Содержание к диссертации
Введение
Глава L Методология пассивного дистанционного зондирования атмосферы
1.1. Земная атмосфера
1.1 Л. Общее описание земной атмосферы
І.1Л.1. Классификация состава атмосферы L1Л .2. Распределение давления IЛ Л .3. Химический состав
ІЛ.2. Молекулярная спектроскопия атмосферы
1.2. Методология дистанционного зондирования
1.2Л. Процессы
1.2.1Л. Уравнение переноса излучения
1.2 Л .2. Поглощение
1.2Л.3. Тепловое излучение
1.2Л .4. Нарушение ЛТР
1.2.1.5, Спектроскопические базы данных
1.2.2. Поле зрения и пространственное разрешение
1.2.3. Методы решения обратной задачи
1.3. Эксперимент LPMA (Limb Profile Monitor of the Atmosphere)
1.3 Л. Общее описание прибора
1.3.2. Исследуемый спектральный диапазон
1.3.3. Запуск шар-зонда и геометрия измерений
1.3.4. Анализ спектров
1.4. Заключение
Глава IL Банки данных сечений поглощения атмосферных и примесных
газов (Look-up Tables) 60
II. 1. Оптимизация алгоритма расчета спектров пропускания 60
П.2.Дискретизация уравнения переноса излучения 61
П.З. Структура Look-up Tables (LUT) 63
ПА Интерполяция табличных данных 65
ПАЇ. Определение погрешностей 66
ІІ.4.2. Логарифмическая интерполяция 67
ПАЗ.Интерполяция сплайнами 71
IL4A Полиномиальная интерполяция 72
11.5. Оптимизация занимаемого объема памяти 74
II.5.1.HN03 77
П.5.2.03 78
П.5.3. CFC-12 80
86 88
11.6. Сравнение метода LUT с методом полинейного счета Line-By-Line(LBL) 82
11.7. Выигрыш во времени и занимаемом объеме памяти. IL8. Результаты оптимизации
Глава IIL Анализ широких спектральных диапазонов96
III. 1. Проблема фона в измеренных спектрах 97
III.2. Моделирование атмосферного пропускания и солнечного спектра 99120
121 125
III-3- Коррекция Н20 в корпусе спектрометра 114
IIIА Широкие спектральные диапазоны
III А1. Определение вертикального профиля CFC-12 Ш.4.2. Определение вертикального профиля HN03
Ill A3, Коррекция наведения инструмента на Солнце при затменном
зондировании 130
Глава IV. Связь со спутниковыми экспериментами 135
IV. 1. EnviSat - введение 136
IV. 1.1 GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) 137
IV. 1.2. MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric
Sounding) 143
IV. 1.3. SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for
Atmospheric Cartography) 144
IV.2. Кампания валидации инструментов спутника Envisat 146
IV.3. Надирные измерения 150
Заключение152
Литература I56
Приложение 165
Введение к работе
Представленная работа является результатом аспирантуры под совместным руководством между Лабораторией молекулярной физики и приложений (LPMA, Университет Пьер и Мари Кюри, Париж) и Томским Университетом Систем Управления и Радиоэлектроники.
Первая глава содержит общее описание методов, изученных и примененных в работе для дистанционного пассивного зондирования химического состава земной атмосферы посредством методов спектроскопии. В ней описаны вертикальная структура и состав земной атмосферы, дано понятие о переносе излучения и молекулярной спектроскопии необходимой для моделирования оптических свойств атмосферных составляющих. Все атмосферные процессы рассмотрены нами в ИК диапазоне спектра, где доминируют процессы эмиссии и поглощения излучения (влиянием диффузии можно пренебречь). Здесь также описаны методы решения обратной задачи, которые позволяют посредством соответствующей обработки атмосферных спектров, восстановить свойства изучаемой среды и в особенности, ее химический состав. В конце главы, мы представляем описание прибора LPMA, позволяющего записывать спектры поглощения земной атмосферы при помощи стратосферного шар-зонда» используя солнце в качестве источника.
Вторая глава посвящена детализации проблем, возникающих при решении уравнения переноса излучения в условиях высокого спектрального разрешения с использованием полинейного метода расчета поглощения. Мне пришлось работать с уже существующим алгоритмом обработки спектров, созданным сотрудниками LPMA и участвовать в оптимизации этого алгоритма в различных аспектах его работы. Эта глава содержит в частности описание разработанных банков данных сечений поглощения, называемых также Look-up Tables (LUT). Описаны достоинства этой оптимизации, точность и время необходимое для работы метода. Представлены примеры, касающиеся важных для атмосферной физико-химии примесей, таких как HN03, 03, CFC-12 и С10ЖХ.
Третья глава касается многочисленных проблем, возникающих при расчете спектров поглощения при обработке широких спектральных диапазонов. Обычно при использовании узких спектральных интервалов (ширина не более 1 см"1), называемых микро-окнами, таких проблем не возникает. Трудности при решении обратных задач возникают при работе со спектрами с высоким спектральным разрешением в интервалах шире 10 см"1 (что необходимо для примесей имеющих широкие полосы поглощения, таких как HN03 или CFC-12).
Помимо увеличения времени работы, компенсируемого использованием LUT, описанным во второй главе, необходимо качественно моделировать следующие феномены:
- Инструментальный фон измерений, проявляющийся из-за присутствия в
приборе неоптимизированных оптических элементов.
- Солнечные линии, присутствующие во всем спектре в случае использования солнца в качестве источника излучения.
- Влияние дополнительного поглощения водяным паром в окрестности шар зонда.
- Влияние неточности наведения на центр солнечного диска в процессе
измерений на низких касательных высотах.
В данной главе описано решение и учет всех этих проблем, усложняющих анализ широких атмосферных спектров.
Последняя глава посвящена описанию того, как данная работа вписывается в дальнейшую деятельность лаборатории LPMA по обработке измерений спектров шар-зонда. LPMA вовлечена в кампанию так называемых коррелятивных измерений, которые подразумевают независимое определение профилей концентрации атмосферных примесей по спутниковым данным и по совпадающим с ними во времени и в пространстве шар-зондовым измерениям. В этой главе описаны три инструмента наблюдения за атмосферой, установленных на спутнике ENVISAT, и показано каким образом моя работа способствовала улучшению использования данных ILAS (путем моделирования солнечного спектра) и подготовке эксперимента IASI (посредством использования « Look-up Tables »).
В заключение приводятся основные результаты работы, показаны возможные дальнейшие исследования в данном направлении.
Приложение содержит детализированный список параметров солнечных линий (моделирование которых подробно обсуждается в третьей главе).
