Введение к работе
Актуальность темы.
Радиационной баланс и поле яркости системы "атмосфера— подстилающая поверхность (ПП)" в значительной степени определяются многообразием форм и сильной пространственно-временной изменчивостью о.блачного покрова. Сведения о .взаимосвязи пространственно —временных вариаций радиационного-, баланса и облачности, имеющие приоритетное значение для понимания основных закономерностей формирования и динамики погоды "и климата, необходимы для улучшения радиационных блоков в моделях общей циркуляции атмосферы (МОЦА). Пространственная и угловая структура полей излучения облачной атмосферы и их чувствительность к изменениям характеристик облачного покрова является важным источником информации, необходимой при формулировке и решении задач дистанционного зондирования облачной атмосферы, а также при восстановлении альбедо и потоков собственного излучения системы "атмосфера—ПП" по данным спутниковых измерений.
В настоящее время большинство исследований по этим проблемам основываются на решении уравнения переноса излучения в плоскопараллельном горизонтально однородном -облачном слое. Широкое использование такой простейшей модели облачного поля в теоретических расчетах и при" интерпретации экспериментальных данных существенно ограничивает точность решения многих задач атмосферной оптики и климата, а также является одной из возможных причин того, что известная проблема "аномального поглощения" облаков до сих пор не имеет удовлетворительного объяснения.
Необходимость решения перечисленных задач. и отсутствие надежных данных о статистической взаимосвязи оптических и радиационных характеристик неоднородной облачности обуславливают актуальность исследований, направленных на улучшение облачных моделей, адекватно учитывающих пространственную структуру реальных облачных полей, и разработку соответствующих методов теоретического моделирования полей излучения.
Состояние вопроса.
В последние два десятилетия опубликован ряд работ по теории переноса радиации в стохастически неоднородных облаках. Наиболее важные результаты, связанные с разработкой облачных моделей, методов решения и оценкой влияния пространственной изменчивости оптических параметров облачности на перенос солнечного излучения, получены в российских и зарубежных научных коллективах под руководством Г. Помранинга (США), В. Вискомба (США), Г. Стивенса (США), О. Авасте (Эстония) и Б. Каргина (Россия).
В Институте оптики атмосферы СО РАН развивается статистический подход к описанию переноса излучения в облачных полях с детерминированными оптическими характеристиками и случайной геометрией (разорванной облачности). Этот подход базируется на усреднении (аналитическом или численном) стохастического уравнения переноса по ансамблю реализаций облачного поля. Для пуассоновской модели статистически однородного и неизотропного облачного поля разработаны методы расчета средней интенсивности нерассеянной тепловой радиации, среднего, дисперсии и корреляционной функции интенсивности и потоков солнечного излучения. : В видимой , области спектра изучены отличия статистических характеристик радиационного поля, формируемого кучевой и эквивалентной слоистой облачностью. Эквивалентность понимается в том смысле, что указанные типы облачности имеют одинаковые оптические и геометрические характеристики и отличаются единственным параметром у =Ш/й, где АН и D — толщина и средний горизонтальный размер облаков, соответственно. Значение этого параметра для кучевых облаков порядка 1, а для слоистых не превышает Ю-2 -*-1(Г3.
Однако, остается еще ряд нерешенных вопросов, связанных с исследованием зависимости статистических характеристик интенсивности и средних потоков видимого солнечного излучения от микроструктуры кучевых облаков, оптических свойств атмосферного аэрозоля и альбедо ПП. В длинноволновой области спектра ("окно
прозрачности" 8 — 14 мкм) отсутствуют методы решения и алгоритмы расчета . среднего, дисперсии и корреляционной функции интенсивности теплового излучения системы "поле кучевых облаков — ПП" и не изучено влияние эффектов рассеяния на статистические характеристики интенсивности длинноволновой радиации.
Существующие в настоящее время модели неоднородных слоистых облаков учитывают или стохастическую геометрию верхней границы (оптические характеристики—детерминированные), или флуктуации коэффициента ослабления плоскопараллёльного слоя. Совместное влияние вариаций нерегулярной верхней границы и неоднородной внутренней структуры слоистых облаков . на перенос видимой солнечной радиации не изучено.
Именно эти перечисленные нерешенные вопросы стимулировали проведение специальных исследований и определили содержание диссертации.
Цель работы.
-
Вывод системы уравнений для среднего и корреляционной функции интенсивности теплового излучения, разработка алгоритмов их решения методом Монте-Карло и оценка влияния эффектов рассеяния на статистические характеристики интенсивности кучевой облачности в длинноволновой области спектра ("окно прозрачности" 8—14 мкм).
-
Разработка алгоритмов статистического моделирования для расчета , среднего, дисперсии и корреляционной функции интенсивности, а также средних потоков видимой солнечной радиации системы "поле кучевых облаков —аэрозоль—ПП" и исследование зависимости среднего и дисперсии интенсивности отраженной солнечной радиации, среднего альбедо системы от оптико — геометрических параметров кучевых облаков и альбедо ПП.
3. Разработка алгоритмов расчета и исследование полей альбедо и
пропускания видимой солнечной радиации в стохастически
неоднородных слоистых облаках с флуктуациями коэффициента
ослабления и высоты верхней границы.
Положення, выносимые на защнту.
1. В длинноволновой области спектра ("окно прозрачности" 8—14
мкм) можно пренебречь эффектами многократного рассеяния в
кучевых облаках и рассматривать их как абсолютно черные
излучатели при больших оптических толщинах {т>15*20) и зенитных
углах наблюдения меньше 60*70.
2. Статистические характеристики интенсивности отраженной
солнечной радиации кучевой и эквивалентной слоистой облачности
могут иметь не только существенные количественные, но и
качественные различия: при малых зенитных углах Солнца с
увеличением зенитного угла наблюдения средняя интенсивность
возрастает в кучевых облаках и, наоборот, уменьшается в слоистых.
3. Эффекты, связанные со взаимодействием радиационных полей
отдельных ячеек (пикселей) стохастически неоднородных слоистых
облаков, приводят к нарушению взаимно однозначного соответствия
между оптическими и радиационными характеристиками пикселей и
являются причиной локального отклонения от закона сохранения
энергии.
Научная новизна»
-
Из стохастического уравнения переноса получены замкнутые системы уравнений для первого и второго моментов интенсивности диффузной длинноволновой радиации и разработаны алгоритмы их решения методом Монте-Карло.
-
Исследовано влияние рассеяния на среднее, дисперсию и корреляционную функцию интенсивности длинноволновой радиации в разорванной облачности. Показано, что при оптической толщине кучевых облаков т>15-=-20 и зенитных углах наблюдения \<60-70 ошибка в определении яркостной температуры системы, обусловленная неучетом эффектов рассеяния теплового излучения в облаках, не превышает 1 К.
3. Алгоритмы метода Монте-Карло для расчета математического
ожидания и дисперсии интенсивности, а также средних потоков
солнечной радиации обобщены на случай многослойной атмосферы,
расположенной над отражающей ПП.
4. Показано, что среднее альбедо кучевых облаков более
чувствительно к изменениям их микрофизических параметров, чем
среднее альбедо слоистых.
5. Разработаны алгоритмы метода Монте-Карло для расчета
альбедо и пропускания видимой солнечной радиации в стохастически
неоднородных слоистых облаках, позволяющие учитывать флуктуации
коэффициента ослабления и стохастическую геометрию их верхней
границы.
6. Показано, что горизонтальная неоднородность слоистых облаков
может оказывать существенное влияние на перенос солнечной
радиации.
Достоверность результатов.
. Аналитические и численные результаты базируются на классическом уравнении переноса со случайными оптическими параметрами, вероятностные свойства которых соответствуют, по крайней мере, в первом приближении современным представлениям о статистических характеристиках реальных облачных полей. При выполнении численных расчетов адекватно учитывались основные факторы, влияющие на перенос излучения. Полученные аналитические уравнения и формулы в асимптотиках совпадают с известными.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные уравнения, разработанные модели и алгоритмы метода Монте-Карло являются дальнейшим развитием теории переноса излучения в стохастических облачных полях.
Результаты исследований средних потоков видимой солнечной радиации в кучевых и неоднородных слоистых облаках могут найти применение при улучшении радиационных блоков МОЦА.
1 '
Данные о полях яркости могут быть использованы при планировании экспериментов, анализе и интерпретации данных дистанционного зондирования облачной атмосферы.
Апробация результатов.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения (1989, Якутск), V Совещании по атмосферной оптике (1991, Томск), VIII ^Всесоюзном совещании "Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике" (1991, Новосибирск), V Совещании по распространению лазерного излучения в дисперсных средах (1992, Обнинск), I (1994, Томск) и II (1995, Томск) Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Четвертой (1994, Чарлстон, США) и Пятой (1995, Сан Диего, Калифорния, США) научной конференции по Измерениям Атмосферной Радиации. По результатам работы опубликовано 8 статей в центральной отечественной и 3 в зарубежной печати (в соавторстве).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, приложения, заключения и списка литературы. В ней содержится 132 страницы текста, 31 рисунок, 4 таблицы и 103 ссылки на литературные источники.
Похожие диссертации на Моделирование переноса оптического излучения в стохастически неоднородных облаках
