Содержание к диссертации
Введение
Глава I Данные наблюдений оптических характеристик атмосферы в городских условиях 15
1.1 Солнечный фотометр СЕ - 318 20
1.2 Аэрозольная оптическая толща в г. Барнауле 22
1.2.1 Данные наблюдений АОТ атмосферы 22
1.2.2 Спектральная зависимость АОТ атмосферы 26
1.3 Данные наблюдений общего содержания водяного пара в атмосфере города 29
Основные результаты главы 1 31
Глава II Временная изменчивосгь аэрозольной оптической толщи атмосферы 32
2.1 Дневной ход АОТ и спектральной зависимости АОТ для весенне-летнего периода 33
2.2 Данные наблюдений аэрозольной оптической толщи и дневного хода АОТ для зимнего периода 40
Основные результаты главы 2 42
Глава II Разработка разностного метода определения аэрозольной оптической толщи рассеяния 44
3.1 Исходные положения разностного метода 53
3.2 Метод определения АОТ рассеяния 60
3.3 Учет фактора асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния 67
3.4 Учет вытянутости индикатрисы яркости на основе экспоненциальной угловой зависимости 70
3.5 Порядок действий при использовании разностного метода. Оценка точности метода 75
3.6 Применение разностного метода к обработке экспериментальных данных 78
3.6.1 Критерии селекции экспериментальных данных 79
3.6.6 Результаты определения АОТ рассеяния в городе Барнауле 80
Основные результаты главы 3 82
Заключение 83
Литература 85
Приложение 1 93
- Данные наблюдений общего содержания водяного пара в атмосфере города
- Данные наблюдений аэрозольной оптической толщи и дневного хода АОТ для зимнего периода
- Учет вытянутости индикатрисы яркости на основе экспоненциальной угловой зависимости
- Применение разностного метода к обработке экспериментальных данных
Введение к работе
Актуальность темы
Настоящая работа посвящена разработке метода определения аэро- * зольных оптических толщ рассеяния по яркости неба в альмукантарате
Солнца для широкого диапазона оптических параметров атмосферы в видимой области спектра. Метод должен быть пригоден для анализа не только природного, но и городского аэрозоля.
Интерес к данному вопросу обусловлен существенной ролью аэрозоля в формировании радиационного баланса Земли, его влиянии на природу и климат планеты в целом [1-4,91]. В настоящее время резко возросли потреб-
Ф ности в атмосферно-оптической информации. Кроме традиционных отраслей науки и техники, нуждающихся в такой информации (аэрофотосъемка, светотехника, астрофизика, актинометрия и др.), быстро развиваются и приобретают вес большую актуальность методы контроля пылевого (аэрозольного) ц загрязнения атмосферы, спутниковые методы и средства решения многих хо- зяйственных задач, методы лазерного зондирования атмосферы и т.д [9]. Они выдвигают свои задачи перед атмосферной оптикой. Одной из приоритетных задач в исследовании оптических характеристик атмосферы является про-блема определения влияния антропогенных факторов на экосистемы и климатические изменения [91]. В связи с регулярным ростом поступления углеродных, т.е. активно поглощающих свет, частиц в атмосферу специалисты * разных профилей все большее внимание уделяют исследованиям аэрозоль- ной компоненты атмосферы. В этой связи важнейшими задачами являются: достижение более достоверного понимания причин изменений климата и получение более надежных количественных оценок. К настоящему времени накоплен большой объем знаний об оптических характеристиках атмосферы, закономерностях поступления солнечной радиации и свойствах аэрозоля [5-8]. В тоже время рост антропогенной нагрузки, сильная пространственная и
5 временная изменчивость характеристик аэрозоля не удовлетворяют возрас тающим требованиям прогностических расчетов и приводят к необходимо- сти продолжения получения новых данных о характеристиках аэрозоля и уточнения существующих моделей. Именно поэтому за последние годы были предприняты серьезные усилия для получения данных об аэрозоле на основе А разнообразных методов дистанционного зондирования (наземного, самолет- ного, спутникового) и осуществления комплексных полевых наблюдательных экспериментов. Для того, чтобы улучшить описание радиационных эффектов аэрозоля, необходимо совершенствование наших знаний относитель-но его оптических (индикатриса рассеяния излучения, оптическая толща, альбедо однократного рассеяния) и/или микрофизических (распределение частиц по размерам, комплексный показатель преломления) свойств. Такие
I задачи в математическом плане являются весьма сложными, часто возникают определенные затруднения в их решении. Так, многие радиационные, фоновые, частотно-контрастные и другие характеристики атмосферы связаны с характеристиками первичного рассеяния и ослабления и с пространственным
0 распределением рассеивающей среды интегро-дифференциальным уравнени- ем переноса радиации. В этих условиях применение традиционных фундаментальных методов обработки информации (особенно это касается методов численного решения различного рода обратных задач) становится проблема-тичным. Наличие простых аналитических соотношений, в явном виде связывающих обращаемую функцию и восстанавливаемые характеристики, во много раз упрощает решение обратных задач, и в некоторых случаях позво- * ляет свести эти задачи к решению обычных систем алгебраических уравне- ний [9]
Важность темы подтверждается расширением сети наземных станций по наблюдению за оптическим состоянием атмосферы, а также развертыванием системы контроля из космоса [10-11]. Исследование полей аэрозоля и радиации являются важной частью многих национальных, международных и региональных программ: Всемирная программа исследований климата (WCRP), Международная геосферно-биосферная программа (IGBP), национальные программы - "Глобальные изменения природной среды и климата" (Россия), "Атмосферные радиационные измерения" (ARM Program США), региональные программы "Климатоэкологический мониторинг Сибири", "Аэрозоли Сибири" и многие другие. * С целью исследований химических, физических и оптических свойств атмосферного аэрозоля в контексте его воздействия на климат за последние годы был предпринят целый ряд комплексных полевых наблюдательных экс периментов: АСЕ-1 (измерения главных характеристик аэрозоля), TARFOX (определение аэрозольного радиационного возмущающего воздействия), АСЕ-2 (исследования аэрозоля в регионе Тихого океана), INDOEX (исследо вания аэрозоля в регионе Индийского океана).
I Для получения большего объёма данных и с целью создания карты распределения аэрозоля по земному шару была развернута Глобальная Автоматизированная сеть станций АЭРОНЕТ, оборудованная солнечными фотометрами для измерений аэрозольной оптической толщи атмосферы. В рамках g данной программы в городе Барнауле в течение года функционировал сол- нечный фотометр (СЕ-318-1/2-А Cimel Electronique, France; NASA/Coddard, SFC,USA; , ). Проводились измерения аэрозольных оптических толщ в семи длинах волн, яркости безоблачного дневного неба в альмукантарате и вертикале Солнца и общего содержания водяного пара в атмосфере. Прибор работал в мониторинговом режиме. Спектральная яркость неба измерялась в видимой и в ближней инфракрасной * областях спектра.
Это и определило задачу настоящей работы: статистическую обработку экспериментальных данных и разработку метода, позволяющего судить о рассеивающих и поглощающих свойствах аэрозоля в городских условиях.
7 Состояние вопроса
Интерес к оптическим явлениям в атмосфере возник очень давно. Ат мосфера, наряду со звездным небом, - один из первых объектов исследования природы человеком. Начальные попытки научного объяснения оптических свойств атмосферы были предприняты еще в трудах Леонардо да Винчи, ц И. Ньютона и Л. Эйлера. В последней трети девятнадцатого века удалось найти качественное объяснение многим процессам в атмосфере на основе теории молекулярного рассеяния света, разработанной Д. Релеєм. Решение более обшей задачи о рассеянии электромагнитного излучения однородными * сферическими частицами произвольного радиуса было найдено А. Лявом (1899) и Г. Ми (1908). Полученные решения в виде сложных рядов долгое время оставались без применений, поскольку выполнять расчеты по ним ф практически было невозможно вплоть до появления ЭВМ. Тем временем бы- ли развиты новые аналитические и численные подходы, расширился круг задач (неоднородные и несферические частицы). Работами Л.И. Мандельштама (1907) было доказано, что причинами рассеяния света могут быть только не- * однородности среды. Соответствующая строгая статистическая теория была развита в работах М. Смолуховского (1908) и А. Эйнштейна (1910).
Современная теория переноса излучения является одним из важнейших достижений физики. Строгая аналитическая теория получила большое разви-к тие в фундаментальных работах основоположников ряда общих методов и направлений. Наиболее значительные труды в области теории переноса излучения принадлежат В.А. Амбарцумяну [12], С. Чандрасекару [13] и В.В. * Соболеву [14]. Ими образован прочный фундамент, служащий основой, как для дальнейшего развития теории, так и для реализации её различных аспек тов. Последовательное изложение теории рассеяния света малыми частицами можно найти в монографиях К.С. Шифрина [15] и Г. ван де Хюлста [16]. Много полезных материалов по рассеянию и поглощению света малыми час тицами в атмосфере Земли содержится в книгах Э. Мак-Картни [17] и
8 К.Н. Лиоу [18], где также можно найти сведения о молекулярном рассеянии света.
Е.В. Пясковской-Фесенковой [1] был предложен метод определения коэффициента прозрачности рн по яркости неба в так называемой особой точке индикатрисы при 0-60. Для этих целей использовались эмпирические
4 уравнения регрессии между значениями индикатрисы яркости fH (60 ) и значениями тн и р„ Следует отметить, что эти уравнения определяют не оптические толщи рассеяния или ослабления, а так называемые отягощенные толщи, переход от которых к значениям толщ рассеяния или поглощения является весьма нетривиальным. Уравнения могут быть использованы для приближенной оценки значений толщ рассеяния и ослабления в летних условиях при значениях Тц<0,15. * В работе А.И. Иванова, Г.Ш. Лившица и М.А. Назаралиева [19] была предложена методика определения оптической толщи атмосферы по данным измерений яркостной толщи при достаточно широких диапазонах изменения яркостной толщи, аэрозольной толщи рассеяния и коэффициента асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния Га. Суть её сводится к построению по данным точных расчетов подробного каталога номограмм значений толщи рассеяния с четырьмя входными параметрами. Но такого каталога нет, и вряд ли его создание состоится. Кроме того, методики с использованием номо грамм неудобны при автоматизации обработки информации.
Цель диссертационной работы состоит в получении экспериментального материала по спектральной прозрач ности атмосферы и яркости безоблачного дневного неба в г. Барнауле на солнечном фотометре СЕ-318 (NASA); исследовании закономерности изменения аэрозольной оптической толщи атмосферы и её спектрального хода в условиях промышленно го города; разработке метода определения АОТ рассеяния по яркости неба в альмукантарате Солнца в широком диапазоне оптических параметров атмосферы в видимой области спектра; доведении этого метода до уровня простых "инженерных" формул и его использовании для определения альбедо однократного рассеяния * частиц аэрозоля.
Основные задачи исследования
1. Проведение экспериментов в мониторинговом режиме по измерениям оптических характеристик атмосферы и получение достоверных результатов об их свойствах и временной изменчивости. * 2. Определение количественных и статистических характеристик АОТ атмосферы в интервале длин волн 0,34-И ,02 мкм. 3. Исследование взаимосвязи спектральных составляющих АОТ атмосферы, характеризующих дневной ход, со скоростью ветра. * 4. Получение простых "инженерных" формул для определения АОТ рас- сеяния из наблюдений яркости неба в солнечном альмукантарате на основе численных результатов решения уравнения переноса излучения в безоблачной атмосфере методом Монте-Карло. f
5. Апробация разработанной методики на экспериментальном материале.
Определение величины альбедо однократного рассеяния частиц в условиях города с развитой промышленностью.
Научная новизна работы
Впервые получены количественные характеристики оптических свойств атмосферы в условиях сибирского промышленного города для ин-тервала длин волн 0,34-4,02 мкм в мониторинговом режиме на солнечном фотометре СЕ-318. Данные выставлены на сайте AERONET ().
10Разработан разностный метод определения аэрозольной оптической толщи рассеяния из наблюдений яркости безоблачного неба в альмукантара те Солнца. Он базируется на численных данных решения уравнения переноса излучения и в нем впервые оценивается влияние таких параметров, как длина волны, мутность атмосферы, зенитный угол Солнца и вытянутость аэрозоль- щ ной индикатрисы рассеяния на восстановление оптической толщи рассеяния.
Получены простые аппроксимационные формулы "инженерного" характера, которые могут найти широкое практическое применение.
Для учета формы аэрозольной индикатрисы рассеяния при восстанов- * лении аэрозольной оптической толщи рассеяния предложен новый параметр, определяемый из наблюдений и характеризующий асимметрию индикатрисы яркости.
Достоверность основных результатов работы определяется примене нием высокоточного математического метода при решении уравнения пере носа излучения (Моте-Карло) и использованием современных компьютерных д методик для получения аппроксимационных выражений. Эксперименталь- ные данные получены на солнечном фотометре для которого регулярно проводятся калибровочные измерения. Обсуждаемые в работе результаты согласуются с результатами других исследователей и не противоречат сущест-вующим представлениям о рассеянии света аэрозолем.
Практическая значимость работы * Полученные количественные и статистические оптические характери стики дополняют имеющиеся знания об аэрозольной компоненте прозрачно сти атмосферы.
Разностный метод и полученные соответствующие формулы для определения альбедо частиц могут быть использованы в анализе обширных рядов экспериментальных данных по яркости неба с целью изучения поглощатель-ной способности атмосферного аэрозоля при разных условиях.
Материалы исследований вошли в отчет по интеграционному проекту СО РАН № 64 "Аэрозоли Сибири" и в отчет ИВЭП СО РАН по проекту №3 "Разработка научных основ экологического космомониторинга аэрозольно-газовых образований в приземном слое воздуха".
4 Публикации
Результаты работы отражены в четырех статьях в рецензируемых журналах и восьми тезисах докладов на конференциях.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на VIII и IX Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2001, 2002 г. г.), Ме-
И ждународной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2001 г.), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2002 г.), Международной конференции «Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, щ технике и образовании» (Алматы, 2002 г.).
Основные защищаемые положения
1. Статистические характеристики аэрозольной оптической толщи атмо- сферы в диапазоне 0,34^1,02 мкм., полученные в городе Барнауле в
1999-2000 г.г., и средняя спектральная зависимость АОТ атмосферы соответствует типичному состоянию оптической погоды для континен- * тальных условий умеренных широт. Суточные изменения аэрозольной оптической толщи определяются мощностью источников генерации частиц и суточной динамикой ветра. Накопление мелкодисперсного аэрозоля происходит в основном в ночные часы, когда скорость ветра минимальна.
2. Разработанный метод определения аэрозольной оптической толщи рас сеяния в видимой области спектра из наблюдений яркости безоблачно-
12го неба в солнечном альмукантарате позволяет получить достоверные данные об альбедо однократного рассеяния частиц. Точность опреде ления АОТ рассеяния не хуже 1%. 3. Средние вероятности выживания кванта в городских условиях при ши роких вариациях мутности в области спектра 675 нм составляют 0.7, ^ что соответствует представлениям о поглощении света частицами го- родского аэрозоля.
Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из вве- * дения, 3 глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объем диссерта ции составляет 103 страницы, иллюстрируется 20 рисунками, содержит 14 таблиц и 4 приложения. Список цитируемой литературы, включая работы ав- д, тора, составляет 91 наименование.
Краткое содержание работы к Первая глава посвящена результатам исследования аэрозольной опти- ческой толщи в спектральном диапазоне Х=0,34-И.02 мкм в г. Барнауле. Приводится описание солнечного фотометра СЕ-318. Объем данных включает 2039 единичных замеров в каждой из семи длин волн за 75 дней в весенне-летний и зимний периоды наблюдений. На основе экспериментальных данных построены гистограммы повторяемости АОТ. Обсуждается вид распределения аэрозольной оптической толщи по числу случаев. Показано, что * наилучшей аппроксимацией эмпирических распределений является лога рифмически нормальный закон. Приводятся данные расчетов спектральной зависимости аэрозольной оптической толщи атмосферы. Приведены стати стические данные по общему содержанию водяного пара в атмосфере города, обсуждаются дневные и сезонные изменения.
13Во второй главе обсуждается временная изменчивость аэрозольной оптической толщи атмосферы. Анализируется закономерности дневного хода АОТ в весенне-летний и зимний периоды наблюдений в каждой длине вол ны. Выявлена статистически обоснованная регулярная компонента средней дневной изменчивости спектральных составляющих АОТ атмосферы и пара ді метра Ангстрема. Рассмотрены сезонные изменения прозрачности атмосфе ры. Обсуждается взаимосвязь изменения аэрозольной оптической толщи ат мосферы со скоростью ветра. Показано, что накопление аэрозоля в атмосфе ре города происходит в основном в ночное время. Наиболее заметный вклад ** антропогенного фактора сказывается в доле мелкодисперсного аэрозоля.
В третьей главе проведен анализ современных методов определения * оптических характеристик атмосферы. Далее обсуждается и обосновывается выбор модели атмосферы, охватывающей широкий диапазон оптических ха рактеристик. Заданы исходные положения модели атмосферы. На основе анализа численного решения уравнения переноса излучения в дневной без- у облачной атмосфере методом Монте-Карло, выполненных в ИОА СО РАН
Т.Б. Журавлевой, предлагается метод определения аэрозольной оптической толщи рассеяния по данным измерений яркости неба в альмукантарате Солнца. Для второй итерации, позволяющий повысить точность метода, предло-жен новый параметр, характеризующий вытянутость индикатрисы яркости. Метод применим в видимой области спектра (^=439 нм и Х,=675 нм). Получены аппроксимационные выражения для расчета АОТ рассеяния и описан по- * рядок их применения при обработке экспериментальных данных. На примере численного эксперимента проведен анализ достоверности разностного мето да. Выполнена оценка точности метода.
Описан критерий дополнительной селекции экспериментальных дан-ных. Проанализировано влияние погрешности экспериментальных данных на точность определения аэрозольной оптической толщи рассеяния. Приведены результаты определения оптической толщи рассеяния по разностному методу
14 р красной области (^=675 нм) спектра. Вычислены средние значения альбедо однократного рассеяния частиц в городских условиях.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
В приложениях приведены гистограммы повторяемости АОТ (приложение 1), гистограммы повторяемости Lnxa (приложение 2), графики дневного хода АОТ (приложение 3) в шести участках спектра, таблица значений АОТ рассеяния и альбедо частиц для Х=615 нм (приложение 4).
Личный вклад автора состоит в получении всего экспериментального материала и его статистической обработки, в выполнении всех вычислительных процедур при разработке метода определения аэрозольной толщи рассеяния, в подборе параметров для выполнения первой и второй итераций, и в анализе экспериментальных данных с целью определения значений альбедо однократного рассеяния частиц в городских условиях.
Данные наблюдений общего содержания водяного пара в атмосфере города
При решении различных задач атмосферной оптики важно изучение оптических свойств аэрозоля всей атмосферы и, в частности, таких инте гральных характеристик, как аэрозольная оптическая толща т" и индикатриса рассеяния f (ЦІ). Развитие теории взаимодействия излучения с веществом дало интенсивное развитие изучению характеристик оптической погоды. В данном направлении важную роль сыграли работы В.В. Соболева, Е.С. Кузнецова. Г. Ван де Хюлста, С. Чандрасекара, К.Л. Коулсона, Дж. Даве, 3. Са-керы, К. Бульриха, Е. де Бари, К.Я. Кондратьева, P.M. Гуди, К.С. Шифрина, В.Е. Зуева, Д. Дейрмеджана. Идеи методологии пассивного зондирования ат мосферы были сформулированы в трудах В.Г. Фесенкова, Г.В. Розенберга, Е.В. Пясковской-Фесенковой, Г.Ш. Ливщица, Г.П. Гущина и др. Многочис ленные методы определения характеристик атмосферы получили физическое обоснование и развитие в работах Г.И. Горчакова, В.А. Смеркалова, В.Е. Павлова, Б.Т. Ташенова, Л.С. Ивлева, С. Платта, М. Григса, В.Н. Арефьева, М.В. Панченко, Ю.М. Тимофеева и других известных исследователей. щ Развитие разветвленной сети актинометрических, аэрологических и озонометрических станций, использующих единообразные приборы и методики, позволило получить обширный экспериментальный материал регулярных данных о радиционно-значимых характеристиках атмосферы в различных районах. Выявленные закономерности пространственной и временной изменчивости АОТ по сети отечественных станций обобщены в работах Г.П. Гущина [7, 20], а также в циклах публикаций Б.Д. Белана, Г.О. Задде, А.И. t Кускова [21-23], Г.М. Абакумовой, Е.Р. Ярхо [24-26] и других. Большая группа результатов получена исследовательскими коллективами в ходе экспериментов в экспедиционных условиях и на научных базах. В числе крупных научных организаций России и ближнего зарубежья по проблемам атмо 16 сферного аэрозоля можно назвать ИФА РАН, ИОА СО РАН, Сп-бГУ, ЦАО, ТГУ, ГГО, ААНИИ, ИЭМ, ИПГ, АФИ НАН Казахстана. В последние годы развиваются системы определения АОТ из космоса. Однако абсолютная погрешность восстановления АОТ по спутниковым данным составляет величину 0,03 0,05 [27], что заметно хуже, чем для наземных 4 исследований на данный момент времени. Следует отметить, что основная масса данных об аэрозольной прозрачности атмосферы получена для континентальных фоновых условий [7, 20, 28-30]. Ряды наблюдений спектральных АОТ в городах остаются эпизодически ми, прерывистыми и не всегда комплексными. В большинстве случаев про водятся исследования влияния городов на фоновое состояние атмосферы [29, 31]. Наиболее полное исследование аэрозоля в условиях промышленного ф города можно найти в работе [25]. Атмосферный воздух всегда содержит заметное количество частиц разного происхождения, различных по размерам и химическому составу. Наибольшая концентрация частиц отмечается у земной поверхности. Она, Ф как правило, быстро уменьшается с высотой, но все же значительное число частиц обнаруживается во всей атмосфере, в том числе и в стратосфере. Источниками аэрозоля является космическая пыль, вулканический пепел, поверхность морей и океанов, суши, растительный покров, фотохимические ре-акции в атмосфере и, прежде всего в городах - хозяйственная деятельность человека, лесные пожары и др. [8, 17, 32]. Частицы аэрозоля имеют широкий диапазон размеров, различный химический состав, форму и т.д. [17, 33]. Со став аэрозоля в атмосфере в определенной точке зависит как от действия ре гиональных источников и особенностей стратификации атмосферы, так и от поступления воздушных масс из других регионов с учетом их особенностей. Достаточно подробно вопросы происхождения, состава частиц рассмотрены в работах [3, 34]. Поэтому исследование оптических свойств аэрозоля и его изменчивости для локальных условий представляет собой сложную и важную задачу. В связи с этим следует обратить внимание на географические и синоп тические особенности региона, в котором проводились настоящие наблюде ния. Уральские горы представляют собой границу между различными бари ческими системами и воздушными массами. Урал создает особые условия продвижения воздушных масс с запада на восток. В атмосфере над Уралом Ф возникают крупномасштабные гребни, блокирующие западный перенос воз душных масс [35]. С подветренной стороны Урала облачность расслаивается [36, 37]. В условиях барьерной тени уменьшается величина осадков и формируется своеобразный умеренно-континентальный климат [38], для которого характерны пониженные значения относительной влажности воздуха. В теплый сезон года над южной частью Западно-Сибирской равнины господствует континентально-умеренный воздух. Летом полярный фронт ф здесь размыт и слабо выражен [39]. Абсолютный максимум летних темпера тур по станциям лесостепной зоны выше 30 градусов [40]. Это обусловлено приходом с юга континентального тропического воздуха (с низкой влажностью) и усгановлением погоды антициклонального тина (очень слабый ветер или штиль). В антициклональном образовании вследствие опускания водяно го пара происходит его нагревание, и соответственно, удаление от состояния насыщения, что приводит к размыванию облачности и значительному про греву воздушной массы и интенсивному испарению. Поэтому данная терри тория характеризуется значительным числом часов солнечного сияния. Определение вертикальной оптической толщи г безоблачной атмосферы обычно базируется на известном законе ослабления света (закон Бугера):
Данные наблюдений аэрозольной оптической толщи и дневного хода АОТ для зимнего периода
Радиационный режим атмосферы города определяется её газовым и аэрозольным составом и влиянием антропогенного фактора. На динамику су точного ритма прихода солнечной радиации также существенно влияет температура, влажность, движение воздушных масс и ряд других факторов [5, 6, 8, 33, 62]. Из приводимых в работах [7, 21-23, 26 и др.] результатов межгодо вой изменчивости можно сделать вывод, что устойчивой тенденции изменения АОТ атмосферы для различных регионов не наблюдается. В тоже время общей тенденцией сезонных колебаний АОТ с учетом географических осо бенностей региона наблюдения [7, 11, 24-26] является существование весен не-летнего максимума и осенне-зимнего минимума замутнения атмосферы. Из результатов исследования дневных изменений АОТ в видимой области спектра следует, что наблюдается тенденция увеличения замутнения воздуха к полудню и её спад к вечеру [7, 9, 60].
В данном параграфе рассматриваются закономерности дневного хода и сезонные изменения аэрозольной оптической толщи в весенне-летний (28.04.99-16.06.99) и зимний периоды (19.11.99-13.03.00) в семи длинах волн. Данные о дневных вариациях АОТ, приводимые в литературе, достаточно противоречивы: от полного отсутствия каких-либо колебаний [7] до больших полуденных максимумов, достигающих 50% от среднесуточного значения АОТ [25]. Сезонные изменения АОТ обусловлены, прежде всего, годовым изменением солнечной радиации, доходящей до земной поверхно сти, и вариациями метеорологических параметров. Важную роль играет со стояние подстилающей поверхности, изменение параметров преобладающих воздушных масс. Для континентальных условий существуют достаточно большие ряды наблюдений сезонных колебаний АОТ [7, 11, 26, 53]. Алтайский край располагается в зоне преобладания антициклональной деятельности в течение всего года, что обусловлено расположением оси А. Воейкова в районе 53-55 с.ш. [61]. Нисходящие потоки воздуха, харак терные для антициклонов, нередко формируют инверсионное распределение температуры, которое препятствует вертикальному движению воздуха и спо 4 собствует накоплению примесей в приземном слое. Предварительно проведенные исследования показали, что распределение АОТ по числу случаев носит явно нормальный логарифмический харак щ тер [30]. Это предопределяет в дальнейшем статистическом анализе экспе риментальных данных использование среднегеометрических величин та. Изменчивость АОТ день ото дня может быть очень существенной. Поэтому с целью установления общей тенденции дневного хода аэрозольной оптиче ф ской толщи сначала определялись нормированные значения АОТ та/тад на усредненную за день величину тал. Затем вычислялись средние от нормированных значений по всем дням, соответствующие выбранному моменту времени. Чтобы провести оценку вклада антропогенного фактора в формирова-ние аэрозольного замутнения атмосферы города, в дальнейшем статистическом анализе рассматривались отдельно рабочие и выходные дни [89,90]. Дневное изменение АОТ для всего весенне-летнего периода (рабочие дни) представлено на рис. 2.1 (к = 500 нм). Для остальных участков спектра графики дневного хода АОТ приведены в Приложении 3. Как видно из приведенных графиков, в зависимости аэрозольного замутнения атмосферы от времени дня для каждой длины волны можно выде-лить три характерных участка. Утренний период характеризуется уменьшением аэрозольной оптической толщи атмосферы. Относительное изменение 35 АОТ на данном участке имеет существенные отличия и растет с уменьшением длины волны. На дневном участке от 8 до 17 часов следует отметить рост замутнения для А=1,02-Ю,50 мкм., нейтральный ход для А=0,44 мкм и замед ление уменьшения АОТ для А=0,38-Ю,34 мкм. В вечерний период от 17 до 19 часов местного астрономического времени наблюдается явно выраженный л спад АОТ атмосферы. Таким образом, анализ полученных зависимостей по казал, что изменение дневного хода АОТ во всех длинах волн имеет качественно схожий характер (рис.2.2). Характер дневного хода аэрозольного замутнения математически описывается функцией одного вида (полиномом пя той степени с различными коэффициентами). В дальнейшем будем рассмат ривать изменение аэрозольного замутнения в основном на примере длины волны Х=500 нм. ф В годовом ходе АОТ выделяется весенне-летний максимум и зимний минимум. Для весенне-летнего периода наблюдений отмечена слабая тенденция увеличения прозрачности атмосферы за время с апреля по июль. Дневные вариации оптического состояния атмосферы в городе будем иссле довать совместно с анализом изменения спектральной зависимости АОТ ат мосферы в течение дня. На рис. 2.3 представлен дневной ход средних нормированных значений параметра Ангстрема для того же периода наблюдений. За все время наблюдений были получены следующие характерные за висимости в каждом временном интервале: в утренние часы в 80% случаев наблюдается непрерывное уменьшение замутнения атмосферы города. Только в 9% наблюдался рост замутнения, и в остальные дни малая времен ная изменчивость. Анализ динамики ветров в городе позволяет утверждать, что увеличе ние прозрачности атмосферы в утренние часы можно объяснить, прежде все го, стоком аэрозоля за территорию города под действием ветра. В таблице 2.1 представлены средние нормированные значения скорости ветра для рас сматриваемого периода наблюдений.
Учет вытянутости индикатрисы яркости на основе экспоненциальной угловой зависимости
Самый простой путь учета вклада молекулярного и многократного рассеяния и альбедо подстилающей поверхности через коэффициент асиммет рии световых потоков, как показано в предыдущем параграфе, не дал ожи даемых результатов. Потребовалось введение другого параметра, чувствительного к заданным моделям при малых значениях оптической толщи для широкого диапазона атмосферных масс. С этой целью было рассмотрено из менение абсолютной индикатрисы яркости f(cp) в альмукантарате Солнца в области нефелометрических углов 15 ф 800 для заданных моделей (рис.3.6). С точностью не хуже 1% теоретическая зависимость f(cp) описыва-ется экспонентой вида:
Следует отметить, что более 90% экспериментальных данных также удовлетворяет формуле (3.22). Коэффициент г в данном выражении как раз и характеризует вытянутость индикатрисы яркости, причем с учетом как молекулярного, так и многократного рассеяния. Параметр г\ был рассчитан для заданных моделей (таблицы 3.1 и 3.2) в двух длинах волн, причем угол ф использовался в радианах. Следуя изложенному в параграфе 3.2 алгоритму, были рассмотрены зависимости нового параметра от натурального логарифма (исходя из удобства математической аппроксимации) разности потоков в переднюю и заднюю полусферы Lnx в каждой длине волны (рис. 3.7). Зависимость оказалась имеющей кусочный характер и при фиксированном значении атмосферной массы m с достаточной точностью может быть описана полиномом второй степени, как и для коэффициента асимметрии Г: Для введенного нового параметра л, были получены коэффициенты Kj и их зависимость от атмосферной массы т. При более глубоком анализе оказалось, что зависимость коэффициентов Kj от атмосферной массы несущественна. Иначе говоря, для второго этапа разностного метода не имеет смысла вводить зависимость г от secZ0, и можно пользоваться усредненной зависимостью ц от Lnx для всего массива значений secZ0 в каждой модели. Как показали расчеты, новый параметр оказался значительно более чувствителен к моделям (рис. 3.8) чем параметр Г, причем для широкого диапазона вариаций мутности. Аналогичная зависимость наблюдалась и для А,=675 нм. Значения коэффициентов К, приведены в таблице 3.8. Продемонстрируем возможности определения параметра вытянутости на примере численного эксперимента для тех же входных параметров, что и в параграфе 3.2 (таблица 3.5) Значение параметра г] равно 2,49 при Ла=0,9 и Ла=0,75 для =439 нм. В области спектра Х,=675 нм для этих же значений ве роятности выживания кванта параметры л соответственно равны 2,67 и 2,71. Результаты численного эксперимента для обеих длин волн представлены в таблице 3.9 (таблица 3.9а для А,=439 нм и таблица 3.96 для Х=615 нм). Для восстановления параметра вытянутости т\ индикатрисы яркости использовались наборы коэффициентов К;, НО, 1,2 из таблицы 3.8. Данные таблиц свидетельствуют о том, что "истинное" значение параметра г\ попада ет в соответствующий интервал расчетных значений параметра (между моде лями 2 и 3 в синей области спектра и между моделями 1 и 2 в красной облас ! . ти спектра).
Применение разностного метода к обработке экспериментальных данных
При решении различных задач атмосферной оптики важно изучение оптических свойств аэрозоля всей атмосферы и, в частности, таких инте гральных характеристик, как аэрозольная оптическая толща т" и индикатриса рассеяния f (ЦІ). Развитие теории взаимодействия излучения с веществом дало интенсивное развитие изучению характеристик оптической погоды. В данном направлении важную роль сыграли работы В.В. Соболева, Е.С. Кузнецова. Г. Ван де Хюлста, С. Чандрасекара, К.Л. Коулсона, Дж. Даве, 3. Са-керы, К. Бульриха, Е. де Бари, К.Я. Кондратьева, P.M. Гуди, К.С. Шифрина, В.Е. Зуева, Д. Дейрмеджана. Идеи методологии пассивного зондирования ат мосферы были сформулированы в трудах В.Г. Фесенкова, Г.В. Розенберга, Е.В. Пясковской-Фесенковой, Г.Ш. Ливщица, Г.П. Гущина и др. Многочис ленные методы определения характеристик атмосферы получили физическое обоснование и развитие в работах Г.И. Горчакова, В.А. Смеркалова, В.Е. Павлова, Б.Т. Ташенова, Л.С. Ивлева, С. Платта, М. Григса, В.Н. Арефьева, М.В. Панченко, Ю.М. Тимофеева и других известных исследователей. щ Развитие разветвленной сети актинометрических, аэрологических и озонометрических станций, использующих единообразные приборы и методики, позволило получить обширный экспериментальный материал регулярных данных о радиционно-значимых характеристиках атмосферы в различных районах. Выявленные закономерности пространственной и временной изменчивости АОТ по сети отечественных станций обобщены в работах Г.П. Гущина [7, 20], а также в циклах публикаций Б.Д. Белана, Г.О. Задде, А.И. t Кускова [21-23], Г.М. Абакумовой, Е.Р. Ярхо [24-26] и других. Большая группа результатов получена исследовательскими коллективами в ходе экспериментов в экспедиционных условиях и на научных базах. В числе крупных научных организаций России и ближнего зарубежья по проблемам атмосферного аэрозоля можно назвать ИФА РАН, ИОА СО РАН, Сп-бГУ, ЦАО, ТГУ, ГГО, ААНИИ, ИЭМ, ИПГ, АФИ НАН Казахстана. В последние годы развиваются системы определения АОТ из космоса. Однако абсолютная погрешность восстановления АОТ по спутниковым данным составляет величину 0,03 0,05 [27], что заметно хуже, чем для наземных 4 исследований на данный момент времени. Следует отметить, что основная масса данных об аэрозольной прозрачности атмосферы получена для континентальных фоновых условий [7, 20, 28-30]. Ряды наблюдений спектральных АОТ в городах остаются эпизодически ми, прерывистыми и не всегда комплексными. В большинстве случаев про водятся исследования влияния городов на фоновое состояние атмосферы [29, 31]. Наиболее полное исследование аэрозоля в условиях промышленного города можно найти в работе [25]. Атмосферный воздух всегда содержит заметное количество частиц разного происхождения, различных по размерам и химическому составу. Наибольшая концентрация частиц отмечается у земной поверхности. Она, Ф как правило, быстро уменьшается с высотой, но все же значительное число частиц обнаруживается во всей атмосфере, в том числе и в стратосфере. Источниками аэрозоля является космическая пыль, вулканический пепел, поверхность морей и океанов, суши, растительный покров, фотохимические ре-акции в атмосфере и, прежде всего в городах - хозяйственная деятельность человека, лесные пожары и др. [8, 17, 32]. Частицы аэрозоля имеют широкий диапазон размеров, различный химический состав, форму и т.д. [17, 33]. Со став аэрозоля в атмосфере в определенной точке зависит как от действия ре гиональных источников и особенностей стратификации атмосферы, так и от поступления воздушных масс из других регионов с учетом их особенностей. Достаточно подробно вопросы происхождения, состава частиц рассмотрены в работах [3, 34]. Поэтому исследование оптических свойств аэрозоля и его изменчивости для локальных условий представляет собой сложную и важную задачу. В связи с этим следует обратить внимание на географические и синоп тические особенности региона, в котором проводились настоящие наблюде ния. Уральские горы представляют собой границу между различными бари ческими системами и воздушными массами. Урал создает особые условия продвижения воздушных масс с запада на восток. В атмосфере над Уралом Ф возникают крупномасштабные гребни, блокирующие западный перенос воз душных масс [35]. С подветренной стороны Урала облачность расслаивается [36, 37]. В условиях барьерной тени уменьшается величина осадков и формируется своеобразный умеренно-континентальный климат [38], для которого характерны пониженные значения относительной влажности воздуха. В теплый сезон года над южной частью Западно-Сибирской равнины господствует континентально-умеренный воздух. Летом полярный фронт ф здесь размыт и слабо выражен [39]. Абсолютный максимум летних темпера тур по станциям лесостепной зоны выше 30 градусов [40]. Это обусловлено приходом с юга континентального тропического воздуха (с низкой влажностью) и усгановлением погоды антициклонального тина (очень слабый ветер или штиль). В антициклональном образовании вследствие опускания водяно го пара происходит его нагревание, и соответственно, удаление от состояния насыщения, что приводит к размыванию облачности и значительному про греву воздушной массы и интенсивному испарению. Поэтому данная терри тория характеризуется значительным числом часов солнечного сияния. Определение вертикальной оптической толщи г безоблачной атмосферы обычно базируется на известном законе ослабления света (закон Бугера): F=F0exp(m), (1.1) где FQ и F - спектральные потоки прямого солнечного излучения на верхней границе атмосферы и уровне подстилающей поверхности, am- атмосферная масса в направлении на Солнце. Наиболее распространенным способом определения внеатмосферной интенсивности солнечной радиации является «долгий» метод Бугера [1, 2, 9]. По данным измерений интенсивности при различных значениях воздушной массы строится график зависимости LnFx(m). Если продлить полученную в оптически стабильные дни бугеровскую прямую до т=0, то по точке пересе 4 чения определится приборное значение внеатмосферной интенсивности сол нечного излучения. Этот метод широко применяется в диапазоне 0,4- 1,0 мкм. Погрешность восстановления АОТ при этом по различным оценкам [7, 41] составляет 0,01-0,02. Критерии отбора оптически стабильных дней из ложены в работах [1, 2, 9].
