Дистанционное определение оптических параметров протяженной облачности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дистанционное определение оптических параметров протяженной облачности

И.Н. Мельникова

Т.А. Мурина

Государственный политехнический университет

Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, 195251

Взаимодействие солнечной радиации, протяженной облачности и атмосферного аэрозоля оказывает сильное влияние на радиационный режим атмосферы и подстилающей поверхности Земли и на формирование погоды и климата. Поглощение коротковолновой солнечной радиации в облачных слоях недооценивалось до последнего времени, что, в свою очередь, приводило к существенному занижению роли облачности в моделях климата. Таким образом, определение оптических параметров облачности из измерений представляет особый интерес для построения оптической и радиационной моделей облачности. В настоящем докладе представлен аналитический метод, для реализации которого требуются данные измерений солнечной радиации (интенсивности или потока) отраженной и пропущенной облачным слоем или характеристик поля радиации внутри слоя и значений солнечного зенитного угла (и зенитного угла визирования для измерений интенсивности). Метод эффективен для использования данных, как спектральных, так и интегральных измерений. Необходимо подчеркнуть, что применение аналитического метода решения обратной задачи обладает рядом преимуществ перед численными методами. В частности, значительно упрощается анализ корректности обратной задачи и оценка погрешностей результата.

Рассмотрим стандартную модель плоско параллельной, бесконечно протяженной и горизонтально однородной облачности, на верхнюю границу которой падает параллельный поток солнечной радиации под углом =arccos. Введем параметр , где 0 - альбедо однократного рассеяния, g - параметр индикатрисы рассеяния и оптическую толщину облачного слоя 0. Приведем здесь результирующие формулы, в которые входят только измеряемые величины восходящего F и нисходящего F потоков или интенсивности солнечной радиации и значения функций u0(), u2() и a2() при фиксированных углах arccos, которые можно определить из таблиц монографии [1] или рассчитать по аппроксимационным формулам монографии [2]. Представленный здесь метод определения оптических параметров облачного слоя весьма полезен при интерпретации самолетных, наземных и спутниковых измерений солнечной радиации. Выражение = s2/z дает объемный коэффициент поглощения среды, причем для получения величины не требуется каких-либо допущений об индикатрисе рассеяния. Вычисление величины объемного коэффициента рассеяния = (3-3g)/z- требует задания параметра индикатрисы рассеяния g или его определения с помощью независимого метода. Учитывая, что величина параметра индикатрисы рассеяния g слабо меняется в слоистообразных облаках, здесь приняты спектральные значения g, приведенные в работе [3]. Если из данных независимых измерений не определена геометрическая толщина z слоистообразной облачности, то с помощью предложенного здесь способа можно определить только оптическую толщину и вероятность выживания кванта, а не объемные коэффициенты рассеяния и поглощения.

Приведем решение задачи в случае измерения потоков солнечной радиации на верхней и нижней границах облачного слоя большой оптической толщины [2,4]:

(1)

где =1,427, а также введены следующие обозначения для величин:

(2)

и для функций:

(3)

Рассмотрим поле рассеянной радиации внутри оптически толстого облачного слоя. Процесс переноса излучения через облачный слой можно разбить на три этапа, а именно: прохождение излучения через верхний граничный слой, примыкающий к верхней границе облака = 0 (накачка); перенос в среде через слои, границы которых находятся внутри облачного слоя (диффузия), и прохождение излучения через слой, примыкающий к нижней границе облака = 0 (выход). Когда среда является оптически толстой, процессы накачки, диффузии и выхода можно считать независимыми [5].

Решения для параметра s2 и оптической толщины в указанных 3-х случаях дают следующие результаты, полученные в работах [6]:

подслой расположен между верхней границей облачного слоя и первым уровнем измерений (номера уровней измерений в облаке 0, 1)

 , (4)

уровни измерений находятся внутри облачного слоя на границах i-ого подслоя (номера уровней измерений i-1, i)

оптический протяженный облачность солнечный

, (5)

подслой находится между предпоследним уровнем измерений и нижней границей облачного слоя (номера уровней измерений n-1, n, где n - общее количество подслоев).

. (6)

Решение задачи в случае измерений солнечной радиации, отраженной или пропущенной облачным слоем позволяет определить его оптические параметры из данных спутниковых или наземных радиационных измерений. При этом необходимы результаты многоугловых измерений интенсивности отраженной (спутниковые измерения) или пропущенной (наземные измерения) солнечной радиации.

Предположим, что измеряется интенсивность отраженной радиации 1 и 2 при двух зенитных углах визирования arccos1 и arccos2. Тогда результат для параметра s2 и оптической толщины 0 принимает вид [7]:

(7)

При использовании данных наземных наблюдений пропущенной солнечной радиации i, полученных при двух зенитных углах визирования (arccos1,2) применяются формулы :

(8)

где обозначено: а функцииu0() иu2() включают учет альбедо подстилающей поверхности A согласно формулам:

Проиллюстрируем результаты, полученные на основе предложенной теории и данных самолетных спектральных радиационных экспериментов в различных географических регионах на рис. 1 [2,4].

Рис. 1. Спектральные объемные коэффициенты а) - рассеяния и б) - поглощения слоистого облака, полученные из данных самолетных экспериментов

На рисунке 2 показаны вертикальные зависимости оптических параметров слоистой облачности, полученные из данных самолетных измерений в условиях двухслойной слоистой облачности [2,6,7].

Результаты интерпретации спутниковых измерений прибором POLDER представлены на рисунке 3 для полосы пикселей размером около 60 км на широте 58.75 с.ш. и диапазона долготы от 23з.д. до 75в.д. [10].

Повышенные значения поглощения (рис. 3а) соответствуют пикселям с резко меняющимися значениями оптической толщины облака и, по-видимому, вызваны высокой погрешностью восстановления для пикселей с неоднородной по горизонтали облачностью.

В целом все результаты восстановления оптических параметров демонстрируют однородность значений, весьма гладкие спектральную зависимость и пространственный ход, что свидетельствует о соответствии свойствам реальной облачности.

Рис. 2. Вертикальные профили объемного коэффициента рассеяния (а) и поглощения (б), для отдельных длин волн, указанных на рисунке в мкм

Рис. 3. Величина 1-0 (а), и оптическая толщина и параметр затенения r x 100 (б) (тонкая пунктирная линия), как функции номера пикселя для трех длин волн 443нм - жирная сплошная линия; 670нм - жирная пунктирная линия; 865нм - жирная штриховая линия

ЛИТЕРАТУРА

1. Васильев А.В., Мельникова И.Н. Коротковолновое солнечное излучение в атмосфере Земли. Расчеты. Измерения. Интерпретация. Санкт-Петербург, НИИХ СПбГУ, 2002, 388с.

2. Stephens G.L. Optical properties of eight water cloud types., Technical Paper of CSIRO. Atmosph. Phys. Division. Aspendale. Australia. 1979, № 36

3. Мельникова И.Н. Спектральные коэффициенты рассеяния и поглощения в слоистых облаках. “Оптика атмосферы” т. 4, № 1, 1991

4. Иванов В.В. Перенос излучения в многослойной оптически толстой атмосфере. I. Труды Астрон. обс. Ленингр. ун-та., т. 32, 1976, с. 3-23.

5. Melnikova I.N., Mikhailov V.V. Vertical profile of spectral optical parameters of strati clouds from airborne radiative measurements. J. Geophys. Res., 2001, v. 106, No D21, pp. 27465-27471.

6. Мельникова И.Н. Вертикальный профиль спектральных коэффициентов рассеяния и поглощения слоистой облачности. 1. Теория. “Оптика атмосферы и океана”, 1998, т. 11, № 1, с. 5-11.

7. Melnikova I.N., Domnin P.I., Radionov V.F., Mikhailov V.V. Optical characteristics of clouds derived from measurements of reflected or transmitted solar radiation. J. Atmos. Sci., v. 57, No. 6, pp. 623-630, 2000

8. Мельникова И.Н., Домнин П.И., Радионов В.Ф. Восстановление оптической толщины и альбедо однократного рассеяния слоистого облака по измерениям отраженной и пропущенной солнечной радиации. Известия РАН, сер. ФАО, 1998, т. 34, № 5, с. 669-676.

9. Мельникова И.Н., Накаджима Т. Альбедо однократного рассеяния и оптическая толщина слоистых облаков, полученных из измерений отраженной солнечной радиации прибором «ПОЛДЕР». Исследования Земли из Космоса. 2000, №3, с. 1-16.

Размещено на Allbest.ru