Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Численное моделирование рассеянной солнечной радиации в условиях безоблачного неба при наблюдении с Земли
1.1. Методика численного моделирования полей яркости безоблачного неба вблизи горизонта
1.1.1. Модель атмосферы. Геометрия задачи
1.1.2 Метод сопряженных блужданий
1.1.3. Результаты тестирования алгоритма численного моделирования
1.1.4. Влияние сферичности атмосферы и вариаций вертикальных профилей коэффициента аэрозольного ослабления
1.2. Учет поглощения атмосферными газами в расчетах полей яркости неба
1.2.1. Методика учета молекулярного поглощения
1.2.2. Влияние поглощения на диффузную радиацию
1.2.3. Влияние спектральных аппаратных функций
1.3. Приближенный учет поглощения в расчетах яркости неба
Выводы
Глава II. Закономерности пространственно-угловой структуры яркости безоблачного неба .
2.1. Анализ влияния основных факторов на яркость неба и ее компоненты, обусловленные однократным и многократнымрассеянием
2.2. Азимутальная зависимость яркости неба
2.3. Зависимость яркости неба от зенитного угла наблюдения
2.4. Модели полей яркости неба вблизи горизонта
2.4.1. Численная модель (база данных) яркости неба для «окон прозрачности» атмосферы
2.4.2. Малопараметрическое описание азимутальной зависимости яркости неба над линией горизонта
2.4.3. Параметризация азимутальной зависимости многократно рассеянной радиации
2.4.4. Параметризация положения и величины максимума яркости неба в области горизонта
2.5. Экспериментальная проверка выявленных закономерностей 65
2.5.1. Характеристика аппаратуры, методик и условий измерений 65
2.5.2. Сопоставление результатов численного и натурного экспериментов
Выводы 71
Глава III. Разработка и апробация методик восстановления оптических характеристик аэрозоля
3.1. Методика определения аэрозольной оптической толщины по наблюдаемому максимуму яркости неба над горизонтом
3.2. Восстановление альбедо однократного рассеяния аэрозоля по потокам нисходящей радиации
3.2.1. Влияние различных факторов на потоки нисходящей диффузной радиации
3.2.2. Методика восстановления альбедо однократного рассеяния аэрозоля по спектральным потокам радиации
3.2.3. Результаты экспериментальной проверки методики восстановления альбедо однократного рассеяния аэрозоля
Выводы 90
Заключение 91
Список использованной литературы 94
- Результаты тестирования алгоритма численного моделирования
- Влияние поглощения на диффузную радиацию
- Азимутальная зависимость яркости неба
- Восстановление альбедо однократного рассеяния аэрозоля по потокам нисходящей радиации
Введение к работе
Теоретические и экспериментальные исследования пространственного
распределения яркости безоблачного неба, выполненные К.С. Шифриным,
Е.В. Пясковской-Фесенковой, В.В. Соболевым, В.Е. Павловым,
Г.Ш. Лившицем, М.А. Назаралиевым, Б.А. Каргиным, Т. Nakajima и др. (см., например, [1-7, 49]) сыграли важную роль в понимании процессов переноса солнечной радиации в атмосфере. Выявленные закономерности способствовали разработке методов решения прямых и обратных задач, в частности, определения оптических характеристик аэрозоля по рассеянному излучению в солнечном альмукантарате [6-16,55-59,63]. Создание глобальной сети AERONET с использованием сканирующих фотометров () существенно расширило информативность подходов, основанных на измерениях диффузной радиации в альмукантарате Солнца. Применение современных вычислительных технологий и развитие соответствующего математического аппарата (см., например, [16, 17]) дают возможность восстанавливать на основе фотометрических измерений микроструктуру аэрозоля, показатель преломления, индикатрису аэрозольного рассеяния и альбедо однократного рассеяния (АОР) в различных регионах земного шара. Наряду с аэрозольной оптической толщиной (АОТ), последняя характеристика имеет особое значение в связи с актуальностью проблемы "радиационного форсинга аэрозоля" [18-20]. Так, в работе К.Я.Кондратьева [18] приводится оценка суммарного аэрозольного возмущающего воздействия порядка -1.4 Вт/м с неопределенностью 0.7 Вт/м . Это свидетельствует о необходимости совершенствования наших знаний об оптических и/или микрофизических свойствах аэрозоля.
Достигнутые успехи в решении прямых и обратных задач при наблюдении с поверхности Земли дневного безоблачного неба в меньшей степени касаются пригоризонтной зоны небосвода, которая до сих пор остается менее исследованной с точки зрения как натурных измерений [21], так и теоретических расчетов [22, 23]. Однако решение некоторых проблем
(например, видимость удаленных объектов и оценка яркостных фонов неба [24,26, 82]) требует более тщательного исследования полей приходящего излучения при больших зенитных углах наблюдения, что определяет актуальность представленных в работе исследований.
Описание поля яркости неба на основе экспериментальных исследований затруднено из-за необходимости проведения продолжительных наблюдений в условиях большого многообразия атмосферных ситуаций. В последнее время для этой цели широко используются методы численного моделирования* [22, 23, 28, 83-85], обладающие широкими возможностями учета характеристик реальной атмосферы и существенно расширяющие возможности исследования спектрально-угловых распределений приходящей солнечной радиации.
Для решения уравнения переноса излучения (УПИ) с помощью такого точного инструмента как численное моделирование необходимо знание большого числа входных параметров, которые не всегда могут быть доступны (например, высотные профили аэрозольных характеристик). В связи с этим, для задач, не требующих высокой точности (например, прикладные задачи в области метеорологии, биологии и др. [1]), целесообразна разработка малопараметрических моделей (МПМ) полей рассеянного излучения.
Нередко наличие простых аналитических соотношений, связывающих измеряемые и восстанавливаемые характеристики, облегчает решение обратных задач: в частности, возможность восстановления АОР аэрозоля приземного слоя в ИК области спектра показана в работе СМ. Сакерина [27].
Целью диссертации является исследование закономерностей и факторов, влияющих на формирование полей яркости безоблачного неба в области горизонта (зенитные углы больше —75) при наблюдении с поверхности Земли, разработка малопараметрических моделей и методик восстановления оптических характеристик аэрозоля.
6 Основные задачи исследования:
разработка алгоритма для расчетов яркости дневного безоблачного неба в сферической аэрозольно-газовой атмосфере;
проведение цикла натурных и численных экспериментов для выявления закономерностей формирования полей яркости при больших зенитных углах наблюдения;
создание базы данных полей яркости безоблачного неба в области горизонта на основе численного моделирования;
- построение малопараметрических моделей яркости неба вблизи горизонта;
-развитие методов определения аэрозольных оптических характеристик
атмосферы (аэрозольной оптической толщины атмосферы и альбедо однократного рассеяния аэрозоля).
Научная новизна результатов состоит в следующем.
Показано, что в отличие от геометрии солнечного альмукантарата для расчета полей яркости неба вблизи горизонта необходимо учитывать коэффициент аэрозольного ослабления в приземном слое, который достаточно задавать приближенно, например, с использованием метеорологической дальности видимости.
Получены количественные оценки неучета молекулярного поглощения в расчетах диффузной радиации в «окнах прозрачности» атмосферы в видимой и ближней ИК области спектра.
Впервые показано, что в общем случае вблизи горизонта наблюдается немонотонная зависимость яркости неба от зенитного угла наблюдения (максимум яркости неба над горизонтом).
Предложена новая методика определения ' аэрозольной оптической толщины по наблюдаемому максимуму яркости вблизи горизонта.
Усовершенствована методика восстановления альбедо однократного рассеяния аэрозоля по данным измерений потоков нисходящей диффузной и прямой солнечной радиации.
Достоверность представленных в работе результатов обеспечивается тем, что в основе их получения лежит фундаментальное уравнение переноса излучения, которое решалось с помощью высокоточного метода численного моделирования Монте-Карло. Выявленные на основе численного моделирования физические закономерности подтверждаются данными натурных экспериментов.
Практическая значимость работы
Разработан алгоритм метода Монте-Карло, максимально приближенный к условиям реальных экспериментов, который позволяет рассчитывать спектральные радиационные характеристики с учетом рассеяния и поглощения излучения аэрозолем, атмосферными газами, отражения от подстилающей поверхности, а также сферичности Земли. Методика учета молекулярного поглощения позволяет использовать в расчетах современные спектроскопические банки данных, а также информацию об аппаратной функции прибора, реальных метеорологических профилях и концентрации атмосферных газов. Указанные особенности позволяют более точно интерпретировать экспериментальные данные.
Созданная база данных модельных полей яркости безоблачного неба предназначена для решения прямых задач оптики атмосферы, а также для сравнения с результатами натурных экспериментов.
Результаты диссертационной работы дополняют знания о закономерностях формирования поля яркости в области больших зенитных углов наблюдения. Разработанные малопараметрические модели позволят решать ряд прикладных задач, не требующих высокой точности, а также могут быть использованы как первое приближение для развития новых методов определения оптических характеристик аэрозоля.
Разработанная методика определения АОТ атмосферы в отличие от стандартного «метода прозрачности» не требует калибровки фотометров.
Результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ №№ 02-05-64492, 05-05-64410 и проекта DOE's ARM Program (контракт № 5012)
Основные положения, выносимые на защиту
Пренебрежение молекулярным поглощением в расчетах рассеянной солнечной радиации в «окнах прозрачности» атмосферы в видимой и ближней ИК области спектра приводит к относительным погрешностям ~2 - 40%, зависящих в основном от наклонной оптической толщины поглощения.
Зенитное распределение яркости неба (вне области солнечного ореола) имеет вид немонотонной функции с максимумом в области углов 80 - 90, положение которого зависит от оптической толщины атмосферы. С уменьшением оптической толщины положение максимума приближается к горизонту.
Разработанная методика определения АОТ атмосферы по угловому положению максимума яркости неба над горизонтом сопоставима по точности с «методом прозрачности», но не требует калибровки фотометра.
Личный вклад автора
Результаты, представленные в работе получены при непосредственном
участии автора, либо самостоятельно. Реализация и модификация алгоритма
численного моделирования проведены совместно с Т.Б. Журавлевой,
К.М. Фирсовым и Т.Ю. Чесноковой Анализ полученных экспериментальных
и рассчитанных данных выполнен вместе с СМ. Сакериным и
Т.Б. Журавлевой Усовершенствование «Diffuse/Directo-метода
восстановления альбедо однократного рассеяния проводилась совместно с М.А. Свириденковым. Все малопараметрические формулы и методика определения АОТ получены автором самостоятельно.
Публикации
Результаты работы отражены в 8 статьях и 11 тезисах докладов на российских и зарубежных конференциях.
Апробация результатов
Результаты работы докладывались на Азиатской аэрозольной конференции ААС (Пусан, 2001 г.), Международной конференции по
математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2002 г.), IX-XII Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002-2005 гг.), X, XI, XIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2003, 2004, 2006 гг.), Совещаниях по программе США «Атмосферные радиационные измерения» ARM (2003, 2005 гг.), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2004 г.), Международном симпозиуме по радиации IRS (Пусан, 2004 г.).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 102 страницы машинописного текста, содержит 32 рисунка и 7 таблиц. Список цитируемой литературы составляет 103 наименования.
Результаты тестирования алгоритма численного моделирования
Для того чтобы убедиться в правильной реализации упомянутого выше алгоритма, было проведено сравнение с результатами расчетов других авторов. Тестирование проводилось в приближении плоскопараллельной атмосферы для оптической модели городского аэрозоля (см. табл. 1.1). В целом согласие результатов, полученных тремя методами, можно считать удовлетворительным: относительное различие находится в пределах погрешности расчетов методом Монте-Карло (относительная погрешность наших расчетов не превышает в подавляющем большинстве случаев 1%). Единственное расхождение относится к пику в направлении «вперед» (cos = cos0 = -0,5) и связано с различными способами дискретизации (подробнее этот вопрос обсуждается в [28]).
Сравним оценки углового распределения интенсивности излучения, выполненные методом сопряженных блужданий, в сферической модели атмосферы с изотропным рассеянием и экспоненциальным распределением по высоте коэффициента ослабления є(/г) [22]. В табл. 1.3 приведены результаты расчетов яркости горизонта Вн для различных зенитных углов Солнца и двух различных направлений визирования ф = 0 и 180. Наблюдаемые различия в значениях интенсивности диффузной радиации не превышают 10%. Это, по-видимому, можно объяснить точностью, с которой выполнены расчеты, приведенные в [22]: их относительная погрешность составляет примерно 10%.
Трудоемкость алгоритма, определяемая временем счета при заданной точности, существенно зависит от используемой модели атмосферы (плоскопараллельной или сферической, вертикально однородной или неоднородной). Поэтому рассмотрим далее, насколько сильное воздействие оказывают на формирование угловой структуры приходящей радиации сферичность земной атмосферы и вертикальный ход оптических характеристик аэрозоля.
Оценки влияния сферичности атмосферы Земли на радиационные характеристики получают, как правило, путем сопоставления решений уравнения переноса излучения (с хорошей точностью) для сферической и плоскопараллельной геометрий. Этот вопрос был достаточно проработан для задач сумеречного зондирования атмосферы с поверхности Земли и исследования пространственно-углового распределения интенсивности с борта космического корабля (см., например, монографию Сушкевич Т.А. [73]). Для условий наблюдений дневного безоблачного неба с Земли влияние сферичности атмосферы подробно исследовано в альмукантарате Солнца, тогда как в пригоризонтной области тестирование проведено лишь для единичных случаев (см., например, [22, 23]).
Мы выполнили цикл расчетов интенсивности рассеянной радиации В(,(р) в широком диапазоне изменения аэрозольных оптических толщин О таег 0.9 и зенитных углов Солнца 0 0 85 в-моделях сферической и плоской,атмосферы (/1=0.55 мкм). Поскольку при интерпретации результатов расчетов яркости удобнее использовать понятие "угла рассеяния" (по аналогии с индикатрисой рассеяния излучения), в дальнейшем наряду с В( р) будем использовать обозначение В(в)=В( ,(р), где угол рассеяния в связан с азимутальным углом наблюдения (р и зенитными углами и 0 локальной системы координат соотношением: cos# = sin sin 0 cos ер + cos cos 0. (1.6) Очевидно, что при вариациях р в интервале 0 (р я угол в изменяется в диапазоне ( - 01, + 0).
В качестве характеристики, описывающей влияние сферичности атмосферы, выберем величину где индексы "sp/z" и "рр" относятся к расчетам в сферической и плоской геометрии соответственно. Результаты- сравнения показали, что при малых оптических толщинах аэрозоля (таег 0.05 ) и/или больших зенитных углах Солнца (0 82) значения А А достигают 10% (рис. 1.3). Это означает, что неучет сферичности атмосферы может привести ошибкам в понимании особенностей формирования поля яркости в области горизонта и интерпретации данных натурных измерений [91-93, 103].
Проблема влияния стратификации оптических характеристик аэрозоля обсуждалась ранее в связи с измерениями диффузной радиации в альмукантарате Солнца, например, для прямых задач - в работе [3], для обратных задач-в работе.[15]. Было показано, что в области применимости плоско-параллельной модели атмосферы (т.е. для; зенитных углов Солнца cf0 75-г-80) поле яркости определяется интегральными оптическими характеристиками всего столба атмосферы, и решение задачи существенно упрощается.
Влияние поглощения на диффузную радиацию
В расчетах рассеянной- радиации часто предполагается, что молекулярным поглощением можно пренебречь. Такое допущение имеет основание для "окон прозрачности" видимой области спектра и зенитных углов наблюдения до 70-80, но не столь очевидно при переходе в ближний ИК-диапазон спектрами к зенитным углам 80, когда роль кратного рассеяния; отягощенного поглощением, увеличивается. В связи с этим представляет интерес оценить влияние поглощения атмосферными газами на яркость неба не только в направлении на горизонт, но и для известной задачи солнечного альмукантарата при больших зенитных углах. Влияние молекулярного поглощения на расчеты яркости оценивалось в виде абсолютных (А) и относительных (8) ошибок: A = BA-BAG, 8 = 100%х(Вл -BAG)IBAG. (1-1-5) Здесь символы "AG" и "А" использованы для обозначения расчетов, выполненных с учетом и без учета молекулярного поглощения соответственно. Для полноты анализа дополнительно рассматривались ошибки в компонентах яркости В, обусловленных однократным В0 и многократным Вт рассеянием. Яркость неба в безоблачной атмосфере: рассчитывалась для четырех, спектральных участков - 0.50, 0.87, 1.24 и: 2.14 мкм с типичными для фотометров аппаратными функциями [39]. Оптические характеристики; аэрозоля выбирались в соответствии с рекомендациями WCP [29] для континентальных условий; в интервале высот 0-12 км использовался экспоненциальный профиль коэффициента ослабления аэрозоля [30]1 Конкретные значения АОТ (для двух типов аэрозольного замутнения) и альбедо \ однократного рассеяния для различных спектральных участков приведены в табл. 1.4 (см. столбцы 2, 3). Зенитный угол детектора в области горизонта составлял =89. Основные расчеты выполнены для зенитных углов Солнца о=60-т-85, азимутальных углов наблюдения в диапазоне 0 д? 180 и альбедо подстилающей поверхности (АШТМ =0 2; 0,8.
Эффективные коэффициенты поглощения рассчитаны с использованием спектроскопической базы данных HITRAN-2000 [http://www.hitran.com]. Вертикальные профили температуры, давления воздуха и концентраций атмосферных газов (Н20, СОг, 03, СН4 и др.) задавались согласно метеомодели AFGL для лета умеренных широт [40]
Погрешности радиационных расчетов, обусловленные переходом от метода LBL к эффективным коэффициентам поглощения в неоднородной атмосфере, для рассматриваемых спектральных интервалов и указанных атмосферных условий не превышала 0.3ч-0.5% (количество членов ряда в (1.11) N=10). Поскольку относительная погрешность расчета В/г , щ), i=l,...N, как правило, не выходила за пределы 1%, ошибки вычисления В&я составляли «1.5%.
Из общих соображений понятно, что ошибки (1.15) должны расти при увеличении молекулярного поглощения и количества актов взаимодействия, то есть при увеличении оптической толщины поглощения и зенитного угла наблюдения. Наиболее просто это можно показать на примере компоненты яркости, обусловленной однократным рассеянием.
Полученные соотношения показывают, что также, как для прямого излучения, пренебрежение поглощением атмосферными газами приводит к завышению радиации, а величина различий определяется наклонной оптической толщиной поглощения т%л(т)- В геометрии горизонтального наблюдения (1.18Ь) ошибки возрастают с уменьшением оптической толщины (taer+TR), и при равенстве других оптических характеристик их величина больше, чем в альмукантарате Солнца: SoiH Soiaim. Приведенные выше приближенные оценки касаются зависимости лишь однократной компоненты ошибок % от основного фактора - молекулярного поглощения. Влияние других условий на величину ошибок А и 8 дают результаты численного моделирования, полученные для сферической вертикально неоднородной атмосферы.
Увеличение As приводит к росту абсолютных ошибок, что является следствием увеличения актов рассеяния-поглощения, тогда как величина относительных ошибок вменяется несущественно [39, 89].
Влияние АОТ на величину А зависит от геометрии эксперимента. Как следует из обобщенных данных для разных условий и спектральных каналов (табл. 1.4, рис. 1.8), при наблюдениях в альмукантарате Солнца рост таег приводит к увеличению абсолютных различий Аа/т, тогда как значения Sai„, остаются почти неизменными. Зависимость А# и 8н от таег в области горизонта не является однозначной и определяется совокупностью ряда факторов, в частности - сложным влиянием сферичности атмосферы при изменении таег и зенитного угла Солнца [89, 94].
В спектральных диапазонах, где нет заметного молекулярного поглощения, вместо реальной аппаратной функции F{X) часто применяются ее различные приближения (например, в виде П-образного контура). Наличие полос поглощения атмосферными газами может радикально изменить ситуацию, и использование таких аппроксимаций вместо реального контура пропускания фильтра приведет к существенным погрешностям в радиационных расчетах. Необходимо также иметь в виду, что значительный вклад в величину ТАЛ (и, следовательно, /дя) может вносить поглощение излучения в участках, относящихся к крыльям контура пропускания фильтра, где точность описания F(A) может быть достаточно низкой.
Азимутальная зависимость яркости неба
В особенностях угловой структуры диффузной радиации отражается перераспределение роли многократного ВтН( р) и однократного Вон( р) рассеяния, индикатрис аэрозольного gaer{&) и молекулярного gR{&) рассеяния. Заметим, что при полной развертке азимутальных распределений яркости неба 5( =0- 180), в различных альмукантаратах реализуется ограниченный диапазон углов рассеяния % изменяющийся с зенитным углом о, в соответствии с (1.6). Поэтому, для удобства сравнения с индикатрисами рассеяния, здесь и далее азимутальные распределения яркости неба представлены в виде зависимостей от углов рассеяния - В{в). При необходимости, не составляет труда провести перерасчет яркостей от углов 6 к (рт\а формуле (1.6).
Максимальное влияние на асимметрию яркости неба оказывает однократная компонента BQ{6) и аэрозольная индикатриса рассеяния gaer{9) (рис. 2.5а, Ь). Из (2.2) следует, что в случае азимутальной зависимости (фиксированные Мят) компонента Во(в), с точностью до константы совпадает с атмосферной индикатрисой gatm(0). Компонента многократного рассеяния Вт(в) менее асимметрична, но ее вытянутость тоже монотонно увеличивается (уменьшается) вслед за Уравнение (2.2) для однократной компоненты, качественно правильно передает основные закономерности формирования угловой структуры яркости неба и дает возможность проанализировать влияние различных факторов.
Азимутальные распределения яркости неба (как функции угла в): (а) для зенитных углов о=60 и 85 (=90, Л=0.5 мкм, таег =0.2) в сопоставлении с индикатрисамиgatm, gaer,gR; (b) отдельно для компонент яркости В0 и Вт (=90, fo=60, /1=0.87 мкм, тасг =0.2) в сопоставлении с индикатрисами galm, gatm$\ (с) для различных альмукантаратов =60- 90 (о=60, Л=0.87 мкм, таег =0.2); (d) - для зенитных углов #0=60 и 85 (=90, Л=2.14мкм, таег=0Л). Аэрозоль, как известно, рассеивает преимущественно в переднюю полусферу.
Для молекулярного рассеяния GR = 1, а для аэрозоля вытянутость индикатрисы существенно больше GA&3 —11 [10]. То есть, действие аэрозоля заключается в увеличении анизотропии яркости неба, а воздействие молекулярного рассеяния противоположно. В большей части рассматриваемого диапазона спектра из-за сильной вытянутости gaer{0) и выполнения условия таег TR , основной закономерностью углового распределения является значительный рост рассеянной радиации при уменьшении углового расстояния до Солнца. По мере удаления от солнечного вертикала, становится более существенным влияние индикатрисы gR(0), одновременно растет вклад многократного рассеяния и, как следствие двух факторов, зависимость яркости неба В(0) становится более пологой. В случае, когда оптическая толщина zR сопоставима с таег (видимый диапазон), на диффузную радиацию в задней полусфере основное влияние оказывает индикатриса молекулярного рассеянияgR{6).
Для горизонтального направления (=90) угловой ход Во,н(0), с точностью до константы повторяет приземную индикатрису рассеяния atm,o(@) (рис. 2.5b), которая более асимметрична по сравнению с gatm{0). Увеличение вытянутости Bj 0) при —»90 является следствием увеличением относительного вклада аэрозольного рассеяния в приземном слое атмосферы - агА0)/ 7Л(0) » таег1тк. В целом, угловые зависимости яркости неба в различных альмукантаратах (рис. 2.5с) идентичны, а отличие связано с разным уровнем диффузной радиации и диапазоном углов рассеяния 0, реализуемом при изменении зенитного угла наблюдения В пределах одного диапазона углов рассеяния (пунктирные границы на рис. 2.5с), асимметрия яркости неба В(0) увеличивается по мере приближения к горизонту.
Трансформация угловой зависимости В(9) при изменении длины волны (см. рис. 2.5а и 2.5d) является следствием зависимости атмосферной индикатрисы от относительной величины таег/тк. Так как аэрозольная и релеевская оптические толщины имеют разную спектральную зависимость (TR XA, а таег Х х), то увеличение длины волны приводит к перераспределению роли компонент рассеяния: атмосферная индикатриса сближается с аэрозольной (galm— gaer) одновременно увеличивается доля однократного рассеяния и индикатриса яркости неба становится более вытянутой. В длинноволновой области спектра (Л 1 мкм) молекулярное рассеяние становится несущественным, gatm{0) gaeX&) и яркость неба во всем диапазоне углов рассеяния определяется аэрозольными характеристиками - таег и gacr{6).
Относительно особенностей азимутального хода В(ср) при разных зенитных углах Солнца, можно отметить следующее. При больших зенитных углах (см. о=85 на рис. 2.5d), угловая структура яркости неба охватывает область ореола, вследствие чего увеличивается асимметрия В(6) (в передней полусфере) и усиливается зависимость В(6) от вытянутости аэрозольной индикатрисы рассеяния. С уменьшением 0 (и соответственно - диапазона углов рассеяния 6), происходит сближение угловых распределений В(6) как в передней, так и задней полусфере независимо от gaer(Q)- Обобщая анализ спектральной зависимости и влияния на яркость неба положения Солнца, можно сделать вывод, что с ростом о и Л увеличиваются: а) роль однократного рассеяния, б) вытянутость В(6) и в) "чувствительность" В(9) к вариациям индикатрисы gaer(0). 2.3. Зависимость яркости неба от зенитного угла наблюдения
В зенитном распределении рассеянной радиации небосвода В(%, ф), при фиксированном q (Z?( (p)=B{gj) можно выделить две области, где угловой ход В(ф имеет принципиальные отличия. В относительно небольшом секторе, в области солнечного вертикала (рис. 2.6а) наблюдается максимум яркости со спадом к горизонту, связанный с влиянием ореольнои части аэрозольной индикатрисы рассеяния. Проявление солнечного ореола увеличивается с ростом АОТ атмосферы и проявляется даже в компоненте многократного рассеяния.
Вне области солнечного ореола основной тенденцией (как отмечалось и ранее [1,5,6]) является увеличение рассеянной радиации с ростом зенитного угла наблюдения (рис. 2.6Ь, с, d). Однако, непосредственно в пригоризонтной зоне угловые зависимости распадаются на два типа: 1) продолжение монотонного увеличения яркости неба вплоть до пересечения с линией горизонта; 2) немонотонный ход В(ф с максимумом в области 80 и последующим уменьшением яркости к горизонту. Такое поведение, в соответствии с (2.2), можно объяснить совокупным влиянием трех факторов: (a) увеличением яркости с ростом рассеивающего объема (числа частиц) вдоль направления визирования; (b) уменьшением яркости из-за увеличения ослабления радиации, освещающей визируемый столб атмосферы; (c) уменьшением яркости (для передней полусферы индикатрисы) или увеличением (для задней полусферы) с ростом угла рассеяния в из-за увеличения угла (о- ) Воздействие "индикатрисного" фактора (с), как отмечалось выше, преобладает лишь в области солнечного ореола, где реализуется наиболее вытянутая часть индикатрисы gacr{6). В остальной части небосвода (рис. 2.6Ь, с, d), характер углового хода В(ф определяется факторами (а) и (Ь), которые описываются двумя последними сомножителями уравнения (2.2). В зависимости от величины оптической толщины преобладает тот или иной фактор и наблюдается соответствующее поведение В(ф.
Рассмотрим трансформацию B(Q при изменении таег и фиксированных других параметрах на примере рисунка 2.6. В условиях высокой прозрачности атмосферы (таег—»0) яркость неба имеет минимальные значения и резко возрастает лишь вблизи горизонта. При уменьшении прозрачности (таег 0.1), увеличивается общий уровень яркости неба и около горизонта появляется узкий максимум -Smax(max). При дальнейшем увеличении АОТ (rfler=0.2), максимум яркости удаляется от горизонта, становится более широким, а его величина начинает уменьшаться. Вместе с тем, общий уровень яркости неба в области тах продолжает увеличиваться с ростом АОТ атмосферы.
Восстановление альбедо однократного рассеяния аэрозоля по потокам нисходящей радиации
В работах [65-68] показано, что отношение R потока рассеянной радиации, приходящей из верхней полусферы D, к прямому солнечному излучению S является чувствительным к альбедо однократного рассеяния и альбедо подстилающей поверхности. Данная закономерность послужила основой для разработки различных методик восстановления АОР под общим .названием «Diffuse/Direct» метод.
Методика Т.А. Тарасовой и др. [67] основана на определении АОР аэрозоля по величине коэффициента линейной регрессии суммарной рассеянной радиации на прямое солнечное излучение. Herman и др. в своей работе [65] предложили методику восстановления АОР аэрозоля и альбедо подстилающей поверхности по данным хотя бы двух измерений потоков для двух зенитных углов Солнца. В одной из работ М.А. Свириденкова и др. [68] приведена малопараметрическая формула для расчета АОР, при фиксированных углах Солнца. Последняя методика взята автором за основу для дальнейшего ее развития.
Для получения количественных оценок влияния высотного хода коэффициентов аэрозольного ослабления гаег{И) и альбедо однократного рассеяния Aaer(h), альбедо однородной подстилающей поверхности As, молекулярного поглощения на потоки приходящей солнечной радиации был проведен комплекс численных расчетов [102].
Численное моделирование проводилось методом Монте-Карло (прямое моделирование) [22,23] для плоско-параллельной аэрозольно-газовой модели атмосферы. Расчеты потоков суммарной О, диффузной D и прямой S радиации (Q=D+S) выполнены для условий, соответствующих лету умеренных широт, спектральных интервалов 0.55 и 0.87 мкм со следующими входными параметрами: 1. Профили коэффициентов аэрозольного ослабления и альбедо однократного рассеяния (рис. 3.3а, 3.4а): Saer(h) Ker(h) а. модель WCP; а. модель WCP (базовый); Ь. модель атмосферы Крекова и Рахимова [75]; Ь. модель атмосферыКрекова и Рахимова [75]; с. вертикально однородный слой (0-5 км); с. вертикально однородный слой (0-5 км); d. экспоненциальный профиль (1.1): saer(h)=saer(0)-exp(-J3h) (базовый); 2. АОТ в диапазоне 0.03-0.42 (базовая таег=0.15); 3. Альбедо однократного рассеяния Лаег=0.8-=-1.0 (базовое 0.9); 4. Зенитные углы Солнца 0=30-ь75о; 5. Индикатриса аэрозольного рассеяния, соответствующая модели [29] (фактор вытянутости Gvf=8.3, средний косинус juaer=6A); 6. Падающее излучение отражается от подстилающей поверхности по закону Ламберта. Альбедо подстилающей поверхности As в диапазоне 0.0-5-1.0 (базовое As=0.l). Под базовыми значениями или профилями подразумевались те значения параметров, которые остаются фиксированными при исследовании вариаций других параметров. Учет газового поглощения осуществлялся на основе представления функции пропускания атмосферными газами в виде «ряда экспонент» (метод « -распределения»). Коэффициенты молекулярного поглощения рассчитывались по спектроскопической базе данных HITRAN и варьировалась путем увеличения и уменьшения их в два раза. Проведенные расчеты показали следующее: 1) различия в потоках нисходящей радиации при изменении профилей saer(h) и Aaer(h) не превышают 1% при любых АОТ, зенитных углах Солнца о и АОР 0.8 (рис. 3.3b, 3.4Ь). 2) изменение АОТ на 50% приводит к увеличению/уменьшению потоков на 20-30% в зависимости от аэрозольного поглощения и о (рис. 3.5а); 3) для различных зенитных углов Солнца и степени аэрозольного замутнения увеличение/уменьшение АОР аэрозоля на 10% увеличивает/уменьшает поток диффузной радиации от 5 до 15% (рис. 3.5Ь). 4) с ростом альбедо подстилающей поверхности на 0.1 диффузный поток увеличивается на 3-5% в условиях высокой прозрачности атмосферы (хаег 0.15) и на 5-7% при больших аэрозольных замутнениях (тае, 0.15) (рис. 3.6). 5) неучет поглощения атмосферными газами может приводить к ошибкам в потоках до 7%, а изменение эффективных коэффициентов поглощения в два раза вносит лишь двухпроцентную ошибку в нисходящие потоки.
Таким образом, для фиксированного спектрального интервала основными факторами, влияющими на нисходящие потоки рассеянной радиации, являются АОТ атмосферы, АОР аэрозоля, альбедо подстилающей поверхности. Вариации профилей коэффициентов аэрозольного ослабления и АОР аэрозоля не оказывают значимого влияния на радиационные потоки на уровне Земли. Отношение потоков рассеянного и прямого солнечного излучения зависит от аэрозольной и молекулярной оптических толщин таег и TR, коэффициентов аэрозольного и молекулярного поглощения, альбедо подстилающей поверхности As и индикатрисы аэрозольного светорассеяния (ее среднего косинуса juaer) [66]. Средний косинус взвешенной атмосферной индикатрисы имеет следующий вид: М = Ker Maer ТаеЛАае аег + Г (3 3) В качестве модельных индикатрис рассеяния света были выбраны индикатрисы рассеяния Хеньи-Гринстейна (2.4), поскольку они в явном виде зависят от среднего косинуса. Расчеты потоков излучения как функции г, ju, Л, зенитного угла Солнца 0 и альбедо подстилающей поверхности As выполнялись по методу Монте-Карло (прямое моделирование, [22]); значения используемых в расчетах зенитных углов Солнца не превышали 0=80. В работе [10] Смеркалов В.А. предложил более точное - по сравнению с существовавшими на тот момент соотношение: R = - - {[exp(Aaerrm) +1](1 + AsKaerr) - 2}m l, (3.4) (jr + 4 где R — отношение потоков рассеянного и прямого солнечного излучения, фактор асимметрии G — определяется формулой (2.3).
Сопоставление (3.4) с результатами расчетов отношения потоков по методу Монте-Карло показало, что точности этой аппроксимации недостаточно для использования с целью оценки аэрозольного поглощения. Поэтому, сохранив структуру выражения (3.4), в работе [68] была предложена более точная формула: R= c Лехр[(Л-1) ]{[е & +13(1 + ( ))-2} 1. (35)
Методика, основанная на аппроксимации (3.5), была успешно апробирована при оценке АОР аэрозоля в условиях дымов лесных пожаров [69-70]. Однако использование (3.5) было ограничено только четырьмя зенитными углами Солнца (45, 60, 70 и 80), для которых были подобраны эмпирические функции/!(g),/2(g) и значения параметров сь с2, съ [68].
