Оптические характеристики облаков верхнего яруса и их связь с метеорологическими параметрами атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Насонов Сергей Владимирович

• Насонов Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Насонов Сергей Владимирович

Оглавление

Введение

ГЛАВА 1. ФИЗИКА ОБРАЗОВАНИЯ И СТРОЕНИЕ ОБЛАКОВ ВЕРХНЕГО ЯРУСА

1.1 Атмосферные процессы, приводящие к образованию ОВЯ

1.2 Метеорологическая обстановка на высотах ОВЯ

1.3 Микроструктура ОВЯ

1.4 Ориентация кристаллов в облаках

1.5 Методы исследования микроструктуры облаков верхнего яруса: контактные и бесконтактные

Выводы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И МИКРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИСТЫХ ОБЛАКОВ НА ВЫСОТНОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОМ ЛИДАЕРЕ ТГУ

2.1 Описание и характеристики установки

2.2 Метод лазерного поляризационного зондирования

2.3 Погрешности возникающие при расчёте элементов МОРС

2.4 Сезонные изменения пространственной структуры наблюдаемых облаков

2.5 Высотные профили элементов МОРС перистых облаков и метеорологические условия на высотах их наблюдения

2.6 Результаты наблюдений зеркально отражающих слоёв облаков верхнего яруса, образованных преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости кристаллическими частицами

Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ОРИЕНТАЦИЮ КРИСТАЛЛОВ ПЕРИСТЫХ ОБЛАКОВ

3.1 Механизмы ориентации кристаллических частиц облаков верхнего яруса

3.2 Лазерный корреляционный метод определения скорости и направления перемещения облаков

3.3 Скорость и направление ветра на высотах наблюдаемых облаков

3.4 Определение скорости и направления перемещения облаков верхнего яруса с использованием лидара и цифровой фотокамеры

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические характеристики облаков верхнего яруса и их связь с метеорологическими параметрами атмосферы»

Введение

Актуальность. Облака верхнего яруса (ОВЯ) известны как один из важных регуляторов радиационного баланса в системе земной атмосферы [1-4]. ОВЯ - тонкие полупрозрачные облака в виде перьев, волн или вуали, расположенные на высотах 6-12км в средних широтах. Состоят такие облака преимущественно из ледяных частиц с геометрическими размерами, изменяющимися в широком диапазоне от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров [5]. ОВЯ в высоких широтах редко превышают высоту 8км, в то время как в тропиках иногда достигают 18км. Облака верхнего яруса могут иметь горизонтальную протяженность тысячи километров и покрывать до 30% земной поверхности, поэтому они в значительной степени влияют на пропускание солнечной радиации [6]. Время жизни изменяется от нескольких часов до суток. Как правило, оптически толстые облака существуют в атмосфере в течение 3-5 часов и распадаются из-за турбулентности, в то время как тонкие имеют время жизни от нескольких часов до нескольких дней [7].

Различают следующие виды ОВЯ [5,7]: перистые (Cirrus, Ci) - отдельные, белые, очень тонкие и прозрачные облака волокнистой структуры; перисто-кучевые (Cirro-cumulus, Cc) -слой облаков, тонких и просвечивающих, как перистые, но состоящие из отдельных хлопьев, шариков или параллельных волн; и перисто-слоистые (Cirro-stratus, Cs) - тонкий просвечивающий беловатый покров, сквозь который отчетливо видны диски Солнца и Луны, либо волокнистый, либо однородный. Перистые облака являются наиболее распространённой формой облаков верхнего яруса. Для помощи при классификации наблюдаемых на небе облаков существуют специальные наставления и атласы фотографий облаков.

Кристаллические облака могут, как отражать приходящее солнечное излучение, что приводит к охлаждению поверхности Земли, так и быть причиной парникового эффекта, выступая «экраном», противостоящим уходу тепла в космос [8,9]. Даже при небольшой оптической толщине (т = 0,1^0,2) ОВЯ могут изменять альбедо системы Земля-атмосфера до 5% [10]. Прогнозирование радиационных свойств ОВЯ до сих пор остаётся проблематичным. Из-за большой высоты кристаллических облаков, непосредственное измерение их характеристик представляет сложность. Такие облака часто бывают закрыты для наблюдения с Земли облаками нижних ярусов. Особенно малоизвестно о перистых облаках над обоими полюсами и в тропиках из-за их труднодоступности. Сложная и разнообразная геометрия частиц, связанная с многообразием условий их формирования в атмосфере, не позволяет применить строгие методы расчёта оптических характеристик кристаллических облаков (например, коэффициентов рассеяния, поглощения и индикатрисы рассеяния), что является

причиной использования различного рода приближенных подходов. Кроме того, одной из главных нерешённых до сих пор в полной мере проблем является оптическая анизотропия кристаллических облаков, вызванная пространственной ориентацией ледяных частиц. Факт наличия ориентации кристаллов в горизонтальной плоскости оказывает существенное влияние на пропускание и рассеяние излучения. Однако непосредственное экспериментальное определение ориентации несферических частиц в облаках было затруднено из-за отсутствия доступных инструментальных методов.

Систематическое изучение ОВЯ началось в конце Х1Хв., в период проведения Международного облачного года 1896-1897гг. [11,12] Тогда были получены сведения о повторяемости и высоте нижней границы перистых облаков. С появлением в 50-60-х годах прошлого столетия самолётов, трассы которых проходили в верхней тропосфере и нижней стратосфере, произошёл мощный скачок в исследованиях ОВЯ. Настоящим прорывом в развитии методов исследования характеристик облачности надо считать использование лазеров. Уже в начале 70-х появились первые работы по лазерному зондированию, в которых использовался эффект поляризации света [13-18]. Лазерное поляризационное зондирование является практически единственным инструментом для получения информации об ориентации кристаллов в облаках. Сведения о микроструктуре облаков можно получить в ходе анализа поляризационных характеристик рассеянного назад аэрозолем излучения, которые определяют элементы матрицы обратного рассеяния света (МОРС). МОРС несёт в себе всю информацию о рассеивающей среде, в том числе о состоянии ориентации частиц. Однако практически все существующие поляризационные лидары ограничиваются определением только одного параметра - деполяризационного отношения. Экспериментальные исследования, проводимые на уникальном высотном поляризационном лидаре Томского государственного университета, позволяют определять все 16 компонентов матрицы обратного рассеяния, что существенно повышает информативность измерений.

Таким образом, задача разработки микрофизической модели ОВЯ, учитывающей наличие пространственно ориентированных ледяных микрочастиц, с полным описанием их свойств с изменением во времени и пространстве является актуальной.

В связи с вышесказанным цель диссертационной работы заключалось в экспериментальных исследованиях высотных профилей элементов матрицы обратного рассеяния света облаков верхнего яруса и оценке метеорологических условий в атмосфере, способствующих образованию в облаках слоёв кристаллических частиц, преимущественно ориентированных в пространстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- накопление и систематизация экспериментальных данных о высотных профилях элементов МОРС облаков верхнего яруса, полученных в различные сезоны года (за 2010-2013гг.), а также выделение из всего массива экспериментальных данных облаков, содержащих преимущественно ориентированные кристаллические частицы;

- анализ информации о высотном распределении значений метеорологических характеристик атмосферы вблизи точки наблюдения и оценка совокупности характерных значений метеопараметров, при которых формируются облака с преимущественно ориентированными кристаллическими частицами;

- изучение физических механизмов оказывающих влияние на ориентацию несферических частиц ОВЯ, оценка их значимости на процесс ориентации частиц и разработка метода и инструментальных средств для определения скорости ветра на нижней границе ОВЯ;

- проведение экспериментов по одновременному измерению поляризационных характеристик облаков и скорости воздушных потоков на высотах наблюдаемой облачности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Количество облаков верхнего яруса наблюдаемых в 2010-2013гг. над Томском с сильной ориентацией частиц в горизонтальной плоскости (-1<т44<-0,8), существенной (-0,8<m44<-0,1) и слабой (-0,1<m44<1) значительно изменяется от сезона к сезону. Вариации относительной доли каждого из 3-х видов облаков верхнего яруса доходят до 82% от всех наблюдений.

2. Выделено три атмосферных ситуации, при которых формируются облака с аномальным обратным рассеянием:

- при понижении относительной влажности на 10-30% за время наблюдений (12 часов) образуются оптически тонкие облака, характеризующиеся одновременно оптической толщей т<0,2 и отношением рассеяния R(h)>50;

- при возрастании относительной влажности на 10-30% за время наблюдений (12 часов) образуются облака средней толщины, характеризующиеся одновременно оптической толщей 0,1<т<0,4 и отношением рассеяния 10^^)<30;

- в условиях, когда относительная влажность изменяется не существенно (менее чем на 10%) за время наблюдений (12 часов) образуются оптически плотные облака, характеризующиеся одновременно оптической толщей т>0,5 и отношением рассеяния R(h)<30.

3. Разработанный способ лазерного дистанционного измерения горизонтальной скорости и направления перемещения облачного аэрозоля под действием ветра, основанный на анализе смещения изображений рельефа подсвечиваемых лазерным пучком неоднородностей нижней границы облачности позволяет исследовать влияние пульсаций скорости ветра на азимутальную ориентацию кристаллов облаков.

Научная новизна работы. Впервые получена в результате статистической обработки экспериментальных данных количественная информация о сезонной изменчивости степени ориентации в горизонтальной плоскости кристаллических частиц облаков верхнего яруса.

Высотным профилям элементов МОРС полученным для облаков, содержащих ансамбли горизонтально ориентированных частиц, впервые сопоставлены данные о метеорологических параметрах атмосферы на высотах ОВЯ и определены характерные условия их формирования.

Разработан новый способ определения скорости и направления перемещения облаков, суть которого заключается в регистрации изображений рельефа подсвечиваемых лазерным пучком неоднородностей нижней границы облачности, с последующим анализом смещения полученных изображений.

Впервые проведены эксперименты по одновременному измерению оптических характеристик облаков и скорости воздушных потоков на высотах их наблюдения, с использованием цифровой фотоаппаратуры и лидара.

Научная и практическая значимость. Результаты проведенных исследований будут положены в основу построения микрофизической модели, позволяющей прогнозировать присутствие ориентированных частиц в облаках верхнего яруса по совокупности измеряемых метеорологических параметров атмосферы на высоте формирования облачности. Полученные в работе данные позволят повысить точность расчётов радиационных потоков в атмосфере, что в свою очередь будет способствовать повышению точности прогнозов погоды.

Методика и полученные в диссертации результаты могут быть использованы в качестве основы для проектирования и построения лидаров для мониторинга ОВЯ.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы при выполнении:

• грантов РФФИ №08-05-13544-офи_ц, № 11-05-01200а, № 12-05-00675-а.

• Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Проведение исследований в области рационального природопользования с использование уникальных установок (мероприятие 1.8 Программы) - госконтракты: №02.518.11.7156 от 8 июня 2009г., №02.518.11.7075 от 11 апреля 2007г., №16.518.11.7048 от 12 мая 2011 г., №14.518.11.7053 от 20 июля 2012 г.

• Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» государственный контракт №П264 и соглашение №14.В37.21.0612.

• Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», проекты №2.1.1/6939 и №2.1.1/13333.

Также результаты были задействованы в учебном процессе кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования ТГУ.

Достоверность результатов работы определяется:

- статистической обеспеченностью полученных экспериментальных данных, а также согласием с результатами полученными другими авторами в схожих условиях;

- предварительной калибровкой метода лазерного поляризационного зондирования на участках трассы, где преобладает молекулярное рассеяние (R(h) ~ 1) и совпадением в пределах допустимых погрешностей полученных МОРС с теоретически рассчитанными;

- проведением оценок погрешностей в определении элементов МОРС и исключением из анализа матриц, которые слишком отягощены ошибками (более 5%);

- решением экспертизы «Роспатента» о выдаче патента на изобретение.

Личный вклад автора. Автор сделал сравнительный анализ используемых методик и полученных результатов отечественных и зарубежных авторов по лазерному поляризационному зондированию, осуществлял текущее планирование и проводил эксперименты на высотном поляризационном лидаре ТГУ, обрабатывал полученные экспериментальные данные и делал расчёты МОРС. Проводил анализ экспериментально полученных МОРС и сопоставление их с метеоусловиями на высотах образования ОВЯ, совместно с руководителем формулировал основные выводы и результаты.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, из которых 3 в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 4 статьи в сборниках материалов международных конференций, включенных в Web of Science. Получен патент РФ на изобретение.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Шестой конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2009г.), Молодежной научной конференции в рамках Первого Томского Фестиваля науки (Томск, 2009г.), Четвертой всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009г.), 3-й, 4-й и 5-й Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы радиофизики (Томск, 2010г., 2012г. и 2013г.), XVII, XVIII и X Рабочей группе «Аэрозоли Сибири», (Томск, 2010-2012гг.), VIII Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2010г.), XIX Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии -2011» (п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, 2011г.), XVII и XX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011г., Новосибирск, 2014г.).

Высотный поляризационный лидар ТГУ отмечен Большой золотой медалью и диплом 7-й международной биотехнологической форум-выставки «РосБиоТех-2013», руководитель Самохвалов И.В.; в составе авторского коллектива: Кауль Б.В., Волков С.Н., Брюханова В.В.,

Кириллов Н.С., Насонов С.В., Соковых О.А., Дорошкевич А.А., Стыкон А.П., Животенюк И.В. Также коллектив авторов Самохвалов И.В., Насонов С.В., Стыкон А.П., Животенюк И.В., Брюханов И.Д. награждён дипломами Второй и Третьей международных выставок «Радиофизика и электроника. РиЭ-2013» и «Радиофизика и электроника. РиЭ-2014» за лучшую разработку «Высотный поляризационный лидар» .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 120 наименований цитируемой литературы. Общий объём диссертации включает в себя 54 иллюстрации, 35 таблиц и составляет 114 машинописных страниц.

ГЛАВА 1. ФИЗИКА ОБРАЗОВАНИЯ И СТРОЕНИЕ ОБЛАКОВ ВЕРХНЕГО ЯРУСА 1.1 Атмосферные процессы, приводящие к образованию ОВЯ

В атмосфере относительная влажность у поверхности Земли чаще всего составляет 6080%, уменьшаясь к тропопаузе в 2-3 раза. Для образования облаков необходим локальный рост относительной влажности, в результате которого в той или иной части атмосферы произошло бы насыщение воздуха водяным паром. Необходимо и наличие в зоне насыщения достаточного количества ядер конденсации или ядер льдообразования (при отрицательных температурах).

ОВЯ формируются в верхней тропосфере при значительных контрастах температуры и влажности, упорядоченном подъёме и адиабатическом охлаждении воздуха, а также при турбулентном обмене [19]. Описанные условия возникают при фронтальных процессах, (особенно вблизи центра циклона) и активной конвекции, когда наблюдаются восходящие движения в верхней тропосфере. Многообразие видов облаков верхнего яруса обусловлено различными сочетаниями указанных процессов. В циклонах ОВЯ наблюдаются всегда, велика их вероятность на атмосферных фронтах, в однородных воздушных массах они бывают реже (чаще в тёплой воздушной массе, нежели в холодной). Наиболее часто ОВЯ образуются в зоне тёплых фронтов в верхней тропосфере, под тропопаузой.

Количество (балл) облаков или степень покрытия небосвода также зависит от условий их формирования. Облачность в 9-10 баллов наблюдается над центральными и передними частями развивающихся циклонов [5]. По мере удаления от центров циклонов на 500-700км, а также над «старыми» заполняющимися циклонами количество облаков верхнего яруса уменьшается до 59 баллов. Над антициклонами их количество обычно не превышает 3-7 баллов.

Что касается условий формирования различных форм ОВЯ, то перистые облака чаще всего наблюдаются в тропосфере в виде отдельного слоя расположенного немного ниже тропопаузы [20]. Как правило, это часть крупномасштабной облачной системы тёплого или холодного фронта, но иногда существуют самостоятельно. При разрушении облачных систем в заполняющихся циклонах или при адвекции более сухого воздуха перистые облака сохраняются дольше других, в том числе и вдали от прежнего центра низкого давления. Облака перисто-слоистых форм чаще связаны с тёплыми фронтами, чем с холодными, и, так же как и тёплые фронты, наблюдаются чаще зимой, чем летом. Перисто-кучевые облака - облака воздушных волн или конвективных ячеек в верхней тропосфере. Они находятся на большой высоте, как и перистые, несколько ниже тропопаузы. Эта форма облаков наблюдается довольно редко. Иногда они образуются в подветренных воздушных волнах над горами.

Существенное влияние на формирование, сохранение и распад ОВЯ, а также на перенос в другие районы оказывает ветер. При образовании в атмосфере ОВЯ необходима активная адвекция влаги. Скорость ветра при наличии облаков может изменяться в широких пределах: от 20 до 200км/ч и более, в отдельных случаях может достигать 300км/ч. Помимо этого, в верхней тропосфере и нижней стратосфере может иметь место повышенная турбулентность. Горизонтальная протяжённость турбулентных зон изменяется от нескольких километров до 400-500км, но в среднем составляет 60-80км.

Исследования оптических свойств перистых облаков проводились в различных регионах Земного шара. Например, в [21,22] приведён анализ данных полученных в ходе экспериментов по наблюдению за ОВЯ над Чунг-Ли (Тайвань), за период с 1999 по 2006гг. Авторы демонстрируют в работах основные физические и оптические характеристики облаков, связанные с их условиями образования в данном регионе. Согласно проведённым измерениям около 70% наблюдаемых облаков расположенных выше 15 км - не различимы глазом (оптическая толща т<0,03). «Холодные» облака, температура которых ниже -65°С, оптически более тонкие - т<0,1 и с уменьшением температуры оптическая толща уменьшается.

В последние годы интенсивные исследования по изучению оптических характеристик ОВЯ и условий их формирования проводятся в тропиках [23-25]. Условия ниже тропической тропопаузы благоприятны для образования перистых облаков. Высота верхней границы облаков в этом регионе иногда доходит до 18км, достигая тропопаузы, а толщина составляет 0,5-4,2км. Причём в тропических облаках температурный режим и фазовое строение несколько иные, чем например, для средних широт. Облака в тропиках плотнее и нередко содержат капли, т.е. имеют смешанный фазовый состав. Температура в верхней части облака до -60° до -64°С Размер частиц изменяется от ~15 мкм на верхней границе облака, до 100 мкм в нескольких километрах ниже вершины. При этом в тропиках, возможны сильные восходящие потоки, возле центра конвекции, которые могут перемещать крупные частицы в верхнюю часть облака, что в средних широтах наблюдается редко.

Авторы работы [25] классифицировали облака возле тропической тропопаузы по их оптической толще (для длины волны 0,69мкм): т<0,03 - облака невидимые для глаза, 0,03<т<0,3 - тонкие (голубоватые), более 0,3 - непрозрачные (плотные) и т >3 непроницаемые.

В [26] исследованы два основных механизма образования тропических перистых облаков: во-первых, в результате распада кучево-дождевых облаков (наковален), которые приносят в верхнюю тропосферу большое количество воды, позволяя образоваться тонким слоям кристаллических частиц, во-вторых, образование кристаллов связанное с масштабными восходящими потоками. Причём оптически толстые облака наблюдаются преимущественно после грозы, тонкие - ясными ночами, не предшествуя грозе.

Большая работа по изучению ОВЯ была проделана американской научной группой под руководством К. Сассена [27,28]. Лидарные наблюдения проводились в Солт-Лейк-Сити, штат Юта, США в рамках программы «Facility for Atmospheric Remote Sensing». Авторами накоплен массив данных о микро- и макроскопических характеристиках ОВЯ за 10 летний период наблюдений. Для наблюдаемых в этом регионе облаков среднее значение высоты нижней границы составило 8,79км, верхней границы 11,2км, вертикальная протяженность 1,81км, температура на нижней границы -34,4°С, на верхней -53,9°С, скорость ветра соответственно 16,4 и 20,2м/с, направление 276,3° и 275,7°. Оптическая толща т<0,3 для практически 50% случаев.

Устойчивые конденсационные следы за самолётами нередко являются причиной начальной стадии образования перистых облаков [29]. Облако образуется при выбрасывании в атмосферу водяного пара и продуктов сгорания топлива самолёта, если при этом воздух на данной высоте близок к насыщению. В конденсационных следах может наблюдаться явление гало [30].

1.2 Метеорологическая обстановка на высотах ОВЯ

Скорость движения воздуха и взвешенных в нем частиц может сильно меняться в пространстве и во времени. В верхней тропосфере и нижней стратосфере в облаках и вне их может иметь место повышенная турбулентность. Турбулентность атмосферы имеет «пятнистую» структуру: чередуются локальные возмущения и спокойные участки.

Индийскими учёными с использованием MST радара (Mesosphere-Stratosphere-Troposphere) с частотой 53МГц изучалась турбулентность на высотах наблюдения ОВЯ [23]. По Доплеровскому сдвигу частоты определяют усредненный вертикальный профиль скорости ветра.

В результате их исследований было обнаружено наличие участков с повышенной турбулентностью на высотах перистых облаков (рисунок 1.1). В безоблачной атмосфере турбулентность заметно слабее.

Рисунок 1.1 - Турбулентность на высотах наблюдения облаков [23]. Усреднение за месяц

На рисунке обозначены е - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности, т.е. энергия, теряемая единицей массы воздуха за единицу времени (связана со спектром пульсаций компонент скорости ветра), Кт - коэффициент турбулентности. Область ниже тропопаузы на высотах 10-12,5км высоко турбулентная. Это свидетельствует о наличие благоприятных условий для прироста количества аэрозоля и водяного пара и формирования перистых облаков. При этом низкая температура тропопаузы может символизировать о сильной вертикальной конвекции в тропосфере, которая доходит до высоты тропопаузы. Вследствие чего пресыщение приводит к образованию облаков, располагающихся на больших высотах под тропопаузой. И наоборот, если конвекция очень слабая, тропопауза формируется на низких высотах и менее холодная.

О пространственной структуре турбулентности в облаках различных форм можно судить по таблице 1. 1.

Таблица 1. 1

Средняя протяженность турбулентных (/) и спокойных (I) зон в облаках различных форм [5]

Форма облаков

Л8-С8 №-Л8 Л8 С8 N8-80 8о Ло

(высоко- (слоисто- (высоко- (перисто- (слоисто- (слоисто- (высоко-

кучевые - дождевые - кучевые) слоистые) дождевые- кучевые) кучевые)

перисто- высоко- слоисто-

слоистые) кучевые) кучевые)

1, км 20 20 20 30 20 20 20

I, км 60 70 30 30 10 10 10

Средняя протяженность турбулентных и спокойных участков, как видно из таблицы, составляет десятки километров.

В турбулентных зонах вертикальная компонента скорости ветра колеблется вокруг среднего нулевого значения. Горизонтальная (или продольная) компонента колеблется вокруг некоторого среднего значения компоненты скорости ветра в данном направлении. Если рассматривать индивидуальный турбулентный участок, то характеристики пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра обычно не совпадают с характеристиками пульсаций горизонтальной компоненты. Иными словами, на некоторых участках в атмосфере наблюдается определенная анизотропия турбулентности [5].

Температура воздуха на границах ОВЯ колеблется в широких пределах. Температура на нижней границе облаков в умеренных широтах в основном заключена в пределах -30^-50°С, причём на интервал -35^-45°С приходится до 40% всех случаев. Ближе к экватору максимальная повторяемость приходится на интервал температуры -45^-55°С (около 50%). Температура верхней границы в средних широтах приходится на интервал -45^-55°С (около 40%). Изменения средней температуры имеют чётко выраженный годовой ход с минимумом зимой и максимумом летом. К примеру, различие между средней температурой на верхней границе и нижней на северо-западе европейской части России составляют 12-15°С, в других регионах нашей страны от 5-7 до 10°С [5].

Кристаллические облака имеют водность или лёдность (количество воды в твердой фазе, содержащейся в единичном объёме облака) значительно меньшую, чем капельные. Как

3 3

правило, водность кристаллических облаков менее 0,05 г/м . Водность более 0,2 г/м в таких облаках отмечается крайне редко [20].

Водность облаков зависит от многих факторов и не остается постоянной даже в одном и том же облаке. Если по горизонтали колебания водности можно назвать случайными, то по вертикали в среднем может проявляется определенная закономерность изменения водности.

Измерения водности ОВЯ в исследованиях ЦАО показали, что она может изменяться в

3 3

пределах от 0,002 до 2г/м . Среднее значение водности составляет 0,01г/м . Измерения водности в работе Хеймсфилда [31] для перисто-слоистых облаков показали значения обычно не превосходящие 0,02.. ,0,03г/ м .

1.2 Микроструктура ОВЯ

Как известно облака в атмосфере могут быть капельными, кристаллическими и смешанными, т.е. состоять одновременно из капель и кристаллов. Впервые обстоятельные измерения размеров облачных кристаллов и определения их формы, выполненные

непосредственно в облаках, относятся к концу 40-х годов прошлого столетия. Тогда была установлена связь формы кристаллов с температурой при образовании облаков, однако роль пресыщения в этом процессе была не изучена.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Насонов Сергей Владимирович, 2015 год

- 1

-

V ■ ■

6 8 10 Высота, км

12

14

Рисунок 2.6 - Вертикальный профиль интенсивности обратно рассеянного излучения Утром 6 июня уровень фона начал возрастать и в 05:08 уже имел значение 267 фотоотсчётов (рисунок 2.7).

3000

2500

« 2000

= 1500 ■§■

3 юоо

{Г

500

• • --- -'- ----- —

•

-б июня 2012г. 05:08

■

1

А

■ • ■

■ ■ ■ ■

6 8 10 Высо 1 а, км

12

14

Рисунок 2.7 - Вертикальный профиль интенсивности обратно рассеянного излучения Эти примеры экспериментальных профилей демонстрируют, что уровень фона варьируется в большом диапазоне, что соответственно необходимо учитывать при последующем анализе данных.

Отметим также, что рассчитываемые МОРС содержат суммарную информацию о смеси молекул воздуха и частицах облачного аэрозоля. Поэтому для того чтобы МОРС можно было отнести к облачным частицам необходимо учитывать вклад молекулярного рассеяния [86].

Понятно, что если отношение рассеяния, определяется как отношение суммы коэффициентов молекулярного и аэрозольного обратного рассеяния к коэффициенту молекулярного обратного рассеяния [88,89] много больше единицы ^(Ь)>>1, то молекулярное рассеяние мало, по сравнению с аэрозольным. Расчёт МОРС из экспериментальных данных проводится только для того участка атмосферы, где Я(И) имел значения не меньше чем 1,25 (т.к. Я(И) = 1,22 -молекулярное рассеяние).

Уменьшение времени полного цикла измерений МОРС, предварительная калибровка лидара, а также обработка получаемых экспериментальных данных позволяют существенно повысить точность проводимых измерений.

На рисунке 2.8 приведён пример высотных профилей интенсивности обратного рассеяния излучения полученных 4 января 2013 г. (местное время 16:38-16:52). Продолжительность серии составляет ~14 мин, что соответствует накоплению по 500 импульсам лазера. По оси х обозначена высота в километрах, по оси у - суммарное количество одноэлектронных импульсов, приходящих с соответствующей высоты и накопленных системой регистрации. Справа приведено пояснение к каждому профилю: Si - состояние поляризации зондирующего излучения характеризуется нормированным вектором Стокса, Gj - приборный вектор приёмной системы лидара, характеризующий совокупное действие поляризационных приборов в приёмном канале.

Рисунок 2.8 - Вертикальные профили интенсивности обратно рассеянного излучения. 4 января

2013г. Местное время 16:38-16:52

Из рисунка 2.8 видно, что на высотах 8-10км наблюдается всплеск интенсивности сигнала,

обусловленный наличием облачного слоя.

Ниже представлены МОРС, для «чистой» безоблачной атмосферы на участках трассы до и

после облака:

Ыл (5,1 - 7,2км)

1 -0.01 0.00 0.02

-0.01 0.97 0.07 -0.06

0.00 0.07 -0.98 0.06

0.02 0.04 -0.01 -0.93

1 0.02 -0.08 0.06

0.02 0.98 0.09 0.07

0.08 0.07 -0.93 -0.01

0.06 -0.08 0.07 -0.91

Матрицы имеют диагональный вид в пределах погрешностей (погрешность измерений не превышает 7-8%), подтверждая тем самым что, с использованием данной аппаратуры и методики возможно определение МОРС с приемлемой точностью. Далее приведена МОРС для облака:

Полученная МОРС отлична от матриц для безоблачной атмосферы, что позволяет сделать предположение о наличии несферических частиц в наблюдаемом облаке. Более подробный анализ соотношений элементов матриц и интерпретация экспериментальных данных представлены далее, в разделах 2.4-2.6.

На сегодняшний день накоплен и обработан массив данных, полученных при проведении экспериментов на поляризационном лидаре Томского государственного университета в 20102013 гг. Анализ результатов систематически проводимых измерений параметров кристаллических облаков, позволит значительно расширить наше представление о радиационных свойствах облаков верхнего яруса, выделить характерные особенности в условиях формирования кристаллических облаков, высказать предположения о составе и форме кристаллических частиц, ориентированности ансамбля кристаллических частиц в пространстве.

2.4 Сезонные изменения пространственной структуры наблюдаемых облаков

Как известно образование и эволюция облаков определяются физическими процессами, протекающими в окружающий атмосфере. При этом облака в свою очередь сильно влияют на пропускание излучения в атмосфере, выполняя функцию регулятора радиационных процессов. Для каждого региона в зависимости от сезона ОВЯ имеют свои особенности и зависят от преобладающих синоптических условий. Для образования облаков необходим локальный рост

Ыл (8,4 - 9,7км)

1 -0.01 0.06 0.04

-0.01 0.71 0.05 -0.10

-0.06 0.05 -0.64 0.02

0.04 0.01 -0.04 -0.38

относительной влажности, в результате которого в той или иной части атмосферы произошло бы насыщение воздуха водяным паром. Также необходимо наличие в зоне насыщения достаточного количества ядер конденсации или ядер льдообразования (при отрицательных температурах).

Для Томска характерен континентально-циклонический тип климата (переходный от европейского умеренно континентального к сибирскому, резко континентальному) [90]. Среднегодовая температура составляет 0,9°С. Безморозный период примерно 110-120 дней. Зима суровая и продолжительная, минимальная зарегистрированная температура -55°С наблюдалась в январе 1931 года. Максимальная зарегистрированная температура +37,7°С в июле 2004. Средняя температура января: -17,1°С, средняя температура июля: +18,7°С. В конце января и февраля бывают кратковременные оттепели до +3°С, которые приносятся с циклонами из северной Атлантики. Смена сезонов происходит достаточно быстро, но иногда наблюдаются возвраты к холодам или оттепелям. Среднегодовое количество осадков - 568мм. Основная их часть выпадает в теплый период года. Средняя скорость ветра 1,6 м/с, но в начале весны часто дуют сильные ветра с порывами до 30м/с, это вызвано частой сменой циклонов и антициклонов и соответственно перепадами давления. Преобладают ветры юго-западного и южного направлений - около 50%.

Для изучения облаков лидарные исследования предоставляют широкие возможности. В ходе экспериментов по лазерному поляризационному зондированию ОВЯ был накоплен и обработан статистически значимый массив экспериментальных данных, в том числе рассчитаны матрицы обратного рассеяния.

Годовой ход (по сезонам) высоты нижней и верхней границы, а также вертикальной протяженности кристаллических облаков над Томском за период 2010-2013 гг. приведены ниже в таблице 2.3. Эксперименты проводились при условии отсутствия закрывающей облачности нижних ярусов.

Высота облаков верхнего яруса изменяется в широких пределах и зависит от сезона наблюдений. Полученные средние значения высот нижней границы ОВЯ над Томском изменяются около 6670-7930м зимой и 7970-9500м летом, верхней границы 7550-8630м зимой и 8770-10200м летом. Вертикальная протяженность облаков над местом наблюдения существенно изменялась - 510-1610м. Минимальное пространственное разрешение составляло 37,5м. Иногда облака имели многослойную структуру по вертикали, расслаиваясь на отдельные части различной толщины, разделенные между собой безоблачной атмосферой. Изменение высоты и толщины в широких пределах объясняется большим разнообразием физических процессов, о которых говорилось в главе 1 данной диссертации, обуславливающих формирования ОВЯ.

Таблица 2.3

Усредненные вертикальная протяженность (толщина) и высота ОВЯ в 2010-2013 гг._

Характеристика Время года

2010г.

Зима Весна Лето Осень

Граница НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО

Высота, км 7,55 8,57 7,91 9,16 7,97 8,89 9,52 10,55

Толщина, м 1200 1240 920 1040

2011г.

Граница НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО

Высота, км 6,67 7,55 9,54 10,42 9,69 10,20 8,54 9,59

Толщина, м 880 880 510 1060

2012г.

Граница НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО

Высота, км 7,93 8,63 7,34 8,23 9,50 10,03 8,47 8,97

Толщина, м 700 890 520 500

2013г.

Граница НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО НГО ВГО

Высота, км 6,83 7,78 8,66 9,44 7,99 8,77 9,04 10,65

Толщина, м 960 770 790 1610

Для анализа метеорологической ситуации на высоте наблюдаемой облачности привлечена информация о вертикальной стратификации (вблизи точки наблюдения) давления, температуры, направления и модуля скорости ветра, и других метеовеличин. С этой целью использовалась база данных Вайомингского университета (США) [91], откуда были выбраны наиболее близко расположенные станции измерения, находящиеся в Новосибирске (~250км на юго-запад от места наблюдений) и Колпашево (~240км на север от места наблюдений). Следует отметить, что несмотря на то, что расстояние между станциями около 500км, на высотах вблизи тропопаузы метеорологическая ситуация обычно примерно одинакова.

В таблице 2.4 ниже представлены сезонные изменения средних значений метеовеличин на высотах нижней и верхней границ наблюдаемых облаков (со станций в Новосибирске и в Колпашево).

Диапазон изменения температуры на границах ОВЯ весьма широк. На нижней границе ОВЯ температура изменяется (-43,7--53,4)°С зимой и (-29,9--46,8)°С летом, на верхней границе: (-51,0—-59,7)°С зимой и (-37,0--49,8)°С летом. Значения относительной влажности воздуха на нижней границе относятся к (45,6-60,5)% зимой и (32,3--48,0)% летом, на верхней границе: (46,6-60,2)% зимой и (32,8--48,3)°С летом. Преобладающее направление ветра -западное, значение скорости ветра - 10-20м/с.

Таблица 2.4

Сезонные изменения средних значений метеовеличин на высотах наблюдаемых облаков (со _станций в Новосибирске и в Колпашево) [91]_

Сезон Нижняя граница облака Верхняя граница облака

Т, °С TDWP, °С Я, % D, ° S, м/с Т, °С TDWP, °С Я, % D, ° 5", м/с

2010г.

Зима -53,4 -57,8 60,5 250,3 14,1 -59,7 -63,8 60,2 255,0 16,7

Весна -38,0 -46,8 43,3 263,4 20,4 -47,3 -53,7 50,5 265,0 24,2

Лето -29,9 -40,6 37,6 239,6 9,9 -37,0 -47,2 37,1 222,9 9,9

Осень -53,2 -58,1 55,4 285,8 21,9 -57,9 -62,9 54,8 285,3 22,1

2011г.

Зима -43,7 -49,1 56,7 210,4 17,4 -51,0 -56,2 55,7 212,3 20,5

Весна -51,8 -59,8 39,6 241,8 14,6 -56,7 -64,2 40,4 240,7 15,3

Лето -46,8 -53,1 48,0 255,7 10,6 -49,8 -55,9 48,3 266,9 10,7

Осень -44,3 -53,6 37,9 195,7 16,8 -51,8 -60,4 37,5 183,5 18,3

2012г.

Зима -52,8 -59,8 47,3 266,5 13,0 -57,5 -64,5 46,6 264,9 14,0

Весна -45,4 -53,0 45,6 279,6 20,3 -49,4 -56,1 48,6 269,5 20,2

Лето -39,4 -50,3 32,3 214,1 11,0 -44,6 -54,7 32,8 225,9 10,7

Осень -39,5 -47,3 46,8 184,2 21,0 -43,8 -51,1 47,3 183,2 21,4

2013г.

Зима -45,7 -50,3 56,1 253,5 14,9 -52,4 -57,7 54,9 252,1 15,3

Весна -50,5 -58,6 50,5 283,7 29,9 -55,2 -63,1 49,2 284,7 30,5

Лето -32,5 -40,8 45,8 193,5 12,3 -38,8 -46,1 46,5 199,4 13,4

Осень -45,5 -52,0 47,1 230,9 20,2 -57,3 -63,8 45,0 245,3 21,8

Ниже приведены гистограммы годового распределения относительной влажности, температуры и точки росы на высотах ОВЯ (за период 2010-2012гг.):

60 70

Относительная влажность, °о

Рисунок 2.9 - Метеоданные на высоте наблюдаемых облаков верхнего яруса в 2010г.

Точка росы. "С Точка росы. °С

Рисунок 2.9 - Метеоданные на высоте наблюдаемых облаков верхнего яруса в 2010г.

(продолжение)

По данным Колпашево наиболее часто облака наблюдались при значениях относительной влажности 65% (35% случаев) и 70% (20% случаев). По Новосибирску большая часть наблюдений приходится на интервал 35-45% (почти половина всех случаев). Из графиков видно, что наиболее часто температура была -50°С, -60°С и -65°С (по Новосибирску и Колпашево), а точка росы -50°С - -70°С. За 2010 год было рассмотрено 22 дня проведения экспериментов по наблюдению ОВЯ. В каждый день проводилось в среднем около 5-20 серий измерений.

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 О Точка росы. С Точка росы, °С

Рисунок 2.10 - Метеоданные на высоте наблюдаемых облаков верхнего яруса в 2011г.

В 2011г. выделить наиболее часто наблюдаемые метеоусловия сложнее. Относительная влажность почти равномерно распределена в диапазоне 30-70%. Значения наблюдаемой температуры -40°С--70°С, а точка росы -45°С - -75°С. За 2011 год было рассмотрено 32 дня наблюдений ОВЯ.

-60 -50 -40 -30 Точка росы. С

Рисунок 2.11 - Метеоданные на высоте наблюдаемых облаков верхнего яруса в 2012г. Для 2012г. ситуация подобна 2011г. Относительная влажность почти равномерно распределена в диапазоне 25^65%. Температуры преимущественно -45°С^-55°С, а точка росы -50°С ^ -65°С. В 2012 год рассмотрено 28 дней наблюдения ОВЯ.

2.5 Высотные профили элементов МОРС перистых облаков и метеорологические условия

на высотах их наблюдения

Возможность определения полной матрицы обратного рассеяния реализована на высотном поляризационном лидаре ТГУ. В работе [92] приведено доказательство того, что параметром, характеризующим полярную ориентацию, является элемент т44 нормированной МОРС, независимо от наличия или отсутствия азимутальной ориентации. По мере группирования больших диаметров частиц возле плоскости перпендикулярной направлению зондирования, т44 принимает всё большие отрицательные значения, стремясь к асимптотическому значению (-1).

В работах [85,92,93] описаны результаты расчётов изменения значений элементов нормированной МОРС (в том числе и элемента т44) в зависимости от зенитного угла наклона трассы лидара, для частиц в форме гексагональных пластин и столбиков. Эти оценки полезны с точки зрения интерпретации экспериментальных данных. Для смешанных ансамблей кристаллических частиц предложены следующие значения т44: сильная преимущественная ориентация -1<т44<-0,8, когда до 90% больших диаметров частиц отклонены от горизонтального положения на угол не более 10°; существенная ориентация -0,8<т44<-0,1, когда до 90% больших диаметров частиц отклонены от горизонтального положения на угол не более 45°; слабая и не существенная -0,2< т44 < 1.

Весь массив экспериментальных данных полученных с использованием высотного лидара ТГУ в ходе сеансов лазерного поляризационного зондирования хранится на жёстком диске компьютера и доступен для визуального просмотра на экране. Исходные файлы содержат информацию о дате и времени получения данных и параметрах установки (количество импульсов накопления, длительность строба, количество стробов и установки счётчика).

Ниже приводятся некоторые результаты экспериментов по лазерному поляризационному зондированию ОВЯ и анализ полученных данных.

В ходе эксперимента проведенного 21 января 2010г. было сделано 2 серии измерений с 19:46 до 20:17 местного времени, с накоплением по 500 лазерных импульсов. Ниже рассмотрены результаты, полученные в серии №2, время начала 20:03, окончания 20:17 (продолжительность 14 минут). Зондирование проводилось до высоты 30км с пространственным разрешением 150м. На высоте ~10,5км наблюдалось облако. Облако характеризуется отношением рассеяния Я(И)=5,8 и оптической толщей т =0,25.

з _ '_i_I_ '_i_I_ ■_ ■ _L_i_■ _I_■_

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Число фиюымпульсов

Рисунок 2.12 - Сигналы, полученные 21.01.2010г. при нормированном векторе Стокса лазерного излучения Si и приборных векторах Gi и G2 , указанных на рисунке

В таблице 2.5 приведены поляризационные характеристики наблюдаемого облака.

Таблица 2.5

Поляризационные характеристики облака (21.01.2010г.)

Вектор-параметр Стокса Степень Соотноше

Высота, км зондирующего излучения S0(1, Q0, U0, V0)' рассеянного излучения S(1,Q,U,V)t поляри -зации деполя ризаци и МОРС ние диагональ ных элементов

(1 1 0 0) (1 0,76 0,32 0,21) 0,85 0,15 1 0.02 -0.23 0.15 "

10,05 (1 -1 0 0) (1 -0,73 0,15 0,09) 0,75 0,25 0.02 0.74 -0.12 0.01 -0,34

(1 0 0 -1) (1 0,00 -0,10 0,48) 0,49 0,51 0.23 0.15 0.08 0.06 -0.93 - 0.35 0.33 - 0.33

(1 0 1 0) (1 -0,10 -0,69 -0,20) 0,73 0,27

(1 1 0 0) (1 0,47 0,05 0,18) 0,51 0,49

10,2 (1 -1 0 0) (1 -0,55 -0,08 0,01) 0,56 0,44 1 - 0.04 -0.04 0.51 0.01 0.01 0.10 - 0.02 -0,31

(1 0 0 -1) (1 -0,02 0,29 -0,18) 0,34 0,66 - 0.01 0.10 0.07 0.09 - 0.52 -0.20 0.30 0.27

(1 0 1 0) (1 -0,03 -0,53 -0,10) 0,54 0,46

(1 1 0 0) (1 0,39 -0,20 0,00) 0,43 0,57 1 0.03 0.03 0.36 0.18 -0.08

10,35 (1 -1 0 0) (1 -0,33 -0,16 -0,07) 0,37 0,63 -0.04 0.03 0,26

(1 0 0 -1) (1 0,00 0,15 -0,24) 0,28 0,72 -0.18 -0.02 -0.18 -0.33

(1 0 1 0) (1 -0,05 -0,36 0,01) 0,37 0,63 - -0.04 0.03 0.05 0.21

(1 1 0 0) (1 0,45 -0,33 -0,24) 0,61 0,39

10,5 (1 -1 0 0) (1 -0,43 -0,36 -0,41) 0,70 0,30 1 0.01 0.01 0.44 0.34 -0.08 -0.32 0.08 0,86

(1 0 0 -1) (1 0,08 0,02 0,45) 0,46 0,54 -0.34 - 0.32 0.02 0.08 -0.48 0.21 -0.37 - 0.78

(1 0 1 0) (1 -0,07 -0,82 -0,12) 0,83 0,17

Для наблюдаемого облака нарушается соотношение диагональных элементов МОРС 1-m22+mзз-m44=0, что свидетельствует об увеличении вклада многократного рассеяния. При интерпретации полученных данных необходимо учесть влияние рассеяния высших кратностей. Воспользуемся способом коррекции экспериментальных МОРС описанным в работе [94]. Определим элементы неискаженных МОРС как:

ти = 1

. 1-S

т. = т..-

j 'J 1 -S-A

i * j

(2.9)

. (1 -S)-SA .

m.. = т.. ----, / = 2,3,4,

j " 1 -S-A

где 3 - степень деполяризации рассеянного излучения, А - соотношение диагональных элементов. Произведя соответствующие действия над матрицами Ы'л из таблицы, получаем неискаженные влиянием многократного рассеяния нормированные матрицы обратного рассеяния

1 0.01 -0.17 0.11

Ыя (10,05км) =

0.01 0.55 -0.09 0.00 0.17 0.06 -0.69 0.25 0.11 0.04 -0.26 -0.25

Ыя (10,2км) =

(10,35км) =

1 -0.03 0.01 0.08

-0.03 0.39 0.01 -0.02

-0.01 0.05 -0.40 0.23

0.08 0.07 -0.15 0.21

1 0.04 0.24 -0.05"

0.04 0.49 -0.11 0.04

-0.24 -0.02 -0.24 -0.45

-0.05 0.04 0.07 0.28

МОРС в верхней части облака, для высоты 10,5км, слишком отягощена вкладом сигнала многократного рассеяния и не поддаётся коррекции. Для скорректированных матриц выполняется соотношение симметрии А=0. При этом при расчётах предполагается 3=0 - полная деполяризация многократно рассеянного излучения.

В данном случае, предположительно облако состоит из гексагональных пластинок [95], так как степень поляризации лидарного сигнала составляет, соответственно, 0,43-0,85 для излучения с линейной поляризацией и 0,28-0,49 для круговой (отличаются в ~2 раза). При этом степень поляризации излучения с круговой поляризацией убывает по мере его распространения вглубь облака. Уменьшение степени поляризации по мере распространения зондирующего излучения в облаке может быть в двух случаях: когда число частиц в исследуемом объеме увеличивается, либо увеличиваются размеры частиц [96]. Вероятно, верхняя часть облака

содержит мелкие, близкие к сферической форме частицы, которые по мере осаждения в нижние слои увеличиваются в размерах, и теряется совершенство их формы. В нижней части облако состоит уже из более крупных, ориентированных частиц.

На рисунке 2.13 ниже приведен график изменения с высотой элемента т44 нормированной МОРС.

Значение элемента т^ нормированной МОРС -вертикальный профиль интенсивности обратно рассеянного излучения

Рисунок 2.13а - Изменение элемента т44 Рисунок 2.13б - Изменение степени

нормированной МОРС с высотой поляризации рассеянного излучения с высотой

При увеличении глубины проникновения излучения в облако степень ориентации

кристаллических частиц и степень поляризации уменьшаются.

Далее на рисунках изображены вертикальные профили температуры, точки росы и

относительной влажности.

Число фоюнмпульспв Число фогонмпульсо»

Рисунок 2.14 - Вертикальные профили температуры, точки росы и относительной влажности

Облако наблюдалось при условиях понижения относительной влажности: утром 21 января в 06:00 местного времени она имела значение 51%, а к вечеру в 18:00 уже ~30%. Температура была -70°С, точка росы -80°С. На высоте ~11,5-12км расположена тропопауза.

Еще один пример наблюдения ОВЯ рассмотрим для 11 апреля 2011г. Проведено 9 серий измерений (с 20:23 11 апреля до 03:27 12 апреля) с накоплением 500 лазерных импульсов.

Серия №5 началась в 23:45 и закончилась в 23:59 (продолжительность 14 минут). Зондирование проводилось до высоты 30км с разрешением 150м. На высоте 11 км наблюдалось облако.

V 1 ! ! 1 1

[1 апреля 2011г.

\ .......;.......

-

Я =(1 1 0 01'

0 0)/2 -

С! (1 1

-в =(1 -1 0 0)/2 ■

1 1

Г ;

.......[....

_______5_______

-

1

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Число фотоимпульсов

Рисунок 2.15 - Сигналы, полученные 11.04.2011г. при нормированном векторе Стокса лазерного излучения Sl и приборных векторах G1 и G2 , указанных на рисунке

Данное облако характеризуется отношением рассеяния Я(И)=6,4 и оптической толщей

т=0,17.

Таблица 2.6

Поляризационные характеристики облака (11.04.2011г.)

Высота, км Вектор-параметр Стокса Степень МОРС Соотноше ние диагональ ных элементов

зондирующего излучения So(1, Qo, Щ рассеянного излучения S(1,Q,U,V)t поляризации деполяризации

11,25 (1 1 0 0) (1 0,45 -0,13 -0,15) 0,49 0,51 1 0.01 -0.02 -0.03" 0.01 0.44 0.04 0.04 0.02 -0.15 -0.64 0.30 -0.03 -0.12 -0.03 0.30 -0,38

(1 -1 0 0) (1 -0,42 0,17 0,08) 0,46 0,54

(1 0 0 -1) (1 -0,02 -0,28 -0,34) 0,44 0,56

(1 0 1 0) (1 0,06 -0,62 -0,06) 0,63 0,37

11,4 (1 1 0 0) (1 0,68 -0,12 -0,07) 0,69 0,31 1 0.06 0.01 0.06 " 0.06 0.62 -0.05 0.26 -0.01 -0.11 -0.65 0.31 0.06 -0.13 -0.01 -0.23 -0,03

(1 -1 0 0) (1 -0,55 0,09 0,18) 0,59 0,41

(1 0 0 -1) (1 -0,20 -0,32 0,29) 0,48 0,52

(1 0 1 0) (1 0,01 -0,66 0,04) 0,66 0,34

Для МОРС полученной на высоте 11,25км произведена коррекция на многократное рассеяние по описанной выше процедуре:

Мя (11,25км) =

1 0.01 -0.01 -0.02

0.01 0.32 0.03 0.03

0.01 -0.11 -0.46 0.22

-0.02 -0.09 -0.02 0.22

для которой уже выполняется соотношение 1-m22+mзз-m44=0.

Данный случай наблюдений отличен от предыдущего 21 января 2010г. Степень поляризации лидарного сигнала для излучения с линейной поляризацией и для круговой слабо отличаются между собой. Положительные значения т44 в нижней части облака свидетельствуют о хаотической ориентации частиц. Скорее всего, по мере гравитационного осаждения частиц из верхней части облака они попадают в нижерасположенные слои атмосферы, где, в результате роста частиц изменяется их форма и размеры. Кроме того, из-за потери симметрии может нарушаться аэродинамические характеристики кристаллов, вследствие чего происходит их дезориентация.

Далее приведены графики изображающие изменение элемента т44 и степени поляризации с высотой, а также высотные профили метеопараметров для 11 апреля 2011г.

Рисунок 2.16а - Изменение элемента т44 нормированной МОРС с высотой

Рисунок 2.16б - Изменение степени поляризации рассеянного излучения с высотой

Рисунок 2. 17 - Вертикальные профили температуры, точки росы и относительной влажности

Для 11 апреля 2011г. метеоусловия на высоте облачности были отличны от эксперимента 21 января 2010г. Относительная влажность составляла ~20%. Эксперимент проходил в условиях

возрастающей относительной влажности. Уже к утру 12 апреля она достигла значения 51%. Тропопауза расположена на высоте ~12км.

Рассмотрим следующий пример эксперимента проведённого 28 марта 2012г., в ходе которого было получено 16 серий измерений (с 16:21 до 20:31) с накоплением по 500 и 200 лазерных импульсов. Описаны результаты, полученные в серии №14, время начала 19:46, время окончания 20:00 (продолжительность 14 минут). Зондирование проводилось до высоты 15км с разрешением 37,5м. На высоте 7-10км наблюдалось облако.

12

11

ю

2 8

;- ! , 1 | 1 | 1

28 марта 2012г.

8=(1 1 0 0)'

— =(110 0)/2

л> -в. =(1 -1 0 0)/2 -

1 , 1 .

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Число фотоимпульсон

Рисунок 2.18 - Сигналы, полученные 28.03.2012г. при нормированном векторе Стокса лазерного излучения S1 и приборных векторах G1 и G2 , указанных на рисунке

Данный слой характеризуется отношением рассеяния К(И)=10,1 и оптической толщей

облака т=0,41.

Таблица 2.7

Поляризационные характеристики облака (28.03.2012г.)

Высота, км Вектор-параметр Стокса Степень МОРС Соотноше ние диагональ ных элементов

зондирующего излучения Й0(1, Qo, Ц, рассеянного излучения S(1,Q,U,V)t поляри -зации деполяризации

7,5 (1 1 0 0) (1 0,50 -0,19 -0,04) 0,54 0,46 1 -0.06 0.10 0.05 " -0.06 0.56 0.01 -0.04 -0.10 -0.09 -0.38 0.04 0.05 -0.09 -0.14 0.00 0,06

(1 -1 0 0) (1 -0,63 -0,02 0,14) 0,64 0,36

(1 0 0 -1) (1 -0,03 -0,14 0,05) 0,15 0,85

(1 0 1 0) (1 -0,06 -0,48 -0,09) 0,49 0,51

7,575 (1 1 0 0) (1 0,62 -0,02 -0,15) 0,64 0,36 1 0.03 0.04 -0.06" 0.03 0.59 0.06 0.10 -0.04 0.03 -0.66 0.06 -0.06 -0.08 -0.07 -0.09 -0,16

(1 -1 0 0) (1 -0,56 -0,07 0,02) 0,56 0,44

(1 0 0 -1) (1 -0,07 -0,10 0,03) 0,13 0,87

(1 0 1 0) (1 0,10 -0,70 -0,13) 0,72 0,28

Таблица 2. 7

Поляризационные характеристики облака (28.03.2012г.) (продолжение)

7,9875 (1 1 0 0) (1 0,71 -0,37 -0,33) 0,86 0,14 1 0.08 0.23 -0.18" 0.08 0.63 -0.04 0.16 -0.23 -0.13 -0.41 -0.28 -0.18 -0.15 0.25 -0.48 0,44

(1 -1 0 0) (1 -0,55 -0,10 -0,04) 0,56 0,44

(1 0 0 -1) (1 -0,08 0,04 0,30) 0,32 0,68

(1 0 1 0) (1 0,04 -0,64 0,07) 0,65 0,35

8,2875 (1 1 0 0) (1 0,49 -0,14 -0,18) 0,54 0,46 1 0.00 0.10 -0.14" 0.00 0.49 -0.06 0.00 -0.10 -0.04 -0.64 -0.07 -0.14 -0.05 0.12 -0.05 -0,09

(1 -1 0 0) (1 -0,50 -0,06 -0,09) 0,51 0,49

(1 0 0 -1) (1 0,00 -0,03 -0,09) 0,09 0,91

(1 0 1 0) (1 -0,07 -0,74 -0,01) 0,74 0,26

1 0.03 0.03 -0.05

0.03 0.51 0.04 0.09

- 0.03 0.03 - 0.57 0.05

-0.05 -0.07 -0.06 -0.08

Произведя соответствующие действия над матрицей М'л для высоты 7,575км, получаем скорректированную на многократное рассеяние:

Мя (7,575км) =

В МОРС полученной для высоты 7,9875км вклад сигнала многократного рассеяния слишком велик.

Степень поляризации лидарного сигнала для наблюдаемого облака имеет значения 0,550,88 для излучения с линейной поляризацией и 0,19-0,37 для круговой (отличаются в ~2 раза). Облако предположительно содержит пластинчатые кристаллы. При этом степень поляризации излучения с круговой поляризацией возрастает по мере его распространения вглубь облака -размеры частиц уменьшаются с высотой. Значения элемента Ш44 уменьшаются по мере распространения вглубь облака. В центральной части облака частицы имеют более выраженную преимущественную горизонтальную ориентацию.

Рисунок 2.19а - Изменение элемента нормированной МОРС с высотой

Рисунок 2.19б - Изменение степени поляризации рассеянного назад излучения с высотой

Рисунок 2.20 - Вертикальные профили температуры, точки росы и относительной влажности По данным станции в Колпашево на высоте 7-9км относительная влажность 28 марта 2012г. понижалась (как и в случае 21 января 2010г. рассмотренном выше) с 80% 27 марта вечером до ~30% 28 марта.

Ниже приведён еще один пример эксперимента проведённого 12 октября 2013г., в ходе которого сделано 3 серии измерений с 18:01 до 18:44 и накоплением по 500 лазерных импульсов. Рассмотрим серию №3, время начала 18:30, время окончания 18:44 (продолжительность 14 минут). Зондирование проводилось до высоты 15км с разрешением 37,5м. На высоте 7-8км наблюдалось слабое облако.

12 октября 2U13r.

s,=(l 10 0)

1=1 и-u 1 о Wi G,=(1 -1 0 0)/2

>

1

О 500 1000 1500 2000

Число фотоимпульсов

Рисунок 2.21 - Сигналы, полученные 12.10.2013г. при нормированном векторе Стокса лазерного излучения S1 и приборных векторах G1 и G2 , указанных на рисунке

Наблюдаемое облако характеризуется отношением рассеяния Я(И)=10,1 и оптической

толщей облака т=0,41.

Таблица 2.8

Поляризационные характеристики облака (12.10.2013г.)

Высота, км Вектор-параметр Стокса Степень МОРС Соотноше ние диагональ ных элементов

зондирующего излучения Й0(1, Qo, Ц, Vo)t рассеянного излучения S(1,Q,U,V)t поляри -зации деполя ризаци и

7,200 (1 1 0 0) (1 0,55 -0,25 -0,52) 0,80 0,20 1 -0.08 0.03 -0.23" -0.08 0.63 0.18 -0.04 -0.03 -0.22 -0.77 0.18 -0.23 -0.29 -0.08 -0.35 -0,05

(1 -1 0 0) (1 -0,71 0,20 0,06) 0,74 0,26

(1 0 0 -1) (1 -0,04 -0,21 0,12) 0,24 0,76

(1 0 1 0) (1 0,09 -0,80 -0,15) 0,82 0,18

7,2375 (1 1 0 0) (1 0,64 -0,04 -0,23) 0,68 0,32 1 0.00 -0.04 0.06 " 0.00 0.65 0.15 -0.05 0.04 -0.08 -0.79 -0.02 -0.06 -0.29 -0.15 -0.68 0,24

(1 -1 0 0) (1 -0,65 0,12 0,35) 0,75 0,25

(1 0 0 -1) (1 0,05 0,06 0,74) 0,74 0,26

(1 0 1 0) (1 0,15 -0,75 -0,08) 0,77 0,23

7,3875 (1 1 0 0) (1 0,68 0,29 0,11) 0,75 0,25 1 -0.07 -0.14 0.01 " -0.07 0.74 0.00 0.22 0.14 0.16 -1.00 0.47 0.01 0.11 -0.37 -0.24 -0,50

(1 -1 0 0) (1 -0,81 -0,02 -0,10) 0,82 0,18

(1 0 0 -1) (1 -0,28 -0,34 0,25) 0,50 0,50

(1 0 1 0) (1 -0,07 -0,91 -0,37) 0,98 0,02

7,8375 (1 1 0 0) (1 0,93 -0,32 -0,05) 0,98 0,02 1 0.02 0.21 0.05 " 0.02 0.91 -0.11 0.34 -0.21 -0.11 -0.70 0.00 0.05 -0.10 -0.09 -0.69 0,08

(1 -1 0 0) (1 -0,90 -0,10 0,15) 0,91 0,09

(1 0 0 -1) (1 -0,33 -0,21 0,73) 0,83 0,91

(1 0 1 0) (1 -0,09 -0,90 -0,05) 0,91 0,09

Произведя соответствующие действия над матрицей М'л для высоты 7,3875км, получаем

скорректированную на многократное рассеяние:

1 -0.05 -0.09 0.01

Мя (7,3875км) =

-0.05 0.49 0.00 0.15 0.09 0.11 -0.67 0.31 0.01 0.07 -0.25 -0.16

Судя по приведённым в таблице поляризационным характеристикам, можно предположить, что облако состоит из равномерно перемешанных кристаллических частиц, большей частью ориентированных в горизонтальной плоскости.

В данном случае наблюдений облако только начинало формироваться в результате переноса влажного воздуха с севера. По данным Новосибирска относительная влажность на высоте 7-9км 12 октября утром и вечером была 20-25%, направление ветра - северное. По данным станции в Колпашево относительная влажность возросла с 30% утром 12 октября до 60% вечером и продолжала повышаться. Направление ветра - северное и северо-западное.

В работе приведены лишь несколько примеров наблюдений ОВЯ и анализа влияния фазового состава облаков и наличия преимущественной ориентации частиц в пространстве, на соотношение элементов матрицы обратного рассеяния света и изменение степени поляризации рассеянного назад излучения. Для наблюдаемых облаков сделаны оценки оптической толщи и отношения рассеяния. Проанализированы метеорологические условия, при которых формируется в атмосфере ОВЯ.

Всего было накоплено и обработано 428 матриц относящихся к ОВЯ и не отягощенных сильными погрешностями. В частности, по результатам статистической обработки, была исследована изменение в различное время года степени преимущественной горизонтальной ориентированности частиц наблюдаемых облаков, которая как уже упоминалась, характеризуется элементом №44. Изменения степени ориентации кристаллов наблюдаемых облаков в зависимости от сезона и месяца приведены в таблицах 2.9-2.10.

Таблица 2.9

Сезонные изменения ориентации кристаллов наблюдаемых облаков (2010-2013гг.)

Год Сезон Сильная ориентация -1< т44 < -0,8 Существенная ориентация -0,8 < т44 < -0,1 Слабая и не существенная -0,1<т44< 1

2010 Зима 6,1 69,7 24,2

Весна 23,5 41,2 35,3

Лето 8,3 66,7 25,0

Осень 0,0 82,4 17,6

2011 Зима 0,0 55,6 44,4

Весна 26,4 47,2 26,4

Лето 16,7 50,0 33,3

Осень 40,9 45,5 13,6

Таблица 2.9

Сезонные изменения ориентации кристаллов наблюдаемых облаков (2010-2013гг.) _(продолжение)_

2012 Зима 14,3 42,9 42,9

Весна 0,0 45,5 54,5

Лето 0,0 66,7 33,3

Осень 20,0 80,0 0,0

2013 Зима 8,5 59,3 32,2

Весна 11,9 67,2 20,9

Лето 6,1 33,3 60,6

Осень 6,5 45,2 48,4

Таблица 2.1 0

Степень ориентации частиц в зависимости от месяца наблюдений

Месяц Сильная ориентация -1< т44 < -0,8 Существенная ориентация -0,8 < т44 < -0,1 Слабая и не существенная -0,1<т44< 1

Январь 10,0 66,0 24,2

Февраль 8,6 53,4 37,9

Март 9,5 63,5 27,0

Апрель 15,0 51,7 33,3

Май 71,4 28,6 0,0

Июнь 2,8 52,8 44,4

Июль 3,8 50,0 46,2

Август 28,6 28,6 42,9

Сентябрь 26,9 50,0 23,1

Октябрь 11,8 70,6 17,6

Ноябрь 6,7 33,3 60,0

Декабрь 7,1 50,0 42,9

На основе проведённого анализа экспериментальных данных сформулировано первое

защищаемое положение. Согласно полученным данным количество облаков верхнего яруса наблюдаемых в 2010-2013гг. над Томском с сильной ориентацией частиц в горизонтальной плоскости (-1<т44<-0,8), существенной (-0,8<ш44<-0,1) и слабой (-0,1<ш44<1) значительно изменяется от сезона к сезону. Вариации относительной доли каждого из 3-х видов ОВЯ доходят до 82% от всех наблюдений.

На рисунке 2.22 ниже показано изменение с высотой значения элемента т44 полученных в результате обработки всех 428 экспериментальных МОРС:

Данные за 2010-2013гг.

! 1 \ ! -- 1 ! --

. : - V-: —

■ * —

{_ АЛ ■ ___

\ — ■ ■ г ■ ■ 1 ■: ■ .....