Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные теоретические положения, служащие основой для селекции наблюдательных данных яркости неба с целью исключения облачности (обоснование методов селекции данных) 9
1.1. Закон ослабления прямой солнечной радиации (закон Бугера-Ламберта) и его нарушения, вызываемые облачностью 9
1.2. Яркость дневного неба при однократном и многократном рассеянии света 11
1.3. Теоретические расчеты, показывающие систематическое изменение яркости и убывание градиента яркости с ростом угла рассеяния 17
Глава 2. Анализ результатов наблюдений яркости в идеализированных условиях 30
2.1. Систематическое изменение яркости неба в альмукантарате Солнца в безоблачной атмосфере с изменением угла рассеяния. Анализ наблюдений индикатрис рассеяния света в городских условиях 30
2.2. Метод угловых градиентов в анализе яркости неба 34
2.3. Обоснование метода угловых градиентов в анализе яркости неба с целью обнаружения облаков для плоскости солнечного вертикала 36
2.4. Метод контроля равномерного распределения атмосферного аэрозоля в горизонтальном направлении слева и справа от плоскости солнечного вертикала 39
Глава 3. Селекция результатов наблюдений яркости с целью исключения облачных ситуаций на основе разработанных критериев 41
3.1. Сеть AERONET 41
3.1.1. Краткое описание фотометра CIMEL. Стандартные измерительные процедуры 41
3.1.2. Уровни представления данных. Принципы, используемые специалистами NASA для исключения облачных ситуаций в направлении на Солнце в системе AERONET 42
3.1.3. Анализ исходных файлов сети AERONET, содержащих угловые распределения яркости в альмукантарате и вертикале Солнца 46
3.2. Алгоритм и описание основной программы селекции данных AERONET 48
3.3. Анализ наблюдательных данных 55
3.3.1. Исследование характеристик контраста облачных образований на фоне безоблачного неба по результатам измерений в солнечном альмукантарате 55
3.3.2. Обработка данных AERONET с использованием предлагаемых методов селекции 60
3.3.3. Анализ данных вероятности выживания кванта, представленных в AERONET, на основе разработанных методов селекции 65
3.4. Оценка достоверности методов селекции 68
3.4.1. Анализ поведения облачности в районах южной Сибири 69
3.4.2. Анализ данных наблюдений яркости неба в г. Томске 73
Глава 4. Селекция и коррекция данных измерений яркости на малых угловых расстояниях от Солнца (ореолов) 75
4.1. Особенности измерительных процедур и возможные источники ошибок 75
4.2. Предварительный анализ околосолнечных ореолов по данным AERONET 77
4.3. Формула Ван де Хюлста 79
4.4. Методы селекции и коррекции ореолов 82
4.5. Обсуждение результатов 84
Заключение 93
Литература
- Яркость дневного неба при однократном и многократном рассеянии света
- Метод угловых градиентов в анализе яркости неба
- Краткое описание фотометра CIMEL. Стандартные измерительные процедуры
- Предварительный анализ околосолнечных ореолов по данным AERONET
Введение к работе
Актуальность. Настоящая диссертационная работа посвящена разработкам методов селекции и коррекции наблюдательных данных AERONET по яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца с целью отбора безоблачных ситуаций.
Глобальная автоматизированная сеть наземного мониторинга атмосферы AERONET [1,2] развернута для получения в режиме реального времени больших объёмов данных, их накопления и последующей обработки с целью создания карты распределения аэрозоля по земному шару. Измерения оптических параметров атмосферы осуществляются с помощью солнечных фотометров CIMEL, функционирующих более чем в 100 пунктах земного шара. Результаты наблюдений используются специалистами как базовые для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы и изучения оптических свойств аэрозоля в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.
Поиск новых, тщательно обоснованных методов селекции, продиктован необходимостью объяснения завышенных величин вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), определяемых по методикам [3], разработанным в NASA GSFC (Центре космических полетов Годдар-да Национальной администрации аэронавтики и космических исследований, США).
Интерес к данному вопросу возник в связи с необходимостью оценки роли аэрозоля в формировании радиационного баланса тропосферы и подстилающей поверхности и его влияния на климат Земли в целом [4 - 8]. В современной климатологии резко возросли потребности в знании поглощатель-ной способности аэрозольных частиц, от которых зависит температура воздуха нижних слоев атмосферы. Согласно исследованиям известных авторов [6, 9 -13] и в соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организацией (WMO) к решению радиационных задач [14], величины веро-
ятности выживания кванта для морских аэрозолей составляют в видимой области спектра около 0,99, для континентальных - 0,87 и для городских - 0,62. Приводимые же во многих публикациях [2 - 3, 15 - 17] их значения, найденные из наблюдений яркости неба, для второго и особенно третьего типов частиц заметно больше вышеуказанных (обычно более 0,9). Непонятно, вызвано ли это различие недостатками методики восстановления их оптических характеристик через решение уравнения переноса излучения [3, 16], либо его причиной является несовершенство селекции наблюдательных данных при выборе исключительно безоблачных ситуаций. В связи с необходимостью разрешения второй части этой проблемы было выполнено настоящее исследование.
Поскольку разработка дополнительных к используемым в NASA методикам выборки безоблачных ситуаций из мониторинговых наблюдений затрагивает важные проблемы современной климатологии, то направление настоящего исследования безусловно следует считать актуальным.
Актуальность подтверждается систематическим увеличением числа наземных станций по измерениям оптических характеристик атмосферы, а также использованием с этой целью космических наблюдений яркости [13, 18-19]. Свидетельством тому является и развертывание различных национальных, международных и региональных программ: Международная геосферно-биосферная программа (IGBP), Всемирная программа исследований климата (WCRP), «Атмосферные радиационные измерения» (ARM Program, USA), «Глобальные изменения природной среды и климата» (Россия), «Аэрозоли Сибири», «Климатоэкологический мониторинг Сибири» и др.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов селекции и коррекции данных AERONET для выбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для последующего построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
анализ результатов расчетов угловой зависимости яркости неба для модели атмосферы, содержащей широкие распределения частиц по размерам с учетом многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности;
исследование угловых характеристик наблюдаемой яркости неба в широком диапазоне углов рассеяния при отсутствии облачности и разработка на их основе методов селекции данных AERONET;
применение разработанных методов к селекции наблюдаемых яркостей в ряде пунктов земного шара с различными климатическими условиями;
анализ данных по определению вероятности выживания кванта AERONET;
оценка достоверности и эффективности предложенных методов на основе данных наблюдений облачности на метеорологической сети;
анализ угловых распределений яркости неба вблизи солнечного диска и последующая коррекция данных AERONET на основе предложенного метода.
Основные защищаемые положения.
Необходимым условием обнаружения облаков на трассе сканирования небосвода в альмукантарате Солнца является систематическое убывание яркости неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в интервале углов рассеяния от 2 до 90 и ее последующее возрастание на угловых расстояниях более 120.
Малоконтрастные облачные образования на линии визирования скачкообразно нарушают систематическое убывание углового градиента яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Такие изменения служат условием их обнаружения.
Степенной закон углового распределения яркости неба вблизи солнечного диска является основой коррекции наблюдательных данных с целью исключения погрешностей механической наводки фотометра в малые углы.
Научная новизна.
Впервые на основе расчетов яркости неба из уравнения переноса излучения в аэрозольной атмосфере и анализа результатов измерений яркости в идеализированных условиях разработаны методы отбора безоблачных ситуаций по мониторинговым данным. В их основу положены систематические изменения яркости неба и углового градиента яркости в зависимости от угла рассеяния.
Разработанные критерии применены в анализе наблюдательных данных AERONET в ряде пунктов земного шара.
Впервые на основе эмпирических закономерностей, полученных из измерений ореолов фотометрами с высокоточной наводкой в абсолютно безоблачных условиях предложены методы селекции и коррекции данных наблюдений яркости неба вблизи солнечного диска. Методы позволяют скорректировать данные по яркости, искаженные световыми бликами в оптическом тракте фотометров CIMEL при механической наводке с большой погрешностью.
Достоверность расчетных материалов диссертации обеспечена подбором оптимального времени счета фотонов при решении уравнения переноса излучения методом Монте-Карло. Точность вычислений яркости не хуже 1%. Экспериментальные данные, применяемые в разработке методов селекции и коррекции, получены в Астрофизическом институте АН Казахстана на фотометрах яркости неба с высокоточной оптической наводкой в абсолютно безоблачных условиях. Это обеспечило получение данных по угловому распределению яркости с погрешностью не более 1 - 2%. Степень достоверности и эффективности предложенных методов подтверждена прямыми наблюдениями облачности на метеостанциях юга Сибири.
Практическая значимость работы. Разработанные методы селекции и коррекции данных AERONET могут быть широко использованы для выбора безоблачных дней из представленного массива экспериментальных данных с целью последующего построения аэрозольных моделей атмосферы. Тем са-
мым в существенной мере исключаются неопределенности в задании оптических параметров при решении уравнения переноса излучения. Последние чаще всего обусловлены неоднородным горизонтальным распределением аэрозоля либо наличием разрывной облачности на небосводе.
Публикации. Результаты настоящего исследования представлены в трех статьях и в 5 тезисах докладов на конференциях. Две статьи опубликованы в научном журнале, который входит в список ВАК для печати диссертационных материалов.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались на Межрегиональном экологическом форуме (Барнаул, 2004 г.), XI Объединенном Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2004 г.), XI, XII и XIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2005 и 2006 г.г.), Пятой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2006 г.).
Личный вклад автора заключается в предварительном анализе данных AERONET с целью исключения явных ошибок измерений. Выполнены модельные расчеты яркости и сопоставлены с данными наблюдений в абсолютно безоблачных условиях. На их основе разработаны методы селекции наблюдательных данных для случаев отсутствия информации о наличии облачности на небосводе. Предложен метод коррекции околосолнечных ореолов с целью исключения систематических погрешностей при механической наводке прибора в заданные углы. Разработанные методы использованы в анализе данных AERONET.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц, иллюстрируется 32 рисунками, содержит 8 таблиц. Список цитируемой литературы, включая работы автора, составляет 102 наименования.
Яркость дневного неба при однократном и многократном рассеянии света
Для расчетов интенсивностей рассеянного в атмосфере света наиболее простыми являются формулы теории, учитывающей только первый порядок рассеяния. Считая атмосферу плоским однородным слоем мутной среды с «черным дном», можно записать формулы, позволяющие вычислить яркость неба в альмукантарате Солнца [20] В! = izS0fi((?)e xsecZ sec Z0 (1.5) и в любой точке неба В, = s0 - - — secZ о (1.6) 1 u x secZ - sec Z u v В формулах (1.5) и (1.6) функция fi(q ) представляет собой индикатрису рассеяния, рассчитанную на всю высоту атмосферы. Она включает в себя компоненты молекулярного (релеевского) fim((p) и аэрозольного fia((p) рассеяния. Если первая из них [26] /»(»)- И 16л (1.7) представляет собой гладкую функцию, то вторая іЦф) для монодисперсного аэрозоля имеет сложную угловую структуру. В качестве примера на рис. 1.1 приведены аэрозольные индикатрисы рассеяния fia( p) для отдельных частиц в относительных единицах. Логарифмический масштаб подобран таким образом, что одно деление соответствует множителю 10. Кривые смещены по вертикали во избежание наложений. Над каждой кривой указаны значения антилогарифмов для углов рассеяния ф = 0 и ф= 180 [27 -28].
Функции распределения параллельной и перпендикулярной поляризационных компонент і і и і 2 индикатрисы рассеяния зависят от относительного размера частиц а, комплексного показателя преломления m и угла рассеяния ф. Физический смысл величин і і и і2состоит в следующем: если на частицу падает шюскополяризованная волна, электрический вектор которой ориентирован произвольным образом относительно плоскости наблюдения, то интенсивность в направлении ф равна [27]. Из рис. 1.1 отчетливо видна сложная «лепестковая» структура аэрозольной индикатрисы рассеяния света на отдельной «крупной» частице (сопоставимой с длиной волны), меняющаяся с вариациями входных параметров. При изменении размера частицы происходит смещение максимумов и минимумов на индикатрисе рассеяния. Если функция распределения частиц по размерам достаточно широка, то можно ожидать их полное исчезновение. В этом случае аэрозольная индикатриса рассеяния света будет представлять собой в интервале углов 0 ф 180 гладкую функцию.
В общем случае, если рассматривать безоблачную атмосферу, под словом «аэрозоль» понимают совокупность малых по размерам частиц вещества, взвешенных в атмосфере (точнее, в газообразной среде атмосферы) [20, 27]. Эти частицы в ясный день образуют так называемую дымку, свойства которой сильно изменяются в зависимости от различных условий. С точки зрения оптики наличие дымки означает, что, с одной стороны, рассеяние в атмосфере больше чисто молекулярного, с другой - меньше, чем рассеяние плотным туманом. Наибольшая концентрация частиц, образующих дымку, наблюдается у земной поверхности и, как правило, быстро уменьшается с высотой. Дымка может состоять из частиц космической пыли и вулканического пепла, продуктов сгорания, выбросов промышленных предприятий и транспортных средств, кристаллов морской соли, аэрозолей, выделяемых растениями и т. д. Классифицировать частицы дымки можно по различным признакам: размерам (спектру распределения по размерам), по роли в различных атмосферных явлениях, по происхождению (морские и континентальные), по физической структуре и химическому составу [20, 27]. Что касается распределения частиц по размерам, то в природе крайне редко реализуются среды, содержащие частицы одного размера. Для дымки, представляющей обычно полидисперсный аэрозоль, размеры частиц могут меняться от 0,01 до 10 мкм, т. е. на два - три порядка. Такой разброс размеров есть результат процессов образования частиц, взаимодействия их между собой, а также процессов исчезновения частиц.
Условно можно выделить в атмосферном аэрозоле три группы частиц, причем внутри каждой из них имеет место нормальное логарифмическое распределение по размерам [10,31 - 36]: 1. ультрамикроскопическую фракцию (ядра Айткена) с радиусами порядка 10 3 -г- 10 2 мкм и концентрацией 104 -5- 102 в одном кубическом сантиметре; 2. среднедисперсную (субмикронную) фракцию с радиусами 10"2 + 1 мкм и концентрацией 103 + 10 на см "3; 3. грубо-дисперсную (крупнодисперсную) фракцию с радиусами 1-5-10 мкм и концентрацией 100 10 на см 3. Частиц с радиусами более 10 мкм в дымке, в отличие от тумана настолько мало, что обычно ими можно пренебречь. На рис. 1.2 и 1.3 приведены индикатрисы рассеяния для вышеназванных групп частиц в двух спектральных участках [37 - 38] в диапазоне углов рассеяния, используемом в анализе наблюдений яркости неба, т.е. от 0 до 160. Поскольку функция fim(q ) и, как видно из приведенных рисунков, каждая из аэрозольных модальных индикатрис fia((p) - гладкие функции, то сумма fi(cp) также будет представлять собой гладкую функцию.
Метод угловых градиентов в анализе яркости неба
В результате выполненного анализа наблюдательных данных на юго-востоке Казахстана и в Геленджике было установлено, что для всех точек исследуемых экспериментальных массивов (2400 направлений ф), за исключением 16 из них, выполняются следующие соотношения: цЧр) -f (ф+Аф) ґ(ф +Аф) - ґ(ф +2Аф) при ф фпйп (2.2) и f((p + A(p)-f((p) f(q +2A p)-f( p+A p) приф ф„йП, (2.3) где величина шага Аф задается соответствующей угловому градиенту яркости. Примеры угловых зависимостей логарифмов разностей ґ(ф) - ґ(ф +10) в диапазоне 10 ф 90 представлены на рис. 2.2., а для области ореола (Я(ф) -f( p + 2)) в диапазоне 2й ф 10- на рис. 2.3. То же, что на рис. 2.2., для углов рассеяния 3 - 9. Необходимо сказать, что отмеченные выше 16 отклонений от формул (2.2 - 2.3) не связаны с длиной волны и с зенитным углом Солнца, причем лишь 3 из них имели место в передней полусфере, т.е. при углах рассеяния ф 90. В приземном слое города Алма-Аты [50] для тех же ф зафиксировано 5 случаев отклонений из 45 рассмотренных. Иначе говоря, соотношения (2.2 -2.3) для приземного слоя выполняются не реже, чем в 90% ситуаций.
Таким образом, можно сделать вывод, что для исключения ситуаций, характеризуемых наличием малоконтрастных облачных образований, следует использовать более «жесткий» критерий селекции данных, в соответствии с формулами (2.2 - 2.3): систематическое убывание углового градиента яркости АВ(ф)/Аф (или А%)/Аф) с ростом ф.
Из описания работы фотометров CIMEL сети AERONET [54 - 55] и анализа структуры данных яркости альмукантарата и вертикала Солнца (см. гл. 3) следует, что после сканирования альмукантарата в четырех длинах волн фотометр выполняет аналогичные измерения в солнечном вертикале. Поэтому вполне логичным представляется использовать жесткий критерий систематического убывания углового градиента яркости в расширенном виде, распространив его на плоскость солнечного вертикала, т.е. на те точки небосвода, где Ч? = 0 и = 180.
С целью первоначальной отработки такой методики были проанализированы результаты наблюдений B(Zo,Z, 0 на юго-востоке Казахстана [48 -49]. Они получены в абсолютно ясную устойчивую погоду в видимой и инфракрасной областях спектра. Здесь необходимо сказать, что угол рассеяния Ф для точек, лежащих в плоскости солнечного вертикала над Солнцем определяется как ф = Z - Z0 при 4, = 0n(p = Z + Zo при = 180. Вычисления AB(Z0,Z,,P)/A9 по измеренным яркостям со всей несомненностью показали, что угловой градиент яркости в абсолютном большинстве случаев действительно убывает с ростом ф и проходит нулевое значение вблизи фтш 80-90. После прохождения фпщ, градиент AB(Zo,Z,40 становится отрицательным, а его модуль АВ/Аф возрастает с ростом ф.
Следует сказать, что яркость неба (и соответственно разность АВ) при наблюдениях определялась в единицах S (rcS - спектральная солнечная постоянная) путем ее привязки к стандартному экрану, освещенному перпендикулярными солнечными лучами. Иногда при углах рассеяния 80 (pmin 100 может возникать смена знака у АВ/Аф два или более раз, что чаще всего вызывается погрешностями измерений мало отличающихся яркостей. В случае наличия облака на линии визирования вышеописанная угловая зависимость АВ/Аф обычно существенно и скачком нарушается. Таким образом, выполненный анализ экспериментальных данных абсолютно безоблачного неба [47] свидетельствует о том, что в солнечном вертикале, также как и в альмукантарате, имеет место систематическое убывание градиента яркости с увеличением угла рассеяния.
Дополнительным условием в отборе экспериментальных данных с целью их последующего объективного анализа на наличие безоблачных ситуаций является констатация факта однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальных направлениях в пределах погрешностей оптических измерений. Ранее этот вопрос уже рассматривался в некоторых работах, например в статьях [16,46,56].
Если аэрозоль в каждом из слоев стратифицированной атмосферы распределен однородно по горизонтали, то оптические характеристики правой и левой половин небосвода, условно разделенного плоскостью солнечного вертикала, должны быть идентичными.
Однако чтобы использовать условие (2.4) в анализе данных AERONET, необходимо задаться какой-то исходной точностью его выполнимости. Известно, что погрешность измерений яркости неба на фотометрах CIMEL в абсолютных единицах составляет около 5% [2 - 3, 57]. Эта цифра и определяет возможности всех последующих манипуляций с наблюдаемыми яркостями B F) и 6(3600 ) для решения каких-либо радиационных задач. Другими словами, если различия между В 0?) и В(360-Ч0 не превышают 5%, то такие наблюдения могут быть использованы в вышеуказанных целях.
Согласно многолетним исследованиям сотрудников Астрофизического института Академии наук Казахстана, начиная с классической работы Е.В. Пясковской-Фесенковой [23], в горах и особенно в степях и полупустынях нередко отмечаются абсолютно безоблачные дни с различием величин BQ) и В(360 - ) на угловых расстояниях ф 10 не более 1 - 3%. Особенно часты безоблачные ситуации в осенний период. Хорошая сходимость яркостей слева и справа от солнечного диска (обычно расхождения меньше 3% и всегда не больше 5%) отмечается и в околосолнечном ореоле 2 ф 10, если, конечно, для наведения малоуглового фотометра в заданную точку ореола используется оптический искатель. Такая наблюдательная методика была осуществлена на практике еще в начале 60-х годов прошлого столетия [58].
Краткое описание фотометра CIMEL. Стандартные измерительные процедуры
Стандартная модель солнечного фотометра CIMEL СЕ-318-2 [54 - 55, 59] имеет 8 интерференционных фильтров на длины волн 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 и 1020 нм. Для измерений прямой солнечной радиации и рассеянного света неба фотометр оснащен двумя коллиматорами с одинаковьши углами зрения. Измерения ослабления прямого излучения проводятся во всех длинах волн, при этом частота измерений зависит от величины атмосферной массы в направлении на Солнце. Измерения яркости в солнечном альмукантарате и в плоскости солнечного вертикала выполняются в четырех длинах волн: 440, 670, 870 и 1020 нм. При этом абсолютная погрешность измерений не превышает 5%. Кроме того, во всех каналах (кроме 940 нм) производятся измерения спектральной аэрозольной оптической толщины атмосферы [2]. В последующем по измеренным данным определяются оптические характеристики аэрозолей, такие как вероятность выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), комплексный показатель преломления, фактор асимметрии фазовой функции рассеяния, распределение аэрозольных частиц по размерам и др. [3]. Перечисленные параметры аэрозолей, восстановленные по методикам О. Дубовика и др. [3], приводятся на официальном сайте программы AERONET [1].
На сайте программы AERONET [1] доступны данные трех уровней достоверности: 1.0, 1.5 и 2.0. Всем данным, полученным в режиме реального времени, присваивается уровень 1.0. Так как фотометры функционируют в автоматическом режиме, для последующего корректного определения аэрозольных характеристик необходим отбор измерений, не искаженных наличием облаков на небосводе. Специалистами NASA для определения оптической толщины предложена и апробирована методика исключения влияния облаков на поток прямой солнечной радиации [57,60-64]. Шаг 1. Проверка качества данных. Сначала проверяется значение измеренной аэрозольной оптической толщины путем сравнения с пороговым значением, равным -0,01. Такой «нефизический» порог выбран из соображений его соизмеримости по абсолютной величине с точностью калибровки, диапазонами температурной коррекции фотометра, а также погрешностями, обусловленными изменениями метеоусловий, например, атмосферного давления и др. На этом же шаге отбрасываются значения оптической толщи, полученные при величине атмосферной массы m 5. Шаг 2. Критерий стабильности триплета. В течение 1 минуты проверяется динамический диапазон оптической толщи в последовательности трех отсчетов по условию: если указанный диапазон т - х„и„ больше 0,02 (или 0,03 при больших т), то триплет относится к классу «облачность». Шаг 3. Проверка стабильности в течение дня. Вычисляется стандартное отклонение а оптической толщи для длины волны 500 нм по всему ряду наблюдений за полный день. Если а 0,015, проверка прекращается, и измерения заносятся в базу безоблачных данных. В противном случае данные отбраковываются, так как точность калиброванных приборов по т равна Ат = ± 0,01 [54-55]. Шаг 4. Критерий гладкости основан на ограничении среднего квадратичного значения второй производной по времени от аэрозольной оптической толщи. Первая производная отображает скорость изменения толщи, а вторая -определяет изменчивость этой тенденции. Соответственно она очень чувствительна к локальным изменениям оптической толщи из-за наличия облаков. Среднее значение второй производной возрастает в существенной мере в окрестностях таких изменений. Значение второй производной от оптической толщи по времени не должно превышать определенный порог: Если D больше 16, определяется слагаемое с максимальным вкладом в величину D и устраняется связанный с ним максимум (пик) оптической толщи. После перехода на шаг 3 процедура повторяется. Если количество измерений в какой-либо день уменьшается до одного или двух, то измерения такого дня исключаются. При D 16 осуществляется переход к шагу 5. Шаг 5. На этом шаге проверяется наличие измерений в течение дня, не выходящих за пределы х (500 шп) ± 38 для оптической толщи и а ± 38 для параметра Ангстрема, которые далее заносятся в базу безоблачных данных.
Данным, полученным при массе атмосферы т 5, прошедшим все этапы селекции, присваивается уровень достоверности 1.5, а данным, скорректированным после дополнительной калибровки фотометра - уровень 2.0. Измеренные в альмукантарате и вертикале Солнца данные яркости выставляются на сайте AERONET в виде текстовых ASCII - файлов. Именно эти данные используются в дальнейшем в качестве исходных угловых распределений яркости. Далее будем считать, что описанная выше методика удовлетворяет требованиям отбора безоблачных ситуаций в направлении на Солнце.
Успешно прошедшие селекцию [60] данные яркости в альмукантарате и вертикале Солнца выставляются на сайте AERONET в виде текстовых ASCII - файлов с расширениями .alm .ppl соответственно. При этом вместо символа указывается имя файла, в которое входят начальная и конечная даты измерений и название пункта наблюдений, например: 990101_99123 l_Ascension_Island.alm.
Рассмотрим состав и структуру файла альмукантарата .alm, представив его в табличном виде с помощью какого-либо табличного процессора. Первые три строки полученной таблицы содержат заголовок, который включает в себя информацию о пункте наблюдения: название, географические координаты (долготу и широту), высоту над уровнем моря. Здесь же приведены сведения о типе представленных данных и их единице измерения - значения яркости в микроватт см2 х нанометр х стерадиан). Далее идет собственно таблица с данными, состоящая из 80 столбцов (полей). Первые четыре столбца отведены под информацию о параметрах измерения кривых яркости. Они содержат: дату измерения в формате dd:mm:yyyy (день, месяц, год), время измерения в формате hh:mm:ss (час, минута, секунда), длину волны фотометра в микрометрах и значение зенитного угла Солнца в градусах. Число строк равно числу измеренных угловых распределений яркости (кривых яркости), за вычетом первой строки, в которой находятся значения азимутов в градусах.
Предварительный анализ околосолнечных ореолов по данным AERONET
В ходе работы был изучен обширный наблюдательный материал AERONET по В(Ч0 на уровне достоверности 2.0 в девяти пунктах земного шара и трех городах России (табл. 3.1, гл. 3). Всего было подвергнуто анализу 246715 околосолнечных ореолов в четырех участках спектра на разных зенитных расстояниях Солнца Zo. Сделаны следующие выводы [99 -101].
Как было уже отмечено, случаи весьма вероятного присутствия облаков на небе в том или ином направлении, как и явно выраженные ошибочные значения В(Ч0, обнаруженные специалистами NASA, маркируются ими в таблицах AERONET символом «-100». Особенности исходных данных на предмет наличия упомянутых ошибок в области ореола, равно как и возможности использования таких данных в решении некоторых задач оптики атмосферы были затронуты ранее при анализе наблюдательных данных (см. гл. 3). Если из дальнейшего анализа полностью исключить распределения яркости, которые в интервалах углов 2 Ч? 6 и 354 Y 358 содержат хотя бы одну «отрицательную» яркость, то количество исследуемых ореолов уменьшится почти десятикратно и станет равным 27015. Следует заметить, что в некоторых пунктах в результате такой селекции отбраковываются практически все результаты наблюдений.
Из анализа экспериментальных наблюдений яркости в идеализированных безоблачных условиях (см. гл. 2) следует, что естественным законом распределения яркости в околосолнечном ореоле при наличии в атмосфере полидисперсных аэрозольных дымок с широким распределением частиц по размерам является систематическое уменьшение В(ф) (или соответственно B( F)) с ростом угла рассеяния ф (или ). Как показывают наблюдения на малоугловых фотометрах с оптической наводкой в заданные направления ф, в степи и предгорьях Юго - восточного Казахстана, а также на Черноморском побережье [26, 48, 58], практически всегда выполняется условие систематического убывания углового градиента яркости АВ(ф)/Дф с увеличением угла ф [46]. Нарушения этого правила, по сути включающего и условие уменьшения В(ф) с ростом ф, изредка вызываются попаданием в поле зрения фотометра плотных локальных пылевых либо водных облаков. Обычно они хорошо видны невооруженным глазом. Используем условие убывания АВ(ф)/Дф с ростом ф («жесткий» критерий в алгоритме программы селекции, гл. 3) как критерий для селекции оставшихся 27015 угловых распределений яркости в ореолах и протестируем на его основе эти оставшиеся мониторинговые кривые. В итоге число распределений В(ф) (или соответственно B0F)), которые могут быть использованы в последующем анализе, окажется равным 10866.
Сопоставим яркости BQV), измеренные в симметричных точках справа и слева от Солнца, например В(2) и В(358), разделив большую величину Втах на меньшую Bmjn в каждом из проходов фотометра. Подобный сравнительный подход к анализу результатов наблюдений широко используется многими специалистами при селекции данных AERONET. В его основе лежит очевидное положение: яркость неба на равных угловых расстояниях р от Солнца в случае однородного распределения аэрозоля по горизонтали должна быть одинакова по обе стороны от плоскости солнечного вертикала. Так, согласно [2, 15], если наблюдаемые величины Втах и Bmjn отличаются более чем на 10%, то такие распределения следует исключать из последующей процедуры восстановления спектра крупных частиц в атмосфере. Сразу необходимо заметить, что подобный подход к выборке качественных результатов наблюдений яркости является весьма «жестким» критерием, и в результате его применения остается мало данных. Если, например, его напрямую использовать для селекции 27015 ореолов, оставшихся после первоначального исключения распределений BQ) со значениями «-100», то число угловых зависимостей ВОР), которые могут быть использованы в последующем анализе, уменьшится до 796, что составит всего лишь 0,3% от их первоначального числа (246715) в анализируемых таблицах AERONET.
Осредненные результаты определения отношений Bmax/Bmin по данным наблюдений 10866 ореолов, для которых выполняется условие регулярного убывания АВ(ф)/Аф с увеличением угла рассеяния, представлены на рис. 4.1.
Как уже говорилось выше, отличия Втак/Вт\п от единицы свидетельствуют либо о преимущественно неоднородном распределении мутности атмосферы вблизи Солнца, либо о существенной роли погрешности Д Р наведения фотометра в заданные точки небосвода при измерениях яркости неба слева и справа от солнечного диска. В первом случае данные должны быть исключены из последующего анализа, а во втором - можно попытаться скорректировать результаты измерений В , предельно уменьшив влияние ошибок установки фотометра на окончательный результат.
Его величина действительно регулярно не зависит от длины волны; сам параметр меняется в пределах от 0,72 до 2,2 и в среднем равен 1,46. Поскольку угловая зависимость яркости неба в ореоле описывается степенной функцией, то, естественно, лучшим приближением в последующей коррекции данных наблюдений ореолов через осреднение величин В(ф), измеренных слева и справа от Солнца, представляется использование среднегеометрических, а не среднеарифметических значений яркости.
