Введение к работе
Актуальность темы
Атмосферные радиационные процессы играют важную роль в формировании климата Земли. Заметное влияние на протекание многих физических и химических процессов в атмосфере, на природу и климат планеты в целом оказывают оптически активные компоненты атмосферы (такие как H2O, O3, CO2 и др.). Температура Земли медленно, но неуклонно продолжает расти. Так, сотрудники организации NOAA (Национальная администрация по океану и атмосфере США), проведя необходимые замеры, установили, что 2007 г. был самым теплым за более чем вековую историю наблюдений: среднегодовая температура на 0.55 С превышала показатели, фиксировавшиеся с 1900 г. Среди различных факторов, вызвавших это изменение температуры, значительную роль играют парниковые газы и аэрозоли. Поэтому мониторинг газового состава атмосферы и создание качественных моделей, описывающих перенос радиации в атмосфере, являются в настоящее время актуальными задачами.
При моделировании атмосферного радиационного переноса в задачах прогнозирования климата, при решении обратных задач восстановления общего содержания атмосферных парниковых газов и аэрозоля по данным измерения нисходящего излучения у поверхности Земли требуется высокая точность. Радиационные коды постоянно усовершенствуются, тем не менее сравнение наиболее популярных, использующихся в настоящее время пакетов программ, вычисляющих перенос коротковолнового излучения, показало значительный разброс данных. В работе Halthor и др. [J. Geophys. Res. 2005. V. 110, D11206, doi:10.1029/2004JD005293] сделано сравнение 16 современных компьютерных кодов, вычисляющих коротковолновый перенос. Для безоблачной влажной атмосферы в отсутствие аэрозоля среднее отклонение интегральных потоков составило 5%. Одной из причин таких расхождений являются различные параметризации, использующиеся при спектральном интегрировании уравнения переноса.
В задачах моделирования переноса излучения необходимо учитывать спектральную зависимость молекулярного поглощения, аэрозольного и молекулярного рассеяния, солнечной постоянной, спектральную зависимость альбедо поверхности Земли. Высокая селективность молекулярных спектров поглощения атмосферных газов по сравнению со спектрами аэрозольного и молекулярного рассеяния усложняет задачу. Кроме того, при расчете коэффициента поглощения нужно учитывать большое количество спектральных линий. В настоящее время разработан эффективный метод параметризации характеристик молекулярного поглощения – метод k-распре-деления, который представляет функцию пропускания в виде короткого ряда экспонент в широком спектральном интервале. Для ускорения расчета
интегральных по спектру потоков излучения часто применяют разбиение коротковолнового диапазона на небольшое число интервалов (например, разбиение Slingo [J. of Atmospheric Sciences. 1989. V. 46. N 10. P. 1419–1427]), в которых характеристики облаков, спектральную зависимость аэрозольного рассеяния, альбедо подстилающей поверхности принимают за постоянную величину. Но альбедо подстилающей поверхности имеет ярко выраженную спектральную зависимость. Поэтому необходимо рассмотреть вопрос, связанный с определением среднего значения альбедо для заданных спектральных интервалов.
В последние годы в Сибири на основе солнечных спектрофотометров SP-6 – SP-8 создается сеть для регулярных измерений аэрозольной оптической толщи и общего содержания ряда парниковых газов (таких как H2O, O3). Солнечная спектрофотометрия атмосферы (метод прозрачности) является одним из эффективных и достаточно простых методов определения их общего содержания. Для восстановления общего содержания атмосферных газов функцию пропускания часто параметризуют, чтобы поглощающая масса газа входила в это выражение явным образом. Для параметризации функции пропускания атмосферы, обусловленной поглощением H2O, используется множество модификаций таких аппроксимаций: например, зависимость функции пропускания от квадратного корня поглощающей массы. Однако использование модельных представлений полос поглощения может приводить к погрешностям. Прямые методы расчета line-by-line характеристик молекулярного поглощения в настоящее время обеспечивают более высокую точность. Но так как фотометр проводит большое количество измерений в широком спектральном диапазоне, то временные затраты на расчет пропускания методом line-by-line становятся неприемлемыми на практике.
Процедура калибровки фотометра осуществляется обычно долгим методом Бугера, который предполагает, что состояние атмосферы в течение процесса измерения стабильно. Регистрируемый сигнал солнечного фотометра зависит не только от концентрации поглощающих газов, но и от распределения температуры, давления вдоль трассы луча, наличия облачности, аэрозоля, что может также привести к заметным погрешностям в определении общего содержания газов. В связи с вышесказанным необходимо получить такую функциональную зависимость пропускания атмосферы в каналах фотометра от поглощающей массы водяного пара, которая позволила бы минимизировать возникающие погрешности, в том числе и погрешности, обусловленные параметризацией функций пропускания.
Целью данной работы является создание параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Развитие метода параметризации широкополосных потоков с учетом спектральной зависимости фильтра, солнечной постоянной и альбедо подстилающей поверхности.
-
Разработка методики для быстрого расчета функций пропускания в широком спектральном диапазоне 0.3–4 мкм.
-
Получение функциональной зависимости пропускания атмосферы в каналах солнечного фотометра от поглощающей массы водяного пара и озона; разработка методики определения постоянной калибровки фотометра.
Методы исследования
Решение поставленных задач осуществлялось с использованием численных методов, методов компьютерного моделирования, математической статистики.
Научная новизна
-
Предложен способ учета спектральной изменчивости альбедо подстилающей поверхности, который позволяет повысить скорость вычисления широкополосных потоков излучения без потери точности вычислений.
-
Предложена простая аппроксимация пропускания от поглощающей массы водяного пара, которая позволяет повысить точность восстановления общего содержания (ОС) водяного пара.
Достоверность
Результаты диссертационной работы согласуются с современными представлениями о распространении солнечного излучения в атмосфере. Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчета радиационных характеристик с расчетами других авторов и результатами измерений. Результаты восстановления ОС водяного пара хорошо согласуются с данными сети AERONET.
Практическая значимость работы определяется возможностью применения моделей функций пропускания для решения задач переноса излучения в рассеивающей и поглощающей атмосфере, в том числе и для случаев, когда нужно учитывать альбедо подстилающей поверхности. Были созданы пакеты программ для расчета широкополосных функций пропускания в спектральном диапазоне 0.3–4 мкм, который вошли в «Информационную систему для расчета функций пропускания и восстановления общего содержания газов и аэрозольной оптической толщи атмосферы из данных измерений фотометра SP-6,8 в диапазоне спектра 0.3–4 мкм», необходимую для работы региональной автоматизированной сети солнечных фотометров AEROSIBNET. Разработанный способ параметризации функции пропускания был применен для восстановления ОС водяного пара из данных измерений солнечного фотометра SP-4m.
Работа была поддержана грантом Института оптики атмосферы СО РАН для молодых ученых, а также выполнялась в рамках грантов РФФИ № 04-07-90123, 07-07-00269, в которых автор был исполнителем.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Пропускание в каналах фотометров, используемых для определения ОС озона и водяного пара (с центрами полосы пропускания на 0.308, 0.324, 0.87 и 0.94 мкм), слабо зависит от вариаций температуры в атмосфере и определяется поглощающей массой газов. Погрешности расчета функции пропускания в этих каналах фотометра, обусловленные вариациями температуры, не превышают 1%.
-
Задание среднего значения альбедо подстилающей поверхности в виде свертки с функцией пропускания атмосферы на широких спектральных интервалах при разбиении согласно Slingo [J. of Atmospheric Sciences. 1989. V. 46. N 10. P. 1419–1427] позволяет рассчитать восходящие потоки излучения с неопределенностью, не превышающей 0.5% в случае безоблачной атмосферы (для интервалов, на которых значение альбедо меняется не более чем на 10%), что является достаточным для радиационных блоков климатических моделей.
-
Усовершенствована методика восстановления общего содержания паров воды, основанная на применении функционала, который использует отношение сигналов фотометра на длинах волн 0.94 и 0.87 мкм и неявную зависимость функции пропускания от поглощающей массы водяного пара. Погрешность восстановления общего влагосодержания атмосферы не превышает 5%.
Личный вклад автора заключается в проведении модельных расчетов и анализе полученных результатов, обработке результатов измерений фотометром серии SP, выполненных в ИОА.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ХII–XV Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2005, 2006; Бурятия, 2007; Красноярск, 2008), на XI, XIII, XIV Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2006, 2007), 7-м симпозиуме ASA (Франция, Реймс, 2005), Пятой и Седьмой международных школах молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2006; Красноярск, 2008), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации
Результаты работы отражены в 6 статьях и 15 тезисах докладов на российских и зарубежных конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Содержание ее изложено на 120 страницах, включая 10 таблиц, 37 рисунков. Список литературы содержит 120 наименований.
Похожие диссертации на Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере
