Описание термодинамических процессов в атмосфере, основанное на уравнении притока тепла, требует знания различных видов притоков, действующих в атмосфере. Главным источником энергии для земной атмосферы является Солнце. Потоки солнечной энергии, проходя через атмосферу, трансформируются в результате действия различных компонент атмосферы и, прежде всего, облачности. Поглощенная земной поверхностью и атмосферой энергия в различных регионах земного шара формирует градиенты температуры, регулирующие циркуляцию атмосферы. В связи с этим описание процесса переноса солнечного излучения в атмосфере является необходимой компонентой физических пакетов гидродинамических моделей атмосферы.
Особенности пространственного распределения радиационных потоков и притоков излучения в атмосфере и на подстилающей поверхности связаны в первую очередь с распределением облачности в атмосфере и вариациями ее оптических свойств. Этот процесс вносит вклад в формирование горизонтальных градиентов температуры в атмосфере и на земной поверхности.
Моделирование процесса переноса излучения в гидродинамических моделях прогноза погоды и изменения климата основаны на информации и методах, разработанных в различных разделах физической оптики, теории переноса излучения и физики атмосферы.
Главная особенность построения радиационных алгоритмов для применения в гидродинамических моделях атмосферы состоит в том, что алгоритмы должны быть настроены на ограниченную информацию, которую может предоставить гидродинамическая модель. Объем этой информации зависит от содержания уравнений модели, которые описывают эволюцию параметров атмосферы. В результате решения основной системы уравнений, предназначенной для прогноза погоды и изменений климата, рассчитывается пространственное распределение ветра, температуры, влажности на различных уровнях в атмосфере. Облачность и осадки в большинстве случаев определяются с использованием диагностических соотношений.
В последние десятилетия в наиболее развитых метеорологических центрах (ЕЦСПП, Немецкая служба погоды, Метеорологическая служба Великобритании, Национальный центр атмосферных исследований США (ИСАИ) и др.) расширяют стандартную систему уравнений модели, добавляя в нее уравнение переноса водности или водности и ледности. В связи с этим появляются дополнительные переменные модели, которые могут быть использованы для описания микрофизических и оптических свойств облаков. В некоторых мезомасштабных моделях используются более детальные микрофизические уравнения, такие как кинетическое уравнение, позволяющее рассчитать эволюцию функции распределения облачных частиц по размерам, уравнение для концентрации облачных частиц и др. Однако, использование этих уравнений в крупномасштабных моделях невозможно по многим причинам, и алгоритмы вычисления микрофизических и оптических свойств облаков в этих моделях остаются на уровне параметризаций.
Проведенные в последние десятилетия в различных странах численные эксперименты с гидродинамическими моделями атмосферы показали, что имеется связь результатов моделирования полей температуры, геопотенциала Н500, облачно-радиационного форсинга с изменениями пространственного распределения радиационных характеристик атмосферы, обусловленных вариациями микрофизических и оптических свойств облаков (.Kiehl, 1994; Frazer et al., 1995; Lohmann, Rockner, 1996).
Результаты этих экспериментов свидетельствуют о важности исследований в области описания взаимодействия радиации и облачности с учетом микро физических свойств облаков и его влияния на радиационные характеристики атмосферы.
Для расчета потоков солнечного излучения, строго говоря, должно быть использовано решение трехмерного уравнения переноса, учитывающего взаимное влияние процессов поглощения и рассеяния излучения. В связи с чрезвычайной сложностью решения этого уравнения, которое в некоторых случаях дополнительно осложняется формой индикатрисы рассеяния, в современных моделях используют различные приближенные методы. Широко применяется двухпотоковое приближение решения уравнения переноса, которое основано на усреднении интенсивности излучения по углам, в предположении изотропности рассеяния.
Существуют различные варианты таких решений, однако, для облачной атмосферы, с учетом особенности распространения излучения в облаках, наиболее часто используют приближение дельта — Эддингтона, предложенное Дж. Джозефом с соавторами (Joseph et al., 1979), которое используется также в настоящей работе. Особенность этого метода состоит в применении 6 — функции для трансформации двучленной индикатрисы рассеяния в методе Эддингтона таким образом, что часть энергии рассеянной в облаке в направлении падающего излучения присоединяется к потоку прямого излучения, а новая усеченная индикатриса остается двучленной с трансформированным фактором асимметрии {Potter, 1970). Это позволяет воспользоваться решением уравнения переноса в двухпотоковом приближении с двучленной индикатрисой и трансформированными параметрами уравнения переноса.
В безоблачной релеевской атмосфере, где фактор асимметрии индикатрисы рассеяния равен нулю, метод дельта — Эддингтона переходит в метод Эддингтона.
Создание нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод описания механизма взаимодействия радиации и облачности, основанного на информации о микрофизических свойствах облаков, является задачей диссертации. Эта задача требует разработки двух частей алгоритма: для безоблачной атмосферы и для облачной. В данной работе обе части объединены единым вычислительным алгоритмом, основанном на методе дельта — Эддингтона и примененном к многослойной атмосфере. В отдельных слоях, где присутствует облачность, используется метод описания взаимодействия радиации и облачности, базирующийся на информации о микрофизических параметрах облаков. Для численных экспериментов эта информация поступает в радиационный алгоритм из модели преобразования влаги в атмосфере, разработанной в Гидрометцентре России под руководством JI. Р. Дмитриевой-Арраго (Дмитриева-Арраго, Скроцкая, 1985; Дмитриева-Арраго, Акимов, 1996, 1998; Dmitrieva-Arrago, Akimov, 1998).
Описание переноса излучения в безоблачной атмосфере опирается на данные о составе атмосферы и спектроскопической информации об особенностях поглощения различными атмосферными газами с учетом неоднородности атмосферы. С помощью этой информации рассчитываются коэффициенты поглощения влияющих газов. В данной работе учитывается влияние на перенос солнечного излучения водяного пара, углекислого газа, озона и релеевского рассеяния.
Разработка алгоритма расчета потоков в безоблачной атмосфере и проведенное в работе тестирование результатов расчета является необходимой частью построения радиационного алгоритма. Тестирование выполнено на данных стандартных моделей атмосферы путем сравнения с полинейными расчетами, предоставленными Б. А. Фоминым.
Поскольку облака вносят существенную перестройку в вертикальное распределение радиационных притоков тепла по сравнению с безоблачными условиями, то эволюция оптических свойств облаков вносит вклад в радиационную энергетику модели.
В связи с этим важнейшей частью алгоритмов расчета радиационных характеристик в облачной атмосфере является описание механизма взаимодействия излучения с облаками.
Современное состояние методов, применяемых в моделях, определяется наличием информации о микрофизических характеристиках облаков (водности, функции распределения частиц облака ло размерам, фазовом состоянии). Методы расчета оптических свойств облаков, основанные на классических работах К. С. Шифрина (1951, 1955), ван де Хюлста (1957) и К.-Н.Лиоу (Liou, 1992) широко используются в российских и зарубежных исследованиях.
Для описания механизма взаимодействия солнечного излучения и облачности при решении уравнения переноса в двухпотоковом приближении необходимо знание оптической толщины, вероятности выживания кванта и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния облаков.
Для определения этих параметров в настоящее время разработано несколько методов параметризации. Наиболее известным является метод А. Слинго (Slingo, 1989), применяемый в моделях Метеорологической службы Великобритании, Института вычислительной математики РАН, Главной геофизической обсерватории и др. Другим известным методом является метод, разработанный Б. Рокелем с соавторами (Rockel et ed., 1991) и применяемый в моделях Института Макса Планка и Метеорологического исследовательского центра Австралии. Для кристаллических облаков применяется метод Э. Эберта и Дж. Карри (.Ebert, Curry, 1992), в частности, в модели ЕЦСПП.
В диссертации оптическая толщина облаков и вероятность выживания кванта определяются с помощью коэффициентов ослабления и поглощения, рассчитываемых с применением формул из работы В. И. Хворостьянова (1980).
Такого рода подход к проблеме, — решение уравнения переноса в двухпотоковом приближении с использованием метода параметризации процесса взаимодействия радиации и облачности, как показал анализ публикаций по этому вопросу, является современным и оптимальными для применения в гидродинамических моделях атмосферы.
Целью работы является построение нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения с учетом влияния микрофизических свойств облаков для применения в моделях прогноза погоды и изменений климата.
Для достижения поставленной цели в рамках данной работы решались следующие задачи: создание вычислительного алгоритма и программного комплекса для расчета потоков солнечного излучения в многослойной атмосфереразвитие метода описания взаимодействия солнечного излучения и облачности с учетом микрофизических параметров облаков (водности, эффективных радиусов, фазового состава) и включение его в общий алгоритм расчета потоков излучениятестирование алгоритма расчета потоков в безоблачных условиях на результатах по линейных расчетовтестирование компонент метода описания взаимодействия радиации и облачности на результатах точных расчетов по теории Ми и данных наблюденийсравнение развитого метода описания взаимодействия солнечного излучения и облачности с известными методами по результатам расчета оптических характеристик облаковпроведение экспериментов по включению созданного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в модель прогноза погодыприменение нового радиационного алгоритма в модели «подстилающая поверхность — растительность — приземный слой атмосферы» для анализа влияния разных методов описания взаимодействия на температуру подстилающей поверхностиприменение нового радиационного алгоритма к анализу влияния разных методов описания взаимодействия на радиационные изменения температуры в атмосферечисленные эксперименты для исследования зависимости оптических свойств облаков от изменения микрофизических характеристик в широком диапазоне.
Научная новизна данной работы заключается в создании нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод описания взаимодействия излучения со слоистообразной облачностью с учетом микрофизических характеристик облаков.
Выполненный в работе анализ существующих методов показал, что развитый в диссертации метод имеет более широкие возможности в определении оптической толщины и вероятности выживания кванта в облаке, чем существующие методы. Его применение возможно для облаков любого фазового состава. Метод не имеет ограничений на размер облачных частиц и может быть использован при любом спектральном разрешении радиационного алгоритма.
Применение разработанного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом влияния микрофизических характеристик облаков позволило получить новые результаты: оценить величины возможных погрешностей в альбедо, пропускании и поглощении облаками в моделях атмосферы при недостатке или неточности информации о размерах частиц облака и водности, при реальном диапазоне изменений этих величинпоказать большое значение информации о размере облачных частиц для расчета оптических характеристик облаков и потоков излучения в атмосфереоценить влияние малых изменений радиусов облачных капель (в пределах 10−20%) при разных водностях облака на вариации потоков излучения, приходящих на подстилающую поверхность (в пределах 10−80 Вт/м2). Это сопровождается перераспределением энергии между прямой и рассеянной компонентами потока, и изменениями альбедо системы земля — атмосфера в пределах 10 — 15%- оценить величину возможных погрешностей в альбедо системы земля — атмосфера и потоках на ВГА за счет использования приближения сфер для кристаллических частиц в облаках верхнего яруса. Неточность информации о параметре асимметрии индикатрисы рассеяния, в частности, для случая гексагональных призм, дает погрешность в радиационном балансе на ВГА до 40 Вт/м2, а в альбедо системы земля — атмосфера до 0.09 в рассмотренном случае. предложить интерпретацию механизма настройки климатических моделей на спутниковые данные по радиационному балансу на ВГА путем выбора соответствующего метода расчета количества облаков и влияние этой настройки на другие радиационные характеристики модельной атмосферы. Показано, что при одинаковой общей облачности, но различной вертикальной структуре облаков, которая является следствием разных методов параметризации облачности, различия в радиационном балансе на ВГА могут составлять 30 — 50 Вт/м2. Этим изменениям сопутствуют изменения в радиационном балансе на подстилающей поверхности примерно такой же величины. Изменения в альбедо системы земляатмосфера за счет разной вертикальной структуры облачности могут составлять 0.02 — 0.06. Причиной таких эффектов является не только разное количество облаков на разных уровнях в атмосфере при одинаковой общей облачности, но и различия в оптических свойствах облаков разных ярусов.
Практическая ценность состоит в построении нового алгоритма и вычислительного комплекса для расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод расчета оптических параметров облаков, для применения в моделях прогноза погоды и изменений климата. Точность нового алгоритма оценена путем сравнения с результатами точных расчетов и данных измерений. Погрешность расчетов потоков и притоков излучения в основном меньше 5%.
Зависимость результатов моделирования крупномасштабных атмосферных процессов от микрофизических параметров облаков, которые лежат в основе механизма взаимодействия радиации и облаков, была продемонстрирована экспериментами, выполненными с моделями ЕЦСПП, Г^САК. и др. Отсюда следует необходимость развития и совершенствования методов описания взаимодействия радиации и облачности и включения их в алгоритмы расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере.
Эти задачи решаются в диссертации и определяют практическую ценность выполненной работы.
Развитый метод описания взаимодействия является более гибким, чем существующие методы, — позволяет рассчитывать оптические параметры облаков различного фазового состава. Метод может быть применен в широком диапазоне размеров частиц облаков, полагаемых сферическими, и не связан с конкретным спектральным разрешением. Численные эксперименты с разными методами описания взаимодействия показали преимущества развитого в диссертации метода.
Результаты сравнения с расчетами по методу, предложенному А. Слинго для капельных облаков, оказались близкими, что подтверждает качество используемого в работе метода.
Сравнение с методом Б. Рокеля и др. для облаков разного фазового состава обнаруживает значительные расхождения с методом данной работы. В то же время результаты сравнения рассчитанных оптических толщин кристаллических облаков с данными расчетов и измерений оказались удовлетворительными. Это позволяет считать развитый в работе метод более надежным, чем метод Б. Рокеля, и применять метод для смешанных и кристаллических облаков.
Представленный в диссертации алгоритм и программный комплекс подготовлены для использования в моделях прогноза погоды и изменения климата, при наличии в моделях информации о водности облаков и эффективных радиусах распределения облачных частиц по размерам. В диссертации представлены результаты применения нового алгоритма в мезомасштабной модели прогноза погоды Гидрометцентра России и модели «почва — растительность — приземный слой атмосферы» Гидрометцентра России.
Алгоритм допускает дальнейшее развитие физического содержания и может быть использован в исследовательских целях.
В первой главе, которая носит обзорный характер, рассмотрены результаты численных экспериментов, выполненных в ведущих метеорологических центрах с прогностическими и климатическими моделями атмосферы. Из этих экспериментов следует, что имеется заметная чувствительность радиационных и метеорологических характеристик атмосферы (радиационного баланса, облачно-радиационного форсинга, температуры и др.) к вариациями микрофизических свойств облаков, что по существу означает вариации процесса взаимодействия радиации и облачности (Kiehl, Ramanathan, 1990; Rockel et al., 1991; Frazer et al., 1995; Lohmann, Rockner, 1996). Эти эксперименты показали важность совершенствования методов описания механизма взаимодействия при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов.
Представлен анализ существующих методов описания процесса взаимодействия радиации и облачности (Slingo, 1989; Rockel et al., 1991, Ebert, Curry, 1992).
В первой главе рассмотрены также методы описания поглощения в безоблачной атмосфере, включая использованные в диссертации.
Рассмотрен современный подход к расчету потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, который основан на решении трехмерного уравнения переноса излучения в плоскопараллельной атмосфере. Изложена процедура преобразования этого уравнения к двухпотоковому виду, следуя работе Дж. Джелейна и Х. Холлингсворта (Geleyn, Hollingsworth, 1979).
Во второй главе представлен метод решения системы дифференциальных уравнений переноса для расчета потоков рассеянного и прямого излучения в зависимости от оптических параметров среды, входящих в уравнение переноса: оптической толщины, вероятности выживания кванта и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния.
Разработан вычислительный алгоритм, позволяющий рассчитать потоки излучения в многослойной атмосфере, при наличии информации об оптических свойствах слоев. Система алгебраических уравнений в многослойной атмосфере решается методом единственного деления Гаусса.
В главе приведены формулы для расчета оптических свойств слоев атмосферы при учете газового поглощения и релеевского рассеяния. Разработано два варианта спектрального разрешения для описания процесса поглощения излучения атмосферными газами (Н20, С02,0з), капельной водой и льдом.
Представлены результаты сравнения рассчитанных с помощью разработанного алгоритма потоков и притоков излучения для безоблачной атмосферы при условии поглощения отдельно Н2О, СО2, Оз с результатами полинейных расчетов (Фомин, 1997) для стандартных моделей атмосферы. Сравнение выполнено для двух вариантов разрешения спектра поглощения атмосферных газов (39 и 19 интервалов), при двух значениях зенитного угла Солнца. Точность расчетов потоков и притоков излучения в случае более грубого спектрального разрешения не ухудшается по сравнению с результатами, полученными при более подробном разрешении. Обсуждаются возможные причины погрешностей. Погрешности в расчете потоков и притоков излучения при поглощении углекислым газом и озоном значительно меньше для всех условий.
В третьей главе диссертации рассмотрены особенности применения общего алгоритма расчета потоков к облачной атмосфере.
Представлены основанные на теории Ми приближенные методы расчета коэффициентов ослабления и поглощения облаками в зависимости от водности облаков и эффективного радиуса распределения частиц по размерам (Хворостъянов, 1980). Выполнено сравнение рассчитанных коэффициентов ослабления и поглощения в облаке с результатами точных расчетов с использованием теории Ми, предоставленные автору диссертации А. Н. Рублевым и Б. А. Фоминым. Наибольшая погрешность при расчете коэффициентов ослабления и поглощения составляет 2 — 3%.
В главе представлена процедура использования 8 — функции для модификации облачной индикатрисы рассеяния, отличающейся сильной вытянутостью (Potter, 1970) и способ преобразования оптических параметров облачного слоя с учетом трансформации индикатрисы рассеяния (Joseph et al., 1979). Представлены также формулы для оптических параметров, характеризующих облачные слои, необходимые для расчета потоков излучения в облачной атмосфере.
В этой же главе приведены сведения о характерных величинах микрофизических параметров слоистообразных облаков и методах их определения, для контроля получаемых результатов и для применения в численных экспериментах.
Здесь же выполнено исследование зависимости оптических свойств облаков и радиационных характеристик атмосферы от микрофизических параметров облаков (водности и эффективного радиуса). Проведено сравнение рассчитанных величин альбедо облака с данными наблюдений, которое следует считать удовлетворительным с точностью до согласования исходной информации. По результатам экспериментов обнаружена важность учета размера облачных частиц в методах описания взаимодействия радиации и облачности.
Разработанный алгоритм был применен к расчету оптических свойств кристаллических облаков и исследованию их влияния на потоки солнечного излучения. Полученные величины оптических толщин оказались в пределах интервала изменений, известного из наблюдений и расчетов.
Особое внимание было уделено исследованию роли фактора асимметрии индикатрисы рассеяния, который рассчитывается в моделях весьма приближенно (Rockel et al., 1991; Ebert, Curry, 1992), в связи со сложностью описания формы частиц в кристаллических облаках. Результаты расчетов {Аникин и др., 1989; Takano, Liou, 1989 и др.) позволили оценить соотношение между параметром асимметрии для призм и для сфер, минимальное значение которого оказалось 0.85 для видимого диапазона. Эта оценка позволила провести численный эксперимент для определения погрешностей в величинах потоков на границах атмосферы и альбедо системы, связанных с предположением о сферичности частиц в кристаллических облаках.
Основываясь на результатах численных экспериментов, рассмотрены разные стороны механизма взаимодействия радиации и облачности, связанные с недостатком информации о микрофизических параметрах облаков и получены оценки возможных погрешностей в определении оптических характеристик облаков и потоках изучения.
В четвертой главе представлены результаты численных экспериментов. Исследовано влияние количества облаков и их оптических свойств на радиационные характеристики атмосферы. В результате экспериментов обнаружена зависимость потоков излучения и альбедо системы от вертикальной структуры облачности, которая влияет различием оптических свойств облаков разных ярусов.
Проведено сравнение развитого в работе метода описания взаимодействия радиации и облачности с известными методами А. Слинго (Slingo, 1989) и Б. Рокеля (Rockel et al., 1991).
Сравнение показало, что результаты расчетов для капельных облаков оказались близкими к результатам по методу А. Слинго по величине оптических толщин капельных облаков и поглощенной радиации, — расхождения менее 10%. Радиационные балансы на подстилающей поверхности отличаются менее чем на 1%.
В результате экспериментов оказалось, что методы А. Слинго и развитый в работе метод, содержащие зависимость оптических параметров от водности и эффективного радиуса подтверждают друг друга для капельных облаков. Взаимное подтверждение результатов, полученных с использованием метода А. Слинго и развитого в настоящей работе, имеет обоснование. Метод А. Слинго является аппроксимацией результатов точных расчетов. Метод, развитый в диссертации, являясь приближенным, в то же время проверен на точных расчетах теории Ми с удовлетворительными результатами.
Из экспериментов также следует, что метод Б. Рокеля, в котором учитывается зависимость только от водности, дает большие отличия.
Из проведенных сравнений следует вывод о том, что учет размеров частиц облака для расчета оптических свойств облаков необходим. Методы, где отсутствует эта характеристика, страдают большими ошибками в расчетах радиационных характеристик облаков и облачной атмосферы.
Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения был применен в модели «Почва — растительность — приземный слой атмосферы» для анализа влияния механизма взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности. Совместно с автором модели И. А. Розинкиной были проведены эксперименты, которые показали, что расхождения в температуре подстилающей поверхности при использовании разных методов увеличиваются при увеличении количества слоев облаков. В эксперименте с однослойной капельной облачностью различия в температуре подстилающей поверхности между методом А. Слинго и развитым в работе малы — 0.3°. При двухслойной облачности максимальные различия в температуре подстилающей поверхности между развитым в диссертации методом и методом Б. Рокеля оказались равными 3° и больше. Изменение температуры подстилающей поверхности сопровождается большими изменениями турбулентного потока тепла в атмосферу.
Выполнен анализ различий в радиационных изменениях температуры в облачных слоях атмосферы, связанных с разными методами описания взаимодействия радиации и облачности. Обнаружены различия примерно в 4° на фоне больших характерных величин нагревания в облаке, до 8 — 10 град/сут. Такие различия могут быть значимыми для циркуляционных процессов разного масштаба в атмосфере.
Показано также, что чем больше водность и чем меньше размер частиц облака, тем интенсивнее нагревание облака. В связи с этим правильное описание нагревания облачных слоев с учетом основных влияющих факторов представляется весьма существенным для решения многих задач моделирования атмосферных процессов, как локальных, так и крупномасштабных.
Выполнены эксперименты по применению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в атмосфере к мезомасштабной модели атмосферы, разработанной Д. Я. Прессманом. В первых экспериментах по прогнозу температуры подстилающей поверхности и атмосферы, проведенных совместно с автором модели, оказалось, что температура поверхности суши для Московского региона по характеру поля и величинам оказалась близка к результатам исходного варианта модели, в котором для расчета потоков солнечного излучения был использован метод Е. М. Фейгельсон.
Максимальные различия температуры подстилающей поверхности и температуры воздуха на высоте 10 м составили 2 — 2.5° в сторону уменьшения по сравнению с исходным вариантом. Одной из причин этого уменьшения температуры может быть приближенно заданная величина эффективного радиуса частиц облака, необходимого в новом алгоритме, который не рассчитывается в рамках мезомасштабной модели. Этот вопрос требует дополнительного анализа. Эксперименты показали работоспособность нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения с учетом взаимодействия радиации и облачности и возможность его применения в гидродинамических моделях атмосферы.
В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Основное содержание и результаты диссертации были представлены в докладах на:
— Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-99), Санкт-Петербург, 12−15 июля, 1999.
— Конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ, Москва, 6−8 декабря, 1999.
— Международном симпозиуме по атмосферной радиации (IRS 2000) «Современные проблемы атмосферной радиации», Санкт-Петербург, 24 — 29 июля, 2000.
— XXVI Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества, Ницца, Франция, 25 — 30 марта, 2001.
— VIII Объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Иркутск, 25−29 июня, 2001.
— Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-02), Санкт-Петербург, 18−21 июня, 2002.
Семинаре по радиационному теплообмену при Российской комиссии по атмосферной радиации.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, кандидату физ.-мат. наук Л.Р.Дмитриевой-Арраго за руководство и помощь в работе над диссертацией, кандидату технических наук А. Н. Рублеву и доктору физ.-мат. наук Б. А. Фомину за любезно предоставленные результаты точных расчетов для проведения сравнений и другие материалы, кандидату физ.-мат. наук Д. Я. Прессману и кандидату физ.-мат. наук И. А. Розинкиной за помощь в проведении численных экспериментов, кандидату физ.-мат. наук Л. В. Берковичу и кандидату физ.-мат. наук Ю. В. Ткачевой за предоставленные данные для проведения численных экспериментов.
Основные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией:
1. Разработан метод расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом взаимодействия радиации и облачности с известными микрофизическими характеристиками — водностью, ледностью, средним или эффективным радиусом распределения частиц по размерам.
2. Разработан и реализован вычислительный алгоритм и программный комплекс для решения уравнения переноса излучения в двухпотоковом приближении 8 — Эддингтона в многослойной атмосфере. Алгоритм основан на решении системы неоднородных дифференциальных уравнений для восходящего и нисходящего потоков рассеянного излучения и уравнения для расчета потока прямого солнечного излучения. Потоки излучения рассчитываются в результате решения алгебраической системы уравнений методом Гаусса. Единый алгоритм применяется для облачных и безоблачных условий.
3. Проведено сравнение потоков и притоков излучения в безоблачной атмосфере с учетом поглощения атмосферными газами (водяным паром, углекислым газом, озоном) в двух вариантах спектрального разрешения (39 интервалов и 19 интервалов) с результатами полинейных расчетов, выполненных Б. А. Фоминым, для стандартных моделей атмосферы. В результате сравнения получены близкие результаты в обоих вариантах разрешения. В связи с этим в работе использовано меньшее спектральное разрешение без потери точности. Из анализа результатов сравнения с точными расчетами следует, что погрешности в расчете потоков, приходящих на подстилающую поверхность, не более 1%. Наибольшие погрешности оказались при расчете восходящего потока и поглощения в толще атмосферы в случае поглощения водяным паром до 5 — 7%. Исключение составляют арктические широты, где при малом содержании водяного пара в атмосфере погрешность достигает 14%. Сравнение подтвердило правильность не только описания спектра поглощения атмосферных газов, но и основного вычислительного алгоритма.
4. Развит алгоритм описания взаимодействия радиации и облачности с использованием приближенных формул для расчета облачных коэффициентов ослабления и поглощения, предложенных В. И. Хворостьяновым. Выполнено тестирование коэффициентов ослабления и поглощения для конкретных радиусов частиц и конкретной водности на результатах точных расчетов с помощью теории рассеяния излучения на крупных частицах Ми, выполненных А. Н. Рублевым и Б. А. Фоминым. Результаты сравнения показали, что расхождения для коэффициента ослабления в облаках составляют 1 — 2%, для коэффициента поглощения — находятся в основном в пределах 10%. Алгоритм может быть использован для облаков разного фазового состава. Не имеет ограничений на размер частиц и спектральное разрешение.
5. Выполнены эксперименты по включению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в атмосфере в мезомасштабную модель прогноза погоды, разработанную Д. Я. Прессманом. В первых экспериментах по прогнозу температуры подстилающей поверхности и атмосферы, проведенных совместно с автором модели, оказалось, что температура поверхности суши для Московского региона по характеру поля и величинам близка к результатам исходного варианта модели. Однако, величины температуры ниже на 2.0 — 2.5°. Результаты эксперимента позволяют рассчитывать на улучшение прогноза температуры при дальнейшем взаимодействии с моделью и уточнении параметров.
6. Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения был использован в модели «Почва — растительность — приземный слой атмосферы» для анализа влияния различных методов описания взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности. По результатам экспериментов, проведенных совместно с автором модели, в случае капельных облаков, метод А. Слинго (БИ^о, 1989) и метод развитый в диссертации дают одинаковый эффект, — отличия в температуре подстилающей поверхности менее 1°. Использование метода Б. Рокеля (Rockel et al., 1991) приводит к значениям температуры, отличающимся примерно наЗ°.
Разработанный алгоритм был применен для исследования физических связей между микрофизическими свойствами облаков и радиационными характеристиками облаков и атмосферы:
1. Исследовано влияние микрофизических параметров облаков на их оптические свойства. Проведено сравнение рассчитанных величин альбедо с результатами измерений в зависимости от водозапаса облаков в разных интервалах радиусов и зенитного угла Солнца. Рассчитанные величины альбедо находятся в пределах разброса результатов измерений, составляющего 0.32 — 0.8 при различных зенитных углах Солнца.
2. Учитывая недостаток информации о радиусах частиц облаков в гидродинамических моделях атмосферы, был выполнен анализ зависимостей оптических характеристик облаков от радиусов частиц. Возможные погрешности в альбедо и пропускании могут быть 30% и более, в поглощении — 10%, при изменении величин эффективных радиусов с 5 мкм до 15 мкм, характерных для различных географических условий и форм облаков.
3. Выполнены численные эксперименты по оценке величин оптической толщины кристаллических облаков. Рассчитанные величины оптической толщины кристаллических облаков находятся в пределах расчетов и измерений, выполненных и проанализированных Л. Н. Павловой и А. Г. Петрушиным (1981), Т. А. Тарасовой (1981), Б. Соденом и Л. Доннером (Soden, Donner, 1994). Интервал изменений оптических толщин составляет 0.25−8.5.
4. Рассмотрено влияние отличия формы облачных частиц от сферической в кристаллических облаках верхнего яруса. Продемонстрирована зависимость альбедо системы и радиационного баланса на ВГА от формы кристаллических частиц по результатам численных экспериментов с уменьшенным фактором асимметрии индикатрисы рассеяния, соответствующим гексагональным призмам. Различия в потоках четко обнаружились при количестве облаков более 0.5 и составили 10%. Максимальное изменение альбедо составило 0.09, а максимальное уменьшение радиационного баланса — 40 Вт/м2 в рассмотренном в диссертации случае.
5. Проведены численные эксперименты, которые показали, что потоки и притоки излучения зависят не только от количества облаков, но и от вертикальной структуры облачности, которая действует своими разными оптическими свойствами. При одинаковой общей облачности различия в потоках могут быть существенными, в зависимости от того какого яруса облачность формирует общую облачность. Различия в радиационном балансе на подстилающей поверхности могут достигать 30 — 50 Вт/м2.
6. Исследована зависимость оптических свойств облаков, радиационных балансов на границах атмосферы, величины поглощенного излучения в атмосфере и альбедо системы земля — атмосфера от методов описания взаимодействия радиации и облачности в широком диапазоне микрофизических параметров — водности, ледности и эффективного радиуса распределения частиц по размерам. Результаты расчетов с использованием методов А. Слинго (Slingo, 1989) и развитого в диссертационной работе оказались близки в случае капельных облаков. Таким образом, оба метода подтверждают друг друга.
7. Выполнен анализ различий в радиационных изменениях температуры в облачных слоях атмосферы, связанных с разными методами описания взаимодействия радиации и облачности. Метод Б. Рокеля (.Rockel et al., 1991) дает заметные отклонения. Обнаружены различия примерно в 4° на фоне характерных величин нагревания в облаке, до 8 — 12 град/сут.
Дальнейшее развитие работы предполагается проводить в следующих направлениях: продолжение экспериментов по включению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в мезомасштабную модель прогноза погоды при согласовании параметров модели и радиационного алгоритма- - уточнение описания фактора асимметрии индикатрисы рассеяния для облаков разного фазового составапродолжение численных экспериментов, направленных на исследования влияния отличия формы кристаллов от сферической на радиационные характеристики кристаллических облаков и атмосферыуточнение метода описания поглощения водяным паром путем учета континуального поглощения.
Заключение
.
Представленная работа основана на методах и сведениях, относящихся к различным направлениям, развиваемым в теории переноса излучения, в физической оптике, спектроскопии, физике атмосферы и метеорологии.
Используются современные достижения теории переноса излучения, предназначенные для практических целей. Методы, развитые в физической оптике и спектроскопии, применяются для описания процессов поглощения и рассеяния излучения в атмосфере и облаках. Важной основой для решения поставленных в диссертации задач являются сведения и методы из физики облаков. Все эти процессы рассматриваются на фоне различных метеорологических условий.
Учитывая возможности практического приложения разработанного алгоритма, в работе были использованы различные приближенные подходы и методы, для оценки которых привлекались точные методы и данные наблюдений.
Все перечисленные научные направления нашли отражение в списке использованных источников.
