Введение к работе
Актуальность. Для учета влияния атмосферы во многих прикладных задачах, связанных с оценкой эффективности оптических систем, действующих через атмосферу, требуется численная информация о характеристиках аэрозоля - атмосферных дымок разных климатических районов и сезонов года. Учет вариаций аэрозольного состава атмосферы необходим для повышения точности расчетов радиационного режима системы "атмосфера - подстилающая поверхность" в проблеме моделирования возможных тенденций изменения климата. Как погодообразующий фактор аэрозоль играет существенную роль в атмосферных процессах, оказывая прямое влияние на перенос радиации в результате рассеяния и поглощения солнечного излучения и участвуя в качестве ядер конденсации в формировании облаков и выпадении осадков. Актуальной задачей является исследование антропогенных загрязнений атмосферы для оценки влияния газовых и аэрозольных компонентов, их преобразований в атмосфере определение механизмов диффузии в пространстве и дальности распространения, уровня концентрации и оптического действия. К настоящему времени накоплен большой объем информации о физико-химических свойствах атмосферного аэрозоля, фундаментальных закономерностях его образования и трансформации, пространственно-временной изменчивости полей оптических и микрофизических характеристик. Вместе с тем, для совершенствования моделей, учитывающих динамичность процессов, проходящих в атмосфере с участием аэрозоля, изучения особенностей формирования и трансформации аэрозольных полей и их изменчивости в зависимости от глобальных, региональных и локальных геофизических факторов требуются систематические данные на основе долговременных наблюдений.
Важнейшими характеристиками для численной оценки эффектов, вызываемых наличием в атмосфере аэрозоля, являются распределение частиц
4 по размерам и их физико-химические свойства, определяющие комплексный показатель преломления. Располагая этой информацией можно найти требуемые оптические характеристики и определить интегральные параметры микроструктуры аэрозоля, такие как счетная концентрация, объемная концентрация, поверхность частиц. При исследовании атмосферных дымок оптическими методами информацию о микроструктуре аэрозоля можно получить из спектральных или угловых характеристик рассеяния излучения полидисперсной средой методами решения обратной задачи. Вследствие того, что функциональные зависимости оптических характеристик рассеивающей среды с микрофизическими параметрами аэрозоля выражаются интегральным уравнением Фредгольма I рода, интерпретация результатов оптического эксперимента приводит к некорректной (недоопределенной) обратной задаче. Развитые к настоящему времени методы решения некорректных обратных задач основаны на построении алгоритмов, обеспечивающих устойчивые к малым возмущениям исходных данных приближенные решения, путем привлечения дополнительной (априорной) информации.
В решении обратных задач оптики атмосферы наибольшее применение получили методы регуляризации А.Н. Тихонова, статистической регуляризации В.Ф. Турчина, параметрические методы, разработанные в ИФА РАН и ИОА СО РАН, в зарубежных исследованиях метод Д. Филлипса. Наряду с отмеченными математическими трудностями, задача интерпретации данных оптического зондирования атмосферного аэрозоля усложняется тем, что в большинстве случаев при восстановлении распределения частиц по размерам неизвестны оптические константы вещества частиц, определяющие ядро соответствующих интегральных уравнений. В ряде работ (R. Eiden, и И.Э. Наац с сотрудниками. Г.И. Горчаков, А.С. Емиленко, ВВ. Веретенников, J.A. Reagan) и др. решались задачи определения параметров микроструктуры аэрозоля и показателе преломления частиц по данным оптических измерений. Такая постановка обратной задачи более сложна и требует разработки специальных методик і
5 алгоритмов интерпретации данных комплексного эксперимента на основе анализа информативности оптических характеристик. Теоретические вопросы интерпретации данных комплексных оптических экспериментов рассмотрены в работах И.Э. Нааца.
Учитывая значительную пространственную изменчивость атмосферного аэрозоля, для получения наиболее адекватных представлений о микрофизических характеристиках требуются данные, усредненные по большому объему. В этом отношении перспективны измерения спектрального пропускания атмосферных дымок в видимом и ИК - диапазонах длин волн на протяженных трассах с последующим обращением данных оптических измерений. Эффективным средством получения информации об оптических и микрофизических характеристиках атмосферного аэрозоля, их пространственно-временных изменениях, являются лазерные локаторы (лидары). Достоинства лазерного зондирования атмосферы (высокое пространственно-временное разрешение, оперативность получения информации, возможность использования разнообразных эффектов взаимодействия лазерного излучения с исследуемой средой) показанные в монографиях В.Е. Зуева, вызв&чи быстрый прогресс в разработке лидарных систем для контроля загрязнений атмосферы, исследования облачных образований, зондирования атмосферы и земной поверхности из Космоса и других приложений. Наиболее информативны данные многочастотного лазерного зондирования, позволяющие применить методы обратной задачи для восстановления микрофизических и оптических характеристик аэрозоля. Лидары нашли широкое применение в исследовании стратосферного аэрозольного слоя. С помощью лидаров изучалось влияние вулканической активности на стратосферный аэрозоль, были выявлены сезонные вариации, получены оценки времени пребывания частиц в стратосфере, прослеживалось распространение аэрозольных слоев на различных высотах и их временная трансформация. Вместе с тем, при исследовании методом лазерной локации
свойств содержащихся в атмосфере аэрозольных частиц, большая часть результатов получена к настоящему времени с помощью лидаров, работающих на одной длине волны и носит преимущественно качественный характер. Недостаточность информации, прлучаемой одяочастотньши лидарами для решения задач климатологии, изучения значимости гетерогенных реакций на поверхности частиц как фактора стока от стратосферного озона на аэрозоль и других приложений вызвали возрастающий в настоящее время интерес к увеличению числа длин волн зондирования для обеспечения возможности численной оценки параметров микроструктуры аэрозоля. Развитые в ИОА СО РАН теория и методы многочастотной лазерной локации атмосферы и первые результаты численного определения параметров микроструктуры и оптических характеристик аэрозоля обращением данных зондирования стратосферы в г. Томске наземным лидаром на двух и трех длинах волн в 1975-1976 г.г. (в период после извержения вулкана Фуэго), приведены в монографиях В.Е. Зуева и И.Э. Нааца. Результаты применения наземных двухчастотных лидаров в исследовании стратосферного аэрозоля за последние годы приводятся в работах В.В. Зуева с сотрудниками (ИОА СО РАН), А.П. Иванова, А.П. Чайковского, В.Н. Щербакова (Институт физики НАН Беларуси) и в ряде зарубежных публикации (J. Iwasaka, Н. Jager, A. Adriani, С. Wedekind и др.).
Цель и основные задачи. С учетом актуальности перечисленных проблем цель диссертационной работы заключалась в разработке и реализации в исследованиях атмосферного аэрозоля средствами оптического зондирования методов и численных алгоритмов дистанционного определения микрофизических хараетеристик дисперсных сред и контроля их пространственно-временной изменчивости.
Основные задачи исследований состояли в следующем: 1. Разработка методов, численных алгоритмов и программного обеспечения для решения обратных задач определения
7 микрофизических параметров и восстановления оптических характеристик атмосферного аэрозоля по данным измерений спектральных зависимостей коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного рассеяния.
-
Исследование информационных возможностей многочастотных лидаров и спектральных фотометров в численных и натурных экспериментах, анализ эффективности решения обратных задач в изучении локальных особенностей распределения частиц по размерам в различных интервалах дисперсности, точности количественных оценок параметров микроструктуры и восстановления оптических характеристик аэрозоля.
-
Разработка и реализация методов совместного определения характеристик дисперсности аэрозоля и оптических констант вещества частиц на основе исследования информативности спектральных зависимостей оптических характеристик и обращения данных комплексного эксперимента.
-
Обоснование многочастотного лазерного зондирования как метода получения количественной информации о параметрах микроструктуры и спектральных зависимостях оптических характеристик стратосферного аэрозоля, построение на основе решения обратной задачи с учетом современной микрофизической информации методик интерпретации данных зондирования стратосферного аэрозоля двух-четырех волновыми наземными лидарами.
-
Исследование атмосферных дымок, включая стратосферный аэрозольный слой, методами решения обратных задач на основе систематических измерений спектральной прозрачности атмосферы на протяженных горизонтальных трассах в видимом и ИК-диапазонах, синхронных измерений полного и обратного аэрозольного рассеяния в видимом диапазоне длин волн в локальном объеме воздуха с
8 использованием спектрального нефелометра, данных зондирования стратосферы наземными многочастотными лидарами.
Научная новизна.
-
Разработан оригинальный комплекс методик, алгоритмов и программ обращения спектральных характеристик рассеяния оптического излучения с использованием численных методов минимизации функций многих переменных для исследования атмосферных дымок оптическими методами.
-
На основе анализа информативности данных многочастотных лидаров и спектральных фотометров численно обоснована возможность и эффективность совместного определения характеристик микроструктуры аэрозоля и показателя преломления частиц обращением данных синхронных измерений спектральных зависимостей аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, построены и реализованы соответствующие методики и алгоритмы интерпретации данных комплексного оптического эксперимента.
-
Обоснована эффективность многочастотной лазерной локации стратосферного аэрозольного слоя как метода получения количественной информации о микроструктурных и оптических характеристиках аэрозоля и контроля их пространственно-временной изменчивости.
-
Впервые методом обращения данных лазерного зондирования получена численная информация о дисперсности, спектральных оптических характеристиках и пространственно-временной динамике аэрозоля в стратосфере, «возмущенной» вулканическим воздействием.
-
Исследован малоизученный процесс образования и развития дымки при отрицательных температурах воздуха в условиях подавленной снежным
9 покровом генерации почвенных частиц. Получены новые данные о трансформации аэрозольных распределений в ходе этого процесса.
-
Получены оценки усредненных по массиву реализаций за период наблюдений (декабрь) основных интегральных характеристик субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в зимних дымках различной оптической плотности.
-
Непосредственно из обращения данных комплексного оптического эксперимента в условиях аридной зоны получены усредненные по массиву реачизаций за период измерений (сентябрь) оценки показателя преломления частиц субмикронного аэрозоля в видимой области спектра.
Основные положения и результаты выносимые на защиту:
-
Реализованные методы решения обратных задач позволяют исследовать процессы динамики атмосферных дымок, восстанавливать временную трансформацию аэрозольных распределений в этих процессах с разрешением, достаточным для выявления области действия физических механизмов генерации частиц, региональных и сезонных особенностей микроструктуры аэрозоля.
-
Метод многочастотного лазерного зондирования, основанный на решении обратной задачи аэрозольного светорассеяния, при использовании современной (априорной) микрофизической информации дает состоятельные количественные оценки дисперсности и спектральных оптических характеристик аэрозоля на различных высотах в нижней стратосфере, обеспечивающие возможность экстраполяции за пределы диапазона зондирования с коэффициентом усиления погрешности измерений 1.5-2 и прогноз оптической толщи стратосферного аэрозоля.
-
По результатам обращения данных лазерного зондирования установлена специфика поствулканического помутнения стратосферы, связанная с развитием вторичного максимума на высотах >17 км. Относительный вклад в оптическую толщу аэрозоля области высот 17-26 км увеличился от 20% в среднем за июль 1991 г. до 50 % в апреле 1992 г. при общем увеличении оптической толщи стратосферного аэрозоля над Томском за тот же период от 0.074 до 0.195 на длине волны 532 нм.
-
Усредненные по массиву реализаций за длительный период наблюдений оценки вещественной части показателя преломления частиц в видимой области спектра, полученные непосредственно из обращения данных комплексного оптического эксперимента в полупустынном районе (Алма-Атинская обл.), согласуются с известными модельными представлениями показателя преломления частиц в зависимости от относительной влажности воздуха.
Предметом защиты также являются:
- Методики, алгоритмы и программы определения дисперсности и
показателя преломления частиц, основанные на анализе информативности и
обращении спектральных оптических характеристик светорассеяния и
результаты исследования их эффективности в численных и натурных
экспериментах.
Результаты исследования оптико-микрофизических характеристик аэрозоля методом обращения данных лазерного зондирования стратосферы, "возмущенной" воздействием извержения вулкана Пинатубо, в том числе
Спектральные зависимости коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой и ближней ИК-области спектра и оценки оптической толщи стратосферного аэрозольного слоя на высотах 11-30 км.
Численные оценки параметров распределения частиц по размерам и их пространственно-временная динамика в период формирования и развития поствулканических аэрозольных слоев.
-Результаты исследования трансформации распределения частиц по размерам в процессе образования и развития зимней дымки при отрицательных температурах воздуха в условиях подавленной снежным покровом генерации почвенных частиц.
- Количественные данные о средних оценках интегральных
характеристик субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в зимних
дымках различной оптической плотности.
Достоверность
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается:
-результатами численного моделирования и анализом эффективности решения обратных задач с использованием разработанных методик, алгоритмов и программ в численных экспериментах по замкнутой схеме.
-соответствием результатов восстановления микрофизических характеристик приземных атмосферных дымок обращением данных натурных экспериментов современным представлениям о физических механизмах образования и трансформации атмосферного аэрозоля.
- согласованностью результатов определения параметров
микроструктуры и оптических характеристик аэрозоля методами обратной
задачи в стратосфере, возмущенной извержениями вулканов Фуэго и Пинатубо
с известными данными прямых и оптических наблюдений.
Научно-практическая значимость
Разработанные методики а алгоритмы интерпретации данных оптических экспериментов дают возможность оперативно получать численную информацию по основным микрофизическим параметрам и оптическим характеристикам аэрозоля в мониторинге дисперсных загрязнений атмосферы, перспективны в исследовании процессов образования и трансформации
12 аэрозоля в задачах физики и оптики атмосферы, получении численної информации, необходимой для повышения точности радиационных расчетов.
Результаты исследования малоизученных до настоящего времени зимни: дымок могут быть использованы при разработке микрофизических і оптических моделей атмосферного аэрозоля с учетом сезонных особенностей.
Полученные численные оценки микрофизических и оптическиз характеристик аэрозоля в стратосфере, «возмущенной» воздействиед извержения вулкана Пинатубо, результаты исследования их пространственно временной динамики дополняют информацию, полученную на расположении: в различных широтных зонах станциях лидарного мониторинга стратосферы необходимую в изучении влияния вулканических извержений на тенденциі изменения климата и погоды.
Апробация
Основные результаты исследований, представленные к диссертации докладывались и обсуждались на 1, 2 Всесоюзных симпозиумах п< распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1971, 1973); 3-5, 7 11 Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированик атмосферы (Томск, 1974, 1976, 1978, 1982, 1992); 10 Всесоюзной конференцш по распространению радиоволн (Иркутск, 1972); 4 Международно! конференции по изучению атмосферы лазерными радарами (США, Виргиния 1973); 1 и 3 Ассамблеях 1AMAR (Австралия, Мельбурн 1974; ФРГ, Гамбур] 1981); Всесоюзном симпозиуме по радиофизическим методам исследована атмосферы (Ленинград, 1972); 1 Всесоюзном совещании по атмосферної оптике (Томск, 1976); Международном симпозиуме по радиации в атмосфері (ФРГ, Гармиш-Партенкирхен, 1976); 12 Совещании по актинометрии (Иркутск 1984); Симпозиум SPIE (США, Орландо, Флорида, 1993, 1995 г.г.) Европейской аэрозольной конференции (Финляндия, Хельсинки, 1995); Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмсоферы и океана" (Томск
13 1994); 21 Генеральной ассамблее международного союза геодезии и геофизики (США, Болдер, Колорадо, 1995).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 44 научные работы, включая 25 статей в центральных жерналах и тематических сборниках, 19 статей в трудах конференций и тезисов докладов, представленных на всесоюзные, межреспубликанские и международные конференции.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Обший объем диссертации составляет 160 страниц, включая 40 рисунков, 20 таблиц и 136 литературных ссылок.
