Эмпирическая региональная модель вертикального профиля аэрозольного коэффициента рассеяния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ

Ца. правах рукописи

Терпугова Светлана Александровна

ЭМПИРИЧЕСКАЯ РЕГИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ АЭРОЗОЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА РАССЕЯНИЯ

Специальность 01.04.05 — Оптика, 04.00.23 — Физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико — математических наук

Научный руководитель доктор физ. —мат. наук М.В. Панченко

Томск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................4

ГЛАВА 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ САМОЛЕТНЫХ НЕФЕ-

ЛОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ...............................................17

§ 1.1 Бортовая нефелометрическая установка........................................17

§ 1.2 Искажения, вносимые при заборе пробы.....................................21

§ 1.3 Методика калибровки нефелометра...............................................25

§ 1.4 Методика измерений и обработки данных...................................30

§ 1.5 Оценка погрешности измерений....................................................33

Основные результаты главы 1..................................................................39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА РАССЕЯНИЯ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЕЕ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ............................................40

§ 2.1 Общая характеристика района измерений и массива полученных данных..................................................................................40

2.1.1. Климатическая характеристика региона...................................41

2.1.2. Структура массива данных..........................................................41

2.1.3. Оценка репрезентативности полученных данных......................44

§ 2.2 Годовой ход коэффициента рассеяния на разных высотах.........49

§ 2.3 Внутрисезонные факторы изменчивости аэрозольной стратификации .............................................................................................57

2.3.1. Влияние воздушных масс на характер аэрозольного профиля ...................................................................................................57

2.3.2. Суточный ход................................................................................65

§ 2.4 Применение трехслойного представления для описания вертикального профиля коэффициента рассеяния................................74

Основные результаты главы 2..................................................................87

ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА РАССЕЯНИЯ СУХОГО АЭРОЗОЛЯ......................................................89

§ 3.1 Оценка возможностей использования данных наземных измерений для восстановления вертикального профиля коэффициента рассеяния..................................................................................89

3.1.1. Анализ межуровневых корреляционных связей коэффициента рассеяния..............................................................................90

3.1.2. Оценка высоты слоя перемешивания........................................96

§ 3.2 Принципы построения схемы восстановления аэрозольного

профиля...............................................................................................100

§ 3.3 Восстановление профиля сухой основы по приземному

значению коэффициента рассеяния................................................104

§ 3.4 Учет температуры при восстановлении вертикального профиля коэффициента рассеяния........................................................117

Основные результаты главы 3................................................................123

ГЛАВА 4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА

РАССЕЯНИЯ IN SITU...................................................................124

§ 4.1 Восстановление профиля относительной влажности.................125

§ 4.2 Восстановление профиля коэффициента рассеяния с учетом относительной влажности.................................................................129

4.2.1 Сравнение различных способов восстановления профиля

<т (Л)..................................................................................................131

§ 4.3 Учет оптической толщи при восстановлении вертикального профиля коэффициента рассеяния..................................................131

4.3.1. Оценка оптической толщи слоя ff> 5 км..............................132

4.3.2 Коррекция профиля....................................................................132

§ 4.4 Анализ точностных характеристик модели.................................140

Основные результаты главы 4................................................................146

Заключение.......................................................................................................147

Литература........................................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Атмосферный аэрозоль является неотъемлемой составляющей атмосферы и играет существенную роль в формировании ее оптического состояния [5, 7, 11, 36, 41-45, 47, 52, 56, 61, 63, 67, 68, 70, 71, 76, 78-81, 99, 103, 104, 107, 110, 112, 121, 137]. Исследование его свойств тесно связано с такими актуальными проблемами физики атмосферы как теория климата и прогноз погоды [7, 21, 22, 43, 44, 63, 68, 81, 121], распространение световых волн в атмосфере [5, 33, 41, 42, 56, 70, 102, 107, 113], включая задачи дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности [13, 14, 42, 43, 45, 70, 78, 80, 102]. Знание оптических параметров атмосферного аэрозоля необходимо для радиационных расчетов и оценки эффективности систем, работающих через атмосферу в оптическом диапазоне [45, 78, 80, 112]. Особую актуальность исследования по оптике аэрозолей приобретают в связи с бурным развитием в последние годы климатических моделей.

В то же время сильная пространственно — временная изменчивость свойств аэрозоля и их сложная связь со всеми атмосферными процессами приводит к тому, что имеющихся на сегодня сведений явно недостаточно для однозначного понимания роли аэрозольных частиц в изменении глобального климата [7, 63, 81, 121, 137]. В частности, не исключено, что корректный учет оптики аэрозоля сможет компенсировать прогнозируемое в современных моделях потепление, обусловленное парниковыми газами [81, 121, 137].

Отсюда понятно, что в радиационном блоке моделей общей циркуляции атмосферы, наряду с облачностью и парниковыми газами, необходим корректный учет оптических свойств атмосферного аэрозоля.

Точная математическая модель пространственно — временной структуры аэрозоля могла бы быть создана, если решить систему уравнений, опи-

сывающих процессы возникновения, трансформации, переноса и стока частиц из атмосферы. Определенные попытки в этом направлении делались в ряде работ [15, 30, 103, 108, 109, 133]. Однако, на сегодняшний день пока еще недостаточно хорошо изучены аэрозольные процессы, и явно не хватает количественных сведений о всех необходимых параметрах. Поэтому наиболее предпочтительным представляется путь создания эмпирических моделей, основанных на статистической обработке экспериментальной информации об аэрозольных характеристиках.

Состояние и краткая история вопроса.

Оптические и микрофизические свойства атмосферного аэрозоля исследуются разными методами у нас в стране и за рубежом достаточно интенсивно. Это работы ИФА, ИОА, ИЭМ, ЦАО, ИПГ, ЛГУ, ГГО, ГИПО, ИФ АН Беларуси, АФИ НАН Казахстана и многих других организаций [8, И, 25-29, 35, 37, 38, 43, 50-53, 56, 58, 60-64, 77, 82, 83, 87, 88, 91-95, 99, 110-112, 123, 125, 127, 128, 136, 143-149]. Характеристики аэрозоля на разных высотах измеряются при помощи приборов, размещаемых на всевозможных мобильных носителях — аэростатах, самолетах, геофизических ракетах и др. Наиболее значительный объем данных о счетной концентрации и микроструктуре аэрозоля в различных слоях атмосферы получен в Ленинградском университете под руководством Л.С. Ивлева [36, 48, 51 — 53] и в Институте оптики атмосферы СО РАН под руководством Б.Д. Белана [11, 41, 44]. Из зарубежных авторов следует отметить самолетные измерения Б. Фитча и Т. Кресса [125, 131, 132], С. Дантли и др. [127, 128], Л. Радке и др. [136, 145], аэростатные измерения Дж. Розена и Д. Хофмана [146 — 148]. Большое развитие, особенно в последние годы, получили дистанционные оптические (прожекторные и лидарные) методы зондирования аэрозоля [43, 45, 102].

Первые обобщения данных измерений и попытки описать стратификацию аэрозоля появились в конце 60 —х — начале 70 —х годов в работах

Г.В. Розенберга, К.Я. Кондратьева, Е. Шеттла и Р. Фенна [61, 63, 104 — 106, 151].

Одна из первых моделей вертикального профиля аэрозоля была создана Эльтерманом [129, 130] и представляла собой усреднение данных прожекторного зондирования. Достаточную известность получила модель Макклатчи [142], включающая в себя молекулярное и аэрозольное ослабление. Она содержит два аэрозольных профиля для дальности видимости 8М = 5 и 23 км, отличающиеся друг от друга значениями концентрации частиц в диапазоне высот 0 — 4 км. Функция распределения по размерам задана в виде, рекомендованном Д. Дейрменджаном [33] для континентальной дымки. В этой модели предполагается довольно грубая градация по высоте (шаг составляет 5 км) и нет разделения по широтам, времени года и другим признакам.

В последующих моделях, появившихся в 70 —х годах (Шеттл и Фенн [151, 152], Тун и Поллак [153]), была введена классификация аэрозоля по основным климатическим зонам — континентальный, морской, арктический, тропический). Модель Шеттла и Фенна предусматривает следующую условную классификацию оптических свойств аэрозоля. В пограничном слое атмосферы (0 — 2 км) предложены профили коэффициента ослабления, характеризующие морской, континентальный и городской аэрозоль при значениях = 2, 5, 10, 23 и 50 км. В тропосфере и стратосфере выделено два сезонных состояния (весна—лето и осень —зима); кроме того, выполнен приближенный учет влияния вулканических извержений.

К 70 —м годам относятся и первые широкомасштабные эксперименты, составной частью которых было изучение свойств глобального аэрозоля, его радиационных эффектов. Это эксперименты ПИГАП, КЭНЭКС, советско-американские эксперименты в Рыльске и Ларами, и др. [60, 62, 64, 100, 101, 146]. С помощью комплекса самолетного и аэростатного зондирования были получены уникальные данные о вертикальном распреде-

лении счетной концентрации, функции распределения по размерам и химического состава аэрозольных частиц над континентом.

В моделях, обобщающих данные этих экспериментов [65, 66, 70], вводится разделение по сезонам, правда, весьма грубое — теплый и холодный сезон. Тогда же были предприняты и первые попытки спрогнозировать роль аэрозоля в изменении климата.

Основным несовершенством созданных к этому времени моделей является то, что в них заложены постоянные по высоте функция распределения частиц по размерам и их оптические постоянные.

Следующим шагом в развитии высотных оптических моделей явился учет вертикальной неоднородности параметров аэрозоля. В модели [39] выделены следующие высотные уровни в атмосфере: приземный слой (0 — 1.5 км), тропосфера (1.5 —9 км), тропопауза (9 —13 км), нижняя стратосфера (13 —22 км), верхняя стратосфера (22 —30 км) и верхняя атмосфера (30 — 90 км). Внутри каждого слоя задавались средние гистограммы распределения частиц по размерам; оптические постоянные аэрозольных частиц выбирались согласно синтетической модели [49]. Здесь же впервые выполнен приближенный учет среднего вертикального распределения относительной влажности.

Современные модели учитывают высотную стратификацию микрофизических параметров частиц, а также важную роль относительной влажности воздуха в трансформации оптических характеристик. Так, оптико — локационная модель континентального аэрозоля, разработанная в ИОА Г.М. Крековым и Р.Ф. Рахимовым [70], а также ее последующие модификации — фоновая и среднециклическая модели [41, 71] учитывают не только вертикальный профиль концентрации частиц, но и трансформацию с высотой полимодальной функции распределения частиц по размерам. Также введено влияние относительной влажности на изменение спектра размеров частиц и значение комплексного показателя преломления. Но эти модели дают лишь общее представление о закономерностях формиро-

вания вертикальной структуры, и их использование для оценки профиля оптических характеристик в конкретной ситуации не обеспечивает требуемой точности.

Наиболее информативной на сегодняшний день для различных радиационных расчетов является аэрозольная модель, которая является обобщением нескольких предыдущих версий, разрабатываемых Шеттлом и Фенном и используется в пакете LOWTRAN [139, 140]. Но даже в ней предполагается разделение всего на два контрастных сезона — зима и лето, жестко заданы высота слоя перемешивания и дальность видимости, и полностью отсутствует возможность учета внутрисезонных факторов.

Переменная высота слоя перемешивания для разных сезонов была введена в работах Кондратьева и Позднякова [7, 67], но и это не описывает всей динамики аэрозольного профиля, т.к. не учитываются конкретные метеорологические и синоптические условия.

Следует подчеркнуть, что все упомянутые модели созданы по данным микрофизических измерений аэрозоля. Поэтому они нуждаются в тщательной проверке и калибровке по данным непосредственных оптических наблюдений. К сожалению, такие данные в нижней тропосфере весьма ограничены. Это прежде всего лидарные измерения, проводившиеся в 70 —е годы в Казани Ю.П. Дябиным с коллегами [37, 38], а также нефе-лометрические измерения коэффициента рассеяния с борта самолета, выполненные B.C. Максимюком [77], А.И. Гришиным и Г.Г. Матвиенко [11, 32]. Но полученные ими данные относятся к ясным антициклональным условиям и темному времени суток и, следовательно, не могут дать полного представления о формировании вертикальной структуры оптических характеристик. В настоящее время сравнительно регулярные измерения высотного профиля аэрозольных параметров при помощи лидара ведутся Ю.С. Балиным [8 — 10], но к настоящему времени получены лишь предварительные результаты.

Следовательно, на сегодняшний день необходимо построение динамической модели оптических характеристик атмосферного аэрозоля, которая бы позволяла учесть их изменчивость под воздействием внешних геофизических и синоптических факторов.

Создание более динамичной модели по сравнению с уже имеющимися возможно лишь при увеличении числа учитываемых входных параметров и, следовательно, при уменьшении масштаба усреднения. Однако слишком мелкое дробление приведет к тому, что модель потеряет свою климатическую и геофизическую значимость. Поэтому, на наш взгляд, представляется наиболее целесообразным использование масштаба воздушной массы, где существует общность аэрозольных процессов. Не менее важным является и конкретный географический район, поскольку он имеет свои характерные источники аэрозоля, свою статистику повторяемости барических образований и воздушных масс, преобладающие траектории их движения. Следовательно, наиболее динамичные и наиболее точно описывающие ситуацию аэрозольные модели могут быть созданы именно для масштабов региона.

Исходя из этих соображений в качестве носителя аппаратуры был выбран самолет, т.к. он обеспечивает постановку эксперимента в масштабе региона.

Задачи исследования были сформулированы следующим образом:

1. Тщательная проработка методических аспектов измерения аэрозольного коэффициента рассеяния с борта самолета—лаборатории

2. Проведение измерений, статистическая обработка и анализ экспериментальных данных

3. Исследование основных факторов изменчивости содержания и стратификации субмикронного аэрозоля (сезонной изменчивости, влияния воздушных масс, суточного хода) в диапазоне высот от 0 до 5 км для Западно — Сибирского региона.

4. Разработка алгоритма и создание пакета программ для восстановления вертикального профиля аэрозольного коэффициента рассеяния с учетом сезонных факторов, синоптических признаков, а также измеряемых метеорологических параметров и оптических характеристик аэрозоля.

5. Анализ точностных характеристик и границ применимости модели. Реализуемый в работе подход основан на раздельном изучении оптических характеристик сухой основы аэрозольных частиц и их параметра конденсационной активности. Представим зависимость коэффициента рассеяния от относительной влажности воздуха в виде формулы Кастена— Хенела [134, 135, 138]:

а = а„(1 -КГ , <ВЛ)

где а — коэффициент рассеяния, су — коэффициент рассеяния, обусловленный сухой основой аэрозольных частиц (т.е. при нулевой относительной влажности), у —параметр конденсационной активности, Я — относительная влажность воздуха.

Целесообразность такого подхода обусловлена тем, что характеристики сухой основы отражают общее содержание аэрозоля в воздушной массе, связаны с ее предысторией, с природой и мощностью источников аэрозоля. Они зависят от всей совокупности геофизических процессов различного масштаба (от локальных до глобальных).

Параметр конденсационной активности у определяется материалом частиц, в первую очередь —соотношением растворимых и нерастворимых веществ в составе сухой основы аэрозоля.

Изменение относительной влажности воздуха — это достаточно быстро протекающий процесс, обусловленный, главным образом, суточным ходом температуры, модуляцией радиационного потока облаками, наличием местных источников повышенной влагоотдачи и т.п.). Поэтому в рамках данного подхода относительная влажность может быть отнесена к внутренним

Достоверность полученных результатов обеспечивается: большим объемом экспериментальных исследований, проведенных при различных синоптических и метеор