Оптические характеристики облаков верхнего яруса по данным лидарного зондирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Волков Сергей Николаевич

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЛАКОВ ВЕРХНЕГО ЯРУСА ПО ДАННЫМ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 01.04.05 — оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2004

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН и Томском государственном университете

Научные руководитель: кандидат физико-математических наук

Кауль Бруно Валентинович

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Самохвалов Игнатий Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Донченко Валерий Алексеевич

Ведущая организация: Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН

на заседании диссертационного совета Д 212.267.04 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, ауд. 119

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета

Автореферат разослан « » {. -¿ (¿'Л 2004 г.

доктор физико-математических наук, г.н.с. Павлов Владимир Евгеньевич

Защита состоится

¿^-¿^Мг^ 2004 г. в 14 час. 30 мин.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пойзнер Б.II.

£0 0?-4

лчэьь

Актуальность темы

Облака верхнего яруса (ОВЯ) входят в состав свободной атмосферы Земли и находятся на высоте 5—13 км в средних широтах. Имея сложный состав, переменные параметры ОВЯ являются одними из климатообразующих факторов планетарного масштаба. Необходимо отметить, что, являясь, по существу, функциональным природным элементом значительного масштаба, ОВЯ влияют на экологическую ситуацию, что также определяет значительную потребность в изучении и использовании знания о природе их.

Таким образом, решение задачи определения характеристик ОВЯ одновременно со снижением себестоимости таких исследований за счет привлечения новых технологий становится одной из актуальных задач современности. При оптической толщине т я 0,1-г0,2 ОВЯ дают значительный парниковый эффект и изменение альбедо системы «Земля — атмосфера» до 5% [112—114]°. Тонкие ОВЯ, расположенные над подстилающей поверхностью с малым альбедо, больше влияют на альбедо системы, чем плотные нижерасположенные облака [109—111].

Оптика облаков, содержащих кристаллы льда, к настоящему времени изучена недостаточно. Исследования форм кристаллов в облаках проводились с помощью аэростатов и самолетов. На основании пока имеющихся статистически малообеспеченных данных трудно сделать обоснованное заключение об общих закономерностях повторяемости форм кристаллов в облаках. Формы облачных кристаллов весьма разнообразны. По классификации, принятой Международной метеорологической организацией, встречающиеся в облаках и осадках кристаллы подразделяются на 10 видов [1—6].

Настоящим прорывом в развитии методов исследования характеристик облачности надо считать использование лазеров, что дало возможность оперативно измерять такие параметры ОВЯ, как высоту и вертикальную протяженность, распределение плотности, динамику ОВЯ. Таким образом, рассеянное облаками излучение лазера, зафиксированное с помощью

ратные

Здесь и далее ссылки на источники литературы, : скобки, соответствуют списку литературы, приведенному в диссертации.

регистрирующей аппаратуры, позволяет получить большой объем информации об ОВЯ. Еще большую информацию об ОВЯ можно получить из поляризационных измерений. Практика зарубежных исследований основывается на измерении рассеянного ОВЯ излучения для двух состояний поляризации. Состояние поляризации рассеянного излучения различно для сферических и несферических частиц, и по результатам измерений можно выделить в облачном слое жидкую и кристаллическую фазы [103].

Однако измерения полной матрицы обратного рассеяния (МОР) проводятся только на уникальной лидарной установке Томского государственного университета и Института оптики атмосферы СО РАН [96—101]. Анализ компонентов МОР позволяет выделить пространственное распределение характеристик и преимущественное направление ориентации рассеивающих частиц. Параметр ориентированности ансамбля частиц ОВЯ играет важную роль в процессах ослабления солнечного излучения и должен также учитываться в моделях распространения солнечного излучения через атмосферу Земли [135].

Процедура непосредственно поляризационных измерений В целом носит законченный характер, и в результате цикла измерений массив данных состоит из 12 пар профилей. За последнее десятилетие накоплен большой объем экспериментальных данных по результатам поляризационных измерений ОВЯ. Однако сложившаяся методика обработки данных не позволяла произвести сравнение характеристик ОВЯ, поскольку МОР были получены в базисах, не учитывающих ориентированность ансамбля кристаллических частиц.

В новой методике необходимо было также учесть, что па механизм кристаллообразования в ОВЯ оказывает влияние распределение температуры в подоблачном и облачном слоях.

Кроме того, важно учесть, что изменчивость ОВЯ в цикле поляризационных измерений, погрешности установки поляризационных элементов приводят к появлению существенных систематических погрешностей в определении МОР. Существенное влияние на точность полученных результатов оказывает изменчивость ошибок измерений. Например, точность оценок элементов МОР находится в зависимости от высоты зондирования. В то же время учет переопределенности данных позволяет повысить точность измерений МОР.

Возможность реализации перечисленных выше требований к новой методике обоснована тем, что в ИОА СО РАН на базе канала спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) Сибирской лидарной станции были достигнуты результаты, позволяющие применить их в методике поляризационных измерений [162, 165, 174, 177—179]. Данные измерений с помощью СКР-канала, проводимых совместно с поляризационными измерениями, способны помочь разрешить ряд задач по модификации методики поляризационных измерений. В первую очередь, это касается методики измерения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры до высоты тропопаузы.

Цель диссертационной работы — изучение статистических особенностей МОР ОВЯ на основе модифицированной методики лазерного зондирования, уменьшающей систематические и случайные погрешности, обусловленные как несовершенством аппаратуры, так и динамикой ОВЯ.

Задачи диссертационного исследования:

1. Модификация методики поляризационного зондирования ОВЯ путем калибровки аппаратуры по «молекулярному реперу» с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.

2. Повышение точности определения МОР последовательным применением методов статистического оценивания параметров: подавление случайного шума в сигналах зондирования ОВЯ с помощью метода оптимальной линейной регрессии; оценивание параметров при калибровке по интервалу высот; учет переопределения данных при вычислении МОР; линеаризация и учет переопределения в нелинейной задаче преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ.

3. Разработка методики и алгоритма преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ: учет свойств симметрии МОР; приведение МОР к каноническому (блочно-диагональному) виду, дающему возможность сравнения результатов независимых измерений.

4. Получение статистических данных об элементах МОР ОВЯ с применением модифицированной методики обработки результатов зондирования за 1991—2002 гг.

Методы исследования

В работе использован комплексный подход — теория рассеяния Рэлея, Ми; теория рассеяния на ансамбле несферических частиц; теория спонтанного комбинационного рассеяния; физическое и численное моделирования; методы математической статистики; натурный эксперимент.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Калибровка сигналов поляризационного зондирования облаков верхнего яруса по «молекулярному реперу» на основе сигналов спонтанного комбинационного зондирования и учет переопределенности данных на основе метода наименьших квадратов повышают точность оценок элементов матриц обратного рассеяния не менее чем в 2,2 раза.

2. Приведение матриц обратного рассеяния к каноническому (блочно-диагональному) виду, не зависимому от ориентации базисных векторов, на основе свойств симметрии и направления преимущественной ориентации ансамбля кристаллических частиц облаков верхнего яруса позволяет проводить сравнение результатов независимых измерений.

3. Значительная доля (до 25%) облаков верхнего яруса характеризуется отношением рассеяния в интервале 1,25—1,75; до 70% облаков верхнего яруса представлены ансамблями частиц с набором параметров: 0 ^ х й 0,2; |я1г| < 0,2 и <244 = 0, ориентацию которых можно считать случайной. Здесь % — параметр ориентированности; йп, — элементы матрицы обратного рассеяния ансамбля кристаллических частиц облаков верхнего яруса.

Достоверность и обоснованность результатов

диссертационной работы

На основе теории СКР получены количественные оценки параметров СКР-лидара, характеристики которого подтверждены результатами натурных исследований. В частности, измерения профиля температуры СКР-лидаром удовлетворительно соответствуют шар-зондовым измерениям.

Разработанные алгоритмы и последовательность операций получения параметров ОВЯ неоднократно проходили проверку на достоверность полученных результатов. В частности, оценки

величин, полученные на основе алгоритма метода наименьших квадратов с прямой подстановкой параметров, идентичны оценкам, полученным на основе алгоритма метода, использующего вектор множителей Лежандра для связанных параметров в линейной модели.

Выбор участка калибровки по «молекулярному реперу» обоснован в соответствии с предсказанным теорией характером поведения экспериментальных данных. Полученные в результате обработки данные о МОР ОВЯ, профилях отношения рассеяния, коэффициенте ослабления и температуре находятся в соответствии с данными, предсказанными теорией, и результатами независимых измерений на участках трассы зондирования с преобладанием молекулярного рассеяния. Для статистической обработки результатов измерений привлекались однородные данные с оценкой стандартного отклонения, не превышающего одной сотой для элементов МОР.

Научная новизна теоретических положений и результатов

экспериментальных исследований, полученных автором

Для решения задач исследования ОВЯ автором впервые детально проработана методика калибровки сигналов зондирования поляризационного лидара по «молекулярному реперу» на высотах, где преобладает молекулярное рассеяние, с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.

Впервые разработана и прошла экспериментальную проверку модифицированная методика получения профиля коэффициента ослабления с использованием лидарных сигналов СКР на основе барометрической формулы и уравнения состояния атмосферы.

Впервые детально проработана и апробирована методика повышения точности оценок элементов МОР, полученных из эксперимента, учитывающая такие статистические особенности экспериментальных данных, как динамика ОВЯ, изменчивость ошибок измерений в зависимости от высоты зондирования и переопределенность данных.

Впервые проведен статистический анализ данных зондирования по отношению рассеяния и МОР ОВЯ за 1991—2002 гг.

Научная и практическая значимость результатов

диссертационной работы

Методика, разработанная в процессе диссертационной работы, положена в основу систематических исследований МОР ОВЯ в ТГУ и ИОА СО РАН. Результаты исследований МОР ОВЯ за 1991—2002 гг. могут быть положены в основу построения физических моделей ОВЯ и могут использоваться для верификации полных МОР кристаллических облаков, полученных теоретическим путем.

Алгоритмы учета изменчивости ошибок измерений, переопределенности данных, приемы линеаризации при обработке данных, а также алгоритмы калибровки лидарных сигналов по выбранному интервалу высот (дальности), учитывающие ошибки как самих сигналов, так и ошибки привлекаемых для сравнения данных, обладают универсальным характером и могут быть с успехом адаптированы для применения в других задачах лидарного зондирования.

Статистические данные об ориентации ансамблей частиц в ОВЯ могут быть использованы для уточнения моделей перистых облаков в задачах переноса солнечной радиации в атмосфере. В частности, эти данные позволяют оценивать вероятность появления квазихаотической ориентации частиц в ОВЯ и вследствие этого использовать модель сфер эквивалентных радиусов.

На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных возможны разработка и построение оптимального лидара для мониторинга ОВЯ.

Использование и внедрение результатов работы

Модифицированная методика поляризационного зондирования ОВЯ признана в качестве базовой для проведения исследований и последующей модификации аппаратуры уникальной лидарной установки Томского государственного университета и Института оптики атмосферы СО РАН.

Результаты диссертационной работы использованы в международной программе НПО «Зонд» при разработке СКР-лидара нового поколения.

Простота и эффективность метода восстановления непериодических сигналов, полученного в процессе диссертационной работы, позволяют широко использовать его в прикладных

задачах лидарного зондирования в счете фотонов (ИМКЭС СО РАН, ТГУ).

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы или отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Международной конференции по зондированию атмосферы (Кейп-Код, США, 1987); 14-й Международной конференции по лазерному зондированию атмосферы (Сан-Кандино, Италия, 1988), III ^ Международном симпозиуме по зондированию тропосферы

(Гамбург, Германия, 1994), IX—X Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987, 1989), I—II Межреспубликанских симпозиумах (Томск, 1994, 1995); IX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002); Юбилейной Всероссийской научной конференции (МГУ, Москва, 2002).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 188 наименований, содержит 143 страницы машинописного текста, 24 рисунка и 3 таблицы.

В первой главе приведены обзор известных исследований и современное состояние проблемы определения характеристик ОВЯ. Облака верхнего яруса образуются в верхней тропосфере в результате упорядоченного подъема и адиабатического ох-I лаждения воздуха. В процессе образования ОВЯ участвует

турбулентный обмен, большое значение имеют контрасты температуры и влажности воздуха. Важным параметром, определяющим вклад ОВЯ в процесс климатообразования, является их повторяемость. В гл. 1 даются основные выводы теории рассеяния электромагнитных волн на частицах, приведено интегральное уравнение рассеяния [115—121]. В гл. 1 также рассматриваются вопросы рассеяния на частицах несферической формы, относящиеся к рассеянию на кристаллических образованиях облаков верхнего яруса. Показан квантово-меха-нический подход к описанию СКР [137—152].

Большое внимание уделено теоретическим основам поляризационного зондирования ОВЯ. Для этого рассматривается вид

лидарного уравнения, выраженного через параметры Стокса. При зондировании в зенит в ансамбле кристаллических частиц и направлении зондирования г существует плоскость зеркальной симметрии [135]. Если плоскость зеркальной симметрии составляет азимутальный угол ф с плоскостью ориентации координат лидара хог, то преобразованием поворота эти плоскости можно совместить:

М'<я) = С7(-ф)М(я)17(-ф). Таким образом, матрица М'(тО имеет вид

М'0г) =

А в 0 Н)

В Е + Р 0 0

0 0 -Е + Р и

Я 0 -п С;

(1)

(2)

Здесь матричные элементы, инвариантные относительно оси вращения

А = Мц; С = Ми\ Я = М14 = М4ь

Е = -тп-Ми) = -Ш22 -М33), 2 2

и элементы, не инвариантные относительно оси вращения В = М12 соз2ф - М13 зт2ф; £> = СОБ2Ф - М24 вт2ф;

(3)

^ = -(М2 2 + Мзз)соз4ф - М2 з эт4ф.

(4)

Нормировка матрицы обратного рассеяния М'(я) на элемент Мц позволяет приводить матрицы, измеренные в разных экспериментах, к единому каноническому (блочно-диагональ-ному) виду, удобному для сравнения и анализа:

(16 0 /Л

Ь е+/ 0 0

0 0 -<? + /■ с/

{/г 0 -й с

М„0г) =

(5)

Здесь элементы канонической (блочно-диагональной) матрицы Мо(тО образованы нормировкой на элемент Мц, например к = Н/Мц, и т.д. Теперь элементы унифицированной матрицы

Мо(тг) находятся в одном диапазоне величин [—1, 1], что удобно для интерпретации результатов независимых измерений.

Вторая глава посвящена изложению модифицированной методики определения характеристик ОВЯ из лидарных измерений.

Глава состоит из двух частей. В первой части описывается методика определения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры из лидарных СКР-сигна-лов [162]. Метод предполагает регистрацию сигналов обратного рассеяния на несмещенной длине волны Хо и в двух узких участках чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния молекул азота и кислорода. Каждый из трех сигналов описывается уравнением лазерной локации

Р{(к)}12 = КгО(/г)рг(/г)ехр|- |[а0(х) + аг(х)] (г = 1,2,3), (6)

где г — номер спектрального участка; Р;(/г) — мощность сигнала в ¿-м участке спектра, принимаемая с расстояния /г; /<С; — аппаратурная константа для канала, регистрирующего излучение в г-м участке спектра; вС/г) — геометрическая функция, учитывающая перекрытие диаграмм направленности приемной и передающей антенн лидара; Р;(/г) и а ¡(/г) — коэффициенты обратного рассеяния и ослабления соответственно. Для отношения рассеяния можно получить выражение

К(к)= гг< и п\°1)»тг <7>

К[РХШ+Р2(.}1)]

Здесь К является коэффициентом пропорциональности между сечениями рассеяния упругого и неупругого молекулярного рассеяния. Используя барометрическую формулу и уравнение состояния идеального газа, можно получить выражение для профиля коэффициента ослабления

1

«У./+1 =

2А/гу,у+1

акм) ЩУГОф ' (Юф 5%+1)7ХЛ/+1)

Ж ТОч ЖАу+1) '

где S(h) = [Pi(h) + P2(h)]h2. Метод дистанционного определения температуры, предложенный Куни, основан на оптимальном по чувствительности выборе двух участков чисто вращательного спектра азота таким образом, чтобы отношение сигналов от выбранных участков чисто вращательного спектра максимально зависело от температуры. Показано, что при изменении температуры на 1 град изменение величины отношения сигналов может составлять 1,5—2%.

Во второй части главы рассматриваются метод извлечения информации о МОР Мя(/г) из лидарных поляризационных измерений [173,175] и характеристики принимаемых рассеянных сигналов, образующих систему уравнений для определения МОР из С-функций, определяемых из лидарных сигналов Pi(h) и P2U1) для разных состояний поляризации излучений передатчика и приемника:

cg^Mtm, (9)

P1(h) + P2(h)

где

Px{h) = ^сВДАГ2Г2 (/»gM^/Osí, (10)

Р2 (А) = ±ck2WQAIr2T2 (h)g* М, (h)Sl. (11)

Здесь g и g* — нормированные, взаимно ортогональные приборные векторы (матрицы-строки) приемника; si — нормированный вектор-параметр (матрица-столбец) Стокса передатчика.

Для извлечения информации о МОР из принятых лидарных сигналов необходимо учесть вклад и свести к минимуму зависимость полученных данных от характеристик излучения лазера, изменчивости ОВЯ, потерь излучения при прохождении через оптические элементы и характеристик фотоприемника.

Задачу уменьшения влияния систематических погрешностей установки аппаратурных параметров и динамики ОВЯ можно разбить на два этапа.

Вначале, на первом этапе, на трассе вертикального зондирования определяется участок с преобладающим молекулярным рассеянием. На высотах, где превалирует молекулярное рассеяние и отношение рассеяния R(h) близко к единице, сис-

тема уравнений в частном случае для идеальных приемников приобретает вид

(¿ = 1,2.....4;; = 1,2,3), (12)

где {¿у — инструментальный вектор с координатами = = нормированная матрица обратного рас-

сеяния ап на молекулах атмосферы имеет диагональный вид

'10 0 0

ст* =

0 0,97 0 0 0 0 -0,97 0 0 0 0 -0,97

(13)

Система уравнений решается относительно координат не точно известных приборных векторов. Таким образом, происходит калибровка по «молекулярному реперу».

Затем на втором этапе, когда координаты приборных векторов известны, система уравнений для случая идеальных приемников относительно ОВЯ имеет вид

{[Яу(А)-1] & ё+}а Я(Л)8, = 0. (14)

Полученную систему уравнений необходимо дополнить условиями симметрии [133]:

Я12Ш - 621Ш = 0, й1зШ + Й31Ш = 0, аи(Ю - й-иШ = 0,

а2з(Ю-а32Ш = 0, а24(Л)-й42(Л) = 0, 034(Л) + Й43Ш = О (15)

и условием, возникающим при превалировании однократного рассеяния над многократным:

ДиШ - а2гШ = аи(к) + «ззШ- (16)

Таким образом, получая из измеренных величин С;;(Л) и отношения рассеяния Rif.li) с известными координатами инструментальных векторов ^ и состояниями параметров Стокса

б,- передатчика, можно составить и решить систему уравнений относительно неизвестных элементов нормированной матрицы обратного аэрозольного рассеяния а„(Л).

Третья глава посвящена рассмотрению алгоритмов обработки данных лидарного зондирования облаков верхнего яруса в модифицированной методике.

В первой части главы рассматривается предварительная обработка данных лидарного зондирования, полученных в счете фотонов в режиме накопления сигналов. Последовательность операций при предварительной обработке сигналов зондирования происходит следующим образом:

а) измеренные сигналы корректируются на просчеты [183];

б) сигналы корректируются на эффект последействия ФЭУ [182,185];

в) определяется и вычитается из сигналов уровень фона;

г) вычисляются оценки дисперсий скорректированных сигналов;

д) сигналы обрабатываются с помощью метода оптимальной линейной регрессии, и находятся оценки среднего в стробах сигналов и оценки ошибок восстановления [165, 174].

Оценки ошибок определения параметров ОВЯ производятся на основе метода наименьших квадратов с весами (МНК). В качестве весов используются оценки ошибок, получаемые из данных зондирования. При последующих преобразованиях оценки ошибок находятся с помощью первого члена разложения в ряд Тейлора. Оценки параметров, получаемые с помощью МНК, являются несмещенными, состоятельными и эффективными.

При измерениях вероятность регистрации фотона в стробе описывается распределением Пуассона. При накоплении в стробе более пяти фотоэлектронов можно пользоваться асимптотическим свойством статистики, оценки дисперсий случайных ошибок (шума) принимаются равными оценкам среднего. В начале главы рассматривается оптимальный метод линейной регрессии. В лазерном дистанционном зондировании точность параметров атмосферы, восстановленных из лидарных измерений, уменьшается с высотой зондирования. В этих условиях возникает задача восстановления или получения оценки среднего сигнала и уменьшения случайного шума в стробе с помощью МНК. Величину подавления шума у при восстановлении можно представить в виде

где Ti=cr2/âf[/]; 11 — количество стробов в скользящем интер-

Л г\

вале; m — порядок линейной модели в МНК; а,- — дисперсия

п £

до восстановления; â?[/] — оценка дисперсии после восстановления. Таким образом, меняя величину интервала восстановления, можно управлять величиной оценки шума.

В процедурах калибровки данных лидарного зондирования нашел применение метод калибровки по выбранному интервалу высот (дальности) на основе МНК. Принцип метода заключается в том, что на трассе зондирования можно выделить участок высот, приводимый в соответствие модельному сигналу либо сигналу, измеренному независимым способом, например с помощью шар-зонда.

Во второй части главы рассматриваются алгоритмы вычисления МОР ОВЯ из данных поляризационных измерений.

На интервале калибровки по «молекулярному реперу» С;//0 усредняются

Cv=TltCi/(M (¿ = 1.2.....4;/=1,2,3), (18)

где hc — высота калибровки; I — полуширина участка калибровки. Подстановкой получим систему уравнений относительно неизвестных о,-, 8Х/, 5Ш-, 5г;-:

[Cij -1 - aу (Су + 1)](ст cjj5xj - агфу]- - avf52;-) +

+ ay(Q/+lX2-Tty) + (Q/-l)Tiv =0. (19)

Здесь

Лу = gpnSf, si = (1,qbubv,)T.

Элементы МОР ОВЯ определяются из системы линейных уравнений, получаемой при прямой подстановке условий симметрии [133]:

Н0 = Y. (20)

Здесь 0 — 8x1 — матрица-столбец, образованная элементами МОР а „(А):

0 = («12, #13, au, «22, «23, Й24> йзз> Й3^Т; Y = (Yk) — 12 х 1 — матрица-столбец с элементами

У^-иу+Бу-у^) [А = 3(г-1)+/;г = 1,2,...,4;/ = 1,2,3]; (22) Н — 12 х 8 — матрица с элементами столбцов

Нк 1 = + Нк2 = + Щу^ Яи = +

Ни = -ЧгХ}\ Нк5 = Ву(.ЩХ; -фуД

(23)

Нкб = ЯЛ7 = В^гщ; +vizJ■),

Нк8

Здесь

Ац = [ЯуСАЫ+Лу ] [2—(1—осу )(Су- (Л)+1) ] - 2а}-Щ (Н)[Су (/г)+1];

^ = №у(Л)-1]{2-(1-а/)[С^(/1)+1]}. (24)

На первом шаге решим систему МНК без весов, совпадающего с общим методом решения переопределенной системы линейных уравнений:

ё'=(НтНГ1НтУ. (25)

На втором шаге рассчитываются суммарные оценки дисперсий ошибок:

А/^¿ОД„](0,О2 + £>[Г*] (¿ = 1,2,3.....12). (26)

н=1

На третьем шаге вычислений находятся оценки элементов МОР а„(Л) методом наименьших квадратов с весами

0 =(НтВ-1НГ1НтО-1У. (27)

Оценки ошибок элементов МОР а„(/г) находятся по формуле

В[0]=(НТО"1НГ1. (28)

Алгоритм нахождения элементов канонической МОР а^(Л)

и угла Ф преимущественной ориентации из МОР ОВЯ а„(/г) построены на условиях:

«13=0,

«23=0,

«24=0,

«12 — 0)

^ ' ' ^п (29)

—(«22 +«эз)^0.

Кроме того, в алгоритме оцениваются величины ошибок определения элементов канонической МОР a '„(h) и угла преимущественной ориентации Ф частиц ОВЯ на основе МНК с весами. Производя соответствующие линеаризующие преобразования, получим три значения двойного углаФ, образующих

матрицу-столбец 3 х 1 Y = (Уг): •

Yi =arctg(-—)+mit, <*а

• Y2 =-Urctg(—)+я£ (m = -1,0,1; n = -2, -i, 0,1,2; k = -1,0,1), 2 Й22+Я33 2

У3 = arctg(-—)+fot, Я34

(30)

где значения и, Л доопределяются с помощью условия (29) и условием наименьшего расхождения между углами Y = (У¿).

В четвертой главе рассматриваются состав, аппаратуры и процедура измерений. В начале главы приводятся состав, характеристики и процедура измерений с помощью поляризационного лидара «Стратосфера 1М» [97, 158]. Лидар состоит из передатчика (X = 532 нм) и трех идентичных приемников диаметром 0,5 м с фокусным расстоянием f = 5,7 м. Порядок поляризационных измерений следующий: последовательно каждый из четырех состояний излучения передатчика St, S2, S3, соотносится с тремя парами состояний gig2, g'3g/i, gsge излучения приемника, полученных с помощью призмы Волластона, и, таким образом, измеряются двенадцать пар лидарных сигналов.

СКР-лидар [177] основан на базе большого зеркала Сибирской лидарной станции диаметром 2,2 м и фокусным расстоянием f — 10 м. Рассеянное в атмосфере излучение передатчика попадает на световоды, образующие затем входную щель двойного полихроматора. Измеряются три сигнала: один на основной длине волны (X = 532 нм), два сигнала СКР на чисто вращательных переходах молекул воздуха.

Обработке подверглись данные зондирования за период с 1991 по 2002 гг. [172—175]. В результате обработки получено более 600 МОР ОВЯ. Разрешение по высоте составило 96 м.

Вычисления МОР проводились в два этапа: на первом этапе рассчитывались МОР, на следующем этапе вычислялись канонические МОР и углы преимущественной ориентации. В п. 4.3 диссертации представлены результаты измерений СКР-каналом в задаче калибровки аппаратуры поляризационных измерений ОВЯ по «молекулярному реперу», На рис.1,д показан пример профиля отношения рассеяния, полученный из лидарных сигналов СКР-канала. Таким образом, можно выделить интервал высот с превалированием молекулярного рассеяния над аэрозольным в задаче калибровки по «молекулярному реперу».

А, км А, км

Рис. 1. Данные, полученные из лидарных сигналов СКР-канала: а — отношение рассеяния от 25.05.2002 г., строб 12 м, накопление 6 мин; б — коэффициент ослабления (/ — в облаке; 2 — температура через 1 ч 15 мин), строб 480 м,

накопление 20 мин

Кроме того, становится известным поведение отношения рассеяния в ОВЯ и тем самым реализуется модифицированный алгоритм вычислений элементов МОР. На практике получение за короткое время профилей отношения рассеяния в ОВЯ из лидарных сигналов СКР затруднительно вследствие небольших сечений СКР-рассеяния. Поэтому задачу учета динамики ОВЯ в цикле поляризационных измерений можно решать на основе получения отношения рассеяния из аэрозольных сигналов. Однако в этом случае для корректного получения результатов необходимо знать лидарное отношение в ОВЯ. Поскольку эта характеристика менее изменчива, ее можно получить на основе измерения профиля коэффициента ослабления из лидарных сигналов СКР-канала. На рис. 1,6 цифрой / показан пример

измерения профиля коэффициента ослабления в облаке из ли-дарных сигналов СКР-канала. Для оценки эффективности методики на рис. 1,6 цифрой 2 показан профиль коэффициента ослабления, полученный на основе профиля температуры и измеренный в отсутствие облачного слоя через 1 ч 15 мин.

На рис. 2 показан пример профиля температуры, полученного из лидарных сигналов СКР-канала.

А, км

12 10 8 6 4

У ¿Г

1

А, км 12

10 8 6 4

г*

/ >

/

210

220

230

240

250 Г, К

1

Рис. 2. Профиль температуры от 29.12.1991 г. (слева); стандартное отклонение (справа); строб 48 м; накопление 15 мин

В подпункте 4.4.1 диссертации представлены статистические данные об отношении рассеяния в ОВЯ за период измерений. На рис. 3,а показан средний профиль отношения рассеяния в ОВЯ. В подпункте 4.4.2 диссертации приведены гистограммы частот появления элементов МОР (рис. 3,6 — для элемента МОР а12) и углов преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ (рис. 4,6). Кроме того, получены средние значения элементов канонической МОР ОВЯ за период измерений с 1991 по 2002 г.

1

-0,22 0,01 0,01

-0,22 0,59 0,00 -0,03

-0,01 0,00 -0,40 -0,02

0,0Г\ -0,03 0,02 -0,01

(31)

и гистограмма частот параметра ориентированности (рис. 4,а). Из приведенных данных видно, что значительная доля ОВЯ

(до 70%) соответствует случайной ориентации частиц в ОВЯ. Наличие преимущественной ориентации частиц в ОВЯ с учетом положения лидарной установки соответствует направлению запад-восток.

Л, км

..А...1..1

0,24 : : : 1 1 Г

0,16 1144

-4-4-4

0,08

-ш

-0,8 -0,4

Рис. 3. Среднее отношение рассеяния в ОВЯ (а); гистограмма элемента МОР ап (б)

Рис. 4. Гистограммы параметра ориентированности в ОВЯ (а) и углов преимущественной ориентации ансамблей частиц ОВЯ (б)

В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационной работы.

1. Предложена методика поляризационного зондирования с использованием одновременно измеренных профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры, получаемых из лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода, при этом повышение

точности определения МОР ОВЯ не менее чем в 2,2 раза достигается благодаря тому, что:

— разработан и апробирован алгоритм уменьшения систематических погрешностей аппаратуры поляризационного зондирования, основанный на калибровке по «молекулярному реперу» с использованием лидарных сигналов СКР;

— предложен и апробирован алгоритм уменьшения систематических погрешностей элементов МОР, обусловленных динамикой ОВЯ; алгоритм основан на явном виде отношения рассеяния, которое, в свою очередь, находится из лидарных сигналов СКР;

— созданы алгоритмы уменьшения случайных погрешностей элементов МОР ОВЯ, обусловленных статистикой измеряемых лидарных сигналов; алгоритмы основаны на использовании методов математической статистики и учитывают изменчивость ошибок в зависимости от высоты зондирования, интервала калибровки, переопределенности данных;

— разработан алгоритм приведения МОР ОВЯ к каноническому (блочно-диагональному) виду, позволяющий сравнивать результаты независимых измерений и основанный на определении угла преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ.

2. Впервые на основе предложенной методики обработаны данные поляризационного зондирования за 1991—2002 гг. и получены гистограммы и оценки средних значений:

— элементов канонических (блочно-диагональных) МОР ОВЯ,

— углов преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ,

— параметра ориентированности ансамбля частиц ОВЯ,

— отношения рассеяния в ОВЯ.

3. На основе анализа полученных результатов можно отметить:

— значительная доля (до 25%) ОВЯ характеризуется небольшим отношением рассеяния (в интервале 1,25—1,75);

— большая (до 70%) часть ОВЯ представлена ансамблями частиц с набором параметров: 0 < % < 0,2, | «121 < 0,2 и ац - 0, ориентацию которых можно считать случайной в соответствии с данными модельных расчетов.

4. Даны рекомендации по созданию поляризационного ли-дара для мониторинга ОВЯ на основе созданного метода.

По теме диссертации опубликована 21 работа (11 статей и 10 докладов на научных конференциях).

Работы по теме поддерживались грантами РФФИ: Р98-02-03031, 01-05-65209 - до 2003 г. включительно; 04-05-64495 -с 2004 г.

Основные публикации:

1 .Волков С.Н., Кауль Б.В. Методика определения коэффициентов обратного рассеяния и ослабления света в аэрозольных слоях тропосферы лидаром, работающим на частотах упругого и комбинационного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7. № 11-12. С. 1592-1602.

2. Volkov S.N., Kaul B.V., and Shelefontuk D.I. Optimal method of linear regression in laser remote sensing // Appl. Opt. 2002. V. 41. No. 24. P. 5078— 5083.

3.Волков C.H., Кауль Б.В., Шапранов В.А., Шелефомток Д.И. Измерение вертикального профиля температуры СКР-каналом станции лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1992. Т. 5. № 6. С. 608-610.

А.Волков С.Н., Кауль Б.В., Шапранов В.А., Шелефонтюк Д.И. Некоторые вопросы выделения узких спектральных интервалов для целей лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8. № 10. С. 1527-1530.

5.Волков С.Н. Эффективность использования интерферометра Фабри-Перо в лидаре комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12. № 12. С. 338-340.

6. Волков С.Н., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Методика обработки результатов лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2002. Т. 15. № 11. С. 982-986.

7.Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов И.В. Результаты исследований кристаллических облаков посредством лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16. № 4. С. 354-361.

Печ. л. 1,37. Усл. печ. л. 1,27. Уч.-изд. л., 1,29. Тираж 100 экз. Заказ № 51.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН

РНБ Русский фонд

2007-4 17966

H \

Введение.

Глава 1. Опыт исследования облаков верхнего яруса: наблюдаемые параметры, методы исследований, теория светорассеяния

1.1. Облака верхнего яруса как объект исследования.

1.2. Оптические методы исследования характеристик облаков верхнего яруса.

1.3. Основы описания рассеяния электромагнитных волн на частицах.

1.3.1. Интегральное уравнение рассеяния.

1.3.2. Наблюдаемые характеристики поля (параметры Стокса).

1.3.3. Сечения рассеяния, оптическая теорема.

1.3.4. Тензор молекулярного упругого и неупругого рассеяний

1.3.5. Уравнение переноса излучения через рассеивающую среду

1.4. Основы поляризационного зондирования облаков верхнего яруса.

1.4.1. Вывод лидарного уравнения через параметры Стокса

1.4.2. Определение преимущественной ориентации в ансамбле частиц облаков верхнего яруса.

1.4.3. Канонический (блочно-диагональный) вид матриц обратного рассеяния облаков верхнего яруса

Выводы к первой главе.

Глава 2. Модифицированная методика поляризационного зондирования атмосферы

2.1. Оптические характеристики свободной атмосферы на основе данных лидара комбинационного рассеяния света в задаче калибровки по "молекулярному реперу".

2.1.1. Методика определения профиля температуры.

2.1.2. Методика определения профилей отношения рассеяния и коэффициента ослабления.

2.2. Матрицы обратного рассеяния облаков верхнего яруса по данным поляризационного зондирования.

2.2.1. Основные методические задачи, решаемые при проведении поляризационных измерений.

2.2.2. Калибровка по "молекулярному реперу" и учет динамики облачного слоя при определении элементов матрицы обратного рассеяния.

2.2.3.Профиль отношения рассеяния по данным поляризационных измерений.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Модифицированные алгоритмы обработки данных лидарного зондирования облаков верхнего яруса

3.1. Помехи и сигналы при зондировании облаков верхнего яруса в режиме счета фотонов.

3.2. Калибровка сигналов лидарного зондирования по интервалу высот.

3.3. Алгоритмы предварительной обработки результатов измерений

3.3.1. Коррекция просчетов.

3.3.2. Коррекция эффекта последействия ФЭУ.

3.3.3. Вычитание уровня шума.

3.4. Алгоритмы вычисления элементов матриц обратного рассеяния облаков верхнего яруса.

3.4.1. Калибровка сигналов поляризационного зондирования по "молекулярному реперу".

3.4.2. Алгоритмы определения профилей отношения рассеяния

3.4.3. Алгоритмы вычисления оценок элементов матрицы обратного рассеяния.

3.4.4. Алгоритмы вычисления оценок элементов канонической (блочно-диагональной) матрицы обратного рассеяния

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Характеристики облаков верхнего яруса по данным лидарного зондирования

4.1. Поляризационный лидар "Стратосфера 1М".

4.2. Лидар комбинационного рассеяния.

4.3. Характеристики облаков верхнего яруса по данным лидара комбинационного рассеяния, в задаче калибровки по "молекулярному реперу".

4.4. Характеристики облаков верхнего яруса по данным поляризационного зондирования за период 1991 - 2002 года

4.4.1. Характеристики облаков верхнего яруса по результатам измерений отношения рассеяния.

4.4.2. Матрицы обратного рассеяния и направление преимущественной ориентации частиц в облаках верхнего яруса по данным поляризационного зондирования.

Актуальность темы

Облака верхнего яруса (ОВЯ) входят в состав свободной атмосферы Земли и находятся на высоте 5-13 км в средних широтах. Имея сложный состав, переменные параметры, ОВЯ являются одним из климатообразующих факторов планетарного масштаба. Необходимо отметить также, что, являясь, по существу, функциональным природным элементом значительного масштаба, ОВЯ влияют на экологическую ситуацию, что также определяет значительную потребность в изучении и использовании знания о природе ОВЯ. Таким образом, решение задачи определения характеристик ОВЯ, одновременно со снижением себестоимости таких исследований за счет привлечения новых технологий, становится одной из актуальных задач современности. ОВЯ при оптической толщине т « 0,1 -е- 0,2 дают значительный парниковый эффект и изменение альбедо системы Земля-атмосфера до 5% [112-114]. Тонкие ОВЯ, расположенные над подстилающей поверхностью с малым альбедо, больше влияют на альбедо системы, чем плотные нижерасположенные облака [109 - 111].

Оптика облаков, содержащих кристаллы льда, к настоящему времени изучена недостаточно. Исследования форм кристаллов в облаках проводились с помощью аэростатов и самолетов. На основании пока имеющихся статистически малообеспеченных данных трудно сделать обоснованное заключение об общих закономерностях повторяемости форм кристаллов в облаках. Формы облачных кристаллов весьма разнообразны. По принятой Международной метеорологической организацией классификации встречающиеся в облаках и осадках кристаллы подразделяются на 10 видов [1-6].

Настоящим прорывом в развитии методов исследования характеристик облачности надо считать использование лазеров, что дало возможность оперативно измерять такие параметры ОВЯ, как высоту и вертикальную протяженность, распределение плотности, динамику ОВЯ. Таким образом, рассеянное облаками излучение лазера, зафиксированное с помощью регистрирующей аппаратуры, позволяет получить большой объем информации об ОВЯ. Еще большую информацию об ОВЯ можно получить из поляризационных измерений. Практика зарубежных исследований основывается на измерении рассеянного ОВЯ излучения для двух состояний поляризации. Состояние поляризации рассеянного излучения различно для сферических и несферических частиц, и по результатам измерений можно выделить в облачном слое жидкую и кристаллическую фазы [103].

Однако измерения полной матрицы обратного рассеяния (МОР) проводятся только на уникальной лидарной установке Томского государственного университета и Института оптики атмосферы [96-101]. Анализ компонентов МОР позволяет выделить пространственное распределение характеристик и преимущественное направление ориентации рассеивающих частиц. Параметр ориентированности ансамбля частиц ОВЯ играет важную роль в процессах ослабления солнечного излучения и должен также учитываться в моделях распространения солнечного излучения через атмосферу Земли [135].

Процедура непосредственно поляризационных измерений в целом носит законченный характер, и в результате цикла измерений массив данных состоит из 12 пар профилей. За последнее десятилетие накоплен большой объем экспериментальных данных по результатам поляризационных измерений ОВЯ. Однако сложившаяся методика обработки данных не позволяла произвести сравнение характеристик ОВЯ, поскольку МОР были получены в базисах, не учитывающих ориентированность ансамбля кристаллических частиц.

В новой методике необходимо было также учесть, что на механизм кристаллообразования в ОВЯ оказывает влияние распределение температуры в подоблачном и облачном слоях.

Кроме того, важно учесть, что изменчивость ОВЯ в цикле поляризационных измерений, погрешности установки поляризационных элементов приводят к появлению существенных систематических погрешностей в определении МОР. Также существенную роль на точность полученных результатов оказывает изменчивость ошибок измерений. Например, точность оценок элементов МОР находится в зависимости от высоты зондирования. В то же время учет переопределенности данных позволяет повысить точность измерений МОР.

Возможность реализации перечисленных выше требований к новой методике обоснована тем, что в ИОА СО РАН на базе канала спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) Сибирской лидарной станции были достигнуты результаты позволяющие применить их в методике поляризационных измерений [162,165,174,177-179]. Данные измерений с помощью СКР-канала, проводимые совместно с поляризационными измерениями, способны разрешить ряд задач по модификации методики поляризационных измерений. В первую очередь это касается методики измерения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры до высоты тропопаузы.

Целью диссертационной работы является изучение статистических особенностей МОР ОВЯ на основе модифицированной методики лазерного зондирования, уменьшающей систематические и случайные погрешности, обусловленные как несовершенством аппаратуры, так и динамикой ОВЯ. Задачи диссертационного исследования:

1. Модификация методики поляризационного зондирования ОВЯ путем калибровки аппаратуры по «молекулярному реперу» с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.

2. Повышение точности определения МОР последовательным применением методов статистического оценивания параметров: подавление случайного шума в сигналах зондирования ОВЯ с помощью метода оптимальной линейной регрессии; оценивание параметров при калибровке по интервалу высот; учет переопределения данных при вычислении МОР; линеаризация и учет переопределения в нелинейной задаче преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ.

3. Разработка методики и алгоритма преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ: учет свойств симметрии МОР; приведение МОР к каноническому (блочно-диагональному) виду, дающему возможность сравнения результатов независимых измерений.

4. Получение статистических данных об элементах МОР ОВЯ с применением модифицированной методики обработки результатов зондирования за 1991-2002 гг. Методы исследования

В работе использован комплексный подход: теория рассеяния Рэлея, Ми; теория рассеяния на ансамбле несферических частиц; теория спонтанного комбинационного рассеяния; физическое и численное моделирование; методы математической статистики; натурный эксперимент.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Калибровка сигналов поляризационного зондирования облаков верхнего яруса по «молекулярному реперу» на основе сигналов спонтанного комбинационного зондирования и учет переопределенности данных на основе метода наименьших квадратов повышают точность оценок элементов матриц обратного рассеяния не менее чем в 2,2 раза.

2. Приведение матриц обратного рассеяния к каноническому (блочно-диагональному) виду, не зависимому от ориентации базисных векторов, на основе свойств симметрии и направления преимущественной ориентации ансамбля кристаллических частиц облаков верхнего яруса - позволяет проводить сравнение результатов независимых измерений.

3. Значительная доля (до 25%) облаков верхнего яруса характеризуется отношением рассеяния в интервале 1,25-1,75; до 70% облаков верхнего яруса представлены ансамблями частиц с набором параметров: 0 < ^ < 0,2, \аи | < 0,2 и а44 = 0 ориентацию которых можно считать случайной. Здесь х ~ параметр ориентированности; ап , аи -элементы матрицы обратного рассеяния ансамбля кристаллических частиц облаков верхнего яруса.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы

На основе теории СКР получены количественные оценки параметров СКР-лидара, характеристики которого подтверждены результатами натурных исследований. В частности, измерения профиля температуры СКР-лидаром удовлетворительно соответствуют шар-зондовым измерениям.

Разработанные алгоритмы и последовательность операций получения параметров ОВЯ неоднократно проходили проверку на достоверность полученных результатов. В частности, оценки величин, полученные на основе алгоритма метода наименьших квадратов с прямой подстановкой параметров, идентичны оценкам, полученным на основе алгоритма метода, использующего вектор множителей Лежандра для связанных параметров в линейной модели.

Выбор участка калибровки по «молекулярному реперу» обоснован в соответствие с предсказанным теорией характером поведения экспериментальных данных. Полученные в результате обработки данные о МОР ОВЯ, профилях отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры находятся в соответствии с данными, предсказанными теорией, и результатами независимых измерений на участках трассы зондирования с преобладанием молекулярного рассеяния. Для статистической обработки результатов измерений привлекались однородные данные с оценкой стандартного отклонения, не превышающего одной сотой для элементов МОР.

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором

Для решения задач исследования ОВЯ автором впервые детально проработана методика калибровки сигналов зондирования поляризационного лидара по «молекулярному реперу» на высотах, где преобладает молекулярное рассеяние, с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.

Впервые разработана и прошла экспериментальную проверку модифицированная методика получения профиля коэффициента ослабления с использованием лидарных сигналов СКР на основе барометрической формулы и уравнения состояния атмосферы.

Впервые детально проработана и апробирована методика повышения точности оценок элементов МОР, полученных из эксперимента, учитывающая такие статистические особенности экспериментальных данных, как динамика ОВЯ, изменчивость ошибок измерений в зависимости от высоты зондирования и переопределённость данных.

Впервые проведен статистический анализ данных зондирования по отношению рассеяния и МОР ОВЯ за 1991- 2002 гг.

Научная и практическая полезность результатов диссертационной работы

Методика, разработанная в процессе диссертационной работы, положена в основу систематических исследований МОР ОВЯ в ТГУ и ИОА. Результаты исследований МОР ОВЯ за 1991- 2002 гг. могут быть положены в основу построения физических моделей ОВЯ и могут использоваться для верификации полных МОР кристаллических облаков, полученных теоретическим путем.

Алгоритмы учета изменчивости ошибок измерений, переопределенности данных, приемы линеаризации при обработке данных, алгоритмы калибровки лидарных сигналов по выбранному интервалу высот (дальности), учитывающие ошибки как самих сигналов, так и ошибки привлекаемых для сравнения данных, обладают универсальным характером и могут быть с успехом адаптированы для применения в других задачах лидарного зондирования.

Статистические данные об ориентации ансамблей частиц в ОВЯ могут быть использованы для уточнения моделей перистых облаков в задачах переноса солнечной радиации в атмосфере. В частности, эти данные позволяют оценивать вероятность появления квазихаотической ориентации частиц в ОВЯ и, вследствие этого, использовать модель сфер эквивалентных радиусов.

На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных возможны разработка и построение оптимального лидара для мониторинга ОВЯ. Использование и внедрение результатов работы

Модифицированная методика поляризационного зондирования ОВЯ признана в качестве базовой для проведения исследований и последующей модификации аппаратуры уникальной лидарной установки Томского государственного университета и Института оптики атмосферы.

Результаты диссертационной работы использованы в международной программе НПО «Зонд» при разработке СКР-лидара нового поколения.

Простота и эффективность метода восстановления непериодических сигналов, полученного в процессе диссертационной работы, позволяют широко использовать его в прикладных задачах лидарного зондирования в счете фотонов (ИОА, ТГУ). Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы, или отдельные ее разделы, докладывались и обсуждались: на Международной конференции по зондированию атмосферы (Кейп-Код, США, 1987); 14-й Международной конференции по лазерному зондированию атмосферы (Сан-Кандино, Италия, 1988); III Международном симпозиуме по зондированию тропосферы (Гамбург, Германия, 1994); IX-X Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987, 1989); I—II Межреспубликанских симпозиумах (Томск, 1994, 1995); IX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002); Юбилейной Всероссийской научной конференции (МГУ, Москва, 2002). Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 152 наименования, содержит 127 страниц машинописного текста, 32 рисунка и 7 таблиц.

1. Основные результаты диссертационной работы

1.1. В работе выполнен анализ теоретических основ метода зондирования облаков верхнего яруса. Для этого выполнен исторический обзор и показано современное представление в научных исследованиях об облаках верхнего яруса. Рассмотрены оптические методы исследования облаков верхнего яруса. Приведены основные выводы теории рассеяния. Показано решение задачи локации облаков верхнего яруса с использованием комбинационного рассеяния света. Показано влияние многократного рассеяния в задачах зондирования облаков верхнего яруса. Показаны свойства симметрии матриц обратного рассеяния света при зондировании облаков верхнего яруса.

1.2. Разработана методика определения характеристик облаков верхнего яруса из лидарных измерений: приведена методика измерения параметров Стокса в эксперименте; разработана методика извлечения информации о матрице рассеяния из лидарных сигналов; показана методика определения отношения рассеяния из лидарных измерений.

1.3. Разработана методика использования комбинационного рассеяния света: развита методика использования молекулярного репера для определения отношения рассеяния в облаках верхнего яруса; развита методика определения профиля температуры как важной характеристики состояния кристаллических облаков.

1.4. Рассмотрены помехи и сигналы в задачах зондирования облаков верхнего яруса в режиме счета фотонов: разработан метод оптимальной линейной регрессии в задачах зондирования в режиме счета фотонов; рассмотрен общий статистический подход к данным полученным из эксперимента.

1.5. Разработан метод калибровки параметров лидарной установки по интервалу калибровки, как следствие разработанного статистического подхода к результатам измерений.

1.6. Разработан метод калибровки параметров поляризационного лидара по молекулярной компоненте матрицы обратного рассеяния на интервале калибровки.

1.7. Рассмотрен состав, принцип работы исследовательских лидаров "Стратосфера 1М" и лидара комбинационного рассеяния света.

1.8. На основе статистического подхода показан алгоритм предварительной обработки результатов измерений: коррекция просчетов; коррекция последействия; вычитание уровня шума; применение метода оптимальной линейной регрессии.

1.9. Приведен алгоритм вычисления элементов матриц обратного рассеяния из эксперимента: алгоритм калибровки по интервалу калибровки; алгоритм вычисления отношения рассеяния; алгоритм определения элементов матрицы обратного рассеяния и элементов приведенной матрицы.

1.10. На основании обширного экспериментального материала, полученного из данных поляризационного лидара и лидара комбинационного рассеяния, приведены результаты характеристик облаков верхнего яруса:

1.10.1. Показано, что исследования облаков верхнего яруса различными методами, включая методы оптического зондирования, чаще относятся к тонким перистым облакам (геометрически и оптически). Это подтверждают результаты исследований [109-111]. В соответствие с [112-114] облака верхнего яруса при оптической толщине г « 0.1 + 0.2 дают значительный парниковый эффект и изменение альбедо системы до 5%. Тонкие облака верхнего яруса расположенные над подстилающей поверхностью с малым альбедо, больше влияют на альбедо системы, чем плотные нижерасположенные облака. Переменный парниковый эффект создают именно тонкие облака, поскольку для оптических толщ г > 2 облако становится абсолютно черным, и излучение с границ определяется только температурой. Для наземного лидара это обстоятельство становится важным, поскольку для данной геометрической схемы зондирования для оптических толщ т < 1 +1.5 можно ограничится приближением однократного рассеяния.

1.10.2. Структура облаков верхнего яруса обладает сложной, в большинстве случаев двухслойной структурой. Значительная доля (до 25%) облачного слоя характеризуется небольшим отношением рассеяния (в интервале отношений рассеяния 1,25+1,75), что позволяет надеяться о применимости приближения однократного рассеяния к обработке и интерпретации сигналов лидарного зондирования облаков верхнего яруса.

1.10.3. Большая (до 70%) часть облаков представлена, по-видимому, ансамблями частиц различных форм с широким спектром размеров, в котором велика доля мелких частиц. Последние вместе с крупными, но изометричными частицами, не подвержены действию ориентирующих факторов и маскируют влияние крупных ориентированных частиц на вид матриц обратного рассеяния. Тем не менее, ориентация почти всегда проявляется через небольшие, но отличные от нуля значения параметров х и ап > а также через соответствующие значения элемента а44. Ориентацию частиц в облаке с набором параметров 0 < ^ < 0,2; |а12| < 0,2 и а44 = 0, можно считать квазихаотической и при расчетах ослабления солнечного излучения использовать модель сфер эквивалентных радиусов. Но если при указанных значениях х и ап величина а44 существенно сдвинута в сторону отрицательных значений, то можно предполагать значительную ориентацию частиц относительно горизонтальной плоскости. В таком случае ослабление солнечного излучения будет зависеть от высоты Солнца. Здесь отметим, что в [186] показано, как в простом эксперименте с круговой поляризацией зондирующего излучения может быть определен элемент а44 с небольшой вероятностью существенной ошибки. Последнее обусловлено тем, что распределение элемента аХ4 достаточно плотно сгруппировано возле нуля.

1.10.4. Использование комбинационного рассеяния света способно существенно повысить точность определения элементов матриц обратного рассеяния включением в алгоритм расчетов данных об отношении рассеяния, лидарном отношении в облаках верхнего яруса, а также значительно расширить область знаний о формировании облаков верхнего яруса использованием информации о вертикальном профиле температуры. Последнее обстоятельство, позволяет облегчить интерпретацию полученных результатов с точки зрения оценки механизма кристаллообразования как процесса зависящего от температуры.

1.10.5. Анализ экспериментальных результатов показывает высокую эффективность предложенной методики обработки результатов измерений. Статистический подход к данным, полученным из эксперимента, а также оптимальный метод калибровки сигналов, оптимальный метод линейной регрессии показали высокую эффективность и существенное повышение точности результатов. Последовательный, детальный учет распространения ошибок измерений при последующих преобразованиях, необходимых для определения характеристик облаков верхнего яруса, позволил определить четкие критерии оценки точности полученных результатов.

2. Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором

2.1. Для решения задач исследования облаков верхнего яруса автором впервые детально проработан метод калибровки данных поляризационного лидара по интервалу калибровки, на высотах, где преобладает молекулярное рассеяние.

2.2. Впервые детально проработан метод получения элементов матрицы обратного рассеяния и приведенной матрицы обратного рассеяния из эксперимента.

2.3. Автором впервые предложен и проработан метод оптимальной линейной регрессии в применении к зондированию в счете фотонов.

2.4. Впервые приведены результаты и проведен статистический анализ данных зондирования по отношению рассеяния и матрицам обратного рассеяния за период 1991-2002 годы.

2.5. Впервые рассмотрен вопрос и показано из экспериментальных данных повышение точности и расширение области знания о природе облаков верхнего яруса из использования комбинационного рассеяния света.

3. Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы

3.1. Разработка теоретических положений и создание на их основе: метода калибровки по интервалу калибровки на высотах преобладания молекулярного рассеяния; метода определения элементов матрицы обратного рассеяния; применения комбинационного рассеяния света - стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных материалов накопленных к настоящему времени и позволивших на современном теоретическом и экспериментальном уровне решить диссертационную задачу. Решение ряда теоретических проблем, положенных в основание методики, стало возможным благодаря современным достижениям теории рассеяния на ансамбле кристаллических частиц, базируется на выводах фундаментальных и прикладных наук. Методические основы диссертационного исследования прошли тщательную проверку на соответствие современному научному подходу в решении возникающих проблем. Применение современного научного подхода в вопросах оценки состояния и динамики облаков верхнего яруса позволило эффективно расширить область интерпретации данных поляризационного лидара данными лидара комбинационного рассеяния, и позволило поставить новые, перспективные задачи исследования.

3.2. Методы математической статистики, примененные последовательно и обоснованно прошли проверку на ситуациях моделирующих реальный эксперимент. Это позволило на основе последующих экспериментальных исследованиях получить достоверные результаты и произвести корректную оценку точности полученных результатов. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились с тщательным соблюдением всех требований на поляризационном лидаре "Стратосфера 1М" и лидаре комбинационного рассеяния света Томского государственного университета и Сибирской лидарной станции ИОА СО РАН. Алгоритмы и последовательность операций, применявшиеся при получении и обработке результатов наблюдений неоднократно проходили проверку и сравнение с известными результатами, полученными независимыми исследованиями в экспериментах других исследователей.

4. Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы

4.1. Разработанные в диссертационной работе новые положения позволяют эффективно расширить область интерпретации данных поляризационного лидара данными лидара комбинационного рассеяния, и позволяют поставить новые, перспективные задачи исследования.

4.2. Статистический подход к интепретации данных зондирования обладает универсальностью и позволяет применить его не только к данным, полученным из измерений поляризационного лидара и лидара комбинационного рассеяния, но и, с соблюдением тщательной проверки, к данным, полученным в счете фотонов в других экспериментах.

4.3. Увеличение точности результатов, а так же последовательный контроль распространения ошибок при последующих методических преобразованиях исходных сигналов, позволили по новому интерпретировать большой объем накопленных к настоящему времени экспериментальных данных, позволили выявить недоступные до этого научные данные об облаках верхнего яруса.

4.4. Разработанные и запатентованные оригинальные устройства в ходе решения диссертационной задачи позволили повысить эффективность решения поставленных задач, позволили увеличить точность полученных из эксперимента данных и, таким образом, позволили корректным образом интерпретировать результаты измерений.

5. Апробация работы

По теме диссертационной работы опубликована 21 работа, из них 11 статей и 10 докладов на научных конференциях. Работы по теме поддерживались грантами РФФИ: Р98-02-03031,01-05-65209 - до 2003 г. включительно; 04-05-64495 - с 2004 г. Доклады на конференциях:

1. Кауль Б.В., Волков С.Н., Брюханова В.В., Шефер О.В. Матрица обратного рассеяния перистых облаков по данным лазерного зондирования.// Юбилейная Всероссийская научная конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» МГУ, Москва, 30 октября - 1 ноября, 2002. С. 102.

2. Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов И.В. Обнаружение наличия преимущественной ориентации в ансамблях несферических частиц и определение параметров ориентированности посредством измерений матриц обратного рассеяния света.// IX Рабочая группа «АЭРОЗОЛИ СИБИРИ» ИОА СО РАН, Томск, ноябрь 2002. С. 29.

3. Кауль Б. В., Волков С. Н. Определение коэффициентов ослабления и лидарного отношения в облаках верхнего яруса.// I Межреспубликанский симпозиум оптика атмосферы и океана, Томск. 1994. Т. 2. С. 18-19.

4. Волков С.Н., Кауль Б. В., Шелефонтюк Д.И. Метод оптимального сглаживания в лидарном дистанционном зондировании // IX Международный симпозиум ' Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы', Томск. 2002. С. 121-122.

Статьи:

1. Волков С. Н., Кауль Б. В. Методика определения коэффициентов обратного рассеяния и ослабления света в аэрозольных слоях тропосферы лидаром, работающим на частотах упругого и комбинационного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7. № 11-12. С. 1592-1602.

2. Volkov S.N., Kaul В. V., and Shelefontuk D.I. Optimal method of linear regression in laser remote sensing // Appl. Opt. 2002. V. 41. №. 24. P. 5078-5083.

3. Волков С.Н., Кауль Б.В., Шапранов В.А,, Шелефонтюк Д.И. Измерение вертикального профиля температуры СКР-каналом станции лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1992. Т. 5. № 6. С. 608-610.

4. Волков С.Н., Кауль Б.В., Шапранов В.А., Шелефонтюк Д.И. Некоторые вопросы выделения узких спектральных интервалов для целей лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8. № 10. С. 1527-1530.

5. Волков С.Н. Эффективность использования интерферометра Фабри-Перо в лидаре комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12. № 12. С. 338-340.

6. Волков С.Н., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Методика обработки результатов лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2002. Т.15. №11. С. 982-986.

7. Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов И.В. Результаты исследований кристаллических облаков посредством лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16. № 4. С. 354-361.

Заключение

1. Кузнецов В.В. О фотографировании облаков // Ежемес. метеорол. бюл. ГФО, 1897. №9.

2. Кузнецов В.В., Ганнот С.Я. Международные наблюдения над облаками в Упсале 1896-1897 гг. // Там же, 1899. № 6. С. 1-4.

3. Кузнецов В.В., Ганнот С.Я. Международные измерения высоты, скорости и направления движения облаков, произведенные в 1896-1897 гг. в обсерватории в Блью-Гилле // Там же, 1901. № 5.

4. Stiring R. Die Wolken // Probleme der kosmischen Physik. Leipzig, 1950. Bd. 16. P. 139.

5. Sprung A., Stiring R. Erdebnisse der Wolkenbeobachtunger in Potsdam in der Jahren 1896-1897 // Veroff. Kngl. Press. Meteorol. Inst. В., 1903. P. 13-18.

6. Атлас облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 267 с.

7. Пчелко И.Г. Меорологические условия полетов на больших высотах. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 53 с.

8. Решетов Г. Д. Облачность в верхней тропосфере // Тр. ЦИП. 1961. Вып. 81. С. 4891.

9. French J.E., Johannessen K.R. Forecasting high cloud from high-level constant pressure chart // Proc. Toronto Meteorol. conf., 1953 / Amer. Meteorol. Soc. and Roy. Meteorol. Soc. L„ 1954. P. 160-172.

10. Бугаева И.В., Романов Н.И. О топографии верхней границы облаков // Метеорол. и гидрол. 1962. №7. С. 40-45.

11. James D.G. Forecasting cirrus clouds over British Isles // Prof. Notes. Meteorol. Mag. 1957. № 123. P. 1-12.

12. ClodmanJ. Some statistical aspects of cirrus clouds // Month. Weather Rev. 1957. V. 82. №2. P. 37-41.

13. Баранов А.А. Фронтальные облака и условия полетов в них. Л.: Гидрометеоиздат, 1964.240 с.

14. Баранов A.M. Вертикальная протяженность облаков верхнего яруса над европейской территорией СССР // Метеорол. и гидрол. 1958. № 6. С. 22-25.

15. Баранов A.M. Облака верхнего яруса и условия полетов в них. Л.: Гидрометеоиздат, 1960.99 с.

16. Курбатова А.В., Козловская О.В., Мазурин Н.И. Некоторые пространственные характеристики облаков верхнего яруса над северо-западом европейской территории СССР // Тр. ЛГМИ. 1961. Вып. 12. С. 34-42.

17. Баранов A.M. Характеристика облаков верхнего яруса над Закавказьем // Тр. ЛКВВИА им А. Ф. Можайского. 1962. Вып. 387. С. 86-95.

18. Баранов A.M., Солонин С.В. Авиационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.383 с.

19. Зак Е.Г., Чернега Л.Г. Пространственное распределение фронтальных облаков верхнего яруса // Тр. ЦАО. 1962. Вып. 39. С. 24-38.

20. Рыкачев М.М. Некоторые результаты подъемов шар-зондов в России // Изв. ИАН. Сер. 6. 1910. № 7. С. 523-546.

21. Graves М.Е. Aircraft reports cirriform clouds on certain high latitude routes from California to Honolulu // Month. Weather Rev. 1968. V. 96. № 11. P. 809-812.

22. Маховер З.М. Климатология тропопаузы. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 255 с.

23. Лузин В.А., Кожарин B.C. Характеристика облаков верхнего яруса и связь верхней границы облаков с тропопаузой в районе восточной части Закавказья // Сб. тр. слушателей ЛКВВИА им А. Ф. Можайского. 1958. Вып. 13. С. 118-129.

24. Мазурин Н.И. О некоторых факторах, влияющих на вертикальную протяженность и длительность существования перисто-слоистой облачности // Тр. ЛКВВИА им А. Ф. Можайского. 1959. Вып. 308. С. 29-37.

25. Murgatroyd R.J., Goldsmith P. High cloud over Southern England // Prof. Notes Meteorol. off. 1956. V. 7. N 119. P. 528-533.

26. Мазурин Н.И. О пространственных характеристиках перисто-слоистых облаков и надперистых облачных образований // Тр. ЛКВВИА им А. Ф. Можайского. 1960. Вып. 330. С. 75-79.

27. McLean G.S. Cloud distribution in the vicinity of jet stream // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1957. Vol. 38, № 10. P. 579-583.

28. Schalfer V.J. Cloud forms of the jet stream // Tellus. 1953. V. 5. № 1. P. 27-31.

29. Снегирева Б. И. Наблюдения над облаками струйных течений в районе Москвы // Исследование облаков, осадков и грозового электричества JL: Гидрометеоиздат, 1957. С. 47-56.

30. Endlich R.M., McLean G.S. The structure of the jetstream core // J. Meteorol. 1957. V. 14. №6. P. 135-147.

31. Reynolds P.R., Chandler C.L. Flying the jet stream // Canad. Aeron. J. 1958. V. 4. № 3. P. 14-21.

32. Conover J. Cirrus patterns and related airmotions the jet stream as derived by photography // J. Meteorol. 1960. V. 17. N 7. P. 532-546.

33. Баранов A.M. Пространственная структура облаков верхнего яруса в районе Ленинграда// Тр. ЛКВВИА им А. Ф. Можайского. 1959. Вып. 308. С. 25-39.

34. Хргиан А.Х. О формах перистых облаков // Тр. ЦАО. 1969. Вып. 39. С. 39-44.

35. Штемер С.М. Турбулентность в облаках верхней атмосферы // Там же. 1960. Вып. 34. С. 52-58.

36. Акимов Н.М., Прихотько Н.А. О вертикальном распределении ледяных кристаллов в слоисто-дождевых облаках // Труды УкрНИГМИ. 1973. Вып. 125. С. 83-93.

37. Боровиков A.M., Гайворонский И.И., Зак Е.Г. и др. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 460 с.

38. Клипов Ф.Я. Вода в атмосфере при низких температурах. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 263 с.

39. Кошенко A.M. Фазовое состояние и температурный режим облаков в зонах фронтов над Украиной // Труды УкрНИГМИ. 1968. Вып. 75. С. 58-68.

40. Alkezweeny A. Columnar ice crystals in natural clouds // J. Rech. Atm. 1970. V. 4 № 4. P. 173-179.

41. AuerA., Veal A The dimensionns of ice crystals in natural clouds // J. Atm. Sci. 1970. V. 27. №6. P. 919-926.

42. Cooper W.A., Vali G. The origin of ice in mountain capclouds // J. Atm. Sci. 1981. V. 38. V6. P. 1244-1259.

43. Heymfield A.J. Particle size distribution measurements an evaluation of the Knollenberg optical array probes 11 Atmos. Technol. 1976. № 8. P. 17-24.

44. Heymsfield A.J. Cirrus incinus generating cells and the evolution of cirruform clouds. Part 1. Aircraft observation of the growth of the ice phase // J. Atm. Sci. 1975. V. 32. № 4. P. 799-808.

45. Mossop S.C., Ono A., Hefferman K.J. Studies of ice cristals in natural clouds // J. Rech. Atmos. 1967. V. 3. № 2. P. 45-64.

46. Ono A. The shape and riming properties of ice crystals in natural clouds // J. Atm. Sci. 1969. V. 26. № l.P. 138-147.

47. Ono A. Growth mode of ice crystals in natural clouds // J. Atm. Sci. 1970. V. 27. № 4. P. 649-658.

48. Заморский А.Д. Атмосферный лед. M.; Jl.: Изд-во АН СССР, 1955. 377 с.

49. Мазин И.П., Штемер СМ. Облака. Строение, физика образования. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 280 с.

50. Nakaya U. Snow cristal, natural and artificial. Harvard Univ. Press., 1954. 510 p.

51. Pruppacher H.R., Klett J.D. Microphysics of clouds and precipitation. D. Riedel publishing company, 1978. 714p.

52. Magono G., Lee C. W. Meteorological classification of natural snow crystals // J. Fac. Sci. Hokkaido Univ. Ser. 7 (Geophys.). 1966. № 2. P. 321-335.

53. Боровиков A.M. Экспериментальные исследования физического строения облаков: Автореф. дис. . д-ра физ.-мат. наук. Долгопрудный, 1970.

54. Боровиков AM. Фазовое состояние облаков / В кн.: Авиационно-климатический атлас-справочник. М.: Гидрометеоиздат, 1975. Вып. 3. Т. 1. С. 129-134.

55. Тверской П.Н. Курс метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 700 с.

56. Арнольд-Алябьев В. И. Об исследовании физических свойств твердых гидрометеоров // Метеор, и гидрол. 1937. № 9. С. 15-27.

57. Juisto J.S., Weickmann Н.К. Types of snowfall // BAMS. 1973. V. 54. № 11. P. 1 Hell 62.

58. Kikuchi K., Ishimoto K. Role of frozen cloud droplets on the growth of snow crystals of certain shapes // J. Fac. Sci. Hokkaido Univ., Ser VII (Geophysics). 1974. V. 4. № 3. P. 69-80.

59. Ohtake Т., Yodi T. Winter ice cristals at south Pole // Antarctic J. US. 1979. V. 14. № 5. P. 201-203.

60. Ohtake Т., Inoue M. Formation mechanism of ice cristal precipitation in the antarctic atmosphere // Comm. VIII Conf. Intern. Phys. Des nuages, 1980. V. 1. P.221-224.

61. Van den Hage J.C. Ijskristallen in de atmosfeer // Natuur en Techniek. 1977. V. 45. № 3. P. 166-177.

62. Мейсон Б.Д. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 542 с.

63. Роджерс P.P. Краткий курс физики облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 231 с.

64. Kajikawa М., Kikuchi К, Magono Ch. Freguency of occurrence of peculiar shapes of snow crystals // J. Meteor. Soc. Japan. 1980. V. 58. № 5. P. 416-421.

65. Rottner D., Valli G. Snow crystal habit at small excesses of vapore density over ice saturation // J. Atm. Sci. 1974. V. 31. № 2. P. 560-569.

66. Литвинов И.В. Структура атмосферных осадков. JL: Гидрометеоиздат, 1974. 154 с.

67. Радиация в облачной атмосфере / Под ред. Е.М. Фейгельсон. JL: Гидрометеоиздат, 1981. 280 с.

68. Weickmann Н.К. Growth modes of atmospheric ice ctystals // Вопросы физики облаков. Jl.: Гидрометеоиздат, 1976. С. 26-42.

69. Paltridge G.W., Piatt C.M.R. Aircraft measurement of solar and infrared radiation and the microphysics of cirrus cloud // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1981. V. 107. № 452. P. 367381.

70. Cho H.R., Iribarne J.V., Richards W.G. On the orientation of ice crystals in a cumulonimbus cloud // J. Atm. Sci. 1981. V. 38. № 5. P. 1111-1114.

71. Kajikawa M. Laboratory measurement of falling velocity of individual ice crystals // J. Meteor. Soc. Japan. 1973. V. 51. № 4. P. 263- 272.

72. Nikiforova N.K., Pavlova L.N., Petrushin A.G. e. a. Aerodinamic and optical properties of ice crystals // J. Aerosol. Sci. 1977. V. 8. № 3. P. 243-250.

73. Sassen K. Remote sensing of planar ice crystal fall attitudes // J. Meteor. Soc. Japan. 1980. V. 58. №5. P. 422-429.

74. Миннарт M. Свет и цвет в природе. М.: Наука, 1969. 344 с.

75. Besson L. Cocerning haloes of unual radii // Mon. Weath. Rev. 1966. V. 51. P. 254-255.

76. Greenler R.G., Mailman A.J. Sircumscribed halos // Science. 1972. V. 176. № 1. P. 128131.

77. Tape W. Geometry of halo formation // J. Opt. Soc. Amer. 1979. V. 69. № 8. P. 11221132.

78. White R. Intensity plots of the parhelia // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1977. V. 103. P. 169175.

79. White R. Theory of the sunpillar // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1980. V. 106. № 447. P. 1927.

80. Piatt C.M.R., Scott J.C., Dilley A.C. Remote sounding of high Clouds. Pt. VI. Optical properties of midlatitude and tropical cirrus // J. Atmos Sci. 1987. V. 44. № 4. P. 729747.

81. Hunt G.E. Radiative properties of terrestrial clouds at visible and infrared thermal window wavelength // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1973. V. 99. P. 346-369.

82. Зайцева Н.А., Фейгелъсон Е. М. Особенности лучистого теплообмена в тропиках по данным актинометрического зондирования в экспедиции ТРОПЭКС-74 (АТЭП) // Изв. АН СССР, Физика атмосф. и океана. 1979. Т. 15. С. 154-168.

83. Paltridge G.W., Piatt C.M.R. Aircraft measurements of solar and infrared radiation and the microphysics of cirrus clouds // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1981. V. 107. № 452. P. 367-380.

84. Valovcin F.R. Infrared measurements of jet-stream cirrus // J. Appl. Meteorol. 1968. V. 7. №5. P. 817-826.

85. Kuhn P.M., Weickmann H.K. High altitude radiometric measurements of cirrus // Ibid. 1969. №. 8. № l.P. 147-154.

86. Griffith K.J., Cox J.K., Knollenberg R.V. Infrared radiative properties of tropical cirrus clouds interred from aircraft measurements // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. P. 1077-1087.

87. Новокрещенова А. С. Исследование переноса ИК-излучения 8-12 мкм в атмосфере: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. М., 1975. 14 с.

88. Jonson J.С. Physical meteorology. Technology Press, MIT, Cambridge, Mass., and Wiley, New York, 1954.

89. Nesti A.J., Jr. The condensation nuclei counter as an air pollution weapon 11 Opt. Spectra. July/Aug. 1970. P. 70-79.

90. Romatzov I.I., Khvostikov I.A. Tropopause photography in polarized light // Compt. Rend. Acad. USSR (Moscow). 1946. V. 53. P. 703-705.

91. Smirnov I.P. Searchlihgt investigation as a method of studying atmosphere stratification // Compt. Rend. Acad. USSR (Moscow). 1946. V. 53. P. 707-710.

92. Hulburt E.O. Observations of a searchlihgt beam to an altitude of 28 km // J. Opt. Soc. Am. 1937. V. 27. P. 377-382.

93. Прожекторный луч в атмосфере / Под общей ред. Г.В. Розенберга, М.: Изд. АН СССР, 1960. 244с.

94. Ромашов Д.Н., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Банк данных для интерпретации результатов поляризационного зондирования кристаллических облаков // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13. № 9. С.854-861.

95. Кауль Б.В., Краснов О.А., Самохвалов КВ., Шелевой В.Д. Многоволновой поляризационный лидар "Строатосфера 1М": Тезисы докл. // 8-й Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, 1986. С.58-60.

96. Исследования поляризационных характеристик аэрозольного светорассеяния при высотном зондировании / Под ред. Г.М. Крекова, Результаты комплексныхэкспериментов "Вертикаль-86" и "-87". Томск: Изд. ТНЦ СО АН СССР, 1989. С.49-69.

97. Кауль Б.В., Краснов O.A., Кузнецов A.JI., Самохвалов И.В. Поляризационное зондирование аэрозольных образований верхнего яруса // Оптика атмосф. и океана. 1991. Т.4. № 4. С.394-403.

98. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. 165 с.

99. Mishchenko М. and Sassen К. Depolarization of lidar returns by small ice crystals: An application to contrails // Geophys. Res. Letters. 1998. V. 25. № 3. P.309-312.

100. Борен К, Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.

101. Ньютон Р. Теория рассеяния волн и частиц. М.: Мир, 1969. 607 с.

102. Фок В.А. Начала квантовой механики. М.: Изд. Наука, 1976. 376 с.

103. Долгинов А.З., Гнедин Ю.Н., Силантьев H.A. Распространение и поляризация излучения в космической среде. М.: Наука, 1979. 423 с.

104. Розенберг Г.В. Вектор-параметр Стокса//УФН. 1955. Т. 56. № 1. С. 79-110.

105. Кравец Л.В., Маринушкин В.Н., Смирнов Н.Д Исследование характеристик перистой облачности наземным лидаром // Радиационные свойства перистых облаков. М.: Наука, 1989. 218 с.

106. Аникин П.П., Шукуров А.Х. О пропускании солнечного излучения перистыми облаками // Там же.

107. Точилкина Т.А. ИК-радиометрические исследования перистой облачности // Там же.

108. Тарасова Т.А. Расчет потоков солнечного излучения при перистой облачности и сравнение с экспериментами // Там же.

109. Горчакова И.А. Расчет потоков теплового излучения по данным эксперимента // Там же.

110. Горчакова И.А., Тарасова Т.А. Влияние перистых облаков на радиационный баланс верхней границы атмосферы и земной поверхности // Там же.

111. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Мн.: Наука и техника, 1969. 592 с.

112. Барабаненков Ю.Н., Кравцов Ю.А., Рытое С.М., Татарский В.И. Состояние теории распространения волн в случайно-неоднородной среде // УФН. 1970. Т. 102. № 1. С. 3-42.

113. Кляцкин В.И., Татарский В.И. Статистическая теория распространения света в турбулентной среде // Изв. Вузов. Радиофизика. 1972. Т. 15. № 10. С. 1433-1455.

114. Кляцкин В.И. Статистическая теория распространения света в случайно-неоднородной среде // Изв. Вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16. № 11. С. 1629-1641.

115. Кляцкин В.И., Татарский В.И. Приближение диффузионного процесса в некоторых нестационарных задачах физики // УФН. 1973. Т. 110. № 4. С. 499-536.

116. Кауль Б.В., Вернер X., Геррманн X. Поляризационная структура лидарного сигнала от капельных облаков // Оптика атмосф. и океана. 1997. Т. 10. № 1. С. 82-86.

117. Silver S. Microwave Antenna Theory and Design. McGraw-Hill, New-York, 1949.

118. Mannoni A., Flesia C., Bruscaglioni P. and A. Ismaelli Multiple scattering from Chebyshev particles: Monte Carlo simulations for backscattering in lidar geometry // Appl. Opt. 1996. V. 35. № 36. P. 7151-7164.

119. Креков Г.М., Крекова M.M., Самохвалов И.В. Численное моделирование сигналов космического лидара // Исследования земли из космоса. 1988. № 2. С. 44-51.

120. Белов В.В., Серебренников А.Б. Пространственно-временная структура многократно рассеянной компоненты лидарных сигналов // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13. № 8. С. 723-728.

121. Самохвалов КВ., Шаманаев B.C. Характеристики рассеяния и деполяризация излучения облаками при активных воздействиях: Тезисы докл. // 4-й Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: ИОА СО АН СССР. 1977. С.121-126.

122. Eloranta Е. W. Lidar multiple scattering models for use in cirrus clouds // 21-th Intern. Laser Radar Conf. Quebec. Canada. 2002. Proceedings. Part II. P. 519-522.

123. Kattawar G.W., Plass G.N. Radiance and polarization of light reflected from optically thik clouds // Appl. Opt. 1971. V. 10. C. 74-80.

124. Liou К., Schotland R.M. Multiple backscattering and depolarization from water clouds for a pulsed lidar system // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. C. 772-784.

125. Liou K. Time-dependent multiple backscattering // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. P. 824827.

126. Deirmendjian D. Electromagnetic Scattering on Spherical Polidispersions. American Elsevier, New-York, 1969.

127. Hovenier J. W. And van der Mee Testing scattering matrices: a compendium of recipes // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1996. V. 55. № 5. P. 649-661.

128. Балин Ю.С., Задде Г.О., Матвиенко Г.Г. и др. Некоторые результаты зондирования метеообразований поляризационным лидаром // Распространение оптических волн в атмосфере. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1975. С. 183-186.

129. Кауль Б.В. Симметрии матриц обратного рассеяния света в связи с ориентацией несферических аэрозольных частиц // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13. № 10. С. 895-900.

130. Ромашов Д.Н., Рахимов Р.Ф. Определение ориентации осесимметричных вытянутых частиц по данным поляризационного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 1993. Т. 6. № 8. С. 891-898.

131. Cooney J.A. Measurement of atmospheric temperature profiles by Raman backscatter // J. Appl. Meteorol. 1972. № 11. P. 108-112.

132. Leonard D.A. Observation of Raman scattering from the atmospheric using a pulsed nitrogen ultraviolet laser // Nature. 1967. V. 216. № 5111. P. 142-143.

133. Cooney J.A. Measurements on Raman component of laser atmospheric backscatter // Appl. Phys. Letters. 1968. № 12. P. 40-41.

134. Inaba H., Kobayasi T. Laser Raman Radar for air pollution probe // Proceeding IEEE. 1970. V. 58. № 10. P. 1568-1571.

135. Nakahara S., Ito K., Ito S. e.a. Detection of sulphur dioxide in stack plume by laser Raman radar // Opto-Electron. 1972. V. 4. № 2. P. 169-174.

136. Инаба X. Обнаружение атомов и молекул посредством комбинационного рассеяния и резонансной флуоресценции // Лазерный контроль атмосферы, М.: Мир, 1979. С. 181-279.

137. Kent G.S., Sandland P., Wright R.W.H. A second generation laser radar 11 J. Appl. Meteorol. 1971. V. 10. № 3. P. 443-452.

138. Melfi S.H., Brumfield M.L., Storey R. W. Observation of Raman scattering by SO2 in a generation plant stack plume // Appl. Phys. Lett. 1973. V. 22. № 8. P. 402-404.

139. Вайнер Ю.Г., Кузин М.Я., Малявкин Л.П. и др. Лидар комбинационного рассеяния для анализа промышленных загрязнений атмосферы // Квант. Электроника. 1979. Т. 6. С. 494-499.

140. Hermann Н., Pantani L., Stefanutti L., Werner С. Lidar measurements of atmospheric visibility // Alta frequenza. 1974. V. 43. № 9. P. 732-735.

141. Pettifer R.E.W., Jenkins G.J., Healey P.G., Convery A.N. A large coaxial lidar for elastic and inelastic scattering studies of the stratosphere // Optical and Quantum Electr. 1976. V. 8. P. 409-423.

142. Melfi S.H., Laurence J.D., McCormic M.P. Observation of Raman scattering by water vapore in the atmosphere // Appl. Phys. Lett. 1969. V. 15. № 9. P. 295-297.

143. Cooney J. Remote measurements of atmospheric water vapor profiles using the Raman component of laser backscatterer // J. Appl. Meteorology. 1970. V. 9. № 2. P. 182-184.

144. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

145. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. Т. 1.247 с.

146. Ершов АД., Балин Ю.С., Самойлова С.В. Обращение лидарных данных при исследовании оптических характеристик слабозамутненной атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2002. Т. 15. № 10. С. 894-899.

147. Klett J.D. Lidar inversion with variable backscatterer/extinction ratios // Appl. Opt. 1985. V. 24. № 11. P. 1638-1643.

148. Кауль Б.В., Краснов О.А., Кузнецов А.Л. Восстановление профиля коэффициента ослабления излучения по результатам лазерного зондирования // физика атмосф. и океана. 1988. Т. 24. № 8. С. 824-828.

149. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. Новосибирск: Наука, 1982. 200 с.

150. CooneyJ., OrrJ. And Tomasetti C. //Nature. 1969. V. 224. P. 1098-1099.161 .Ansmann A., Wandiger U., Wietkamp C., Michaelis W. II Appl. Opt. 1992. V. 31. № 33. P. 7113-7191.

151. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., and Zuev V.E. : In proceed // of Twelfth Intern. Laser Radar Conf. France, 1984. P. 63.

152. Конингстайн И.А. Введение в теорию комбинационного рассеяния света. М.: Мир, 1975. 192 с.

153. Volkov S.N., Kaul В. К, and Shelefontuk D.I. Optimal method of linear regression in laser remote sensing // Appl. Opt. 2002.V. 41. № 24. P. 5078-5083.

154. Darmois G. Sur les lois de probabilité à estimation exhaustive II C. R. Acad. Sei. Paris. 1935. V. 200. P. 1265-1266.

155. Samuel S. Wilfo Mathematical Statistics . John Wiley & Sons, Inc., New York, 1962.

156. Cochran W.G.Sampling Techniques. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1977.

157. Hildebrand F.B. Introduction to Numerical Analysis. Mc Graw-Hill Book Co., New York, 1956.

158. Abramovitz M., Stegun I. Handbook of mathematical functions. Dover Publications Inc., N. Y., Reprinted from National Bureau of Standarts, Applied Mathematics, Series 55, Wahington, 1964.

159. Mann H.B., Wald A. On the choice of number of class intervals in the application of the chi-squared test// Ann. Math. Statist. 1942. V. 13. P. 306-317.

160. Волков С.Н., Кауль Б.В., Шелефонтюк Д.И. Метод оптимального сглаживания в лидарном дистанционном зондировании: Тезисы докл. // IX Международный симпозиум ' Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы', Томск, 2002. С. 121122.

161. Волков С.Н., Кауль Б.В., Самохвалов И.В, Методика обработки результатов лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2002. Т. 15. № 11. С. 982-986.

162. Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов КВ. Результаты исследований кристаллических облаков посредством лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16. № 4. С. 354-361.

163. Ml. Волков С.Н., Кауль Б.В., Шапранов В.А., Шелефонтюк Д.И. Измерение вертикального профиля температуры СКР-каналом станции лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1992. Т. 5. № 6. С. 608-610.

164. Волков С.Н., Кауль Б.В., Шапранов В.А., Шелефонтюк Д.К. Некоторые вопросы выделения узких спектральных интервалов для целей лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8. № 10. С. 1527-1530.

165. Волков С.Н. Эффективность использования интерферометра Фабри-Перо в лидаре комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12. № 12. С. 338340.

166. Шелефонтюк Д.К Системы счета фотонов для лазернго зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8. № 9. С. 1374-1377.

167. Кауль Б.В., Краснов О.А., Кузнецов A.JI. Коррекция лидарных сигналов на шум последействия ФЭУ // Оптика атмосф. 1990. Т. 3. № 11. С. 1226-1227.

168. Кауль Б.В., Самохвалов ИВ. О применении фотоумножителей для приёма сигналов при лазерном зондировании // Изв. ВУЗов СССР. Серия Физика. 1973. №10. С. 144-146.

169. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E., and Mitev V.M. II Appl. Opt. 1983. V. 22. №. 19. P. 2984-2990.

170. Кауль Б.В. , Краснов О.A. , Кузнецов A.JI. Коррекция лидарных сигналов на шум последействия ФЭУ // Оптика атмосф. 1990. Т. 3. № 11. С. 1226-1227.

171. Каулъ Б.В., Ромашов Д.Н., Самохвалов КВ. О преимуществе использования круговой поляризации лазерного излучения при зондировании кристаллических облаков // Оптика атмосф. и океана. 2001. Т.14. № 8. С.687-691.

172. Волковицкий O.A., Павлова JI.H., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.198 с.

173. Пришивалко А.П., Бабенко В.А., Кузьмин В.Н. Рассеяние и поглощение света неоднородными и анизотропными сферическими частицами. Мн.: Наука и техника, 1984. 263 с.