Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере

Воронина, Юлия Викторовна

Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Воронина, Юлия Викторовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере»

Автореферат диссертации на тему "Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере"

На правах рукописи

Ворошит Юлия Викторовна

ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ ПРОПУСКАНИЯ В ШИРОКИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИНТЕРВАЛАХ ДЛЯ ЗАДАЧ ПЕРЕНОСА КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

□□3451305

Томск-2008

003451305

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАИ

1ауч н м 11 руководи тел г,:

Научный консультант:

доктор физико-математических наук Фирсов Константин Михайлович

кандидат физико-математических наук Чеснокова Татьяна Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Кистенев Юрий Владимирович

кандидат физико-математических паук Ужегов Виктор Николаевич

Ведущая организация:

Томский государственный университет, г. Томск

Защита состоится ЦолЯр^ 2008 г. в ЗОали к* т заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАМ.

Автореферат разослан УЗ ОкГЛЯр*' 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Атмосферные радиационные процессы играют важную роль в формировании климата Земли. Заметное влияние па протекание многих физических и химических процессов в атмосфере, на природу и климат планеты в целом оказывают оптически активные компоненты атмосферы (такие как Н20, Оз, С02 и др.). Температура Земли медленно, но неуклонно продолжает расти. Так, сотрудники организации NOAA (Национальная администрация по океану и атмосфере США), проведя необходимые замеры, установили, что 2007 г. был самым теплым за более чем вековую историю наблюдений: среднегодовая температура на 0.55 °С превышала показатели, фиксировавшиеся с 1900 г. Среди различных факторов, вызвавших это изменение температуры, значительную роль играют парниковые газы и аэрозоли. Поэтому мониторинг газового состава атмосферы н создание качественных моделей, описывающих перенос радиации в атмосфере, являются в настоящее время актуальными задачами.

При моделировании атмосферного радиационного переноса в задачах прогнозирования климата, при решении обратных задач восстановления общего содержания атмосферных парниковых газов и аэрозоля по данным измерения нисходящего излучения у поверхности Земли требуется высокая точность. Радиационные коды постоянно усовершенствуются, тем не менее сравнение наиболее популярных, использующихся в настоящее время пакетов программ, вычисляющих перенос коротковолнового излучения, показало значительный разброс данных. В работе Haithor и др. [J. Geophys. Res. 2005. V. 110, Dl 1206, doi: 10.1029/2004JD005293] сделано сравнение 16 современных компьютерных кодов, вычисляющих коротковолновый перенос. Для безоблачной влажной атмосферы в отсутствие аэрозоля среднее отклонение интегральных потоков составило 5%. Одной из причин таких расхождений являются различные параметризации, использующиеся при спектральном интегрировании уравнения переноса.

В задачах моделирования переноса излучения необходимо учитывать спектральную зависимость молекулярного поглощения, аэрозольного и молекулярного рассеяния, солнечной постоянной, спектральную зависимость альбедо поверхности Земли. Высокая селективность молекулярных спектров поглощения атмосферных газов по сравнению со спектрами аэрозольного и молекулярного рассеяния усложняет задачу. Кроме того, при расчете коэффициента поглощения нужно учитывать большое количество спектральных линий. В настоящее время разработан эффективный метод параметризации характеристик молекулярного поглощения - метод к-распре-деления, который представляет функцию пропускания в виде короткого ряда экспонент в широком спектральном интервале. Для ускорения расчета

интегральных по спектру потоков излучения часто применяют разбиение коротковолнового диапазона на небольшое число интервалов (например, разбиение Slingo [J. of Atmospheric Sciences. 1989. V. 46. N 10. P. 1419-1427]), в которых характеристики облаков, спектральную зависимость аэрозольного рассеяния, альбедо подстилающей поверхности принимают за постоянную величину. Но альбедо подстилающей поверхности имеет ярко выраженную спектральную зависимость. Поэтому необходимо рассмотреть вопрос, связанный с определением среднего значения альбедо для заданных спектральных интервалов.

В последние годы в Сибири на основе солнечных спектрофотометров SP-6-SP-8 создается сеть для регулярных измерений аэрозольной оптической толщи и общего содержания ряда парниковых газов (таких как Н20, 03). Солнечная спектрофотометрия атмосферы (метод прозрачности) является одним из эффективных и достаточно простых методов определения их общего содержания. Для восстановления общего содержания атмосферных газов функцию пропускания часто параметризуют, чтобы поглощающая масса газа входила в это выражение явным образом. Для параметризации функции пропускания атмосферы, обусловленной поглощением Н20, используется множество модификаций таких аппроксимаций: например, зависимость функции пропускания от квадратного корня поглощающей массы. Однако использование модельных представлений полос поглощения может приводить к погрешностям. Прямые методы расчета line-by-line характеристик молекулярного поглощения в настоящее время обеспечивают более высокую точность. Но так как фотометр проводит большое количество измерений в широком спектральном диапазоне, то временные затраты на расчет пропускания методом line-by-line становятся неприемлемыми на практике.

Процедура калибровки фотометра осуществляется обычно долгим методом Бугера, который предполагает, что состояние атмосферы в течение процесса измерения стабильно. Регистрируемый сигнал солнечного фотометра зависит не только от концентрации поглощающих газов, но и от распределения температуры, давления вдоль трассы луча, наличия облачности, аэрозоля, что может также привести к заметным погрешностям в определении общего содержания газов. В связи с вышесказанным необходимо получить такую функциональную зависимость пропускания атмосферы в каналах фотометра от поглощающей массы водяного пара, которая позволила бы минимизировать возникающие погрешности, в том числе и погрешности, обусловленные параметризацией функций пропускания.

Целыо данной работы является создание параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие метода параметризации широкополосных потоков с учетом спектральной зависимости фильтра, солнечной постоянной и альбедо подстилающей поверхности.

2. Разработка методики для быстрого расчета функции пропускания в широком спектральном диапазоне 0.3^1 мкм.

3. Получение функциональной зависимости пропускания атмосферы в каналах солнечного фотометра от поглощающей массы водяного пара и озона; разработка методики определения постоянной калибровки фотометра.

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием численных методов, методов компьютерного моделирования, математической статистики.

Научная повпзна

1. Предложен способ учета спектральной изменчивости альбедо подстилающей поверхности, который позволяет повысить скорость вычисления широкополосных потоков излучения без потери точности вычислений.

2. Предложена простая аппроксимация пропускания от поглощающей массы водяного пара, которая позволяет повысить точность восстановления общего содержания (ОС) водяного пара.

Достоверность

Результаты диссертационной работы согласуются с современными представлениями о распространении солнечного излучения в атмосфере. Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчета радиационных характеристик с расчетами других авторов и результатами измерений. Результаты восстановления ОС водяного пара хорошо согласуются с данными сети АЕКХЖЕТ.

Практическая значимость работы определяется возможностью применения моделей функций пропускания для решения задач переноса излучения в рассеивающей и поглощающей атмосфере, в том числе и для случаев, когда нужно учитывать альбедо подстилающей поверхности. Были созданы пакеты программ для расчета широкополосных функций пропускания в спектральном диапазоне 0.3^1 мкм, который вошли в «Информационную систему для расчета функций пропускания и восстановления общего содержания газов и аэрозольной оптической толщи атмосферы из данных измерений фотометра 8Р-6,8 в диапазоне спектра 0.3^1 мкм», необходимую для работы региональной автоматизированной сети солнечных фотометров АЕ1Ю811ШЕТ. Разработанный способ параметризации функции пропускания был применен для восстановления ОС водяного пара из данных измерений солнечного фотометра 8Р-4т.

Работа была поддержана грантом Института оптики атмосферы СО РАИ для молодых ученых, а также выполнялась в рамках грантов РФФИ № 0407-90123, 07-07-00269, в которых автор был исполнителем.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Пропускание в каналах фотометров, используемых для определения ОС озона и водяного пара (с центрами полосы пропускания на 0.308, 0.324, 0.87 и 0.94 мкм), слабо зависит от вариаций температуры в атмосфере и определяется поглощающей массой газов. Погрешности расчета функции пропускания в этих каналах фотометра, обусловленные вариациями температуры, не превышают 1%.

2. Задание среднего значения альбедо подстилающей поверхности в виде свертки с функцией пропускания атмосферы на широких спектральных интервалах при разбиении согласно Slingo [J. of Atmospheric Sciences. 1989. V. 46. N 10. P. 1419-1427] позволяет рассчитать восходящие потоки излучения с неопределенностью, не превышающей 0.5% в случае безоблачной атмосферы (для интервалов, на которых значение альбедо меняется не более чем на 10%), что является достаточным для радиационных блоков климатических моделей.

3. Усовершенствована методика восстановления общего содержания паров воды, основанная на применении функционала, который использует отношение сигналов фотометра на длинах волн 0.94 и 0.87 мкм и неявную зависимость функции пропускания от поглощающей массы водяного пара. Погрешность восстановления общего влагосодержания атмосферы не превышает 5%.

Личный вклад автора заключается в проведении модельных расчетов и анализе полученных результатов, обработке результатов измерений фотометром серии SP, выполненных в ИОА.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались п обсуждались па XII-XV Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2005, 2006; Бурятия, 2007; Красноярск, 2008), на XI, XIII, XIV Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2006, 2007), 7-м симпозиуме ASA (Франция, Реймс, 2005), Пятой и Седьмой международных школах молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2006; Красноярск, 2008), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации

Результаты работы отражены в 6 статьях и 15 тезисах докладов на российских и зарубежных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Содержание ее изложено на 120 страницах, включая 10 таблиц, 37 рисунков. Список литературы содержит 120 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования. Показаны научная новизна, достоверность результатов и практическая значимость работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится обзор спектроскопической информации и метеорологических моделей, использующихся в задачах моделирования переноса коротковолнового излучения, исследована чувствительность функций пропускания к неопределенностям в спектроскопической информации и естественным вариациям температуры в атмосфере Земли.

Описан метод line-by-line, учитывающий вклады всех линий поглощения, который позволяет провести расчет пропускания с высокой точностью. С помощью этого метода расчет пропускания проводится с привлечением высокоточной информации по параметрам линий, моделей континуального поглощения и моделей атмосферы. Расчеты функции пропускания в УФ-диапазоне спектра, обусловленной поглощением 03, проводятся на основе экспериментальных данных о сечениях поглощения озона. Для расчета пропускания могут быть использованы данные но сечениям поглощения озона Malicet [J. Atmos. Chem. 1995. V. 21. N 3. P. 263-273], Molina [J. Geo-phys. Res. D. 1986. V. 91. N 13. P. 14500-14508], Bass [J. Photochem. 1981. V. 17. P. 141], Davenport [FAA-EE-80-44 R. 1982] и сечения поглощения из базы данных HITRAN. Сечения поглощения, приведенные в базе данных H1TRAN, получены на основе экспериментальных данных Bass. В критическом обзоре Orphal [J. Photochem. and Photobiol. A: Chemistry. 2003. V. 2-3. N 157. P. 185-209] рекомендует использовать экспериментальные данные по сечениям поглощения из работ Bass либо Malicet.

Сравнение данных, приведенных в работах Bass и Malicct, показало, что различия в сечениях поглощения в спектральном диапазоне 300-340 им при температуре 298 К не превышали 2%, а в спектральном пропускании атмосферы для летних условий и разных оптических массах были не выше 1%. Что касается данных Molina по сечениям поглощения, полученных с более грубым разрешением, отличия от данных Bass при температуре 298 К в спектральном диапазоне 300-340 нм не превышали 7% (рис. 1), а пропускания различались на 5%. Данные по сечениям поглощения озона Davenport (как видно из рис. 1) значительно отличаются от Bass. Поэтому для расчета функции пропускания более предпочтительными являются сечения поглощения из базы данных HITRAN и данные Malicet.

Длина волны, им

Рис. 1. Различие в данных по сечениям поглощения озона при температуре 298 К

Для исследования влияния вариаций приземной температуры на точность получаемых аппроксимационных формул были проведены расчеты функций пропускания для различных метеорологических ситуаций и зенитных углов Солнца. Использовались следующие вертикальные профили метеопараметров: среднезональные метеорологические модели АРСЬ, данные аэрологического зондирования атмосферы на метеостанции г. Новосибирска и выборка наблюдений на метеостанции «Южная». На рис. 2 показана зависимость пропускания атмосферы в канале 940 нм от приземной температуры. Из данного рисунка видно, что для летних метеоусловий, характерных для Западной Сибири, функция пропускания в спектральном диапазоне вблизи 940 нм практически не зависит от вариаций приземной температуры (при изменении температуры на 10 К пропускание менялось на 0.7%) и определяется зависимостью от поглощающей массы паров воды. Для зимних метеоусловий наблюдалась похожая ситуация. Согласно вышеприведенным результатам можно с хорошей точностью определить параметрическую зависимость функции пропускания от поглощающей массы водяного пара и не учитывать вариации профилей метеорологических параметров в атмосфере, возможных в пределах одного сезона.

Чтобы исследовать влияние вариаций температуры на функцию пропускания в каналах, используемых для восстановления ОС озона, профиль температуры сдвигался на величину стандартного отклонения, взятого из работы Зуев, Комаров [Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 199 е.]. Были получены 6 профилей температуры: для каждой высоты температура воздуха изменялась на величину ±ат, ±2ат, ±3а7 (сг- стандартное отклонение температур!,1).

Температура, К

Рис. 2. Зависимость пропускания атмосферы в канале 940 им от приземной температуры

Результаты моделирования (рис. 3) показали, что отклонения пропускания при изменении профиля температуры на величину ±ат для канала 308 им

0.7 г

0.5 -

1 0.4 -

О &

! 0.30.2 -0.1 -

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Поглощающая масса, атм • см

Рис. 3. Зависимость пропускания атмосферы в каналах 308 и 324 им от поглощающей массы

озона

составляют не более 0.7%, при изменении на ±2о7 -не более 1.3%, а при изменении на ±3ст7 -не более 3%. Аналогичные цифры для капала 324 им составили 0.6, 1.7 и 2.8% соответственно, т.е. вариации температуры не приводят к большой изменчивости функций пропускания атмосферы в каналах зондирования озона.

Во второй главе рассматривается метод параметризации характеристик молекулярного поглощения (метод k-распределепия). Приведено сравнение наших расчетов потоков коротковолновой радиации (молекулярное поглощение учитывалось с помощью метода k-распределения) с эталонными расчетами Fomin, Gershanov [Preprint IAE. 5990/1, 1996. 39 р.]. Интегральный нисходящий поток в диапазоне 3500-20000 см""' для условий лета средних широт при поглощении Н20 и зенитном угле Солнца 10° составил согласно нашим расчетам 846.3 Вт/м2 для метода line-by-line и 847.6 Вт/м2 для метода к-распределения. Эталонные расчеты методом line-by-line Fomin, Gershanov дают величину 844.9 Вт/м2. Различие между интегральными потоками составило всего 0.3%, что показывает хорошее согласие. Также согласие между нашими расчетами и расчетами Fomin, Gershanov наблюдалось и в случае, когда учитывались поглощение всеми газами и облачность. Результаты наших расчетов методом дискретных ординат D1SORT с использованием методов k-распределения и line-by-line сравнивались с расчетами Fomin, Gershanov методом Монте-Карло с использованием line-by-line-вычислений коэффициентов молекулярного поглощения для тех же атмосферных условий в спектральном интервале 10000-10500 см-'. Расхождение в нисходящих потоках на уровне Земли между нашими расчетами и расчетами методом Монте-Карло составило менее 0.5% для случая облачности СЬ (облака с относительно большой оптической толщей, расположенные в низком слое 1.8-2 км). Максимальная погрешность в потоках, обусловленная параметризацией молекулярного поглощения рядами экспонент, составляла около 1%.

Однако стандартные способы применения рядов экспонент сталкиваются с проблемой перекрывания полос поглощения. При моделировании пропускания смеси газов широко применяют «правило произведения», когда функцию пропускания газовой смеси представляют в виде произведения функций пропускания, обусловленных поглощением отдельных газов, что приводит к увеличению числа членов ряда пропорционально количеству поглощающих газов, при этом растет время расчета.

В работе Фирсова, Чесноковой [Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. №4. С. 410-415] был предложен феноменологический метод учета перекрывания полос поглощения. Функция пропускания двух газов определена в виде

ТА{\УМ= |ехр{4№

где - коэффициент поглощения; IV- поглощающая масса газа. Функция <р2(я) должна удовлетворять условию

1 1 ТА (Щ = О, IV,) = |ехр {-Ф2 (8)1У2} с18 = |ехр{-А2 {8)1У2} с18. о о

Требование равенства интегралов приводит к соотношению I 'г П, ф(я) <

«'М-^-^йй*. >№> = {„, ф(й>^.

Функция ф2(^) определялась как одновершинная кривая. В диссертации дается качественная интерпретация учета перекрывания полос для случая двух газов на примере регулярной полосы Эльзассера и описан алгоритм для численной реализации данного метода. Этот метод учета перекрывания полос поглощения дает достаточно хорошие результаты. На рис. 4 представлено сопоставление прямого расчета с расчетом по приведенной выше формуле для учета перекрывания при использовании

Пропускание

Рис.4. Погрешность учета перекрывания полос поглощения Н20 н СЬ при различных значениях положения максимума эквивалентной линии

10 гауссовских квадратур для неоднородной атмосферной трассы и условий лета средних широт модели AFGL в спектральном диапазоне, где основными поглощающими газами являются Н20 и 03. Как видно из рис. 4, при положении центра функции ф2(g) на g0 = 0.45 погрешность между точным расчетом пропускания и расчетом по аппроксимационной формуле близка к нулю.

Другим источником неточностей в радиационных расчетах являются погрешности, возникающие при параметризации альбедо подстилающей поверхности. Часто для широких спектральных интервалов альбедо подстилающей поверхности задают постоянной величиной. Например, в RRTMSW [J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 91. N 2. P. 233-244] спектральный диапазон 0.25-4 мкм разбивают на 14 полос, в RAPRAD [J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1999. V. 62. N 1. P. 109-121] на 32 полосы, в пределах которых оптические свойства аэрозоля, облачности и альбедо подстилающей поверхности условно принимают независимыми от длины волны. Однако альбедо подстилающей поверхности имеет ярко выраженный спектральный ход, что может привести к значительным погрешностям вычисления уходящего излучения. В работе проведено моделирование потоков для нескольких типов подстилающей поверхности с учетом разбиения на спектральные интервалы согласно Slingo с использованием различных способов определения среднего значения альбедо для каждого спектрального интервала:

- среднее интегральное значение альбедо д =_!_ [д(у)с/у; (1)

Аппроксимация типа свертки была впервые предложена автором работы и показала высокую эффективность практически для всех интервалов.

Параметризованные восходящие потоки, в которых альбедо учитывалось по формулам (1)—(3), сравнивались с потоками, вычисленными с точным учетом спектрального хода альбедо подстилающей поверхности.

Первоначально были проведены расчеты для безоблачной, нерассеиваю-щей атмосферы, чтобы выбрать интервалы, в которых неучет спектрального хода альбедо дает наибольшую погрешность. Затем для интервалов, на которых наблюдалось наибольшее различие в значениях потоков, было проведено моделирование с учетом облачности и аэрозоля.

Наиболее точными расчеты оказались в том случае, когда среднее значение альбедо рассчитывалось как свертка с функцией пропускания (различие в потоках не превышало 0.5%).

- свертка с солнечной постоянной Д -

свертка с функцией пропускания д

(2)

(3)

Третья глава содержит описание существующих методов параметризации функции пропускания для решения обратных задач по восстановлению общего содержания газов.

Традиционно параметрическую зависимость функции пропускания от общего содержания газа можно записать в виде

где а, Р и п - параметры, подлежащие определению; IV- общее содержание исследуемого газа.

В работе на основе данных аэрологического зондирования методом line-by-line была получена представительная выборка функций пропускания. На ее основе исследовалась параметрическая зависимость функции пропускания от общего содержания водяного пара и оценивались погрешности, обусловленные неопределенностями задания температурных профилей. Моделирование показало, что параметр п для летних и зимних условии метеомодели AFGL меняется в пределах от 0.35 до 0.6. Использование при восстановлении общего содержания газа какого-либо конкретного значения параметра п может привести к погрешности в восстановлении. Например, при использовании значения параметра п = 0.5 могут наблюдаться погрешности в восстановлении общего содержания водяного пара, достигающие 10%. Для того чтобы минимизировать погрешности, возникающие при традиционных способах параметризации, использовалась неявная зависимость функции пропускания от поглощающей массы.

Метод прямого расчета line-by-line обеспечивает высокую точность, однако временные затраты на расчет функций пропускания для фотометра неприемлемы на практике. В работе был разработан быстрый метод расчета пропускания в спектральном диапазоне 0.3-4 мкм.

Расчет функции пропускания осуществляется следующим образом:

где Т0 - значение узкополосной функции пропускания, взятой из архива, с длиной волны X, зенитным углом Солнца 0 и поглощающей массой /-го газа W,\ F(k) - аппаратная функция рассматриваемого спектрального канала солнечного фотометра; 1ц(к) - солнечная постоянная. Архивы узкополосных функций пропускания насчитаны заранее на основе современной спектроскопической информации. Тестовые расчеты функции пропускания методом быстрого счета и методом прямого счета line-by-line показали, что погрешность в расчетах быстрым методом по отношению к line-by-line не превышала 2%.

Приводится описание известного подхода для калибровки фотометра -метода Langley. Исследовано влияние тренда в дневном ходе общего содержания водяного пара на оценку постоянной калибровки. В результате моделирования было выявлено, что систематический тренд может привести к неопределенности в оценке постоянной калибровки до 6%, тогда как случайная составляющая не приведет к значительной погрешности в оценке постоянной калибровки.

В связи с тем что использовалась неявная зависимость функции пропускания от поглощающей массы, для определения константы калибровки и восстановления общего содержания водяного пара применялась минимизация следующего функционала:

YXm>w-^'(ln(S094 /50 87), -InC))2 w, -> min.

Здесь i - номер наблюдения; w, - весовая функция; С - постоянная калибровки; IV- поглощающая масса вертикального столба атмосферы; т - оптическая масса; S0.94. - измеренные сигналы в каналах фотометра на длинах волн 0.94 и 0.87 мкм соответственно; т = -1п(Г0.94/То.87Х где Точ,и 7q 87 - пропускание в каналах фотометра на 0.94 и 0.97 мкм, а - функция, обратная к т. В качестве весовой функции мы использовали w = 1/г.

Общее содержание водяного пара восстанавливалось с учетом и без учета молекулярного рассеяния. Моделирование показало, что восстановленное значение ОС Н20 незначительно меняется при учете молекулярного рассеяния и наблюдается достаточно хорошее согласие с данными сети AERONET (рис. 5).

Для того чтобы продемонстрировать ограниченность моделей полос, было проведено сопоставление общего содержания паров воды, восстановленных при использовании описанного выше метода, и традиционной аппроксимации функции пропускания Tgm(X) = ехр(-а - ß(mlV)"). Результаты, представленные на рис. 6, демонстрируют, что с ростом зенитного угла Солнца традиционная параметризация приводит к завышению ОС.

В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

В результате проведенных исследований была решена актуальная задача по созданию параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для расчета переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.

1.Было показано, что функция пропускания в каналах зондирования озона и водяного пара (0.308 и 0.94 мкм) практически не зависит от вариаций температуры воздуха и для расчетов функции пропускания солнечных фотометров можно использовать среднезональные модели.

и о

1.4

1.2

1.0

0.8

28.08.04

—^-АЕ1ЮЫЕТ

—— без учета рассеяния

-с учетом молекулярного рассеяния

10 12 Время, ч

Рис. 5. Результаты восстановления общего содержания воды в вертикальном столбе атмосферы с использованием солнечного фотометра ЭР-4 и фотометра СЕ-318 сети АЕКОЫЕТ

(2004 г.)

1.6

1.4

и О

1.2

1.0

7.07.2003

Время, ч

Рис. 6. Сравнение общего содержания паров воды, восстановленного из данных БР-4, при использовании разных методик решения обратной задачи: 1 - неявная зависимость пропускания от поглощающей массы; 2 - параметризация функции пропускания вида

Г8„.Д) = ехр(-а-р(га1(0"5)

2. Представленная в работе модификация алгоритма расчета коротковолновых широкополосных потоков радиации на основе разложения функции пропускания в ряд экспонент обеспечивает высокую точность расчета. Результаты вычисления потоков, параметризованных методом к-распреде-ления, хорошо согласуются с line-by-line-расчстти (в диапазоне 350020000 см-1 погрешность параметризации менее 0.3%).

3. Предложен способ учета спектральной изменчивости зависимости альбедо подстилающей поверхности при разбиении на интервалы согласно Slingo, позволяющий получать высокую точность при расчете интегральных потоков излучения.

4. Разработан пакет программ для быстрого расчета функций пропускания солнечных фотометров в спектральном диапазоне 0.3—4 мкм, который не уступает по точности прямому методу расчета пропускания.

5. Предложен способ параметризации функции пропускания, основанный на неявной зависимости функции пропускания от поглощающей массы водяного пара. Этот метод позволяет упростить процедуру калибровки и избежать погрешностей, связанных с параметризацией функций пропускания. При использовании данного метода результаты восстановления общего содержания водяного пара по данным измерений нисходящего излучения фотометром SP-4m хорошо согласуются с данными сети AERONET.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Воронин Б.А., Воронина С.С., Воронина Ю.В., Лаврентьева H.1I. Параметры линий водяного пара и пропускание атмосферы в районе 0.69 мкм // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. № 12. С. 1071-1077.

2. Фнрсов К.М, Воронина Ю.В., Кабанов Д.М., Сакерин С.М. Определение общего содержания паров воды по измерениям солнечного фотометра // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. № 11. С. 993-998.

3. Firsov К.M., Voronina Yu. К, Kabanov D.M. Retrieval of vvater vapor column amount in the atmosphère from measurements of solar radiation by the sun photometer // Proc. «Atmospheric Spectroscopy Applications, ASA Reims 2005». Reims, Septcmbcr 6-8, 2005. P. 205-208.

4. Воронина IO.B. Параметризация широкополосных функций пропускания для решения обратных задач // Изв. вузов. Физика. Томск, 2005. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 29.11.2005, № 1565-В2005.

5. Воронина Ю.В., Сулакшина О.Н., Фирсов К.М. Пропускание атмосферы в полосах поглощения озона для УФ-каналов спектрофотометра SP-6 // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. № 8 С. 727-730.

6. Чеснокоеа Т.Ю., Фирсов К.М., Воронина IO.B. Применение рядов экспонент при моделировании широкополосных потоков солнечного излучения в атмосфере Земли // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 9. С. 799-804.

7. Чеснокоеа Т.Ю., Воронина Ю.В. Влияние качества спектроскопической информации на моделирование нисходящих потоков солнечного излучения в УФ-диапазоне // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 7. С. 577-581.

8. Воронина Ю.В., Катаев М. 10., Фарсов КМ. Определение общего содержания озона и оптической толщи аэрозоля по данным спектрофотометричсеких измерений прямого солнечного излучения в спектральном диапазоне 300-400 им // XI рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск, 2004.

9. Фирсов К.М., Чеснокова Т.Ю., Воронина Ю.В. Модельная проработка методики определения общего содержания парниковых газов (Н20, С02) солнечными фотометрами SP-4, SP-6 // XI рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск, 2004.

10. Firsov К.М., Voronina Yu.V., Kabanov D.M., Sakerin S.M. Retrieval of total column of water vapor from the measurements of Sun photometer SP-4 // XII Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics». Tomsk, Russia. 27-30 June 2005. Proc. A-34. P. 60.

11. Kataev M.Yu., Voroiiiita Yu.V., Firsov K.M. Correlation technique of restoration of the general maintenance of ozone on measurements of a direct sunlight in UV areas of a spectrum // XII Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics». Tomsk, Russia. 27-30 June 2005. Proc. A-50. P. 67.

12. Firsov K.M., Voronina Yu.V., Kabanov D.M. Retrieval of water vapor column amount in the atmosphere from measurements of solar radiation by the sun photometer // 7th Atmospheric spectroscopy applications. Reims, France. 6-8 September 2005. P. 82.

13. Voronina Yu.V., Firsov K.M., Sulakshina O.N. Retrieval of the ozone column amount from direct solar radiation measurements by SP-6 photometer // XIII Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics». Tomsk, Russia. 2-7 July 2006. Proc. A-33. P. 60.

14. Фирсов K.M., Сакерин C.M., Журавлева Т.Б., Козодоева E.M., Козодоев А.В., При-везенцев А.И., Воронина Ю.В. Иитернет-доступпая информациопно-вычисли-тельная система «Атмосферная радиация» // МСАР-2006. С.-Петербург. 27-30 июня 2006. С. 37.

15. Фирсов КМ., Чеснокова Т. 10., Воронина Ю.В. Параметризация широкополосных функций пропускания в перекрывающихся полосах поглощения атмосферных газов // XIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск. 28 ноября - I декабря 2006. С. 30.

16. Chesnokova T.Yu., Firsov К.М., Voronina Yu.V. Application of exponents series for the modeling of wideband solar fluxes at the Earth atmosphere photometer // XIV Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics». Buryatiya. 24-29 June 2007. Proc. A-05. P. 43.

17. Voronina Yu.V., Chesnokova T.Yu., Sulakshina O.N., Firsov K.M. Modeling of downward solar fluxes in the UV region // XIV Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics». Buryatiya. 24-29 June 2007. Proc. A-19. P. 51.

18. Чеснокова Т.Ю., Воронина Ю.В., Фирсов KM., Сакерин СМ., Кабанов Д.М. Моделирование потоков приходящей солнечной радиации, измеряемой радиометром MFR-7 // XIV Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск. 27-30 ноября 2007. С. 34.

19. Турчиносич 10.С., Кабанов Д.М., Сакерин С.М., Воронина Ю.В. Вспомогательные методики и алгоритмы для сети солнечных фотометров // XIV Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск. 27-30 ноября 2007. С. 71.

20. Voronina Yu.V., Chesnokova T.Yu., SulakshinaO.N. Approximation of ozone cross section temperature dependence for atmospheric transmittance calculation in the 260350 nm spectral region // XV Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics». Krasnoyarsk. 22-29 June 2007. Proc. AP-07. P. 49.

21. Воронина Ю.В., ЧесноковаТ.Ю. Определение общего содержания атмосферных газов по измерениям солнечных фотометров // Седьмая Международная школа молодых ученых «Физика окружающей среды». Красноярск. 22-29 июня 2008.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 78.

Тираж отпечатан в типографии ИОЛ им. В.Е. Зуева СО РАН.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Воронина, Юлия Викторовна

Введение

Глава 1. Спектроскопическая информация, использующаяся в задачах вычисления переноса коротковолнового излучения

1.1. Общая характеристика спектров пропускания атмосферы в ультрафиолетовом и коротковолновом диапазонах

1.1.1. Прямой метод расчета line-by-line

1.1.2. Базы данных по параметрам линий и сечениям поглощения

1.1.3. Континуальное поглощение

1.2. Метеорологические модели

1.2.1. Среднезональные и региональные модели

1.2.2. Общее содержание озона над Томским регионом по данным спутникового зондирования

1.2.3. Вертикальные профили температуры, давления и общего содержания паров воды для Томского региона

1.3. Изменчивость функций пропускания, обусловленная вариациями температуры 40 Выводы

Глава 2. Перенос коротковолнового солнечного излучения в полосах поглощения молекулярных газов

2.1. Метод рядов экспонент 48 2.1.2. Применение рядов экспонент при моделировании широкополосных потоков солнечного излучения в атмосфере Земли

2.2. Учет перекрывания полос поглощения

2.3. Учет спектральной зависимости альбедо подстилающей поверхности Земли при расчете радиационных характеристик 71 Выводы

Глава 3. Методы параметризации широкополосных функций пропускания в задачах зондирования газового и аэрозольного состава атмосферы фильтровыми спектрофотометрами

3.1. Характеристики фотометра

3.2. Методы параметризации функций пропускания

3.2.1. Модели полос и полуэмпирические модели

3.2.2. Зависимость функции пропускания от поглощающей массы

3.3. Быстрый метод счета функций пропускания

3.4. Методика калибровки фотометра и восстановление ОС водяного пара по данным измерений спектрофотометром SP-4m 96 Выводы 104 Заключение 105 Список использованной литературы

Введение диссертация по физике, на тему "Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфере"

Атмосферные радиационные процессы играют важную роль в формировании климата Земли. Заметное влияние на протекание многих физических и химических процессов в атмосфере, на природу и климат планеты в целом оказывают оптически активные компоненты атмосферы (такие как Н20, Оз, С02). Температура Земли медленно, но неуклонно продолжает расти. Так, сотрудники организации NOAA (Национальная администрация по океану и атмосфере США), проведя необходимые замеры, установили, что 2007 г. был самым теплым за более чем вековую историю наблюдений: среднегодовая температура на 0,55°С превышала показатели, фиксировавшиеся с 1900 года [1].

Среди различных факторов, вызвавших это изменение температуры, значительную роль играют парниковые газы и аэрозоли. Водяной пар -главный на сегодня парниковый газ, его вклад в парниковый эффект земной атмосферы составляет сейчас примерно 20,6°С [2]. При увеличении температуры увеличивается и испарение водяного пара, и на каждые 10°С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается [3]. Рост содержания в атмосфере углекислого газа рассматривается сейчас как главный фактор происходящего потепления климата [4]. В настоящее время его вклад в общий парниковый эффект земной атмосферы составляет около 7 °С [2], но при этом быстро растет, соответственно росту содержания СО2 в атмосфере (на 30% за последние два столетия, причем заметно ускоряясь в последние десятилетия).

Поэтому мониторинг газового состава атмосферы и создание качественных моделей, описывающих перенос радиации в атмосфере, являются в настоящее время актуальными задачами.

При моделировании атмосферного радиационного переноса в задачах прогнозирования климата, при решении обратных задач восстановления общего содержания атмосферных парниковых газов и аэрозоля по данным измерения нисходящего излучения у поверхности Земли требуется высокая точность [5, 6]. Радиационные коды постоянно усовершенствуются, тем не менее, сравнение наиболее популярных, использующихся в настоящее время пакетов программ, вычисляющих перенос коротковолнового излучения, показало значительный разброс данных. В работе [7] приведены измерения и результаты вычислений коротковолновых потоков программами RAPRAD [8], MODTRAN4.9 [9], SMARTS[10], RRTMSW[11], SBDART [12], SBMOD [13] для различных атмосферных ситуаций. Максимальные расхождения Л достигали 19 Вт/м даже для прямого потока. В работе [14] сделано сравнение 16 современных компьютерных кодов, вычисляющих коротковолновый перенос. Для безоблачной влажной атмосферы в отсутствие аэрозоля среднее отклонение интегральных потоков составило величину 5%. Одной из причин таких расхождений являются различные параметризации, использующиеся при спектральном интегрировании уравнения переноса.

Уравнение переноса в многокомпонентных газово - аэрозольных средах не имеет общего аналитического решения. Поэтому его решают многократно для конкретных длин волн и затем интегрируют по всему спектру исходного излучения. При решении данной задачи необходимо учитывать спектральную зависимость молекулярного поглощения, аэрозольного и молекулярного рассеяния, солнечной постоянной, спектральную зависимость альбедо поверхности Земли. Высокая селективность молекулярных спектров поглощения атмосферных газов по сравнению со спектрами аэрозольного и молекулярного рассеяния усложняет задачу. Кроме того, при расчете коэффициента поглощения нужно учитывать большое количество спектральных линий. Спектральная база данных HITRAN содержит около 1,8 млн. линий поглощения атмосферных газов. Согласно ab initio расчетам [15] только в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра выявлено более 106 млн. линий поглощения атмосферных газов. В современной работе [16] представлено более чем 505 млн. линий водяного пара в спектральном интервале 0-30000 см"1. Поэтому прямые методы расчета ('line-by-line) характеристик молекулярного поглощения хотя и дают точное решение, но оказываются трудоемкими даже для современных вычислительных средств. Использование модельных представлений спектра поглощения может привести к большим погрешностям.

В настоящее время разработан эффективный метод параметризации характеристик молекулярного поглощения — метод к-распределения [17, 18, 20, 19, 21]. Метод к-распределения дает экспоненциальное представление для функции пропускания, удобное при учете многократного рассеяния. Эффективность этого метода снижается в случае перекрывания полос поглощения. Общую функцию пропускания представляют в виде произведения функций пропускания отдельных газов, и при использовании к-распределения это приводит к увеличению числа членов ряда, которое экспоненциально возрастет с увеличением количества поглощающих газов.

В работах [22, 23] была предложена новая модификация метода разложения функции пропускания в ряд экспонент, которая позволяет корректно учесть перекрывание полос, а также спектральные зависимости солнечной постоянной и аппаратной функции регистрирующей аппаратуры, если последнюю необходимо учитывать.

Для ускорения расчета интегральных по спектру потоков излучения часто применяют разбиение коротковолнового диапазона на небольшое число интервалов (например, разбиение Slingo [24]), в которых характеристики облаков, спектральную зависимость аэрозольного рассеяния, альбедо подстилающей поверхности принимают за постоянную величину. Но альбедо подстилающей поверхности имеет ярко выраженную спектральную зависимость. Поэтому необходимо рассмотреть несколько способов . определения среднего значения альбедо для заданных спектральных интервалов и выбрать наиболее точный.

Проблема параметризации функции пропускания возникает и при решении обратной задачи по восстановлению общего содержания газа по данным измерений прямого солнечного излучения. В последние годы в Сибири на основе солнечных спектрофотометров SP-6 — SP-8 создается сеть для регулярных измерений аэрозольной оптической толщи и общего содержания ряда парниковых газов (таких как НгО, Оз) [25]. Солнечная спектрофотометрия атмосферы (метод прозрачности) является одним из эффективных и достаточно простых методов определения их общего содержания.

Начиная с работ Fowle [26] многие исследователи для определения общего содержания (ОС) водяного пара используют измерения прямой солнечной радиации в полосе поглощения водяного пара на 0.94 мкм, для озона используются измерения в канале УФ полосы поглощения на 0.30 мкм. Первыми российскими приборами для определения общего содержания озона были озонометры Гущина [27]. Примером дальнейшей реализации озонометров являются фотометры Добсона, Брюера. Оптические методы обладают большими преимуществами в сравнении с контактными методами метеорологического зондирования, такими как - оперативность, возможность измерения интегральных характеристик, сравнительно низкая стоимость приборов и т.д. Однако атмосфера является изменчивой средой и пропускание атмосферы в полосах поглощения молекулярных газов зависит не только от общего содержания газа, но и от его высотного профиля, температуры, и т.п. Погрешность восстановления общего содержания газов тесно связана с погрешностью расчета функции пропускания атмосферы, которая в свою очередь зависит от используемой исходной спектроскопической информации и погрешностей параметризации.

Для решения обратной задачи восстановления ОС атмосферных газов (например Н20, Оз) часто параметризуют функцию пропускания, чтобы поглощающая масса газа входила в это выражение явным образом. Т. е. функцию пропускания можно представить следующим образом: T = f(mW). Для параметризации функции пропускания атмосферы, обусловленной поглощением Н20, используется множество модификаций таких аппроксимаций: например, зависимость функции пропускания от квадратного корня поглощающей массы [28], зависимость функции пропускания от поглощающей массы в степени 0.9, 0.75 и 0.5 в зависимости от величины поглощающей массы водяного пара [29, 30].

Использование модельных представлений полос поглощения может привести к погрешности в определении общего содержания газа. Метод полинейного счета пропускания line-by-line обеспечивает высокую точность. Но так как фотометр проводит большое количество измерение в широком спектральном диапазоне, то временные затраты на расчет пропускания методом line-by-line становятся неприемлемыми на практике.

Процедура калибровки фотометра осуществляется обычно долгим методом Бугера, который предполагает, что состояние атмосферы в течение процесса измерения стабильно. Для нахождения константы калибровки применяют стандартный метод наименьших квадратов [31], который предполагает, что случайная погрешность есть только у измеряемой величины, и она является нормально распределенной, а погрешности в факторах (аргументах функции, которую минимизируют) отсутствуют. Нарушение этих условий может приводить к смещенным оценкам в константе калибровки и ОС Н20. Регистрируемый сигнал солнечного фотометра зависит не только от концентрации поглощающих газов, но и от распределения температуры, давления вдоль трассы луча, наличия облачности, аэрозоля и т.п. Так, например, в работе [31] отмечалось, что при использовании спектральных каналов с центрами 0.87 и 0.94 мкм возможны заметные погрешности в определении ОС Н2О, которые вызваны наличием облачности, аэрозоля и т.п., а также связанные с параметризацией функции пропускания. В связи с вышесказанным необходима такая процедура калибровки, которая позволила бы минимизировать возникающие погрешности, в том числе и погрешности обусловленные параметризацией функций пропускания.

Цель данной работы: создание параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

2. Разработка методики для быстрого расчета функций пропускания в широком спектральном диапазоне 0.26 - 4 мкм.

3. Получение функциональной зависимости пропускания атмосферы в каналах фотометра от поглощающей массы водяного пара и озона; разработка методики определения постоянной калибровки фотометра.

Основные защищаемые положения

Погрешности расчета функции пропускания в этих каналах фотометра, обусловленные вариациями температуры, не превышают 1%.

2. Задание среднего значения альбедо подстилающей поверхности в виде свертки с функцией пропускания атмосферы на широких спектральных интервалах при разбиении согласно Slingo [24] позволяет рассчитать восходящие потоки излучения с неопределенностью, не превышающей 0,5% в случае безоблачной атмосферы (для интервалов, на которых значение альбедо меняется не более чем на 10%), что является достаточным для радиационных блоков климатических моделей.

Научная новизна основных результатов диссертации

2. Предложена простая аппроксимация ■■. пропускания от поглощающей массы водяного пара, которая позволяет повысить точность восстановления ОС водяного пара.

Научная и практическая значимость работы определяется возможностью применения моделей функций пропускания для решения задач переноса излучения в рассеивающей и поглощающей атмосфере, в том числе и для случаев, когда нужно учитывать альбедо подстилающей поверхности. Были созданы пакеты программ для расчета широкополосных функций пропускания в спектральном диапазоне 0.3 — 4 мкм, который вошли в "Информационную систему для расчета функций пропускания и восстановления общего содержания газов и аэрозольной оптической толщи атмосферы из данных измерений фотометра SP-6,8 в диапазоне спектра 0.3-4 мкм", необходимую для работы региональной автоматизированной сети солнечных фотометров AEROSIBNET. Разработанный способ параметризации функции пропускания был применен для восстановления ОС водяного пара из данных измерений солнечного фотометра SP-4m.

Работа была поддержана грантом Института оптики атмосферы СО РАН для молодых ученых, а также выполнялась в рамках грантов РФФИ № 04-07-90123, 07-07-00269, в которых автор был исполнителем.

Достоверность результатов

Результаты диссертационной работы согласуются с современными представлениями о распространении солнечного излучения в атмосфере. Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчета радиационных характеристик с расчетами других авторов (Фомина Б.А., Пташника И.В.). Результаты восстановления ОС водяного хорошо согласуются с данными сети AERONET.

Апробация результатов исследований. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (XII Томск 2005, XIII Томск 2006, XIV Бурятия 2007, XV Красноярск 2008), Рабочей группе "Аэрозоли Сибири" (XI Томск 2004, XIII Томск 2006, IV Томск 2007), ), 7-м симпозиуме ASA (2005 Реймс (Франция)), Пятой и седьмой международных школах молодых ученых "Физика окружающей среды" (Томск 2006, Красноярск

2008), Международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация" (Санкт-Петербург 2006).

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 120 наименований. Содержание работы изложено на 120 страницах, в работе 10 таблиц и 37 рисунков.

В первой главе диссертации приведен обзор современной спектроскопической информации и метеорологичеких моделей, необходимой для расчета пропускания атмосферы, а также рассматривается полинейный метод вычисления пропускания. Исследовано влияние метеопараметров на изменчивость функции пропускания в каналах фотометра, используемых для зондирования водяного пара и озона.

Во второй главе рассматривается метод параметризации характеристик молекулярного поглощения и способы учета перекрывания полос поглощения в задачах переноса коротковолнового солнечного излучения. Приведено сравнение наших расчетов потоков коротковолновой радиации с расчетами других авторов и получено хорошее согласие. Предложен способ параметризации альбедо подстилающей поверхности, позволяющий повысить точность расчета при использовании широкополосных функций пропускания.

Третья глава содержит описание существующих методов параметризации функции пропускания для решения обратных задач. Предлагается модификация метода параметризации, основанная на неявной зависимости пропускания от поглощающей массы газа. Описан быстрый метод расчета пропускания в спектральном диапазоне 0.3 - 4 мкм. Приведены результаты восстановления общего содержания водяного пара из данных измерений фотометра SP-4m с использованием неявной и явной зависимости функции пропускания от поглощающей массы. Сделано сопоставление восстановленного по нашей методике общего содержания паров воды с данными AERONET.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты работы:

1. Было показано, что функция пропускания в каналах зондирования озона и водяного пара (0.308 и 0.94 мкм) практически не зависит от вариаций температуры воздуха и для расчетов функции пропускания для солнечных фотометров можно использовать среднезональные модели.

2. Представленная в работе модификация алгоритма расчета' коротковолновых широкополосных потоков радиации на основе разложения функции пропускания в ряд экспонент обеспечивает высокую точность расчета. Результаты вычисления потоков, параметризованных методом «k-распределения», хорошо согласуются с line-by-line расчетами (в диапазоне 3500-20000 см"1 погрешность параметризации менее 0,3%).

4. Разработан пакет программ для быстрого расчета функций пропускания солнечных фотометров в спектральном диапазоне 0.3-4 мкм, которая не уступает по точности прямому методу расчета пропускания.

5. Предложен способ параметризации функции пропускания, основанный на неявной зависимости функции пропускания от поглощающей массы водяного пара. Этот метод позволяет упростить процедуру калибровки и избежать погрешностей, связанных с параметризацией функций пропускания. Результаты восстановлении общего содержания водяного пара из данных измерений фотометра SP-4m при использование данного метода хорошо согласуются с данными сети AERONET.

Благодарности

Автор благодарит научного руководителя д.ф.-м.н. К.М. Фирсова и научного консультанта к.ф.-м.н. Чеснокову Т.Ю. за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования.

Заключение

В результате проведенных исследований была решена актуальная задача по созданию параметрической модели функции пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения, обладающей высокой точностью, сопоставимой с прямым методом, и высокой скоростью счета.