Методы селекции и коррекции экспериментальных данных AERONET по яркости неба

Актуальность. Настоящая диссертационная работа посвящена разработкам методов селекции и коррекции наблюдательных данных AERONET по яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца с целью отбора безоблачных ситуаций.

Глобальная автоматизированная сеть наземного мониторинга атмосферы AERONET [1,2] развернута для получения в режиме реального времени больших объёмов данных, их накопления и последующей обработки с целью создания карты распределения аэрозоля по земному шару. Измерения оптических параметров атмосферы осуществляются с помощью солнечных фотометров CIMEL, функционирующих более чем в 100 пунктах земного шара. Результаты наблюдений используются специалистами как базовые для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы и изучения оптических свойств аэрозоля в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Поиск новых, тщательно обоснованных методов селекции, продиктован необходимостью объяснения завышенных величин вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), определяемых по методикам [3], разработанным в NASA GSFC (Центре космических полетов Годдар-да Национальной администрации аэронавтики и космических исследований, США).

Интерес к данному вопросу возник в связи с необходимостью оценки роли аэрозоля в формировании радиационного баланса тропосферы и подстилающей поверхности и его влияния на климат Земли в целом [4 — 8]. В современной климатологии резко возросли потребности в знании поглощатель-ной способности аэрозольных частиц, от которых зависит температура воздуха нижних слоев атмосферы. Согласно исследованиям известных авторов [6, 9 -13] и в соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организацией (WMO) к решению радиационных задач [14], величины вероятности выживания кванта для морских аэрозолей составляют в видимой области спектра около 0,99, для континентальных — 0,87 и для городских — 0,62. Приводимые же во многих публикациях [2−3, 15 — 17] их значения, найденные из наблюдений яркости неба, для второго и особенно третьего типов частиц заметно больше вышеуказанных (обычно более 0,9). Непонятно, вызвано ли это различие недостатками методики восстановления их оптических характеристик через решение уравнения переноса излучения [3, 16], либо его причиной является несовершенство селекции наблюдательных данных при выборе исключительно безоблачных ситуаций. В связи с необходимостью разрешения второй части этой проблемы было выполнено настоящее исследование.

Поскольку разработка дополнительных к используемым в NASA методикам выборки безоблачных ситуаций из мониторинговых наблюдений затрагивает важные проблемы современной климатологии, то направление настоящего исследования безусловно следует считать актуальным.

Актуальность подтверждается систематическим увеличением числа наземных станций по измерениям оптических характеристик атмосферы, а также использованием с этой целью космических наблюдений яркости [13, 1819]. Свидетельством тому является и развертывание различных национальных, международных и региональных программ: Международная геосферно-биосферная программа (IGBP), Всемирная программа исследований климата (WCRP), «Атмосферные радиационные измерения» (ARM Program, USA), «Глобальные изменения природной среды и климата» (Россия), «Аэрозоли Сибири», «Климатоэкологический мониторинг Сибири» и др.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов селекции и коррекции данных AERONET для выбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для последующего построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. анализ результатов расчетов угловой зависимости яркости неба для модели атмосферы, содержащей широкие распределения частиц по размерам с учетом многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности;

2. исследование угловых характеристик наблюдаемой яркости неба в широком диапазоне углов рассеяния при отсутствии облачности и разработка на их основе методов селекции данных AERONET;

3. применение разработанных методов к селекции наблюдаемых яркостей в ряде пунктов земного шара с различными климатическими условиями;

4. анализ данных по определению вероятности выживания кванта AERONET;

5. оценка достоверности и эффективности предложенных методов на основе данных наблюдений облачности на метеорологической сети;

6. анализ угловых распределений яркости неба вблизи солнечного диска и последующая коррекция данных AERONET на основе предложенного метода.

Основные защищаемые положения.

1. Необходимым условием обнаружения облаков на трассе сканирования небосвода в альмукантарате Солнца является систематическое убывание яркости неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в интервале углов рассеяния от 2 до 90° и ее последующее возрастание на угловых расстояниях более 120°.

2. Малоконтрастные облачные образования на линии визирования скачкообразно нарушают систематическое убывание углового градиента яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Такие изменения служат условием их обнаружения.

3. Степенной закон углового распределения яркости неба вблизи солнечного диска является основой коррекции наблюдательных данных с целью исключения погрешностей механической наводки фотометра в малые углы.

Научная новизна.

1. Впервые на основе расчетов яркости неба из уравнения переноса излучения в аэрозольной атмосфере и анализа результатов измерений яркости в идеализированных условиях разработаны методы отбора безоблачных ситуаций по мониторинговым данным. В их основу положены систематические изменения яркости неба и углового градиента яркости в зависимости от угла рассеяния.

2. Разработанные критерии применены в анализе наблюдательных данных AERONET в ряде пунктов земного шара.

3. Впервые на основе эмпирических закономерностей, полученных из измерений ореолов фотометрами с высокоточной наводкой в абсолютно безоблачных условиях предложены методы селекции и коррекции данных наблюдений яркости неба вблизи солнечного диска. Методы позволяют скорректировать данные по яркости, искаженные световыми бликами в оптическом тракте фотометров CIMEL при механической наводке с большой погрешностью.

Достоверность расчетных материалов диссертации обеспечена подбором оптимального времени счета фотонов при решении уравнения переноса излучения методом Монте-Карло. Точность вычислений яркости не хуже 1%. Экспериментальные данные, применяемые в разработке методов селекции и коррекции, получены в Астрофизическом институте АН Казахстана на фотометрах яркости неба с высокоточной оптической наводкой в абсолютно безоблачных условиях. Это обеспечило получение данных по угловому распределению яркости с погрешностью не более 1 — 2%. Степень достоверности и эффективности предложенных методов подтверждена прямыми наблюдениями облачности на метеостанциях юга Сибири.

Практическая значимость работы. Разработанные методы селекции и коррекции данных AERONET могут быть широко использованы для выбора безоблачных дней из представленного массива экспериментальных данных с целью последующего построения аэрозольных моделей атмосферы. Тем самым в существенной мере исключаются неопределенности в задании оптических параметров при решении уравнения переноса излучения. Последние чаще всего обусловлены неоднородным горизонтальным распределением аэрозоля либо наличием разрывной облачности на небосводе.

Публикации. Результаты настоящего исследования представлены в трех статьях и в 5 тезисах докладов на конференциях. Две статьи опубликованы в научном журнале, который входит в список ВАК для печати диссертационных материалов.

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались на Межрегиональном экологическом форуме (Барнаул, 2004 г.), XI Объединенном Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2004 г.), XI, XII и XIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2005 и 2006 г. г.), Пятой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Личный вклад автора заключается в предварительном анализе данных AERONET с целью исключения явных ошибок измерений. Выполнены модельные расчеты яркости и сопоставлены с данными наблюдений в абсолютно безоблачных условиях. На их основе разработаны методы селекции наблюдательных данных для случаев отсутствия информации о наличии облачности на небосводе. Предложен метод коррекции околосолнечных ореолов с целью исключения систематических погрешностей при механической наводке прибора в заданные углы. Разработанные методы использованы в анализе данных AERONET.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц, иллюстрируется 32 рисунками, содержит 8 таблиц. Список цитируемой литературы, включая работы автора, составляет 102 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработкам дополнительных независимых методов селекции и коррекции данных AERONET для отбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы. Поиск и соответствующие обоснования методов были в первую очередь продиктованы необходимостью объяснения больших значений вероятности выживания кванта, получаемых по используемым в NASA методикам из наблюдений яркости неба на фотометрах CI-MEL и представляемых в табличных данных AERONET. В ходе выполнения работы были достигнуты следующие результаты.

1. По опубликованным данным исследованы угловые зависимости яркости неба при наличии в атмосфере полидисперсных частиц, включающих ядра Айткена, субмикронную и грубодисперсную фракции. Для общепринятых параметров распределений констатировано отсутствие лепестковой структуры в угловой зависимости яркости при однократном рассеянии света.

2. Для суммарного рассеяния света выполнены расчеты компонент многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности при наличии в атмосфере двух фракций частиц: мелко — и грубодисперсных. В решении уравнения переноса излучения использован метод Монте-Карло. Расчеты однозначно свидетельствуют о том, что компонента многократного рассеяния описывается функцией, систематически убывающей с увеличением угла рассеяния от области ореола до минимума на углах рассеяния 90 -г 120°. Такая систематичность убывания может быть использована как критерий наличия облака на небосводе в передней полусфере. В задней полусфере, т. е. при углах рассеяния более 90 120°, функция яркости возрастает, и систематичность этого роста также может быть положена в основу обнаружения облака.

3. На основе расчетных данных показано, что с увеличением угла рассеяния также имеет место систематическое убывание углового градиента яркости. Нами он был обозначен, как «жесткий» критерий селекции, так как позволяет зафиксировать наличие в атмосфере малоконтрастных облачных образований. Таким образом, при контроле состояния атмосферы с целью обнаружения и последующего исключения облаков должны выполняться условия, обозначенные во втором и третьем пунктах.

4. С целью проверки предлагаемых критериев отбора безоблачных ситуаций, основанных на теории переноса излучения, выполнен детальный анализ наблюдений яркости в идеализированных условиях. Использовались данные наблюдений абсолютных индикатрис яркости, полученные сотрудниками Астрофизического института АН КазССР и Казахского педагогического института г. Алма-Аты на юго-востоке Казахстана и в г. Геленджике. Было исследовано свыше 150 угловых распределений, измеренных в 16 углах рассеяния. Для всех наблюдаемых индикатрис всегда выполнялось условие возрастания яркости с систематическим изменением угла рассеяния по обе стороны от ее минимума.

5. Проанализированы экспериментальные ряды аэрозольных индикатрис однократного рассеяния света в приземном слое воздуха в городе Алма-Ате. Пункты 2 и 3 выполняются для всех исследованных индикатрис в разных длинах волн в видимой области спектра. Это позволяет сделать вывод, что в безоблачной атмосфере вышеназванные условия выполняются практически всегда и для случаев наличия в атмосфере городского аэрозоля, поскольку при наблюдениях с поверхности земли яркость приземного слоя интегрируется с яркостью вышележащих слоев. Поэтому следует говорить об универсальности предлагаемых методик селекции для сильно отличающихся условий наблюдений.

6. Было проверено выполнение «жесткого» критерия — систематического убывания углового градиента яркости — применительно к плоскости солнечного вертикала. Вычисления углового градиента по измеренным яркостям абсолютно безоблачного неба на юго-востоке Казахстана со всей несомненностью показали, что в солнечном вертикале, также как и в альмукантарате, имеет место систематическое убьюание градиента яркости с увеличением угла рассеяния.

7. Дополнительным условием в отборе наблюдательных данных с целью их последующего объективного анализа на наличие безоблачных ситуаций является констатация факта однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальных направлениях. Согласно исследованиям сотрудников Астрофизического института Академии наук Казахстана в горах, степях и полупустынях нередко отмечаются абсолютно безоблачные дни с различием величин яркости слева и справа от солнечного диска в пределах 1 -3% на угловых расстояниях, равных или больших 10°. Этот экспериментальный факт является основой методики, используемой сотрудниками NASA для отбора безоблачных ситуаций.

8. Выполнен анализ состава и внутренней структуры файлов сети AERONET, содержащих угловые распределения яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Рассмотрены некоторые особенности файлов, которые необходимо учитывать при разработке программы селекции. Представлена блок-схема основного алгоритма селекции и описание пакета программ.

9. Выполнен предварительный анализ наблюдательных данных AERONET. Выбраны наблюдательные пункты, находящиеся в различных точках земного шара: в аридной местности, на океанских остовах, в континентальных точках, покрытых лесами, в городах Российской Федерации. Рассмотрены статистические спектральные характеристики контраста облачных образований на фоне безоблачного неба. Получены сведения о зависимости контраста от угла рассеяния, длины волны и климатической зоны. Исследованы виды функции распределения контраста по числу случаев измерений в разных ситуациях. Подготовлена база для сопоставления наблюдаемых значений яркости аэрозольных образований и локальных облаков с результатами расчетов, выполненных путем решения уравнения переноса излучения.

10. Исследованы результаты наблюдений яркости AERONET в альмукантарате Солнца с использованием разработанной методики. Данные проверялись на одновременную выполнимость условий пунктов 2, 3 и 7 при азимутах больше 3° и меньше 357°. Количество угловых распределений яркости, удовлетворяющих указанным условиям, оказалось ничтожно малым. Основной причиной этого следует считать отсутствие в фотометрах CIMEL оптического искателя при измерениях ореолов, а механическая установка прибора в направления с малыми углами рассеяния, симметрично расположенными относительно плоскости солнечного вертикала, не обеспечивает 5% -ной точности в согласовании яркостей слева и справа от Солнца. Показано, что исключение из селекции зоны ореола приводит к явному увеличению числа случаев, пригодных для последующего анализа.

11. Исследован вопрос об изменении средней величины вероятности выживания кванта по данным AERONET после проведения дополнительной селекции по предложенной методике. Оказалось, что эта величина практически не изменяется (остается высокой), что свидетельствует о необходимости глубокого изучения методики ее восстановления из наблюдений яркости неба.

12. Проанализированы сводные метеорологические данные о наличии общей облачности для юга Сибири более чем за сорокалетний период, предоставленные в наше распоряжение сотрудником ИВЭП СО РАН Г. С. Зин-ченко. Показано, что в данном регионе число дней с облачностью меньше 2 баллов составляет около 30% от общего числа наблюдений. Выполнен расчет повторяемости абсолютно безоблачных случаев (0 баллов) по городу Томску по отношению к числу ситуаций с облачностью 0−2 балла для всего региона. Из него следует, что не более чем в 22% зимой и в 13% осенью от числа регистрируемых ситуаций с облачностью 0−2 балла, экспериментальные данные по яркости неба могут быть применены к решению обратных задач по радиационным свойствам аэрозоля. Для выявления облаков на небосводе был осуществлен анализ результатов измерений яркости неба на фотометре.

CIMEL в Томске. В каждой серии наблюдений, занимающей несколько минут, одновременно анализировались данные для альмукантарата и вертикала Солнца на выполнимость условий пунктов 2 и 3. Сравнение ситуаций, которые после селекции были идентифицированы как безоблачные, с ситуациями абсолютно ясного неба на основе метеорологических данных показывает, что только 1,1% от общего числа изначально измеренных распределений в альмукантарате Солнца реально соответствует отсутствию облаков на небосводе.

13. Осуществлена селекция и коррекция данных измерений яркости AERONET на малых угловых расстояниях от Солнца (ореолов). В процессе анализа данных измерений яркости AERONET на малых угловых расстояниях от Солнца было сделано предположение, что возможными источниками ошибок в определениях яркости могут быть не только не полностью исключенные облака, но и погрешности наведения фотометра CIMEL в точки солнечного альмукантарата. Были использованы независимые экспериментальные данные наблюдений ореолов в абсолютно безоблачные дни, полученные на фотометрах дневного неба с высокоточной наводкой в заданные углы рассеяния. Предложены методические разработки, с помощью которых можно, предварительно проверив данные ореолов на выполнимость условий пунктов 2 и 3, осуществить последующую их коррекцию с целью исключения влияния систематических аппаратурных погрешностей на окончательные результаты. Это позволит более полноценно использовать наблюдательный материал.

Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору В. Е. Павлову за внимание и плодотворные дискуссии при обсуждении результатов в период выполнения работы.

Автор признателен к.ф.-м.н. Т. Б. Журавлевой за любезное предоставление программ по вычислениям яркости неба путем решения уравнения переноса методом Монте-Карло, к.ф.-м.н. С. В. Смирнову, обеспечившему получение использованных нами данных по облачности в г. Томске. Автор благодарен Г. С. Зинченко, выполнившей статистическую обработку метеорологических данных для юга Сибири.