Методы селекции и коррекции экспериментальных данных aeronet по яркости неба
На правах рукописи
МАТЮЩЕНКО ЮРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ
МЕТОДЫ СЕЛЕКЦИИ И КОРРЕКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ AERONET ПО ЯРКОСТИ НЕБА
01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Барнаул - 2007
Работа выполнена в Институте водных и экологических проблем СО РАН и
ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»
Научный руководитель: доктор физико – математических наук,
профессор Павлов Владимир Евгеньевич
Официальные оппоненты: доктор физико – математических наук,
профессор Шайдук Александр Михайлович
кандидат физико – математических наук,
с.н.с. Галилейский Виктор Петрович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский государственный университет»
Защита диссертации состоится 27 апреля 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета.
Автореферат разослан 27 марта 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д. Д. Рудер
Актуальность
Настоящая диссертация посвящена разработкам методов селекции и коррекции наблюдательных данных сети наземного мониторинга атмосферы AERONET по яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца с целью отбора безоблачных ситуаций. Данные получены с помощью фотометров CIMEL, функционирующих более чем в 100 пунктах земного шара. Результаты наблюдений используются специалистами как базовые для изучения оптических свойств аэрозоля на земном шаре в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Поиск новых, тщательно обоснованных методов селекции, продиктован необходимостью объяснения завышенных величин вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), определяемых по методикам, разработанным в NASA.
Интерес к данному вопросу возник в связи с необходимостью оценки роли аэрозоля в формировании радиационного баланса тропосферы и подстилающей поверхности и его влияния на климат Земли в целом. В современной климатологии резко возросли потребности в знании поглощательной способности аэрозольных частиц, от которых зависит температура воздуха нижних слоев атмосферы. Согласно исследованиям известных авторов и в соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организацией (WMO) к решению радиационных задач, величины вероятности выживания кванта для морских аэрозолей составляют в видимой области спектра около 0,99, для континентальных - 0,87 и для городских - 0,62. Приводимые же во многих публикациях их значения, найденные из наблюдений яркости неба, для второго и особенно третьего типов частиц заметно больше вышеуказанных. Непонятно, вызвано ли это различие недостатками методики восстановления их оптических характеристик через решение уравнения переноса излучения, либо его причиной является несовершенство селекции наблюдательных данных при выборе исключительно безоблачных ситуаций. В связи с необходимостью разрешения второй части этой проблемы было выполнено настоящее исследование.
Актуальность подтверждается систематическим увеличением числа наземных станций по измерениям оптических характеристик атмосферы, использованием с этой целью космических наблюдений яркости, развертыванием различных национальных, международных и региональных программ.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов селекции данных AERONET для выбора безоблачных ситуаций. Это необходимо для построения глобальных аэрозольных моделей атмосферы. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
- анализ результатов расчетов угловой зависимости яркости неба для модели атмосферы, содержащей широкие распределения частиц по размерам с учетом многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности;
- исследование угловых характеристик наблюдаемой яркости неба в широком диапазоне углов рассеяния при отсутствии облачности и разработка на их основе методов селекции данных AERONET;
- применение разработанных методов к селекции наблюдаемых яркостей в ряде пунктов земного шара с различными климатическими условиями;
- оценка достоверности и эффективности предложенных методов на основе данных наблюдений облачности на метеорологической сети;
- анализ угловых распределений яркости неба вблизи солнечного диска и последующая коррекция данных AERONET на основе предложенного метода.
Научная новизна
- Впервые на основе расчетов яркости неба из уравнения переноса излучения и анализа результатов измерений яркости в идеализированных условиях разработаны методы отбора безоблачных ситуаций по мониторинговым данным. В их основу положены систематические изменения яркости неба и углового градиента яркости в зависимости от угла рассеяния.
- Разработанные методы применены в анализе наблюдательных данных AERONET в ряде пунктов земного шара.
- Впервые на основе эмпирических закономерностей, полученных из измерений ореолов фотометрами с высокоточной наводкой в абсолютно безоблачных условиях, предложены методы селекции и коррекции данных наблюдений яркости неба вблизи солнечного диска. Методы позволяют скорректировать данные по яркости, искаженные световыми бликами в оптическом тракте фотометров CIMEL при механической наводке с большой погрешностью.
Достоверность расчетных материалов диссертации обеспечена подбором оптимального времени счета фотонов при решении уравнения переноса излучения методом Монте-Карло. Точность вычислений яркости не хуже 1%. Экспериментальные данные, применяемые в разработке методов селекции и коррекции, получены в Астрофизическом институте АН Казахстана на фотометрах яркости неба с высокоточной оптической наводкой в абсолютно безоблачных условиях с погрешностью не более 1 - 2%. Степень достоверности и эффективности предложенных методов подтверждена прямыми наблюдениями облачности на метеостанциях юга Сибири.
Практическая значимость работы
Разработанные методы селекции и коррекции данных AERONET могут быть широко использованы для выбора безоблачных дней из представленного массива экспериментальных данных с целью последующего построения аэрозольных моделей атмосферы. Тем самым в существенной мере исключаются неопределенности в задании оптических параметров при решении уравнения переноса излучения. Последние чаще всего обусловлены неоднородным горизонтальным распределением аэрозоля либо наличием разрывной облачности отдельных облаков на небосводе.
Публикации
Результаты настоящего исследования представлены в трех статьях и в 5 тезисах докладов на конференциях. Две статьи опубликованы в научном журнале, который входит в список ВАК для печати диссертационных материалов.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на Межрегиональном экологическом форуме (Барнаул, 2004 г.), XI Объединенном Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2004 г.), ХI, XII и XIII Совещаниях рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2005 и 2006 г.г.), Пятой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2006 г.).
Основные защищаемые положения
- Необходимым условием обнаружения облаков на трассе сканирования небосвода в альмукантарате Солнца является систематическое убывание яркости неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в интервале углов рассеяния от 2 до 900 и ее последующее возрастание на угловых расстояниях более 1200.
- Малоконтрастные облачные образования на линии визирования скачкообразно нарушают систематическое убывание углового градиента яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Такие изменения служат условием их обнаружения.
- Степенной закон углового распределения яркости неба вблизи солнечного диска является основой коррекции наблюдательных данных с целью исключения погрешностей механической наводки фотометра в малые углы.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц, иллюстрируется 32 рисунками, содержит 8 таблиц. Список цитируемой литературы, включая работы автора, составляет 102 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования и сформулированы его задачи, показаны научная новизна, достоверность полученных результатов и практическая значимость, приведены основные защищаемые положения, а также краткое описание объема и структуры работы.
В первой главе изложены основные теоретические положения, служащие базой для разработки методов селекции наблюдательных данных яркости неба с целью исключения облачных ситуаций.
Как известно, для расчетов интенсивностей рассеянного в атмосфере света наиболее простыми являются формулы теории, учитывающей только первый порядок рассеяния. В формуле для яркости неба в альмукантарате Солнца
(1)
функция f1() представляет собой индикатрису рассеяния, которая рассчитана на всю высоту атмосферы. Она включает в себя компоненты молекулярного (релеевского) f1m() и аэрозольного f1а() рассеяния. Если первая из них представляет собой гладкую функцию, то вторая f1а() для монодисперсного аэрозоля имеет сложную угловую (лепестковую) структуру. Если же функция распределения частиц по размерам достаточно широка, то эта лепестковая структура отсутствует.
Основная физическая предпосылка, используемая во всех последующих построениях, как раз и состоит в том, что в подавляющем большинстве случаев аэрозольное рассеяние света во всей атмосфере в целом осуществляется на широко распределенной по размерам системе частиц. Обычно считается, что частицы аэрозоля включают в себя три моды: ультрамикроскопическую (ядра Айткена), субмикронную и грубодисперсную, причем внутри каждой из фракций функция распределения частиц по размерам носит нормальный логарифмический характер. Однако из прямых измерений дневного неба по формуле (1) может быть найдена не сама функция рассеяния f1(), а функция
f() = f1() + f2() + fq(), (2)
 | которую обычно называют индикатрисой яркости или индикатрисой, не освобожденной от влияния многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности. В теории переноса излучения отражение света от подстилающей поверхности обычно принимается ортотропным; иначе говоря, функция fq() принимается не зависящей от. Функция f2() может быть определена только расчетным путем через решение уравнения переноса излучения. Для определения функций f2() и fq уравнение переноса излучения решалось методом Монте-Карло с использованием программ, разработанных в ИОА СО РАН. |
| Рис.1. Индикатрисы многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности в области спектра 0,65 мкм для крупнодисперсной фракции частиц при Z0 = 600 (1) и Z0 = 78,50 (2). Аэрозольная оптическая толща а=0,4; альбедо однократного рассеяния q = 0,15. Случай чистого рассеяния. |
Отдельно рассматривались случаи рассеяния света на ядрах Айткена и частицах грубодисперсной фракции. Индикатрисы однократного аэрозольного рассеяния f1а() задавались в расчеты по табличным данным, при этом считалось, что распределение частиц по размерам внутри каждой из мод носит нормальный логарифмический характер. К аэрозольным функциям рассеяния добавлялись компоненты молекулярного рассеяния f1m() и решалось уравнение переноса излучения.
Для примера на рис.1 представлен один из полученных результатов. Поведение функций f2()+fq при других заданных табличных параметрах принципиально не отличается от приведенных на рис.1.
Анализ показывает, что компоненты многократно рассеянного света представляют собой гладкие функции, убывающие с увеличением угла рассеяния от 0 до 1000. В районе углов 100 - 1200 кривые проходят минимум и далее до 1570 незначительно возрастают. Таким образом, приведенные расчеты, базирующиеся на теории переноса излучения, однозначно свидетельствуют о том, что компоненты наблюдаемой индикатрисы яркости f1() и f2() + fq() представляют собой гладкие функции, систематически меняющиеся с изменением угла рассеяния. Поэтому наличие облаков на линии визирования фотометра должно приводить к «всплеску» яркости неба. Отсюда следует, что гладкость изменения f() может быть использована как критерий наличия облака на небосводе.
Далее были найдены угловые градиенты для вычисленных индикатрис яркости. Они определялись как разности соседних значений индикатрисы, отнесенные к интервалу углов рассеяния. На рис.2 представлены зависимости градиента f(), приведенной на рис.1 (кривая 2).
 |  |
Рис.2. Зависимость градиента f ()/ индикатрисы яркости f() (кривая 2 на рис.1) от угла рассеяния. Показаны погрешности вычислений и аппроксимация. Время счета 2 мин.
Исследование таких зависимостей позволяет сделать вывод, что в диапазоне углов рассеяния 30 1600 также имеет место систематическое убывание градиента f() (или соответственно градиента яркости B()) до минимума с последующим систематическим возрастанием. В то же время отчетливо видно, что угловая зависимость градиента гораздо чувствительнее к незначительным изменениям индикатрисы f(). При анализе измерений яркости в реальной атмосфере это обстоятельство делает возможным обнаружение малоконтрастных облачных образований.
Описываемые функции f() вычислялись путем решения уравнения переноса излучения по методу Монте-Карло. Точность вычислений зависит от производительности компьютера и заданного времени счета. При увеличении времени счета (время задавалось равным 2, 10, 25 минут и 9 часов) наблюдается заметное уменьшение ошибок вычислений, показанных на рис.2-б. Кривые сглаживаются и четко прослеживается убывание градиента яркости с увеличением угла рассеяния.
Таким образом, при контроле состояния атмосферы соответствие кривых яркости критерию систематического изменения градиента функции f(), наряду с критерием ее гладкости, позволяет сделать вывод об отсутствии на линии визирования разрозненных облаков.
Во второй главе анализируются результаты наблюдений яркости неба в идеализированных условиях.
  | Такие наблюдательные ряды абсолютных индикатрис яркости f() для широкого интервала углов рассеяния в свое время были получены сотрудниками Астрофизического института АН КазССР и Казахского педагогического института г. Алма-Аты. На юго-востоке Казахстана пунктами наблюдений служили Астрофизическая обсерватория и поселок Кирбалтабай, на черноморском побережье Кавказа - поселок Геленджик. Фотометры были снабжены узкополосными интерференционными светофильтрами с длинами волн 0,40, 0,45, 055, 0,67, 0,71, 0,87 и 1,02 мкм, т.е. соответствовали тому спектральному диапазону, в котором представлены данные AERONET. В качестве примера на рис.3 изображены индикатрисы яркости при 600, измеренные в Кирбалтабае в длинах волн 0,40 мкм (а) и 0,71 мкм (б) в дни с максимальной (1) и минимальной (2) мутностью атмосферы. Из рис.3 видно, что угол min с точностью до нескольких градусов может быть выявлен достаточно надежно. Было исследовано свыше 150 индикатрис яркости, измеренных в 16 |
| Рис.3. Индикатрисы яркости f(), полученные в Кирбалтабае Показаны ошибки наблюдений. Аппроксимация полиномом 3-й степени. |
углах рассеяния. О положении угла min можно судить из данных наблюдений, представленных в таблице 1. С уменьшением длины волны в формировании наблюдаемой индикатрисы яркости f() возрастает роль компонент f1м() и f2(), что приводит к смещению min в сторону меньших углов.
Таблица 1
Число случаев (в %) расположения угла min на одном из трех угловых расстояний в альмукантарате Солнца
| min \,мкм | 0,45 | 0,65 | 0,70 | 0,85 | 1,01 |
| 90 100 120 | 13 87 0 | 5 80 15 | 2 72 26 | 0 41 59 | 0 22 78 |
Для всех наблюдаемых индикатрис яркости всегда выполнялось условие возрастания f() с систематическим изменением по обе стороны от min. В случае попадания облака в поле зрения прибора скачком изменится гладкий угловой ход f(). Наличие в альмукантарате Солнца малоконтрастных облаков при < 60 - 700, яркость которых незначительно превышает яркость безоблачного неба, с помощью этого критерия обнаружить сложно.
Для исключения ситуаций, характеризуемых наличием малоконтрастных образований, предложен более жесткий критерий селекции данных AERONET. Из анализа наблюдательных данных на юго-востоке Казахстана и в Геленджике было установлено, что для всех точек исследуемых экспериментальных массивов (2400 направлений ), за исключением 16 из них, выполняются следующие соотношения:
f() –f (+) > f( +) – f( +2) при < min (3)
и
f( + ) – f() < f( +2) – f(+) при > min, (4)
| где величина шага задается соответствующей угловому градиенту яркости. Примеры угловых зависимостей логарифмов разностей (f() – f( + 100)) в диапазоне 100 900 представлены на рис. 4. Абсолютные индикатрисы яркости соответствуют рис. 3. Отчетливо видно систематическое увеличение разностей (f()–f(+)) с уменьшением угла рассеяния. Таким образом, для исключения ситуаций, характеризуемых наличием малоконтрастных облачных образований, следует использовать более «жесткий» критерий селекции | |
| Рис.4. Логарифмы разностей lg f для длин волн 0,706 мкм (1, 2) и 0,405 мкм (3, 4) при большой (1, 3) и малой (2, 4) мутности атмосферы. |
данных, в соответствии с формулами (3 - 4): систематическое убывание углового градиента яркости B()/ (или f()/ ) с ростом.
Фотометр CIMEL сети AERONET после сканирования альмукантарата в четырех длинах волн выполняет аналогичные измерения в солнечном вертикале. Поэтому жесткий критерий систематического убывания углового градиента яркости был распространен на плоскость солнечного вертикала.
Отработка такой методики была осуществлена в результате анализа наблюдений яркости B(Z0,Z,) на юго-востоке Казахстана. Вычисления B(Z0,Z,)/ показали, что угловой градиент яркости в вертикале Солнца в абсолютном большинстве случаев действительно убывает с ростом и проходит нулевое значение вблизи min 80 - 900. После прохождения min градиент становится отрицательным, а его модуль |B/| возрастает с ростом.
Примеры таких угловых зависимостей |B/| в видимой и близкой ИК областях спектра приведены на рис. 5. В случае наличия облака на линии визирования вышеописанная угловая зависимость B/ обычно существенно и скачком нарушается.
 | Итак, в солнечном вертикале, как и в альмукантарате, имеет место систематическое убывание градиента яркости с увеличением угла рассеяния. Дополнительным условием в отборе экспериментальных данных с целью их последующего объективного анализа на наличие безоблачных ситуаций является констатация факта однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальных направлениях в пределах погрешностей оптических измерений. Если аэрозоль в каждом из слоев стратифицированной атмосферы распределен по горизонтали однородно, то оптические характеристики правой и левой половин небосвода, должны быть идентичными. В этом случае независимо от высотного распределения мутности для яркости неба в альмукантарате Солнца должно выполняться условие: |
| Рис. 5. Примеры углового хода модуля градиента яркости | /| в вертикале Солнца в видимой области спектра, Казахстан, п. Кирбалтабай; 1 - = 0,454 мкм, Z0 = 600; 2 - = 0,454 мкм, Z0 = 450; 3 - = 0,548 мкм, Z0 = 600; 4 - = 0,645 мкм, Z0 = 600. |
В() = В(3600 - ) (5)
при изменении азимута от 0 до 1800. Оно лежит в основе селекции данных AERONET, выполняемой специалистами NASA.
Известно, что погрешность измерений яркости неба на фотометрах CIMEL в абсолютных единицах составляет около 5%. Эта цифра и определяет возможности всех последующих манипуляций с наблюдаемыми яркостями В() и В(3600-), направленных на решение радиационных задач.
Согласно многолетним исследованиям сотрудников Астрофизического института Академии наук Казахстана, в горах и особенно в степях и полупустынях нередко отмечаются абсолютно безоблачные дни с различием величин В() и В(3600 - ) на угловых расстояниях 100 не более 1 - 3%. Особенно часты безоблачные ситуации в осенний период. Хорошая сходимость яркостей слева и справа от солнечного диска (обычно расхождения меньше 3%) отмечается и в околосолнечном ореоле при 2 100. Существенным является тот факт, что для наведения малоуглового фотометра в заданную точку ореола используется оптический искатель. Условие равномерного распределения аэрозоля в горизонтальном направлении следует считать еще одним критерием отсутствия на небе облачных образований, уже используемым на практике.
В третьей главе описывается селекция результатов наблюдений яркости с целью исключения облачных ситуаций на основе разработанных критериев.
Вначале дано краткое описание глобальной сети AERONET и фотометра CIMEL.
Далее представлено программное обеспечение и приведена блок-схема алгоритма основной программы селекции данных AERONET. Учтены особенности исходных файлов для исключения потерь информации и последующей ее корректной обработки. При разработке программ необходимо было обеспечить:
- использование описанных выше критериев безоблачного неба;
- возможность установки начальных параметров селекции;
- вычисление и вывод статистических данных;
- возможность визуального контроля исходных данных, промежуточных и окончательных результатов;
- приемлемое время обработки информации.
Разработаны программы для отбора из отфильтрованных массивов альмукантарата и вертикала данных, принадлежащих одной серии измерений, и последующего сравнения полученных распределений с результатами метеорологических наблюдений при нулевой облачности.
Первый этап исследований включал в себя предварительный анализ наблюдательных данных AERONET.
Были выбраны наблюдательные пункты, находящиеся в различных точках земного шара: в аридной местности, на океанских остовах, в континентальных точках, покрытых лесами и в городах Российской Федерации. По результатам измерений в солнечном альмукантарате рассмотрены статистические спектральные характеристики контраста облачных образований на фоне безоблачного неба. Получены сведения о зависимости контраста от угла рассеяния, длины волны и климатической зоны, исследованы виды функции распределения контраста по числу случаев измерений в разных ситуациях. Эти данные явились первичным материалом для сопоставления наблюдаемых значений яркости аэрозольных образований и локальных облаков с результатами расчетов, выполненных путем решения уравнения переноса излучения.
Для выбранных пунктов наблюдений AERONET угловые распределения яркости в альмукантарате Солнца были проверены на одновременную выполнимость «жестких» условий (3 - 5) при азимутах больше 30 и меньше 3570.
Полученные табличные данные, помимо известного факта, что контраст локального аэрозольного и тем более облачного образования в атмосфере на фоне ясного неба усиливается с увеличением длины волны, содержат следующую информацию. Количество ситуаций, которые при выполнимости условий (3 - 5) мы считаем безоблачными с равномерным распределением аэрозоля по горизонтали, ничтожно мало. Даже в пустыне на Аравийском полуострове в синей области спектра оно не превышает 3% (в ИК области оно в два раза меньше). А в городах пригодные для анализа наблюдательные данные вообще отсутствуют. Основной причиной такого положения следует считать отсутствие в фотометрах CIMEL оптического искателя, а механическая установка прибора в точки ореола, симметрично расположенные слева и справа от Солнца, по-видимому, не обеспечивает 5% - ной точности в согласовании яркостей В() и В(3600 - ).
В случае применения условий (3 - 4) и (5) по отдельности, второе влечет за собой более существенную отбраковку исходных данных: в 2 - 10 раз в зависимости от места наблюдений.
Далее была проверена выполнимость условий (3-5) в тех же пунктах земного шара при азимутах 100 3500. Исключение из процедуры селекции зоны ореола приводит к явному увеличению числа случаев, пригодных для последующего анализа. В частности, в аридных пунктах на Аравийском полуострове и в Австралии оно достигает 10 - 20%. Благодаря этому получаемые из наблюдений сведения о поглощающей способности аридных частиц по известным методикам могут быть обеспечены полноценной статистикой.
Для некоторых пунктов наблюдений количество безоблачных ситуаций с равномерно распределенным аэрозолем в горизонтальных направлениях незначительно. На океанских островах в области спектра 0,68 мкм оно не превышает одного процента. Тем самым на повестку дня выдвигается вопрос о том, в какой мере данные, полученные в столь редкие безоблачные дни на океанских островах, будут репрезентативными для построения аэрозольных моделей атмосферы над океаном.
Одной из причин поиска дополнительных независимых методов селекции данных AERONET стала попытка обоснования явно завышенных значений вероятности выживания кванта (альбедо однократного рассеяния частиц), восстанаовливаемнных из наблюдений яркости неба на фотометрах CIMEL по методикам, используемым в NASA. Согласно опубликованным материалам специалистов NASA, в таких мегаполисах, как Париж и Мехико, с учетом погрешностей вычислений вероятность выживания кванта лишь незначительно отличается от данных ее определения в лесах Амазонки и бореальных лесах США и Канады (около 0,9).
В таблице 2 приведены значения вероятности выживания кванта, рекомендованные к использованию при решении широкого круга радиационных задач Всемирной метеорологической организацией (WMO).
Таблица 2
Средние значения вероятности выживания кванта по данным WMO
| длина волны, нм | 400 | 488 | 550 | 633 | 694 | 860 | 1060 |
| океан | 0,987 | 0,990 | 0,989 | 0,990 | 0,990 | 0,986 | 0,984 |
| континент | 0,901 | 0,898 | 0,891 | 0,883 | 0,879 | 0,841 | 0,804 |
| город | 0,660 | 0,654 | 0,647 | 0,641 | 0,631 | 0,588 | 0,542 |
В частности, для городов данные должны соответствовать величинам, приведенным в нижней строке (около 0,6), что совершенно не согласуется с вышеизложенным.
Для тех же пунктов наблюдений (см. выше) была выполнен анализ данных по вероятности выживания кванта, представленных в AERONET, в следующей последовательности.
Отобраны такие угловые распределения яркости в альмукантарате Солнца, которым соответствовали значения вероятности выживания кванта, совпадающие по времени измерений. К ним применены разработанные методы селекции. Из исходного массива значений вероятности выбраны распределения, соответствующие по времени отфильтрованным данным в альмукантарате. Для полученного массива вычислены средние величины вероятности и сопоставлены со средними исходными данными.
В абсолютном большинстве случаев значения вероятности выживания кванта до дополнительной селекции и после нее практически не изменяются. Более того, для некоторых пунктов наблюдается тенденция его незначительного возрастания. Если считать, что значения вероятности выживания кванта для континентальных и городских аэрозолей в широко распространенных моделях известных авторов соответствуют действительности, то подобный результат с наибольшей вероятностью обусловлен недостатками широко используемых методик восстановления поглощающей способности частиц. Поскольку эти методики применяются специалистами NASA и другими исследователями при определении оптических параметров атмосферы, возникает необходимость их детального изучения.
В случае наличия информации об облачности в конкретные дни и часы возникает возможность оценки достоверности разработанных методов селекции. Она важна, когда прямая информация об облачности в атмосфере отсутствует. Используя справочные данные по облачности за предыдущие годы, а также результаты наблюдений последнего десятилетия, была получена информация о поведении облачности в районах южной Сибири. Из нее следует, что средний балл общей облачности достаточно высок: n = 6,4. Иначе говоря, во всем регионе в целом преобладает облачная погода. На метеостанциях Алтайского края средняя величина n равна 6,1, что не слишком существенно отличается от средней для всего юга Сибири.
Эти значения балла облачности не дают ответа на вопрос об эффективности функционирования солнечных фотометров с целью сбора наблюдательного материала по спектральной прозрачности и яркости неба для построения аэрозольных моделей атмосферы. Для этого необходимо из рассматриваемого массива данных вычленить число безоблачных дней.
В метеорологии принято считать небо ясным, если количество общей облачности составляет 0 - 2 балла. На рис.6 представлено распределение повторяемости n таких условно ясных ситуаций (0 - 2 балла) по отношению к общему числу наблюдений. Осреднение полученных данных производилось по сезонам года. С учетом среднеквадратичного разброса величина n имеет тенденцию убывания от зимних месяцев к осенним. В целом же для юга Сибири число дней с облачностью меньше 2 баллов составляет около 30% от общего числа наблюдений.
| Надежное решение обратной задачи по восстановлению оптических параметров частиц из наблюдений яркости неба путем решения уравнения переноса излучения может быть осуществлено только при полном отсутствии облаков на небосводе, т.е. когда балл облачности равен нулю. Был произведен расчет повторяемости абсолютно безоблачных случаев (0 баллов) по отношению к числу ситуаций с облачностью 0-2 балла n0% по городу Томску (рис. 6). Как и для облачности 0-2 балла (кривая 1), имеет место тенденция убывания n0 от зимы к осени (кривая 2). Из графиков следует, что не более чем в 22% зимой и в 13% осенью от числа ситуаций с облачностью 0-2 балла, экспериментальные данные по яркости неба в атмосфере г. Томска могут быть использованы в решениях обратных задач по радиационным свойствам аэрозоля. Был осуществлен анализ результа- |  |
| Рис.6. Сезонное распределение повторяемости облачности 0 - 2 балла по данным метеостанций юга Сибири (1) и абсолютно ясного неба (0 баллов) в дни с облачностью 0 - 2 балла по данным метеостанции г. Томска (2). Показаны среднеквадратичные отклонения. |
тов измерений яркости неба на фотометре CIMEL в г.Томске, выставленных на сайте AERONET. Вычислялись угловые градиенты яркости B/ в альмукантарате и вертикале Солнца и исследовались их угловые зависимости в соответствии с представленным алгоритмом селекции. Оказалось, что только 2,3% от общего числа измеренных распределений B(Z0,Z,) в альмукантарате Солнца могут быть использованы в последующем сопоставлении с метеоданными с нулевой облачностью.
Балл облачности регистрируется на метеостанциях каждые 3 часа. Поскольку моменты времени наблюдений облачности на метеостанции редко совпадают с моментами измерений яркости неба на фотометре, будем считать, что случай фиксации нулевого балла в некий конкретный момент t0 может быть распространен на интервал t0 ± 1 час. Тогда только половина ситуаций (1,1% от исходного числа), которые по данным наблюдений яркости неба одновременно в альмукантарате и вертикале Солнца идентифицируются как безоблачные, будет реально соответствовать отсутствию облаков на небосводе. Если в селекцию данных включить условие однородного распределения атмосферной мутности в горизонтальном направлении, то число дней, пригодных для последующего анализа, будет еще меньше.
Четвертая глава посвящена селекции и коррекции данных измерений яркости AERONET на малых угловых расстояниях от Солнца (ореолов).
Заметим, что каждое выставленное на сайте AERONET распределение яркости B() содержит четыре группы данных, описывающихпоугловое распределение яркости в околосолнечномум ореолуе: по две B1() в диапазонах 3540 3580 и 20 60 в начале и B2() в тех же интервалах азимутов в конце серии (соответственно первый и второй проходы фотометра).
Поскольку наводка фотометра CIMEL в точки солнечного альмукантарата c заданными малыми углами осуществляется не с применением помощью оптического искателя, а механическим способом с применением шагового двигателя, то абсолютные погрешности могут быть существенными. У новых фотометров составляет около 0,050, но по мере их эксплуатации возрастает до 0,250 и более.
 | Эти погрешности искажают результаты измерений вблизи Солнца, что связано с большим угловым градиентом яркости. Для двенадцати пунктов наблюдений (гл. 3) была выполнена селекция 2446715 околосолнечных ореолов в соответствии с представленными методами. По отфильтрованным значениям яркости B() (10866 ореолов) в симметричных точках справа и слева от Солнца в каждом из проходов фотометра были вычислены отношения Bmax/Bmin. Осредненные результаты представлены на рис.7. Их отличия от 1 свидетельствуют либо о преимущественно неоднородном распределении мутности атмосферы вблизи Солнца, либо о существенной роли погрешности наведения фотометра. |
| Рис.7. Средние отношения Bmax/Bmin при первом (1) и втором (2) сканировании фотометрами CIMEL околосолнечных ореолов. |
С целью отработки методов селекции и коррекции были привлечены данные наблюдений ореолов в абсолютно безоблачные дни с высокоточной наводкой аппаратуры. Они показали, что яркость неба в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с хорошей точностью (обычно не хуже 2 - 3%) описывается формулой Ван де Хюлста:
B() = A -q, (6)
где величина А не зависит от угла рассеяния, а параметр q определяется в основном оптическими свойствами крупных частиц в атмосфере. Соотношение (6) выполняется в диапазоне углов рассеяния 20 6 - 70; при этом не обнаруживается систематической зависимости q от длины волны. Параметр q для юго-востока Казахстана меняется в пределах от 0,72 до 2,2 и в среднем равен 1,46.
Поскольку разрабатываемые методы могут базироваться только на анализе экспериментальных угловых распределений яркости (иного не дано), то формируемый селекционный фильтр должен пропускать самые вытянутые распределения B(), связанные с рассеянием света именно в атмосфере. В противном случае теряется информация о наличии самых крупных частиц. Поэтому будем считать, что в пунктах, где функционируют фотометры CIMEL, яркость безоблачного неба с максимальным угловым градиентом при малых (или ) формируется за счет индикатрисы с параметром q = 2,2. Соответствующие модельные отношения B( – )/B( + ) для азимутов = 2, 4 и 60 для зенитного угла Солнца Z0 = 600 приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Влияние систематической ошибки наведения прибора в заданные точки ореола на отношение Вmax/Вmin при максимально вытянутой индикатрисе рассеяния в малых углах (q = 2,2)
| B(20 – ) B(20 + ) | B(40 – ) B(40 + ) | B(60 – ) B(60 + ) | |
| 0,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| 0,05 | 1,12 | 1,06 | 1,04 |
| 0,10 | 1,25 | 1,12 | 1,08 |
| 0,15 | 1,39 | 1,18 | 1,12 |
| 0,20 | 1,55 | 1,25 | 1,16 |
| 0,25 | 1,74 | 1,32 | 1,20 |
| 0,30 | 1,95 | 1,39 | 1,25 |
| 0,35 | 2,18 | 1,47 | 1,29 |
| 0,50 | 3,08 | 1,74 | 1,44 |
Пусть эти значения эквивалентны абсолютным погрешностям установки фотометра CIMEL.Тогда табличные отношения B( – )/B( + ), или по сути Вmax/Вmin, позволяют вычленить из общего массива наблюдений такие угловые распределения B(), для которых отличие величин яркости в симметричных точках слева и справа от Солнца будет обусловлено в основном неточностью наводки прибора, а не какими-либо другими причинами (облаками, бликами прямых солнечных лучей в фотометре и др.). Если абсолютная погрешность при малых у только вступающих в эксплуатацию фотометров составляет около 0,050, то отношения Вmax/Вmin для азимутальных углов 2, 4 и 60 не должны превышать соответственно величин во второй строке таблицы: 1,12, 1,06 и 1,04. Для фотометров, прошедших эксплуатацию в течение нескольких лет и характеризуемых в среднем значением = 0,25, отношения B(–)/B(+) для тех же азимутов должны быть меньше 1,74, 1,32 и 1,20.
Из рис. 7 следует, что средние наблюдаемые величины Вmax/Вmin для = 20 соответствуют абсолютным погрешностям = 0,20 в первом и = 0,30- во втором проходах фотометра, т.е. превышают указанные в таблице граничные пределы. Согласно таблице 3, для = 60 отношение Вmax/Вmin не должно превышать 1,44 даже при = 0,50. Видно, что это условие не выполняется для обоих проходов. По-видимому, критерий отбора безоблачных ситуаций, основанный на принципе убывания углового градиента яркости B()/, не полностью удовлетворяет решению поставленной задачи.
Если считать, что фотометр только вводится в эксплуатацию, т.е. значение = 0,050, то из остававшихся 10866 серий наблюдений яркости в результате проведения предлагаемой селекции в последующий анализ могут быть отобраны только 259. Остальные следует исключить, так как для них не выполняются ограничения по Вmax/Вmin, диктуемые второй строкой таблицы 3 хотя бы в одном из углов. При погрешности наводки прибора = 0,250, т.е. прошедшего длительную эксплуатацию в получении мониторинговых рядов яркости, число серий наблюдений должно быть ограничено величиной 5007. Большинство данных AERONET в выбранных пунктах наблюдений соответствует именно второму случаю.
Хорошим критерием правдоподобности вышеприведенных рассуждений служит соответствие средних наблюдаемых значений яркости в одних и тех же точках ореола при первом и втором проходах фотометра. В случае степенной зависимости яркости от угла рассеяния (формула Хюлста) правильный результат при осреднении данных соответствует использованию среднегеометрических величин:
L1() = 
(7)
и
L2() = 
, (8)
где нижний индекс означает номер прохода. Используем наблюдаемые слева и справа от Солнца величины B() в предположении = 0,050 в 259 сериях наблюдений в расчетах L1() и L2(), а затем сопоставим последние между собой.
Среднеe отклонение L1 от L2 для угла = 20 при = 0,050 оказывается равным 5,4%. На практике следует вычислять средние величины:
L() = ((L1() + L2())/2. (9)
При =20 систематическая средняя ошибка в определении окончательного значения яркости L() приблизительно равна 2,7%. Это вполне допустимо для последующих исследований, так как яркость неба на фотометрах CIMEL измеряется с погрешностью около 5%.
Итак, селекция данных AERONET при малых сводится к следующим процедурам. Сначала используются данные таблицы 3 для отсева тех наблюдений B(), которые не укладываются в рамки различия яркостей слева и справа от Солнца из-за неточности установки фотометра в каждой серии наблюдений. При этом делается следующий «мягкий» допуск: индикатриса рассеяния в малых углах считается предельно вытянутой. Следующий этап состоит в коррекции оставшихся величин яркости: определяются средние значения L() с помощью соотношений (7-9) в каждой серии наблюдений. Далее определяются из данных AERONET параметры в формуле Хюлста для диапазона азимутов 3-60. С их помощью вычисляются яркости при = 2 и 2,50. В случае больших погрешностей наблюдаемых значений яркости в этих азимутах вместо них могут быть использованы вновь полученные величины.
Скорректированные вышеизложенными методами значения яркости могут быть рекомендованы для их последующего введения в схему решения обратной задачи по восстановлению аэрозольных параметров атмосферы, где они в настоящее время большинством специалистов не используются.
В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- На основе результатов решения уравнения переноса солнечного излучения в атмосфере, содержащей полидисперсный аэрозоль, показано, что компоненты однократно и многократно рассеянного света в альмукантарате Солнца описываются функциями, систематически убывающими с увеличением угла рассеяния от ореола до минимума в интервале углов 90 1200 с последующим регулярным возрастанием. Наличие облака на линии визирования фотометра приводит к «всплеску» яркости. Следовательно, регулярность изменения яркости является необходимым условием отсутствия облачности.
- Расчетами показано, что с увеличением угла рассеяния имеет место систематическое убывание углового градиента яркости. Нарушения этого условия позволяют фиксировать наличие в атмосфере малоконтрастных облачных образований.
- Детальный анализ результатов наблюдений яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца в идеализированных условиях подтвердил возможности использования двух предыдущих условий в качестве критериев для отбора безоблачных ситуаций в системе AERONET.
- Средние величины вероятности выживания кванта в разных климатических условиях, представленные в данных AERONET, после дополнительной селекции на основе предложенных методов остались практически неизменными.
- Оценка эффективности разработанных методов отбора безоблачных ситуаций проверена сопоставлением с результатами метеонаблюдений в г. Томске. Оказалось, что только 1,1% от общего числа изначально измеренных распределений яркости в альмукантарате Солнца реально соответствует отсутствию облаков на небосводе.
- Предложен метод коррекции околосолнечных ореолов по данным AERONET, позволяющий исключить влияние систематических аппаратурных погрешностей на результаты измерений яркости неба вблизи Солнца.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Матющенко Ю.Я., Павлов В.Е. Малоугловые аэрозольные и облачные образования на фоне преобладающе безоблачной атмосферы. Межрегиональный экологический форум. Сборник материалов форума. Барнаул 2004. С. 138 -141.
- Pavlov V.E., Zatsepin P.M., Matyuschenko Y. I. Contract of small-angle aerosol and aqueous clouds against a clear atmosphere background according to AERONET data. ХI Joint International Symposium. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. Tomsk. 2004. P. 129.
- Павлов В.Е., Зацепин П.М., Матющенко Ю.Я. Отбор безоблачных ситуаций по данным AERONET. Тезисы докл. Аэрозоли Сибири. ХI Рабочая группа. Томск 2004. С. 17.
- Матющенко Ю.Я., Ошлаков В.К., Павлов В.Е. О селекции данных AERONET. Часть 1: обоснования методик. Оптика атмосферы и океана. Т. 19. 2006. №4. С. 271-277.
- Павлов В.Е., Матющенко Ю.Я. Методы селекции и коррекции наблюдений околосолнечных ореолов в системе AERONET. Пятая Международная конференция «Естественные и антропогенные аэрозоли». 22-26 мая 2006 С.- Пб. С. 61.
- Павлов В.Е., Матющенко Ю.Я., Ошлаков В.К. О селекции околосолнечных ореолов по данным AERONET. Тезисы докл. Аэрозоли Сибири. XII Рабочая группа. Томск 2005. С. 58.
- Зинченко Г.С., Матющенко Ю.Я., Павлов В.Е., Смирнов С.В. Облачность и эффективность функционирования солнечных фотометров на юге Сибири. Тезисы докл. XIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири». Томск. 2006. С. 8.
- Павлов В.Е., Матющенко Ю.Я., Ошлаков В.К. О селекции данных AERONET. Часть 2: метод коррекции ореолов. Оптика атмосферы и океана. Т. 20. 2007. №2. С. 188-194.
____________________________________________________________________
Подписано к печати 23.03.07
Формат 60x84/16 Печать офсетная
Бесплатно Уч.-изд. л. 1.0
Тираж 100 экз. Заказ __
Типография Алтайского государственного университета
656049, г. Барнаул, ул. Димитрова, 66
