Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Солнечная ультрафиолетовая (УФ) радиация является наиболее активным по своему влиянию на биосферу природным излучением. Повышенные уровни УФ радиации оказывают отрицательные воздействия на живые организмы, такие, например, как угнетение фотосинтеза высших растений и морской биоты, провоцирование рака кожи, повреждение ДНК и появление ряда глазных болезней у человека и животных. Уровень естественной УФ радиации у поверхности Земли определяется взаимодействием различных атмосферных факторов. Основными среди них яшіяются облачность и озон.
Высокая биологическая активность УФ радиации обуславливает актуальность исследования влияния атмосферных условий на ее уровень. Такое исследование осуществляется на основе натурных измерений и моделирования переноса УФ радиации в атмосфере. При этом наибольшие трудности возникают при анализе переноса УФ радиации в условиях разорванной облачности в силу ее стохастической природы и высокой изменчивости.
Расчетные методы исследования позволяют использовать имеющиеся данные о составе атмосферы для анализа воздействия метеорологических условий на перенос радиации. Их преимущества заключаются в возможности выделить воздействие отдельного параметра из массы действующих одновременно в реальных условиях, в возможности смоделировать трудно наблюдаемые ситуации.
В то же время получаемые модельные зависимости должны сравниваться с доступными данными наблюдений и альтернативных расчетных методов с целью проверки их согласия.
В силу большой изменчивости параметров атмосферы, определяющих уровень УФ радиации на поверхности Земли, сравнение расчетных зависимостей с данными наблюдений требует привлечения значительных объемов измерений. Наиболее ценными в этой связи являются измерения спектральных УФ потоков с сопутствующей метеорологической информацией, так как изучение корреляций между уровнями УФ радиации на различных длинах волн и синоптическими данными позволяет выделить влияние отдельных атмосферных параметров на приземную УФ радиацию. Практическое использование спектральных данных от разнообразных, часто уникальных, приборов требует создания автоматизированной системы управления базой данных, позволяющей архивировать, просматривать и анализировать большие массивы радиометрической и метеорологической информации.
Большинство методов расчета переноса коротковолновой солнечной радиации строго обоснованы лишь в условиях плоско-параллельной вертикально-стратифицированной атмосферы. Их использование для анализа переноса радиации через горизонтально-неоднородный слой разорванной облачности позволяет получить лишь оценочные, приближенные результаты с неконтролируемой точностью.
В наиболее населенных средних широтах в летний период разорванная (кучевая) облачность является довольно частой метеорологической ситуацией, при которой живые организмы и
экосистемы получают основную часть дозы ультрафиолетовой радиации.
Это обуславливает необходимость разработки метода расчета переноса УФ радиации со строгим учетом горизонтальной неоднородностп и оптических свойств реальной атмосферы, включая молекулярное рассеяние, поглощение озоном и аэрозольное ослабление, который позволит получать количественные оценки уровней УФ радиации в условиях разорванной облачности и исследовать влияние параметров полей облачности на приземную УФ радиацию.
Целью диссертации является расчетно-теоретическое исследование переноса УФ радиации к поверхности Земли в условиях реальной атмосферы с учетом эффектов молекулярного рассеяния и поглощения радиации озоном, а также рассеяния и поглощения частицами внеоблачного аэрозоля и слоями сплошной и разорванной облачности.
Для достижения этой цели разработана методика, позволяющая при наличии адекватных моделей оптических свойств безоблачной атмосферы и облачности и данных о геометрической структуре полей разорванной облачности рассчитывать перенос УФ радиации со стропім учетом горизонтачьной неоднородности облачности и атмосферного рассеяния и поглощения.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1) исследовано влияние параметров разорванной облачности на
приземную УФ радиацию на основе моделирования с
корректным учетом трехмерного переноса радиации в
вертикально и горизонтально неоднородной атмосфере;
-
исследована область применимости плоско-параллельного приближения при оценке потоков УФ радиации на поверхности Земли и верхней границе атмосферы в условиях разорванной облачности;
-
получены систематические данные о спектральных потоках УФ радиации на поверхности Земли в условиях разорванной облачности.
Достоверность представленных данных обеспечивается:
-
использованием модели геометрической структуры разорванной облачности, адекватно отражающей основные свойства полей разорванной облачности;
-
отсутствием существенных упрощающих предположений при расчете переноса УФ радиации методом Монте-Карло;
-
совпадением результатов тестовых расчетов по разработанному методу с численными расчетами другими методами во всем диапазоне изменения оптических свойств атмосферы и разорванной облачности в ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра;
-
удовлетворительным согласием результатов расчетов с данными многолетних наблюдений УФ радиации и облачности в Метеорологической обсерватории МГУ.
Практическая ценность работы заключается в
-
разработке и реализации в виде прикладных программ метода расчета переноса УФ и видимой радиации в условиях разорванной облачности;
-
исследовании области применимости плоско-параллельного приближения при оценках уровней УФ радиации на поверхности Земли и верхней границе атмосферы;
-
исследовании влияния параметров разорванной облачности на приземную УФ радиацию;
-
разработке методики оценки приземной УФ радиации в глобальном и региональном масштабах на основе спутниковых данных;
-
получении систематических данных о приземных потоках УФ радиации в условиях разорванной облачности;
-
разработке автоматизированной системы управлення базой данных по спектральным уровням приземной УФ радиации.
Положения, выносимые на защиту:
-
методика расчета переноса коротковолновой радиации в условиях реальных атмосфер, учитывающая эффекты молекулярного рассеяния и поглощения озоном и ослабление радиации слоями сплошной и стохастической разорванной облачности;
-
систематические данные по спектральным потокам приземной УФ и видимой радиации в зависимости от оптнко-метеорологических параметров атмосферы и облачности;
-
методика оценки приземной УФ радиации на основе данных об общем содержании озона спутникового прибора МЕТЕОР-3/TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer - Спектрометр для картирования общего содержания озона);
-
автоматизированная система управления базой данных по спектральным уровням УФ радиации у поверхности Земли.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на семинарах кафедры "Системы, устройства и методы геокосмической физики" (СУМГФ) МФТИ; на семинарах Отдела лазерных методов исследования атмосферы (ОЛМИА) Центральной
аэрологической обсерватории (ЦАО), на I Межреспубликанском Симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, 21-24 июня 1994г.; на российско-американской рабочей группе по прибору TOMS, Вашингтон, США, январь 1994г.; на международной конференции "Past Presence and Future Climate", Хельсинки, Финляндия, 22-25 августа 1995г.; на Международном радиационном симпозиуме, Фербэнкс, Аляска, 19-24 августа 1996г.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах машинописного текста, состоит из: Введения, 3-х разделов и 2-х приложений; включает 42 рисунка и список основной использованной литературы из 189 наименований отечественных и зарубежных авторов на 20 страницах.
