Введение к работе
Актуальность темы.
Численное моделирование как метод исследования широко используется в оптике атмосферы. Во многих случаях этот метод является единственно возможным. Широкий спектр научно-прикладных задач атмосферной оптики требует учета максимально возможного числа факторов для адекватного моделирования такого сложного объекта, каким является атмосфера. В полной мере это относится и к нашему предмету исследования - оптическому абсорбционному зондированию газового состава атмосферы, от успешного развития которого зависит решение такой актуальной в последнее время задачи как контроль загрязнения окружающей среды, и некоторых других задач атмосферной оптики.
Бурный прогресс, наблюдаемый в последнее десятилетие в развитии вычислительной техники, открывает дополнительные возможности в этой области, способствуя созданию более сложных, и все более отвечающих реальным условиям математических моделей. Разработки ведутся в разных направлениях. Это как создание компьютерных программ для расчета атмосферного пропускания и радиации, так и разработка методов интерпретации данных активного и пассивного зондирования.
В настоящее время созданы различные алгоритмы расчета атмосферного пропускания и радиации. Об актуальности этого направления говорит, например, тот факт, что в 1982 г. Международная комиссия по радиации создала группу для сравнения подобных пакетов программ - ITRA (Intercomparison of Transmittance and Radiance Algorithms). Основное внимание при этом было уделено алгоритмам расчета молекулярного поглощения.
Существующие в этой области пакеты программ можно условно разделить на две группы: 1) основанные на методе подшейного (прямого) счета (в зарубежной литературе получившего название line-by-line); 2) основанные на приближенных методах. Известно, что полинейный метод расчета характеристик поглощения газовой среды является эталонным и используется как для верификации различных приближенных моделей пропускания, так и для непосредственного моделирования переноса излучения в молекулярных поглощающих средах. При этом, однако, участники ITRA [1] отметили, что этот метод весьма трудоемок в численной реализации и требует упрощения для экономии памяти и времени счета. В связи с этим, развитие и создание новых высокоэффективных алгоритмов является задачей актуальной и представляет несомненный интерес для специалистов.
Не менее актуальным является дальнейшее развитие математических и численных методов моделирования оптического абсорбционного мониторинга воздушной среды, которые широко используются как при проектировании разных типов газоанализаторов, систем и схем зондирования, так и при
непосредственной обработке результатов измерения оптических характеристик атмосферы с целью извлечения информации о ее газовом составе.
Значительный прогресс в разработке методов и техники лазерного мониторинга создает предпосылки для реализации удобных интерактивных пакетов программ, позволяющих предсказывать наиболее оптимальные для каждого конкретного случая условия зондирования. Разработка таких программ является составной частью диссертации.
Несмотря на отмеченный прогресс в развитии методов лазерного зондирования, остаются отдельные вопросы, требующие более тщательного исследования. Одним из них является, например, вопрос о влиянии допплеровского уширения сигналов упругого рассеяния на погрешность зондирования. Несмотря на то, что эта проблема довольно подробно рассмотрена в работах зарубежных авторов (C.L. Кого, C.Y. Weng, S.I. Ismail, E.V. Browell, A. Ansmann, J.Bosenberg и др.), получено лишь приближенное ее решение, справедливое для ограниченного диапазона условий.
На фоне некоторого "насыщения" в развитии лазерных методов зондирования, в последние годы наблюдается своеобразный ренессанс пассивных методов, в которых источником зондирующего излучения являются естественные объекты, и, в первую очередь, Солнце. Возобновление интереса к пассивным методам связано, по-видимому, как с возросшим уровнем технической оснащенности современных спектрофотометров (увеличение динамического диапазона и чувствительности приемников, возможность проведения измерений на многих длинах волн и т.д.), так и с развитием на этой основе новых математических методик. Существенную роль играет также надежность и относительная дешевизна пассивных методов по сравнению с активными, что дает возможность переноса акцента с технологической стороны на методологическую.
В данной работе рассмотрены некоторые аспекты и предложены новые методики определения общего содержания (ОС) газов по данным спектральной яркости неба в зените, основанные на использовании измерений на многих длинах волн.
Многоволновые методики активно разрабатываются в последнее время [7,8]. Однако основное внимание при этом уделяется прямым наблюдениям, хотя измерения по зениту неба составляют, как известно, до половины всех измерений ОС малых газовых составляющих атмосферы, и в том числе озона - компонента, играющего немаловажную роль в оптике атмосферы. Обычно практикуемая привязка зенитных измерений к солнечным требует периодической довольно длительной градуировки и зачастую вносит дополнительную погрешность. В ходе работы над диссертацией было показано, что зенитные измерения при определенных условиях могут давать даже меньшую погрешность восстановление ОС газов, чем измерения по Солнцу.
Дальнейшее развитие математических и численных методов пассивного зондирования с использованием современных компьютерных мощностей открывает возможности создания новых дешевых способов получения информации о газовом составе атмосферы.
Целью работы является разработка методик, алгоритмов и программных средств для имитационного моделирования и решения прямых и обратных задач оптического абсорбционного зондирования атмосферных газов.
Основные защищаемые положения.
-
Значительное ускорение прямого расчета пропускания атмосферы реализуется в результате объединения в одной вычислительной схеме новой модели редукции неоднородной трассы к однородной совместно с многосеточным алгоритмом и высотной селекцией линий поглощения.
-
Допплеровское уширение сигналов обратного рассеяния накладывает принципиальное ограничение на возможность зондирования влажности в стратосфере наземным лидаром методом дифференциального поглощения, тогда как для лидара спутникового базирования влияние этого эффекта существенно меньше и приводит к погрешности, в среднем, не более 20%.
-
Предложенная методика определения спектральной области минимума суммарной погрешности при сканировании используемых в обработке пар длин волн позволяет проводить наглядное статистически обеспеченное восстановление общего содержания озона (ОСО) и диоксида азота по данным спектральной яркости неба в зените, исключая калибровку спектрофотометра по измерениям прямого солнечного излучения. Средняя ошибка определения ОСО при этом не превосходит погрешности традиционных методов.
-
Разработанная на основе параметризации модели однократно рассеянного в зените излучения многоволновая методика позволяет проводить одновременное определение ОСО и оптігоеской толщи аэрозоля по данным спектральной яркости неба в зените в ближней УФ области спектра.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем.
-
В результате объединения в одной вычислительной схеме последних достижений в разработке методов ускорения полинейного счета создан новый эффективный алгоритм расчета пропускания газовой атмосферы, являющийся на сегодняшний день одним из самых быстрых из известных в литературе.
-
Впервые получено и исследовано точное выражение для учета влияния допплеровского уширения сигналов обратного рассеяния на погрешность зондирования влажности. Обнаружено принципиально различное влияние этого эффекта для лидаров наземного и спутникового базирования.
-
Разработаны и апробированы новые эффективные методики определения общего содержания озона, диоксида азота и аэрозольной оптической толщи по данным спектральной яркости неба в зените в ближней УФ и видимой области спектра.
Научная и практическая значимость работы.
Разработанный скоростной алгоритм полинейного расчета пропускания газовой атмосферы может быть использован при решении широкого спектра задач атмосферной оптики, для которых необходима информация о точных количественных характеристиках молекулярного поглощения.
Методика определения оптимальных спектральных интервалов и созданные пакеты программ для имитационного моделирования могут значительно повысить эффективность: а) при разработке оптимальных систем и схем оптического абсорбционного зондирования атмосферных газов; б) при моделировании предельных возможностей лазерных систем зондирования; в) в учебном процессе, при подготовке специалистов соответствующих специальностей.
Предложенные в работе новые методики дают возможность определения общего содержания малых газовых составляющих атмосферы по данным спектральной яркости неба в зените для определенного круга спектрофотометров без калибровки по прямым солнечным измерениям.
Достоверность результатов полученных в диссертации обеспечивается обоснованными физическими предпосылками при построении математических моделей, всесторонним тестированием предложенных методов и алгоритмов, а также удовлетворительным согласием с результатами расчетов полученными другими авторами, другими методами или с результатами натурных измерений.
Апробация результатов исследований.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XI
Симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск,
1992), XI Симпозиуме и школе по спектроскопии высокого разрешения
(HighRus, Москва - Нижний Новгород, 1993), Коллоквиуме "Atmospheric
Spectroscopy Applications" (ASA, Reims, France, 1993), XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1993), I и II Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1995 гг.), II Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1995), XIV Коллоквиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Dijon, 1995), Европейском симпозиуме "Optics for Environmental and Public Safety", Conf. of Шаг and Atmosph. sensing (Munich, 1995), Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), и опубликованы в 12 статьях в отечественной и зарубежной печати.
Часть работ посвященных разработке пакетов программ для имитационного моделирования лазерного зондирования была выполнена и прошла успешное испытание в рамках сотрудничества с Корейской Народной Республикой и Ливерморской Национальной Лабораторией США.
Структура и об'ьем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 142 наименований и приложения. Содержание работы изложено на 127 страницах, содержит 12 таблиц и иллюстрируется 39 рисунками.
Похожие диссертации на Математическое моделирование оптического абсорбционного зондирования газового состава атмосферы
