Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Моделирование переноса оптического излучения в задачах радиационной климатологии и определения параметров земной атмосферы

Диссертация: Моделирование переноса оптического излучения в задачах радиационной климатологии и определения параметров земной атмосферы
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Как правило, радиационные алгоритмы отражают уровень нашего понимания физики переноса оптического излучения в атмосфере, который достигнут к моменту их разработки. Существенный, но неучтенный физический фактор может вызывать большую разницу между результатами измерений и расчетов, не нарушая согласия в результатах параллельных, формально независимых расчетов. В связи с этим в современных работах… Читать ещё >

Моделирование переноса оптического излучения в задачах радиационной климатологии и определения параметров земной атмосферы (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Актуальность темы исследований
  • Степень разработанности научной проблемы
  • Цель и задачи работы
  • Научная новизна
  • Теоретическая и практическая значимость работы
  • Методология и методы исследования
  • Положения, выносимые на защиту
  • Степень достоверности и апробация результатов
  • Глава 1. Глобальная база данных по метеорологическим и оптическим моделям атмосферы
    • 1. 1. Определение вертикальной структуры облачности по данным радиозондовых измерений
    • 1. 2. Методика моделирования слоя разорванной облачности
    • 1. 3. Оптические характеристики аэрозоля и облачности
    • 1. 4. Моделирование изменчивости газового состава атмосферы и оптических свойств подстилающей поверхности
  • Глава 2. Алгоритмы метода Монте- Карло
    • 2. 1. Трехмерные алгоритмы для расчета интенсивностей и потоков солнечного излучения
    • 2. 2. Вычисление интегральных потоков солнечного излучения
    • 2. 3. Применение сопряженного уравнения переноса для вычисления коэффициентов анизотропии солнечного излучения для сферической модели атмосферы
    • 2. 4. Трехмерный алгоритм метода Монте-Карло для расчета интенсивности собственного излучения атмосферы в каналах ИК зондировщиков
    • 2. 5. Методика учета рассеяния в быстрых радиационных моделях для анализа данных спутниковых ИК спектрометров
  • Глава 3. Сопоставление рассчитанных и измеренных потоков солнечного излучения на поверхности Земли
    • 3. 1. Валидация вычислений солнечных потоков в безоблачной атмосфере
    • 3. 2. Сопоставление расчетов солнечных потоков с измерениями на станциях американской программы АРМ
    • 3. 3. Распределения потоков солнечного излучения на поверхности Земли в условиях разорванной облачности
    • 3. 4. Исследование эффекта увеличения солнечного излучения на поверхности Земли при небольших баллах облачности
  • Глава 4. Определение параметров облачной атмосферы по измерениям из космоса
    • 4. 1. Определение оптической толщины слоистой облачности по данным спутникового радиометра AVHR. Il
    • 4. 2. Определение параметров атмосферы в условиях разорванной облачности по данным АУНКЯ
    • 4. 3. Детектирование и оценка балла облачности по данным атмосферных ИК зондировщиков 1А
    • 4. 4. Сравнение восстановленного поля облаков с натурными измерениями самолетного интерферометра ЫА8Т
  • Глава 5. Определение концентраций и потоков углекислого газа по спутниковым измерениям
    • 5. 1. Спутниковый спектрометр БОАМАСНУ и алгоритм восстановления концентраций малых газовых компонент VFM-DOAS
    • 5. 2. Сопоставление восстановлений VFM-DOAS концентраций С02 над Сибирью с самолетными измерениями
    • 5. 3. Новая методика определения ХС02 при различных типах облачности
    • 5. 4. Выбор рабочих каналов спектрометра БОАМАСНУ по данным самолетных наблюдений и валидация результатов
    • 5. 5. Методика оценки параметров углеродного обмена в бореальных лесах
  • Глава 6. Оценка возможности определения характеристик пылевого аэрозоля и общего содержания N02 по измерениям АЕКХЖЕТ
    • 6. 1. Общая характеристика измерений в сети АЕИХЖЕТ
    • 6. 2. Влияние крупных частиц на оценки оптических и радиационных характеристик пылевого аэрозоля
    • 6. 3. Определение общего содержания N02 по данным сети АЕШШТ
    • 6. 4. Сопоставление оценок ОС N02 по данным АЕИХЖЕТ с результатами других измерений
    • 6. 5. Интерактивные процедуры С81Р2002 и С81Р2009 для расчета интегральных солнечных потоков

Актуальность темы

исследований.

В течение последних десятилетий стремительно возрос интерес различных слоев общества к проблемам изменения климата и, особенно, к наблюдаемому глобальному потеплению. Как указывается в последнем докладе [1], выпущенном в 2007 г. Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) Всемирной Метеорологической Организации (ВМО), к 2100 году средняя температура приземного слоя атмосферы возрастет до значений 1.1 -Н5.4°С в зависимости от типа сценария по развитию мировой энергетики. С точки зрения анализа антропогенного влияния на изменения климата наиболее важен промышленный выброс углекислого газа. По данным [1] содержание С02 в земной атмосфере увеличилось с 280 рршу (миллионных объемных долей) прединдустриальной эпохи (средние века) до ~380 рршу в наше время. Такое л количество соответствует «сбережению» земного тепла примерно на 1.6Вт/м. Удвоение содержания С02 приведет к уменьшению мощности уходящего излучения на 3.7 Вт/м и возрастанию средней глобальной температуры, величина которой с учетом положительных и отрицательных атмосферных связей оценивается в 2.5 К. Подобные оценки основаны на результатах физико-математического моделирования климатических изменений.

Изменчивость температурных условий на нашей планете определяется не только ростом содержания парниковых газов, но и поведением ряда других атмосферных факторов, регулирующих радиационный обмен Земли с космосом. Главным естественным фактором, влияющим на температурный режим атмосферы, является облачность, которая, с одной стороны, хорошо отражая солнечный свет, препятствует нагреву атмосферы и подстилающей поверхности, с другой стороны, поглощая собственное излучение теплого приземного слоя атмосферы и подстилающей поверхности в ИК диапазоне спектра, способствует сохранению тепла. Несмотря на то, что облачность определяет около 2/3 планетарного альбедо не только величина суммарного радиационного форсинга облачности, но и его знак не были оценены до конца 80-х гг. XX века [2]. Одна из первая оценка (-13 Вт/м2) [3] была получена лишь в 1989 г. на основе обработки спутниковых измерений радиационного баланса Земли (РБЗ). Современные оценки [4,5] облачного форсинга дают разброс -15 -г- -21 Вт/м, вследствие сильной изменчивости свойств облачности как по времени, так и по географическим регионам.

Количественное описание радиационного воздействия перечисленных и других факторов — задача радиационных блоков современных гидродинамических моделей прогноза погоды и изменения климата Земли.

В настоящее время существуют определенные проблемы адекватного учета указанных факторов при описании процессов переноса излучения в атмосфере для оценки радиационного форсинга. Во-первых, это методические трудности, связанные с разработкой приближенных, но достаточно точных и быстрых алгоритмов для радиационных блоков, которые могли бы корректно учитывать основные эффекты переноса солнечного или теплового излучения в реальной атмосфере.

Во-вторых, это проблема организации постоянного мониторинга состояния атмосферы для измерения или оценки параметров, используемых в качестве исходных данных гидродинамических моделей. Для такого мониторинга необходима глобальная система наблюдений, важнейшей компонентой которой является космическая система наблюдений. Несмотря на то, что методы дистанционного зондирования атмосферы (ДЗА) получили значительное развитие в последнее двадцатилетие, остается много задач ДЗА, требующих дальнейших методических проработок с целью повышения точности и достоверности получаемых оценок атмосферных параметров по данным спутниковых и наземных дистанционных измерений.

Проиллюстрируем существующие методические трудности при разработке радиационных алгоритмов гидродинамических моделей и проблемы повышения достоверности продуктов ДЗА на двух примерах.

Примером несовершенства алгоритмов радиационных блоков гидродинамических моделей является широко известный эффект «аномального облачного поглощения» [5−7]. Оценки [8,9] среднесуточного поглощения солнечного излучения (СИ), которые впервые были сделаны по результатам наземных и самолетных измерений в облачной атмосфере, оказались завышенными на 5−28 Вт/м2 по сравнению с результатами расчетов, выполненных радиационными алгоритмами моделей прогноза погоды. Для приведения в соответствие расчетов с экспериментами поглощение СИ облаками в моделях требовалось значительно увеличить, что и привело к такому названию эффекта. Как утверждает А. Аркинг в [10], подобное расхождение имеет место и в безоблачной атмосфере и связано с плохими методиками параметризации переноса радиации в используемых моделях. Напомним, что эффект удвоения содержания С02 в среднем по земному шару не превышает 4 Вт/м2 (т.е. менее 1.2% от потока СИ, падающего на внешнюю границу атмосферы), поэтому возникают сомнения в надежности количественных оценок климатического эффекта углекислого газа современными моделями, а, значит, и тесно связанного с ним антропогенного воздействия на динамику глобального потепления.

К чему приводит разброс в оценках используемых величин атмосферных параметров, полученных на основе дистанционного зондирования, можно видеть на примере альбедо однократного рассеяния (АОР) пылевого аэрозоля в видимой области спектра — важнейшего оптического параметра аэрозоля для всех климатических исследований. Например, в работах [11−13], опубликованных в 2001;2002 годах, указывается, что пылевые выносы сахарского аэрозоля гораздо меньше поглощают СИ, чем считалось ранее, т. е. сахарская пыль поглощает всего 1−5% падающего СИ по сравнению с 10−15%, полученными в середине восьмидесятых — начале девяностых годов [14−16]. Такое снижение в оценках поглощения СИ объясняется величиной АОР пылевого аэрозоля, которое по данным наземной измерительной сети AERONET [17] (AEROsol NET work) для различных районов пустынь в видимой области меняется в районе 0.95-^0.98.

Согласно «старым» данным [18], полученным во время, например, советско-американского эксперимента в Таджикистане в 1989 г., диапазон изменчивости этой же величины составил 0.70-Ю.88.

Приведенные примеры подтверждают актуальность исследований, выполненных в диссертации и направленных на разработку комплекса строгих радиационных методик и алгоритмов, пригодность которых для прогнозирования климатических изменений и дистанционного определения параметров атмосферы подтверждена реальными натурными экспериментами.

Степень разработанности научной проблемы.

Прогнозирование климата и решение задач дистанционного зондирования связано с установлением точных количественных зависимостей между энергетическими характеристиками солнечного излучения или собственного излучения атмосферы с ее основными метеорологическими параметрами. Теоретическому обоснованию и непосредственному получению таких зависимостей посвящено большое количество работ. В 1985 г. был опубликован обзор под редакцией Жаклин Ленобль (Jacqueline Lenoble), различных методов и алгоритмов решения уравнения переноса в земной атмосфере. В этом обзоре, позднее переведенном на русский язык [19], отражен значительный вклад, который внесли в развитие теории переноса атмосферной радиации различные научные школы Советского Союза. Помимо краткого изложения теоретических основ в [19] выполнен сравнительный анализ результатов расчетов характеристик СИ, полученных на основе рассмотренных методов, для фиксированных моделей атмосферы. Фактически, это было первое международное тестирование радиационных алгоритмов. За последние два десятилетия подобные сопоставления были выполнены уже для расчетов интегральных потоков как собственного [20−22], так и солнечного [23,24] излучения с учетом спектров поглощения атмосферных газов. В 1999 г. начала свою деятельность международная рабочая группа 13RC (International Intercomparison of 3D Radiation Codes) под руководством Роберта Кахалана (Robert Cahalan) по сравнению трехмерных радиационных алгоритмов [25], позволяющих учитывать стохастические свойства разорванной облачности.

Как правило, радиационные алгоритмы отражают уровень нашего понимания физики переноса оптического излучения в атмосфере, который достигнут к моменту их разработки. Существенный, но неучтенный физический фактор может вызывать большую разницу между результатами измерений и расчетов, не нарушая согласия в результатах параллельных, формально независимых расчетов. В связи с этим в современных работах [25,27] основным способом подтверждения адекватности радиационных алгоритмов и создаваемых на их основе методик ДЗА стало сравнение расчетных результатов или оценок параметров атмосферы с данными измерений, проводимых на специальных тестовых полигонах при тщательном контроле атмосферных условий. Этот подход реализован в диссертации, значительная часть которой посвящена валидации разработанных методик и алгоритмов путем прямого сравнения получаемых результатов с данными измерений.

Цель и задачи работы.

Целью диссертации является разработка и валидация методик и алгоритмов для решения различных задач радиационной климатологии и дистанционного определения параметров атмосферы на основе моделирования переноса солнечного и теплового излучения с подробным учетом основных факторов, определяющих его распространение и регистрацию наземной или спутниковой аппаратурой.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— разработка реалистических моделей земной атмосферы, отражающих стохастический характер и многообразие различных форм облачности;

— разработка методик и алгоритмов для получения количественных оценок интенсивности и потоков солнечного и теплового излучения в различных условиях и их валидация по данным натурных измерений;

— разработка и валидация способа детектирования облачности по измерениям спутниковых ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения;

— разработка и валидация методик дистанционного определения в атмосфере средней концентрации и потоков углекислого газа;

— оценка влияния пылевого аэрозоля на точность определения оптических и радиационных параметров атмосферы по данным наземных измерительных сетей;

— разработка и валидация методики дистанционного определения общего содержания (ОС) в атмосфере диоксида азота Ж)2.

Научная новизна.

1. Впервые создана реляционная база полностью определенных модельных облачных ситуаций на основе подготовленного в 1ЧОАА набора данных радиозондирования (около 8000 вертикальных профилей в различных регионах земного шара). Отличительной особенностью созданной базы является сохранение в моделях корреляционных связей между вертикальными профилями температуры/влажности и параметрами облачности.

2. Разработана новая методика моделирования разорванной облачности нормальным случайным полем, параметры корреляционной функции которой определяются только баллом, средними диаметром и толщиной облаков.

3. Для СИ и собственного теплового излучения атмосферы разработаны трехмерные алгоритмы метода Монте-Карло (МК) с полинейным учетом газового поглощения, позволяющие вычислять вертикальные профили потоков оптического излучения, а также моделировать измерения спутниковых спектрометров при различных типах облаков, включая разорванную и многослойную облачность.

4. На основе сопряженного уравнения метода МК с полинейным учетом газового поглощения созданы алгоритмы вычислений интенсивностей и потоков СИ применительно к сферической модели атмосферы. Впервые на основе расчетов получены угловые матрицы коэффициентов анизотропии уходящего СИ для интерпретации спутниковых измерений радиационного баланса Земли.

5. Разработана новая методика моделирования собственного излучения облачных или пылевых слоев с учетом их рассеивающих свойств для использования в быстрых радиационных моделях.

6. Разработан новый способ детектирования облачности «подпиксельного» размера и оценена его надежность применительно к данным спутникового ИК-зондировщика 1А81 и самолетного интерферометра КА8Т-1.

7. Впервые получены количественные оценки влияния крупных пылевых частиц на точность восстановления оптических характеристик аэрозоля по измерениям спектральных потоков прямого и рассеянного солнечного излучения глобальной сетью АЕЯСЖЕТ.

8. Разработана новая методика определения концентрации тропосферного углекислого газа по измерениям спутникового спектрометра 8С1АМАСНУ/Е11У18АТ в условиях облачности. Сравнение с результатами независимых измерений в различных географических регионах позволило оценить ее точность: ~1% или 3−4 млн" 1.

9. Разработана новая методика определения ОС N02 по данным измерений спектральных оптических толщин аэрозоля глобальной сети АЕКХЖЕТ и проведена ее валидация путем сравнения с результатами независимых измерений.

10. Создано новое интерактивное программно-математическое обеспечение — С81Р2002/2009 для расчета солнечных потоков и оценки радиационного форсинга N02 и аэрозоля в зависимости от состояния атмосферы.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты работы использовались при интерпретации измерений спутникового радиометра 8САЯАВ/Метеор для оценки компонент радиационного баланса Земли. Вычисления спектральных интенсивностей собственного излучения атмосферы и подстилающей поверхности применялись для обоснования процедур интеркалибровки ИК-каналов спутниковых отечественных сканеров МСУ-МР/Метеор-М и МСУ-ГС/Электро-Л по их зарубежным аналогам. Результаты расчетов спектральных солнечных потоков используются в Метеорологической обсерватории (МО) Географического факультета МГУ в учебном курсе и для тестирования эмпирических методик.

Алгоритм и результаты расчетов аэрозольных параметров вошли в качестве составной части в европейскую спектроскопическую базу данных GEISA [27,29]. Интерактивное программно-математическое обеспечение CSIF2002/2009 используется в ряде научных организаций для расчета потоков СИ и оценок радиационного влияния аэрозоля и диоксида азота. Разработанный алгоритм определения ОС диоксида азота по измерениям AERONET будет использован для валидации оценок его содержания по данным отечественного спектрометра СА-МП (аналога спектрометра SCIAMACHY), который должен быть установлен на полярно-орбитальном спутнике нового поколения «Метеор-МП».

На основе расчетов автора в Гидрометцентре России для тестирования и развития радиационных алгоритмов в моделях прогноза погоды была создана специальная «База данных эталонных потоков солнечного и теплового излучения», на которую получено Свидетельство о государственной регистрации № 20 126 220 475 от 25 мая 2012 г.

Разработанные алгоритмы и результаты расчетов использовались в рамках федеральных целевых и ведомственных программ: «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации», «Федеральная космическая программа России" — при обосновании характеристик целевой аппаратуры полярно-орбитальных и геостационарных метеоспутников, при оценке в Ситуационном центре Росгидромета последствий распространении вулканического пепла от исландских вулканов Эйяфьятлайокудль и Гримсвотн, а также при выполнении грантов РФФИ, международных фондов МНТЦ, CRDF, INTAS, американской программы ARM, Европейского космического агентства ESA и Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников EUMETSAT.

Методология и методы исследования.

Диссертация посвящена созданию универсального комплекса методик и алгоритмов, который используется для решения практических задач радиационной климатологи и для разработки новых способов определения параметров атмосферы по данным дистанционного зондирования. При разработке радиационных алгоритмов и методик проводились теоретико-экспериментальные исследования, основанные на комбинации математического моделирования процессов переноса оптического излучения с анализом данных натурных измерений, получаемых из различных источников. Разработке способов дистанционного определения параметров атмосферы предшествовало моделирование измерений с подробным учетом специфики используемых приборов и различного рода ошибок.

Особое внимание было обращено на корректный учет особенностей распространения оптического излучения (реальные аэрозольные индикатрисы, многократное рассеяние, разорванная облачность и т. п.) с точки зрения их влияния на точность и надежность получаемых оценок.

Положения, выносимые на защиту.

1. Глобальная база данных метеорологических и оптических моделей атмосферы, созданная на основе анализа 8000 вертикальных профилей температуры и влажности по данным радиозондовых измерений МОАА в различных районах земного шара.

2. Методика и алгоритм моделирования разорванной облачности нормальным случайным полем.

3. Трехмерные алгоритмы метода МК для вычисления потоков и интенсивностей СИ и собственного излучения атмосферы при различных типах облаков, включая разорванную и многослойную облачность.

4. Методика получения угловых моделей анизотропии СИ для интерпретации спутниковых измерений радиационного баланса Земли.

5. Методика детектирования облачности по измерениям спутниковых ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения.

6. Методика оценки средней концентрации углекислого газа по измерениям спектрометра ЗСГАМАСНУ/ЕтаБАТ.

7. Методика и алгоритм определения ОС N02 по данным глобальной аэрозольной сети АЕКХЖЕТ.

8. Интерактивное программно-математическое обеспечениеCSIF2002/2009 (http://litms.molnet.ru/csif/index.php) для расчета интегральных солнечных потоков и оценки радиационного форсинга N02 и аэрозоля.

Степень достоверности и апробация результатов.

Разработанные радиационные алгоритмы для расчета потоков и интенсивностей оптического излучения основаны на высокоточном моделировании процесса переноса фотонов методом МК с полинейным учетом газового поглощения. Все разработанные методики и алгоритмы дистанционного определения параметров атмосферы проходили проверку путем прямого сравнения модельных расчетов с результатами независимых расчетов или измерений, выполненных в различных районах земного шара.

По результатам диссертационной работы опубликовано 69 работ, из них 47 в изданиях, включенных в список ВАК, и рецензируемых трудах международных конференций, 22 — в трудах конференций и препринтах Курчатовского института.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: Coordination Group for Meteorological Satellites (2010;2012), Workshop Global Space-based Inter-Calibration System (2011, 2012), International Radiation Symposium (1996, 2000, 2008, 2012) — Gordon Research Conference (2003, 2005) — ARM Science Team Meetings (2002, 2004) — International assembly of the American Geophysical Union (1998, 2007) — Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (1998, 2002, 2004, 2011) — EUMETSAT Meteorological Satellite Conference (2000, 2004, 2007), International Symposium on Remote Sensing of Environment (2005), Workshop Intercomparison of 3D Radiation Codes (1999, 2005) и др. Результаты работы представлялись на научных семинарах в различных институтах, включая РНЦ «Курчатовский институт" — НИЦ «Планета" — ИФА им. А. М. ОбуховаГидрометцентр РоссииИКИ РАНМО МГУGoddard Space Flight CenterJohn Hopkins UniversityCanada Centre for Remote SensingInstitute of Remote Sensing (Bremen), Институт леса им. В. Н. Сукачева.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1 На основе набора данных радиозондирования Ж) АА-88/89 (-8000 вертикальных профилей температуры и влажности из различных районов земного шара) создана база реалистических моделей земной атмосферы, отражающих горизонтально-неоднородную структуру разорванной и многослойной облачности. Разработана специальная методика моделирования разорванной облачности нормальным случайным полем, параметры корреляционной функции которой определяются только баллом облаков, их средней толщиной и диаметром.

2 Разработаны трехмерные алгоритмы, позволяющие рассчитывать профили потоков солнечного излучения и собственного излучения атмосферы и моделировать измерения спектрометров в условиях разорванной и многослойной облачности. Созданы методика и соответствующие алгоритмы получения угловых моделей анизотропии солнечного излучения для интерпретации спутниковых измерений радиационного баланса применительно к сферической модели Земли.

3 Разработан новый способ детектирования облачности по данным ИК-зондировщика 1А81. Экспериментальная проверка способа по данным реальных измерений самолетного интерферометра ЫА8Т-1, близкого по своим характеристикам к 1А81, подтвердила его работоспособность.

4 Получены количественные оценки влияния крупных пылевых частиц на точность восстановления оптических характеристик аэрозоля по наземным измерениям спектральных потоков прямого и рассеянного солнечного излучения. Показана невозможность использования оценок аэрозольных параметров, получаемых в сети АЕИ. СЖЕТ, для расчетов интегральных солнечных потоков и при моделировании спутниковых ИК измерений, когда концентрация пылевых частиц в атмосфере в два и более раз превышает их концентрацию в известной модели континентального аэрозоля ССЖТ.

5 Разработана новая методика определения концентрации углекислого газа по данным измерений спектрометра 8С1АМАСНУ спутника ЕЫУ18АТ. Проведена проверка методики по данным независимых самолетных измерений концентрации С02 над районами Сургута и Новосибирска, а также наземных измерений лаборатории НОАА/Е8ЯЬ на вулкане Мауна Лоа (Гавайи), показавшая хорошее согласие (в пределах 1%) спутниковых и опорных данных.

6 Разработана методика определения баланса углерода нисходящих и восходящих потоков С02 в бореальных лесах с использованием спутниковых данных. Получены карты среднемесячного поглощения углерода сосновыми лесами Красноярского края.

7 Разработана методика определения общего содержания М)2 по данным глобальной аэрозольной сети АЕ11(ЖЕТ. Подтверждена ее работоспособность на основе сопоставления полученных оценок ОС Ж)2 с результатами параллельных наземных и спутниковых измерений.

8 Разработано интерактивное программно-математическое обеспечениеС81Р2002/2009 для расчета солнечных потоков и оценки радиационного форсинга N02 и аэрозоля для широкого набора napaMeTnf, kbwtpoB атмосферы. Получены оценки радиационного форсинга для средних значений N02, определенных по данным 20 пунктов сети AERONET в различных районах земного шара.

В ближайшие годы в соответствии с Федеральной космической программой России планируется запуск метеоспутников нового поколения в дополнение к двум («Метеор-М» № 1 и «Электро» № 1), уже действующим в космосе. В связи с этим разработанные методики и алгоритмы дистанционного определения параметров атмосферы будут использоваться для разработки и валидации новых информационных продуктов, получаемых по данным спутниковой целевой аппаратуры оптического диапазона спектра. Расчеты интенсивности уходящего излучения применяются и будут применяться для дополнительной внешней калибровки действующей и перспективной отечественной бортовой аппаратуры, а также для разработки быстрых радиационных моделей, необходимых для решения обратных задач ДЗА.

Завершая работу над диссертацией, автору хотелось бы выразить глубокую благодарность своим коллегам по работе в Научно-исследовательском центре спецконтроля МО СССР, Институте молекулярной физики РНЦ «Курчатовский институт», Гидрометцентре России и НИЦ «Планета», всем, кто помогал ему своими знаниями, опытом и дружеской поддержкой на различных этапах его научной деятельности. Кроме того, автор благодарен российским и зарубежным партнерам по различным научным проектам и рабочим группам за плодотворное и приятное сотрудничество в ходе исследований и подготовки совместных публикаций.

Заключение

.

Главным итогом диссертационной работы является решение крупной научной проблемы по созданию универсального набора методик и алгоритмов метода МК, пригодность которых для проведения радиационных расчетов как в интересах различных климатических приложений, так и для разработки дистанционных способов определения параметров атмосферы подтверждена натурными измерениями. Разработанные методики и алгоритмы позволяют строго, без каких-либо упрощений описывать процесс переноса солнечного и теплового излучения в земной атмосфере.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Радиация в облачной атмосфере / под ред. Е. М. Фейгельсон / Л.: Гидрометеоиздат, 1981.- 280 с.
  2. Ramanathan, V., Cess R.D., Harrison, E.F., et al. Cloud-radiative forcing and climate: Results from the Earth Radiation Budget Experiment // Science. 1989. No.243. — P.57−63.
  3. Chernokulsky, A.V., Mokhov, I.I. 2012: Climatology of total cloudiness in the Arctic: An intercomparison of observations and reanalyses // Advances in Meteorology. 2012. — Vol. 2012, article ID 542 093. — 15 p.
  4. Richard, P. Allan. Combining satellite data and models to estimate cloud radiative effect at the surface and in the atmosphere // Meteorological Applications.- 2011. Vol. 18, issue 3. — P.324−333.
  5. Ramanathan, V. et al. Warm, pool heat budget and shortwave cloud forsing: a missing physics? // Science. 1995. — Vol.267. — P.499−503.
  6. Li, Z., H.W.Barker, L.Moreau. The variable effect of clouds on atmospheric absorption of solar radiation // Nature. 1995. — Vol.376.- P.486−490.
  7. Valero, F. P. J., R. D. Cess, M. Zhang, S. K. Pope, A. Bucholtz, B. Bush, and J. Vitko Jr., Absorption of solar radiation by the cloudy atmosphere: Interpretations of collocated aircraft measurements // J.Geophys. Res. 1997. -No.102.-P.29 917−29 927.
  8. , A., 1999: Bringing climate models into agreement with observations of atmospheric absorption // J. Climate 1999. — No. 12. — P. 1589−1600.
  9. Kaufman, Y. J., D. Tanre, O. Dubovik, A. Karnieli, and L. A. Remer, Absorption of sunlight by dust as inferred from satellite and ground-based remote sensing // Geophys. Res. Lett. 2001. — No.28(8). — P. 1479−1482.
  10. Pinker, RT, Pandithurai, G, Holben, B. N, Dubovik, O, Aro, Т.О. A dust outbreak episode in sub-Sahel West Africa // J Geophys Res. 2001. — Vol.106, no. 19. — P.22 923−22 930.
  11. Dubovik, O., Holben, В., Thomas, F.E. et al. Variability of absorption and optical properties of key aerosol type observed in worldwide locations // J Amospheric Sciences. 2009. — Vol.59, no.3. — P.590−608.
  12. , К.Я., Москаленко, М.И. Парниковый эффект атмосферы и климат // Итоги науки и техники. Метеорология и климатология М.: ВИНИТИ.-1984.-202 с.
  13. Climate Change 1994. Radiative Forcing of Climate Change and Evaluation of the IPCC IS92 Emission Scenarios // Cambridge, Univer.Press. 1995. — 340p.
  14. Oreopoulos, L., and E. Mlawer. The Continual Intercomparison of Radiation Codes (CIRC): Assessing a new the quality of GCM radiation algorithms // Bull. Am. Met. Soc. -2010. 91. -P.305−310.
  15. Wilber, A. C., D. P. Kratz, and S. K. Gupta. Surface Emissivity Maps for Use in Satellite Retrievals of Longwave Radiation / Tech. Rep. NASA/TP-1999−209 362. NASA, Langley Research Center, Hampton, Virginia. -1999. — 35 p.
  16. , E.H. Данные радиозондирования как средство выявления облачных слоев // Метеорология и гидрология. 1975. — № 6. — С.32−37.
  17. Chernych, I.V., R.E.Eskridge. Determination of cloud amounts and level from radiosonde soundings // J. Appl.Met. -1996.- Vol.35, no 8. -P.1362−1369.
  18. Облака и облачная атмосфера. Справочник / Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -647 с.
  19. , С.М. Термодинамика и физика конвективных облаков / Л.: Гидрометеоиздат, 1987. -288 с.
  20. Радиационные свойства перистых облаков / М.: Наука, 1989. 224 с.
  21. , А.Н., Голомолзин, В.В. Моделирование кучевых облаков // Препринт РНЦ «Курчатовский институт» — ИАЭ-5567/16. 1992. — 12 с.
  22. , И. В., Кондранин, Т. В., Рублев, А. Н., Чубарова, Н. Е. Моделирование переноса УФ радиации через разорванную облачность и сравнение с измерениями // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. — 1997. — Т. ЗЗ, № 5. — С. 680−686.
  23. Стохастическая структура полей облачности и радиации / под ред. Ю.-А.Р. Мулламаа / Тарту: Институт физики и астрономии, АН ЭССР, 1972. -281 с.
  24. , А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, т.2. / М.: Мир, 1981.-318 с.
  25. , В.И., Хименко, В.И. Выбросы траекторий случайных процессов / М.: Наука, 1987.-304 с.
  26. , В.П., Евстратов, Н.А., Фейгельсон, Е. М. Расчет величин и распределений потоков прямого, рассеянного и суммарного излучений Солнца при кучевой облачности // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977.- Т. 13, № 3. — С. 264−273.
  27. WMO. A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. // World Climate Research Program, WCP-112. 1986. — WMO/TD No 24. -60 p.
  28. , Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическимиполидисперсными частицами / М.: Мир, 1971. 166 с.
  29. , А. Н. Алгоритм и результаты расчетов аэрозольных индикатрис // Препринт РНЦ «Курчатовский институт». 1994. — ИАЭ-5715/16. — 51с.
  30. , М.Я., Шари, В.П., Ломакина, Л. Д. Оптические характеристики модельных аэрозолей Земли / М.: ИПМ АН СССР, 1989. 229 с.
  31. , В.М., Морозов, В.М., Смирнов, Е. В. Оптические постоянные природных и технических сред / Л.: Химия, 1984. 216 с.
  32. Fu, Qiang- Yang, Ping- Sun, W B. An accurate parameterization of the infrared radiative properties of cirrus clouds for climate models // J. of Climate. 1998.-Vol. 11, no.9. — P.2223−2237.
  33. Belward A., Loveland T. The DIS 1 km Land Cover Data Set, 1996, GLOBAL CHANGE // The IGBP Newsletter. 1996. — No.27. — URL: http://www.surf.larc.nasa.gov/surf/pages/explan.html.
  34. Snyder, W. et al. Classification-based emissivity for land surface temperature measurement from space // INT. J. Remote Sensing. 1998. — Vol.19, 14. -P.2753−2773
  35. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике / под ред. Г. И. Марчук / Новосибирск, Наука, 1976. 276 с.
  36. , А.Н., Троценко, А.Н., Романов, П. Ю. Использование данных спутникового радиометра AVHRR для определения оптической толщины облачности // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1997. — Т. ЗЗ, № 5. -С.670−675.
  37. , А. Н., Троценко, А. Н., Геогджаев, И. В. Вычисление энергетических характеристик уходящего солнечного излучения для интерпретации измерений спутникового радиометра SCARAB: Препринт РНЦ «Курчатовский институт» — ИАЭ-5915/1,1995. — 16 с.
  38. , Т.А., Стрелков, С. А, Иолтуховский, A.A. Метод характеристик в задачах атмосферной оптики / М.: Наука, 1990. 296 с.
  39. , Т.Б., Фирсов, K.M. Алгоритмы расчетов спектральных потоков солнечной радиации в облачной и безоблачной атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2004. — Т.17. — С.903−911.
  40. , H.E., Рублев, A.H., Троценко, A.H., Трембач, В. В. Вычисление потоков солнечного излучения и сравнение с результатами наземных измерений в безоблачной атмосфере // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1999. — Т.35, № 2. — С.222−239.
  41. Rothman, L.S., J. Schroeder, A. McCann, et al., HAWKS96, The HITRAN Atmospheric Workstation // ASA Workshop Proceeding.- 1996.- Reims, France, 4−6 September. 44 p.
  42. , M. В., Рублев, A. H., Дмитриева-Apparo, JI. P. Метод расчета потоков солнечного излучения в системе земля атмосфера: в кн. Физика атмосферы и прогноз погоды. Под ред. Л. Р. Дмитриевой // Труды Гидрометцентра РФ. — 2010. -Вып.344.- С.25−42.
  43. , Д.Я. К расчету потоков солнечного излучения в мезомасштабной модели прогноза погоды Гидрометцентра России. В кн. Физика атмосферы и прогноз погоды. Под ред. Л. Р. Дмитриевой // Труды Гидрометцентра РФ. 2010. — Вып.344. — С. 10−24.
  44. Angulur radiation models for Earth-atmosphere system. V.l. Shortwave radiation // NASA reference Publ. -1988. — 1184. — 144p.
  45. , Ю.А., Воробьёв, B.B., Котума, А.И., Червяков, М.Ю., Фейгин, В. М. Измерения компонентов радиационного баланса земли с ИСЗ «Метеор-М» № 1. Аппаратура ИКОР-М // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли. 2012. — Т.9. — С.173−180.
  46. Имитационное моделирование в задачах оптического дистанционного контроля. Отв. редактор В. Е. Зуев / Новосибирск: Наука, 1988. 164 с.
  47. Альбедо и угловые характеристики отражения подстилающей поверхности и облаков / под ред. К. Я. Кондратьева / Д.: Гидрометеоиздат, 1981.-232с.
  48. ASTER Spectral Library: Johns Hopkins University spectral library. 1986. URL: http://speclib.jpl.nasa.gov.
  49. , А.Б., Троценко, A.H., Рублев, A.H. Проблемы и перспективы анализа и использования данных спутниковых ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения // Исследования Земли из космоса. -2005.-№ 5. с. 18−33.
  50. Plat, С. М, G.L. Stephens, The interpretation of remotely sensed high cloud emittances// J.Atmos.Sci. -1980.-Vol. 37, no.10. -P.2314−2332.
  51. Heimsfield, A.Y., C.M.R. Plat. A parameterization of the particle size spectrum of ice clouds in term of the ambient temperature and the ice water content // J.Atmos.Sci. 1984. — Vol.41, no.5. — P.846−855.
  52. Simulation of IASI radiances in Presence of Clouds // Final Report on EUMETSAT contract # EUM/CO/96/390/DD. 1998. — ADGB, University of Bologna. — 40p.
  53. Rublev, A.H. and Trotsenko, A.N. On development of a Fast Radiative Transfer Model to Simulate IASI Measurements in Cloudy Conditions / Technical Note to ISSWG. 1999. — Eumetsat contract EUM/CO/99/687/DD. — 12p.
  54. Сборник тезисов Международного симпозиума стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2002), Санкт-Петербург, Россия, 22−25 июня 2002 г. — СПб, 2004. —С. 33−34.
  55. , Н.Е. Ультрафиолетовая радиация в условиях разорванной облачности по данным многолетних наземных наблюдений // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1998. — Т.34, № 1. — С. 145−150.
  56. , А.М. Корреляционная теория стационарных случайных функций. С примерами из метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. — 280 с.
  57. , В.В., Рублев, А.Н., Удалова, Т. А. Математическое моделирование распределений потоков солнечного излучения на поверхности Земли // Препринт РНЦ «Курчатовский институт» ИАЭ-6168/16, 2000.-35 с.
  58. Krijger, J.M., I. Aben, Schrijver H. Distinction between clouds and ice/snow covered surfaces in the identification of cloud-free observations using SCIAMACHY PMDs // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2005. — No5. — P.815−845.
  59. Baldocchi, D., and T. Meyers. On using eco-physiological, micrometeorological and biogeochemical theory to evaluate carbon dioxide, water vapor and gaseous deposition fluxes over vegetation // Agricultural and Forest Meteorology. -1998.-90.-P.l-26.
  60. Center for Global Environmental Research/National Institute for Environmental Studies: Monitoring of GHGs over Siberia. URL: http://www.cger2.nies.go.jp/moni-e/warm/siberia/am01 .html.
  61. , В.В., Белан, Б.Д., Зуева, Н.Е., Инойе, Г., Мачида, Т. Связь стока углекислого газа из атмосферы над бореальными лесами Сибири с колебаниями озоносферы // Оптика атмосферы и океана. 2005.-Т.18, № 7. -С.618−620.
  62. , А.Н., Бушвиц, М., Журавлева, Т. Б. Сопоставление спутниковых и самолетных измерений концентраций углекислого газа над Западной Сибирью // Оптика атмосферы и океана. 2006. — Т. 19,№ 4. — С.322−327.
  63. Сервер «Погода России». URL: http://meteo.infospace.ru.
  64. , А.Н., Успенский, А.Б. Оценка концентрации углекислого газа в тропосфере по данным измерений спектрометра SCIAMACHY в условиях облачности // Исследование Земли из космоса. — 2006. —№ 6. — С. 31−41.
  65. Land Cover Map of Northern Eurasia. 2000. — URL: http://www.gvm.jrc.it/glc2000/inputdata.htm.
  66. , E.A. и другие. Леса и болота Сибири в глобальном цикле углерода // Сибирский экологический журнал 2005. — № 4. — С.631−649.
  67. Lafont, S., L. Kergoat, G. Dedieu, A. Chrvillard, U. Kastens, and O. Kolle. Spatial and temporal variability of land C02 fluxes estimated with remote sensing and analysis data over western Eurasia // Tellus. 2002.- 54B, no.5. -P.820−833.
  68. Goulden, M.L., S.C.Wofsy, J.W.Harden, S.E.Trumbore, P.M.Crill, S.T.Gower, T. Fries, B.C.Daube, S.M.Fan, D.J.Sutton, A. Bazzaz, and J.W.Munger. Sensitivity of Boreal Forest Carbon Balance to Soil Thaw // Science. 1998. V.279.P.214−217.
  69. Wofsy, S. C., and A. Dunn. BOREAS Follow-On FLX-01 NSA-OBS Derived Data NEE, GEE, and Respiration. Data set / Oak Ridge National Laboratory Distributed Active Archive Center. — Oak Ridge, Tennessee, U.S.A. — 2001. -URL: http://daac.ornl.gov.
  70. Goulden, M.L., J.W.Munger, S.M.Fan, B.C.Daube, and S.C.Wofsy. Measurements of carbon stor-age by long-term eddy correlation: Methods and acritical evaluation of accuracy // Glob Change Biol. 1996.- Vol.2, no.3. -P.169−182.
  71. , A.H., Григорьев, Г.Ю., Удалова, Т.А., Журавлева, Т. Б. Регрессионные модели для оценки углеродного обмена в бореальных лесах // Оптика атмосферы и океана.— 2010. —Т. 23, № 1.— С. 21−26.
  72. TCOS Siberia. 2003. -URL: http://www.bgc.mpg.de/public/carboeur/webTCOS
  73. Goulden, M.L., B.C.Daube, S.M.Fan, D.J.Sutton, A. Bazzaz, J.W.Munger, and S.C.Wofsy. Physio-logical responses of a black spruce forest to weather // Journal of Geophysical Research. -1997.-Vol.102 (D24). -P.28 987−28 996.
  74. Goulden, M.L., S.C.Wofsy, J.W.Harden, S.E.Trumbore, P.M.Crill, S.T.Gower, T. Fries, B.C.Daube, S.M.Fan, D.J.Sutton, A. Bazzaz, and J.W.Munger. Sensitivity of Boreal Forest Carbon Balance to Soil Thaw // Science. 1998. -Vol.279. -P.214−217.
  75. Leemans and Cramer Climatic Database / Potsdam Institute of Climate Impact Research. 1996.- Personal communication.
  76. Zhuravleva, T.B. and K.M. Firsov. Algorithms of calculations of spectral fluxes of solar radia-tion in the cloudy and clear-sky atmosphere // Atm. Oceanic Opt.- 2004. Vol. 17, no. 11. — P.903−911.
  77. Zhuravleva, T.B., A.N.Rublev, T.A.Udalova, T.Yu.Chesnokova. On calculation of photosyntheti-cally active radiation in estimation of carbon balance parameters of surface ecosystems // Atm. Oceanic Opt. -2006. -Vol.19, nol.- P.64−68.
  78. Modis/Terra Atmosphere Monthly Global Product. URL: http://g0dup05u.ecs.nasa.gOv/Giovanni//modis.MOD08M3.shtml.
  79. Russion Soil Temperature Stations. URL: ftp://sidads.colorado.edu/pub/DATASETS.
  80. Global Precipitation Climatology Project (GPCP). URL: http://cics.umd.edu/~yin/GPCP/main.html.
  81. Global Land Cover 2000 (GLC2000). Maps. URL: http://www.gvm.jrc.it/glc2000/inputdata.htm.
  82. Smirnov A., Holben В., Eck T.F., Dubovik O., Slutsker I. Cloud screening and quality control algorithms for the AERONET database // Remote Sens. Environ. -2000. Vol.73. P.337−349.
  83. Dubovik, O, and King M.D. 2000. A flexible inversion algorithm for retrieval of aerosol optical properties from Sun and sky radiance measurements // J. Geophysical Research. 2000.- 105(D16) — P.20 673−20 696.
  84. Alexandrav, M.D., Lacis, A.A., Carlson, B.E., Cairns, В. Remote sensing of atmosphere aerosol and trace gases by means of multifilter rotating shadowband radiometer. P. I: retrieval algorithm // J.Atmosph.Sciences. 2002. — Vol.59, no3. — P.524−543.
  85. , A.H., Чубарова, H.E., Горчаков, Г. И. Определение общего содержания N02 по данным AERONET // Сборник тезисов Международного симпозиума стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2002), 22−25 июня 2002, г. Санкт-Петербург, Россия, СПб. 2004. -83 с.
  86. Hess, М., P. Koepke, and I. Schult (1998): Optical Properties of Aerosols and Clouds: The software package OP AC // Bull. Am. Met. Soc. 1998. — 79. -P.831−844.
  87. Wagner, F., Bortoli D., Pereira S. et al. Properties of dust aerosol particles transported to Portugal from the Sahara desert // Tellus B. 2008. -Vol.61, issue 1. — P.297−306.
  88. , K.C. Рассеяние света в мутной среде. M.-JL: Гостехиздат, 1951. -288 с.
  89. Smirnov, A., Holben, В. N., Dubovik О., et al. Atmospheric Aerosol Optical Properties in the Persian Gulf // J. Atmospheric Sciences. -2002. Vol. 59, issue 3.-P620−634.
  90. , A.H., Чубарова, H.E., Троценко, A.H., Горчаков, Г. И. Определение общего содержания N02 по данным сети AERONET // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. — 2004. — Т.40, № 1. — С.62−77.
  91. , А.Н., Чубарова, Н.Е., Троценко, А.Н., Горчаков, Г. И. Распознавание N02 на фоне аэрозольного ослабления (ответ на комментарий) // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. —2005.— Т. 41, № 1. —С. 134−138.
  92. , B.E., Комаров, B.C. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1986. — 264 с.
  93. Solomon, S., Portmann, R.W., Sanders, R.W., Daniel, J.S. On the role of nitrogen dioxide in the absorption of solar radiation // J.Geophys.Res. -1999.-V.104.- P. 12 047−12 058.
  94. Климат, погода, экология Москвы. Ред. Клинов Ф. Я. / Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1995.-438 с.
  95. , Н.Ф. Развитие сети наблюдений двуокиси азота в атмосфере // Международное рабочее совещание. Развитие сети наблюдений двуокиси азота в стратосфере, 9−12 октября 2001 г.: тезисы, Звенигород. 2001 — С.5−6.
  96. , Ю.М., Ионов, Д.В., Поляков, А. В. Еланский, Н.Ф., Елохов,
  97. A.С., Груздев, A.M., Постыляков, О.В., Розанов, Е. В. Сопоставление результатов спутниковых и наземных измерений общего содержания N02 // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т.36. № 6. С.802−808.
  98. O’Neill, N.T., Smirnov, A., Eck, T.F. McElroy, C.T., McArthur, L.J. В., and
  99. B.N.Holben Comment on the paper «Determination of N02 Column amounts from AERONET data» by Rublev et al. 2004 // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. -2005. -Vol. 41, 1. P. 117−119.
  100. Merienne M.F., Jenouvrier A., CoquartB. The N02 absorption spectrum I: Absorption cross-sections at ambient temperature in the 300−500 nm region // J.Atm.Chem. 1995. — No.20 -P.281−297.
  101. Schneider W., MoortgatG. K, Tyndall G.S., Burrows J.P. Absorption cross-sections of N02 in the UV and visible region (200−700 nm) at 298 К // J. Photochem. Photobiology. -1987. -No.40. P. 195−217.
  102. Anderson G.P., Clough S.A., Kneizys F. X, et al.: AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0−120 km) / AFGL-TR-86−0110. 1986.- AD A175173.
  103. , B.E., Титов, Г.А. Оптика атмосферы и климата. Томск: Спектр, 1996.-272 с.
  104. Eck, T.F., Holben, B. N, Reid, J.S., Dubovik, O., Smirnov, A., O’Neill N.T., Slutsker, I., Kinne, S. The wavelength dependence of the optical depth of biomass burning, urban and desert dust aerosols // J.Geoph.Res. 1999. -Vol.104.-P.31 333−31 350.
  105. , B.E. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. -М.: Советское радио, 1970. 496 с.
  106. , П.П., Свириденков, М.А. Оптические характеристики и микроструктура аэрозоля по данным измерений индикатрис рассеяния в области солнечного ореола: Международная конференция «Физика атмосферного аэрозоля». М. — 1999. — С.20−28
  107. Рао, С. Р. Линейные статистические методы и их применения. М.: Наука, 1968.-547 с.
  108. Rublev, A. N, Chubarova N, and Gorchakov G. Anthropogenic N02 in the atmosphere: estimates of the column content and radiative forcing / In Proceedings of the Fourteenth ARM Science Team Meeting. 2004. — U.S.
  109. Department of Energy, Richland, WA.1,8.-URL:http://www.arm.gov/publications/proceedings/confl4/extendedabs/rublev-a.pdf?id=96.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!