Малопараметрическая модель молекулярного поглощения для решения задачи переноса теплового излучения в атмосфере Земли

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям радиационных процессов в атмосфере Земли. Проведение таких исследований вызвано необходимостью получения достоверной информации о возможных долгосрочных изменениях климата Земли и точных краткосрочных прогнозов погоды, расширения возможностей своевременного обнаружения и предупреждения опасных загрязнений атмосферы и др.

Радиационный баланс атмосферы или разность между поглощенной радиацией и собственным излучением является важной характеристикой, влияющей на термический режим Земли [1, 2]. Приходную часть радиационного баланса атмосферы Ra составляют поглощенное атмосферой излучение земной поверхности Fn и поглощенная ею прямая и рассеянная солнечная радиация Fa'. Теряет тепло атмосфера за счет излучения в направлении к земной поверхности 8Fa и в мировое пространство В*,.

Ra=Fn+Fa'-8Fa-Boa Fn = (1-Р)В0, где Р — функция пропускания атмосферы для длинноволновой радиации, В0 -излучение земной поверхности.

С учетом того, что В0- SFa=B — эффективное излучение земной поверхности, и сумма РВ0+ B^Foo — уходящее в мировое пространство излучение Земли и атмосферы, уравнение радиационного баланса принимает вид.

Ra= В + Fa' F".

Радиационный баланс и, соответственно, климат Земли чувствительны даже к небольшим изменениям радиационных характеристик. Увеличение уходящего излучения Земли и атмосферы Fee на 1 Вт/м2 приведет к уменьшению планетарно усредненной температуры поверхности Земли на 0,6 °К. Уменьшение средней температуры поверхности Земли на несколько градусов в прошлом могло провоцировать ледниковый период, и наоборот, увеличение температуры поверхности на несколько градусов может привести к таянию ледников на полюсах планеты, повышению уровня мирового океана и затоплению больших территорий суши. Современные изменения климата могут быть вызваны, главным образом, такими факторами, как вариация солнечной постоянной, трансформация свойств земной поверхности, изменение газового и аэрозольного состава атмосферы [3].

Имеются отчетливые корреляционные связи между солнечной активностью и климатом. Согласно расчетам, варьирование солнечной постоянной в пределах 1% (14 Вт/м2) может вызвать изменение температуры поверхности Земли на 2 °К [1]. Тем не менее, данные измерений показывают, что существенных долгопериодических вариаций солнечной постоянной не обнаружено. В масштабах времени от секунд до месяцев наблюдается изменчивость, не превосходящая нескольких долей процента. В последние два столетия увеличение радиационного нагревания атмосферы за счет изменения солнечной постоянной не превышало 0,10,5 Вт/м2[4].

Трансформация свойств земной поверхности влияет, в основном, на короткопериодические колебания микроклимата отдельных регионов. Например, изменяется отражательная способность при загрязнении нефтью морской поверхности, при вырубке тропических лесов, вытаптывании пастбищ.

Наиболее весомым фактором, влияющим глобально на радиационный режим Земли и атмосферы, в настоящее время является изменение концентрации оптически активных компонент в атмосфере. Энергия от солнечной (коротковолновой) радиации, поступающая на верхнюю границу атмосферы, уравновешивается уходящим тепловым (длинноволновым) излучением Земли и атмосферы. Часть уходящего теплового излучения поглощается и переизлучается атмосферными парниковыми газами природного происхождения (Н20, С02, 03 СН4 и N20) и облаками, делая температуру поверхности Земли и тропосферы на 33°К теплее, чем было бы в отсутствии парниковых газов. Это называется природным парниковым эффектом.

С развитием промышленности в последние два столетия отмечается резкое увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. В будущем также прогнозируется дальнейший рост концентрации С02 до 450−900 ppmv (в 1,5−3 раза) к концу XXI столетия [4]. За последние два столетия также отмечен рост концентрации других парниковых газов. В работах [3,4,5] предсказано увеличение содержания СН4 в атмосфере через полвека на 11−20%. Значительный рост концентрации (до 20% в год) происходит у фреонов из-за загрязнения атмосферы химической промышленностью. Удвоение концентрации СОг приведет к.

Г) изменению в уходящем длинноволновом излучении на 3−4 Вт/м и к увеличению средней температуры поверхности Земли на 1°К, если другие факторы (например, тропосферный водяной пар и аэрозоли) останутся неизменными. С учетом внутренних обратных связей температура поверхности Земли может повыситься на 1,5−4°К с наиболее вероятным значением 2,5 °К. Аналогичный радиационный эффект (3−4 Вт/м2) дает одновременное удвоение концентрации атмосферных малых газовых составляющих, таких как метан, фреоны, закись азота, двуокись азота. Увеличение содержания аэрозоля вызывает отрицательный радиационный эффект в атмосфере. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 г. привело к радиационному охлаждению на 4 Вт/м2 и к глобальному понижению температуры Земли на 0,4°К [4].

Выше приведенные примеры показывают, что даже небольшие изменения радиационного потока (несколько Вт/м2 или менее 1% от всего уходящего излучения, достигающего нескольких сотен Вт/м2) могут привести к заметной трансформации климата. Поэтому точность вычисления в задачах прогноза климата должна быть не хуже десятых долей процента. При решении уравнения переноса излучения всегда применяют упрощающие параметризации, вносящие погрешность, так как совместное вычисление атмосферного молекулярного поглощения и аэрозольного рассеяния, представляет собой трудоемкий процесс. Имеющиеся в настоящее время алгоритмы расчета переноса излучения в атмосфере не достаточно соответствуют требованиям задач климатологии одновременно и по скорости и по точности вычислений. Международная рабочая группа ICRCCM (Intercomparison of Radiation Codes in Climate Models) [6], созданная для тестирования радиационных алгоритмов, и другие исследователи [7,8] проводили расчеты потоков радиации существующими программами и выявили значительный разброс выходных модельных данных (до 10% и более). В работе [6] было отмечено, что различие между узкополосными моделями поглощения и прямыми расчетами составило величину около ±2% для потоков на границах атмосферы, ±5% - для дивергенции потока в тропосфере, для широкополосных моделей расхождения были еще большими. В работе [92] приведены результаты сравнения измеренных и расчетных нисходящих длинноволновых потоков. Максимальное расхождение составило 5 Вт/м. Основной причиной этих расхождений были погрешности, связанные с параметризацией характеристик молекулярного поглощения, входящих в уравнение переноса. Другим источником погрешностей является неточность и неполнота исходной спектроскопической информации о линиях поглощения атмосферных газов в современных базах данных [10−19] и модели континуального поглощения паров воды [20−24].

В задачах общей циркуляции атмосферы и при решении обратных задач спутникового зондирования Земли и атмосферы необходимо решать уравнение переноса излучения, учитывая частотную и высотную зависимость коэффициента молекулярного поглощения, аэрозольного и молекулярного рассеяния, частотную зависимость альбедо поверхности Земли, солнечной постоянной и др. радиационных характеристик. Наиболее быстро меняющейся по частоте характеристикой в уравнении переноса излучения является молекулярное поглощение атмосферных газов. При расчете коэффициента поглощения учитывается вклад большого количества спектральных линий поглощения газов. Число спектральных линий в современных базах данных увеличивается быстрее, чем растет мощность компьютеров. Так, например, в ближнем ИК диапазоне в базе данных Патриджа и Швенке[25] содержится на два порядка больше линий поглощения, чем в часто используемых атласах спектроскопической информации HITRAN[26] и GEISA[27], Поэтому применение трудоемких прямых расчетов «line-by-line» («линия за линией») в климатических задачах неприемлемо. Вместо этого в настоящее время широко применяется представление функции пропускания в виде ряда экспонент. Тем не менее, до сих пор оставались не решенными вопросы, связанные с применением такого представления для неоднородной атмосферы, когда существенно многократное рассеяниене достаточно удачно решена проблема перекрывания полос поглощения, а также имеются некоторые вопросы, связанные с численной реализацией.

Целью данной работы является разработка метода параметризации функции пропускания, обеспечивающего быстрый и точный учет молекулярного поглощения при решении задач переноса теплового широкополосного излучения в атмосфере Земли.

Для достижения заданной цели решались следующие задачи:

1. Развитие методов оптимизации расчета характеристик молекулярного поглощения, входящих в уравнение переноса излучения в атмосфере Земли.

2. Разработка пакета программ для вычисления переноса теплового излучения в атмосфере с применением методов оптимизации вычисления молекулярного поглощения.

3. Анализ погрешностей расчета радиационных характеристик, вызванных неопределенностью современной спектроскопической информации о параметрах линий поглощения атмосферных газов и коэффициентах континуального поглощения.

4. Практическое применение методов оптимизации расчета характеристик молекулярного поглощения при исследовании влияния изменения концентрации атмосферных малых газовых составляющих на потоки теплового излучения и скорость радиационного выхолаживания;

— восстановлении профилей концентрации атмосферных газов по данным спутникового зондирования.

Методы исследования.

Поставленные задачи решались с помощью теоретических методов атмосферной молекулярной спектроскопии, методов компьютерного моделирования, численных методов и статистического анализа.

В работе обосновано применение метода разложения функции пропускания в ряд экспонент для решения уравнения переноса в неоднородной атмосфере Земли Г. с учетом многократного рассеяния Света.

Предложена методика разложения функции пропускания в ряд экспонент, адаптированная для конкретного спутникового радиометра, учитывающая аппаратную функцию через параметры разложения.

Защищаемые положения.

1. Теоретически и методом численного моделирования показано, что аппроксимация функции пропускания рядом экспонент позволяет представить интегральные по спектру характеристики излучения, такие как интенсивность и потоки излучения, в виде короткого ряда (число членов не более 10), в котором каждая компонента является решением стационарного уравнения переноса излучения. Методическая погрешность расчета интенсивности излучения для газово-аэрозольной атмосферы Земли составляет величину, не превышающую 0,5% при возрастании скорости счета более чем на два порядка в сравнении с методом «line by line».

2. Многочисленные слабые линии водяного пара, обычно не учитываемые в атмосферных расчетах, дают дополнительный вклад в поглощение солнечного излучения в спектральном диапазоне 7000−22 000 см" 1. В случае безоблачной атмосферы дополнительное поглощение может достигать величины 1−2% (в потоке — до 2 Вт/м). С возрастанием аэрозольного рассеяния относительный вклад слабых линий увеличивается.

3. Разработан метод параметризации коэффициентов молекулярного поглощения, основанный на разложении функции пропускания в ряд экспонент, с высокой точностью учитывающий аппаратную функцию спутникового радиометра HIRS и неоднородность атмосферы. Погрешность расчета радиационной температуры не превышает 1К.

В 1-й главе диссертации рассматриваются существующие теоретические методы оптимизации расчета молекулярного поглощения в уравнении переноса излучения, и предлагаются новые методы.

Актуальность создания эффективных методов параметризации уравнения переноса излучения связана с тем, что прямые методы расчета молекулярного поглощения [28−31] требуют много вычислительных ресурсов, что неприемлемо в задачах климатологии. Наиболее распространенным приемом повышения эффективности вычислений является параметризация функции пропускания. Методы модельного представления спектров поглощения приводят к значительным погрешностям, особенно в случае поглощения углекислым газом и озоном. Метод «к-распределения» [32−34] на основе преобразования Лапласа более точный. После преобразования этим методом быстроосциллирующего по частоте коэффициента поглощения в гладкую функцию применяют разложение в ряд экспонент. Эффективность этого метода заметно снижается, когда необходимо вычислять пропускание в неоднородной атмосфере при поглощении несколькими газами. Это происходит из-за того, что обычно общую функцию пропускания представляют как произведение функций пропускания отдельных газов, что увеличивает число членов ряда разложения и, соответственно, время расчета. Кроме этого, при перекрывании полос поглощения возрастает погрешность такой параметризации. Нам удалось разработать новый метод учета перекрывания полос поглощения, устраняющий одновременно эти две проблемы.

Коэффициент молекулярного поглощения зависит от температуры и давления. Для параметризации оптической толщи по высоте многие исследователи применяют метод приведенной поглощающей массы [35,36], который дает погрешность до десятков процентов в верхней атмосфере. Мы использовали в своих расчетах более точный метод, называемый в зарубежной литературе методом «с-к-корреляции». Этот метод мы адаптировали как для расчетов переноса теплового излучения Земли и атмосферы, так и солнечного излучения с учетом многократного рассеяния. Для большинства атмосферных ситуаций погрешность вычислений составила менее 1%.

Также в 1-й главе предлагаются оригинальные методики учета функции Планка, солнечной постоянной, аппаратной функции при вычислении уравнения переноса излучения.

Во 2-й главе диссертации было проведено исследование, цель которого была определить, с какой наилучшей точностью могут быть вычислены радиационные потоки на современном этапе развития банков спектроскопической информации и численных методов интегрирования. Был оценен вклад континуального поглощения и слабых линий водяного пара, которые не включены в последние версии популярных баз данных HITRAN и GEISA. Было проведено сравнение этого вклада в радиационные потоки и скорости выхолаживания с изменениями в радиационных потоках, вызванными увеличением концентрации в атмосфере «парниковых» газов: СО2, фреонов, метана и др.

В 3-й главе диссертации рассматриваются примеры применения предложенного нами метода параметризации молекулярного поглощения в прикладных задачах. Показана возможность легкой адаптации метода для обработки данных спутникового зондирования и восстановлении атмосферных профилей температуры и влажности.

В Заключении представлены основные результаты работы.

В Приложении 1 приведена регрессионная методика определения общего содержания газов в атмосфере на примере восстановления содержания водяного пара по интенсивности уходящего излучения, регистрируемого спутниковым радиометром.

Научная новизна:

Развит метод параметризации характеристик молекулярного поглощения, входящих в уравнение переноса излучения, который основывается на разложении функции пропускания в ряд экспонент с заданной точностью и параметрами, вычисляемыми по информации о тонкой структуре линий. Данный метод обеспечивает высокую скорость и точность и применим для повышения эффективности расчетов переноса теплового излучения в неоднородной газово-аэрозольной атмосфере.

Впервые был оценен вклад слабых линий поглощения водяным паром в ближнем ИК и видимых диапазонах, которые обычно не учитываются при оценках атмосферного поглощения. Расчеты производились сравнением данных HITRAN96, HITRAN2000 и данных Патриджа и Швенке, содержащих на 2 порядка больше линий в том же спектральном диапазоне. Результаты показали, что вклад слабых линий в интегральное поглощение составляет 1−2%. Было обнаружено, что с увеличением длины трассы относительный вклад слабых линий нелинейно возрастает и становится существенным при расчете переноса излучения в случае многократного рассеяния.

Разработан пакет программ для вычисления уходящего теплового излучения, регистрируемого спутниковыми радиометрами. В пакете программ для параметризации молекулярного поглощения был применен метод «к-распределения» с новым подходом к учету аппаратной функции. Применение данного метода позволило значительно уменьшить затраты времени при решении обратных задач спутникового зондирования.

Научная и практическая значимость результатов работы определяется возможностью широкого применения моделей, описанных в диссертации в геофизических задачах, в том числе для решения задач переноса излучения в многокомпонентных газово-аэрозольных средах, когда нужно учитывать молекулярное поглощение совместно с многократным рассеянием света. Разработанные автором методы применяются в задачах газоанализа атмосферы, при обнаружении пожаров спутниковыми методами в условиях разорванной облачности (Акт внедрения в ТУСУР). Были созданы пакеты программ для быстрого расчета функций пропускания в широких спектральных диапазонах, для расчета длинноволновых потоков излучения в молекулярной атмосфере Земли. Разработанные методы параметризации молекулярного поглощения были применены в пакете программ для обработки данных спутниковых радиометров HIRS-12, HIRS-14 для восстановления атмосферных профилей температуры и влажности.

Работа была поддержана грантами РФФИ № 96−05−64 293, № 96−15−98 476 и грантом Института оптики атмосферы СО РАН для молодых ученых.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 3-й Межреспубликанский симпозиум «Оптика атмосферы и океана», г. Томск, 2−5 июля 1996 г.

2. XII Symposium-School. High Resolution Molecular Spectroscopy. Petergof. July 1−5, 1996.

3. 4-й Межреспубликанский симпозиум «Оптика атмосферы и океана», 10−13 июня 1997 г.

4. 5-й Международный Симпозиум «Оптика атмосферы и океана», г. Томск, 1518 июня, 1998 г.

5. Международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды», г. Томск, 14−23 июня, 1998 г.

6. VI Международный Симпозиум «Оптика атмосферы и океана», г. Томск, 2326 июня, 1999 г.

7. XIII International Symposium and School of High Resolution Molecular Spectroscopy. Tomsk. July 4−6, 1999.

8. Atmospheric spectroscopy application. ASA REIMS 99, 1−3 Sept. 1999, France.

9. VII Международный Симпозиум «Оптика атмосферы и океана», г. Томск, 1719 июля, 2000 г.

10. Международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды», г. Томск, 11−15 июля, 2000 г.

И. International Radiation Symposium IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation 24−29 July, 2000. Russia. St.Petersburg.

12. Конференция молодых ученых, посвященная 10 летию Института вычислительных технологий СО РАН. г. Новосибирск. 25−26 декабря, 2000 г.

13. Международная конференция «Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук. 25−29 июня 2001 г., г. Иркутск.

14. VIII Joint International Symposium. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. June 25−29, 2001. Irkutsk.

15. Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, 17−22 сентября 2001 г., г. Иркутск.

По материалам диссертации автором было сделано 23 доклада на конференциях и опубликовано 11 статей в российской и зарубежной печати.

Основные результаты работы:

1. Разработанная модификация метода «к-распределения» позволяет корректно учитывать перекрывание полос поглощения атмосферных газов и неоднородность метеопараметров атмосферы. Показано, что существует класс функций, с помощью которого вычислительные затраты при решении уравнения переноса излучения в случае поглощения несколькими газами могут быть такими, как при вычислении поглощения одним газом при погрешности параметризации, непревышающей 1−2%.

2. Разработана методика учета молекулярного поглощения при решении уравнения переноса коротковолнового излучения методом Монте-Карло. Численные оценки освещенности земной поверхности широкополосным излучением показали, что погрешность параметризации была на уровне 0,3% при возрастании скорости вычислений на 2 порядка по сравнению с прямыми методами. Возможно дальнейшее увеличение скорости вычислений при сохранении погрешности параметризации в пределах 1%.

3. Проведена оценка погрешности вычислений радиационных потоков, зависящей от различия моделей континуального поглощения водяного пара, погрешности исходной спектроскопической информации о параметрах линий в базах данных, неучета поглощения слабыми линиями атмосферных газов. Выявлено, что наибольшую погрешность в вычисление длинноволновых потоков вносят модели континуума водяного пара. Различие между моделями составило более 10 Вт/м2 для нисходящих потоков в тропосфере, что превышает вклад в радиационные процессы атмосферных малых газовых составляющих, таких как СН4, N20, фреоны (менее 3 Вт/м2).

4. Случайные погрешности интенсивностей линий, содержащихся в базе данных HITRAN, на уровне 3−10% и погрешности полуширины сильных линий на уровне 10% дают погрешность вычисления длинноволновых потоков не более 0,1 Вт/м2 (0,03%). Интегральная систематическая погрешность для трех основных газов Н20, С02, 03 на уровне 5−10% приведет к ошибкам в нисходящем потоке до 1 Вт/м2 (не более 0,3%).

5. Сделана оценка роли многочисленных слабых линий водяного пара, обычно не использующимися в атмосферных расчетах, в переносе солнечного излучения. В диапазоне 7000−22 000 см" 1 слабые линии водяного пара дают Л дополнительный вклад в поглощение до 1% (в поток — 2 Вт/м) на вертикальной трассе через всю атмосферу. В микроокнах прозрачности роль слабых линий в поглощении увеличивается и достигает нескольких процентов.

6. Показано, что погрешность вычисления радиационных характеристик, возникающая при параметризации молекулярного поглощения модифицированным методом «к-распределения», меньше, чем погрешность исходной спектроскопической информации и моделей континуального поглощения водяного пара.

7. Разработан пакет программ для вычисления интенсивности уходящего излучения, регистрируемого спутниковым радиометром HIRS2. В пакете программ применены наши результаты по повышению эффективности расчета уравнения переноса теплового излучения. Это позволило в несколько раз увеличить скорость вычислений по сравнению с алгоритмами других авторов при погрешности расчета радиационных потоков, не превышающей 0,5%.

Благодарности:

Автор выражает признательность К. М. Фирсову за предложенную тему и помощь в работе. Автор благодарит Ю. Н. Пономарева за ценные консультации и поддержку работы. Автор благодарит И. В. Пташника, А. Б Серебренникова, Б. А. Воронина, сотрудничество с которыми было весьма полезным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленный в работе метод параметризации молекулярного поглощения повышает эффективность вычисления переноса теплового и солнечного излучения в атмосфере Земли. Результаты работы могут использоваться при решении задач общей циркуляции атмосферы, прогноза климата, определения газового состава и профилей температуры по данным спутникового зондирования и в других задачах распространения широкополосного излучения в газово-аэрозольных средах.