Исследование атмосферных аэрозолей методами обращения спектральных оптических характеристик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

^ д На правах рукописи

2 7 ОКТ 1393

МАКИЕНКО ЭДУАРД ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ МЕТОДАМИ ОБРАЩЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск -1998

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Наац И.Э.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Защита состоится "13" ноября 1998г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д200.38.01 в Институте оптики атмосферы СО РАН (634055, г. Томск, пр. Академический, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН

Автореферат разослан "13" октября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Горчаков Г.И.

кандидат физико-математических наук Аршинов Ю.Ф.

Ведущая организация: Сибирский физико-технический

институт им. В.Д. Кузнецова, г. Томск

д.ф.-м.н.

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Для учета влияния атмосферы во многих прикладных задачах, связанных с оценкой эффективности оптических систем, действующих через атмосферу, требуется численная информация о характеристиках аэрозоля - атмосферных дымок разных климатических районов и сезонов года. Учет вариаций аэрозольного состава атмосферы необходим для повышения точности расчетов радиационного режима системы "атмосфера - подстилающая поверхность" в проблеме моделирования возможных тенденций изменения климата. Как погодообразующий фактор аэрозоль играет существенную роль в атмосферных процессах, оказывая прямое влияние на перенос радиации в результате рассеяния и поглощения солнечного излучения и участвуя в качестве ядер конденсации в формировании облаков и выпадении осадков. Актуальной задачей является исследование антропогенных загрязнений атмосферы для оценки влияния газовых и аэрозольных компонентов, их преобразований в атмосфере определение механизмов диффузии в пространстве и дальности распространения, уровня концентрации и оптического действия. К настоящему времени накоплен большой объем информации о физико-химических свойствах атмосферного аэрозоля, фундаментальных закономерностях его образования и трансформации, пространственно-временной изменчивости полей оптических и микрофизических характеристик. Вместе с тем, для совершенствования моделей, учитывающих динамичность процессов, проходящих в атмосфере с участием аэрозоля, изучения особенностей формирования и трансформации аэрозольных полей и их изменчивости в зависимости от глобальных, региональных и локальных геофизических факторов требуются систематические данные на основе долговременных наблюдений.

Важнейшими характеристиками для численной оценки эффектов, вызываемых наличием в атмосфере аэрозоля, являются распределение частиц

по размерам и их физико-химические свойства, определяющие комплексный показатель преломления. Располагая этой информацией можно найти требуемые оптические характеристики и определить интегральные параметры микроструктуры аэрозоля, такие как счетная концентрация, объемная концентрация, поверхность частиц. При исследовании атмосферных дымок оптическими методами информацию о микроструктуре аэрозоля можно получить из спектральных или угловых характеристик рассеяния излучения полидисперсной средой методами решения обратной задачи. Вследствие того, что функциональные зависимости оптических характеристик рассеивающей среды с микрофизическими параметрами аэрозоля выражаются интегральным уравнением Фредгольма I рода, интерпретация результатов оптического эксперимента приводит к некорректной (недоопределенной) обратной задаче. Развитые к настоящему времени методы решения некорректных обратных задач основаны на построении алгоритмов, обеспечивающих устойчивые к малым возмущениям исходных данных приближенные решения, путем привлечения дополнительной (априорной) информации.

В решении обратных задач оптики атмосферы наибольшее применение получили методы регуляризации А.Н. Тихонова, статистической регуляризации В.Ф. Турчина, параметрические методы, разработанные в ИФА РАН и ИОА СО РАН, в зарубежных исследованиях метод Д. Филлипса. Наряду с отмеченными математическими трудностями, задача интерпретации данных оптического зондирования атмосферного аэрозоля усложняется тем, что в большинстве случаев при восстановлении распределения частиц по размерам неизвестны оптические константы вещества частиц, определяющие ядро соответствующих интегральных уравнений. В ряде работ (R. Eiden, и И.Э. Наац с сотрудниками. Г.И. Горчаков, A.C. Емиленко, В В. Веретенников, J.A. Reagan) и др. решались задачи определения параметров микроструктуры аэрозоля и показателе преломления частиц по данным оптических измерений. Такая постанови обратной задачи более сложна и требует разработки специальных методик i

алгоритмов интерпретации данных комплексного эксперимента на основе анализа информативности оптических характеристик. Теоретические вопросы интерпретации данных комплексных оптических экспериментов рассмотрены в работах И.Э. Нааца.

Учитывая значительную пространственную изменчивость атмосферного аэрозоля, для получения наиболее адекватных представлений о микрофизических характеристиках требуются данные, усредненные по большому объему. В этом отношении перспективны измерения спектрального пропускания атмосферных дымок в видимом и ИК - диапазонах длин волн на протяженных трассах с последующим обращением данных оптических измерений. Эффективным средством получения информации об оптических и микрофизических характеристиках атмосферного аэрозоля, их пространственно-временных изменениях, являются лазерные локаторы (лидары). Достоинства лазерного зондирования атмосферы (высокое пространственно-временное разрешение, оперативность получения информации, возможность использования разнообразных эффектов взаимодействия лазерного излучения с исследуемой средой) показанные в монографиях В.Е. Зуева, вызв&чи быстрый прогресс в разработке лидарных систем для контроля загрязнений атмосферы, исследования облачных образований, зондирования атмосферы и земной поверхности из Космоса и других приложений. Наиболее информативны данные многочастотного лазерного зондирования, позволяющие применить методы обратной задачи для восстановления микрофизических и оптических характеристик аэрозоля. Лидары нашли широкое применение в исследовании стратосферного аэрозольного слоя. С помощью лидаров изучалось влияние вулканической активности на стратосферный аэрозоль, были выявлены сезонные вариации, получены оценки времени пребывания частиц в стратосфере, прослеживалось распространение аэрозольных слоев на различных высотах и их временная трансформация. Вместе с тем, при исследовании методом лазерной локации

свойств содержащихся в атмосфере аэрозольных частиц, большая часть результатов получена к настоящему времени с помощью лидаров, работающих на одной длине волны и носит преимущественно качественный характер. Недостаточность информации, прлучаемой одяочастогными лидарами для решения задач климатологии, изучения значимости гетерогенных реакций на поверхности частиц как фактора стока от стратосферного озона на аэрозоль и других приложений вызвали возрастающий в настоящее время интерес к увеличению числа длин волн зондирования для обеспечения возможности численной оценки параметров микроструктуры аэрозоля. Развитые в ИОА СО РАН теория и методы многочастотной лазерной локации атмосферы и первые результаты численного определения параметров микроструктуры и оптических характеристик аэрозоля обращением данных зондирования стратосферы в г. Томске наземным лидаром на двух и трех длинах волн в 1975-1976 г.г. (в период после извержения вулкана Фуэго), приведены в монографиях В.Е. Зуева и И.Э. Нааца. Результаты применения наземных двухчастотных лидаров в исследовании стратосферного аэрозоля за последние годы приводятся в работах В.В. Зуева с сотрудниками (ИОА СО РАН), А.П. Иванова, А.П. Чайковского, В.Н. Щербакова (Институт физики HAH Беларуси) и в ряде зарубежных публикации (J. Iwasaka, Н. Jager, А. Adriani, С. Wedekind и др.).

Цель и основные задачи. С учетом актуальности перечисленных проблем цель диссертационной работы заключалась в разработке и реализации в исследованиях атмосферного аэрозоля средствами оптического зондирования методов и численных алгоритмов дистанционного определения микрофизических характеристик дисперсных сред и контроля их пространственно-временной изменчивости.

Основные задачи исследований состояли в следующем: 1. Разработка методов, численных алгоритмов и программного обеспечения для решения обратных задач определения

микрофизических параметров и восстановления оптических характеристик атмосферного аэрозоля по данным измерений спектральных зависимостей коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного рассеяния.

2. Исследование информационных возможностей многочастотных лидаров и спектральных фотометров в численных и натурных экспериментах, анализ эффективности решения обратных задач в изучении локальных особенностей распределения частиц по размерам в различных интервалах дисперсности, точности количественных оценок параметров микроструктуры и восстановления оптических характеристик аэрозоля.

3. Разработка и реализация методов совместного определения характеристик дисперсности аэрозоля и оптических констант вещества частиц на основе исследования информативности спектральных зависимостей оптических характеристик и обращения данных комплексного эксперимента.

4. Обоснование многочастотного лазерного зондирования как метода получения количественной информации о параметрах микроструктуры и спектральных зависимостях оптических характеристик стратосферного аэрозоля, построение на основе решения обратной задачи с учетом современной микрофизической информации методик интерпретации данных зондирования стратосферного аэрозоля двух-четырех волновыми наземными лидарами.

5. Исследование атмосферных дымок, включая стратосферный аэрозольный слой, методами решения обратных задач на основе систематических измерений спектральной прозрачности атмосферы на протяженных горизонтальных трассах в видимом и ИК-диапазонах, синхронных измерений полного и обратного аэрозольного рассеяния в видимом диапазоне длин волн в локальном объеме воздуха с

использованием спектрального нефелометра, данных зондирования стратосферы наземными многочастотными лидарами.

Научная новизна.

1. Разработан оригинальный комплекс методик, алгоритмов и программ обращения спектральных характеристик рассеяния оптического излучения с использованием численных методов минимизации функций многих переменных для исследования атмосферных дымок оптическими методами.

2. На основе анализа информативности данных многочастотных лидаров и спектральных фотометров численно обоснована возможность и эффективность совместного определения характеристик микроструктуры аэрозоля и показателя преломления частиц обращением данных синхронных измерений спектральных зависимостей аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, построены и реализованы соответствующие методики и алгоритмы интерпретации данных комплексного оптического эксперимента.

3. Обоснована эффективность многочастотной лазерной локации стратосферного аэрозольного слоя как метода получения количественной информации о микроструктурных и оптических характеристиках аэрозоля и контроля их пространственно-временной изменчивости.

4. Впервые методом обращения данных лазерного зондирования получена численная информация о дисперсности, спектральных оптических характеристиках и пространственно-временной динамике аэрозоля в стратосфере, «возмущенной» вулканическим воздействием.

5. Исследован малоизученный процесс образования и развития дымки при отрицательных температурах воздуха в условиях подавленной снежным

покровом генерации почвенных частиц. Получены новые данные о трансформации аэрозольных распределений в ходе этого процесса.

6. Получены оценки усредненных по массиву реализаций за период наблюдений (декабрь) основных интегральных характеристик субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в зимних дымках различной оптической плотности.

7. Непосредственно из обращения данных комплексного оптического эксперимента в условиях аридной зоны получены усредненные по массиву реализаций за период измерений (сентябрь) оценки показателя преломления частиц субмикронного аэрозоля в видимой области спектра.

Основные положения и результаты выносимые на защиту:

1. Реализованные методы решения обратных задач позволяют исследовать процессы динамики атмосферных дымок, восстанавливать временную трансформацию аэрозольных распределений в этих процессах с разрешением, достаточным для выявления области действия физических механизмов генерации частиц, региональных и сезонных особенностей микроструктуры аэрозоля,

2. Метод многочастотного лазерного зондирования, основанный на решении обратной задачи аэрозольного светорассеяния, при использовании современной (априорной) микрофизической информации дает состоятельные количественные оценки дисперсности и спектральных оптических характеристик аэрозоля на различных высотах в нижней стратосфере, обеспечивающие возможность экстраполяции за пределы диапазона зондирования с коэффициентом усиления погрешности измерений 1.5-2 и прогноз оптической толщи стратосферного аэрозоля.

3. По результатам обращения данных лазерного зондирования установлена специфика поствулканического помутнения стратосферы, связанная с развитием вторичного максимума на высотах >17 км. Относительный вклад в оптическую толщу аэрозоля области высот 17-26 км увеличился от 20% в среднем за июль 1991 г. до 50 % в апреле 1992 г. при общем увеличении оптической толщи стратосферного аэрозоля над Томском за тот же период от 0.074 до 0.195 на длине волны 532 нм.

4. Усредненные по массиву реализаций за длительный период наблюдений оценки вещественной части показателя преломления частиц в видимой области спектра, полученные непосредственно из обращения данных комплексного оптического эксперимента в полупустынном районе (Алма-Атинская обл.), согласуются с известными модельными представлениями показателя преломления частиц в зависимости от относительной влажности воздуха.

Предметом защиты также являются:

- Методики, алгоритмы и программы определения дисперсности и показателя преломления частиц, основанные на анализе информативности и обращении спектральных оптических характеристик светорассеяния и результаты исследования их эффективности в численных и натурных экспериментах.

- Результаты исследования оптико-микрофизических характеристик аэрозоля методом обращения данных лазерного зондирования стратосферы, "возмущенной" воздействием извержения вулкана Пинатубо, в том числе

- Спектральные зависимости коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой и ближней ИК-области спектра и оценки оптической толщи стратосферного аэрозольного слоя на высотах 11-30 км.

- Численные оценки параметров распределения частиц по размерам и их пространственно-временная динамика в период формирования и развития поствулканических аэрозольных слоев.

и

- Результаты исследования трансформации распределения частиц по размерам в процессе образования и развития зимней дымки при отрицательных температурах воздуха в условиях подавленной снежным покровом генерации почвенных частиц.

- Количественные данные о средних оценках интегральных характеристик субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в зимних дымках различной оптической плотности.

Достоверность

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается:

-результатами численного моделирования и анализом эффективности решения обратных задач с использованием разработанных методик, алгоритмов и программ в численных экспериментах по замкнутой схеме.

-соответствием результатов восстановления микрофизических характеристик приземных атмосферных дымок обращением данных натурных экспериментов современным представлениям о физических механизмах образования и трансформации атмосферного аэрозоля.

- согласованностью результатов определения параметров микроструктуры и оптических характеристик аэрозоля методами обратной задачи в стратосфере, возмущенной извержениями вулканов Фуэго и Пинатубо с известными данными прямых и оптических наблюдений.

Научно-практическая значимость

Разработанные методики а алгоритмы интерпретации данных оптических экспериментов дают возможность оперативно получать численную информацию по основным микрофизическим параметрам и оптическим характеристикам аэрозоля в мониторинге дисперсных загрязнений атмосферы, перспективны в исследовании процессов образования и трансформации

аэрозоля в задачах физики и оптики атмосферы, получении численно! информации, необходимой для повышения точности радиационных расчетов.

Результаты исследования малоизученных до настоящего времени зимни: дымок могут быть использованы при разработке микрофизических i оптических моделей атмосферного аэрозоля с учетом сезонных особенностей.

Полученные численные оценки микрофизических и оптически; характеристик аэрозоля в стратосфере, «возмущенной» воздействие» извержения вулкана Пинатубо, результаты исследования их пространственно временной динамики дополняют информацию, полученную на расположении: в различных широтных зонах станциях лидарного мониторинга стратосферы необходимую в изучении влияния вулканических извержений на тенденцщ изменения климата и погоды.

Апробация

Основные результаты исследований, представленные к диссертации докладывались и обсуждались на 1, 2 Всесоюзных симпозиумах п< распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1971, 1973); 3-5, 7 11 Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондировании атмосферы (Томск, 1974, 1976, 1978, 1982, 1992); 10 Всесоюзной конференцш по распространению радиоволн (Иркутск, 1972); 4 Международно! конференции по изучению атмосферы лазерными радарами (США, Виргиния 1973); 1 и 3 Ассамблеях 1AMAR (Австралия, Мельбурн 1974; ФРГ, Гамбур] 1981); Всесоюзном симпозиуме по радиофизическим методам исследована: атмосферы (Ленинград, 1972); 1 Всесоюзном совещании по атмосферно] оптике (Томск, 1976); Международном симпозиуме по радиации в атмосфер! (ФРГ, Гармиш-Партенкирхен, 1976); 12 Совещании по актинометрии (Иркутск 1984); Симпозиум SPIE (США, Орландо, Флорида, 1993, 1995 г.г.) Европейской аэрозольной конференции (Финляндия, Хельсинки, 1995); Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмсоферы и океана" (Томск

1994); 21 Генеральной ассамблее международного союза геодезии и геофизики (США, Болдер, Колорадо, 1995).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 44 научные работы, включая 25 статей в центральных жерналах и тематических сборниках, 19 статей в трудах конференций и тезисов докладов, представленных на всесоюзные, межреспубликанские и международные конференции.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Обший объем диссертации составляет 160 страниц, включая 40 рисунков, 20 таблиц и 136 литературных ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе рассматривается один из простейших методов решения обратной задачи в параметрическом виде вариационным методом в рамках заданной аналитической зависимости распределения частиц по размерам (метод модельных оценок). Метод разработан для оперативной количественной диагностики параметров микроструктуры и прогноза оптических характеристик дисперсных сред в условиях, когда малый объем спектральной оптической информации и высокая погрешность измерений не позволяют в полной мере реализовать возможности более сложных методов решения обратных задач восстановления спектров размеров частиц в общем виде. Представлена вычислительная схема метода, рассмотрены особенности алгоритмов численной оценки основных параметров микроструктуры аэрозоля в зависимости от выбираемой аналитической модели спектра размеров частиц. В численных экспериментах применительно к задачам многочастотного

лазерного зондирования анализируются информационные возможности и точностные характеристики количественного определения микрофизических параметров и восстановления спектральных оптических характеристик атмосферного аэрозоля. Обсуждаются результаты апробации метода модельных оценок и анализа его эффективности на примерах интерпретации данных натурного эксперимента. Определение микроструктуры аэрозолей по данным многочастотных лидаров и спектральных фотометров методами обратной задачи основывается на использовании зависимости от длины волны оптических характеристик рассеивающей среды. Значение оптической характеристики на длине волны Я; (1=1,2,...п) представляется интегралом вида:

р(^) = )к(гЛ,т>>(г)1г> (1)

где б(г)с!г = пг2п(г)с1г, п(г)с!г - распределение частиц аэрозоля по размерам в

интервале радиусов [пдг]; К(г, Хь ш, к) - соответствующие данному эксперименту факторы эффективности рассеяния, которые могут быть рассчитаны по теории Ми в предположении, что форма частиц близка к сферической и при известных значениях вещественной части т и мнимой части к комплексного показателя преломления частиц.

При лазерном зондировании по моностатической схеме в качестве р(Я) используются объемные коэффициенты аэрозольного обратного рассеяния (3Л(Х) или объемные коэффициенты аэрозольного ослабления излучения рех(А), которые могут быть найдены из принимаемых сигналов обратного рассеяния посредством решения соответствующей системы уравнений лазерной локации.

Определение 5(г) по измерениям спектральной зависимости р(/.) является некорректной обратной задачей, поскольку речь идет о решении интегрального уравнения первого рода. Выбор метода обращения зависит от информативности оптических данных относительно распределения частиц по размерам. В свою очередь информативность данных зависит от числа длин волн, их распределения по спектральному интервалу, точности измерений.

Определенные погрешности в решение обратной задачи вносят ошибки выбора показателя преломления частиц, которые в большинстве практических задач приходится выбирать априори на основе моделей оптических констант вещества частиц. Метод модельных оценок в математической форме может быть представлен следующим образом. Обозначим через Бт (г, аь а2,...,ат) модельную функцию определенного аналитического вида, характеризующую распределение частиц по размерам, где аь а2,...,ат некоторые неизвестные параметры. Совокупность параметров {а^ (]=1,2,...,т) можно рассматривать как точку р={ аь а2,...,аш} параметрического пространства Р. В конкретных задачах обычно известны границы допустимого изменения параметров, поэтому вместо Р будем рассматривать некоторую ограниченную область П этого пространства. Если Р пробегает область значений О, то соответствующие функции Эщ (г, аь а2,...,ат) образуют параметрическое множество функций Фт. Поскольку решаемая обратная задача некорректна, при выборе области О должно быть выполнено условие компактности параметрического множества функций Фт для всех точек Р из области П, что обеспечивает взаимно однозначное соответствие элементов зт из параметрического множества Фт и рш из множества модельных оптических характеристик, образуемых оператором К и модельной функцией 5(г, а^ а2,...,аш). При выполнении этого условия определение решения б*, соответствующего измеренной оптической характеристике Р* в методе модельных оценок сводится к нахождению функции з*т из параметрического семейства О. Тогда численный алгоритм определения искомых параметров может быть основан на минимизации квадратичной формы

р(РЬ1(^)-М^.а„а2,...ат))2 (2)

в области О., что эквивалентно решению системы уравнений вида аьа2,...,ат) = ¡3;, 1=1,2,...,п (3)

вариационным методом, где - значение оптической характеристики, измеряемой на длине волны

Следует отметить, что модельные функции распределения частиц, как правило, нелинейно зависят от искомых параметров и, вследствие этого минимизируемая функция (2) может иметь в области £2 не один экстремум, что при оценке большого числа параметров может приводить к неоднозначности решения. С учетом этого обстоятельства важное значение имеет предварительный численный анализ обратной задачи аэрозольного светорассеяния с целью выбора наименьшего числа независимых оцениваемых параметров, относительно которых измеряемые в конкретном оптическом эксперименте данные наиболее информативны.

Второе замечание относится к тому факту, что вследствие различных механизмов формирования отдельных фракций аэрозоля в атмосфере, реальные распределения частиц по размерам сложнее модельных функций. Поэтому в качестве оцениваемых целесообразно выбирать такие параметры, которые в среднем дают близкие к реальным характеристики микроструктуры аэрозоля, слабо зависящие от локальных особенностей спектра размеров частиц. Эффективной является оценка параметров, которые определяются как интегральные от соответствующих аэрозольных распределений, таких как суммарное геометрическое сечение частиц Б в единичном рассеивающем объеме, счетная концентрация частиц Ы(г>То), где Го - некоторый фиксированный радиус частиц, объемная концентрация V, средний радиус частиц гс в полидисперсном рассеивающем ансамбле. При зондировании аэрозоля излучением видимого диапазона длин волн удовлетворительные результаты дает оценка модального радиуса г3 функции б(г) для устойчиво наблюдаемой в атмосфере субмикронной моды частиц.

Наиболее распространенными моделями для описания спектра размеров частиц в атмосферной оптике являются такие функции как 4-х параметрическое

гамма-распределение, степенная функция, различные модификации логнормального распределения.

Вычислительная схема метода модельных оценок рассмотрена на примере представления аналитического вида решения модифицированным гамма-распределением

В качестве искомых рассматривались полное геометрическое сечение 8 и модальный радиус г8 функции распределения геометрического сечения частиц по размерам как наиболее значимые параметры для практических приложений, в частности, для расчета оптических характеристик аэрозоля. Параметры а и у в модели (4) с учетом изложенных ранее замечаний целесообразно выбирать исходя из физической информации о типе аэрозоля исследуемой среды, например, на основе рекомендаций работы.

Для перехода к параметрам Э, г5 преобразуем модель (4) представив ее в

виде

и

Соответствующая этому распределению модельная оптическая характеристика определеяется соотношением

п(г)с!г = ага ехр|-Ьгт |йг

(4)

(5)

(6)

где

00

8 = |ст2п(г)(3г и г8 -модальный радиус распределения 8(г)=яА1(г).

о

Для построения процедуры последовательной оценки параметров Б, г8 применяется следующий прием. Предположим, что измеренная оптическая характеристика достигает максимального значения на длине волны Яш. Тогда, переходя к нормированным величинам можно исключить

зависимость минимизируем ой функции (2) от параметра Б, представив ее в виде

¡«1

1*т

!М

К(гДт)Ф(г,г5)с1г

(8)

Искомое значение г*5 находится путем минимизации (8) методом скорейшего координатного спуска и используется для определения параметра 8* из соотношения

Ч

1=1 г,

1=1

(9)

При известных Б*, г*5 несложно определить другие характеристики микроструктуры, например, модальный радиус гп функции п(г), концентрацию и собственный объем частиц в единичном рассеивающем объеме и т.д. Соответствующие расчетные соотношения приведены в работе. Общая схема вычислений остается той же при выборе в качестве исходной модели другой функции распределения частиц по размерам. Например, для распределения п(г)ёг=аг"у или близкого к нему распределения частиц по размерам

п(г)<3г =

а,йг

0< г <Г), Г1 й Г < 00,

(10)

по аналогичной процедуре определяются параметры Б и V. При выборе в качестве модели соотношения (10) предложено использовать в схеме (8-9) следующую модификацию

а^г

п(г)(1г

/1<1г 1/ 05г<Г1 (11)

Переход от модели (10) к (11) вызван особенностями аналитического поведения распределения (10) при больших г, приводящими к медленной сходимости интегралов (1) при у<4 (при у<3 они вообще не существуют). Модель (11) близкая к (10) при р24 для частиц с г<1 мкм, обеспечивает хорошую сходимость интегралов для любых ц. С дальнейшим ростом г распределение (11) быстро убывает, что соответствует в целом реальным спектрам размеров частиц атмосферного аэрозоля.

В первом разделе главы исследованы основные факторы, влияющие на эффективность количественной оценки параметров, определяющих микроструктуру аэрозоля в среднем (интегрально), определены требования к выбору оптических констант вещества частиц при обращении данных многочастотного лазерного зондирования атмосферных дымок с учетом погрешности измерений.

В целом результаты численных исследований показывают, что если число длин волн зондирования не больше 4, погрешность экспериментальных данных превышает 10-15%, погрешность выбора вещественной части показателя преломления т находится в пределах +0,05 от действительного значения Шо (1,4<Шо<1,6) и мнимой части к в пределах ±0,005 (ко^0,005), то наиболее простым и эффективным методом обращения можно считать метод модельных оценок.

Во второй части первой главы в замкнутых численных экспериментах исследованы особенности перехода методом обратной задачи от спектральных коэффициентов аэрозольного обратного рассеяния к коэффициентам аэрозольного ослабления и противоположного перехода, связанные с информационными возможностями лидара с рабочими длинами волн в диапазоне 0.347-1.06 мкм. В результатах обращения спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, измеренных в

полупустынном районе Алма-Атинской обл. в видимом диапазоне длин волк погрешность решения обратной задачи при выборе показателя преломления н; основе модельных представлений с учетом зависимости от относительно! влажности воздуха не превысила в среднем погрешности нефелометрическогс метода измерений. Это свидетельствует об эффективности разработанные алгоритмов метода модельных оценок в численном определении параметрах микроструктуры и прогнозе оптических характеристик аэрозоля.

Во второй главе рассматриваются методические аспекты построения алгоритмов обращения спектральных характеристик рассеяния оптического излучения полидисперсным аэрозолем на основе вариационного принципа А.Н. Тихонова регуляризации решения некорректных обратных задач с использованием для минимизации сглаживающего функционала численных методов типа скорейшего координатного спуска.

При построении численных алгоритмов метода исходное соотношение (1) алгебраизуется и приводится к виду.

где 5)- компоненты вектора характеризующего искомое распределение

фиксированной сетки узлов {г/} (/ = 1,2,...,к) и {А.,}, (/ = 1,2,...,и). В качестве

решения этой системы принимается вектор 5*, минимизирующий квадратичную форму

на множестве векторов Это множество характеризуется тем, что компоненты любого вектора из положительны. Выбор параметра а согласовывается с уровнем ошибок оптических измерений. Соотношение (15)

ХОх.Л / = 1,2,...,«

(14)

матрица, полученная для (1) на основе квадратур для

(15)

лежит в основе различных по построению вычислительной процедуры алгоритмов решения обратных задач атмосферной оптики, разработанных в ИОА СО РАН. Отличительной особенностью построенных автором алгоритмов является прямая минимизации функционала (15) численными методами, что позволяет формально избежать построения обратного оператора в явном виде и обеспечивает высокую устойчивость вычислительных процедур к погрешностям исходных данных. В анализе эффективности разработанных методик и алгоритмов и их апробации на экспериментальных данных особое внимание уделяется изучению потенциальных возможностей обращения данных измерений спектральной прозрачности атмосферы в исследовании локальных особенностей распределения частиц по размерам, связанных с процессами генерации частиц и трансформации аэрозоля в атмосфере.

В заключительном разделе второй главы приведены результаты исследования микроструктуры аэрозоля зимних дымок, включая динамику параметров распределения частиц по размерам в процессе образования и развития дымки при отрицательных температурах в условиях покрытой снегом подстилающей поверхности, усредненные оценки основных параметров субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в дымках различной оптической плотности, полученные обращением данных Ю.А. Пхалагова, В.Н. Ужегова, H.H. Щелканова систематических круглосуточных измерений спектрального пропускания атмосферы на протяженной трассе в видимом и ИК-диапазонах длин волн. Полученные результаты показали, что процесс развития дымки связан с синхронными изменениями медианного радиуса и полуширины функции распределения по размерам субмикронных частиц.

В третьей главе рассматривается подход к исследованию атмосферного аэрозоля оптическими методами, в котором показатель преломления вещества частиц определяется вместе с параметрами микроструктуры аэрозоля непосредственно из обращения спектральных зависимостей оптических характеристик.

Выполнен численный анализ информативности спектральных зависимостей аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, обосновывающий постановку обратной задачи совместного определения дисперсности аэрозоля и оптических констант вещества частиц. Сформулированы необходимые условия для решения обратной задачи в такой постановке и показано, что эти условия выполняются при использовании в комплексе данных многочастотных лидаров и спектральных фотометров.

Представлены разработанные и реализованные итерационные алгоритмы определения методом обратной задачи по данным комплексного оптического . эксперимента характеристик микроструктуры аэрозоля и показателя преломления частиц с использованием алгоритмов метода модельных оценок и метода сглаживающего функционала. Приведены необходимые условия их сходимости.

Предложен и реализован новый подход к решению поставленной комплексной обратной задачи на основе построения обобщенного сглаживающего функционала вида

Та {s, т) = PlPl + Р2Р1 + «П2(5) (16)

где Р, и Р2 ■ весовые коэффициенты, и решении вариационной задачи одновременно для т и вектора S в предположении, что т(к) = const всюду в интервале оптического зондирования.

Разработанные методики и алгоритмы применены в определении микрофизических характеристик субмикронного аэрозоля из обращения спектральных зависимостей объемных коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного рассеяния измеренных в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, в полупустынном районе Алма-Атинской области по данным Астрофизического института АН Казахстана. В результате восстановлены распределения частиц по размерам, особенностью которых является разделение субмикронных частиц на две фракции: мелкодисперсных в области г<0.45 мкм,

суммарное геометрическое сечение которых в среднем составляет около 90% от общего геометрического сечения субмикронного аэрозоля и второй субмикронной моды в области радиусов 0.6-0.9 мкм. Область минимума распределения s(r) находится в интервале г « 0.5 ± 0.05 мкм. Содержание частиц этого интервала неустойчиво и их концентрация настолько низка, что для надежных численных оценок требуется более высокая точность оптических измерений.

Получены численные оценки интегральных характеристик микроструктуры аэрозоля и вещественной части показателя преломления частиц при вариациях относительной влажности воздуха от 50 до 93%. Результаты обращения данных эксперимента показали, что оценки средних по массиву реализаций (сентябрь) значений показателя преломления ш=1.41+0.04 при относительной влажности воздуха RH=60-93% и т=1.47±0.04 при RH<75% не противоречат известным модельным представлениям показателя преломления частиц субмикрояного аэрозоля в зависимости от относительной влажности воздуха.

Четвертая глава посвящена исследованию стратосферного аэрозольного слоя методом многочастотного лазерного зондирования. В п.1 главы 4 обсуждаются результаты численного определения основных параметров микроструктуры аэрозоля (суммарного геометрического сечения, модального радиуса распределения частиц по размерам, счетной концентрации частиц) полученных методом модельных оценок по данным зондирования стратосферы лидаром ИОА СО РАН в г. Томске на длинах волн 532 и 6'94.3 нм в 1975г. (в период после извержения вулкана Фуэго). Результаты обращения данных зондирования показали, что

-Концентрация частиц N(r>0.15 мкм) в максимуме поствулканического стратосферного аэрозольного слоя на высотах 17-18 км в 3-5 раз превышала фоновый уровень.

-Оценки модального радиуса функции распределения частиц по размерам на высотах до 20 км находились на уровне гп <0.1 мкм и варьировали £ интервале значений 0.1-0.4 мкм выше 20 км.

В п.2. четвертой главы представлена предложенная и реализованная нг основе метода минимизации сглаживающего функционала, методик; позволяющая по дискретному набору измерений аэрозольных коэффициенте! обратного рассеяния на дайнах волн зондирования:

-Определить микроструктуру исследуемой среды;

-Восстановить непрерывный спектральный ход коэффициент; аэрозольного рассеяния в пределах спектрального интервала оптическогс зондирования;

-Восстановить спектральный ход коэффициентов аэрозольного рассеяши (ослабления) в пределах интервала оптического зондирования;

-Экстраполировать восстановленные оптические характеристики з; пределы диапазона зондирования, в частности, в УФ и ИК-дипазоны, есл! рабочие длины волн лидара находятся в видимой области спектра.

Численный анализ показал, что поставленные задачи могут быт: эффективно решены по данным зондирования стратосферы трехчастотньи лидаром при учете современных модельных представлений состава частиц ; поствулканические периоды каплями водного раствора серной кислоты I разбросом показателя преломления ±0.02 относительно среднего значени т=1.44.

В третьем разделе гл.4 обсуждаются результаты определени микроструктуры и спектральных оптических характеристик стратосферног аэрозоля, исследования их пространственно-временной изменчивости в перио, после извержения вулкана Пинатубо по данным зондирования стратосфер] лидаром ИОА СО РАН на двух-четырех длинах волн в 1991-1992г.г.

Результаты интерпретации данных лазерного зондирования показали, чт восстановленные по данным за 1991-1992г.г. распределения частиц п

размерам в области высот до 20 км преимущественно одномодальны и в среднем могут быть удовлетворительно аппроксимированы аналитическими выражениями типа 4-х параметрического гамма-распределения или логнормальным законом. В отдельных узких слоях стратосферы над тропопаузой и выше 20 км реализуются бимодальные распределения, имеющие вторую моду в интервале радиусом rs «0.6-0.8 мкм.

Показана специфика поствулканического помутнения стратосферы, связанная с развитием вторичного максимума на высотах >17 км. Относительный вклад в оптическую толщу аэрозоля области высот 17-26 км увеличился от 20% в среднем за июль 1991 г. до 50 % в апреле 1992 г. при общем увеличении оптической толщи стратосферного аэрозоля над Томском за тот же период от 0.074 до 0.195 на длине волны 532 нм.

Полученные оценки оптической толщи аэрозоля находятся в удовлетворительном согласии с известными данными по временной динамике этой характеристики в период после извержения вулкана Пинатубо по результатам лазерного зондирования и шар-зондовых измерений распределения частиц по размерам.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Makienko E.V., Naats I.E. The Estimate of aerosol particle size distribution in optical sounding of the atmosphere. //4 Conference on laser studies of the atmosphere. (Abstracts). USA. Tucson. Arisona. 1972. P.90.

2. Макиенко Э.В., Наац ИЗ. Вопросы оптимальной оценки параметров распределения аэрозольных частиц по размерам из оптических измерений. //Атмосферная оптика. М.: Наука, 1974. С.186-191.

3. Макиенко Э.В., Наад И.Э. К выбору показателя преломления при исследовании микроструктуры атмосферного аэрозоля оптическими методами. //Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1974. Т. 10. №5. С.543-545.

4. Зуев В.Е., Креков Г.М., Крекова М.М., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Численный эксперимент по многочастотному лазерному зондированию облаков и восстановлению спектра аэрозольных частиц. //Распространение оптических волн в атмосфере. Новосибирск: Наука, 1975. С. 196-201.

5. Креков Г.М., Крекова М.М., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Лазерное зондирование облаков. Препринт №8 ИОА СО РАН СССР. Томск. 1975. 68с.

6. Костин Б.С., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Исследование информативности и решение обратных задач при оптическом зондировании атмосферного аэрозоля. //Распространение оптических волн в атмосфере. Новосибирск: Наука, 1975. С.208-211.

7. Макиенко Э.В., Наац И.Э. Локальные оценки гладкости распределений и; оптических измерений и их применение в обратных задачах аэрозольногс светорассеяния. //Вопросы дистанционного зондирования атмосферы Томск. 1975. С.49-60.

8. Макиенко Э.В., Наац И.Э. Метод оптимальной параметризации в задача: лазерной локации атмосферного аэрозоля. //Лазерное зондирован» атмосферы. М.: Наука, 1976. С. 17-20.

9. Макиенко Э.В., Наац И.Э. Об одном алгоритме для обращения спеюгральны оптических измерений. //Вопросы лазерного зондирования атмосферь Новосибирск: Наука, 1976. С.115-121.

Ю.Костин Б.С., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Метод гистограмм для обращени данных многочастотной оптической локации атмосферного аэрозол. //Проблемы дистанционного зондирования атмосферы. Томск. 1976. С.86-9"

П.Макиенко Э.В., Наац И.Э. Обратные задачи аэрозольного светорассеяш применительно к лазерной локации атмосферных загрязнений приземно]

слоя. //Проблемы дистанционного зондирования атмосферы. Томск. 1976. С.42-51.

12.Макиенко Э.В., Наац Н.Э. К оценке спектра размеров и показателя преломления аэрозоля из спектральных измерений. //Вопросы лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука. 1976. С.121-126.

13.Макиенко Э.В., Наац Н.Э. Исследование информативности лидарных измерений при зондировании атмосферного аэрозоля. //Лазерное зондирование атмосферы. М.: Наука, 1976. С.11-16.

14.Креков Г.М., Крекова М.М., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Оптическая локация микрофизических характеристик рассеивающих сред. //Изв. Вузов СССР. Сер. Радиофизика. 1977. Т.20. №4. С.528-537.

15.Зуев В.Е., Креков Г.М., Крекова М.М., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Теория и численный эксперимент по дистанционному зондированию микроструктуры облачного аэрозоля. //Радиофизические исследования атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С.6-15.

16.Костин Б.С., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Определение микроструктурных характеристик аэрозоля верхней атмосферы методом многочастотного лазерного зондирования. Препринт №21 ИОА СО АН СССР. 1978. 63с.

17.Козлов Н.В., Макиенко Э.В. Определение коэффициентов аэрозольного ослабления методом обратных задач. 1/5 Всесоюз. Симп. По лазерному и акустическому зондированию атмосферы. (Тезисы докл. 4.2). Томск. 1978. С.43-46.

18.Макиенко Э.В., Наац И.Э. Вопросы оперативной обработки и интерпретации данных многочастотного зондирования аэрозолей. //Исследование атмосферного аэрозоля методами лазерного зондирования. Новосибирск: Наука, 1980. С.40-55.

19.Makienko E.V., Naats I.E. Lower-stratospheric aerosol microstructure investigation with multifrequency lidar. //Optics Letters. 1980. №3. P.135-137.

20.Зуев В.Е., Макиенко Э.В., Наац И.Э. Определение оптических свойств стратосферных аэрозолей наземными лидарами. //Докл. АН СССР. 1982. Т.265. №5. С.1105-1108.

21.Макиенко Э.В., Наац И.Э. Определение оптических характеристик стратосферного аэрозоля методом многочастотного лазерного зондирования. //Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1983. №9. С.991-994.

22.Макиенко Э.В. К интерпретации данных многочастотного лазерного зондирования стратосферного аэрозоля. //7 Всесоюз. Симп. По лазерному и акустическому зондированию атмосферы. (Тезисы докл. 41). Томск. 1982. С.206-209.

23.Белан Б.Д., Ельников А.В., Зуев В.В., Зуев В.Е., Макиенко Э.В., Маричев В.Н. Результаты исследования 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.

24.Zuev V.E., Zuev V.V., Kostin B.S., Makienko E.V. Reconstraction of microstructure and aerosol optical characteristics from the data of lidar multifrequency sensing: method and experimental results. //Proc/ SPIE Atmospheric propagation and remote sensing II. Orlando. Florida. USA. 1993. Vol.1968. P.578-581.

25.Zuev V.V., Burlakov V.D., Kostin B.S., Makienko E.V., Pravdin V.L. Multifrequency sounding of stratospheric aerosol after the Mount Pinatubo eruption. //Proc. SPIE. Air Pollution and Visibility measurement. 1995. Vol.2506. P.468-474.

26.Makienko E.V., Determination of microstructure and optical characteristic aerosol using ground-based lidars. //J. Aerosol. Sci. 1995. Vol.26. Suppl.l. P.S401.

27.Макиенко Э.В., Пхалагов ЮА, Рахимов Р.Ф., Ужегов В.Н., Щелканов Н.Н. Исследование динамики развития оптически плотных зимних дымок

методом обращения измерений спектральной прозрачности атмосферы. //Оптика атмосферы и океана. 1994. Т.7. №10-12. С.1504-1507. >8.Макиенко Э.В., Пхалагов Ю.А., Рахимов Р.Ф., Ужегов В.Н., Щелканов H.H. Анализ особенностей микроструктуры аэрозоля зимней дымки по результатам обращения данных оптических измерений. //Оптика атмосферы и океана. 1995. Т.8. №9. С.1272-1279.

■ylr^

Заказ № _27_, Тираж 100 экз. Формат 60 х 84 /16. Усл. печ. л. 1,63. Подписано к печати 11.10.1998 г.

Издательский дом " Цхай и К" " 634021, г.Томск, пр. Фрунзе, 118

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ

На правах рукописи

МАКИЕНКО ЭДУАРД ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ МЕТОДАМИ ОБРАЩЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

01.04.05 - оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Наац И.Э.

ТОМСК -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

Глава 1. Параметрический метод решения обратной задачи в интерпретации данных оптического зондирования дисперсных сред..................................................... 16

1.1 Метод модельных оценок параметров распределения частиц по размерам по данным спектральных измерений оптических характеристик......................................................... 16

1.2 Определение оптических характеристик атмосферного аэрозоля методом модельных оценок. Результаты обращения экспериментальных данных........................................... 31

Основные результаты и выводы гл. 1..................................... 37

Глава 2. Определение микроструктурных характеристик атмосферного аэрозоля по данным оптического зондирования методом регуляризации решения обратной задачи...................................................... 39

2.1 Метод сглаживающего функционала и алгебраизация интегрального уравнения в обратных задачах аэрозольного светорассеяния............................................................ 40

2.2 Численный анализ эффективности метода сглаживающего функционала и результаты его апробации на экспериментальных данных........................................... 49

2.3 Микроструктура аэрозоля зимней дымки по результатам обращения данных оптического эксперимента.................... 66

Основные результаты и выводы гл.2..................................... 80

Глава 3. Разработка методов интерпретации данных комплексного оптического эксперимента и их применение в исследовании микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля........................ 83

3.1 Постановка и обоснование задачи.................................... 83

3.2 Алгоритмы определения дисперсности аэрозоля и показателя преломления частиц из спектральных оптических характеристик атмосферных дымок................................. 87

3.3 Результаты определения микрофизических характеристик аридного района обращением данных натурного эксперимента............................................................. 94

Основные результаты и выводы гл.З..................................... 110

Глава 4. Исследование стратосферного аэрозоля методом

многочастотного лазерного зондирования.................. 112

4.1 Результаты интерпретации данных зондирования стратосферного аэрозоля двухчастотным лидаром (случай

ню)......................................... 113

[ия оптических характеристик юзоля обращением данных ого зондирования......................... 123

Заключение Литература.

151

ВВЕДЕНИЕ

Для учета влияния атмосферы во многих прикладных задачах, связанных с оценкой эффективности оптических систем, действующих через атмосферу [1-5], требуется информация об оптико-микрофизических аэрозоля - атмосферных дымок разных климатических районов и сезонов года. Учет вариаций аэрозольного состава атмосферы необходим для повышения точности расчетов радиационного режима системы "атмосфера -подстилающая поверхность" в проблеме моделирования возможных тенденций изменения климата [6-8]. Как погодообразующий фактор аэрозоль играет существенную роль в атмосферных процессах, оказывая прямое влияние на перенос радиации в результате рассеяния и поглощения солнечного излучения и участвуя в качестве ядер конденсации в формировании облаков и выпадении осадков. Актуальной задачей является исследование антропогенных загрязнений атмосферы для оценки влияния газовых и аэрозольных компонентов, их преобразований в атмосфере определение механизмов диффузии в пространстве и дальность распространения, уровня концентрации и оптического действия. К настоящему времени накоплен большой объем информации о физико-химических свойствах атмосферного аэрозоля, фундаментальных закономерностях его образования и трансформации, пространственно-временной изменчивости полей оптических и микрофизических характеристик [9-22]. Вместе с тем, для совершенствования моделей, учитывающих динамичность процесса, проходящих в атмосфере с участием аэрозоля, изучения особенностей формирования и трансформации аэрозольных полей и их изменчивости в зависимости от глобальных, региональных и локальных геофизических факторов требуются систематические данные на основе долговременных наблюдений.

Важнейшими характеристиками для численной оценки эффектов, вызываемых наличием в атмосфере аэрозоля, являются распределение частиц по размерам и их физико-химические свойства, определяющие комплексный показатель преломления. Располагая этой информацией можно найти требуемые оптические характеристики и определить интегральные параметры микроструктуры аэрозоля, такие как счетная концентрация, объемная концентрация, поверхность частиц. При исследовании атмосферных дымок оптическими методами информацию о микроструктуре аэрозоля можно получить из спектральных или угловых характеристик рассеяния излучения полидисперсной средой методами решения обратной задачи. Вследствие того, что функциональные зависимости оптических характеристик рассеивающей среды с микрофизическими параметрами аэрозоля выражаются интегральным уравнением Фредгольма I рода, интерпретация результатов оптического эксперимента приводит к некорректной (недоопределенной) обратной задаче. Развитые к настоящему времени методы решения некорректных обратных задач (систематизацию можно найти в обзорах [23,34]) основаны на построении алгоритмов, обеспечивающих устойчивые к малым возмущениям исходных данных приближенные решения, путем привлечения дополнительной (априорной) информации. В решении обратных задач оптики атмосферы наибольшее применение получили методы регуляризации А.Н. Тихонова [25], статистической регуляризации В.Ф. Турчина [26], параметрические методы [27,28], в зарубежных исследованиях метод Д. Филлипса [29]. Наряду с отмеченными математическими трудностями, задача интерпретации данных оптического зондирования атмосферного аэрозоля усложняется тем, что в большинстве случаев при восстановлении распределения частиц по размерам неизвестны оптические константы вещества частиц, определяющие ядро соответствующих интегральных уравнений. В [35-39]

решались задачи определения параметров микроструктуры аэрозоля и показателя преломления частиц по данным комплексных оптических измерений. Теоретические вопросы интерпретации данных комплексного оптического эксперимента методами решения обратной задачи рассмотрены в [28].

Учитывая значительную пространственную изменчивость атмосферного аэрозоля, для получения наиболее адекватных представлений о микрофизических характеристиках требуются данные, усредненные по большому объему. В этом отношении перспективны измерения спектрального пропускания атмосферных дымок в видимом и ИК -диапазонах длин волн на протяженных трассах с последующим обращением данных оптических измерений. Спектральные зависимости аэрозольного ослабления использовались для получения информации о дисперсности частиц в [36-42]. Эффективным средством получения информации об оптических и микрофизических характеристиках атмосферного аэрозоля, их пространственно-временных изменениях, являются лазерные локаторы (лидары). Достоинства лазерного зондирования атмосферы (высокое пространственно-временное разрешение, оперативность получения информации, возможность использования разнообразных эффектов взаимодействия лазерного излучения с исследуемой средой [43,44]) вызвали быстрый прогресс в разработке лидарных систем для контроля загрязнений атмосферы, исследования облачных образований, зондирования атмосферы и земной поверхности из Космоса и других приложений. Наиболее информативны данные многочастотного лазерного зондирования, позволяющие применить методы обратной задачи для восстановления микрофизических и оптических характеристик аэрозоля [28,39]. Лидары нашли широкое применение в исследовании стратосферного аэрозольного слоя, необходимость климатологического мониторинга которого методом

лазерной локации на сети станций, расположенных в различных широтных зонах, обоснована в [45]. С помощью лидаров изучалось влияние вулканической активности на стратосферный аэрозоль, были выявлены сезонные вариации, получены оценки времени пребывания частиц в стратосфере, прослеживалось распространение аэрозольных слоев на различных высотах и их временная трансформация. Обзоры результатов, полученных методом лазерной локации стратосферы в различные периоды наблюдений можно найти в [46-49]. Вместе с тем, при исследовании методом лазерной локации свойств содержащихся в атмосфере аэрозольных частиц, большая часть результатов получена к настоящему времени с помощью лидаров, работающих на одной длине волны и носит преимущественно качественный характер. Недостаточность информации, получаемой одночастотными лидарами для решения задач климатологии, изучения значимости гетерогенных реакций на поверхности частиц как фактора стока от стратосферного озона на аэрозоль и других приложений вызвали возрастающий в настоящее время интерес к увеличению числа длин волн зондирования для обеспечения возможности численной оценки параметров микроструктуры аэрозоля из спектральных зависимостей оптических характеристик. Результаты применения двухчастотных лидаров в исследовании стратосферного аэрозоля можно найти в [28,39,50-56].

С учетом актуальности перечисленных проблем цель диссертационной работы заключалась в разработке и реализации в исследованиях атмосферного аэрозоля средствами оптического зондирования методов и численных алгоритмов дистанционного определения микрофизических характеристик дисперсных сред и контроля их пространственно-временной изменчивости.

Основные задачи исследований состояли в следующем:

1. Разработка методов, численных алгоритмов и программного обеспечения для решения обратных задач определения микрофизических параметров и восстановления оптических характеристик атмосферного аэрозоля по данным измерений спектральных зависимостей коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного рассеяния.

2. Исследование информационных возможностей многочастотных лидаров и спектральных фотометров в численных и натурных экспериментах, анализ эффективности решения обратных задач в изучении локальных особенностей распределения частиц по размерам в различных интервалах дисперсности, точности количественных оценок параметров микроструктуры и восстановления оптических характеристик аэрозоля.

3. Разработка и реализация методов совместного определения характеристик дисперсности аэрозоля и оптических констант вещества частиц на основе исследования информативности спектральных зависимостей оптических характеристик и обращение данных комплексного эксперимента.

4. Обоснование многочастотного лазерного зондирования как метода получения количественной информации о параметрах микроструктуры и спектральных зависимостях оптических характеристик стратосферного аэрозоля, построение на основе решения обратной задачи с учетом современной микрофизической информации методик интерпретации данных зондирования стратосферного аэрозоля двух-четырех волновыми наземными лидарами.

5. Исследование атмосферных дымок, включая стратосферный аэрозольный слой, методами решения обратных задач на основе систематических измерений спектральной прозрачности атмосферы на протяженных горизонтальных трассах в видимом и ИК-диапазонах, синхронных измерений полного и обратного аэрозольного рассеяния в видимом диапазоне длин волн в локальном объеме воздуха с использованием спектрального нефелометра, данных зондирования стратосферы наземными многочастотными лидарами.

Научная новизна.

1. Разработан оригинальный комплекс методик, алгоритмов и программ обращения спектральных характеристик рассеяния оптического излучения с использованием численных методов минимизации функций многих переменных для исследования атмосферных дымок оптическими методами.

2. На основе анализа информативности данных многочастотных лидаров и спектральных фотометров численно обоснована возможность и эффективность совместного определения характеристик микроструктуры аэрозоля и показателя преломления частиц обращением данных синхронных измерений спектральных зависимостей аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, построены и реализованы соответствующие методики и алгоритмы интерпретации данных комплексного оптического эксперимента.

3. Обоснована эффективность многочастотной лазерной локации стратосферного аэрозольного слоя как метода получения количественной информации о микроструктурных и оптических

характеристиках аэрозоля и контроля их пространственно-временной изменчивости.

4. Впервые методом обращения данных лазерного зондирования получена численная информация о дисперсности, спектральных оптических характеристиках и пространственно-временной динамике аэрозоля в стратосфере, «возмущенной» вулканическим воздействием.

5. Исследован малоизученный процесс образования и развития дымки при отрицательных температурах воздуха в условиях подавленной снежным покровом генерации почвенных частиц. Получены новые данные о трансформации аэрозольных распределений в ходе этого процесса.

6. Получены оценки усредненных по массиву реализаций за период наблюдений (декабрь) основных интегральных характеристик субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в зимних дымках различной оптической плотности.

7. Непосредственно из обращения данных комплексного оптического эксперимента в условиях аридной зоны получены усредненные по массиву реализаций за период измерений (сентябрь) оценки показателя преломления частиц субмикронного аэрозоля в видимой области спектра.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе обсуждаются вопросы интерпретации данных оптического зондирования атмосферного аэрозоля на основе решения обратной задачи в параметрическом виде вариационным методом в рамках заданной аналитической зависимости распределения частиц по размерам (метод модельных оценок). Представлена вычислительная схема метода, рассмотрены особенности алгоритмов численной оценки основных

параметров микроструктуры аэрозоля в зависимости от выбираемой аналитической модели спектра размеров частиц. В численных экспериментах применительно к задачам многочастотного лазерного зондирования анализируются информационные возможности и точностные характеристики количественного определения микрофизических параметров и восстановления спектральных оптических характеристик атмосферного аэрозоля. Обсуждаются результаты апробации метода модельных оценок и анализа его эффективности на примерах интерпретации данных натурного эксперимента.

Во второй главе рассматриваются методические аспекты построения алгоритмов обращения спектральных характеристик рассеяния оптического излучения полидисперсным аэрозолем на основе вариационного принципа А.Н. Тихонова регуляризации решения некорректных обратных задач с использованием для минимизации сглаживающего функционала численных методов типа скорейшего координатного спуска.

В анализе эффективности разработанных методик и алгоритмов и их апробации на экспериментальных данных особое внимание уделяется изучению потенциальных возможностей обращения данных измерений спектральной прозрачности атмосферы в исследовании локальных особенностей распределения частиц по размерам, связанных с процессами генерации частиц и трансформации аэрозоля в атмосфере. В заключительном разделе второй главы приведены результаты исследования микроструктуры аэрозоля зимних дымок, включая динамику параметров распределения частиц по размерам в процессе образования и развития дымки при отрицательных температурах в условиях покрытой снегом подстилающей поверхности, усредненные оценки основных параметров субмикронной и грубодисперсной фракций аэрозоля в дымках различной оптической плотности, полученные обращением данных Ю.А. Пхалагова,

В.Н. Ужегова, H.H. Щелканова систематических круглосуточных измерений спектрального пропускания атмосферы на протяженной трассе в видимом и ИК-диапазонах длин волн.

В третьей главе численно анализируется информативность спектральной зависимости аэрозольного ослабления и обратного рассеяния относительно микрофизических параметров с целью планирования комплексных экспериментов с