Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Воронина, Юлия Викторовна

• Воронина, Юлия Викторовна
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Воронина, Юлия Викторовна

Введение

Глава 1. Спектроскопическая информация, использующаяся в задачах вычисления переноса коротковолнового излучения

1.1. Общая характеристика спектров пропускания атмосферы в ультрафиолетовом и коротковолновом диапазонах

1.1.1. Прямой метод расчета line-by-line

1.1.2. Базы данных по параметрам линий и сечениям поглощения

1.1.3. Континуальное поглощение

1.2. Метеорологические модели

1.2.1. Среднезональные и региональные модели

1.2.2. Общее содержание озона над Томским регионом по данным спутникового зондирования

1.2.3. Вертикальные профили температуры, давления и общего содержания паров воды для Томского региона

1.3. Изменчивость функций пропускания, обусловленная вариациями температуры 40 Выводы

Глава 2. Перенос коротковолнового солнечного излучения в полосах поглощения молекулярных газов

2.1. Метод рядов экспонент 48 2.1.2. Применение рядов экспонент при моделировании широкополосных потоков солнечного излучения в атмосфере Земли

2.2. Учет перекрывания полос поглощения

2.3. Учет спектральной зависимости альбедо подстилающей поверхности Земли при расчете радиационных характеристик 71 Выводы

Глава 3. Методы параметризации широкополосных функций пропускания в задачах зондирования газового и аэрозольного состава атмосферы фильтровыми спектрофотометрами

3.1. Характеристики фотометра

3.2. Методы параметризации функций пропускания

3.2.1. Модели полос и полуэмпирические модели

3.2.2. Зависимость функции пропускания от поглощающей массы

3.3. Быстрый метод счета функций пропускания

3.4. Методика калибровки фотометра и восстановление ОС водяного пара по данным измерений спектрофотометром SP-4m 96 Выводы 104 Заключение 105 Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере»

Атмосферные радиационные процессы играют важную роль в формировании климата Земли. Заметное влияние на протекание многих физических и химических процессов в атмосфере, на природу и климат планеты в целом оказывают оптически активные компоненты атмосферы (такие как Н20, Оз, С02). Температура Земли медленно, но неуклонно продолжает расти. Так, сотрудники организации NOAA (Национальная администрация по океану и атмосфере США), проведя необходимые замеры, установили, что 2007 г. был самым теплым за более чем вековую историю наблюдений: среднегодовая температура на 0,55°С превышала показатели, фиксировавшиеся с 1900 года [1].

Среди различных факторов, вызвавших это изменение температуры, значительную роль играют парниковые газы и аэрозоли. Водяной пар -главный на сегодня парниковый газ, его вклад в парниковый эффект земной атмосферы составляет сейчас примерно 20,6°С [2]. При увеличении температуры увеличивается и испарение водяного пара, и на каждые 10°С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается [3]. Рост содержания в атмосфере углекислого газа рассматривается сейчас как главный фактор происходящего потепления климата [4]. В настоящее время его вклад в общий парниковый эффект земной атмосферы составляет около 7 °С [2], но при этом быстро растет, соответственно росту содержания СО2 в атмосфере (на 30% за последние два столетия, причем заметно ускоряясь в последние десятилетия).

Поэтому мониторинг газового состава атмосферы и создание качественных моделей, описывающих перенос радиации в атмосфере, являются в настоящее время актуальными задачами.

При моделировании атмосферного радиационного переноса в задачах прогнозирования климата, при решении обратных задач восстановления общего содержания атмосферных парниковых газов и аэрозоля по данным измерения нисходящего излучения у поверхности Земли требуется высокая точность [5, 6]. Радиационные коды постоянно усовершенствуются, тем не менее, сравнение наиболее популярных, использующихся в настоящее время пакетов программ, вычисляющих перенос коротковолнового излучения, показало значительный разброс данных. В работе [7] приведены измерения и результаты вычислений коротковолновых потоков программами RAPRAD [8], MODTRAN4.9 [9], SMARTS[10], RRTMSW[11], SBDART [12], SBMOD [13] для различных атмосферных ситуаций. Максимальные расхождения Л достигали 19 Вт/м даже для прямого потока. В работе [14] сделано сравнение 16 современных компьютерных кодов, вычисляющих коротковолновый перенос. Для безоблачной влажной атмосферы в отсутствие аэрозоля среднее отклонение интегральных потоков составило величину 5%. Одной из причин таких расхождений являются различные параметризации, использующиеся при спектральном интегрировании уравнения переноса.

Уравнение переноса в многокомпонентных газово - аэрозольных средах не имеет общего аналитического решения. Поэтому его решают многократно для конкретных длин волн и затем интегрируют по всему спектру исходного излучения. При решении данной задачи необходимо учитывать спектральную зависимость молекулярного поглощения, аэрозольного и молекулярного рассеяния, солнечной постоянной, спектральную зависимость альбедо поверхности Земли. Высокая селективность молекулярных спектров поглощения атмосферных газов по сравнению со спектрами аэрозольного и молекулярного рассеяния усложняет задачу. Кроме того, при расчете коэффициента поглощения нужно учитывать большое количество спектральных линий. Спектральная база данных HITRAN содержит около 1,8 млн. линий поглощения атмосферных газов. Согласно ab initio расчетам [15] только в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра выявлено более 106 млн. линий поглощения атмосферных газов. В современной работе [16] представлено более чем 505 млн. линий водяного пара в спектральном интервале 0-30000 см"1. Поэтому прямые методы расчета ('line-by-line) характеристик молекулярного поглощения хотя и дают точное решение, но оказываются трудоемкими даже для современных вычислительных средств. Использование модельных представлений спектра поглощения может привести к большим погрешностям.

В настоящее время разработан эффективный метод параметризации характеристик молекулярного поглощения — метод к-распределения [17, 18, 20, 19, 21]. Метод к-распределения дает экспоненциальное представление для функции пропускания, удобное при учете многократного рассеяния. Эффективность этого метода снижается в случае перекрывания полос поглощения. Общую функцию пропускания представляют в виде произведения функций пропускания отдельных газов, и при использовании к-распределения это приводит к увеличению числа членов ряда, которое экспоненциально возрастет с увеличением количества поглощающих газов.

В работах [22, 23] была предложена новая модификация метода разложения функции пропускания в ряд экспонент, которая позволяет корректно учесть перекрывание полос, а также спектральные зависимости солнечной постоянной и аппаратной функции регистрирующей аппаратуры, если последнюю необходимо учитывать.

Для ускорения расчета интегральных по спектру потоков излучения часто применяют разбиение коротковолнового диапазона на небольшое число интервалов (например, разбиение Slingo [24]), в которых характеристики облаков, спектральную зависимость аэрозольного рассеяния, альбедо подстилающей поверхности принимают за постоянную величину. Но альбедо подстилающей поверхности имеет ярко выраженную спектральную зависимость. Поэтому необходимо рассмотреть несколько способов . определения среднего значения альбедо для заданных спектральных интервалов и выбрать наиболее точный.

Проблема параметризации функции пропускания возникает и при решении обратной задачи по восстановлению общего содержания газа по данным измерений прямого солнечного излучения. В последние годы в Сибири на основе солнечных спектрофотометров SP-6 — SP-8 создается сеть для регулярных измерений аэрозольной оптической толщи и общего содержания ряда парниковых газов (таких как НгО, Оз) [25]. Солнечная спектрофотометрия атмосферы (метод прозрачности) является одним из эффективных и достаточно простых методов определения их общего содержания.

Начиная с работ Fowle [26] многие исследователи для определения общего содержания (ОС) водяного пара используют измерения прямой солнечной радиации в полосе поглощения водяного пара на 0.94 мкм, для озона используются измерения в канале УФ полосы поглощения на 0.30 мкм. Первыми российскими приборами для определения общего содержания озона были озонометры Гущина [27]. Примером дальнейшей реализации озонометров являются фотометры Добсона, Брюера. Оптические методы обладают большими преимуществами в сравнении с контактными методами метеорологического зондирования, такими как - оперативность, возможность измерения интегральных характеристик, сравнительно низкая стоимость приборов и т.д. Однако атмосфера является изменчивой средой и пропускание атмосферы в полосах поглощения молекулярных газов зависит не только от общего содержания газа, но и от его высотного профиля, температуры, и т.п. Погрешность восстановления общего содержания газов тесно связана с погрешностью расчета функции пропускания атмосферы, которая в свою очередь зависит от используемой исходной спектроскопической информации и погрешностей параметризации.

Для решения обратной задачи восстановления ОС атмосферных газов (например Н20, Оз) часто параметризуют функцию пропускания, чтобы поглощающая масса газа входила в это выражение явным образом. Т. е. функцию пропускания можно представить следующим образом: T = f(mW). Для параметризации функции пропускания атмосферы, обусловленной поглощением Н20, используется множество модификаций таких аппроксимаций: например, зависимость функции пропускания от квадратного корня поглощающей массы [28], зависимость функции пропускания от поглощающей массы в степени 0.9, 0.75 и 0.5 в зависимости от величины поглощающей массы водяного пара [29, 30].

Использование модельных представлений полос поглощения может привести к погрешности в определении общего содержания газа. Метод полинейного счета пропускания line-by-line обеспечивает высокую точность. Но так как фотометр проводит большое количество измерение в широком спектральном диапазоне, то временные затраты на расчет пропускания методом line-by-line становятся неприемлемыми на практике.

Процедура калибровки фотометра осуществляется обычно долгим методом Бугера, который предполагает, что состояние атмосферы в течение процесса измерения стабильно. Для нахождения константы калибровки применяют стандартный метод наименьших квадратов [31], который предполагает, что случайная погрешность есть только у измеряемой величины, и она является нормально распределенной, а погрешности в факторах (аргументах функции, которую минимизируют) отсутствуют. Нарушение этих условий может приводить к смещенным оценкам в константе калибровки и ОС Н20. Регистрируемый сигнал солнечного фотометра зависит не только от концентрации поглощающих газов, но и от распределения температуры, давления вдоль трассы луча, наличия облачности, аэрозоля и т.п. Так, например, в работе [31] отмечалось, что при использовании спектральных каналов с центрами 0.87 и 0.94 мкм возможны заметные погрешности в определении ОС Н2О, которые вызваны наличием облачности, аэрозоля и т.п., а также связанные с параметризацией функции пропускания. В связи с вышесказанным необходима такая процедура калибровки, которая позволила бы минимизировать возникающие погрешности, в том числе и погрешности обусловленные параметризацией функций пропускания.

Цель данной работы: создание параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие метода параметризации широкополосных потоков с учетом спектральной зависимости фильтра, солнечной постоянной и альбедо подстилающей поверхности.

2. Разработка методики для быстрого расчета функций пропускания в широком спектральном диапазоне 0.26 - 4 мкм.

3. Получение функциональной зависимости пропускания атмосферы в каналах фотометра от поглощающей массы водяного пара и озона; разработка методики определения постоянной калибровки фотометра.

Основные защищаемые положения

1. Пропускание в каналах фотометров, используемых для определения ОС озона и водяного пара (с центрами полосы пропускания на 0.308, 0.324, 0.87 и 0.94 мкм), слабо зависит от вариаций температуры в атмосфере и определяется в основном поглощающей массой газов.

Погрешности расчета функции пропускания в этих каналах фотометра, обусловленные вариациями температуры, не превышают 1%.

2. Задание среднего значения альбедо подстилающей поверхности в виде свертки с функцией пропускания атмосферы на широких спектральных интервалах при разбиении согласно Slingo [24] позволяет рассчитать восходящие потоки излучения с неопределенностью, не превышающей 0,5% в случае безоблачной атмосферы (для интервалов, на которых значение альбедо меняется не более чем на 10%), что является достаточным для радиационных блоков климатических моделей.

3. Усовершенствована методика восстановления общего содержания паров воды, основанная на применении функционала, который использует отношение сигналов фотометра на длинах волн 0.94 и 0.87 мкм и неявную зависимость функции пропускания от поглощающей массы водяного пара. Погрешность восстановления общего влагосодержания атмосферы не превышает 5%.

Научная новизна основных результатов диссертации

1. Предложен способ учета спектральной изменчивости альбедо подстилающей поверхности, который позволяет повысить скорость вычисления широкополосных потоков излучения без потери точности вычислений.

2. Предложена простая аппроксимация ■■. пропускания от поглощающей массы водяного пара, которая позволяет повысить точность восстановления ОС водяного пара.

Научная и практическая значимость работы определяется возможностью применения моделей функций пропускания для решения задач переноса излучения в рассеивающей и поглощающей атмосфере, в том числе и для случаев, когда нужно учитывать альбедо подстилающей поверхности. Были созданы пакеты программ для расчета широкополосных функций пропускания в спектральном диапазоне 0.3 — 4 мкм, который вошли в "Информационную систему для расчета функций пропускания и восстановления общего содержания газов и аэрозольной оптической толщи атмосферы из данных измерений фотометра SP-6,8 в диапазоне спектра 0.3-4 мкм", необходимую для работы региональной автоматизированной сети солнечных фотометров AEROSIBNET. Разработанный способ параметризации функции пропускания был применен для восстановления ОС водяного пара из данных измерений солнечного фотометра SP-4m.

Работа была поддержана грантом Института оптики атмосферы СО РАН для молодых ученых, а также выполнялась в рамках грантов РФФИ № 04-07-90123, 07-07-00269, в которых автор был исполнителем.

Достоверность результатов

Результаты диссертационной работы согласуются с современными представлениями о распространении солнечного излучения в атмосфере. Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчета радиационных характеристик с расчетами других авторов (Фомина Б.А., Пташника И.В.). Результаты восстановления ОС водяного хорошо согласуются с данными сети AERONET.

Апробация результатов исследований. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (XII Томск 2005, XIII Томск 2006, XIV Бурятия 2007, XV Красноярск 2008), Рабочей группе "Аэрозоли Сибири" (XI Томск 2004, XIII Томск 2006, IV Томск 2007), ), 7-м симпозиуме ASA (2005 Реймс (Франция)), Пятой и седьмой международных школах молодых ученых "Физика окружающей среды" (Томск 2006, Красноярск

2008), Международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация" (Санкт-Петербург 2006).

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 120 наименований. Содержание работы изложено на 120 страницах, в работе 10 таблиц и 37 рисунков.

В первой главе диссертации приведен обзор современной спектроскопической информации и метеорологичеких моделей, необходимой для расчета пропускания атмосферы, а также рассматривается полинейный метод вычисления пропускания. Исследовано влияние метеопараметров на изменчивость функции пропускания в каналах фотометра, используемых для зондирования водяного пара и озона.

Во второй главе рассматривается метод параметризации характеристик молекулярного поглощения и способы учета перекрывания полос поглощения в задачах переноса коротковолнового солнечного излучения. Приведено сравнение наших расчетов потоков коротковолновой радиации с расчетами других авторов и получено хорошее согласие. Предложен способ параметризации альбедо подстилающей поверхности, позволяющий повысить точность расчета при использовании широкополосных функций пропускания.

Третья глава содержит описание существующих методов параметризации функции пропускания для решения обратных задач. Предлагается модификация метода параметризации, основанная на неявной зависимости пропускания от поглощающей массы газа. Описан быстрый метод расчета пропускания в спектральном диапазоне 0.3 - 4 мкм. Приведены результаты восстановления общего содержания водяного пара из данных измерений фотометра SP-4m с использованием неявной и явной зависимости функции пропускания от поглощающей массы. Сделано сопоставление восстановленного по нашей методике общего содержания паров воды с данными AERONET.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Воронина, Юлия Викторовна

Основные результаты работы:

1. Было показано, что функция пропускания в каналах зондирования озона и водяного пара (0.308 и 0.94 мкм) практически не зависит от вариаций температуры воздуха и для расчетов функции пропускания для солнечных фотометров можно использовать среднезональные модели.

2. Представленная в работе модификация алгоритма расчета' коротковолновых широкополосных потоков радиации на основе разложения функции пропускания в ряд экспонент обеспечивает высокую точность расчета. Результаты вычисления потоков, параметризованных методом «k-распределения», хорошо согласуются с line-by-line расчетами (в диапазоне 3500-20000 см"1 погрешность параметризации менее 0,3%).

3. Предложен способ учета спектральной изменчивости зависимости альбедо подстилающей поверхности при разбиении на интервалы согласно Slingo, позволяющий получать высокую точность при расчете интегральных потоков излучения.

4. Разработан пакет программ для быстрого расчета функций пропускания солнечных фотометров в спектральном диапазоне 0.3-4 мкм, которая не уступает по точности прямому методу расчета пропускания.

5. Предложен способ параметризации функции пропускания, основанный на неявной зависимости функции пропускания от поглощающей массы водяного пара. Этот метод позволяет упростить процедуру калибровки и избежать погрешностей, связанных с параметризацией функций пропускания. Результаты восстановлении общего содержания водяного пара из данных измерений фотометра SP-4m при использование данного метода хорошо согласуются с данными сети AERONET.

Благодарности

Автор благодарит научного руководителя д.ф.-м.н. К.М. Фирсова и научного консультанта к.ф.-м.н. Чеснокову Т.Ю. за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования.

Заключение

В результате проведенных исследований была решена актуальная задача по созданию параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.