Методы селекции и коррекции экспериментальных данных AERONET по яркости неба тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Ля правах рукописи □ ОЗОБеБЭЗ Л /

МАТЮЩЕНКО ЮРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ

МЕТОДЫ СЕЛЕКЦИИ И КОРРЕКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ АЕКОИЕТ ПО ЯРКОСТИ НЕБА

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул - 2007

003056693

Работа выполнена в Институте водных и экологических проблем СО РАН и ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор физико - математических наук, профессор Павлов Владимир Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, профессор Шайдук Александр Михайлович

кандидат физико - математических наук, с.н.с. Галилейский Виктор Петрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский государственный университет»

Защита диссертации состоится 27 апреля 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета.

Автореферат разослан 27 марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Актуальность

Настоящая диссертация посвящена разработкам методов селекции и коррекции наблюдательных данных сети наземного мониторинга атмосферы AERONET по яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца с целью отбора безоблачных ситуаций. Данные получены с помощью фотометров CIMEL, функционирующих более чем в 100 пунктах земного шара. Результаты наблюдений используются специалистами как базовые для изучения оптических свойств аэрозоля на земном шаре в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Поиск новых, тщательно обоснованных методов селекции, продиктован необходимостью объяснения завышенных величин вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), определяемых по методикам, разработанным в NASA.

Интерес к данному вопросу возник в связи с необходимостью оценки роли аэрозоля в формировании радиационного баланса тропосферы и подстилающей поверхности и его влияния на климат Земли в целом. В современной климатологии резко возросли потребности в знании поглощательной способности аэрозольных частиц, от которых зависит температура воздуха нижних слоев атмосферы. Согласно исследованиям известных авторов и в соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организацией (WMO) к решению радиационных задач, величины вероятности выживания кванта для морских аэрозолей составляют в видимой области спектра около 0,99, для континентальных - 0,87 и для городских - 0,62. Приводимые же во многих публикациях их значения, найденные из наблюдений яркости неба, для второго и особенно третьего типов частиц заметно больше вышеуказанных. Непонятно, вызвано ли это различие недостатками методики восстановления их оптических характеристик через решение уравнения переноса излучения, либо его причиной является несовершенство селекции наблюдательных данных при выборе исключительно безоблачных ситуаций. В связи с необходимостью разрешения второй части этой проблемы было выполнено настоящее исследование.

Актуальность подтверждается систематическим увеличением числа наземных станций по измерениям оптических характеристик атмосферы, использованием с этой целью космических наблюдений яркости, развертыванием различных национальных, международных и региональных программ.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов селекции данных AERONET для выбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. анализ результатов расчетов угловой зависимости яркости неба для модели атмосферы, содержащей широкие распределения частиц по размерам с учетом многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности;

2. исследование угловых характеристик наблюдаемой яркости неба в широком диапазоне углов рассеяния при отсутствии облачности и разработка на их основе методов селекции данных AERONET;

3. применение разработанных методов к селекции наблюдаемых яркостей в ряде пунктов земного шара с различными климатическими условиями;

4. оценка достоверности и эффективности предложенных методов на основе данных наблюдений облачности на метеорологической сети;

5. анализ угловых распределений яркости неба вблизи солнечного диска и последующая коррекция данных АЕЖЖЕТ на основе предложенного метода.

Научная новизна

1. Впервые на основе расчетов яркости неба из уравнения переноса излучения и анализа результатов измерений яркости в идеализированных условиях разработаны методы отбора безоблачных ситуаций по мониторинговым данным. В их основу положены систематические изменения яркости неба и углового градиента яркости в зависимости от угла рассеяния.

2. Разработанные методы применены в анализе наблюдательных данных АЕ11(ЖЕТ в ряде пунктов земного шара.

3. Впервые на основе эмпирических закономерностей, полученных из измерений ореолов фотометрами с высокоточной наводкой в абсолютно безоблачных условиях, предложены методы селекции и коррекции данных наблюдений яркости неба вблизи солнечного диска. Методы позволяют скорректировать данные по яркости, искаженные световыми бликами в оптическом тракте фотометров С1МЕЬ при механической наводке с большой погрешностью.

Достоверность расчетных материалов диссертации обеспечена подбором оптимального времени счета фотонов при решении уравнения переноса излучения методом Монте-Карло. Точность вычислений яркости не хуже 1%. Экспериментальные данные, применяемые в разработке методов селекции и коррекции, получены в Астрофизическом институте АН Казахстана на фотометрах яркости неба с высокоточной оптической наводкой в абсолютно безоблачных условиях с погрешностью не более 1 - 2%. Степень "достоверности и эффективности предложенных методов подтверждена прямыми наблюдениями облачности на метеостанциях юга Сибири.

Практическая значимость работы

Разработанные методы селекции и коррекции данных АЕЯОНЕТ могут быть широко использованы для выбора безоблачных дней из представленного массива экспериментальных данных с целью последующего построения аэрозольных моделей атмосферы. Тем самым в существенной мере исключаются неопределенности в задании оптических параметров при решении уравнения переноса излучения. Последние чаще всего обусловлены неоднородным горизонтальным распределением аэрозоля либо наличием разрывной облачности на небосводе.

Публикации

Результаты настоящего исследования представлены в трех статьях и в 5 тезисах докладов на конференциях. Две статьи опубликованы в научном журнале, который входит в список ВАК для печати диссертационных материалов.

Апробация результатов

Результаты диссертационной работы докладывались на Межрегиональном экологическом форуме (Барнаул, 2004 г.), XI Объединенном Международ-

ном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2004 г.), XI, XII и XIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2005 и 2006 г.г.), Пятой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Основные защищаемые положения

1. Необходимым условием обнаружения облаков на трассе сканирования небосвода в альмукантарате Солнца является систематическое убывание яркости неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в интервале углов рассеяния от 2 до 90° и се последующее возрастание на угловых расстояниях более 120°.

2. Малоконтрастные облачные образования на линии визирования скачкообразно нарушают систематическое убывание углового градиента яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Такие изменения служат условием их обнаружения.

3. Степенной закон углового распределения яркости неба вблизи солнечного диска является основой коррекции наблюдательных данных с целью исключения по1решностей механической наводки фотометра в малые углы.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц, иллюстрируется 32 рисунками, содержит 8 таблиц. Список цитируемой литературы, включая работы автора, составляет 102 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования и сформулированы его задачи, показаны научная новизна, достоверность полученных результатов и практическая значимость, приведены основные защищаемые положения, а также краткое описание объема и структуры работы.

В первой главе изложены основные теоретические положения, служащие базой для разработки методов селекции наблюдательных данных яркости неба с целью исключения облачных ситуаций.

Как известно, для расчетов интенсивностей рассеянного в атмосфере света наиболее простыми являются формулы теории, учитывающей только первый порядок рассеяния. В формуле для яркости неба в альмукантарате Солнца

Bj = 7iS0fi(cp)e"TsecZ° sec Z0 (1)

функция f)((p) представляет собой индикатрису рассеяния, которая рассчитана на всю высоту атмосферы. Она включает в себя компоненты молекулярного (рслеевского) fim(cp) и аэрозольного fia((p) рассеяния. Если первая из них представляет собой гладкую функцию, то вторая fi а(ф) для монодисперсного аэрозоля имеет сложную угловую (лепестковую) структуру. Если же функция распределения частиц по размерам достаточно широка, то эта лепестковая структура отсутствует.

Основная физическая предпосылка, используемая во всех последующих построениях, как раз и состоит в том, что в подавляющем большинстве случаев аэрозольное рассеяние света во всей атмосфере в целом осуществляется на широко распределенной по размерам системе частиц. Обычно считается, что частицы аэрозоля включают в себя три моды: ультрамикроскопическую (ядра Айткена), субмикронную и грубодисперсную, причем внутри каждой из фракций функция распределения частиц по размерам носит нормальный логарифмический характер. Однако из прямых измерений дневного неба по формуле (1) может быть найдена не сама функция рассеяния ^(ф), а функция

Г(Ф) = ^(Ф) + Ъ(Ф) + ГЧ(Ф), (2)

которую обычно называют индикатрисой яркости или индикатрисой, не освобожденной от влияния многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности.

В теории переноса излучения отражение света от подстилающей поверхности обычно принимается орто-тропным; иначе говоря, функция ^(ф) принимается не зависящей от ф. Функция ^(ф) может быть определена только расчетным путем через решение уравнения переноса Рис.1. Индикатрисы многократного рас- излучения, сеяния и отражения света от подстилающей по- Для определения функ-

верхности в области спектра 0,65 мкм для ций £,(ф) и уравнение пере-крупнодисперсной фракции частиц при г0 = 60° носа излучения решалось ме-(1) и = 78,5° (2). Аэрозольная оптическая ТОДом Монте-Карло с исполь-толща та=0,4; альбедо однократного рассеяния зованием программ, разрабо-Я = 0,15. Случай чистого рассеяния. танных в ИОА СО РАН.

Отдельно рассматривались случаи рассеяния света на ядрах Айткена и частицах грубодисперсной фракции. Индикатрисы однократного аэрозольного рассеяния ^а(ф) задавались в расчеты по табличным данным, при этом считалось, что распределение частиц по размерам внутри каждой из мод носит нормальный логарифмический характер. К аэрозольным функциям рассеяния добавлялись компоненты молекулярного рассеяния ^(ф) и решалось уравнение переноса излучения.

Для примера на рис. 1 представлен один из полученных результатов. Поведение функций Гг(ф)+Гд при других заданных табличных параметрах принципиально не отличается от приведенных на рис. 1.

Анализ показывает, что компоненты многократно рассеянного света представляют собой гладкие функции, убывающие с увеличением угла рассеяния от 0 до 100°. В районе углов 100 - 120° кривые проходят минимум и далее до 157° незначительно возрастают. Таким образом, приведенные расчеты, базирующиеся на теории переноса излучения, однозначно свидетельствуют о том, что компоненты наблюдаемой индикатрисы яркости Г] (ф) и Гг(ф) + ^(ф) представляют собой гладкие функции, систематически меняющиеся с изменением угла рассеяния. Поэтому наличие облаков на линии визирования фотометра должно приводить к «всплеску» яркости неба. Отсюда следует, что гладкость изменения %>) может быть использована как критерий наличия облака на небосводе.

Далее были найдены угловые градиенты для вычисленных индикатрис яркости. Они определялись как разности соседних значений индикатрисы, отнесенные к интервалу углов рассеяния. На рис.2 представлены зависимости градиента Дф), приведенной на рис. 1 (кривая 2).

0,008

0,006 -

0,004 -

0,002 -

№УДФ|

Рис.2. Зависимость градиента Д5(ф)/Дф индикатрисы яркости Дф) (кривая 2 на рис.1) от угла рассеяния ф. Показаны погрешности вычислений и аппроксимация. Время счета 2 мин.

Исследование таких зависимостей позволяет сделать вывод, что в диапазоне углов рассеяния 30 -ь 160° также имеет место систематическое убывание градиента Дф) (или соответственно градиента яркости В(ф)) до минимума с последующим систематическим возрастанием. В то же время отчетливо видно, что угловая зависимость градиента гораздо чувствительнее к незначительным изменениям индикатрисы Дф). При анализе измерений яркости в реальной атмосфере это обстоятельство делает возможным обнаружение малоконтрастных облачных образований.

Описываемые функции Дф) вычислялись путем решения уравнения переноса излучения по методу Монте-Карло. Точность вычислений зависит от про-

изводительности компьютера и заданного времени счета. При увеличении времени счета (время задавалось равным 2, 10, 25 минут и 9 часов) наблюдается заметное уменьшение ошибок вычислений, показанных на рис.2-б. Кривые сглаживаются и четко прослеживается убывание градиента яркости с увеличением угла рассеяния.

Таким образом, при контроле состояния атмосферы соответствие кривых яркости критерию систематического изменения градиента функции f(<p), наряду с критерием ее гладкости, позволяет сделать вывод об отсутствии на линии визирования разрозненных облаков.

Во второй главе анализируются результаты наблюдений яркости неба в идеализированных условиях.

Такие наблюдательные ряды абсолютных индикатрис яркости f(cp) для широкого интервала углов рассеяния в свое время были получены сотрудниками Астрофизического института АН КазССР и Казахского педагогического института г. Алма-Аты. На юго-востоке Казахстана пунктами наблюдений служили Астрофизическая обсерватория и поселок Кирбагхтабай, на черноморском побережье Кавказа -поселок Геленджик. Фотометры были снабжены узкополосными интерференционными светофильтрами с длинами волн 0,40, 0,45, 055, 0,67, 0,71, 0,87 и 1,02 мкм, т.е. соответствовали тому спектральному диапазону, в котором представлены данные AERONET.

В качестве примера на рис.3 изображены индикатрисы яркости при ф > 60°, измеренные в Кирбалтабае в длинах волн 0,40 мкм (а) и 0,71 мкм (б) в дни с максимальной (1) и минимальной (2) мутностью атмосферы. Из рис.3 ВИДНО, ЧТО угол (pmin с точностью до нескольких градусов может быть выявлен достаточно надежно.

Было исследовано свыше 150 индикатрис яркости, измеренных в 16

0,08

0,07

0,06

0,016

0,010 -

0,004

50

70

90

110 130 150

Рис.3. Индикатрисы яркости А((р), полученные в Кирбалтабае Показаны ошибки наблюдений. Аппроксимация полиномом 3-й степени.

углах рассеяния. О положении угла сртш можно судить из данных наблюдений, представленных в таблице 1. С уменьшением длины волны в формировании на-

блюдаемой индикатрисы яркости Дф) возрастает роль компонент ^м(ф) и ^(ф), что приводит к смещению (рГГ1[П в сторону меньших углов.

Таблица 1

Число случаев (в %) расположения угла фт1П на одном из трех угловых расстояний в альмукантарате Солнца

фт1п \ А,,мкм 0,45 0,65 0,70 0,85 1,01

90 13 5 2 0 0

100 87 80 72 41 22

120 0 15 26 59 78

Для всех наблюдаемых индикатрис яркости всегда выполнялось условие возрастания Дф) с систематическим изменением ф по обе стороны от фт,п. В случае попадания облака в поле зрения прибора скачком изменится гладкий угловой ход Дф). Наличие в альмукантарате Солнца малоконтрастных облаков при ф < 60 - 70°, яркость которых незначительно превышает яркость безоблачного неба, с помощью этого критерия обнаружить сложно.

Для исключения ситуаций, характеризуемых наличием малоконтрастных образований, предложен более жесткий критерий селекции данных АЕИХЖЕТ. Из анализа наблюдательных данных на юго-востоке Казахстана и в Геленджике было установлено, что для всех точек исследуемых экспериментальных массивов (2400 направлений ф), за исключением 16 из них, выполняются следующие соотношения:

Дф) -Г (ф+Аф) > Дф +Дф) - % +2Дф) при ф < фтщ (3)

и

Дф + Аф) - Дф) < Дф +2Дф) - Дф+Дф) При ф > фтт, (4)

где величина шага Дф задается соответствующей угловому градиенту яркости.

Примеры угловых зависимостей логарифмов разностей (Дф) -Дф +10°)) в диапазоне 10° < ф < 90° представлены на рис. 4. Абсолютные индикатрисы яркости соответствуют рис. 3. Отчетливо видно систематическое увеличение разностей (Дф)-Дф+Дф)) с уменьшением угла рассеяния ф.

Таким образом, для исключения ситуаций, характеризуемых наличием малоконтрастных облачных образований, следует использовать более «жесткий» критерий селекции

т—г—I—I—I—■—I—I—1—■—|—'—I—I—I

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Рис.4. Логарифмы разностей ^ М для длин волн 0,706 мкм (1, 2) и 0,405 мкм (3, 4) при большой (1, 3) и малой (2, 4) мутности атмосферы.

данных, в соответствии с формулами (3 - 4): систематическое убывание углового градиента яркости ДВ(<р)/Дф (или Д%>)/Дф ) с ростом ср.

Фотометр С1МЕЬ сети АЕШЖЕТ после сканирования альмукантарата в четырех длинах волн выполняет аналогичные измерения в солнечном вертикале. Поэтому жесткий критерий систематического убывания углового градиента яркости был распространен на плоскость солнечного вертикала.

Отработка такой методики была осуществлена в результате анализа наблюдений яркости на юго-востоке Казахстана. Вычисления ЛВ^о^ЧО/Дф показали, что угловой градиент яркости в вертикале Солнца в абсолютном большинстве случаев действительно убывает с ростом ф и проходит нулевое значение вблизи фШщ » 80 - 90°. После прохождения ф™„ градиент становится отрицательным, а его модуль |ДВ/Дф| возрастает с ростом ф.

Примеры таких угловых зависимостей |ДВ/Дф| в видимой и близкой ИК областях спектра приведены на рис. 5. В случае наличия облака на линии визирования вышеописанная угловая зависимость ДВ/Дф обычно существенно и скачком нарушается.

0,004

0,003

0,002

0,001

Итак, в солнечном вертикале, как и в альмукантарате, имеет место систематическое убывание градиента яркости с увеличением угла рассеяния.

Дополнительным условием в отборе экспериментальных данных с целью их последующего объективного анализа на наличие безоблачных ситуаций является констатация факта однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальных направлениях в пределах погрешностей оптических измерений. Если аэрозоль в каждом из слоев стратифицированной атмосферы распределен по Рис. 5. Примеры углового хода горизонтали однородно, то оптические модуля градиента яркости |ЛВ /Дф| в характеристики правой и левой поло-вертикале Солнца в видимой области вин небосвода, должны быть идентич-спектра, Казахстан, п. Кирбалтабай; ными.

1 - X = 0,454 мкм, То = 60°; В этом случае независимо от вы-

2-Х = 0,454 мкм, = 45°; сотного распределения мутности для

3 - X = 0,548 мкм, = 60°; яркости неба в альмукантарате Солнца

20 40 60 80 100 120 140

4 - X = 0,645 мкм, Z0 = 60и.

должно выполняться условие:

В(Ч0 = В(360° - 40 (5)

при изменении азимута от 0 до 180°. Оно лежит в основе селекции данных AERONET, выполняемой специалистами NASA.

Известно, что погрешность измерений яркости неба на фотометрах С1-МЕЬ в абсолютных единицах составляет около 5%. Эта цифра и определяет возможности всех последующих манипуляций с наблюдаемыми яркостями В(Т) и В(360°-1Р), направленных на решение радиационных задач.

Согласно многолетним исследованиям сотрудников Астрофизического института Академии наук Казахстана, в горах и особенно в степях и полупустынях нередко отмечаются абсолютно безоблачные дни с различием величин В(Ч0 и В(360° - Ч1) на угловых расстояниях ф > 10° не более 1 - 3%. Особенно часты безоблачные ситуации в осенний период. Хорошая сходимость яркостей слева и справа от солнечного диска (обычно расхождения меньше 3%) отмечается и в околосолнечном ореоле при 2 < ф < 10°. Существенным является тот факт, что для наведения малоуглового фотометра в заданную точку ореола используется оптический искатель. Условие равномерного распределения аэрозоля в горизонтальном направлении следует считать еще одним критерием отсутствия на небе облачных образований, уже используемым на практике.

В третьей главе описывается селекция результатов наблюдений яркости с целью исключения облачных ситуаций на основе разработанных критериев.

Вначале дано краткое описание глобальной сети АЕКХЖЕТ и фотометра С1МЕЬ.

Далее представлено программное обеспечение и приведена блок-схема алгоритма основной программы селекции данных АЕШЖЕТ. Учтены особенности исходных файлов для исключения потерь информации и последующей ее корректной обработки. При разработке программ необходимо было обеспечить:

1. использование описанных выше критериев безоблачного неба;

2. возможность установки начальных параметров селекции;

3. вычисление и вывод статистических данных;

4. возможность визуального контроля исходных данных, промежуточных и

окончательных результатов;

5. приемлемое время обработки информации.

Разработаны программы для отбора из отфильтрованных массивов альмукантарата и вертикала данных, принадлежащих одной серии измерений, и последующего сравнения полученных распределений с результатами метеорологических наблюдений при нулевой облачности.

Первый этап исследований включал в себя предварительный анализ наблюдательных данных АЕНОЫЕТ.

Были выбраны наблюдательные пункты, находящиеся в различных точках земного шара: в аридной местности, на океанских остовах, в континентальных точках, покрытых лесами и в городах Российской Федерации. По результатам измерений в солнечном альмукантарате рассмотрены статистические спектральные характеристики контраста облачных образований на фоне безоблачного неба. Получены сведения о зависимости контраста от угла рассеяния, длины волны и климатической зоны, исследованы виды функции распределения контраста по числу случаев измерений в разных ситуациях. Эти данные явились первичным материалом для сопоставления наблюдаемых значений ярко-

сти аэрозольных образований и локальных облаков с результатами расчетов, выполненных путем решения уравнения переноса излучения.

Для выбранных пунктов наблюдений AERONET угловые распределения яркости в альмукантарате Солнца были проверены на одновременную выполнимость «жестких» условий (3 - 5) при азимутах больше 3° и меньше 357°.

Полученные табличные данные, помимо известного факта, что контраст локального аэрозольного и тем более облачного образования в атмосфере на фоне ясного неба усиливается с увеличением длины волны, содержат следующую информацию. Количество ситуаций, которые при выполнимости условий (3 - 5) мы считаем безоблачными с равномерным распределением аэрозоля по горизонтали, ничтожно мало. Даже в пустыне на Аравийском полуострове в синей области спектра оно не превышает 3% (в РЖ области оно в два раза меньше). А в городах пригодные для анализа наблюдательные данные вообще отсутствуют. Основной причиной такого положения следует считать отсутствие в фотометрах CIMEL оптического искателя, а механическая установка прибора в точки ореола, симметрично расположенные слева и справа от Солнца, по-видимому, не обеспечивает 5% - ной точности в согласовании яркостей B(VF) и В(360°-

В случае применения условий (3 - 4) и (5) по отдельности, второе влечет за собой более существенную отбраковку исходных данных: в 2 - 10 раз в зависимости от места наблюдений.

Далее была проверена выполнимость условий (3-5) в тех же пунктах земного шара при азимутах 10°< Ч7 < 350°. Исключение из процедуры селекции зоны ореола приводит к явному увеличению числа случаев, пригодных для последующего анализа. В частности, в аридных пунктах на Аравийском полуострове и в Австралии оно достигает 10 - 20%. Благодаря этому получаемые из наблюдений сведения о поглощающей способности аридных частиц по известным методикам могут быть обеспечены полноценной статистикой.

Для некоторых пунктов наблюдений количество безоблачных ситуаций с равномерно распределенным аэрозолем в горизонтальных направлениях незначительно. На океанских островах в области спектра X > 0,68 мкм оно не превышает одного процента. Тем самым на повестку дня выдвигается вопрос о том, в какой мере данные, полученные в столь редкие безоблачные дни на океанских островах, будут репрезентативными для построения аэрозольных моделей атмосферы над океаном.

Одной из причин поиска дополнительных независимых методов селекции данных AERONET стала попытка обоснования явно завышенных значений вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), восстановленных из наблюдений яркости неба на фотометрах CIMEL по методикам, используемым в NASA. Согласно опубликованным материалам специалистов NASA, в таких мегаполисах, как Париж и Мехико, с учетом погрешностей вычислений вероятность выживания кванта лишь незначительно отличается от данных ее определения в лесах Амазонки и бореальных лесах США и Канады (около 0,9).

В таблице 2 приведены значения вероятности выживания кванта, рекомендованные к использованию при решении широкого круга радиационных за-

дач Всемирной метеорологической организацией (\УМО).

Таблица 2

Средние значения вероятности выживания кванта по данным \УМО

длина волны, нм 400 488 550 633 694 860 1060

океан 0,987 0,990 0,989 0,990 0,990 0,986 0,984

континент 0,901 0,898 0,891 0,883 0,879 0,841 0,804

город 0,660 0,654 0,647 0,641 0,631 0,588 0,542

В частности, для городов данные должны соответствовать величинам, приведенным в нижней строке (около 0,6), что совершенно не согласуется с вышеизложенным.

Для тех же пунктов наблюдений (см. выше) была выполнен анализ данных по вероятности выживания кванта, представленных в AERONET, в следующей последовательности.

Отобраны такие угловые распределения яркости в альмукантарате Солнца, которым соответствовали значения вероятности выживания кванта, совпадающие по времени измерений. К ним применены разработанные методы селекции. Из исходного массива значений вероятности выбраны распределения, соответствующие по времени отфильтрованным данным в альмукантарате. Для полученного массива вычислены средние величины вероятности и сопоставлены со средними исходными данными.

В абсолютном большинстве случаев значения вероятности выживания кванта до дополнительной селекции и после нее практически не изменяются. Более того, для некоторых пунктов наблюдается тенденция его незначительного возрастания. Если считать, что значения вероятности выживания кванта для континентальных и городских аэрозолей в широко распространенных моделях известных авторов соответствуют действительности, то подобный результат с наибольшей вероятностью обусловлен недостатками широко используемых методик восстановления поглощающей способности частиц. Поскольку эти методики применяются специалистами NASA и другими исследователями при определении оптических параметров атмосферы, возникает необходимость их детального изучения.

В случае наличия информации об облачности в конкретные дни и часы возникает возможность оценки достоверности разработанных методов селекции. Она важна, когда прямая информация об облачности в атмосфере отсутствует. Используя справочные данные по облачности за предыдущие годы, а также результаты наблюдений последнего десятилетия, была получена информация о поведении облачности в районах южной Сибири. Из нее следует, что средний балл общей облачности достаточно высок: п = 6,4. Иначе говоря, во всем регионе в целом преобладает облачная погода. На метеостанциях Алтайского края средняя величина п равна 6,1, что не слишком существенно отличается от средней для всего юга Сибири.

п,п0, %

Эти значения балла облачности не дают ответа на вопрос об эффективности функционирования солнечных фотометров с целью сбора наблюдательного материала по спектральной прозрачности и яркости неба для построения аэрозольных моделей атмосферы. Для этого необходимо из рассматриваемого массива данных вычленить число безоблачных дней.

В метеорологии принято считать небо ясным, если количество общей облачности составляет 0-2 балла. На рис.6 представлено распределение повторяемости п таких условно ясных ситуаций (0-2 балла) по отношению к общему числу наблюдений. Осреднение полученных данных производилось по сезонам года. С учетом среднеквадратичного разброса величина п имеет тенденцию убывания от зимних месяцев к осенним. В целом же для юга Сибири число дней с облачностью меньше 2 баллов составляет около 30% от общего числа наблюдений.

Надежное решение обратной задачи по восстановлению оптических параметров частиц из наблюдений яркости неба путем решения уравнения переноса излучения может быть осуществлено только при полном отсутствии облаков на небосводе, т.е. когда балл облачности равен нулю. Был произведен расчет повторяемости абсолютно безоблачных случаев (0 баллов) по отношению к числу ситуаций с облачностью 0-2 балла п0% по городу Томску (рис. 6). Как и для облачности 0-2 балла (кривая 1), имеет место тенденция убывания п0 от зимы к осени (кривая 2). Из графиков следует, что не более чем в 22% зимой и в 13% осенью от числа ситуаций с облачностью 0-2 балла, экспериментальные данные по яркости неба в атмосфере г. Томска могут быть использованы в решениях обратных задач по радиационным свойствам аэрозоля.

Был осуществлен анализ результатов измерений яркости неба на фотометре СГМЕЬ. в г. Томске, выставленных на сайте АЕ110МЕТ. Вычислялись угловые градиенты яркости ДВ/Лср в альмукантарате и вертикале Солнца и исследовались их угловые зависимости в соответствии с представленным алгоритмом селекции. Оказалось, что только 2,3% от общего числа измеренных распределений В(7.0^,Ч1) в альмукантарате Солнца могут быть использованы в последующем сопоставлении с метеодапными с нулевой облачностью.

Балл облачности регистрируется на метеостанциях каждые 3 часа. Поскольку моменты времени наблюдений облачности на метеостанции редко сов-

40

30

20

10

зима весна лето осень

Рис.6. Сезонное распределение повторяемости облачности 0-2 балла по данным метеостанций юга Сибири (1) и абсолютно ясного неба (0 баллов) в дни с облачностью 0-2 балла по данным метеостанции г. Томска (2). Показаны среднеквадратичные отклонения.

падают с моментами измерений яркости неба на фотометре, будем считать, что случай фиксации нулевого балла в некий конкретный момент 1о может быть распространен на интервал ^±1 час. Тогда только половина ситуаций (1,1% от исходного числа), которые по данным наблюдений яркости неба одновременно в альмукантарате и вертикале Солнца идентифицируются как безоблачные, будет реально соответствовать отсутствию облаков на небосводе. Если в селекцию данных включить условие однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальном направлении, то число дней, пригодных для последующего анализа, будет еще меньше.

Четвертая глава посвящена селекции и коррекции данных измерений яркости АЕ11(ЖЕТ на малых угловых расстояниях от Солнца (ореолов).

Заметим, что каждое выставленное на сайте АЕИ-ОИЕТ распределение яркости В(Ч') содержит четыре группы данных по околосолнечному ореолу: В^Р) в диапазонах 354° £ ¥ 2 358° и 2° ^Ч* 2 6° в начале и В2(Т) в тех же интервалах азимутов в конце серии (соответственно первый и второй проходы фотометра).

Поскольку наводка фотометра С1МЕЬ в точки солнечного альмукантарата с заданными малыми углами осуществляется не с помощью оптического искателя, а механическим способом с применением шагового двигателя, то абсолютные погрешности АХР могут быть существенными. У новых фотометров ЛЧ' составляет около 0,05°, но по мере их эксплуатации возрастает до 0,25° и более.

Эти погрешности искажают результаты измерений вблизи Солнца, что связано с большим угловым градиеитом яркости.

Для двенадцати пунктов наблюдений (гл. 3) была выполнена селекция 246715 околосолнечных ореолов в соответствии с представленными методами. По отфильтрованным значениям яркости В(Ч') (10866 ореолов) в симметричных точках справа и слева от Солнца в каждом из проходов фотометра были вычислены отношения Втах/Впт. Осредненные результаты представлены на рис.7. Их отличия от 1 свидетельствуют либо о преимущественно неоднородном распределении мутности атмосферы вблизи Солнца, либо о существенной роли погрешности АЧ7 наведения фотометра.

С целью отработки методов селекции и коррекции были привлечены данные наблюдений ореолов в абсолютно безоблачные дни с высокоточной наводкой аппаратуры. Они показали, что яркость неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с хорошей точностью (обычно не хуже 2 - 3%) описывается формулой Ван де Хюлста:

В(ф) = Аср"4, (6)

Рис.7. Средние отношения Вщах/Втт при первом (1) и втором (2) сканировании фотометрами С1-МЕЬ околосолнечных ореолов.

где величина А не зависит от угла рассеяния, а параметр q определяется в основном оптическими свойствами крупных частиц в атмосфере. Соотношение (6) выполняется в диапазоне углов рассеяния 2° < ср < 6 - 7°; при этом не обнаруживается систематической зависимости q от длины волны. Параметр я для юго-востока Казахстана меняется в пределах от 0,72 до 2,2 и в среднем равен 1,46.

Поскольку разрабатываемые методы могут базироваться только на анализе экспериментальных угловых распределений яркости (иного не дано), то формируемый селекционный фильтр должен пропускать самые вытянутые распределения В(Ч'), связанные с рассеянием света именно в атмосфере. В противном случае теряется информация о наличии самых крупных частиц. Поэтому будем считать, что в пунктах, где функционируют фотометры С1МЕЬ, яркость безоблачного неба с максимальным угловым градиентом при малых ф (или Ч*) формируется за счет индикатрисы с параметром q = 2,2. Соответствующие модельные отношения В(1Р - А ;Р)/В(Ч; + АХР) для азимутов *Р = 2, 4 и 6° для зенитного угла Солнца 20 = 60° приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Влияние систематической ошибки наведения прибора А1? в заданные точки ореола Ч* на отношение Втах/Вт1П при максимально вытянутой индикатрисе рассеяния в малых углах ^ = 2,2)

ДЧ> в^-дчо В(2° + ДЧ») ВГ4° - ДЧО В(4° + ДЧО В(6°-ДЧЧ В(6° + ДЧО

0,00 1,00 1,00 1,00

0,05 1,12 1,06 1,04

0,10 1,25 1,12 1,08

0,15 1,39 1,18 1,12

0,20 1,55 1,25 1,16

0,25 1,74 1,32 1,20

0,30 1,95 1,39 1,25

0,35 2,18 1,47 1,29

0,50 3,08 1,74 ■ 1,44

Пусть эти значения ДЧ* эквивалентны абсолютным погрешностям установки фотометра СЬМЕЬ.Тогда табличные отношения В(Ч; - А'-Р)/В(1Р + ДЧ*), или по сути Втах/Вт|П> позволяют вычленить из общего массива наблюдений такие угловые распределения В(Ч/), для которых отличие величин яркости в симметричных точках слева и справа от Солнца будет обусловлено в основном неточностью наводки прибора, а не какими-либо другими причинами (облаками, бликами прямых солнечных лучей в фотометре и др.). Если абсолютная погрешность ДЧ1 при малых Ч' у только вступающих в эксплуатацию фотометров составляет около 0,05°, то отношения Втах/Вт|п для азимутальных углов 2, 4 и 6° не должны превышать соответственно величин во второй строке таблицы: 1,12,

1,06 и 1,04. Для фотометров, прошедших эксплуатацию в течение нескольких лет и характеризуемых в среднем значением ДЧ* = 0,25, отношения В(Ч/-ДЧ0/В(Ч*+ДЧ0 для тех же азимутов должны быть меньше 1,74, 1,32 и 1,20.

Из рис. 7 следует, что средние наблюдаемые величины Втах/Вт|П для Ч' = 2° соответствуют абсолютным погрешностям ДЧ* = 0,2° в первом и ДЧ* = 0,3°- во втором проходах фотометра, т.е. превышают указанные в таблице граничные пределы. Согласно таблице 3, для Ч* = 6 отношение Втах/В^п не должно превышать 1,44 даже при ДЧ* = 0,5°. Видно, что это условие не выполняется для обоих проходов. По-видимому, критерий отбора безоблачных ситуаций, основанный на принципе убывания углового градиента яркости АВ(ср)/Дф, не полностью удовлетворяет решению поставленной задачи.

Если считать, что фотометр только вводится в эксплуатацию, т.е. значение Д¥ = 0,05°, то из остававшихся 10866 серий наблюдений яркости в результате проведения предлагаемой селекции в последующий анализ могут быть отобраны только 259. Остальные следует исключить, так как для них не выполняются ограничения по Втах/Вт|П, диктуемые второй строкой таблицы 3 хотя бы в одном из углов. При погрешности наводки прибора ДЧ' = 0,25°, т.е. прошедшего длительную эксплуатацию в получении мониторинговых рядов яркости, число серий наблюдений должно быть ограничено величиной 5007. Большинство данных АЕКХЖЕТ в выбранных пунктах наблюдений соответствует именно второму случаю.

Хорошим критерием правдоподобности вышеприведенных рассуждений служит соответствие средних наблюдаемых значений яркости в одних и тех же точках ореола при первом и втором проходах фотометра. В случае степенной зависимости яркости от угла рассеяния (формула Хюлста) правильный результат при осреднении данных соответствует использованию среднегеометрических величин:

Ь,(Ч0 = ^(ЧО-В^ЗбО-Т) (7)

и

1,2(40 = л/в2(^)-в2(360-т) , (8)

где нижний индекс означает номер прохода. Используем наблюдаемые слева и справа от Солнца величины В(Ч0 в предположении ДЧ' = 0,05° в 259 сериях наблюдений в расчетах Ь|(Ч0 и Ь2(Ч,)> а затем сопоставим последние между собой. Среднее отклонение от Ь2 для угла Ч*= 2° при ДЧ' = 0,05° оказывается равным 5,4%. На практике следует вычислять средние величины:

ЦТ) = ((Ь,(Ч') + Ь2(Ч'))/2. (9)

При Ч/=2° систематическая средняя ошибка в определении окончательного значения яркости Ь(Ч') приблизительно равна 2,7%. Это вполне допустимо для последующих исследований, так как яркость неба на фотометрах С1МЕЬ измеряется с погрешностью около 5%.

Итак, селекция данных АЕЯОКЕТ при малых Ч* сводится к следующим процедурам. Сначала используются данные таблицы 3 для отсева тех наблюдений В(40, которые не укладываются в рамки различия яркостей слева и справа от Солнца из-за неточности установки фотометра в каждой серии наблюдений.

При этом делается следующий «мягкий» допуск: индикатриса рассеяния в малых углах считается предельно вытянутой. Следующий этап состоит в коррекции оставшихся величин яркости: определяются средние значения Ь(У) с помощью соотношений (7-9) в каждой серии наблюдений. Далее определяются из данных AERONET параметры в формуле Хюлста для диапазона азимутов 3-6°. С их помощью вычисляются яркости при ¥= 2 и 2,5°. В случае больших погрешностей наблюдаемых значений яркости в этих азимутах вместо них могут быть использованы вновь полученные величины.

Скорректированные вышеизложенными методами значения яркости могут быть рекомендованы для их последующего введения в схему решения обратной задачи по восстановлению аэрозольных параметров атмосферы, где они в настоящее время большинством специалистов не используются.

В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе результатов решения уравнения переноса солнечного излучения в атмосфере, содержащей полидисперсный аэрозоль, показано, что компоненты однократно и многократно рассеянного света в альмукантарате Солнца описываются функциями, систематически убывающими с увеличением угла рассеяния от ореола до минимума в интервале углов 90 -г 120° с последующим регулярным возрастанием. Наличие облака на линии визирования фотометра приводит к «всплеску» яркости. Следовательно, регулярность изменения яркости является необходимым условием отсутствия облачности.

2. Расчетами показано, что с увеличением угла рассеяния имеет место систематическое убывание углового градиента яркости. Нарушения этого условия позволяют фиксировать наличие в атмосфере малоконтрастных облачных образований.

3. Детальный анализ результатов наблюдений яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца в идеализированных условиях подтвердил возможности использования двух предыдущих условий в качестве критериев для отбора безоблачных ситуаций в системе AERONET.

4. Средние величины вероятности выживания кванта в разных климатических условиях, представленные в данных AERONET, после дополнительной селекции на основе предложенных методов остались практически неизменными.

5. Оценка эффективности разработанных методов отбора безоблачных ситуаций проверена сопоставлением с результатами метеонаблюдений в г. Томске. Оказалось, что только 1,1% от общего числа изначально измеренных распределений яркости в альмукантарате Солнца реально соответствует отсутствию облаков на небосводе.

6. Предложен метод коррекции околосолнечных ореолов по данным AERONET, позволяющий исключить влияние систематических аппаратурных погрешностей на результаты измерений яркости неба вблизи Солнца.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Матющенко Ю.Я., Павлов В.Е. Малоугловые аэрозольные и облачные образования на фоне преобладающе безоблачной атмосферы. Межрегиональный экологический форум. Сборник материалов форума. Барнаул 2004. С.138 -141.

2. Pavlov V.E., Zatsepin P.M., Matyuschenko Y. I. Contract of small-angle aerosol and aqueous clouds against a clear atmosphere background according to AERONET data. XI Joint International Symposium. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. Tomsk. 2004. P. 129.

3. Павлов B.E., Зацепин П.М., Матющенко Ю.Я. Отбор безоблачных ситуаций по данным AERONET. Тезисы докл. Аэрозоли Сибири. XI Рабочая группа. Томск 2004. С. 17.

4. Матющенко Ю.Я., Ошлаков В.К., Павлов В.Е. О селекции данных AERONET. Часть 1: обоснования методик. Оптика атмосферы и океана. Т. 19. 2006. №4. С. 271-277.

5. Павлов В.Е., Матющенко ЮЛ. Методы селекции и коррекции наблюдений околосолнечных ореолов в системе AERONET. Пятая Международная конференция «Естественные и антропогенные аэрозоли». 22-26 мая 2006 С.-Пб. С. 61.

6. Павлов В.Е., Матющенко Ю.Я., Ошлаков В.К. О селекции околосолнечных ореолов по данным AERONET. Тезисы докл. Аэрозоли Сибири. XII Рабочая группа. Томск 2005. С. 58.

7. Зинченко Г.С., Матющенко Ю.Я., Павлов В.Е., Смирнов C.B. Облачность и эффективность функционирования солнечных фотометров на юге Сибири. Тезисы докл. XIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск. 2006. С. 8.

8. Павлов В.Е., Матющенко Ю.Я., Ошлаков В.К. О селекции данных AERONET. Часть 2: метод коррекции ореолов. Оптика атмосферы и океана. Т. 20. 2007. №2. С. 188-194.

Подписано к печати 23.03.07

Формат 60x84/16 Печать офсетная

Бесплатно Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 экз._Заказ ЮО.

Типография Алтайского государственного университета 656049, г. Барнаул, ул. Димитрова, 66

Введение

Глава 1. Основные теоретические положения, служащие основой для селекции наблюдательных данных яркости неба с целью исключения облачности (обоснование методов селекции данных)

1.1. Закон ослабления прямой солнечной радиации (закон Бугера-Ламберта) и его нарушения, вызываемые облачностью.

1.2. Яркость дневного неба при однократном и многократном рассеянии света.

1.3. Теоретические расчеты, показывающие систематическое изменение яркости и убывание градиента яркости с ростом угла рассеяния

Глава 2. Анализ результатов наблюдений яркости в идеализированных условиях

2.1. Систематическое изменение яркости неба в альмукантарате Солнца в безоблачной атмосфере с изменением угла рассеяния. Анализ наблюдений индикатрис рассеяния света в городских условиях.

2.2. Метод угловых градиентов в анализе яркости неба.

2.3. Обоснование метода угловых градиентов в анализе яркости неба с целью обнаружения облаков для плоскости солнечного вертикала.

2.4. Метод контроля равномерного распределения атмосферного аэрозоля в горизонтальном направлении слева и справа от плоскости солнечного вертикала.

Глава 3. Селекция результатов наблюдений яркости с целью исключения облачных ситуаций на основе разработанных критериев

3.1. Сеть AERONET.

3.1.1. Краткое описание фотометра CIMEL. Стандартные измерительные процедуры.

3.1.2. Уровни представления данных. Принципы, используемые специалистами NASA для исключения облачных ситуаций в направлении на Солнце в системе AERONET.

3.1.3. Анализ исходных файлов сети AERONET, содержащих угловые распределения яркости в альмукантарате и вертикале Солнца.

3.2. Алгоритм и описание основной программы селекции данных AERONET.

3.3. Анализ наблюдательных данных.

3.3.1. Исследование характеристик контраста облачных образований на фоне безоблачного неба по результатам измерений в солнечном альмукантарате.

3.3.2. Обработка данных AERONET с использованием предлагаемых методов селекции.

3.3.3. Анализ данных вероятности выживания кванта, представленных в AERONET, на основе разработанных методов селекции.

3.4. Оценка достоверности методов селекции.

3.4.1. Анализ поведения облачности в районах южной Сибири.

3.4.2. Анализ данных наблюдений яркости неба в г. Томске.

Глава 4. Селекция и коррекция данных измерений яркости на малых угловых расстояниях от Солнца (ореолов)

4.1. Особенности измерительных процедур и возможные источники ошибок.

4.2. Предварительный анализ околосолнечных ореолов по данным

AERONET.

4.3. Формула Ван де Хюлста.

4.4. Методы селекции и коррекции ореолов.

4.5. Обсуждение результатов.

Актуальность. Настоящая диссертационная работа посвящена разработкам методов селекции и коррекции наблюдательных данных AERONET по яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца с целью отбора безоблачных ситуаций.

Глобальная автоматизированная сеть наземного мониторинга атмосферы AERONET [1,2] развернута для получения в режиме реального времени больших объёмов данных, их накопления и последующей обработки с целью создания карты распределения аэрозоля по земному шару. Измерения оптических параметров атмосферы осуществляются с помощью солнечных фотометров CIMEL, функционирующих более чем в 100 пунктах земного шара. Результаты наблюдений используются специалистами как базовые для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы и изучения оптических свойств аэрозоля в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Поиск новых, тщательно обоснованных методов селекции, продиктован необходимостью объяснения завышенных величин вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), определяемых по методикам [3], разработанным в NASA GSFC (Центре космических полетов Годдар-да Национальной администрации аэронавтики и космических исследований, США).

Интерес к данному вопросу возник в связи с необходимостью оценки роли аэрозоля в формировании радиационного баланса тропосферы и подстилающей поверхности и его влияния на климат Земли в целом [4 - 8]. В современной климатологии резко возросли потребности в знании поглощатель-ной способности аэрозольных частиц, от которых зависит температура воздуха нижних слоев атмосферы. Согласно исследованиям известных авторов [6, 9 -13] и в соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организацией (WMO) к решению радиационных задач [14], величины вероятности выживания кванта для морских аэрозолей составляют в видимой области спектра около 0,99, для континентальных - 0,87 и для городских - 0,62. Приводимые же во многих публикациях [2-3, 15 - 17] их значения, найденные из наблюдений яркости неба, для второго и особенно третьего типов частиц заметно больше вышеуказанных (обычно более 0,9). Непонятно, вызвано ли это различие недостатками методики восстановления их оптических характеристик через решение уравнения переноса излучения [3, 16], либо его причиной является несовершенство селекции наблюдательных данных при выборе исключительно безоблачных ситуаций. В связи с необходимостью разрешения второй части этой проблемы было выполнено настоящее исследование.

Поскольку разработка дополнительных к используемым в NASA методикам выборки безоблачных ситуаций из мониторинговых наблюдений затрагивает важные проблемы современной климатологии, то направление настоящего исследования безусловно следует считать актуальным.

Актуальность подтверждается систематическим увеличением числа наземных станций по измерениям оптических характеристик атмосферы, а также использованием с этой целью космических наблюдений яркости [13, 1819]. Свидетельством тому является и развертывание различных национальных, международных и региональных программ: Международная геосферно-биосферная программа (IGBP), Всемирная программа исследований климата (WCRP), «Атмосферные радиационные измерения» (ARM Program, USA), «Глобальные изменения природной среды и климата» (Россия), «Аэрозоли Сибири», «Климатоэкологический мониторинг Сибири» и др.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов селекции и коррекции данных AERONET для выбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для последующего построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. анализ результатов расчетов угловой зависимости яркости неба для модели атмосферы, содержащей широкие распределения частиц по размерам с учетом многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности;

2. исследование угловых характеристик наблюдаемой яркости неба в широком диапазоне углов рассеяния при отсутствии облачности и разработка на их основе методов селекции данных AERONET;

3. применение разработанных методов к селекции наблюдаемых яркостей в ряде пунктов земного шара с различными климатическими условиями;

4. анализ данных по определению вероятности выживания кванта AERONET;

5. оценка достоверности и эффективности предложенных методов на основе данных наблюдений облачности на метеорологической сети;

6. анализ угловых распределений яркости неба вблизи солнечного диска и последующая коррекция данных AERONET на основе предложенного метода.

Основные защищаемые положения.

1. Необходимым условием обнаружения облаков на трассе сканирования небосвода в альмукантарате Солнца является систематическое убывание яркости неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в интервале углов рассеяния от 2 до 90° и ее последующее возрастание на угловых расстояниях более 120°.

2. Малоконтрастные облачные образования на линии визирования скачкообразно нарушают систематическое убывание углового градиента яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Такие изменения служат условием их обнаружения.

3. Степенной закон углового распределения яркости неба вблизи солнечного диска является основой коррекции наблюдательных данных с целью исключения погрешностей механической наводки фотометра в малые углы.

Научная новизна.

1. Впервые на основе расчетов яркости неба из уравнения переноса излучения в аэрозольной атмосфере и анализа результатов измерений яркости в идеализированных условиях разработаны методы отбора безоблачных ситуаций по мониторинговым данным. В их основу положены систематические изменения яркости неба и углового градиента яркости в зависимости от угла рассеяния.

2. Разработанные критерии применены в анализе наблюдательных данных AERONET в ряде пунктов земного шара.

3. Впервые на основе эмпирических закономерностей, полученных из измерений ореолов фотометрами с высокоточной наводкой в абсолютно безоблачных условиях предложены методы селекции и коррекции данных наблюдений яркости неба вблизи солнечного диска. Методы позволяют скорректировать данные по яркости, искаженные световыми бликами в оптическом тракте фотометров CIMEL при механической наводке с большой погрешностью.

Достоверность расчетных материалов диссертации обеспечена подбором оптимального времени счета фотонов при решении уравнения переноса излучения методом Монте-Карло. Точность вычислений яркости не хуже 1%. Экспериментальные данные, применяемые в разработке методов селекции и коррекции, получены в Астрофизическом институте АН Казахстана на фотометрах яркости неба с высокоточной оптической наводкой в абсолютно безоблачных условиях. Это обеспечило получение данных по угловому распределению яркости с погрешностью не более 1 - 2%. Степень достоверности и эффективности предложенных методов подтверждена прямыми наблюдениями облачности на метеостанциях юга Сибири.

Практическая значимость работы. Разработанные методы селекции и коррекции данных AERONET могут быть широко использованы для выбора безоблачных дней из представленного массива экспериментальных данных с целью последующего построения аэрозольных моделей атмосферы. Тем самым в существенной мере исключаются неопределенности в задании оптических параметров при решении уравнения переноса излучения. Последние чаще всего обусловлены неоднородным горизонтальным распределением аэрозоля либо наличием разрывной облачности на небосводе.

Публикации. Результаты настоящего исследования представлены в трех статьях и в 5 тезисах докладов на конференциях. Две статьи опубликованы в научном журнале, который входит в список ВАК для печати диссертационных материалов.

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались на Межрегиональном экологическом форуме (Барнаул, 2004 г.), XI Объединенном Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2004 г.), XI, XII и XIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2005 и 2006 г.г.), Пятой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Личный вклад автора заключается в предварительном анализе данных AERONET с целью исключения явных ошибок измерений. Выполнены модельные расчеты яркости и сопоставлены с данными наблюдений в абсолютно безоблачных условиях. На их основе разработаны методы селекции наблюдательных данных для случаев отсутствия информации о наличии облачности на небосводе. Предложен метод коррекции околосолнечных ореолов с целью исключения систематических погрешностей при механической наводке прибора в заданные углы. Разработанные методы использованы в анализе данных AERONET.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц, иллюстрируется 32 рисунками, содержит 8 таблиц. Список цитируемой литературы, включая работы автора, составляет 102 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена разработкам дополнительных независимых методов селекции и коррекции данных AERONET для отбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы. Поиск и соответствующие обоснования методов были в первую очередь продиктованы необходимостью объяснения больших значений вероятности выживания кванта, получаемых по используемым в NASA методикам из наблюдений яркости неба на фотометрах CI-MEL и представляемых в табличных данных AERONET. В ходе выполнения работы были достигнуты следующие результаты.

1. По опубликованным данным исследованы угловые зависимости яркости неба при наличии в атмосфере полидисперсных частиц, включающих ядра Айткена, субмикронную и грубодисперсную фракции. Для общепринятых параметров распределений констатировано отсутствие лепестковой структуры в угловой зависимости яркости при однократном рассеянии света.

2. Для суммарного рассеяния света выполнены расчеты компонент многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности при наличии в атмосфере двух фракций частиц: мелко - и грубодисперсных. В решении уравнения переноса излучения использован метод Монте-Карло. Расчеты однозначно свидетельствуют о том, что компонента многократного рассеяния описывается функцией, систематически убывающей с увеличением угла рассеяния от области ореола до минимума на углах рассеяния 90 -г 120°. Такая систематичность убывания может быть использована как критерий наличия облака на небосводе в передней полусфере. В задней полусфере, т.е. при углах рассеяния более 90 120°, функция яркости возрастает, и систематичность этого роста также может быть положена в основу обнаружения облака.

3. На основе расчетных данных показано, что с увеличением угла рассеяния также имеет место систематическое убывание углового градиента яркости. Нами он был обозначен, как «жесткий» критерий селекции, так как позволяет зафиксировать наличие в атмосфере малоконтрастных облачных образований. Таким образом, при контроле состояния атмосферы с целью обнаружения и последующего исключения облаков должны выполняться условия, обозначенные во втором и третьем пунктах.

4. С целью проверки предлагаемых критериев отбора безоблачных ситуаций, основанных на теории переноса излучения, выполнен детальный анализ наблюдений яркости в идеализированных условиях. Использовались данные наблюдений абсолютных индикатрис яркости, полученные сотрудниками Астрофизического института АН КазССР и Казахского педагогического института г. Алма-Аты на юго-востоке Казахстана и в г. Геленджике. Было исследовано свыше 150 угловых распределений, измеренных в 16 углах рассеяния. Для всех наблюдаемых индикатрис всегда выполнялось условие возрастания яркости с систематическим изменением угла рассеяния по обе стороны от ее минимума.

5. Проанализированы экспериментальные ряды аэрозольных индикатрис однократного рассеяния света в приземном слое воздуха в городе Алма-Ате. Пункты 2 и 3 выполняются для всех исследованных индикатрис в разных длинах волн в видимой области спектра. Это позволяет сделать вывод, что в безоблачной атмосфере вышеназванные условия выполняются практически всегда и для случаев наличия в атмосфере городского аэрозоля, поскольку при наблюдениях с поверхности земли яркость приземного слоя интегрируется с яркостью вышележащих слоев. Поэтому следует говорить об универсальности предлагаемых методик селекции для сильно отличающихся условий наблюдений.

6. Было проверено выполнение «жесткого» критерия - систематического убывания углового градиента яркости - применительно к плоскости солнечного вертикала. Вычисления углового градиента по измеренным яркостям абсолютно безоблачного неба на юго-востоке Казахстана со всей несомненностью показали, что в солнечном вертикале, также как и в альмукантарате, имеет место систематическое убьюание градиента яркости с увеличением угла рассеяния.

7. Дополнительным условием в отборе наблюдательных данных с целью их последующего объективного анализа на наличие безоблачных ситуаций является констатация факта однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальных направлениях. Согласно исследованиям сотрудников Астрофизического института Академии наук Казахстана в горах, степях и полупустынях нередко отмечаются абсолютно безоблачные дни с различием величин яркости слева и справа от солнечного диска в пределах 1 -3% на угловых расстояниях, равных или больших 10°. Этот экспериментальный факт является основой методики, используемой сотрудниками NASA для отбора безоблачных ситуаций.

8. Выполнен анализ состава и внутренней структуры файлов сети AERONET, содержащих угловые распределения яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Рассмотрены некоторые особенности файлов, которые необходимо учитывать при разработке программы селекции. Представлена блок-схема основного алгоритма селекции и описание пакета программ.

9. Выполнен предварительный анализ наблюдательных данных AERONET. Выбраны наблюдательные пункты, находящиеся в различных точках земного шара: в аридной местности, на океанских остовах, в континентальных точках, покрытых лесами, в городах Российской Федерации. Рассмотрены статистические спектральные характеристики контраста облачных образований на фоне безоблачного неба. Получены сведения о зависимости контраста от угла рассеяния, длины волны и климатической зоны. Исследованы виды функции распределения контраста по числу случаев измерений в разных ситуациях. Подготовлена база для сопоставления наблюдаемых значений яркости аэрозольных образований и локальных облаков с результатами расчетов, выполненных путем решения уравнения переноса излучения.

10. Исследованы результаты наблюдений яркости AERONET в альмукантарате Солнца с использованием разработанной методики. Данные проверялись на одновременную выполнимость условий пунктов 2, 3 и 7 при азимутах больше 3° и меньше 357°. Количество угловых распределений яркости, удовлетворяющих указанным условиям, оказалось ничтожно малым. Основной причиной этого следует считать отсутствие в фотометрах CIMEL оптического искателя при измерениях ореолов, а механическая установка прибора в направления с малыми углами рассеяния, симметрично расположенными относительно плоскости солнечного вертикала, не обеспечивает 5% -ной точности в согласовании яркостей слева и справа от Солнца. Показано, что исключение из селекции зоны ореола приводит к явному увеличению числа случаев, пригодных для последующего анализа.

11. Исследован вопрос об изменении средней величины вероятности выживания кванта по данным AERONET после проведения дополнительной селекции по предложенной методике. Оказалось, что эта величина практически не изменяется (остается высокой), что свидетельствует о необходимости глубокого изучения методики ее восстановления из наблюдений яркости неба.

12. Проанализированы сводные метеорологические данные о наличии общей облачности для юга Сибири более чем за сорокалетний период, предоставленные в наше распоряжение сотрудником ИВЭП СО РАН Г.С. Зин-ченко. Показано, что в данном регионе число дней с облачностью меньше 2 баллов составляет около 30% от общего числа наблюдений. Выполнен расчет повторяемости абсолютно безоблачных случаев (0 баллов) по городу Томску по отношению к числу ситуаций с облачностью 0-2 балла для всего региона. Из него следует, что не более чем в 22% зимой и в 13% осенью от числа регистрируемых ситуаций с облачностью 0-2 балла, экспериментальные данные по яркости неба могут быть применены к решению обратных задач по радиационным свойствам аэрозоля. Для выявления облаков на небосводе был осуществлен анализ результатов измерений яркости неба на фотометре

CIMEL в Томске. В каждой серии наблюдений, занимающей несколько минут, одновременно анализировались данные для альмукантарата и вертикала Солнца на выполнимость условий пунктов 2 и 3. Сравнение ситуаций, которые после селекции были идентифицированы как безоблачные, с ситуациями абсолютно ясного неба на основе метеорологических данных показывает, что только 1,1% от общего числа изначально измеренных распределений в альмукантарате Солнца реально соответствует отсутствию облаков на небосводе.

13. Осуществлена селекция и коррекция данных измерений яркости AERONET на малых угловых расстояниях от Солнца (ореолов). В процессе анализа данных измерений яркости AERONET на малых угловых расстояниях от Солнца было сделано предположение, что возможными источниками ошибок в определениях яркости могут быть не только не полностью исключенные облака, но и погрешности наведения фотометра CIMEL в точки солнечного альмукантарата. Были использованы независимые экспериментальные данные наблюдений ореолов в абсолютно безоблачные дни, полученные на фотометрах дневного неба с высокоточной наводкой в заданные углы рассеяния. Предложены методические разработки, с помощью которых можно, предварительно проверив данные ореолов на выполнимость условий пунктов 2 и 3, осуществить последующую их коррекцию с целью исключения влияния систематических аппаратурных погрешностей на окончательные результаты. Это позволит более полноценно использовать наблюдательный материал.

Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору В.Е. Павлову за внимание и плодотворные дискуссии при обсуждении результатов в период выполнения работы.

Автор признателен к.ф.-м.н. Т.Б. Журавлевой за любезное предоставление программ по вычислениям яркости неба путем решения уравнения переноса методом Монте-Карло, к.ф.-м.н. С.В. Смирнову, обеспечившему получение использованных нами данных по облачности в г. Томске. Автор благодарен Г.С. Зинченко, выполнившей статистическую обработку метеорологических данных для юга Сибири.

1. Goddard Space Flight Center Электронный ресурс.. - Электрон, дан. -Режим доступа: http://aeronet.gsfc.nasa.gov. - Яз. англ.

2. Dubovik O., King M.D. A flexible inversion algorithm for retrieval of aerosol optical properties from Sun and sky radiance measurements // J. of Geophys. Res. 2000. - Vol. 105, N. D16. - Pp. 20673 - 20696.

3. Гуди P.M. Атмосферная радиация. M.: Мир, 1966. - 522 с.

4. Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В. Аэрозольные модели атмосферы. М.: Наука, 1981.- 103 с.

5. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 224 с.

6. Аэрозоль и климат. /Под ред. К .Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-542 с.

7. Кондратьев К.Я. Радиационное возмущающее воздействие, обусловленное аэрозолем // Оптика атмосферы и океана. 2003. - Т. 16, №1.- С. 5-18.

8. РозенбергГ.В. Сумерки. М.: Наука, 1963. - 380 с.

9. Зуев В.Е., Креков Г.М. Современные проблемы атмосферной оптики. Т.2 Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 256 с.

10. Ивлев JI.C., Андреев С.Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей,-Л.: Изд-во ЛГУ, 1986. 360 с.

11. Павлов В.Е., Лившиц ГШ., Милютин С.Н. Чистое поглощение света в аэрозолях // Труды Межвузовского научного совещания по спектральнойпрозрачности атмосферы в видимой и инфракрасной областях спектра.-Томск: Изд-во Томского университета, 1965. С. 163 -164.

12. Hess М., Коерке P., Schult I. Optical propertis of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1998. - N. 80. - Pp. 831 - 844.

13. World Climate Program. World Meteorological Organization. A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation calculations. Boulder, Colorado, USA, 1986.-P. 112.

14. Dubovik O., Holben B.N., Eck T.F., Smirnov A., Kaufman Y.J., King M.D., Tanre D., Slutsker I. Variability of absorption and optical properties of key aerosol types observed in worldwide locations // J. of Atm. Sciences. 2002. -Vol. 59.-Pp. 590-608.

15. Dubovik O., Holben B.N., Kaufman Y.J., Yamasoe M., Smirnov A., Tanre D., Slutsker /. Single scattering albedo of smoke retrieved from the sky radiance and solar transmittance measured from ground // J. Geophys. Res. - 1998. -Vol. 103.-Pp. 31903-31924.

16. King M.D., Kaufman Y.J., Tanre D., Nakajima T. Remote sensing of tropo-spheric aerosols from space: past, present, and future // Bulletin of american meteorological society. -1999. Vol. 80, N. 11. - Pp. 2229 - 2256.

17. Holben B.N., Tanre D., Smirnov A., et al. An emerging ground-based aerosol climatology: Aerosol optical depth from AERONET // J. Geophys. Res. -2001. Vol. 106. - Pp. 9807 - 9826.

18. Лившиц ГШ. Рассеянный свет дневного неба. Алма-Ата: Наука, 1973. -148 с.

19. Смеркалов В.А. Прикладная оптика атмосферы. С.-Пб.: Гидрометеоиз-дат, 1997. - 334 с.

20. Гущин ГЛ. Методы, приборы и результаты измерения спектральной прозрачности атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1988. - 200 с.

21. Пясковская Фесенкова Е.В. Исследование рассеяния дневного света в атмосфере. - М.: Изд. АН СССР, 1957. - 219 с.

22. Лившиц ГШ. Рассеяние света в атмосфере. Часть 1. Алма-Ата: Наука, 1965.- 178 с.

23. Иванов А.И., Лившиц ГШ., Павлов В.Е., Тейфель Я.А. Рассеяние света в атмосфере. Часть 2. Алма-Ата: Наука, 1968. - 116 с.

24. Мак Картни Э. Оптика атмосферы. - М.: Мир, 1979. - 421 с.

25. Plass G.N. Mie scattering and absorption cross-section for absorbing particles // Appl. Optics. -1966. Vol. 5. - Pp. 279 - 285.

26. Лиоу Ку-Нан. Основы радиационных процессов в атмосфере. / Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 376 с.

27. Box М., Deepak A. Retrieval of aerosol size distributions by inversion of simulated aureole data in the presence of multiple scattering // App. Optics. -1979. Vol. 18, N. 9. - Pp. 1376 - 1382.

28. Павлов B.E. Об использовании трехмодального распределения частиц по размерам для интерпретации наблюдений яркости дневного неба // Аэрозоли Сибири. VII Рабочая группа. 2000. - С. 4 -5.

29. Розенберг Г.В., Горчаков Г.И., Георгиевский Ю.С., Любовцева Ю.С. Оптические параметры атмосферного аэрозоля. Физика атмосферы и проблемы климата. М.: Наука, 1980. - 262 с.

30. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М.: Мир, 1965.-424 с.

31. Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Л.: Изд. ЛГУ, 1982. - 366 с.

32. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем.-С.-Пб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 258 с.

33. Romanov P., O'Neill N., Royer A. Simulteneous retrieval of aerosol refractive index and particle size distribution from ground-based measure-ments of direct and scattered solar radiation // App. Optics. 1999. - Vol. 38, N. 36. - Pp. 7305 - 7320.

34. Яновщкий Э.Г., Думанский 3.0. Таблицы по рассеянию света полидисперсной системой сферических частиц. Киев: Наук. Думка, 1972.-123 с.

35. Мулдашев Т.З., Павлов В.Е., Тейфелъ Я.А. Об определении аэрозольной оптической толщи по яркости неба в видимой области спектра //Оптика амтосферы. -1989. Т. 2., № 11. - С. 1130 - 1134.

36. Смеркалов В.А. Прикладная оптика атмосферы. С.-Пб.: Гидрометеоиз-дат, 1997. - 334 с.

37. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет.-М.: Гостехиздат, 1956. 391 с.

38. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет. М.: Наука, 1988. - 264 с.

39. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике / Под ред. Марчука Г.И. -Новосибирск: Наука, 1976. 283 с.

40. Журавлева Т.Е., Насретдинов И.М., Сакерин С.М. Численное моделирование угловой структуры яркости неба вблизи горизонта при наблюдении с Земли. Часть I: Аэрозольная атмосфера // Оптика атмосферы и океана. 2003. - Т. 16. № 5-6. - С. 537 - 545.

41. Павлов А.В., Павлов В.Е., Мулдашев Т.З. Угловая структура многократно рассеянного света безоблачной атмосферы // Оптика атмосферы и океана. -1996. Т.9, №5. - С. 688 - 693.

42. Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности. / Под ред. К.Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 564 с.

43. Матющенко Ю.Я., Огилаков В.К., Павлов В.Е. О селекции данных AERONET. Часть 1: обоснования методик // Оптика атмосферы и океана,- 2006. Т. 19, №4. - С. 271 - 277.

44. Зинченко Г.С., Матюгценко Ю.Я., Павлов В.Е., Смирнов С.В. Облачность и эффективность функционирования солнечных фотометров на юге Сибири: Тезисы докл. // XIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири».- Томск, 2006.-С. 8.

45. Глушко В.Н., Иванов А.И., Лившиц ГШ., Павлов В.Е., Федулин И.А. Яркость и поляризация безоблачной атмосферы. Алма-Ата: Наука, 1979. -201 с.

46. Глушко В.Н., Иванов А.И., Лившиц ГШ., Федулин И.А. Рассеяние инфракрасного излучения в безоблачной атмосфере. Алма-Ата: Наука КазССР, 1974.-210 с.

47. Торопова Т.П., Тен А.П., Бушуева Г.В., Токарев О.Д. Оптические свойства приземного слоя атмосферы. /В кн. «Ослабление света в земной атмосфере». Алма-Ата: Наука КазССР, 1976. - С. 33 -113.

48. Оптические исследования атмосферы. / Под ред. Ш.Н. Сабитова. Алма-Ата: Наука КазССР, 1984. -176 с.

49. Галилейский В.П., Морозов A.M., Ошлаков В.К. Цветовая температура атмосферы и аэрозольная оптическая толща // Оптика атмосферы. -1990. -Т. 3,№ 11.-С. 1229- 1231.

50. Ошлаков В.К. Определение наличия облачности на линии визирования по результатам фотометрирования // Оптика атмосферы. 1990. - Т. 3, № 4.-С. 431 -435.

51. Automatic sun trackine sunphotometer СЕ 318. Technical description.

52. Simel Sun Photometer User Manual Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.cimel.fr/photo/pdf/mance318us.pdf.

53. Матющенко Ю.Я., Павлов В.Е. Малоугловые аэрозольные и облачные образования на фоне преобладающе безоблачной атмосферы // Межрегиональный экологический форум. Сборник материалов форума. Барнаул, 2004. - С. 138 -141.

54. Nakajima Т., Топпа G., Rao R., Boi P., Kaufman Г., Holben В. Use of sky brightness measurements from ground for remote sensing of particulate polydispersions // Appl. Optics. -1996. Vol. 3, N. 5. -' Pp. 2672 - 2686.

55. Торопова Т.П., Павлов B.E. Измерения индикатрис рассеяния при малых углах рассеяния // Труды Всесоюзного научного метеорологического совещания. JL: Гидрометеоиздат, 1964. - Т. 6. - С. 122 -130.

56. Улюмджиева Н.Н., Чубарова Н.Е., Смирнов А.В. Характеристики атмосферного аэрозоля в Москве по данным солнечного фотометра Cimel // Метеорология и гидрология. 2005. - № 1. - С. 48 - 57.

57. Smirnov A., Holben B.N., Еск T.F., Dubovik О., Slutsker I. Cloud -screening and quality control algorithms for the AERONET database // Remote Sensing of Environment. 2000. - N. 73. - Pp. 337 - 349.

58. Smirnov A., Royer A., O'Neill N.T., Tarussov A. A study of the link between synoptic air mass type and atmospheric optical parameters // J. Geophys. Res. -1994. Vol. 99. - Pp. 20967 - 20982.

59. Harrison L., Michalsky J. Objective algorithms for the retrieval of optical depths from ground-based measurements // Appl. Opt. -1994. Vol. 33. - Pp. 5126-5132.

60. O'Neill N.T., Еск T.F., Smirnov A., Holben B.N., Thulasiraman S. Spectral discrimination of coarse and fine mode optical depth // J. Geophys. Res. -2003. Vol. 108, N. D17. - P. 4559.

61. Smirnov A., Holben B.N., Kaufman Y.J., Dubovik О., Еск T.F., Slutsker I., Pietras C. Optical properties of atmospheric aerosol in maritime environments // J. Atmos. Sci. 2002. - Vol. 59. - Pp. 501 - 523.

62. Архангельский А.Я. Программирование в C++Builder 5. M.: Изд-во Бином, 2000.-1152 с.

63. Архангельский А.Я. Язык С++ в С++ Builder 5. Справочное пособие. -М.: Изд-во Бином, 2000. 224 с.

64. А. Пол. Объектно ориентированное программирование на С++. - СПб., М.: «Невский диалект» - Изд-во Бином, 1999. - 462 с.

65. Color Temperature and Pseudoemission Properies of the Atmospheric Dust. V.P. Galileisky, Morozov A.M., Oshlakov V.K. // SPIE Proc. Rome, Italy, 1994.-Vol. 2312, Sep.-P. 8.

66. Галилейский В.П., Морозов A.M. Цветовая температура и псевдоизлуча-тельные свойства рэлеевской атмосферы. // Оптика атмосферы. 1990. -Т. 3., № 9. - С. 1005- 1006.

67. Павлов В.Е., Зацепин ИМ., Матющенко Ю.Я. Отбор безоблачных ситуаций по данным AERONET: Тезисы докл. // XI Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск, 2004. - С. 17.

68. Павлов В.Е., Журавлева Т.Е., Пашнев В.В, Шестухин А.С. Использование метода Монте-Карло для определения альбедо атмосферного аэрозоля // Вычислительные технологии (совместный выпуск). 2002. - Т. 7, Вестник КазНУ № 4 (32). - С. 34 - 41.

69. Мулдашев Т.З., Павлов В.Е., Тейфель Я.А. О контроле устойчивости оптических свойств атмосферы // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. -1991. Т. 27, № 8. - С. 831 - 841.

70. Zhuravleva Т.В., Pavlov V.E., Pashnev V. V., Shestukhin A.S. Integral and difference methods for the determination of the aerosol scattering optical depth from sky brightness data. // J. Quant. Spectrosc. Rad Transfer. 2004. -V. 88. -Pp. 191 -209.

71. Devaux C., Vermeulen A., Deuze J.L., Dubuisson P., Herman M., Senter R. Retrieval of aerosol single-scattering albedo from ground-based measurements: Application to observational data // J. Gephys. Res. 1998. - V. 103, N. D8. - Pp. 8753-8761.

72. Dubovik О. V., Lapyonok Т. V., Oshchepkov S.L. Improved technique for data inversion: Optical sizing of multicomponent aerosols // Appl. Opt. 1995. -Vol. 34.-Pp. 8422-8436.

73. Heintzenberg J., Charison R.J., Clarke A.D., Liousse C. et al. Measurements and modeling of aerosol single scattering albedo: Progress, problems and prospects // Beitr. Phys. Atmos. 1997. - Vol. 70. - Pp. 249 - 263.

74. Remer L. A., Gasso S., Hegg D. A., Kaufman Y J„ Holben B. N. Urban/industrial aerosol: Ground-based Sun/sky radiometer and in situ measurements // J. Geophys. Res. 1997. - Vol. 102. - Pp. 16849 - 16859.

75. Remer L. A., Kaufman Y. J. Dynamic aerosol model: Urban/industrial aerosol //J. Geophys. Res.-1998.-Vol. 203.-Pp. 13859- 13871.

76. Павлов B.E., Пятелина C.B. Радиационный нагрев безоблачной атмосферы городскими аэрозолями // Сб. «Экологический анализ региона». Новосибирск: Изд. СО РАН, 2000. - С. 72 - 79.

77. Пашнев В.В., Журавлева Т.Е., Павлов В.Е., Шатохин А. С. Определение поглощательной способности аэрозоля в городских условиях: Тезисы докл. // IX Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск, 2003. - С. 30.

78. Eck T.F., Holben B.N., ReidJ.S., Dubovik О., Smirnov A., O'Neill N.T., Slut-sker I., Kinne S. The wavelength dependence of the optical depth of biomass burning, urban and desert dust aerosols // J. Geophys. Res. 1999. - Vol. 104. -Pp. 31333-31350.

79. Eck T.F., Holben B.N., Slutsker I., Setzer A. Measurements of irradiance attenuation and estimation of aerosol single scattering albedo for biomass burning aerosols in Amazonia // J. Geophys. Res.- 1998. Vol. 103. - Pp. 31865 -31868.

80. Dubovik O., Holben B.N., Lapyonok Т., SinyukA., Mishchenko M. I., Yang P., Slutsker I. Non-spherical aerosol retrieval method employing light scattering by spheroids // Geophys. Res. 2002. - Lett., Vol. 29. - Pp. 541 - 544.

81. Павлов B.E., Журавлева Т.Е., Пашнев В.В. Разностный метод определения аэрозольных оптических толщ рассеяния по данным о яркости небав видимой области спектра: Часть 1 // Оптика атмосферы и океана,- 2003. Т. 16, №4.-С. 377-382.

82. Павлов В.Е., Журавлева Т.Е., Шестухин А.С., Пашнев В.В. Интегральный метод определения оптической толщи рассеяния по данным о яркости неба // Оптика атмосферы и океана. 2003. - Т. 16, №5-6. - С. 454 - 460.

83. Горчаков Г.И., Емшенко А.С., Исаков А.А., Копейкин В.М., Шишков П.О. Лидарно нефелометрическое зондирование аридного аэрозоля // Оптика атмосферы и океана. -1998. Том.11, №10. - С.1118 -1123.

84. Справочник по климату СССР. Выпуск 20. Облачность и атмосферные явления. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 323 с.

85. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Часть 1-6. Выпуск 20. С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1993. - 717 с.

86. Бордовская Л.И. Характеристика синоптических процессов Западной Сибири. Проблемы гляциологии Алтая // Материалы научной конференции. -Томск, 1974. С. 95 -114.

87. Сервер погоды России Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://meteo.infospace.ru/win/wcarch/html.

88. Пашнев В.В. Разностный метод определения аэрозольной опической толщи рассеяния из измерений яркости неба // Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Барнаул, 2003. - 20 с.

89. Tonna G., Nakajima Т., Rao R. Aerosol featires retrieved from solar aureole data: a simulation study corcerning a turbid atmosphere // App. Optics. -1995. Vol. 34, N. 21. - Pp. 4486 - 4499.

90. Хюлст Г. ван де. Рассеяние света малыми частицами / Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 536 с.

91. Павлов В.Е. Атмосферная индикатриса рассеяния в области малых и больших углов рассеяния // Астрономический журнал. 1964. - Т.41, №1. - С. 122- 127.

92. Павлов В.Е. Эмпирическая формула атмосферной индикатрисы рассеяния, учитывающая околосолнечный ореол // Астрономический журнал. -1965.- Т.42, №2. С. 433 - 436.

93. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М: Наука, 1970. - 720 с.

94. Пискунов КС. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т.1. М.: Наука, 1978. - 458 с.

95. Павлов В.Е., Матющенко Ю.Я. Методы селекции и коррекции наблюдений околосолнечных ореолов в системе AERONET // Пятая Международная конференция «Естественные и антропогенные аэрозоли». С.-Пб., 2006. - С. 61.

96. Radiation commission of IAMAP meeting of experts on aerosol and their climatic effects. World Meteorological Organization // Rep. WCP55,1983. Pp. 28 - 30.