственном распределении этого параметра являются суммарные по спектральному
составу СКР-лидарные сигналы , которые пропорциональны плотности молекул
зондируемого газа. В настоящем работе это молекулы азота, возбуждение 1-го
колебательно-вращательного перехода которых впервые осуществлялось ВКР-
преобразованным (353 нм) излучением эксимерного ХеСЬлазера (308 нм) в кювете с
водородом.
3. При использовании рамановского (^о =353нм, Jir=384 нм) и двух релеевских
0.1=353 нм, Х2=532 нм) лидаров впервые перекрыт высотный диапазон зондирования
температуры в тропосфере, стратосфере и нижней мезосфере (2-75 км.).
4. При исследования поля влажности в тропосфере в условиях устойчивой
метеорологической ситуации
- экспериментально подтверждено существенное влияние характера и свойств
подстилающей поверхности на горизонтальное распределение влажности в приземном слое
атмосферы: размеры неоднородностей в профилях влажности хорошо коррелируют с
изменением рельефа и типом подстилающей поверхности.
- в вертикальном распределении концентрации водяного пара наряду с монотонным
убыванием влажности с высотой в пограничном слое обнаружены ее инверсионные слои.
5. В цикле работ по лидарному зондированию аэрозоля
для периода фонового стратосферного аэрозоля (1986 - 1991 гг.) установлены усиление процессов тропосферно-стратосферного обмена зимой и ослабления летом и неустойчивость аэрозольной стратификации, проявляющейся весной и стабилизирующейся летом; отмечены колебания высот уровня тропопаузы и максимума слоя Юнге, которые происходят синхронно (коэффициент корреляции г = 0.75) с наибольшей амплитудой летом и наименьшей зимой согласно закономерности р АН2 = const, где р и АН - плотность воздуха и амплитуда колебаний на этих высотах, что свидетельствуют о процессе распространения атмосферных волн без энергетических потерь; обнаружено образование рассеивающих слоев в стратосфере, локализованных на высотах 22-25 км и 30-40 км, которые по времени коррелируют с периодами повышенной солнечной активности.
- в период поствулканического возмущения стратосферы (июль 1991-1995гг.) отслежена
динамика распространения и изменчивости эрруптивного аэрозольного облака от
извержения вулкана Пинатубо над Томском., даны интегральные и дифференциальные
оценки аэрозольного наполнения стратосферы, проведен сравнительный анализ с результатами наблюдений ряда лидарных станций Северного полушария. 6 По данным лидарного зондирования озона было получено, что :
для вертикального распределения озона (ВРО) в условиях фонового СА наибольшая и наименьшая высота локализации максимума озонного слоя наблюдается летом и зимой, на Н = 22-33 км и Н = 18-21 км, соответственно. Сравнение средних ВРО и их изменчивости с наблюдениями озонометрической станции Легионово (52 с.ш., 21 в.д.) показало, что в зимне-весенний период отмечается хорошее сходство в ВРО в интервале высот 13-20 км. и на высотах 29 км.; в летне-осенний период во всей стратосфере, а также в зимне-осенний в интервале высот 20-29 км., концентрация озона над ст.Легионово выше, чем над г.Томском; профили изменчивости ВРО во всей стратосфере на обеих пунктах наблюдений близки между собой. Отмеченные особенности ВРО объясняются условиями стратосферной мередианальной циркуляции.
в эрруптивно-возмущенной стратосфере проявляется отрицательная корреляция между концентрациями озона и аэрозоля в слоях с высоким содержанием аэрозоля, что подтверждает деструктивное воздействие последнего на озон при значительных уровнях аэрозольных загрязнений.
-
Анализ ряда лидарных наблюдений стратосферного озона за период с 1989г. по настоящее время, выполненный с привлечением синоптической информации и литературных данных, показал на преобладающую роль динамических процессов в формировании ВРО в нижней стратосфере. Особую значимость в исследовании динамики озоносферы приобретает принцип Норманда-Добсона, который, используя информацию о ВРО и ВРТ, дает возможность разделить и оценить влияние и вклад динамических процессов горизонтальной адвекции и вертикального движения воздушных потоков на изменение ВРО и ВРТ; вертикальные профили озона и температуры, в данном случае, можно рассматривать как трассеры динамических процессов.
-
При проведении лидарных и спектрофотометрических исследованиях состояния озоносферы (измерения ВРО, ВРТ, ВР N02.OCO , ОС N02) выявлены
- существование периода времени с выраженной отрицательной корреляцией озона и
двуокиси азота в стратосфере, что свидетельствует о проявлении фотохимических процессов
азотного цикла разрушения озона; указанный период времени соответствует периоду зимне-
весенней сезонной перестройки циркуляции, когда в стратосфере сводится к минимуму
зональный и меридиональный перенос воздушных масс .
-случаи с взаимосвязанными положительными аномалиями ВРО и ОСО, обусловленные процессами адвекции полярных воздушных масс и нисходящих потоков воздуха, и обнаружено, что при положительных аномалиях озона за 2-4 дня до наблюдения максимального ОСО отмечается резкое разовое возрастание вечернего содержания N02 в слое от верхней тропосферы до нижней стратосферы. Выдвинуто предположение, что данный эффект вызван суперпозицией особенностей широтного распределения содержания N02 и выноса арктического воздуха с последующим фотохимическим восстановлением N02 из соединений-резервуаров, происходящего под действием солнечной радиации.
Научная и практическая значимость.
1. Разработанный и созданный автором УФ-В лидарный комплекс в составе Сибирской лидарной станции, являющейся единственной точкой лидарного мониторинга в азиатской части Росси, используется в регулярных измерениях вертикального распределения озона и температуры и стратификации аэрозоля в тропосфере и стратосфере для накопления многолетних рядов данных.
1. Результаты работы могут быть использованы для создания многоцелевых лидарных комплексов с улучшенными тактико-техническими характеристиками для одновременного зондирования ряда компонент и параметров атмосферы, а также спектрофотометров для измерений МГС и аэрозоля.
-
Накопленные долговременные ряды лидарных наблюдений за вертикальным распределением озона и температуры и стратификацией аэрозоля в стратосфере (аэрозоля - с 1986 г., озона - с 1989 г., температуры - с 1995 г. по настоящее время), которые представляют несомненный интерес для исследования физических свойств атмосферы, задач климатологии и экологии, создания региональной модели атмосферы.
-
По разработанным методикам обработки данных в завершенном виде созданы универсальные пакеты программ, которые могут быть рекомендованы для обработки эхо-сигналов при восстановлении профилей озона, влажности, температуры и стратификации аэрозоля, получаемых различными типами лидаров.
Основные защищаемые положения:
1. Реализация в едином лидарном комплексе методов дифференциального
поглощения, упругого и комбинационного рассеяния света обеспечивает одновременное
измерение вертикального распределения озона, температуры и аэрозольной стратификации
в тропосфере и стратосфере. При этом использование в методике обработки данных
реальных профилей температуры и аэрозольной стратификации устраняет погрешность а
восстановлении профилей концентрации озона, вызванную влиянием температуры и
аэрозоля, которая на отдельных участках профиля может достигать 30-40%, а
одновременное использование рамановского (384 им) и релеевского (353 и 532 нм) эхо-
сигналов позволяет вести зондирование температуры в расширенном интервале высот 2 *-
75 км.
2. При фоновом содержании аэрозоля в атмосфере:
-сезонная изменчивость отношения рассеяния в области тропопаузы обусловлена процессами тропосферно-стратосферного обмена воздушных масс с усилением их зимой и ослаблением летом;
-колебания уровней тропопаузы и высоты максимума стратосферного аэрозольного слоя происходят синхронйо и имеют выраженный сезонный характер с максимумом летом и минимумом зимой, при этом плотность воздуха р и амплитуда колебаний ДН на этих высотах подчиняются закономерности р»ДН2 = const, что свойственно для волновых процессов в атмосфере, распространяющихся без энергетических потерь,
3. Применение при лазерном зондировании влажности атмосферы разработанных:
-комплекса аппаратуры, включая перестраиваемый по частоте лазер на рубине с
узким спектром излучения и высокой воспроизводимостью длины волны излучения;
-методики с высокочастотной спектральной настройкой, проводимой с помощью електрофона;
-данных теоретического анализа атмосферных профилей массового коэффициента поглощения линии поглощения НгО (X = 694,38 нм) и математического аппарата сплайн-функций обработки лидарных данных обеспечивает при наблюдениях с уровня Земли оперативное определение вертикального распределения концентрации водяного пара во всей толще тропосферы и в отдельных случаях нижней стратосферы и тонкой структуры поля влажности до расстояний 2 км
-
Качественные и количественные результаты синхронных лидарных измерений вертикального распределения озона, температуры и аэрозоля позволяют использовать последние как трассеры динамических процессов, происходящих в нижней и средней стратосфере.
-
Данные комплексного оптического зондирования озона, аэрозоля, температуры и двуокиси азота позволяют в условиях стационирования динамических процессов выделить временные периоды с преобладающим вкладом фотохимических процессов на формирование озоносферы средней стратосферы.
Достоверность результатов, выводов и положений диссертационной работы обеспечивается:
-тщательной разработкой методик, минимизирующих погрешности измерений,
анализом точностных характеристик восстановления зондируемых компонент и параметров атмосферы, проведенного как в модельных численных экспериментах, так и на основе реальных сигналов;
надежностью аппаратуры и высокой точностью измерений, градуировкой и калибровкой;
- соответствием полученных данных с контрольными измерениями,
-качественным и количественным соответствием полученных результатов, выводов,
зависимостей с имеющимися современными теоретическими и экспериментальными данными о физических свойствах атмосферы.
Апробация работы
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных и Межреспубликанских симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск. 1971, 1973, 1979), на Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск 1974, 1976, 1978, 1980. 1982, 1984, 1986, 1993), на Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск. 1995, 1996, 1997), на Всесоюзном симпозиуме "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1975), на совещаниях проблемно-теоретической группы по теоретической астрономии секции астрономии АСАН СССР (Иркутск, 1986), международной рабочей группы по исследованию электродинамики и состава мезосферы (Нижний Новгород, 1992), на Международных
конференциях и симпозиумах по лазерной локации (Мюнхен, 1979), по применению лидаров в исследованиях атмосферной радиации и климата (Гамбург, 1982), по лидарам (Энс-Эль-Прованс, 1984), по использованию лазерных локаторов (Иннишен-Сан Кандидо, 1988), по лазерам и их применению (Пловдив, 1988), конференции по лазерной оптике (Санкт-Петербург, 1995), по лидарам (Берлин, 1996), а также в других Международных, межведомственных и региональных рабочих семинарах и совещаниях.
Использование результатов работы и их внедрение
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении региональных, государственных и международных научных и научно-технических программ, ряда госбюджетных и хоздоговорных тем и отражены в соответствующих отчетах. Среди указанных программ следует отметить: НТП 'Сибирь' , ГНТП России "Глобальные изменения природной среды и климата", разделы ТОР и TESLAS международного проекта EUROTRAC, российско -китайский проект "Лазерные технологии в климато-экологическом мониторинге", российско-американский проект по сотрудничеству в области охраны окружающей среды. Разработанный многофункциональный лидарный комплекс и полученные и накопленные на нем результаты исследований явились важным фактором для включения Сибирской лидарной станции в число уникальных установок России (per.№01-64). Полученные материалы использованы в нескольких организациях страны; на некоторые из них имеются акты внедрения.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 37 статей в отечественных и 4 в зарубежных научных журналах, получено 8 авторских свидетельств.
Личный вклад
Диссертация является обобщением работ по проблемам дистанционного оптического зондирования атмосферы, выполненных в Институте оптики атмосферы СО РАН. за период 1971-1997 г.г.
Личный вклад автора состоял в постановке научных задач теоретических и экспериментальных исследований, научным руководством проводимых исследований и непосредственным участием в них.
Особенно следует отметить личный вклад автора в разработку и создание лазерного локатора по зондированию влажности атмосферы, многоцелевого УФ-В лидарного комплекса для зондирования озона, аэрозоля и температуры, а также разработку методик зондирования атмосферы и организацию, проведение и накопление долговременных рядов наблюдений за вышеуказанными компонентами и параметрами атмосферы. Широкий круг и сложность рассматриваемых и решаемых вопросов предопределило необходимость коллективной работы. Так все экспериментальные работы по лазерному и спектрофотомегрическому зондированию атмосферы проводились с участием сотруднихов лабораторий оптического зондирования атмосферы, спектроскопических методов зондирования, высотного зондирования и дистанционной спектроскопии атмосферы. Большая часть результатов была получена в лабораториях оптического зондирования и дистанционной спектроскопии атмосферы
Математическая обработка лидарных данных по зондированию влажности атмосферы и теоретический анализ особенностей поглощения лазерного излучения узкой изолированной линией молекул НгО проводился совместно с А.А. Мицелем, разработка методик и пакета программ по восстановлению профилей озона из лидарных сигналов -совместно с М.Ю.Катаевым
В организации исследований, анализе и обсуждении полученных результатов активная помощь и участие оказывались ИВ. Самохваловым и В.В. Зуевым, которые являются соавторами в ряде публикаций.
При выполнении диссертационной работы непосредственная поддержка и интерес к ней постоянно проявлялись со стороны директора Института оптики атмосферы академика В.Е.Зуева.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 270 страниц текста, 102 рисунка, 17 таблиц и 245 литературных ссылок.
