Введение к работе
Актуальность темы
В международных программных документах "Конвенция по изменению климата" и "Повестка XXI века", а также в "Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию" особо отмечается, что всемирная система мониторинга и иерархия моделей - главные инструменты для прогнозирования изменений в природных процессах в разделения естественных и антропогенных воздействий.
Значительная часть исследований Земли методами и средствами дистанционного зондирования (ДЗ) проводится в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Солнце - естественный источник излучения. Радиационное поле - одна из определяющих компонент земной экосистемы и биосферы. Поле солнечного излучения влияет на механизмы изменчивости (динамические процессы: циркуляция, конвекция, турбулентный перенос; радиационные процессы; фотохимические процессы) геофизического, метеорологического, климатического состояния Земли, которые обладают сложными нелинейными связями, затрудняющими предсказание возможных эффектов, оценку их величины и значимости. Эти обстоятельства определяют необходимость системного подхода, комплексных междисциплинарных исследований физических, химических и биологических процессов на основе математического моделирования, позволяющего на базе вычислительных экспериментов изучать и прогнозировать естественные процессы и механизмы формирования аномальных (в экологическом смысле) состояний природной среды под влиянием возмущающих воздействии (например, последствий техногенных аварий, природных катастроф, антропогенной нагрузки и т.п.).
При дистанционном зондировании и в аэрокосмических исследованиях биосферы и экологических объектов радиационное поле Земли, которое регистрируется разными средствами, является носителем информации о состоянии окружающей среды.
Более 70% поверхности планеты Земля занимает Мировой океан.
Использование спутниковых средств зондирования океана дает практическую возможность охвата наблюдениями Мирового океана с целью изучения современных изменений в гидросфере под влиянием природных и антропогенных факторов, динамики биопродуктивности Мирового океана и их роли в изменениях климата и природной среды.
Теоретической основой ДЗ н расчета спектро-энергетических характеристик служат методы решения прямых задач теории переноса солнечного излучения в системе атмосфера-океан. Современный уровень требований к получению точных знаний и прогнозов, количественных характеристик и рекомендаций для принятия решений диктует потребность перехода от разработок отдельных программ к созданию информационно-вычислительных систем, ориентированных на решение широкого класса прикладных и фундаментальных задач. Для сохранения и накопления потенциала программных средств под руководством Г.А.Сушкевич и СА.Стрелкова реализуется интегрированное математическое обеспечение с модульной архитектурой на основе автома-
тизированного расчета радиационных характеристик Земли для набора базовых математических моделей теории переноса излучения.
Актуальность темы связана с необходимостью развития теоретических основ математического моделирования и качественно новых алгоритмов теоретико-расчетных исследований процессов формирования поля солнечного излучения и передаточных характеристик САО с учетом пространственной неоднородности атмосферы, подстилающей поверхности, океана, границы раздела воздух-вода, аэрозольных и газовых примесей в широком диапазоне солнечного спектра электромагнитных волн 0.2-4 мкм. Целесообразно отметить, что речь идет о высокоточных репрезентативных методиках.
Состояние вопроса
Основы современной оптики моря начали закладываться в 20-х годах нашего столетия, когда появились первые теоретические работы в этой области (В.В.Шулейкин - 1921 г., C.V.Raman - 1922 г., А.Г.Гамбурцев - 1924 г.) и гидрофотометрия. Прикладная оптика моря тогда преимущественно исследовала влияние света на морские организмы. Гидрооптические съемки в морях стали проводить в 30-х годах (А.А.Гершун - 1936, 1939 гг.). Впервые уравнение переноса излучения к рассмотрению задачи о распространении света в море применил в 1921 году В.В.Шулейкин, исследуя вопрос о цвете моря. Значительный вклад в развитие общей теории переноса излучения в море внесли астрофизики В.А.Амбарцумян и В.В.Соболев, а также теоретики Е.СКузнецов и К.СШифрин. Одномерная двухсредная САО исследовалась в работах СД.Гутшабаша, В. М. Кочеткова, Е.О.Джетыбае-ва, Н.Б.Енгибаряна, А.К.Колесова, К.Б.Ракимгулова, Т.А.Сушкевич и А.А.Иолтуховского и др.
В связи с проектированием систем ДЗ и реализациями оператив1-ных методов обработки и экспресс-анализа массовых данных судовых, подводных и аэрокосмических измерений широкое развитие получилк методы и алгоритмы математического моделирования передаточных характеристик атмосферы и САО. В диссертации дан обзор этих работ.
Среди методов численного решения уравнения переноса излучения в трехмерном плоском слое большое распространение получил метод Монте-Карло, в частности, благодаря работам Г.А.Михайлова Б.А. Каргина, В.В.Белова.Г.М.Крекова, ДА.Усикова, Е.О.Джетыбае-ва, И.Ю.Макушкиной и др.
Теория обобщенных решений задач переноса излучения преимущественно использовалась для качественных исследований (B.C.Владимиров, Т.А.Гермогенова, Г.И.Марчук, В.И.Лебедев, У.М.Султанга-
зин, К.Кейз, П.Цвайфель, В.И.Агошков и др.).
Цель работы - адаптация метода функций влияния (ФВ) и пространственно-частотных характеристик (ПЧХ), а также итерационного метода характеристик (ИМХ) для математического моделирования процессов формирования светового режима в системе "атмосфера-граница раздела (воздух-вода) -океан-дно океана" (САО), спектро-энергети-ческих и передаточных характеристик САО, ориентированных на использование высокопроизводительных ЭВМ. Разработка теоретических алгоритмов и базовых моделей расчета монохроматических угловых и пространственных распределений интенсивности (энергетической яркости) излучения в атмосфере, океане, на границе раздела и на дне океана.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод ФВ и ПЧХ, разработанный Т.Д. Сушкевич для решения трех
мерных плоских задач теории переноса излучения с горизонтальными
возмущениями коэффициентов кинетического уравнения, граничных ус
ловий и функций источников, развит применительно к новым задачам:
а) определение подсветки от границы в системе атмосфера-океан как
подстилающая поверхность (САОП) с произвольным законом отражения;
б) определение поля излучения в двухсредной системе атмосфера-
океан с границей раздела (САОР), отражающей и пропускающей излу
чение; в) формулировка базовых физико-математических моделей рас
чета фонового излучения Земли при различных угловых и пространст
венных структурах источника инсоляции.
2. Построены базовые математические модели ОПО, ФВ и ПЧХ для
расчета угловых и пространственных распределений светового поля в
любой точке САО с учетом многократного рассеяния и взаимодействия
излучения с границей раздела сред.
Научная новизна
В настоящей работе представлены новые результаты, показывающие как с помощью универсальных линейных передаточных характеристик (ПЧХ и ФВ), можно получить решение общей краевой задачи в любом порядке приближения по кратности взаимодействия излучения с границей сред. Впервые построен набор ОПО как асимптотически точных и приближенных решений общих краевых задач теории переноса излучения в трехмерных системах атмосфера-отражающая поверхность и двухсредных системах с границей раздела, когда в ядрах операторов отражения (пропускания) и/или в функциях источника не факто-ризуются пространственные и угловые зависимости.
ОПО*- оптический пе-реуатогсньш оператор,
Достоверность результатов определяется методологией проведення исследования, основанной на использовании строгих математических методов.
Научная и практическая значимость работы
Натурные эксперименты с объектами природной среды недопустимы, опасны. В этих условиях важную роль играют вычислительные эксперименты, для обеспечения которых необходимы разработки и реализации наиболее адекватных математических моделей и информационных технологий.
Математические и методические разработки имеют достаточно общее значение и являются вкладом в теорию переноса излучения, в теорию и методы решения задач оптики рассеивающих сред, передачи изображения и видения в мутных средах, теории климата и энергетического баланса Земли, экологии и мониторинга окружающей среды, гидрофизики и биопродуктивности Мирового океана, в теорию методов и средств дистанционного зондирования.
Отдельные результаты получены в рамках работ по проектам Государственных научно-технических программ "Мировой океан", "Безо-пасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф", "Перспективные информационные технологии", "Информатизация России", МЦКП "Природа, а также по гранту Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 93-05-08542).
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на совещаниях-семинарах по спутниковой гидрофизике (Севастополь, МГИ АН Украины, 1991, 1992), XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах {Томск, ИОА СО АН СССР, 1991), на конференции по направлению "Математические модели" ГНТП Перспективные информационные технологии" (Иваново, 1993), на 1 Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994), на Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1994), семинарах ИПМ РАН и ИММ РАН.
Публикации. По результатам, представленным в диссертации, опубликовано 10 работ и две публикации вышли на английском языке.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения. Основной текст содержит 145 страниц. .Библиография включает 169 наименований.