Исследование влияния молекулярного поглощения на лучистый теплообмен атмосферы и "эталонные" расчеты атмосферной радиации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Президиум ВАК России

(решение от # » Р6 19

присудил ученую степень ДОКТОРА

м у - / у __наук

/Начальник управления ВАК-России

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ" ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 535.345.1:551.521

ФОМИН БОРИС АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН АТМОСФЕРЫ И "ЭТАЛОННЫЕ" РАСЧЕТЫ

АТМОСФЕРНОЙ РАДИАЦИИ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА- 1997

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. Алгоритмы и программы для расчёта ИК-спектров

молекулярного поглощения методом ПИ 21

1.1 Моделирование контуров спектральных линий 21

1.2 Эффективная шперполяционная техника для расчёта 33 ИК-спектров молекул

ГЛАВА 2. Алгоритмы и программы для решения методом ПИ уравнений переноса радиации в неоднородной, плоскострашфицировакной атмосфере 41

2.1 Расчёт потоков тепловой радиации и радиационных выхолаживаний 41

2.2 Расчёт потоков солнечной радиации и лучистых

нагревов 46

2.3 Расчёт параметров рассеяния плоской электромагнитной волны на сферических однородных частицах 61

ГЛАВА 3. Эталонные расчёты потоков тепловой радиации в чистой,

безоблачной атмосфере 91

3.1 Экспериментальная проверка методики расчётов

потоков тепловой радиации 91

3.2 Эталонные расчёты потоков тепловой радиации 99 ГЛАВА 4. Эталонные расчёты потоков солнечной радиации и

исследование влияния микрофизических свойств облаков на лучистый теплообмен атмосферы 188

4.1 Эталонные расчёты потоков солнечной радиации в нерассеивающей атмосфере 1S8

4.2 Эталонные расчёты потоков солнечной радиации в рассеивающей атмосфере 231

4.3 Исследование связи микрофизических и радиационных свойств облаков 259

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 270

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 274

ПРИЛОЖЕНИЕ 297

ВВЕДЕНИЕ

Общеизвестно, что радиационные процессы играют центральную роль в атмосферном тепло-энергообмене и, следовательно, в формировании климата Земли, так-как "глобальные долговременные динамические процессы регулируются реальными притоками тепла, среди которых одним из главных является лучистый" [I]. Мало того, климат крайне чувствителен даже к казалось-бы незначительным изменениям в механизме радиационных процессов. Так, по данным ряда исследований [2], уменьшение в прошлом солнечной постоянной всего на ~1% провоцировало ледниковые периоды. В настоящее же время отмечается глобальное потепление климата, связываемое, в первую очередь, с нарушением естественных радиационных процессов в атмосфере из-за антропогенного увеличения концентрации оптически активных атмосферных газов ( СОг, СЩ и др.), приводящего к увеличению так называемого "парникового эффекта" [3]. Парниковым эффектом назьюается повышение температуры поверхности Земли (или иных планет) вследствие относительно хорошей прозрачности атмосферы по отношению к солнечному излучению и её непрозрачности по отношению к инфракрасному (ИК) излучению. Интересно отметить, что механизм "парникового эффекта", вызванного углекислым газом, был описан ещё в 1860 г. известным английским физиком Тиндалом. В общих чертах он объясняется поглощением в атмосфере теплового ИК излучения, исходящего от земной поверхности (нагретой солнцем), с последующим его изотропным переизлучением в атмосфере, приводящем к возвращению части первоначального теплового излучения к поверхности. Эта добавка к энергии, падающей на земную поверхность, и вызывает её дополнительный разогрев[4-6]. Без парникового эффекта была бы вообще невозможна жизнь на Земле (во всяком случае в привычных формах), так как средняя глобальная температура

тогда бы равнялась всего -20°С вместо наблюдающихся +15°С [6]. Проблема изменения (потепления) климата и связанные с ней социо-экономические проблемы становятся все более и более острыми и уже давно вышли за рамки чисто научных проблем в связи, в первую очередь, с наблюдаемым резким возрастанием концентрации углекислого газа. При этом скорость возрастания концентрации СОг, как показано на рис. 1, не имеет аналогов в истории Земли. Важно также отметить, что в прошлом действительно отмечались сильные корреляции между климатом и уровнем CChjT].

Поэтому неудивительно, что в течение ряда последних лет климатические проблемы активно обсуждаются как в научных кругах [7-11] так и на межправительственном уровне при активном содействии ООН. В частности, с целью разработки и принятия мер по предотвращению возможных негативных последствий климатических изменений была создана авторитетная Международная комиссия по изменениям климата IPCC (the Intergovernmental Panel on Climate Change) [12], проделавшая большую работу по накоплению и анализу информации в этой области (в работе этой комиссии принял участие автор). На рис.2 представлены некоторые прогнозы IPCC будущего роста концентрации углекислого газа в атмосфере, зависящие от выбора стратегии развития промышленности, энергетики, транспорта и т.п. Таким образом, к концу следующего столетия можно ожидать возрастание концентрации углекислого газа от ~450 ppmv до ~950 ppmv! В табл. i и рис. 3 показана атропогенная эмиссия СО2, соответствующая каждому из рассмотренных сценариев увеличения его концентрации в атмосфере. Вышеуказанные прогнозы основаны на достаточно надёжных в настоящее время теориях и моделях углеродного цикла [13-19] и данных мониторинга СО2 [20-27]. Ситуация также обостряется кз-за антропогенного выброса других парниковых газов: метана, фреонов к др. "В

Рис. 1 Изменение концентрации углекислого газа в атмосфере, выраженной в миллионных объёмных долях (рргпу). за последнее чысячелетие.

2000 2020 2040 2060 2080 2100

Время, годы

Рис.2 Различные прогнозы будущего роста концентрации углектслого газа в атмосфере.

(А- 1892а, В - 1892Ь (разрывная линия), С - 1892с, Б -18920, Е - К92е, Е -18924)

Таблица 1. Общее количество СО?, которое будет выброшено в атмосферу в соответствии с различными моделями изменения будущей концентрации углекислого газа в атмосфере (в гигатонах углерода)

Модели Накопленный Модели Накопленный

IS92 углерод, ГтС стабилизации углерод, ГтС

е 2190

f 1830 750 ppmv 1220-1420

а 1500 650 ppmv 1000-1240

Ь 1430 550 ppmv 880-1060

d 980 450 ppmv 640-800

с 770 350 ppmv 300-430

1900 2000 2100 2200 2300

Время, годы

Рис.3 Зависимости от времени антропогенной эмиссии СОг. закладываемые в модели стабилизации 8350-8750, в Гт/г. На рисунке также изображены кривые зависимостей эмиссии СОг от времени для некоторых моделей 1892.

результате уже к 2030 г. можно ожидать эквивалентного в радиационном смысле удвоения содержания СОг в атмосфере при средних сценариях роста последнего" [29]. Необходимо отметить следующее: как показывают модели, накопивпшйся в атмосфере "дополнительный" ССЪ крайне медленно выводится из атмосферы (только за многие столетия и даже тысячелетия). Поэтому можпо воздействовать на ситуацию только на стадии накопления СОг. Рис.2,3 и табл.1 показывают, что, в приципе. возможно снижение установившейся концентрации СО2, если в самом ближайшем будущем принять меры по ограничению его выбросов в атмосферу. В этой связи следует отметить международную конвенцию по ограничению выбросов углекислого газа, уже подписанную многими странами [28]. (К сожалению, эта конвенция оказалась не очень эффективной [12].) Однако введение любых таких ограничений очевидно требует весьма существенных (а зачастую и весьма дорогостоящих) перестроек в экономике. Так, наиболее безопасный из сценариев 1892с предполагает, что дальнейшее удовлетворение растущих энергетических потребностей человечества будет происходить в основном за счёт ядерной энергетики (в развитых странах), а рост энергетических потребностей в развивающихся странах будет незначительным. Однако возникает естественный вопрос - насколько опасны возможные изменения климата при том или ином сценарии развития глобальной экономики? Очевидно, только ответив на этот вопрос можно обоснованно выбрать стратегию по предотвращению возможных негативных последствий изменения климата. К сожалению, определённость существующих климатических прогнозов крайне неудовлетворительна. Так при удвоении СО2 в атмосфере оценки увеличения средни лобальной температуры и повышения уровня океана дают разброс 1.5-4.5° и 30-140 см, соответственно [12], [29]. Некоторые авторитетные специалисты даже полагают, что возможное

потепление климата окажет, в целом, благоприятное воздействие на развитие человечества [30].

В свою очередь неудовлетворительная надёжность климатических прогнозов обусловлена, в значительной мере, низкой точностью описания радиации в климатических моделях (радиационных блоках). Поэтому чисто научная проблема моделирования атмосферных радиационных процессов сдерживает решение важнейших проблем, имеющих общечеловеческую значимость. Этот факт стимулировал Объединенный научный комитет Всемирной программы исследований климата (WCRP) и Международную радиационную комиссию (ER.C) Международной ассоциации по метеорологии и атмосферной физике (IAMAP) [31] провести сравнение радиационных алгоритмов, используемых в климатических моделях. Основной целью этой деятельности, известной в литературе как Ihtercomparison of Radiation Codes used in Climate Models (ICRCCM) [32], являлось определение точности параметризаций радиационных процессов и вычислительных методов, практически применяемых для расчета потоков атмосферной радиации, а также выработка рекомендаций по их возможному усовершенствованию. Для сравнений было отобрано более сотни "случаев", т.е. фиксированных атмосферных "условий" в качестве исходных данных при проведении расчетов потоков солнечной и тепловой радаации, различающихся профилями температуры, давления, содержания газов, а также составом и типом аэрозолей и облачности. В деятельности ICRCCM приняли участие десятки ведущих научных групп, использующих радиационные расчеты для климатического моделирования. За небольшим исключением (см. ниже), во всех этих расчётах использовались "модели полос" (упрощения реальных ИК-спектров газов), приближение Куртиса-Годсона (замена в реальности

стратифицированной атмосферы на "эквивалентную" однородную), использовался "закон перемножения" функций пропускания атмосферных газов (корректный лишь ддя неперекрывающихся полос поглощения), упрощались рассеивающие свойства аэрозолей и облаков (например, применялась модельная индикатриса рассеяния Нейни-Гринстайна), использовались приближённые методы решения переноса радиации (например, метод Эдинггона) и т.п. [33-52]. Взаимные сопоставления расчетных значений потоков показали, что имеют место заметные расхождения результатов, достигающие в отдельных случаев 70% [23? При этом важно отметить, что сопоставления дали лишь оценку общей характерной точности всей совокупности сравниваемых расчетных методик (в целом оказавшейся неудовлетворительной). В силу этого объективно возникла и стала весьма актуальной проблема получения так называемых "эталонных" ('benchmark') расчетов, т.е. расчетов, полученных для аналогичных атмосферных случаев, но уже при строгом учете ('ab initio') сложных прцессов поглощения, испускания и рассеяния радиации и решении соответствующих уравнений переноса без неконтролируемых упрощений. Очевидно, только путем сопоставления с эталонными расчетами и натурными экспериментами можно определять погрешности расчетных методик, выявлять основные причины этих погрешностей и вырабатывать рекомендации по их устранению, т.е., в конечном итоге, существенно повысить точность радиационных блоков климатических моделей и, как можно надеяться. надежность самих прогнозов изменения климата.

Однако, выполнение эталонных расчетов было связано со значительными вычислительными трудностями, в основном, из-за необходимости строгого учета сложных ИК-спектров молекул воздуха, зребующего адекватного разрешения

каждой из нескольких сотен тысяч спектральных линий для обеспечения требуемой точности. Это фактически приводит к необходимости решения до ~107 монохроматических уравнений переноса радиации в достаточно сложной, неоднородной среде, какой является атмосфера - т.е. необходимости использовать так называемый метод "прямого интегрирования" (также известный в литературе как "полинейный" или "line-by-line"). Поэтому проблема эталонных расчетов и не была решена в должной мере из-за низкой эффективности известных алгоритмов. В рамках деятельности ICRCCM было выполнено всего лишь несколько эталонных расчетов потоков тепловой радиации, где не требовался учет процессов рассеяния. Эталонных расчетов потоков солнечной радиации в облачной и замутненной атмосфере, требующих одновременно как учета процессов рассеяния радиации так и её поглощения, вообще не было выполнено. Был известен только один расчет потоков солнечной радиации для облачных условий [53], близкий к эталонному (учитывался только водяной пар, применялась упрощенная индикатриса рассеяния радиации на облачных каплях и т.п.). потребовавший около 100 часов работы компьютера CYBER-205. Важно также отметить, что отсутствие достаточно точных и экономичных методов теоретического исследования молекулярного поглощения атмосферы фактически не давало возможности исследовать её лучистый теплообмен с той степенью детальности, которая требуется для моделирования климата и иных приложений. Так, например, высокая точность описания радиации требуется для исследования взаимодействия атмосферной радиации и океанов [54] (±10 Вт/м2 для среднемесячного эффективного потока на поверхности), процессов таяния снега и льда в высоких широтах и т.д.

Для решения проблемы эталонных расчетов и для проверки с их помощью параметрических методов расчета радиации по инициативе Е.М. Фейгельсон были созданы две рабочие 1руш1Ы, объединившие специалистов из десятка организаций бывшего СССР. Первая, действовавшая с 1986 по 1989 г. под председательством Ю.М.Тимофеева (ЛГУ, Ленинград), была посвящена расчетам тепловой радиации. Вторая, действовавшая с 1989 по 1993 г. под председательством автора, была посвящена расчетам солнечной радиации. Благодаря деятельности этих рабочих групп и поддержке 18-й Государственной программы "Глобальные изменения окружающей среды и климата", а также Международного Научно-Технического Центра (проект 23 МНТЦ) и была выполнена данная работа.

Целью работы являлась разработка алгоритмов и программ на базе метода "прямого интегрирования" (ПИ) для решения уравнений переноса атмосферной радиации (как солнечной так и тепловой) при строгом учете молекулярного поглощения, разностороннее теоретическое исследование влияния молекулярного поглощения на лучистый теплообмен атмосферы и получение банка эталонных расчетов, рекомендованных ГСКССМ.

Прежде всего было необходимо разработать алгоритм для ПИ расчетов объемных коэффициентов молекулярного поглощения на сдип-два порядка более эффективный, чем известные. Вообще говоря, такие алгоритмы разрабатывались уже на протяжении трех десятков лет в США, СССР, Японии, Франции и других странах, начиная с основополатающих работ Кондратьева и Тимофеева [55], а также Дрейсона[5б]. Однако их эффективность требовала при проведении эталонных расчетов от нескольких суток до 1-2 месяцев непрерывной работы компьютера средней мощности (типа ГОМ РС-486). Поэтому при разработке алгоритма и программ особое внимание

обращалось на быстроту суммирования контуров отдельных спектральных линий составляющих спектр поглощения и на точность аппроксимации этих контуров (использовался контур Фошта с эмпирическими поправками в далеких крыльях линий [33]). Затем требовалось разработать программы для быстрого и точного вычисления пространственных интегралов, выражающих решение уравнения переноса тепловой радиации. Здесь следует отметить, что способы ускорения вычислений этих интегралов были разработаны совместно с А.Н.Троценко в ходе руководства автора над кандитатской диссертационной работой последнего. Кроме того, были разработаны способы ускорения интегрирования по частоте для получения интегральных потоков и радиационных выхолаживаний. Особую трудность, как отмечалось, потребовала разработка программ для расчетов потоков солнечной радиации с учетом как её поглощения (в т. ч. в спектральных линиях) так и рассеяния в атмосфере. Здесь были использованы оригинальные вычислительные приёмы, позволившие объединить вышеуказанную ПИ технику расчета молекулярного поглощения со стандартными методами "однократного рассеяния" (ОР) и Монте-Карло (МК) (34], использующимися для учета процессов рассеяния солнечной радиации на молекулах, облачных каплях и аэрозольных частицах. Также следует упомянуть разработку программ для расчета параметров однократного рассеяния на облачных капелях и сферических аэрозольных частицах, основанных на стандартных алгор�