Экспериментальные исследования аэрозольной оптической толщи атмосферы над океаном и континентом Кабанов Дмитрий Михайлович

Исследование метрологических характеристик фотометров 39

Методика автоматизированных измерений сигналов прозрачности 44

Калибровка солнечного фотометра 48

Основные результаты главы 1 ..... 75

Глава П Пространственная изменчивость аэрозольной оптической толщи

Характеристика экспериментальных данных и условий наблюдений 81

Данные наблюдений АОТ атмосферы над континентом 83

1. 2. 4. 1. 1. Связь АОТ с метеопараметрами и концентрацией аэрозоля над океаном 124

            2. Связь АОТ с метеопараметрами и горизонтальной прозрачностью атмосферы в континентальных условиях 134

            Длиннопериодная изменчивость АОТ атмосферы 138

            1. Влияние извержения вулкана Пинатубо на замутнение атмосферы над Атлантикой , 139

         3.4 Законы распределения аэрозольной оптической толщи атмосферы над океаном и

         континентом 165

         3 .5 Дневной ход АОТ атмосферы 170

         Приложение 204

         Введение к работе

         Актуальность темы

         Настоящая работа посвящена одному из важных направлений атмосферной оптики - исследованию пространственно-временной изменчивости ослабления оптического излучения атмосферным аэрозолем.

         Неослабевающий интерес к всестороннему изучению аэрозоля обусловлен его важной ролью в протекании многих физических и химических процессов в атмосфере, при формировании ее оптического состояния и во влиянии на природу и климат планеты в целом [1-4]. К настоящему времени накоплен значительный объем знаний об атмосферном аэрозоле [4-13 и др.] и его оптических свойствах. В тоже время, сильная пространственно- временная изменчивость характеристик аэрозоля приводит к необходимости продолжения исследований с целью уточнения существующих представлений и моделей, получения новых данных о закономерностях его изменчивости и взаимосвязях с другими параметрами атмосферы.

         Изучение аэрозольной составляющей в спектральной прозрачности атмосферы имеет важное значение для решения радиационно-климатических задач [2, 14]. В последние десятилетия исследования спектральной аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы в значительной степени стимулировались остротой таких проблем как ускоренные изменения глобального климата, региональные особенности по антропогенной нагрузке и влиянию естественных источников замутнения атмосферы, в том числе вулканических извержений, пылевых бурь, крупных лесных пожаров и др. Кроме того результаты исследований спектральных АОТ находят широкое применение при разработке оптических систем, работающих через атмосферу, и интерпретации спутниковой информации.

         Актуальность данной темы подтверждается тем фактом, что в настоящее время расширяется сеть наземных станций по наблюдению АОТ (ВМО, NASA), разрабатываются системы и методы определения АОТ из космоса [15-18, 87-92, 172-175], а исследования оптических свойств аэрозоля являются составной частью многих научных программ и проектов: Всемирная программа исследований климата (WCRP), Международная геосферно-биосферная программа (IGBP), национальные программы - "Глобальные изменения природной среды и климата" (Россия), "Атмосферные радиационные измерения" (ABM Program, США), "Климато-экологический мониторинг Сибири" (Россия) и др.

         Состояние вопроса

         Первые измерения характеристик солнечной радиации с учетом ослабления излучения атмосферой Земли были выполнены почти столетие назад [19], а широкомасштабное изучение аэрозольной прозрачности началось во второй половине XX века. Полученные к настоящему времени результаты можно условно разделить на две взаимодополняющие группы.

         К первой группе относятся результаты, базирующиеся на продолжительных регулярных измерениях на разветвленной сети станций, использующих единообразные приборы и методики для упрощения сопоставления данных. В нашей стране измерение интегральных (по спектру) характеристик прозрачности атмосферы проводятся на актинометрической сети (с середины 50-х годов), а спектральные составляющие аэрозольной оптической толщи (0,34 н-0,63 мкм) - на озонометрической сети, созданной в 60-70 г.г. Результаты многолетних наблюдений позволили получить обширный экспериментальный материал и выявить многие закономерности пространственной и временной изменчивости АОТ. Обобщения данных отечественных станций проводятся в работах Г.П. Гущина [5, 20-23], под руководством которого и создавалась озонометрическая сеть, разрабатывались аппаратура и методики, а также в циклах публикаций Б.Д. Белана, Г.О. Задде, А.И. Кускова [24-27], Г.М. Абакумовой, Е.В. Ярхо [7, 28-30] и др.

         Вторая группа - это результаты, полученные исследовательскими коллективами в ходе экспериментов в экспедиционных условиях и на научных базах. Такие эксперименты менее продолжительные в сравнении с сетевыми наблюдениями имеют, как правило, более современное аппаратурное и методическое оснащение (по спектральному разрешению, уровню автоматизации, способам учета газового поглощения и т.д.), более гибкий режим измерений и носят комплексный характер. В числе крупных научных организаций России и ближнего зарубежья, где проводились такие работы можно назвать ИФА и ИО РАН, ИОА СО РАН, СПбГУ, ГГО, ААНИИ, АФИ НАН Казахстана и др [3, б, 10, 30-57].

         Касаясь географии исследований, следует отметить, что основная часть данных об аэрозольной прозрачности атмосферы на сегодняшний день получена для континентальных условий. Ряды наблюдений спектральных АОТ морской атмосферы остаются эпизодическими, прерывистыми, не всегда комплексными и охватывают только часть Мирового океана. Как следует из литературных данных [40, 47], даже в наиболее исследованной части - Атлантическом океане, общий объем данных сопоставим с двухлетним циклом наблюдений всего одной континентальной станции. Наиболее подробные судовые исследования характеристик АОТ морской атмосферы в 70-80-х годах были выполнены группой под руководством О.Д.Бартеневой и К.С.Шифриным, A.B.Смирновым с соавторами. Проведенные ими обобщения результатов позволили выделить наиболее характерные районы океана с точки зрения аэрозольного замутнения атмосферы [6, 10, 40, 47].

         Исследования АОТ атмосферы за рубежом также включают сетевые и экспедиционные измерения [37, 58-83 и др.]. В 70-80е годы под координацией ВМО ведутся работы по интеграции национальных станций во всемирную сеть. Сопоставление и анализ этих данных, а также методические рекомендации публикуются в регулярных отчетах и бюллетенях этой организации (см., например, [84], home.html). Среди работ, проводимых в последние годы, следует отметить два перспективных направления, развиваемые в NOAA и NASA (США). Это развертывание наземной сети автоматизированных солнечных фотометров (проект AERONET/Aerosol Robotic Network [85, 86]), развитие и совершенствование методик определения АОТ атмосферы над океаном с помощью спутниковых радиометров AVHRR, MODIS и SeaWEFS [15-18, 87-92].

         В целом, можно выделить следующие моменты в современном состоянии исследований АОТ атмосферы. Мировой океан остается одним из наименее изученных регионов планеты. Большая часть экспериментальных данных получена в спектральном интервале до 1,06 мкм. Благодаря сетевым наблюдениям оценена долгопериодная изменчивость АОТ, короткопериодные вариации (синоптический, суточный масштабы колебаний) остаются менее исследованными. Именно эти обстоятельства определили цель и задачи настоящей работы.

         Целью диссертационной работы является исследование закономерностей изменчивости аэрозольной оптической толщи атмосферы и ее спектрального хода над Атлантикой и в континентальных условиях (Западная Сибирь).

         Основные задачи исследования заключались в следующем: 1. Разработка аппаратуры, методик и программного обеспечения для исследования АОТ атмосферы в диапазоне спектра 0,37-И- мкм в полевых и судовых условиях.

         Выявление закономерностей пространственного распределения аэрозольной компоненты спектральной прозрачности атмосферы над Атлантикой и проведение районирования.

         Определение количественных характеристик АОТ атмосферы в интервале длин волн 0,37-=-4 мкм.

         Исследование взаимосвязи спектральных составляющих АОТ атмосферы с метеопараметрами.

         Изучение короткопериодной изменчивости АОТ атмосферы в континентальных условиях.

         Научная новизна работы

         В процессе выполнения работы были созданы оригинальный пакет программ, позволяющий автоматизировать все этапы эксперимента (измерение, калибровку, оперативный расчет искомых величин и др.) и аппаратурная база, предназначенные для исследования различных масштабов изменчивости АОТ атмосферы в широком спектральном диапазоне (0,37-4 мкм) в судовых и полевых условиях.

         Впервые на основе экспериментальных данных построены карты пространственного распределения спектральной аэрозольной прозрачности атмосферы над океаном, проведено и обосновано «призначное» районирование Атлантики по АОТ.

         Для различных районов океана впервые получены и проанализированы спектральные зависимости АОТ атмосферы в диапазоне длин волн 0,37-4 мкм.

         Анализ взаимосвязи АОТ морской атмосферы со скоростью ветра и относительной влажностью воздуха проведен с учетом их взаимного влияния на аэрозольное замутнение. Обнаружена, ранее неизвестная для АОТ, особенность в зависимости от скорости ветра. Определены количественные характеристики связи АОТ и относительной влажности воздуха в экваториальной зоне.

         Проведено сопоставление эмпирических гистограмм повторяемости АОТ атмосферы с рядом теоретических законов распределения.

         Для аэрозольной оптической толщи атмосферы впервые выделены колебания мезометеорологического масштаба и оценены их количественные характеристики.

         На основе полученных в работе и привлеченных литературных данных оценены соотношения разных типов пространственно-временной изменчивости АОТ атмосферы над океаном.

         Достоверность результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных данных, полученных с высокой степенью регулярности, систематическими метрологическими испытаниями приборов и использованием современных методик измерений и расчета АОТ атмосферы. Обсуждаемые в работе результаты анализа дополняют и согласуются с данными других исследователей и не противоречат существующим представлениям о механизмах изменчивости аэрозоля. Практическая значимость работы

         Результаты проведенных исследований дополняют имеющиеся знания о пространственно-временной изменчивости аэрозольной компоненты прозрачности атмосферы и могут быть использованы: при построении радиационно-климатических моделей, при обработке данных космического зондирования, при инженерной разработке оптических систем, работающих через атмосферу в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.

         Материалы исследований вошли в отчеты по ряду научных программ. Данные, полученные в Атлантическом океане, использовались для корректировки методики определения АОТ из космоса (спутникNOAA-11, США) [89, 90, 93, 94].

         Один из экземпляров фотометра АМСФ с программным обеспечением внедрен в Институте солнечно-земной физики СО РАН (г.Иркутск), где с 2000 г. налажены регулярные измерения аэрозольной оптической толщи и интегрального влагосодержания атмосферы. Публикации

         Результаты работы отражены в одной монографии, в 18 статьях и в более 65 тезисах докладов на конференциях.

         Апробация результатов

         Результаты работы докладывались на Совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1992 г.), ХП-ом Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1993 г.), I - VII Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (1994, 1995,1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 г.г.), Международном симпозиуме IGARSS (Токио 1993 г., Пасадена 1994 г.), Научной ассамблее COSPAR (Гамбург, 1994 г.), II, IV- VHI Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск 1995, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 г.г.), Европейских аэрозольных конференциях (Гамбург 1997 г., Лейпциг 2001 г.), Конференциях американской ассоциации аэрозольных исследований AAAR (Денвер 1997 г., Портлэнд 2001 г.), Международной конференции «Оптика океана» (Галифакс, 1996 г.), Совещаниях по программе США «Атмосферные радиационные измерения» ARM (Тусон 1998 г., Сан-Антонио 1999, 2000 г.г.), Международной конференции «Физика атмосферы и аэрозоля» памяти проф. Г.В. Розенберга (Москва, 1999 г.), Международном симпозиуме по радиации IRS (Санкт-Петербург, 2000 г.), Конференции по видимости, аэрозолю и атмосферной оптике (Вена, 2000 г.), Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2001 г.), 2-ой Азиатской аэрозольной конференции (Пусан, 2001 г.), на семинарах ИОА СО РАН и семинаре ИФА РАН.

         Основные защищаемые положения

         Разработанный аппаратурно-программный комплекс является эффективным инструментом для исследования аэрозольной оптической толщи атмосферы в широком диапазоне спектра (0,37-4 мкм) в судовых и полевых условиях.

         Результаты районирования Атлантики по спектральной аэрозольной оптической толще атмосферы на основе многолетних экспедиционных данных, полученных с помощью солнечного фотометра, характеризуют пространственную неоднородность атмосферного аэрозоля с отличающимися механизмами его генерации и временной изменчивости.

         В умеренных широтах океана и континента (в летний период) наилучшей аппроксимацией эмпирических распределений аэрозольной оптической толщи атмосферы, характеризующих ее межсуточную изменчивость, является логарифмически нормальный закон.

         Предметом защиты являются также следующие результаты:

         Количественные характеристики аэрозольной оптической толщи атмосферы в диапазоне 0,37-4 мкм, полученные для различных районов Атлантики.

         Результаты выделения взаимосвязи аэрозольной оптической толщи морской атмосферы со скоростью ветра и относительной влажностью воздуха, а также эмпирические соотношения для оценки аэрозольной компоненты спектральной прозрачности атмосферы в экваториальной зоне.

         Структура и объем работы

         Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц машинописного текста, иллюстрируется 77 рисунками, содержит 33 таблицы и имеет приложение на 6 страницах. Список цитируемой литературы, включая работы автора, составляет 223 наименования.

         Краткое содержание работы

         Первая глава посвящена аппаратурно-методическим вопросам определения аэрозольной компоненты прозрачности атмосферы. Рассматриваются и сопоставляются известные и разработанные методики расчета АОТ, калибровки солнечного фотометра.

         Приводится описание созданных солнечных фотометров и результатов испытаний их метрологических характеристик. Значительное внимание уделено вопросам автоматизации наиболее важных этапов эксперимента. В заключении главы проведен детальный анализ погрешности определения аэрозольной оптической толщи атмосферы.

         Во второй главе обсуждаются результаты исследований по пространстьенной изменчивости аэрозольной прозрачности атмосферы. Приводится характеристика накопленных экспериментальных данных. Отмечается, что благодаря автоматизации экспериментов была достигнута высокая регулярность измерений. В частности, для морских экспедиций отношение числа дней, в которые выполнялись измерения, к общей продолжительности рейсов составило около 0,9. Объем данных, полученных в пяти Атлантических экспедициях (1989 -г- 1996 г.г.), включает 268 среднедневных спектра х\, что, по нашим оценкам, составляет около 40% от всех измерений АОТ, выполненных над океаном за последние пятьдесят лет. На континенте (в районе г.Томска) наблюдения выполнялись в период 1992н- 1999 г.г., в основном в летние месяцы, а объем полученных данных составил 217 измерительных дней.

         Обсуждается пространственное распределение прозрачности атмосферы Атлантики, рассматриваются, сопоставляются и обосновываются результаты двух подходов районирования аэрозольного замутнения: генетического и «признанного». Для выделенных районов океана и для континента анализируются особенности и определяются параметры спектрального хода АОТ в спектральных интервалах 0,37 1,06 и 0,37 + 4 мкм. Обсуждается вклад грубо- и мелкодисперсного аэрозоля в аэрозольную оптическую толщу и интегральную прозрачность атмосферы.

         Анализируется влияние города на замутнение атмосферы.

         В третьей главе обсуждается временная изменчивость аэрозольной оптической толщи атмосферы. В начале главы анализируется взаимосвязь АОТ с метеопараметрами и другими характеристиками приземного слоя: горизонтальной прозрачностью и концентрацией аэрозоля. Далее приводятся результаты исследований различных масштабов временной изменчивости АОТ (от сезонных до мезометеорологических колебаний). Основное внимание при этом уделяется короткопериодным колебаниям: синоптическим и дневным. Кроме того, рассмотрено влияние извержения вулкана Пинатубо на замутнение атмосферы.

         В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы работы.

         Выражаются благодарности.

         В приложении приведены таблицы со статистическими характеристиками спектральных АОТ и метеопараметров атмосферы в различных районах Атлантики и для разных сроков наблюдений в г.Томске.

         Личный вклад автора

         Представленные в диссертации результаты получены в ходе продолжительных морских и полевых экспедиций, носивших, как правило, комплексный характер. Естественно, что большая часть публикаций выполнена в соавторстве. В то же время содержание диссертации, сформулированные защищаемые положения и основные выводы отражают личный вклад автора в публикациях. Автор принимал участие во всех этапах подготовки и проведения экспериментов: в разработке аппаратуры и методик, в измерениях, при обработке данных, анализе и интерпретации результатов. Задачи, связанные с автоматизацией экспериментов, созданием программного обеспечения, исследованием прозрачности атмосферы в диапазоне спектра до 4 мкм, ее связи со скоростью ветра и относительной влажностью воздуха, оценкой законов распределения и характеристик мезометеорологической изменчивости, «призначным» районированием Атлантики решались автором самостоятельно.

         Большинство публикаций выполнено в соавторстве с С.М. Сакериным. В части создания аппаратуры и проведения измерений в континентальных условиях - с С. А. Турчиновичем и Т. А. Ереминой.

         Исследования связи АОТ с другими характеристиками атмосферы выполнены в тесном сотрудничестве с коллегами из ИОА СО РАН. Влияние синоптических факторов и корреляция с метеохарактеристиками в районе г.Томска - с Б.Д. Беланом, Т.М. Рассказчиковой и Т.К. Склядневой. Взаимосвязь АОТ с концентрацией аэрозоля в приземном слое морской атмосферы - с М.В. Панченко и В.В. Полькиным. Связь с горизонтальной прозрачностью и определение высоты однородного слоя аэрозоля - с Ю.А. Пхалаговым и В.Н. Ужеговым.

         При разработке методик определения АОТ в ИК-диапазоне спектра и автоматизации калибровки фотометра автор опирался на совместные работы с А.М. Игнатовым (1ЧОАА) и И. Л. Дергилевой (МГИ АН Украины).

         Похожие диссертации на Экспериментальные исследования аэрозольной оптической толщи атмосферы над океаном и континентом

         Пассивное зондирование оптических характеристик атмосферы над океаном и континентомСакерин, Сергей Михайлович

         

         Методы лазерного зондирования в задачах изучения пространственно-временной изменчивости оптических и микрофизических параметров радиационно-активных компонентов атмосферы в переходной зоне материк-океанШмирко Константин Александрович

         

         Методы обработки экспериментальных данных по атмосферным параметрам для исследования временной изменчивости оптической толщи атмосферного аэрозоляСуковатов, Константин Юрьевич

         

         Разработка и исследование методов измерения координат объектов в толще донных осадков с помощью сверхширокополосных гидроакустических сигналовПокровский Юрий Олегович

         Пространственно-временная структура СВЧ радиотеплового поля системы океан-атмосфераСаворский, Виктор Петрович

         Радиофизические методы диагностики процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера с аэрокосмических носителейВеличко, Сергей Анатольевич

         Статистическое моделирование поля оптического излучения в системе океан-атмосфераРакимгулов, Казбек Бекбулатович

         

         Анализ теплового и динамического взаимодействия океана и атмосферы на основе спутниковых СВЧ-радиометрических данныхГранков Александр Георгиевич

         

         О корректности некоторых термогидродинамических моделей атмосферы и океана Алиев Курбан Иса оглы

         

         Магнитотеллурические исследования в области перехода от океана к континенту : На примере Каскадной субдукционной зоныПушкарев Павел Юрьевич