Дистанционное оптическое зондирование аэрозоля, температуры и основных малых газовых составляющих атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Г Г Б ОД ' 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

Маричев Валерий Николаевич

ДИСТАНЦИОННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АЭРОЗОЛЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ОСНОВНЫХ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ АТМОСФЕРЫ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН Научный консультант'. член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор Зуев Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Павлов Владимир Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор Глазов Григорий Наумович

доктор физико-математических наук, профессор Копытин Юрий Дмитриевич

Ведущая организация: Центральная аэрологическая обсерватория

г. Долгопрудный, Московская область

Защита состоится в 1тчас. мин

на заседании диссертационного совета Д200.38.01 в Институте оптики атмосферы СО Р (643055, г. Томск, пр. Академический, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы РАН (634055, г. Томск, пр Академический, 1).

Автореферат разослан 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д ф -м.н.

Веретенников В В.

Актуальность темы и состояние вопроса

Актуальная проблема изменения климата, в котором важную роль играет атмосфера, ее оптически активные компоненты, приводит к необходимости организации мониторинга атмосферы. Оценка изменения климата возможна лишь с помощью многопараметрических теоретических моделей, для создания которой требуются в том числе данные о пространственно-временном распределении озона, паров воды и других малых газовых составляющих (МГС), аэрозоля и термодинамических характеристик атмосферы. Естественно, что получение такой информации возможно на основе проведения регулярных измерений компонент и характеристик, оказывающих заметное влияние на климатообразование, а также анализа полученных рядов данных.

Традиционно, мониторинг состояния атмосферы выполняется и развивается с применением контактных (прямых) и дистанционных (косвенных) методов исследований. Контактные методы, к которым относятся аэрологическое, аэростатное, самолетное и ракетное зондирование, а также наземные измерения, как следствие более раннего возникновения и развития, к настоящему времени получили большое распространение. Например, многие развитые страны имеют собственную сеть зондирования атмосферы с помощью радиозондов. Однако эти методы не могут полностью удовлетворить требования современных исследований из-за таких серьезных трудностей и недостатков, как:

- при получении пространственно-разрешенных характеристик атмосферы необходимо средство для перемещения метеодатчика, заборника, детектора или прибора-анализатора;

- сетевые носители-радиозонды и метеоракеты используются как одноразовые подъемные средства, что вызывает удорожание наблюдений, и, в частности, на примере отечественной метеосети приводит к вынужденным их сокращениям;

- при измерениях проявляется возмущающее действие прибора на исследуемую воздушную среду, учет которого затруднителен и не всегда возможен.

К частным недостаткам радиозондов относятся невозможность получения параметров атмосферы в заранее заданном направлении, инерционность измерений, приводящая к недостаточному пространственному разрешению. Кроме того, радиозонды в редких случаях поднимаются до высот 30 км (чаще всего достигают высот 20-25 км). Самолетные, аэростатные и ракетные средства зондирования не могут обеспечить массовость измерений из-за их дороговизны и зависимости от погодных условий.

Градиентные наблюдения, проводимые на метеомачтах, ограничены высотой в несколько десятков, в отдельных случаях - сотен метров.

Дистанционные методы зондирования атмосферы основаны на измерении и интерпретации характеристик электромагнитного и акустического трансформированного поля после его взаимодействия с исследуемой средой. Дистанционные измерения составляющих и параметров атмосферы осуществляются двумя методами: пассивными и активными. К первой группе относятся спектрометрические (радиометрические) методы зондирования, базирующиеся на измерении и анализе спектрального состава солнечной радиации и теплового излучения атмосферы (полосы поглощения в ИК-диапазоне и отдельные теллурические линии в микроволновом диапазоне для 03, Н2О и других МГС ) с земли, аэростатов, самолетов или космических аппаратов. В нашей стране эти методы зондирования получили развитие в работах НИИ ЛГУ, ГГО и ИПФ РАН и активно используются для измерения содержания МГС в атмосфере. Достоинство спектроскопического метода зондирования заключается в относительной простоте его аппаратурной реализации и эксперимента, глобальном характере измерений (при наблюдениях со спутников). Недостатки косвенных измерений связаны с решением некорректных обратных задач при отсутствии точных начальных данных о реальных характеристиках атмосферы, вследствие чего ограничивается точность получаемых результатов и пространственное разрешение, а также наблюдаются трудности в восстановлении пространственных профилей МГС в слоях атмосферы с резкой изменчивостью ее физических свойств. Кроме того, зондирование Оз, НгО и других МГС в микроволновом диапазоне возможно только на больших высотах (Н>20 км), поскольку внизу происходит размытие теллурических линий.

Активные методы зондирования атмосферы можно разделить на лазерные, акустические и прожекторные (здесь не рассматривается метод зондирования заряженных компонент в ионосфере с помощью СВЧ - излучения). Из-за ограниченности дальности действия акустическое зондирование в основном может быть использовано для исследования свойств пограничного слоя атмосферы. Прожекторное зондирование наиболее приемлемо для измерения интегральных характеристик, например, как общего содержания газов на трассах или аэрозольных оптических толщ. Его отличает простота реализации и аппаратурная надежность. Из активных методов исследования атмосферы наиболее прогрессивным является лазерное зондирование, которое позволяет измерять составляющие и параметры атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением и с охватом

диапазона высот от приземного слоя до мезосферы. В этом заключается главное преимущество и уникальность лидарного метода перед описанными выше. Как и любому другому методу, лидарному присущи определенные недостатки, связанные с ограничением по погодным условиям, возможностью выполнением ряда измерений только в ночное время, сложность аппаратуры, трудностью в создании многоцелевых лидарных комплексов. Поэтому естественно, имея ввиду уникальные возможности лидарного метода и достоинства других методов, следует рассматривать их как взаимодополняющие друг друга в интересах всестороннего исследования атмосферы.

Начало применения лазеров для зондирования атмосферы относится к 60-ым годам. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в этой области в таких странах, как США, ФРГ, Франция, Россия, Япония. В России и странах СНГ исследования атмосферы лидарными методами получили развитие в работах ученых таких институтов и организаций, как ЦАО, ИОА, ИПГ, НПО "Тайфун", ГГО, МГУ, ИОФАН, ЦФП, ИФ АНБ, ИСАН, ХИРЭ, ИКИ АНК. В настоящее время обозначается тенденция создания лидарных станций для сетевых наблюдений. Но, к сожалению, станций, работающих в режиме регулярных наблюдений нескольких характеристик атмосферы, сейчас насчитывается не больше десяти в мире. Как правило, исследования атмосферы проводятся отдельными лидарами, каждый из которых способен измерять только одну составляющую (характеристику) атмосферы.

Необходимо также отметить, что если физические принципы, на которых базируется применение лидарного метода, сейчас изучены достаточно хорошо, то остается широкий простор в плане разработки новых методик и современной аппаратуры с целью расширения возможностей лазерного зондирования атмосферы.

С учетом разнообразия и сложности свойств атмосферы, для проведения ее оптических исследований на современном уровне уже недостаточно единичных измерений отдельных составляющих и параметров атмосферы в ограниченном числе пунктов. Требуется :

- одновременное зондирование максимально-доступного числа компонентов и параметров атмосферы (термодинамические характеристики, МГС, аэрозоль);

- повышение качественных и количественных дифференциальных (профили) и интегральных (общее содержание, оптические толщи) характеристик измерений (точность, чувствительность, пространственно-временное разрешение, диапазон высот, дальность и потолок зондирования);

- проведение исследований на основе регулярных наблюдений и накопление долговременных рядов данных;

- выполнение наблюдений в ряде разделенных пунктов, т.е. в составе объединенной

сети.

Цель работы

В соответствии с вышеизложенным материалом и предъявленными требованиями цель работы ставилась следующим образом; развитие методов и разработка средств лазерного и оптического (некогерентного) дистанционного зондирования максимально доступного количества климатообразующих и экологически значимых компонентов и параметров атмосферы в расширенном пространственно-временном масштабе для получения, накопления и использования данных в интересах задач исследований изменения климата и экологии окружающей среды.

Основные задачи исследований

1. Разработка и развитие методов и средств лазерного зондирования климатоэкологических компонент и параметров в тропосфере и стратосфере Земли: водяного пара, озона, аэрозоля, температуры.

2. Разработка оптических (нелазерных) способов и средств дистанционного зондирования МГС (озон, двуокись азота, водяной пар) и аэрозоля атмосферы.

3. Организация оптического контроля за вертикальным распределением (ВР) Оз, N02, Т, Н2О и вертикальной стратификацией аэрозоля, общим содержанием озона и ТЧОг и спектральной оптической толщей аэрозоля.

4. Накопление рядов данных в интересах задач климатологии и экологии, фрагментный анализ данных, проводимый как с целью показа преимуществ комплексного использования лидарных и спектрофотометрических методов, способов и средств в изучении свойств атмосферы, так и на предмет исследования особенностей пространственно-временного распределения климатоэкологических характеристик атмосферы, их взаимодействия и связи с атмосферными процессами

Научная новизна

1. На базе трех лидарных методов: метода упругого рассеяния, метода дифференциального поглощения и метода спонтанного комбинационного рассеяния света разработан и создан комплекс средств лазерного зондирования атмосферы, включая лазерный локатор для измерения влажности атмосферы с экспериментально подтвержденной высотой зондирования до 17 км, и многофункциональный УФ-В лидарный комплекс для одновременного зондирования озона, аэрозоля и температуры в тропосфере и стратосфере Земли, а также предложены и технически реализованы оригинальные оптические способы дистанционного зондирования МТС (0?, N02, Н20) и аэрозоля атмосферы,

2. Разработаны, развиты и усовершенствованы методики лазерного зондирования МГС, аэрозоля и температуры атмосферы, значительно повышающие точность и расширяющие высотный диапазон лидарных измерений. В частности

методика одночастотного зондирования аэрозоля, минимизирующая ошибку восстановления стратификации аэрозоля на 20-30% по сравнению с известными за счет использования данных метеозондов, калибровки эхо-сигналов на удлиненном участке высот 25-30 км, коррекцию аппаратурных искажений лидарных сигналов и учету влияния рассеивающих параметров атмосферы..

- методика зондирования температуры по молекулярному рассеянию света, в которой учет прозрачности атмосферы и применение более короткой длины волны лазера (353 нм) позволил впервые расширить диапазон высот зондирования температуры за счет использования эхосигналов с более низких высот 13-15 км.

- методика зондирования МГС по дифференциальному поглощению излучения, где впервые для обработки лидарных сигналов использованы математические методы решения обратных некорректных задач, дающих единственную возможность восстановления профилей концентрации газов при малых уровнях эхо-сигналов. Для данной методики исследованы два принципиально разных варианта реализации МДП: для узкой изолированной линии поглощения( молекулы Н20, = 694,38 нм) и для полосы поглощения ( молекулы О.;, А™ = 308 нм, Хой = 353 нм) зондируемого газа, по результатам которых выработаны требования к оптимизации спектральных характеристик лидара (при зондировании влажности) и предложены способы по устранению искажающего влияния аэрозольной и температурной стратификации (при зондировании озона)

- нетрадиционная методика зондирования температуры, в которой носителем информации о пространственном распределении этого параметра являются суммарные по спектральному составу СКР-лидарные сигналы , которые пропорциональны плотности молекул зондируемого газа. В настоящем работе это молекулы азота, возбуждение 1-го колебательно-вращательного перехода которых впервые осуществлялось ВКР-преобразованным (353 нм) излучением эксимерного ХеСЬлазера (308 нм) в кювете с водородом.

3. При использовании рамановского (/-о =353нм, /.к=384 нм) и двух релеевских 0.1=353 нм, /.2=532 нм) лидаров впервые перекрыт высотный диапазон зондирования температуры в тропосфере, стратосфере и нижней мезосфере (2-75 км.).

4. При исследования поля влажности в тропосфере в условиях устойчивой метеорологической ситуации

- экспериментально подтверждено существенное влияние характера и свойств подстилающей поверхности на горизонтальное распределение влажности в приземном слое атмосферы: размеры неоднородностей в профилях влажности хорошо коррелируют с изменением рельефа и типом подстилающей поверхности.

- в вертикальном распределении концентрации водяного пара наряду с монотонным убыванием влажности с высотой в пограничном слое обнаружены ее инверсионные слои.

5. В цикле работ по лидарному зондированию аэрозоля

для периода фонового стратосферного аэрозоля (1986 - 1991 гг.) установлены усиление процессов тропосферно-стратосферного обмена зимой и ослабления летом и неустойчивость аэрозольной стратификации, проявляющейся весной и стабилизирующейся летом; отмечены колебания высот уровня тропопаузы и максимума слоя Юнге, которые происходят синхронно (коэффициент корреляции г = 0.75) с наибольшей амплитудой летом и наименьшей зимой согласно закономерности р АН2 = const, где р и йН - плотность воздуха и амплитуда колебаний на этих высотах, что свидетельствуют о процессе распространения атмосферных волн без энергетических потерь; обнаружено образование рассеивающих слоев в стратосфере, локализованных на высотах 22-25 км и 30-40 км, которые по времени коррелируют с периодами повышенной солнечной активности.

- в период поствулканического возмущения стратосферы (июль 1991-1995гг.) отслежена динамика распространения и изменчивости эрруптивного аэрозольного облака от извержения вулкана Пинатубо над Томском., даны интегральные и дифференциальные

оценки аэрозольного наполнения стратосферы, проведен сравнительный анализ с результатами наблюдений ряда лидарных станций Северного полушария.

6. По данным лидарного зондирования озона было получено, что :

- для вертикального распределения озона (ВРО) в условиях фонового СА наибольшая и наименьшая высота локализации максимума озонного слоя наблюдается летом и зимой, на Н = 22-33 км и Н = 18-21 км, соответственно. Сравнение средних ВРО и их изменчивости с наблюдениями озонометрической станции Легионово (52° с.ш., 21° в.д.) показало, что в зимне-весенний период отмечается хорошее сходство в ВРО в интервале высот 13-20 км. и на высотах 29 км.; в летне-осенний период во всей стратосфере, а также в зимне-осенний в интервале высот 20-29 км., концентрация озона над ст.Легионово выше, чем над г.Томском; профили изменчивости ВРО во всей стратосфере на обеих пунктах наблюдений близки между собой. Отмеченные особенности ВРО объясняются условиями стратосферной мередианальной циркуляции.

- в эрруптивно-возмущенной стратосфере проявляется отрицательная корреляция между концентрациями озона и аэрозоля в слоях с высоким содержанием аэрозоля, что подтверждает деструктивное воздействие последнего на озон при значительных уровнях аэрозольных загрязнений.

7. Анализ ряда лидарных наблюдений стратосферного озона за период с 1989г. по настоящее время, выполненный с привлечением синоптической информации и литературных данных, показал на преобладающую роль динамических процессов в формировании ВРО в нижней стратосфере. Особую значимость в исследовании динамики озоносферы приобретает принцип Норманда-Добсона, который, используя информацию о ВРО и ВРТ, дает возможность разделить и оценить влияние и вклад динамических процессов горизонтальной адвекции и вертикального движения воздушных потоков на изменение ВРО и ВРТ; вертикальные профили озона и температуры, в данном случае, можно рассматривать как трассеры динамических процессов.

8. При проведении лидарных и спектрофотометрических исследованиях состояния озоносферы (измерения ВРО, ВРТ, ВР Ш2.ОСО , ОС N02) выявлены

- существование периода времени с выраженной отрицательной корреляцией озона и двуокиси азота в стратосфере, что свидетельствует о проявлении фотохимических процессов азотного цикла разрушения озона; указанный период времени соответствует периоду зимне-весенней сезонной перестройки циркуляции, когда в стратосфере сводится к минимуму зональный и меридиональный перенос воздушных масс .

-случаи с взаимосвязанными положительными аномалиями ВРО и ОСО, обусловленные процессами адвекции полярных воздушных масс и нисходящих потоков воздуха, и обнаружено, что при положительных аномалиях озона за 2-4 дня до наблюдения максимального О СО отмечается резкое разовое возрастание вечернего содержания N02 в слое от верхней тропосферы до нижней стратосферы. Выдвинуто предположение, что данный эффект вызван суперпозицией особенностей широтного распределения содержания N02 и выноса арктического воздуха с последующим фотохимическим восстановлением N02 из соединений-резервуаров, происходящего под действием солнечной радиации.

Научная и практическая значимость.

1. Разработанный и созданный автором УФ-В лидарный комплекс в составе Сибирской лидарной станции, являющейся единственной точкой лидарного мониторинга в азиатской части Росси, используется в регулярных измерениях вертикального распределения озона и температуры и стратификации аэрозоля в тропосфере и стратосфере для накопления многолетних рядов данных.

1. Результаты работы могут быть использованы для создания многоцелевых лидарных комплексов с улучшенными тактико-техническими характеристиками для одновременного зондирования ряда компонент и параметров атмосферы, а также спектрофотометров для измерений МГС и аэрозоля.

3. Накопленные долговременные ряды лидарных наблюдений за вертикальным распределением озона и температуры и стратификацией аэрозоля в стратосфере (аэрозоля - с 1986 г., озона - с 1989 г., температуры - с 1995 г. по настоящее время), которые представляют несомненный интерес для исследования физических свойств атмосферы, задач климатологии и экологии, создания региональной модели атмосферы.

4. По разработанным методикам обработки данных в завершенном виде созданы универсальные пакеты программ, которые могут быть рекомендованы для обработки эхо-сигналов при восстановлении профилей озона, влажности, температуры и стратификации аэрозоля, получаемых различными типами лидаров.

Основные защищаемые положения:

1. Реализация в едином лидарном комплексе методов дифференциального поглощения, упругого и комбинационного рассеяния света обеспечивает одновременное измерение вертикального распределения озона, температуры и аэрозольной стратификации в тропосфере и стратосфере. При этом использование в методике обработки данных реальных профилей температуры и аэрозольной стратификации устраняет погрешность а восстановлении профилей концентрации озона, вызванную влиянием температуры и аэрозоля, которая на отдельных участках профиля может достигать 30-40%, а одновременное использование рамановского (384 нм) и релеевского (353 и 532 нм) эхо-сигналов позволяет вести зондирование температуры в расширенном интервале высот 2 75 км.

2. При фоновом содержании аэрозоля в атмосфере:

-сезонная изменчивость отношения рассеяния в области тропопаузы обусловлена процессами тропосферно-стратосферного обмена воздушных масс с усилением их зимой и ослаблением летом;

-колебания уровней тропопаузы и высоты максимума стратосферного аэрозольного слоя происходят синхронно и имеют выраженный сезонный характер с максимумом летом и минимумом зимой, при этом плотность воздуха р и амплитуда колебаний ДН на этих высотах подчиняются закономерности р»ДН2 = const, что свойственно для волновых процессов в атмосфере, распространяющихся без энергетических потерь,

3. Применение при лазерном зондировании влажности атмосферы разработанных.

-комплекса аппаратуры, включая перестраиваемый по частоте лазер на рубине с

узким спектром излучения и высокой воспроизводимостью длины волны излучения;

-методики с высокочастотной спектральной настройкой, проводимой с помощью спектрофона;

-данных теоретического анализа атмосферных профилей массового коэффициента поглощения линии поглощения НгО (X = 694,38 нм) и математического аппарата сплайн-функций обработки лидарных данных обеспечивает при наблюдениях с уровня Земли оперативное определение вертикального распределения концентрации водяного пара во всей толще тропосферы и в отдельных случаях нижней стратосферы и тонкой структуры поля влажности до расстояний 2 км

4. Качественные и количественные результаты синхронных лидарных измерений вертикального распределения озона, температуры и аэрозоля позволяют использовать последние как трассеры динамических процессов, происходящих в нижней и средней стратосфере.

5. Данные комплексного оптического зондирования озона, аэрозоля, температуры и двуокиси азота позволяют в условиях стационирования динамических процессов выделить временные периоды с преобладающим вкладом фотохимических процессов на формирование озоносферы средней стратосферы.

Достоверность результатов, выводов и положений диссертационной работы обеспечивается:

-тщательной разработкой методик, минимизирующих погрешности измерений,

- анализом точностных характеристик восстановления зондируемых компонент и параметров атмосферы, проведенного как в модельных численных экспериментах, так и на основе реальных сигналов;

- надежностью аппаратуры и высокой точностью измерений, градуировкой и калибровкой;

- соответствием полученных данных с контрольными измерениями,

-качественным и количественным соответствием полученных результатов, выводов,

зависимостей с имеющимися современными теоретическими и экспериментальными данными о физических свойствах атмосферы.

Апробация работы

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных и Межреспубликанских симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск. 1971, 1973, 1979), на Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск 1974, 1976, 1978, 1980. 1982, 1984, 1986, 1993), на Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск. 1995, 1996, 1997), на Всесоюзном симпозиуме "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1975), на совещаниях проблемно-теоретической группы по теоретической астрономии секции астрономии АСАН СССР (Иркутск, 1986), международной рабочей группы по исследованию электродинамики и состава мезосферы (Нижний Новгород, 1992), на Международных

конференциях и симпозиумах по лазерной локации (Мюнхен, 1979), по применению лидаров в исследованиях атмосферной радиации и климата (Гамбург, 1982), по лидарам (Энс-Эль-Прованс, 1984), по использованию лазерных локаторов (Иннишен-Сан Кандидо, 1988), по лазерам и их применению (Пловдив, 1988), конференции по лазерной оптике (Санкт-Петербург, 1995), по лидарам (Берлин, 1996), а также в других Международных, межведомственных и региональных рабочих семинарах и совещаниях.

Использование результатов работы и их внедрение

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении региональных, государственных и международных научных и научно-технических программ, ряда госбюджетных и хоздоговорных тем и отражены в соответствующих отчетах. Среди указанных программ следует отметить: НТП 'Сибирь' , ГНТП России "Глобальные изменения природной среды и климата", разделы ТОР и ТЕЗЬАБ международного проекта ЕТЖОТЯАС, российско -китайский проект "Лазерные технологии в климато-экологическом мониторинге", российско-американский проект по сотрудничеству в области охраны окружающей среды. Разработанный многофункциональный лидарный комплекс и полученные и накопленные на нем результаты исследований явились важным фактором для включения Сибирской лидарной станции в число уникальных установок России (рег..ЛЬ01-64). Полученные материалы использованы в нескольких организациях страны; на некоторые из них имеются акты внедрения.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 37 статей в отечественных и 4 в зарубежных научных журналах, получено 8 авторских свидетельств.

Личный вклад

Диссертация является обобщением работ по проблемам дистанционного оптического зондирования атмосферы, выполненных в Институте оптики атмосферы СО РАН. за период 1971-1997 г.г.

Личный вклад автора состоял в постановке научных задач теоретических и экспериментальных исследований, научным руководством проводимых исследований и непосредственным участием в них.

Особенно следует отметить личный вклад автора в разработку и создание лазерного локатора по зондированию влажности атмосферы, многоцелевого УФ-В лидарного комплекса для зондирования озона, аэрозоля и температуры, а также разработку методик зондирования атмосферы и организацию, проведение и накопление долговременных рядов наблюдений за вышеуказанными компонентами и параметрами атмосферы. Широкий круг и сложность рассматриваемых и решаемых вопросов предопределило необходимость коллективной работы. Так все экспериментальные работы по лазерному и спектрофотомегрическому зондированию атмосферы проводились с участием сотруднихов лабораторий оптического зондирования атмосферы, спектроскопических методов зондирования, высотного зондирования и дистанционной спектроскопии атмосферы. Большая часть результатов была получена в лабораториях оптического зондирования и дистанционной спектроскопии атмосферы

Математическая обработка лидарных данных по зондированию влажности атмосферы и теоретический анализ особенностей поглощения лазерного излучения узкой изолированной линией молекул НгО проводился совместно с A.A. Мицелем, разработка методик и пакета программ по восстановлению профилей озона из лидарных сигналов -совместно с М.Ю.Катаевым

В организации исследований, анализе и обсуждении полученных результатов активная помощь и участие оказывались И В. Самохваловым и В.В. Зуевым, которые являются соавторами в ряде публикаций.

При выполнении диссертационной работы непосредственная поддержка и интерес к ней постоянно проявлялись со стороны директора Института оптики атмосферы академика В .Е Зуева.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 270 страниц текста, 102 рисунка, 17 таблиц и 245 литературных ссылок.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации, кратко проанализировано состояние вопроса, определено место работы и суть решаемой проблемы, сформулированы цель и основные задачи исследований, подчеркнуты научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведено исследование вопросов лазерного зондирования аэрозоля, начиная с методологических аспектов, включая аспекты аппаратурной разработки и реализации, и заканчивая результатами лидарных исследований стратосферного аэрозоля. В рамках метода упругого рассеяния разработана методика восстановления аэрозольной стратификации верхней тропосферы и нижней стратосферы по данным одночастотного зондирования (разд. 1.1.) Для корректного разделения аэрозольной и молекулярной компонент рассеяния использовались данные измерений метеозондов, по которым впоследствии при накоплении данных построена региональная модель молекулярной атмосферы. Калибровка эхо-сигналов на молекулярное рассеяние света проводилась на участке высот 25-30 км, для которого: отсутствуют аэрозольные слои, уровень эхо-сигналов остается достаточно высоким, а сама протяженность участка путем усреднения сигнала позволяет устранить его флуктуации.

В разделе 1.1.2. показано влияние аппаратурных и атмосферных факторов на искажение реальных лидарных сигналов. К первому фактору относятся три возможных источника искажений: возникновение импульсов последействия ФЭУ, просчеты одноэлектронных импульсов, статистические погрешности измерений; ко второму фактору -влияние аэрозольной прозрачности атмосферы..

Для каждого конкретного источника аппаратурных искажений предложены меры по их учету и устранению, что в последствии было использовано также в методах ДП и СКР. Установлено, что погрешность за счет молекулярной прозрачности атмосферы несущественна (-1%). Значительно важнее вклад от аэрозольной составляющей. В связи с чем на основе априорной связи между обратным и полным аэрозольными коэффициентами рассеяния была разработана итерационная методика, учитывающая аэрозольное ослабление

и дающая возможность заметного повышения точности восстановления аэрозольной стратификации атмосферы на высотах ниже 16 км. Проведена комплексная оценка погрешности расчета аэрозольного отношения рассеяния, которая при типичных условиях накопления эхо-сигналов составляла 2 - 5% для высот 20-30 км.

Для реализации лидарного метода упругого рассеяния (рассеяние Ми) был разработан, создан и введен в режим дежурных наблюдений аэрозольный УФ-В-лидар,описание которого приводится в разделе 1.1.3. Лидаром определяется вертикальная стратификация аэрозоля в верхней половике тропосферы и стратосферы до высот 40 км и более при зондировании на длинах волн 532 или 353 нм.(твердотельный лазер на алюмоитгриевом гранате и эксимерный ХеС1-лазер с ВКР-преоброзованием на водороде). Приемником лидарных сигналов служит телескоп с диаметром зеркала 1 м, выполненный по схеме Ньютона. Пространственное разрешение по сигналам составляло 12 и 100 м, при восстановлении вертикальных профилей отношения рассеяния -0.1-1 хм, время накопления для единичного профиля 15-25 мин. При повышении точности обработки данных и измерении на больших высотах масштабы пространственно-временного разрешения возрастают.

Создано и отработано программное обеспечение УФ-В-лидара, состоящее из двух пакетов программ: одного для управления измерениями и другого для обработки данных при восстановлении профилей аэрозольного рассеяния.

По результатам лидарных наблюдений накоплены ряды вертикальной стратификации аэрозоля в стратосфере с 1986 г. по настоящее время, которые анализируются в разделе 1.3.

Так для фонового CA (1986-1991 гг.)

- особенности сезонных профилей аэрозольного отношения рассеяния и его межуровневых корреляционных связей свидетельствуют о процессах усиления тропосферно-стратосферного обмена зимой и ослабления летом, а также о неустойчивой аэрозольной стратификации весной и стабильной летом (рис.1),

- колебания высоты уровня тропопаузы и максимума аэрозольного слоя Юнге происходят синхронно (коэффициент корреляции к =0.75) с максимальной амплитудой летом минимальной зимой, при этом для плотности воздуха р и амплитуды колебаний АН на этих высотах выполняются условия р • Д#" = comt, что согласуется с распространением атмосферных волн с сохранением импульса количества движения;

- периоды повышенной солнечной активности коррелируют со временем образования рассеивающих слоев в стратосфере, локализованных на высотах 22-25 км и 30-40 км..

3 И П й ВЕСНА ЛЕТ» ОСЕНЬ

Рис. 1. Усредненные т сезонам профили отношения рассеяния.

Для возмущенной стратосферы (1991-95 гг.) сравнение данных наблюдений за динамикой распределения и изменчивости эрруптивного аэрозольного облака от извержения вулкана Пинатубо над Томском и над станциями северного полушария (Европа, Япония) имеют общие и отличительные признаки: Общие

- в последующем появлении двух аэрозольных слоев - первого, слабого слоя, в начале июля 1991г. в нижней стратосфере с кратковременным присутствием (= месяц), и второго, мощного слоя на высотах 21-30 км с продолжительным временем жизни,

в дальнейшую трансформацию аэрозольной структуры в протяженный (15-30 км) неоднородный и изменчивый слой, опускающийся вниз;

- в примерно одинаковых оценках максимального отмеченного содержания аэрозоля в стратосфере, превосходящего фоновое в 20-30 раз.

Отличительные:

- над Томском отмечено более позднее появление верхнего вулканического слоя (сдвиг - 4 месяца) и более быстрое достижение экстремального аэрозольного наполнения стратосферы (январь 1992г., сдвиг -1 месяц).

В заключении, по части аэрозольного блока исследований доказательство репрезентативности качественных и количественных лидарных данных о вулканическом аэрозоле в стратосфере дано в начале раздела 1.3.2.. на примере обнаружения слабого эрруптивного аэрозольного слоя от извержения вулкана Дель-Руис (Колумбия) произошедшим 13.11,1995г.

Во второй главе приводятся исследования по лидарному зондированию температуры. Сюда входит развитие методик с использованием релеевского и рамановского рассеяния света, оценка точностных характеристик, разработка и создание лидарного комплекса, результаты измерений температуры в мезосфере, стратосфере и тропосфере земли.

Методика лазерного зондирования температуры по молекулярному (релеевскому) рассеянию света рассмотрена в разделе 2.1. С использованием прямопропорциональной связи между плотностью атмосферы и лидарными сигналами на основе уравнения состояния идеального газа и выполнения гидростатического равновесия выведена формула для определения температуры, аналогичная опубликованной ранее Костко O.K. и Захаровым В.М., ко несколько отличной от еще более ранней формулы Шанин M.JI. и Х&учекорна А. Однако в нашем случае существенным отличием явилось то, что учет наряду с молекулярным рассеянием аэрозольного и использование более короткой длины волны лазера (353 нм) позволило впервые расширить диапазон зондирования за счет продвижения в область низких высот до 13-15 км (по сравнению обычно с высотами 30 км).

Исследование точностных характеристик восстановления вертикальных профилей температуры выполнено в разделе 2.2. В анализе были использованы реальные сигналы, полученные на лидарах с диаметрами зеркала 2,2 м (X = 532 нм) и 1,0 м (X = 353 нм). Как результат, был выявлен вклад систематической ( задание модельной температуры, выбор фона) и случайной (флуктуации сигнала) ошибок и их ход с высотой. Показана достаточная точность измерения температуры лидерами на длинах волны 532 нм и 353 нм в диапазонах высот 30-60 км и 13-30 км, соответственно. Увеличение точности или дальности зондирования достаточно легко может быть достигнуто за счет накопления сигналов или повышения энергетического потенциала лидара.

В разделе (2.3) для лидарного метода СКР предложена нетрадиционная методика зондирования температуры, в которой носителем информации о пространственном распределении этого параметра являются суммарные по спектральному составу СКР-лидарные сигналы (а не по отдельным участкам спектра), которые пропорциональны

плотности зондируемого газа. В данном случае это молекулы азота, возбуждение 1-го колебательно-вращательного перехода которых впервые осуществлялось ВКР-преобразованным (353 нм) излучением зксимерного ХеС1 -лазера (308 нм) в кювете с водородом. Получено выражение для определения температуры, проведен расчет температуры по реальным сигналам и выполнен анализ точностных характеристик, показавший реальную возможность зондирования температуры в интервале высот 2-14 км.

Рассмотренные для зондирования температуры методы молекулярного и спонтанного комбинационного рассеяния света были реализованы в УФ-В лидарном комплексе (разд.2.4.). Последний включал в себя два лидара с передатчиками на длинах волн Х=532нм и Х=353нм и приемными зеркалам и с диаметрами 2.2м и 1.0м, соответственно. Управления процессом измерений обеспечивалось пакетом программ, аналогичному для аэрозольного лидара, а для расчета температуры был разработан специальный пакет программ.

Использование на приеме релеевских сигналов в первом лидаре и релеевских и рамановских во втором позволило перекрыть интервал высот зондирования температуры от 2 до 75км.

Лидарные измерения вертикального распределения температуры обсуждаются в разделе 2.5. В процессе измерения и накопления ряда ВРТ проведено сравнение зондирования температуры лидаром и метеозондом в нижней стратосфере (13-27 км) Среднеквадратичное отклонение между данными составило величину ± 2,4 К, что входит в интервал оценки стандартной ошибки лидарных измерений (± 4-^5 К на высоте 25 км). С учетом того, что для сопоставления были выбраны случаи с максимальными отклонениями температуры как в отрицательную, так и положительную стороны от модельного с амплитудой до 30 К, то хорошее качественное и количественное совпадение данных подтверждает достоверность и надежность лидарных измерений температуры (см. рис. 2, средний).

В целом при работе на каналах рамановского и релеевского рассеяния, реализованных в лидарах с диаметрами приемных зеркал 1.0 и 2.2 м, получены и накоплены результаты по зондированию температуры в тропосфере, стратосфере и нижней мезосфере (рис. 2). Краткий анализ отдельных фрагментов температурных рядов приведен в разделе 2.5.2.

ТЕМПЕРАТУРА

60

F

ьс 55

S 50

О

О 45

-Û

СО 40

35

14.0S.ee / 19 ОЭ.вв 20 03.Рв ai.09. ве >

Д — ■ Ц6Д>ЛЬ

— ■ лидяр

240 260 280 240 260 280 ; >40 260 280 240 260 280

за

Температура, К Профили температуры, полученные при зондировании на длине волны 532 нм

2.Стратосфера

525 м

Р

8 20| з

Ю

15

она

, {gga

200 2ЙЭ 200 223200 220 200 220 210 220 25" 220 240 220 240

Температура,К

Сравнение результатов измерений температуры лидаром(353нм,Томск) и метеозондом (Новосибирск)

3. Тропосфера

lit] 1С

s

M 1

rf H

a о

Ю

" 1 0~Ô 2 40 î »" 0 iûo 14D

Температура, К

■Л*Л»Р .......пошл* в -»вид

ВРТ, восстановленные по сигналам СКР

Рис. 2. Лидарные измерения ВРТ в тропосфере, стратосфере и мезосфере

Третья глава посвящена лазерному зондированию водяного пара атмосферы. В нее включены теоретический анализ МДП для варианта изолированной линии поглощения газа, создание оригинальной лидарной техники, проведение натурных измерений и получение результатов лидарного зондирования влажности атмосферы,

В разделе 3.1.1. для метода дифференциального поглощения в численном эксперименте проведен теоретический анализ потенциальных возможностей в зондировании водяного пара с земли на линиях поглощения молекул НгО в видимом диапазоне длин волн. В основу анализа были заложены статистические свойства фотонных потоков, новые данные о спектральных линиях поглощения, оптические и метеорологические модели атмосферы и предложенный набор критериев оценок, что позволило получить новые качественные и количественные результаты, достаточно универсальные для приложения к ДП-лидарам с различными параметрами Было показано, что лидарами с реальными параметрами передатчиков и приемных систем, варьируя набором пар длин волн и временем накопления сигналов, возможно при зондировании с земли получение вертикальных профилей водяного пара в тропосфере и нижней стратосфере.

Влияние изменчивости рассеивающих свойств атмосферы при зондировании МТС отмечены в разделе 3.1.2. Они прежде всего обусловлены пространственно-временными флуктуациями аэрозольной компоненты, с уровнем модуляции 8-10% в чистой тропосфере. Для устранения или учета их влияния используются два способа в реализации МДП: посылка двух разноволновых импульса в течение времени замороженности атмосферы -10"'с, либо пространственное усреднение и временное накопление эхо-сигналов и их последующее сглаживание (фильтрация) специальными математическими методами. Обоснованием для второго варианта является достаточно гладкая структура пространственного распределения атмосферных газов по сравнению с изрезанной структурой

Рассматривая в математической постановке задачу восстановления профилей МТС из лидарных данных как обратную и некорректную, впервые при обработке эхо-сигналов были применены методы регуляризации Тихонова и сплайн-функций, показавших свою эффективность перед традиционной разностной схемой обработки и дающих единственную возможность получения профилей МТС при малых уровнях сигналов (разд. З.1.З.).

В разделе 3.1.4 анализируется применение МДП для случая узкой изолированной линии поглощения газов, (линия молекул Н20, Х0„= 694,38 нм). На основании теоретического анализа исследовано поведение атмосферных профилей (горизонтальных и

вертикальных) массового коэффициента поглощения (МКП), причем впервые в зависимости от ширины спектра зондируемого излучения и от величины сдвига между центральными частотами излучения и поглощения, а также вертикальных профилей дисперсии МКП, вызываемой атмосферными флуктуациями температуры и влажности. По результатам расчетов многопараметрических зависимостей МКП сформулированы требования к спектральным характеристикам лидаров, и на 1« основе предложены новые способы оптимизации лидарных измерений .

- В разделе 3.2. рассматривается лазерный локатор для зондирования влажности атмосферы и приводятся его параметры. Здесь описываются специально разработанные для лидара перестраиваемые по частоте лазеры на рубине, не имеющие аналогов среди промышленных образцов. Первый лазер с модуляцией добротности и перестройкой частоты генерации, осуществляемой резонансным рефлектором в диапазоне 694,2-694,5 нм; второй -лазер, работающий в режиме двойного гигантского импульса на двух разных длинах волн с относительной перестройкой их между собой - 1 см"1, осуществляемой сканирующим интерферометром. При энергии в импульсе 0,1 Дж лазеры имели полуширину линии излучения, воспроизводимость длины волны и точность спектральной настройки < Ю"3 нм.

Далее приведено описание впервые примененной в ДП-лидаре системы спектрального контроля на базе спектрофона, параметров регистратора лидарных сигналов, работающего в режимах токовом и счете фотонов, а также методики измерений эхо-сигналов.

Результаты лазерного зондирования водяного пара обсуждаются в разделе 3.3. В начале раздела кратко излагается история развития лидарного зондирования влажности атмосферы. Приводится сравнение данных, полученных лидаром и контрольной аппаратурой. Показано, что в диапазоне влажности 5-17 г/м' среднеквадратичный разброс данных составляет 1,5-5% с оптическим гигрометром и 3-11% с психрометром, что доказывает достоверность лидарных измерений.

Пространственно-временное распределение влажности анализируется в разделах 3.3.1 - 3.3.3. Установлено, что в горизонтальном разрезе приземного слоя атмосферы проявляется существенное влияние характера и свойств подстилающей поверхности на горизонтальное распределение влажности. Размеры неоднородностей в профилях влажности хорошо коррелируют с изменением рельефа и типом подстилающей поверхности (рис. 3).

При изучении детальной структуры распределения водяного пара в нижнем слое атмосферы (0-2 км) наряду с типичным убыванием влажности с высотой обнаружены ее инверсионные слои с максимумами на высотах от 300 до 1200 м.

Рис. 3. Горизонтальные профили влажности над неоднородной поверхностью.

•00 SOO гооо Я, м

Впервые лидарный метод использован для зондирования водяного пара в высоких слоях атмосферы (рекордная высота - 17 км). В разделе 3.3.3 приводятся высотные профили влажности, дается их обсуждение и сравнение с радиозондовыми и модельными профилями влажности (рис. 4), делается вывод о перспективности и широки возможностях использования ДП-лидаров в исследовании тонкой структуры поля влажности в пограничном слое атмосферы и получения ее распределения во всей толще тропосферы. Н, км

Рис. 4. Высотные профили влажности: 1-лидар, 2- радиозонд, 3- среднестатистический профиль B.C. Комарова, 4- модель R.A. McCiatchey

В четвертой главе представлены исследования по лазерному зондированию атмосферного озона. В ней дан анализ применения МДП для варианта широкой полосы поглощения зондируемого газа, приведено описание лидара для зондирования

U_I I МП

<0 , ; <0 Р. Г/М"

озона в стратосфере и тропосфере, представлены выборочные результаты из накопленного ряда вертикальных профилей озона с последующей их интерпретацией.

Для метода дифференциального поглощения в модельном эксперименте проведено исследование его потенциальных возможностей в зондировании озона с земли и из космоса на полосах поглощения (Хартли и Хеггинса) Оз в УФ-диапазоне (разд. 4.1.). Было показано, что лидарами с реальными параметрами передатчиков и приемных систем последовательным изменением пар длин волн возможно при зондировании с земли получение вертикальных профилей озона во всей толще тропосферы и стратосферы. При многоволновом зондировании озона из космоса в средних широтах доступно измерение его концентрации с высот 50 км до 4-5 км с пространственным разрешением по вертикали и горизонтали 1км и 600 км .соответственно, и с погрешностью менее 10%.

Во втором варианте (полоса поглощения молекул озона Хеггинса, ^ = 308 нм, /,сП- = 353 нм; эксимерный ХеСЛ-лазер + ВКР-преобразователь на водороде) разработана методика восстановления профилей озона с впервые примененной одновременной коррекцией на различие аэрозольного рассеяния лидарных сигналов на разнесенных длинах волн и на температурную зависимость сечения поглощения озона (разд.4.2.). Причем вертикальные профили температуры и стратификации аэрозоля рассчитываются из эхо-сигналов на референтной длине волны >.ой- =353 нм. Для температурной зависимости и ввода аэрозольной коррекции получены соответствующие выражения. В частности, учет аэрозольного рассеяния предлагается проводить на уровне интегральных характеристик (оптических толщ), что по сравнению с вводом поправок через дифференциальные характеристики приводит к более устойчивому и точному решению при восстановлении озонных профилей. В этом же разделе показано несущественное влияние поглощения другими газами.

Исследование методики на примерах численного моделирования и обработки реальных лидарных сигналов показало, что она позволяет устранять погрешности в восстановлении концентрации озона, которая на отдельных высотах достигает 30-40%.

В разделе 4.3. приводится описание разработанного озонового лидара с передатчиком на эксимерном ХеСЬлазере и ВКР-преобразователе на водороде, дающего на выходе излучение на длинах волн Х*,о=308нм и Хог=353нм. Зондирование озона в стратосфере производится при приеме эхо-сигналов на большой телескоп с диаметром зеркала 1м, в тропосфере- на телескоп с диаметром зеркала 0.3м. (см.рис.5)

308 353

Рис S. Блок-схема озонового УФ-лидара.

Управление экспериментом при зондировании проводится ранее упомянутым в разделах 1.2. и 2.4. пакетом программ, а восстановление ВРО с помощью более сложного пакета программ 'Sound', включающим в себя как составные части пакеты по обработке данных зондирования аэрозоля и температуры. Графическая иллюстрация работы пакета программ "Sound", с вводом аэрозольной и температурной коррекции показана на рис. б.

Лидарные исследования стратосферного озона описаны в разделе 4,4. Их важность прежде всего связана с проблемой образования и распространения озонных аномалий, в том числе над Западной Сибирью. Лидарный метод исследований в данном случае рассматривался как взаимодополняющий традиционные спектрофотометрические методы озонометрии.

По результатам лидарного зондирования озона в условиях фонового CA (период 1989-1991 г.г) прослежены сезонные вариации ВРО в стратосфере, согласующиеся с данными о колебаниях озона в стратосфере для средних широт. Они характеризуются максимумом озонной концентрации в слое в феврале-марте и минимумом летом-осенью. Наибольшая высота локализации максимума озонного слоя фиксируется летом на высотах 22-23 км. а наименьшая - зимой, на высотах 18-21 км.

Концентрация озона х 1 012 мол/см3 Рис. 6 Графическая иллюстрация работы пакета программ 'Sound.'

Сравнение средних профилей ВРО и его изменчивости, построенных по лидарным измерениям г. Томска и озонометрической станции Легионово (52° с.ш., 21° в.д..), расположенной примерно на той же широте, что и город Томск, хотя и на значительном от него удалении, показало на следующие особенности ВРО для стратосферы двух сопоставляемых регионов (см. рис 7):

- в зимне-весенний период до высоты озонопика наблюдается практическое совпадение средних профилей; выше 21 км над Западной Сибирью отмечается существенно меньшее, чем над Восточной Европой, содержание стратосферного озона, однако уже с высоты 27-28 км эти различия практически исчезают.

- в летне-осенний период ниже максимума озона различия в его концентрации над сравниваемыми регионами являются относительно небольшими, но выше данного максимума (23 км.) во всем рассматриваемом слое стратосферы содержание О? над Западной Сибирью существенно ниже, чем над Восточной Европой. Показано, что отмеченные в обеих случаях различия средних ВРО обусловлено условиями стратосферной меридиональной циркуляции.

-для двух рассматриваемых периодов во всем интервале высот наблюдаются достаточно близкие профили дисперсии стратосферного озона г. Томска и ст. Легионово, при этом максимальные значения стандартных отклонений отмечаются в нижней стратосфере. Наибольшая изменчивость стратосферного озона проявляется в зимне-весенний период,

36 Г 36

32

Н, КМ

28

24

20

16

12

Н, КМ

л_I_

2 4 0 2 Лз

2 4 0 2

Лз (Уя3

Рис. 7. Вертикальное распределение средних значений (п1х10ы. молекулхм~!) и стандартных отклонений (<7„зх10'*, молекулкм'3) концентрации стратосферного озона над Томском (1) и

в районе ст. Легионово (2).

При исследовании качественных и количественных характеристик восстановления ВРО установлено (разд.4.4.2.):

- профили озона, полученные из серий измерений в течение одной ночи, достаточно хорошо совпадают между собой (расхождение не превышает оценочную погрешность), что говорит о стабильности и надежности измерений (рис . 8.),

- в реальных экспериментах достижимо расширение диапазона высот зондирования озона снизу вверх до высот * 50 км и сверху вниз до высоты « 6-7 км с последующей реализацией этого диапазона в режиме дежурных наблюдений (рис. 9).

Рис.8. ВРО по данным двух последовательных серий измерений.

Н,км Н,км

Концентрация озона х 1011 см''

Рис. 9. Расширение диапазона высот зондирования озона.

В пятой главе рассмотрены пять способов оптического (с использованием солнечного и прожекторного излучений) зондирования МГС (например, НЬО, Оз, N02) и измерения спектральной оптической толщи аэрозоля, являющимися оригинальными авторскими разработками

В первом способе (разд.5.1.), предназначенном для измерения интегрального содержания водяного пара на трассе, использована методика дифференциального поглощения излучения светового источника. Исходя из закона Бугера, получено выражение для определения оптической толщи с учетом неразрешенной структуры спектра полосы поглощения Н20 0,94 мкм. Разработан и создан оптический гигрометр, проведена его калибровка и оценка погрешности измерений. Впоследствии данный прибор был использован для тестирования ДП-лидара по зондированию водяного пара атмосферы

Второй способ предложен для определения содержания МГС в слое воздуха и основан на измерении интенсивности отраженного объектом солнечного излучения в полосе и вне полосы поглощения исследуемого газа (разд.5.2). Разработана методика измерения с учетом влияния аэрозольного рассеяния и ослабления солнечного излучения во всем столбе атмосферы. Способ реализован на примере определения осажденного слоя водяного пара на трассах длиной 0,7 - 3 км.

Методика дифференциального поглощения легла также в основу способа определения общего содержания МГС по спектральной яркости неба в зените (разд.5.3). Аналитически было показано, что при измерениях рассеянного солнечного излучения на двух зенитных углах Солнца возможно определение общего содержания исследуемых МГС без калибровки по прямому солнечному излучению. Дальнейшее развитие данный способ получил в совместной работе с соавторами, в которой новыми принципиальными моментами явились:

- конкретный выбор газовых составляющих 0> и МОг;

- подробный анализ погрешностей измерений обшего содержания О* и М02 в зависимости от различных атмосферных и аппаратурных параметров (всего 8);

- предложение наряду с двухволновой дифференциальной методикой использовать четерехволновую, при этом измерения проводить не в фиксированных двух или четырех точках спектра, и путем их сканирования по спектру с фиксированным или меняющимся интервалом межлу ними; последнее дает возможность выбора спектральной области с минимальной ошибкой, а нахождение среднего значение ОС газа в этой области уменьшает тем самым квазислучайные флуктуации и повышает точность восстановления;

- аппаратурная реализация способа и получение результатов определения ОС Оэ и N0,,

Четвертый способ разработан для определения спектральной оптической толщи атмосферного аэрозоля по измерению спектральной прозрачности атмосферы для солнечного излучения (разд.5.4.). Методика измерений основана на использовании двухэкранного метода, позволяющего регистрировать ослабленное атмосферой прямое солнечное излучение без систем слежения за солнечным диском и учитывать фоновые засветки. Получены выражения для определения константы калибровки спектрофотометра и нахождения спектральной оптической толщи аэрозоля. Для реализации способа разработан спектрофотометр, измеряющий оптическую толщу аэрозоля в спектральном диапазоне 400700 км.

Пятый способ разработан и предложен для зондирования атмосферы по обратному рассеянному излучению светового источника, дающий возможность получать пространственно распределенные эхо-сигналы (следовательно, характеристики атмосферы) оптическим локатором, выполненном по моностатической некооксиальной схеме построения и использующим источник непрерывного излучения (разд. 5.5 ). Получены уравнения оптического зондирования атмосферы в пространстве предметов и пространстве изображений, проведен анализ точностных характеристик лидаром с непрерывным аргоновым лазером, измерены концентрации К02 в промышленной зоне.

В шестой главе обсуждаются результаты комплексного исследования атмосферы активными и пассивными методами зондирования с использованием синоптических данных. Под понятием «комплексности» в данном случае подразумевается как совместное применение методов зондирования, так и одновременное зондирование нескольких составляющих и параметров атмосферы.

Анализ оптических и микроструктурных характеристик стратосферного вулканического аэрозоля по результатам экспериментов двухволнового зондирования выполнен в разделе 6.1.

В наблюдениях ВРО в эрруптивно-возмущенной стратосфере (извержение вулкана Пинатубо, 1991г.) было замечено, что слоям с высоким содержанием аэрозоля соответствуют минимумы концентрации озона. Обнаруженная отрицательная корреляция между вертикальным распределением озона и вулканического аэрозоля в стратосфере подтвердили деструктивное влияние последнего на озон, однако это справедливо только для значительных аэрозольных загрязнений (разд.6.2.)

. Анализ влияния динамических процессов на формирование ВРО в стратосфере, выполненный на основе лидарных измерений за весь период наблюдений (1989-1997г г.) с привлечением синоптической информации и литературных данных, показал (разд. 6.3.):

- вероятной причиной в возникновении двух побочных максимумов ВРО - выше и ниже основного является меридиональная циркуляция стратосферы и адвекция полярных воздушных масс, соответственно;

- при наличии информации о ВРО и ВРТ с помощью принципа Норманда-Добсона (нисходящие потоки приводят к накоплению озона в нижней стратосфере и адиабатическому нагреву воздуха и наоборот) можно выделить влияние и вклад динамических процессов - горизонтальной адвекции и вертикального движения воздушных масс на изменение ВРО и ВРТ; последние в свою очередь, можно рассматривать как трассеры динамических процессов (рис. 10);

05.02.96 12.02.96 20.02.96 22.02.9S 28.02.96

т——I—

27.12 88

Р 8 з т

13571357135713571357

Концентрация озона, 1012 мол/см3

32,5 30,0' 27,5 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5

05.02.96

12.02.96

20.02.96

22.02.96 28.02,96

210 250 210 250 210 250 210 250 210 250 210

Температура, К

Рис.10. Результаты одновременных лидарных измерений ВРО и ВРТ

- отмеченная отрицательная корреляция между концентрацией озона в максимуме слоя и высотой максимума обусловлена динамическим фактором;

- полученное при проведении статистического анализа подобие трех собственных векторов корреляционной матрицы независимых ансамблей профилей озона и аэрозоля свидетельствует о едином механизме их изменчивости. Рассматривая озон и аэрозоль как консервативные пассивные примеси с четко выраженными слоями в стратосфере, локализованными примерно на одной и той же высоте, естественно предположить, что таким механизмом являются динамические процессы глобального и синоптического масштабов, определяющие общую стратосферную циркуляцию, под воздействием которой происходит увлечение и распределение указанных компонентов

Сравнение интегральных содержаний озона в атмосфере, полученных лидаром и озонометром М-124 (разд.6 4.), вьивило:

- между ОСО (озонометр) и содержанием озона в слое 15-30 км (лидар) отмечается высокая корреляция данных (коэффициент корреляции - 0.73);

- при ВРО, подобного модельному распределению, наблюдается хорошее соответствие между ОСО, восстановленным из фотометрических и лидарных измерений;

- при ВРО, отличного от модельного, фотометрические значения ОСО выше лидарных.

При анализе распределения озона по слоям, рассчитанного из лидарных данных, было установлено:

- в содержании и распределении озона в нижней стратосфере отчетливо проявляется сезонность, обусловленная наибольшим влиянием атмосферной динамики;

- в периоды с наибольшим поступлением КВ солнечной радиации происходит увеличение количества озона в средней стратосфере, что связано с фотохимическими процессами.

При проведении лидарных и спектрофотометрических измерений вертикального распределения озона, диоксида азота и температуры в стратосфере, описанных в разделе 6.5., был зафиксирован период с выраженной отрицательной корреляцией озона и двуокиси азота. Данный период соответствовал периоду зимне-весенней сезонной перестройки циркуляции, когда сводится к минимуму как зональный, так и мередианальный перенос воздушных масс в стратосфере, и на данном фоне проявляются фотохимические процессы азотного цикла разрушения озона. В целом указанная корреляция имеет эпизодический

характер, а доминирующим фактором в ВР озона и двуокиси азота являются динамические процессы.

В комплексном эксперименте по оптическому контролю состояния озоносферы были выявлены случаи с аномальным ВРО и ОСО. Как показал анализ синоптической информации, положительные аномалии ВРО и ОСО определялись процессами адвекции полярных воздушных масс и нисходящими потоками. Обнаружено, что с положительными аномалиями озона связано необычное высотное распределение концентрации двуокиси азота, когда за 2-4 дня до наблюдения максимального ОСО отмечается резкое разовое возрастание вечернего содержания N02 в нижней тропосфере - верхней стратосфере. Предположено, что данный эффект является следствием выноса арктического воздуха и фотохимического восстановления NO2 из соединений-резервуаров, происходящего под действием солнечной радиации.

В заключении приводятся основные результаты исследований.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Ельников A.B., Маричев В .Н, Шелевой К,Д., Шелефонтюк Д.И. Лазерный локатор для исследования' вертикальной стратификации аэрозоля. - Оптика атмосферы, 1988, т.1, №4, с Л 17-123.

2. Ельников A.B., Креков Г.М., Маричев В Н. Лидарные наблюдения стратосферного слоя аэрозоля над Западной Сибирью. - Физика атмосферы и океана. 1988, т.24, №8, с.818-823.

3. Маричев В.Н., Ельников A.B. О методе лазерного зондирования атмосферного озона на длинах волн 308 и 532 км. - Оптика атмосферы. 1988, т.1, №5, с.77-83.

4. Ельников A.B., Зуев В В., Маричев В Н. Влияние и учет импульсов последействия ФЭУ в лидарных сигналах аэрозольного и молекулярного рассеяния. - Оптика атмосферы. 1991, т.4, №2. с.201-209.

5. Маричев В.Н Разработка и исследование лидарного метода зондирования водяного пара атмосферы по явлению резонансного поглощения излучения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Томск, 1979.

6. Ельников A.B., Кавкянов С.Н., Креков Г.М., Маричев В.Н. Процедура обработки сигналов лазерного зондирования стратосферы. - Оптика атмосферы, 1989, т.2, №5, с.537-540.

7. Зуев В.В., Маричев В.Н., Бондаренко С Л. и др. Лидарные измерения температуры по релеевскому рассеянию света в нижней стратосфере за период май-декабрь 1995г. - Оптика атмосферы и океана., 1996, т.9, №10, с.1386-1393.

8. Зуев В.В., Маричев В.Н. Бондаренко С Л. Исследования точностных характеристик восстановления профилей температуры по лидарным сигналам молекулярного рассеяния. - Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, №12, с.1615-1619.

9. Маричев В.Н., Мицель А.А.. Ипполитов И.И. Анализ потенциальных возможностей лазерного зондирования газов атмосферы методом дифференциального поглощения. - Кн. Спектроскопические методы зондирования атмосферы. -Новосибирск: Наука, 1985, с.44-57.

10. Маричев ВН., Ипполитов И.И., Рыскаленко В.И. Исследования эффективности зондирования озона лидаром из космоса. - Исследования Земли из космоса. 1988, №5, с.81-85.

11. Зуев В.Е., Макушкин Ю.С., Маричев В.Н. и др. Лазерное зондирование профиля влажности атмосферы. - ДАН, 1981, т.251, №6, с.1338-1342.

12. Войцеховская O.K., Маричев В.Н., Мицель А.А, и др. К вопросу лазерного зондирования водяного пара атмосферы резонансным методом.- Известия вузов. Физика, 1977, №1, с.62-70.

13. Zuev V.E., Makushkin Yu.S. Marichev V.N., Mitsei, Zuev V.V. Lidar differential absorption and scattermg technigue: - theoty. - Appl.Opt., 1983, v.22, №23, p.3733-3740.

14. Zuev V.E., Makushkin Yu.S. Marichev V.N., Mitsel, Zuev V.V. Laser sounding of atmospheric humidity: experiment.-Appl.Opt, 1983,v.22, №23, p.3472-3446.

15. Маричев В.H., Мицель А.А. Оптимизация спектральных измерений в лидарном зондировании газов атмосферы методом дифференциального поглощения. -Известия вузов. Физика, 1985, №3, с.47-51.

16. Бурлаков В.Д., Ельников А.В., Зуев В.В., Маричев ВН, Правдин В.Л., Смирнов С.В..Столярова Н.А. Результаты лидарных наблюдений аэрозоля и озона стратосферы после извержения вулкана Пинатубо. - Оптика атмосферы и океана, 1993, т,6, №10, с.1224-1233.

17. Зуев В.В, Маричев ВН., Бондаренко С.Л. Долгий С.И., Шарабарин Е В Предварительные результаты зондирования температуры в тропосфере СКР-лидаром на первом колебательно-вращательном переходе молекул азота. - Оптика атмосферы и океана, 1996, т.9, №12, с.1609-1611.

18. Зуев В.В., Маричев В.Н, Долгий С И., Шарабарин Е В. Лидарный комплекс для измерения составляющих и параметров атмосферы. - Краткие тезисы докладов III Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1996, с.211-212.

19. Гладышев В.Г., Гулев B.C., Маричев ВН. и др. Рубиновый лазер для дистанционного зондирования атмосферы- Кн. Аппаратура и методика дистанционного зондирования параметров атмосферы". Новосибирск, изд-во "Наука", 1980, с.64-74.

20. Маричев В.Н., Неделькин Н.В., Соснин A.B. Исследование лазера на рубине для целей дистанционного определения профилей влажности атмосферы. - Известия Вузов, Физика, 1980, №5, с. 112-114.

21. Маричев В Н., Неделькин Н.В. Твердотельный лазер A.C. Л»791! 57

22. Бурлаков В.Д., Ельников A.B., Зуев В.В., Маричев В.Н., Правдин В.Л. Многочастотный лидар на базе приемного телескопа с диаметром 2,2 м для одновременного зондирования вертикального распределения озона и аэрозоля в стратосфере - Оптика атмосферы и океана. 1992, т 5, ХаЮ, с.1022-1027.

23. Бурлаков В.Д., Евтушенко Г.С., Ельников A.B., Зуев В В., Маричев В.Н, Правдин В.Л. Лазеры на парах металлов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля. - Оптика атмосферы и океана, 1993, т.6, Xs3, с.326-331.

24. Маричев ВН. Измерение интегральной влажности оптическим способом.-Метеорология и гидрология, 1980, >65, с.97-101.

25. Зуев В.В., Катаев М.Ю., Маричев В.Н. Методика восстановления профилей озона из данных УФ-лндара: коррекция на аэрозольную и температурную стратификацию. -Оптика атмосферы и океана, 1997, т. 10, №9, с. И03-1111.

26. Маричев В Н., Ельников AB. Применение метода калибровки по молекулярному рассеянию света к восстановлению стратификации аэрозоля в статосфере по данным лазерного зондирования. - В сб.'. Тезисы докладов 9 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, 1987, ч.1, с. 154-159.

27. Ельников A.B., Зуев В.В., Копысова Т.С., Маричев В.Н. Особенности корреляционных связей стратосферного аэрозоля - Оптика атмосферы и океана, 1992.T.S, №2, с. 193-197

28. Ельников А.В., Зуев В,В., Маричев В.Н. Результаты лазерного зондирования вертикальной стратификации аэрозоля над Западной Сибирью (1986-1989 гг.).-Оптика атмосферы, 1991, т.4, №6, с.631-637.

29. El'nikov A.V., Zuev V.V., Zuev V.E, Marichev V.N., Popov L.N. The anamalies of the vertical stratospheric aérosol distribution during hich solar activity. - Electrodynamics and composition of the mesosphere . Absracts Nizhny Novgorod, 1992, pli.

30 Зуев В В., Зуев B.E., Маричев В.Н. Наблюдения стратосферного аэрозольного слоя после извержения вулкана Пинатубо на сети лидарных станций, - Оптика атмосферы и океана, 1993, т.6, №10, С.П80-1201.

31. Белан БД, Ельников А В., Зуев В.В., Зуев В.Е., Макиенко Э.В., Маричев В.Н. Результаты исследований оптических и микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля методом обращения лидарных измерений в г.Томске летом 1991г.-Оптика атмосферы и океана, 1992, т.5, №6, с.593-601.

32. Бурлаков В. Д., Ельников А.В., Зуев В.В., Маричев В Н., Правдин В.Л Следы извержения вулкана Пинатубо в стратосфере над Западной Сибирью (Томск, 56°с.ш.). - Оптика атмосферы и океана, 1992, т.5, №6, с.602-604.

33. Бондаренко С Л., Бурлаков В.Д., Гришаев М.В., Зуев В.В., Маричев В.Н., Правдин В.Л. Лидарное зондирование мезосферы на Сибирской лидарной станции. - Оптика атмосферы и океана, 1994, т.7, №11,12, с. 1652-1655.

34. Маричев В.Н., Зуев В.В, Долгий С.И., Шарабарин Е.В. Предварительные результаты зондирования температуры в тропосфере СКР-лидаром на первом колебательно-вращательном переходе молекул азота. - Краткие тезисы докладов III Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1996, с.131-132.

35. Зуев В.В., Маричев В.Н.,., Долгий С.И., Невзоров А.В. Катаев М.Ю. Расширение функциональных возможностей озонового ДП-лидара.,-Тезисы докладов 4-го Симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1977, с.210.

36. Зуев В.В., Маричев В.Н., Долгий СИ., Шарабарин Е.В. Сравнение результатов измерения температуры в стратосфере лидаром и метеозондом в интервале высот 13-30 км. - Оптика атмосферы и океана, 1996, т.9, ХаЮ, с.1394-1398.

37. Зуев В.В., Бурлаков В.Д., Бондаренко С.Л., Маричев В.Н., Правдин В.Л. Лазерное зондирование температуры средней атмосферы по молекулярному рассеянию света.

- Краткие тезисы докладов III Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск 1996, с. 140-141.

38. Зуев В.В., Маричев В.Н., Бондаренко С.Л. Долгий СИ, Шарабарин Е.В. Предварительные результаты зондирования температуры в тропосфере СКР-лидаром на первом колебательно-вращательном переходе молекул азота. - Оптика атмосферы и океана, 1986, т.9, №12, с.1609-1611,

39. Ельников A.B., Зуев В В., Маричев В Н., Царегородцев С.И. Первые результаты лидарных наблюдений стратосферного озона над Западной Сибирью. - Оптика атмосферы, 198S, т.2, №9, с.995-996.

40. Зуев В.В , Долгий СИ., Ельников A.B., Маричев В.Н. Предварительный статистический анализ результатов лидарного зондирования стратосферного озона.

- Оптика атмосферы и океана, 1997,.т. 10, ,Vsl2, с.1613-1615.

41. Зуев В.В., Маричев В.Н., Долгий С.И., Шарабарин Е.В Результаты эксперимента по лидарному зондированию озона и температуры в тропосфере и стратосфере. -Оптика атмосферы и океана, 1996, т.9, №8, с. 1123-1125.

42. Маричев ВН. Измерение интегральной влажности оптическим способом. -Метеорология и гидрология, 1980, >&5, с.97-101.

43. Маричев В.Н. Определение содержания водяного пара на приземных трассах по спектральной яркости объектов. - Метеорология и гидрология, 1980, №9, с.113-116.

44. Долгий С.И, Зуев В.В., Маричев В.Н., Мицель A.A., Пташник И.В., Сорокин В.П. Определение общего содержания озона и диоксида азота по данным спектральной яркости неба в зените. - Оптика атмосферы и океана, 1996, т.9, Ка5, с.609-626.

45. Маричев В.Н, Ельников A.B., Кузин А.Я. Некоторые возможности использования непрерывного излучения в лазерном зондировании атмосферы. Спектроскопические методы зондирования атмосферы. Новосибирск, Наука, 1985, с.85-94.

46 Маричев В.Н., Зуев В.В., Гришаев М.В., Смирнов C.B. Лидарные и спектрофотометрические измерения вертикального распределения озона, диоксида азота и температуры в стратосфере над Томском. - Оптика атмосферы и океана, Томск, 1996, т.9, №12, с. 1604-1608.

47. Зуев ВВ., Маричев ВН., Смирнов C.B., Катаев МЮ Лидарные и спектрофотометрические исследования изменчивости вертикального распределения и обшего содержания озона над Томском за период с мая по апрель 1996 года. -

Тезисы докладов 1У Симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, ИОА СО РАН, 1997, с.219-220.

48. Зуев В В., Смирнов С.В., Маричев В Н., Гришаев М.В. Результаты комплексного эксперимента по оптическому контролю состояния озоносферы на Сибирской лидариой станции. - Оптика атмосферы и океана, 1997, т.Ю, №10, с.1170-1180.

49. Комаров В.С , Зуев В В., Ломакина Н.Я., Маричев В Н., Попов Ю.Б. Климатология стратосферного озона по данным лидарного озонозондирования над Западной Сибирью-в печати (Applied Meteorology).

"V

«г

/ &ЭО./&.98 - 33

а

с

Российская а^адемйяТ^аук Сибирское отделение

чтение от " " 19^г„ №

: судил ученую степень ДОКИ

I......._

}МЙЙХ управления ВАК Рос

На правах рукописи

Маринев Валерий Николаевич

ДИСТАНЦИОННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

АЭРОЗОЛЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ОСНОВНЫХ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

АТМОСФЕРЫ

Специальность 01.04.05 - оптика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант член-корр. РАН, д.ф-м.н., проф. В.В.Зуев

Томск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ЛИДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АЭРОЗОЛЯ 17

1.1. ЛИДАРНЫЙ МЕТОД УПРУГОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА 17 1.1.1. МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АТМОСФЕРЫ

ИЗ ОДНОВОЛНОВЫХ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 17 1.1.2 ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ РАСЧЕТА АЭРОЗОЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ РАССЕЯНИЯ ИЗ

ЛИДАРНЫХ ДАННЫХ 18

1.2. АЭРОЗОЛЬНЫЙ УФ-В-ЛИДАР 27

1.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОДНОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ 32

1.3.1. ФОНОВЫЙ СТРАТОСФЕРНЫЙ АЭРОЗОЛЬ 34

1.3.1.1. СЕЗОННЫЕ ПРОФИЛИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АЭРОЗОЛЯ 34

1.3.1.2. ОСОБЕННОСТИ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ СТРАТОСФЕРНОГО

АЭРОЗОЛЯ 37

1.3.1.3. ВРЕМЕННОЙ ХОД ВЫСОТЫ МАКСИМУМА ОТНОШЕНИЯ РАССЕЯНИЯ 42

1.3.1.4. АНОМАЛИИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АЭРОЗОЛЯ В СТРАТОСФЕРЕ В ПЕРИОДЫ ВЫСОКОЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ 45

1.3.2. ВУЛКАНИЧЕСКИЙ СТРАТОСФЕРНЫЙ АЭРОЗОЛЬ. 50

1.3.2.1. ОБНАРУЖЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНОГО СЛОЯ В СТРАТОСФЕРЕ ОТ ИЗВЕРЖЕНИЯ ВУЛКАНА ДЕЛЬРУИС 50

1.3.2.2. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА АЭРОЗОЛЬНОГО ОБЛАКА ОТ ИЗВЕРЖЕНИЯ ВУЛКАНА ПИНАТУБО НАД ТОМСКОМ 52

ВЫВОДЫ 58

ГЛАВА 2. ЛИДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 61

2.1. МЕТОДИКА ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО МОЛЕКУЛЯРНОМУ (РЕЛЕЕВСКОМУ) РАССЕЯНИЮ СВЕТА 61

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ЛИДАРНЫМ СИГНАЛАМ МОЛЕКУЛЯРНОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА 63

2.3. МЕТОДИКА ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПОНТАННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ (СКР) СВЕТА. 68

2.4. ЛИДАРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 72

2.5. ЛИДАРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (ВРТ)

В АТМОСФЕРЕ 74

2.5.1. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТРАТОСФЕРЕ ЛИДАРОМ И МЕТЕОЗОНДОМ 75

2.5.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛИДАРНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В МЕЗОСФЕРЕ, СТРАТОСФЕРЕ И ТРОПОСФЕРЕ ЗЕМЛИ 78

ВЫВОДЫ 82

ГЛАВА 3. ЛИДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА 84

3.1. ЛИДАРНЫЙ МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ (ДП) СВЕТА 84

3.1.1. АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ 86

3.1.1.1. КРИТЕРИИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ 87

3.1.1.2. ЗОНДИРОВАНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА С УРОВНЯ ЗЕМЛИ 91

3.1.2. ВЛИЯНИЕ И УЧЕТ ФЛУКТУАЦИИ РАССЕИВАЮЩИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ АТМОСФЕРЫ 98

3.1.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ ЛИДАРНЫХ ДАННЫХ 99

3.1.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ДП ДЛЯ СЛУЧАЯ УЗКОЙ ИЗОЛИРОВАННОЙ ЛИНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ 101

3.1.4.1. АНАЛИЗ АТМОСФЕРНЫХ ПРОФИЛЕЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА. 102

3.1.4.2. ОПТИМИЗАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРНЫХ ПРОФИЛЕЙ МКП 109

3.1.4.3. ВЛИЯНИЕ ФЛУКТУАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ МКП 119

3.2. ЛИДАР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА 120

3.2.1. ПЕРЕДАТЧИК ЛИДАРА 123

3.2.2. СИСТЕМА СПЕКТРАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ (ССК) 131

3.2.3. ПРИЕМНАЯ СИСТЕМА 132

3.2.4. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ 134

3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ 135

3.3.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПО ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ТРАССАМ 136

3.3.2. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПРОФИЛИ ВЛАЖНОСТИ В НИЖНЕМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ (0-2км.) 141

3.3.3. ВЫСОТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА 143

ВЫВОДЫ 146

ГЛАВА 4. ЛИДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ОЗОНА 149

4.1. АНАНЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНА

МЕТОДОМ ДП С УРОВНЯ ЗЕМЛИ И ИЗ КОСМОСА 149

4.1. 1 .ЗОНДИРОВАНИЕ ОЗОНА С ЗЕМЛИ 149

4.1.2. ЗОНДИРОВАНИЕ ОЗОНА ИЗ КОСМОСА 154

4.2. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ДП ДЛЯ СЛУЧАЯ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ. 157

4.2.1. КОРРЕКЦИЯ НА АЭРОЗОЛЬНОЕ РАССЕЯНИЕ 158

4.2.2. КОРРЕКЦИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНУЮ ЗАВИСИМОСТЬ 160

4.2.3. ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ДРУГИМИ ГАЗАМИ 162

4.2..4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ ОЗОНА С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНОЙ И АЭРОЗОЛЬНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕАЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ 163

4.3. ОЗОНОВЫЙ УФ-ЛИДАР. 165

4.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНА 168

4.4.1. ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА (ВРО) В УСЛОВИЯХ ФОНОВОГО СТРАТОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ 168

4.4.2. КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА 175

ВЫВОДЫ 177

ГЛАВА 5. ОПТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ЗОНДИРОВАНИЯ МГС И АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОГО И ПРОЖЕКТОРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЙ 179

5.1. ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ПО ОСЛАБЛЕНИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ В

ПОЛОСЕ ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ Н20 (0,94 мкм) 180

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МГС НА ПРИЗЕМНЫХ ТРАССАХ ПО

СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ 185

5.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МГС ПО СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ НЕБА В ЗЕНИТЕ 191

5.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ ПО СОЛНЕЧНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ ДВУХЭКРАННЫМ СПОСОБОМ 202

5.5. ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ ОПТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 206

ВЫВОДЫ 210

ГЛАВА. 6 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВНЫХ И

ПАССИВНЫХ МЕТОДОВ ЗОНДИРОВАНИЯ В ЗАДАЧАХ КОМПЛЕКСНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ 213

6.1 АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ И МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРАТОСФЕРНОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО АЭРОЗОЛЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДВУХВОЛНОВОГО ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 213

6.2 ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА И АЭРОЗОЛЯ В ЭРРУПТИВНО ВОЗМУЩЕННОЙ СТРАТОСФЕРЕ 217

6.3 . ВРО И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 219

6.4. ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СОДЕРЖАНИЙ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ ЛИДАРОМ И ОЗОНОМЕТРОМ 227

6.5. ЛИДАРНЫЕ И СПЕКТРФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ И ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА, ДИОКСИДА АЗОТА И ТЕМПЕРАТУРЫ В СТРАТОСФЕРЕ НАД ТОМСКОМ 229

ВЫВОДЫ 238

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 241

ЛИТЕРАТУРА 253

ВВЕДЕНИЕ

Актуальная проблема изменения климата, вызываемого как естественными, так и антропогенными факторами, приводит к необходимости организации климатического мониторинга. Особое значение приобретает проблема слежения за антропогенно обусловленными факторами климата [1, 2], которые могут привести к необратимым процессам. В предвидении вероятной опасности была разработана международная программа по созданию сети обнаружения ранних изменений в стратосфере - МТЭБС [3].

В формировании климата планеты важную роль играет атмосфера, ее оптически активные компоненты: озон, пары воды, углекислый газ, другие малые газовые составляющие (МГС), аэрозоль. Оценка изменений климата возможна лишь с помощью многопараметрических теоретических моделей, для создания которых требуются в том числе данные о пространственно-временном распределении газовых составляющих, аэрозоля, термодинамических характеристик атмосферы [4, 5].

Естественно, что для получения такой информации необходимо проведение регулярных измерений характеристик и параметров, оказывающих влияние на климатообразование, а также анализа их результатов.

Традиционно, мониторинг состояния атмосферы выполняется и развивается с применением контактных (прямых) и дистанционных (косвенных) методов исследований.

К контактным методам относятся аэрологическое, аэростатное, самолетное и ракетное зондирование, а также наземные измерения^ Как следствие более раннего возникновения и развития, к настоящему времени контактные методы получили большое распространение. Например, многие развитые страны имеют собственную сеть зондирования атмосферы с помощью радиозондов. Однако эти методы не всегда могут удовлетворять требованиям современных исследований из-за таких общих серьезных недостатков, как:

- необходимо средство для перемещения метеодатчика, заборника, детектора или прибора-анализатора (шар-пилот, самолет, ракета и т.д.);

- сетевые носители - радиозонды и метеоракеты используются как одноразовые подъемные средства, что вызывает удорожание наблюдений, и, в частности, на примере отечественной метеосети, приводит к их сокращениям;

- при измерениях происходит возмущающее действие прибора на исследуемую воздушную среду, учет которого труден и не всегда возможен.

К частным недостаткам радиозондов относятся невозможность получения параметров атмосферы в заранее заданном направлении, инерционность измерений, приводящая к недостаточному пространственному разрешению. Кроме того, радиозонды в редких случаях достигают высот 30 км, чаще ограничиваются высотами 20-25 км. Самолетные, аэростатные и ракетные средства зондирования не могут обеспечить массовость измерений из-за их дороговизны и зависимости от погодных условий. Градиентные наблюдения, проводимые на метеомачтах, ограничены высотой в несколько десятков, в отдельных случаях - сотен метров. [6].

Дистанционные методы зондирования атмосферы основаны на измерении и интерпретации характеристик электромагнитного и акустического трансформированного поля после его взаимодействия с исследуемой средой. Дистанционные измерения составляющих и параметров атмосферы осуществляются двумя методами: пассивными и активными. К первой группе относятся спектрометрические (радиометрические) методы зондирования, базирующиеся на измерении и анализе спектрального состава солнечной радиации и теплового излучения атмосферы (полосы поглощения в ИК-диапазоне и отдельные теллурические линии в микроволновом диапазоне для Оз, Н20 и других МТС [7, 8] )с земли, аэростатов, самолетов или космических аппаратов. В нашей стране эти методы зондирования получили развитие в работах НИИ ЛГУ, ГГО и ИПФ РАН и активно используются для измерения содержания МТС в атмосфере. Достоинство спектроскопического метода зондирования заключается в относительной простоте его аппаратурной реализации и эксперимента, глобальном характере измерений (при наблюдениях со спутников). Недостатки косвенных измерений связаны с решением некорректных обратных задач при отсутствии точных начальных данных о реальных характеристиках атмосферы, вследствие чего ограничивается точность получаемых результатов и пространственное разрешение, а также наблюдаются трудности в восстановлении пространственных профилей МТС в слоях атмосферы с резкой изменчивостью ее физических свойств [9, 11]. Кроме того, зондирование Оз, Н20 и других МГС в микроволновом диапазоне возможно только на больших высотах (Н>20 км), поскольку внизу происходит размытие теллурических линий [8].

Активные методы зондирования атмосферы можно разделить на лазерные, акустические и прожекторные (здесь не рассматривается метод зондирования заряженных компонент в ионосфере с помощью СВЧ - излучения). Из-за ограниченности дальности действия акустическое зондирование в основном может быть использовано для

исследования свойств пограничного слоя атмосферы. Прожекторное зондирование наиболее приемлемо для измерения интегральных характеристик, например, как общее содержание газов на трассах или аэрозольных оптических толщ. Его отличает простота реализации и аппаратурная надежность. Из активных методов исследования атмосферы наиболее прогрессивным является лазерное зондирование, которое позволяет измерять составляющие и параметры атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением и с охватом диапазона высот от приземного слоя до мезосферы. В этом заключается главное преимущество и уникальность лидарного метода перед описанными выше. Как и любому другому методу, лидарному присущи определенные недостатки, связанные с ограничением по погодным условиям, возможностью выполнением ряда измерений только в ночное время, сложность аппаратуры, трудностью в создании многоцелевых лидарных комплексов. Поэтому естественно, имея ввиду уникальные возможности лидарного метода и достоинства других методов, следует рассматривать их как взаимодополняющие друг друга в интересах всестороннего исследования атмосферы.

Начало применения лазеров для зондирования атмосферы относится к 60-ым годам. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в этой области в таких странах, как США, ФРГ, Франция, Россия, Япония. Намечается тенденция создания лидарных станций для сетевых наблюдений. Но, к сожалению, станций, работающих в режиме регулярных наблюдений нескольких характеристик атмосферы, сейчас насчитывается не больше десяти в мире. Как правило, исследования атмосферы проводятся отдельными лидарами, каждый из которых способен измерять только одну составляющую (характеристику) атмосферы.

Необходимо также отметить, что если физические принципы, на которых базируется применение лидарного метода, сейчас изучены достаточно хорошо, то остается широкий простор в плане разработки новых методик и современной аппаратуры с целью расширения возможностей лазерного зондирования атмосферы.

С учетом разнообразия и сложности свойств атмосферы, для проведения ее оптических исследований на современном уровне уже недостаточно единичных измерений отдельных составляющих параметров атмосферы в ограниченном числе пунктов. Требуется:

- одновременное зондирование нескольких компонентов и параметров атмосферы и увеличения их количества (термодинамические характеристики, МГС, аэрозоль);

- повышение качественных и количественных характеристик измерений (точность, пространственно-временное разрешение, диапазон высот, потолок зондирования);

- проведение исследований на основе регулярных наблюдений и накопление долговременных рядов;

- выполнение наблюдений в ряде разделенных пунктов, т.е. в составе сети.

В соответствии предъявленных требований цель исследований ставилась следующим образом: развитие методов и разработка средств лазерного и оптического (некогерентного) дистанционного зондирования максимально доступного количества климатообразующих и экологически значимых компонентов и параметров атмосферы в расширенном пространственно-временном масштабе для получения, накопления и использования данных в интересах задач исследования изменений климата и экологии окружающей среды.

В задачи исследований входило:

1. Развитие, разработка методов и средств лазерного зондирования климатоэкологических компонент и параметров в тропосфере и стратосфере Земли: водяного пара, озона, аэрозоля, температуры,

2. Разработка оптических (нелазерных) способов и средств дистанционного зондирования МГС (озон, 1Ч02, Н20, ...) и аэрозоля атмосферы.

3. Организация оптического контроля за вертикальным распределением Н20, Оз, Т, N02 и вертикальной стратификации аэрозоля, общим содержанием озона и N02 и спектральной оптической толщей аэрозоля.

4. Накопление рядов данных в интересах задач климатологии и экологии, фрагментный анализ данных, проводимый как с целью показа преимуществ комплексного использования лидарных и спектрофотометрических методов, способов и средств при изучении физических свойств атмосферы , так и на предмет исследования особенностей пространственно-временного распределения климатоэкологических компонентов и параметров атмосферы, их взаимодействия и связи с атмосферными процессами.

Научная новизна

1. На базе трех лидарных методов: метода упругого рассеяния, метода дифференциального поглощения и метода спонтанного комбинационного рассеяния света разработан и создан комплекс средств лазерного зондирования атмосферы, включая лазерный локатор для измерения влажности атмосферы с экспериментально подтвержденной высотой зондирования до 17 км, и многофункциональный УФ-В лидарный комплекс для одновременного зондирования озона, аэрозоля и температуры в тропосфере и

стратосфере Земли, а также предложены и технически реализованы оригинальные оптические способы дистанционного зондирования МГС (03, N02, Н20) и аэрозоля атмосферы.

2. Разработаны, развиты и усовершенствованы методики лазерного зондирования МГС, аэрозоля и температуры атмосферы, значительно повышающие точность и расширяющие высотный диапазон лидарных измерений. В частности

методика одночастотного зондирования аэрозоля, минимизирующая ошибку восстановления стратификации аэрозоля на 20-30 % по сравнению с известными за счет использования данных метеозондов, калибровки эхо-сигналов на удлиненном участке высот 25-30 км, коррекцию аппаратурных искажений лидарных сигналов и учету влияния рассеивающих параметров атмосферы..

- методика зондирования температуры по молекулярному рассеянию света, в которой учет прозрачности атмосферы и применение более короткой длины волны лазера (353 нм) позволил впервые расширить диапазон высот зондирования температуры за счет использования эхосигналов с более низких высот 13-15 км.

- методика зондирования МГС по дифференциальному поглощению излучения, где впервые для обработки лидарных сигналов использованы математические методы решения обра�