Введение к работе
Исследование закономерностей переноса солнечного и теплового излучений в атмосфере Земли имеет фундаментальное значение для широкого круга научных и прикладных задач Проблема определения радиационного баланса системы «атмосфера- подстилающая поверхность» и его компонент требует учета пространственно-временных вариаций потоков солнечной радиации и теплового излучения Земли для создания надежных схем параметризации радиационных процессов в моделях прогноза погоды и предсказания климата Необходимость изучения полей яркости обусловлена широким использованием дистанционных методов зондирования, обеспечивающим восстановление характеристик атмосферы и подстилающей поверхности по данным спутниковых, самолетных и наземных измерений Благодаря многочисленным теоретическим и экспериментальным результатам, полученным к настоящему времени, определенные представления о закономерностях трансформации оптического излучения в атмосфере уже сформулированы в работах Т А Гермогеновой, Н И Гойсы, Э П Зеге, К Я Кондратьева, М С Малкевича, И Н Мельниковой, И Н Минина, ЮАР Мул-ламаа, В Е Павлова, Г В Розенберга, Л М Романовой, О И Смоктия, В В Соболева, Т А Сушкевич, Ю М Тимофеева, Е М Фейгельсон, Дж Даве, 3 Се-керы, С Чандрасекара и многих других отечественных и зарубежных исследователей Однако решение некоторых проблем, представленных ниже, требует более точного описания переноса радиации и определяет тем самым актуальность проводимых в этом направлении исследований
Согласно данным ВИ Биненко и К Я Кондратьева (1984), R Cess (1990, 1997), К Kiehl (1997) и др полученные с использованием различных моделей прогноза погоды и предсказания климата результаты расчетов радиационных форсинга облаков и баланса Земли в значительной степени отличаются как друг от друга, так и от данных наблюдений Одна из причин этого состоит в том, что взаимодействие облачности и радиации описывается в моделях недостаточно адекватно, поскольку расчет радиационных характеристик основан преимущественно на 2 (и более) -потоковых приближениях решения одномерного (ID) детерминированного уравнения переноса излучения (УПИ), а для учета вертикальной неоднородности используются гипотезы о максимальном/случайном перекрывании облаков Несоответствие между результатами численного моделирования и экспериментальными данными можно уменьшить, если вычислять радиационные характеристики с учетом пространственной неоднородности мезомасштабных облачных полей, размеры которых изменяются в диапазоне от нескольких километров до нескольких сотен километров (G Stephens, 1985) Это обстоятельство стимулировало развитие процедур генерирования облачных реализаций, нацеленных на более адекватное описание пространственной структуры облаков различных типов, а также совершенствование существующих
и развитие новых методов решения УПИ в вертикально- и горизонтально-неоднородной облачности
В настоящее время сведения о двух (2D)- и трехмерных (3D) реализациях облачности могут быть получены на основе наземных и спутниковых наблюдений и физически обоснованных параметризаций в рамках cloud-system-resolvmg models (CSRM), разрабатываемых в рамках программы Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX) Cloud System Study (GCSS) Математические модели развиты в рамках статистического подхода в работах А Н Валентюка, Б А Каргина, ЮАР Мулламаа, С М Пригарина, А Н Рублева, Г А Титова, Н Barker, F Evans, R Cahalan, A Davis, S Lovejoy, G Pomranmg, V Venema и др Краткий сравнительный анализ современных физических и математических моделей облачности представлен в гл 1 диссертационной работы
Поскольку ни один из существующих 1D радиационных кодов не в состоянии обеспечить адекватного расчета радиационных характеристик в горизонтально- и вертикально-неоднородных облачных реализациях, для моделирования переноса солнечного излучения используются различные модификации метода Монте-Карло (Barker et al, 2003) Идеология и особенности применения статистических алгоритмов, в том числе в пространственно неоднородных средах, описаны в работах Г И Марчука, Г А Михайлова, Б А Каргина и других отечественных и зарубежных специалистов, однако их практическая реализация требует тщательного тестирования ввиду сильной вертикальной и горизонтальной неоднородностей облачных полей Такое тестирование, участником которого был автор диссертационной работы, выполнено в рамках международного проекта I3RC (Intercom-parison of 3D Radiation Codes, Cahalan et al, 2005), подробно описанного в гл 3 Отметим, что другой подход к расчету радиационных характеристик в неоднородной рассеивающей и поглощающей среде основан на комбинации методов сферических гармоник и дискретных ординат Модификации этого подхода реализованы в виде пакета SHDOM (Spherical Harmonic Discrete Ordinate Method) американским ученым F Evans (1998) и сотрудниками ИПМ РАН -ТА Гермогеновой, Л П Бассом, О В Николаевой и др в радиационном коде РАДУГА (2005)
В настоящей работе используется оригинальная модель однослойной разорванной облачности на основе пуассоновских потоков точек, созданная в ИОА СО РАН под руководством Г А Титова (1996) Для всех стохастических моделей облаков (кроме предложенной G Pomranmg и его коллегами) расчет статистических характеристик радиации связан с численным усреднением УПИ, и, следовательно, необходимые затраты компьютерного времени существенно зависят от того, насколько трудоемкой является процедура построения одной реализации облачного поля Для статистически однородных облачных полей Г А Титовым совместно с Г Н Глазовым, В Н Ско-
риновым, Е И Касьяновым и автором настоящей работы на основе аналитического усреднения УПИ была получена замкнутая система уравнений для первого и второго моментов интенсивности, и развиты эффективные алгоритмы ее решения методом Монте-Карло (метод замкнутых уравнений -МЗУ) Предложенный подход, позволивший существенно сократить затраты компьютерного времени на вычисление средних радиационных характеристик, был использован для изучения влияния эффектов стохастической геометрии облаков на трансформацию солнечной радиации в разорванной облачности Однако на первом этапе работы (до начала 90-х гг XX в ) основное внимание уделялось исследованиям переноса излучения в видимом диапазоне, тогда как особенности, обусловленные молекулярным поглощением (в частности, в ближней ИК-области спектра), оставались вне поля зрения Нерешенными к середине 90-х гг оставались также вопросы более тщательной валидации пуассоновской модели и обобщения результатов на случай вертикально-неоднородных облаков
Процедура адекватного учета молекулярного поглощения является необходимой составляющей радиационных моделей, предназначенных для решения задач переноса излучения в реальной атмосфере В большинстве современных кодов учет молекулярного поглощения осуществляется на основе полинейных расчетов (метод line-by-line) или метода Л-распреде-лений Использование алгоритма полинейного счета, позволяющего учитывать тонкую структуру спектров поглощения, является в достаточной степени трудоемкой процедурой даже при использовании современных вычислительных средств Поэтому для уменьшения трудоемкости используются различные способы сокращения времени счета, такие как многосеточный алгоритм Б А Фомина (1995), селекция линий поглощения и редукция неоднородной трассы к эквивалентной однородной путем введения эффективных параметров полуширины линии и поглощающей массы (А А Мицель, ИВ Пташник, КМ Фирсов, Б А Фомин, 1995, 1999) Поскольку сочетание процедуры hne-by-hne с любыми методами решения УПИ даже с учетом этих приемов требует существенных затрат компьютерного времени, при вычислении радиационных характеристик в пределах полосы ДА, в настоящее время широко применяется метод ^-распределений (Goody et al, 1989, Fu and Liou, 1992)
Отметим, что одной из наиболее гибких, - с точки зрения учета постоянно обновляемой спектроскопической информации, - является группа моделей, разработанных в Atmospheric and Enviromental Research (AER), Inc , США и позволяющих рассчитывать монохроматические и широкополосные спектральные потоки излучения (Clough et al, 1992, 2005, Moncet et al, 1997, Mlawer et al, 1997) Однако модели AER, как и большинство других кодов, предназначены для расчетов радиационных характеристик в приближении горизонтально-однородной атмосферы Если рассеивающая и поглощающая
среда не является однородной (например, вследствие присутствия облаков), то для решения УПИ применяются преимущественно методы Монте-Карло (Cahalan et al, 2005) Среди наиболее известных радиационных кодов, которые могут быть использованы для расчета широко- и узкополосных потоков солнечного излучения в детерминированной пространственно неоднородной атмосфере, отметим MYSTIC (В Mayer, 2000), SHDOM (F Evans, 1998), SB3D(W O'HirokandC Gauttier, 1998)
С учетом сказанного целесообразным было использование предложенного Г А Титовым подхода для развития алгоритмов расчета средних {по облачным реализациям) радиационных характеристик с учетом молекулярного поглощения (гл 4) Эффективность вычисления средних потоков и полей яркости в ближней ИК-области спектра была достигнута за счет комбинации МЗУ, в основе которого лежит аналитическое усреднение уравнения переноса излучения, и метода зависимых испытаний (МЗИ) — одного из традиционных приемов теории методов Монте-Карло Стимулом для этой деятельности явилась также необходимость исследования влияния случайной геометрии облаков в задачах, связанных с «аномальным поглощением» и развитием параметризаций потоков коротковолновой радиации в мезомасштабных облачных полях (гл 6)
Предположение, что одной из возможных причин «аномального поглощения» может служить горизонтальная неоднородность реальных облаков, было высказано в работах целого ряда авторов (Stephens and Tsay, 1990) Обусловленная влиянием флуктуации оптических параметров изменчивость поглощения в сплошном облачном слое исследовалась, например, в работах ГА Титова (1996) Воздействие эффектов, обусловленных конечными размерами облаков, одним из первых рассмотрел R Davies (1984) Наша цель состояла в получении количественных оценок влияния стохастической геометрии на среднее поглощение солнечной радиации в облачном слое и атмосфере в целом
Проблема параметризации потоков коротковолнового излучения в облаках связана с выбором подхода, который мог бы обеспечить расчет радиационных характеристик с приемлемой точностью, определяемой постановкой конкретной задачи, при минимальных затратах компьютерного времени Для учета горизонтальной неоднородности в мезомасштабных облачных полях в ID-кодах моделей прогноза погоды и предсказания климата в настоящее время наиболее проработан подход на основе IPA (Independent Pixel Approximation, Cahalan et al, 1994) Этот подход является достаточно точным при расчете осредненных по площади потоков солнечного излучения для некоторых типов слоистообразных облаков (Barker, 1996, Zuidema and Evans, 1998) Однако возможность его использования для других типов облачности (в первую очередь тех, где закономерности формирования переноса оптического излучения в значительной степени определяются трех-
мерными (ЗО-эффектами облаков) до сих пор является предметом дискуссий (Barker et al, 1998, Benner and Evans, 2001) Первые параметризации радиационных характеристик ЗО-облаков, основанные на использовании эффективного балла облачности Ne, предложили в середине 80-х гг J Schmetz (1984), R Welch и В Wiehcki (1984, 1985) Параметризация, предложенная R Welch и В Wiehcki (1984, 1985), была разработана для модели облачного поля в виде регулярно расположенных в пространстве облаков одинаковой геометрической формы и оптической толщины (типа «шахматной доски») и предназначалась для описания радиационных характеристик в видимом диапазоне Вопрос о параметризации интегральных (по спектру) потоков солнечного излучения с учетом случайной геометрии облаков оставался открытым, что и стимулировало наши исследования в этом направлении
Таким образом, основная цель настоящей работы состояла в разработке модели трансформации солнечного излучения в различных атмосферных условиях и ее использовании для (і) совершенствования описания переноса коротковолновой радиации в пространственно неоднородной и стохастической облачности и (и) восстановления параметров атмосферы по данным дистанционного зондирования
Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи
-разработка и тестирование алгоритмов расчета радиационных характеристик атмосферы с учетом горизонтальной и вертикальной неоднородности облачных полей (с пространственным разрешением 50-100 м), гл 3,
-развитие эффективных алгоритмов учета молекулярного поглощения в различных условиях атмосферы (безоблачное небо, сплошная и разорванная облачность) и их тестирование на основе эталонных расчетов методом line-by-line и данных натурных измерений, гл 4 и 5,
— дальнейшая валидация пуассоновской модели облаков, гл 3 и 5,
-оценка влияния стохастической структуры разорванной облачности
на спектральное и интегральное поглощение в атмосфере, гл 6,
разработка параметризации средних потоков солнечной радиации с учетом случайной геометрии облачных полей, гл 6,
развитие простых методов восстановления аэрозольной оптической толщи рассеяния по данным измерений диффузной яркости в альмукантарате Солнца, гл 2
Научная новизна работы состоит в том, что созданная модель позволяет описывать закономерности переноса солнечной радиации в детерминированной атмосфере, включая пространственно неоднородные облака В отличие от результатов других авторов в состав модели включены алгоритмы расчета средних {по облачным реализациям) радиационных характеристик, основанные на аналитическом усреднении стохастического уравнения переноса излучения В рамках статистически однородной модели облаков на основе пуассоновских потоков точек на прямых
-модифицирован метод зависимых испытаний, предназначенный для расчета средних спектральных и интегральных потоков и полей яркости солнечного излучения на основе метода замкнутых уравнений,
-предложен новый оригинальный подход к валидации пуассоновской модели разорванной облачности на основе частично интегрированной каскадной и гауссовской моделей облаков,
получены оценки влияния стохастической геометрии на средние спектральные и интегральные потоки и поглощение в горизонтально-неоднородных облаках,
разработана параметризация интегральных потоков солнечной радиации на основе эффективного балла облачности
В диссертационной работе предложен новый метод восстановления оптической толщины рассеяния аэрозоля по данным измерений диффузной яркости в альмукантарате Солнца
Достоверность полученных результатов обеспечивается тем, что в их основе лежит фундаментальное уравнение переноса излучения со случайно распределенными оптическими параметрами В расчетах средних радиационных характеристик использована статистически однородная модель облаков на основе пуассоновских потоков точек на прямых и алгоритмы метода Монте-Карло для решения замкнутой системы уравнений относительно средней интенсивности Правомерность использования такого подхода подтверждена результатами валидации пуассоновской модели, выполненной с привлечением данных натурных измерений и расчетов в каскадной и гауссовской моделях стохастической облачности Представленное в рамках настоящей работы сопоставление (і) потоков и полей яркости в сложных вертикально- и горизонтально-неоднородных облачных реализациях в рамках международного проекта Intercompanson of 3D Radiation Codes и (и) спектральных потоков излучения с результатами эталонных полиней-ных расчетов и данными измерений свидетельствует об адекватном учете ЗБ-эффектов облаков и молекулярного поглощения в разработанных автором данной работы алгоритмах
Научная ценность полученных результатов состоит в том, что созданная модель существенно расширяет возможности исследования закономерностей переноса излучения в реальных атмосферных условиях На основе подхода к расчету средних радиационных характеристик, реализованного в рамках пуассоновской модели разорванной облачности, получены оценки влияния эффектов стохастической геометрии облаков в проблеме так называемого «аномального поглощения», и предложена эффективная параметризация интегральных потоков солнечной радиации в мезомасштабных облачных полях Эти результаты позволяют более адекватно описывать радиационные процессы подсеточного масштаба и тем самым способствуют совершенствованию радиационных блоков в моделях облакообразования,
прогноза погоды и предсказания климата Алгоритмы, разработанные для моделирования пространственного распределения потоков и полей яркости солнечного излучения в отдельных облачных реализациях, обеспечивают получение надежных оценок точности приближенных методов расчета радиационных характеристик облачных полей, генерируемых на основе наземных и спутниковых наблюдений в рамках стохастических моделей облаков и физически обоснованных параметризаций CSRM
Адекватное описание процессов взаимодействия солнечной радиации с аэрозолем и облаками (включая пространственно неоднородную и стохастическую облачность), корректный учет молекулярного поглощения и отражения от подстилающей поверхности обусловливают прогностические свойства разработанной модели и позволяют использовать ее для решения широкого круга прямых и обратных задач атмосферной оптики
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные в рамках модели алгоритмы метода Монте-Карло обеспечивают эффективный расчет спектральных и интегральных радиационных характеристик с учетом рассеяния и поглощения излучения аэрозолем, сплошной и разорванной облачностью, атмосферными газами, а также отражения от подстилающей поверхности Вычислительная схема учета молекулярного поглощения позволяет использовать в расчетах новейшие спектроскопические данные, а также информацию об аппаратной функции прибора, реальных метеорологических профилях и концентрации атмосферных газов Указанные особенности модели позволяют более точно интерпретировать экспериментальные данные, что способствует улучшению понимания особенностей переноса солнечного излучения в земной атмосфере
Интернет-доступная численная модель эффективного балла облачности является основой для расчета интегральных по спектру потоков коротковолновой радиации с учетом стохастической геометрии облаков и современных достижений теории переноса излучения для горизонтально однородной облачной атмосферы Созданная нами база данных потоков фотосинтетиче-ски активной радиации (ФАР, 400-700 нм) обеспечивает быстрый расчет среднемесячных значений ФАР в зависимости от географической широты, месяца и типа подстилающей поверхности Развитый в работе интегральный метод восстановления аэрозольной оптической толщи рассеяния может быть использован для анализа обширных рядов измерений диффузной яркости в альмукантарате Солнца и улучшения региональных моделей оптических характеристик аэрозоля
Результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ №95-05-14161, 00-05-65456, 02-05-64492, 03-05-64655, 04-05-64579, 05-05-64410, 06-05-64484, а также международных проектов DOE's ARM Program (контракты N350114-A-Q1,352654-A-Q1 и 5012) и Европейского космического агентства (ESA/IFA project «С02 retrieval over boreal forest») Алгоритмы
расчета спектральных потоков и полей яркости солнечной радиации внедрены и используются для решения прямых и обратных задач атмосферной оптики в ИФА РАН, ИВЭП СО РАН и АГУ (г Барнаул)
На защиту выносятся следующие положения:
Разработана модель переноса солнечного излучения, обеспечивающая корректный расчет радиационных характеристик в различных атмосферных условиях, включая пространственно неоднородную и стохастическую облачность Достоверность результатов моделирования подтверждена (і) сопоставлением с расчетами в рамках международного проекта «Intercompan-son of 3D Radiation Codes» и (п) результатами тестирования с эталонными полинейными расчетами и экспериментальными данными
Предложенная модификация метода зависимых испытаний в сочетании с методом замкнутых уравнений обеспечивает эффективное вычисление средних спектральных потоков излучения в ближней ИК-области спектра в разорванных облаках с относительной погрешностью, не превышающей 3%
Разработанная схема опосредованной валидации статистически однородной пуассоновской модели разорванной облачности подтверждает, что данная модель и развитый в ее рамках метод замкнутых уравнений позволяют адекватно описывать средние потоки и поля яркости солнечного излучения, трансформированного облачными полями со случайной геометрией
Влияние стохастической геометрии облачности на поглощение солнечной радиации не превышает в основном 5-Ю Вт/м2 относительно расчетов в горизонтально-однородной модели атмосферы Следовательно, эти эффекты не могут рассматриваться как основная причина расхождений между результатами численного моделирования и экспериментальными данными в так называемой проблеме «аномального поглощения» в облаках
Предложенная параметризация средних потоков излучения в спектральном интервале 0,4-3,6 мкм обеспечивает учет эффектов, обусловленных случайной геометрией облаков, в пределах погрешности 3% по отношению к эталонным расчетам
6 Основанный на идее В Е Павлова новый интегральный метод вос
становления аэрозольной оптической толщины рассеяния (АОТР) в видимой
области спектра, по данным измерений диффузной яркости неба в альму
кантарате Солнца, позволяет определить АОТР с погрешностью 0,03-0,05
в условиях повышенной замутненности атмосферы та(500 нм) > 0,4 и атмо
сферной массы 2 < т < 5
Апробация результатов. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на межреспубликанских и международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (г Томск, 1994-2000, 2002, 2003), международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация» (г Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2004, 2006), рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г Томск, 2002-2004, 2006), International Radiation Symposium Current
problems in atmospheric radiation (IRS-96, IRS-2000, IRS-2004), 8-th Scientific Assembly of LAMAS (2001), ежегодных ARM Science Team Meetings (1994-1996, 1999, 2001, 2003-2006), 31-st International Symposium on Remote Sensing of Environment (Russia, 2005), EOS/SPIE Syposium on Remote Sensing (Spain, 1998, Italy, 1999), Spring Meeting Program AGU (USA, 1999), Workshop «Intercompanson of 3D Radiation Codes» (USA, 1999, Germany, 2005), NATO ASI «Photopolanmetry m Remote Sensing» (Ukraine, 2003), Workshops on Multiple Scattering LIDAR Experiments (Germany, 2002, Russia, 2004)
По результатам работы опубликовано 25 работ в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах Результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на семинарах ИОА СО РАН (г Томск), ИВМиМГ СО РАН (г Новосибирск), ИВЭП СО РАН (г Барнаул), ИФА РАН (г Москва)
Вклад автора в совместные публикаций заключается в постановке большинства рассматриваемых задач Им разработаны и реализованы практически все используемые в работе алгоритмы статистического моделирования, выполнены основные расчеты радиационных характеристик для безоблачного неба, а также при наличии сплошной и разорванной облачности
Закономерности переноса излучения в аэрозольно-газовой атмосфере в пригоризонтной зоне небосвода исследовались совместно с С М Сакери-ным и И М Насртдиновым Методы восстановления аэрозольной оптической толщи рассеяния, по данным измерения диффузной радиации в альмукантарате Солнца, разработаны совместно с В Е Павловым, В В Пашне-вым и А С Шестухиным Оценки влияния отклонений от идеальной «косинусной характеристики» приемника на точность восстановления альбедо однократного рассеяния аэрозоля получены в сотрудничестве с М А Сви-риденковым Совместно с A Marshak и А Н Рублевым выполнена валида-ция пуассоновской модели облаков на основе частично интегрированной каскадной и гауссовской моделей стохастической облачности Процедура учета молекулярного поглощения в алгоритмах расчета спектральных радиационных характеристик (метод ^-распределений) разработана и реализована при участии К М Фирсова и Т Ю Чесноковой Подход к параметризации интегральных потоков солнечного излучения обсуждался с Г А Титовым, а затем был реализован автором диссертационной работы
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений Общий объем работы составляет 240 страниц текста (без приложений), включая 52 рисунка, 31 таблицу Список литературы содержит 326 наименований
