Введение к работе
Актуальность. Аэрозольные частицы, рассеивающие и поглощающие солнечное и тепловое излучение в атмосфере, оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на формирование радиационного баланса Земли (К.Я. Кондратьев, 2002, 2006, P. Forster et al., 2007, H. Yu, 2006). Сильная пространственно-временная изменчивость, множество и разнообразие антропогенных и естественных источников образования, трансформации и стока делают аэрозоль одним из наиболее сложных объектов для исследования. С точки зрения глобального мониторинга атмосферного аэрозоля предпочтительны спутниковые методы, однако, на сегодняшний день они не обладают необходимой точностью, особенно над сушей (O. Dubovik et al, 2011; A.A. Kokhanovsky et al, 2010). Более детальную и надежную информацию о содержании и свойствах аэрозоля дают наземные методы активного и пассивного зондирования атмосферы.
В настоящее время наиболее обширной системой наземного мониторинга аэрозоля является сеть расположенных по всему миру автоматизированных солнечных фотометров AERONET (AErosol RObotic NETwork) (B.N. Holben et al., 1998). Для восстановления микрофизических и радиационных параметров аэрозоля (индикатрисы и альбедо однократного рассеяния (АОР), микроструктуры аэрозоля, комплексного показателя преломления аэрозольного вещества) по данным измерений спектральной прозрачности атмосферы и яркости дневного неба в сети AERONET используется алгоритм О. Дубовика и М. Кинга (O. Dubovik et al., 2000, 2006). За более чем десятилетний период оперативного использования в обработке объемных массивов данных натурных измерений алгоритм показал свою высокую эффективность, однако в условиях умеренной и высокой прозрачности атмосферы восстановленные значения таких важных характеристик как комплексный показатель преломления и альбедо однократного рассеяния могут быть нереалистичны. Поэтому на уровне достоверности Level 2.0 на сайте AERONET () эти величины представлены только для ситуаций, когда аэрозольная оптическая толща (АОТ) на длине волны Л=440 нм превышает 0.4.
Интеграция эффективных методов численного моделирования потоков солнечного излучения с климатологическими данными, полученными на основе фотометрических наблюдений сети AERONET, используется, например, для оценки прямого радиационного воздействия горящей биомассы (Южная Америка и Южная Африка), пылевого (Северная Африка, Аравийский п-ов) и индустриального аэрозолей (Северная Америка, Европа, Восточная Азия) (M. Zhou et al., 2005). В то же время высокая прозрачность атмосферы, характерная для обширной территории земного шара, является одной из причин недостаточной обеспеченности надежными данными об аэрозоле.
В силу некорректности обратной задачи светорассеяния все существующие методы ее решения нуждаются во взаимном сопоставлении, в том числе и алгоритм О. Дубовика и М. Кинга, чему посвящены, например, работы H. Che (2008), V. Estelles (2011). Более того, в фоновых условиях атмосферы, когда величина АОТ сопоставима с погрешностью ее измерения и ошибки восстановления в связи с этим наиболее высоки, информация об аэрозольных характеристиках тем надежней, чем больше реализовано независимых и идеологически разных алгоритмов и методов.
Актуальным остается также вопрос, касающийся развития современных аэрозольных моделей, которые бы учитывали сезонные особенности того или иного региона. Актуальность этого вопроса обусловлена тем, что в основе общепринятых моделей, таких как WCP (1986), OPAC (M. Hess et al., 1998), оптико-локационная (В.Е. Зуев и др., 1986) и др., лежит информация, обобщающая сведения об аэрозоле в большом пространственно-временном масштабе. Для обширной, но мало изученной территории Западной Сибири единственной на сегодняшний день является модель вертикальных профилей оптических и микрофизических характеристик аэрозоля, разрабатываемая на основе данных самолетного зондирования (M.V. Panchenko et. al., 2012).
В настоящее время данные натурных радиационных измерений в солнечном альмукантарате используются для решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния только тогда, когда для определенной совокупности направлений визирования выполняется условие квазисимметрии яркости неба относительно плоскости главного солнечного вертикала (A. Smimov et al., 2000; B.N. Holben et al., 2006). Это обстоятельство существенно ограничивает реализацию методов восстановления и требует применения процедур селекции экспериментальных данных - идентификации измерений, полученных в присутствии облаков (Н.Н. Улюмджиева и др., 2005). К сожалению, используемые процедуры недостаточно эффективны, что, в конечном счете, сказывается на качестве решения обратной задачи и требует дальнейшего развития методов облачной фильтрации (Ю.Я. Матющенко, В.Е. Павлов и др., 2006-2008). Однако применение все более жестких критериев приведет к сокращению числа наблюдательных ситуаций, пригодных для восстановления аэрозольных характеристик, особенно в умеренных широтах, где количество безоблачных ситуаций и так невелико. В связи с этим более актуальной представляется задача расширения границ применимости существующих алгоритмов решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния путем их распространения на малооблачные ситуации.
Таким образом, основная цель диссертационной работы состоит в развитии и апробации методов восстановления отнесенных ко всему столбу атмосферы оптических и микрофизических характеристик аэрозоля по данным измерений спектральной прозрачности и яркости рассеянной радиации в альмукантарате Солнца и их использовании для получения информации о радиационно-значимых аэрозольных параметрах в условиях Западной Сибири.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:
1) Разработка и адаптация к данным натурного эксперимента метода восстановления оптических характеристик аэрозоля непосредственно из данных радиационных измерений;
Реализация и адаптация к данным натурного эксперимента алгоритма решения обратной задачи светорассеяния по данным измерений спектральной прозрачности и яркости рассеянной радиации в солнечном альмукантарате, обеспечивающего восстановление распределения аэрозольных частиц по размерам и комплексного показателя преломления аэрозольного вещества; разработка вычислительной системы с дружественным интерфейсом пользователя, предназначенной для оперативного решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния;
Исследование чувствительности методов восстановления к входным параметрам и погрешностям измерений, определение границ применимости методов, их апробация на данных натурных экспериментов;
Взаимное сопоставление оптических и микрофизических характеристик аэрозоля, (а) восстановленных на основе предложенных подходов, (б) восстановленных с использованием алгоритма О. Дубовика и М. Кинга, (с) представленных в общепринятых аэрозольных моделях;
Построение региональной модели оптических и микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля на основе развитых методов и данных фотометрических измерений Томской станции AERONET в 2004-2009 гг. в летних фоновых условиях;
Разработка алгоритмов статистического моделирования переноса радиации в облачной атмосфере; исследование особенностей трансформации угловой структуры яркости безоблачного неба при появлении локального облака или поля однослойной разорванной облачности.
Научная новизна результатов работы заключается в том, что
-
-
Разработаны две модификации метода восстановления оптических характеристик аэрозоля в столбе атмосферы, основанного на идее выделения из измерений яркости сигнала однократного рассеяния; установлены границы их применимости, получены оценки погрешности восстанавливаемых параметров с учетом и без учета ошибок измерений;
-
На основе алгоритма решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния по данным измерений спектральной прозрачности и яркости рассеянной радиации получены оценки погрешности восстановления оптических и микрофизических характеристик аэрозоля с учетом и без учета ошибок измерений, установлены границы применимости алгоритма;
-
Получена оценочная модель оптических (альбедо однократного рассеяния и фактор асимметрии) и микрофизических (микроструктура, комплексный показатель преломления) характеристик атмосферного аэрозоля для летних фоновых условий Западной Сибири;
-
Разработаны алгоритмы статистического моделирования переноса солнечной радиации в облачной атмосфере (изолированное облако, поле однослойной разорванной облачности); установлено, что влиянием 3D- эффектов облаков на поле яркости можно пренебречь вне зоны их радиационного воздействия, что открывает возможности решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния в малооблачных ситуациях.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием сертифицированных приборов (фотометр CE 318), проходящих ежегодную калибровку в GSFC NASA (США). Радиационные расчеты выполнены на базе решения фундаментального уравнения переноса излучения (УПИ) в атмосфере Земли. Их надежность обеспечивается взаимным соответствием результатов вычислений, выполненных по различным алгоритмам метода Монте-Карло в пространственно однородной и неоднородной моделях атмосферы, а также результатами сравнения с эталонными расчетами и экспериментальными данными. Разработанные методы восстановления протестированы с использованием разнообразных аэрозольных моделей в рамках замкнутых численных экспериментов. Достоверность результатов восстановления подтверждается их соответствием результатам других авторов.
Научная и практическая значимость полученных результатов
-
предложенные методы восстановления могут быть использованы в разных географических регионах. Полученные данные будут полезны при построении региональных моделей атмосферного аэрозоля, выявлении его пространственных и временных особенностей, определении его ключевых типов, связей с климатологическими и метеорологическими факторами;
-
полученная оценочная модель радиационно-значимых параметров атмосферного аэрозоля дополняет знания о его свойствах и может быть использована в радиационных расчетах, учитывающих климатологическую специфику Западной Сибири. Учитывая высокую чувствительность радиационных характеристик к величине АОР, возможность восстановления этого параметра в периоды проведения экспериментов способствует более точной интерпретации экспериментальных данных;
-
разработанные алгоритмы статистического моделирования переноса солнечной радиации в разорванной облачности позволяют оценить радиационное воздействие облаков на формирование углового распределения нисходящей радиации и упростить интерпретацию реальных наблюдений с поверхности Земли в условиях облачности;
-
вычислительная система «SSMART» (Sun-Sky Measurement for Aerosol ReTrieval), разработанная для восстановления оптических характеристик, микроструктуры аэрозоля и комплексного показателя преломления аэрозольного вещества, применяется при интерпретации данных регулярных фотометрических измерений сети AERONET; созданные приложения «SADPro» (SAtellite Data PROcessing) (статистическая обработка тематических продуктов MODIS с возможностью работы с локальными фрагментами данных) и «PWC» (Properties of Water Clouds) (расчет оптических свойств жидкокапельных облаков в широком спектральном диапазоне 0.2 - 1000.0 мкм) используются в решении научных задач;
-
результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ № 0905-00961 и 09-05-00963, государственных контрактов 02.740.11.0674 и 14.740.11.0204, программ ОНЗ РАН.
На защиту выносятся следующие положения:
-
-
Разработанный метод восстановления индикатрисы и альбедо однократного рассеяния аэрозоля в столбе атмосферы посредством выделения сигнала однократного рассеяния из измерений яркости рассеянной радиации в альмукантарате Солнца позволяет определить эти характеристики в видимой области спектра и фоновых условиях атмосферы (АОТ(440 нм)=0.15) с погрешностью 15 и 10% соответственно, уменьшающейся с возрастанием аэрозольной оптической толщи.
-
Алгоритм решения обратной задачи по данным измерений спектральной прозрачности и яркости рассеянной радиации в солнечном альмукантарате обеспечивает восстановление оптических и микрофизических параметров аэрозоля в столбе атмосферы в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра с погрешностями, не превышающими в фоновых условиях 0.05 в оценке действительной части комплексного показателя преломления, 20% - микроструктуры в диапазоне радиусов частиц 0.1 - 7 мкм, 8 и 4% - альбедо однократного рассеяния и фактора асимметрии соответственно.
-
Предложена оценочная модель оптических и микрофизических характеристик аэрозоля для летних фоновых условий Западной Сибири, развитая на основе данных измерений спектральной прозрачности и яркости рассеянной радиации на Томской станции AERONET и результатов решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния.
-
Присутствие облачности в солнечном альмукантарате вызывает изменение угловой структуры нисходящей рассеянной радиации, достигающее десятков процентов в околооблачной зоне, но не превышающее 1-2% вне зоны влияния 3Б-эффектов облаков, что расширяет возможности применения методов решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния в малооблачных ситуациях.
Апробация результатов. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (2008; г. Томск); Международной школе «Winter College on Optics in Environmental Science» (2009; г. Триест, Италия); Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (2009, 2011 гг.; г. Санкт- Петербург); всероссийских и международных конференциях молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (2009 г.; г. Томск), «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (2009 г.; г. Томск), «ЛОМОНОСОВ» (2010 г.; г. Москва), «Перспективы развития фундаментальных наук» (2010 г.; г. Томск); NATO Advanced Study Institute «Special Detection Technique (Polarimetry) and Remote Sensing» (2010 г.; г. Киев, Украина); Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (2011 г.; г. Томск); Workshop on «Aerosol Impact in the Environment: From Air Pollution to Climate Change» (2011 г.; г. Триест, Италия); XV-XVIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (2008-2011 гг.; г. Томск).
По результатам исследований опубликовано 6 статей в рецензируемых отечественных журналах, рекомендованных ВАК, 9 работ в сборниках трудов и тезисов всероссийских и международных симпозиумов и конференций. Результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на семинарах ИОА СО РАН (г. Томск) и ИФА РАН (г. Москва).
Личный вклад автора. Основные научные результаты получены либо совместно с научным руководителем Т.Б. Журавлевой, либо самостоятельно. Модификации метода восстановления оптических характеристик по данным радиационных измерений предложены автором самостоятельно. Алгоритм решения обратной задачи аэрозольного светорассеяния разработан в ИФА им. А.М. Обухова РАН (М.А. Свириденков). Программная реализация, исследование чувствительности, тестирование и апробация методов восстановления выполнены автором самостоятельно. Анализ полученных результатов выполнен совместно с Т.Б. Журавлевой и М.А. Свириденковым. Автором самостоятельно реализованы и протестированы алгоритмы статистического моделирования переноса солнечной радиации в атмосфере с локальным облаком на основе аналогового способа моделирования траекторий фотонов; модификация алгоритма для расчета радиационных полей в разорванной облачности выполнена совместно с Т.Б. Журавлевой. Разработка системы «SSMART», приложений «SADPro» и «PWC» выполнена автором. В работе использованы данные Томской станции AERONET (М.В. Панченко, С.М. Сакерин).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы, 3 приложений, списка аббревиатур и обозначений. Общий объем работы составляет 153 страницы текста (без приложений), включая 43 рисунка, 16 таблиц, 128 ссылок на литературные источники.
Похожие диссертации на Восстановление оптических и микрофизических характеристик аэрозоля в столбе атмосферы по данным наземных спектральных измерений прямой и рассеянной солнечной радиации
-
-
