Нефелометрическое зондирование тропосферного аэрозоля в задаче видения
На правах рукописи
Максимюк Владимир Сильвестрович
НЕФЕЛОМЕТРИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ
ТРОПОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ
В ЗАДАЧЕ ВИДЕНИЯ
Специальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Казань – 2007
Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном
предприятии «Научно-производственное объединение
«Государственный институт прикладной оптики»»
| Научный руководитель: | доктор физико-математических наук профессор Филиппов Вадим Львович |
| Официальные оппоненты: | доктор физико-математических наук, профессор Москаленко Николай Иванович доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Непогодин Иосиф Андреевич |
| Ведущая организация: | Томский Государственный университет им. В.В.Куйбышева |
Защита диссертации состоится 8 ноября 2007 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.18 в Казанском государственном университете им. Ульянова-Ленина по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, физический факультет, ауд.210.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке
им. Н.И. Лобачевского Казанского государственного университета.
Автореферат разослан 5 октября 2007 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.081.18
д.ф.-м. н., профессор А.В. Карпов
Общая характеристика работы
Актуальность. Известно, что аэрозоль – это основной компонент атмосферы, которым определяется пространственная и времення динамика её оптических свойств, и в том числе аэрозольного помутнения. Мерой оценки аэрозольного помутнения приземного слоя атмосферы является метеорологическая оптическая дальность, которая регулярно регистрируется специализированной сетью наземных наблюдательных пунктов. Вместе с тем, для решения задач видения на наклонных оптических трассах и задачах в области совершенствования методов прогноза погоды, климата, экологии, необходимо знание закономерностей вертикальной стратификации аэрозоля вне приземного слоя – в тропосфере. В данной работе исследуется наклонная прозрачность в тропосфере как составная часть в системе характеристик видения «объект-фон-атмосфера-прибор наблюдения».
Как отмечается в целом ряде монографий (Розенберга Г.В., Зуева В.Е, Ивлева Л.С., Филиппова В.Л.), для изучения закономерностей формирования макромасштабных метеорологических и оптических величин в воздушной массе с внутренней слоистой структурой стратификации атмосферного аэрозоля необходима постановка специальных оптико-геофизических исследований характеристик тропосферы, как элементов оптической погоды. Отечественные работы данного плана были поставлены в ИФА РАН, ФГУП «НПО ГИПО», ИОА СО РАН, АФИ НАН Казахстана. Первые систематизированные и регулярные комплексные оптико-геофизические исследования в широкой области длин волн были начаты Филипповым В.Л. под руководством Розенберга Г.В. на Звенигородской научной базе ИФА РАН в конце 60-х годов, а затем продолжены Филипповым В.Л, Макаровым А.С., Ивановым В.П. в Казани и других климатических зонах с учетом синоптического фактора оптической погоды. Одной из важнейших составляющих этого цикла работ, как специализированной программы «Тропосфера», стали нефелометрические и лидарные исследования с борта самолета-лаборатории, проведенные автором совместно с Татьяниным С.В. и Танташевым М.В. Подобные же работы широко развернуты в Восточной Сибири с использованием как стационарных, так и мобильных лидаров, нефелометров, аэрозольных счетчиков сотрудниками ИОА СО РАН (Томск) Панченко М.В., Матвиенко Г.Г., Гришиным А.И., Беланом Б.Д. и др. Однако в данных работах не решены проблемы повышенной точности, чувствительности измерений и селективности к фоновой засветке. Регулярные исследования аэрозоля спектро-нефелометрическими и поляризационными методами выполнялись сотрудниками ИФА РАН (Москва) Горчаковым Г.И., Свириденковым М.В, Сидоровым В.Н, Исаковым А.А и др., однако только для приземного слоя. Многоплановые исследования аэрозоля проводились в АФИ и ПИ (Алма-Ата) Пясковской-Фесенковой Е.В., Тороповой Т.П., Токаревым О.Д., в ИПГ (Москва) Смеркаловым В.А. в ИЭМ (Обнинск) Ковалевым А.Ф. и др. для оптической толщи атмосферы и приземного слоя. Известен ряд зарубежных работ по исследованию тропосферы, в числе которых – самолетные исследования характеристик аэрозоля в Европе по программе OPAQUE (Optical Atmospheric Quantities in Europe), выполненные с помощью модифицированного интегрального нефелометра. Их основные результаты отражены в работах Duntley S.Q., Johnson R.W., Gordon J.I., Charlson R.J.. Эти результаты выделены и обобщены группой авторов (Fenn R.W., Shettle E.P., Johnson R.W.) в виде известной климатической модели высотного профиля аэрозоля. Данная модель широко применяется, в том числе, в структуре современной версии пакета расчетных программ Modtran. К числу недостатков данной модели относится априорно принятое постоянство (статичность) высоты планетарного пограничного слоя (ППС) h2 = 2 км в различных климатических условиях её применения для баротропной атмосферы. В отечественных разработках изменчивость высоты h2 по рекомендациям Дябина Ю.П. (ФГУП «НПО ГИПО») и Панченко М.В.( ИОА СО РАН ) параметризуется по средней температуре ППС в масштабе сезонных градаций и внутри сезонных градаций. Исходя из указанных выше работ, к настоящему времени не решена проблема параметризации оптических характеристик ППС в дневное время суток в масштабе краткосрочного прогноза.
Путь решения актуальной задачи, предложенный автором, состоит в более точной диагностике вертикального профиля объёмного показателя аэрозольного светорассеяния и производных величин: концентрации и дисперсного состава фонового аэрозоля, наклонной прозрачности слоя тропосферы, с учетом синоптического фактора и с помощью нового комплекса разработанной нефелометрической аппаратуры высокой чувствительности и самолетного базирования. Введение дополнительных признаков для характеристики бароклинной атмосферы позволяет получить более точные оценки прогноза наклонной прозрачности с учетом изменения структуры барического поля и поля температуры теплых и холодных воздушных масс. Задействованный комплекс взаимодополняющих технических средств, состоящий из нефелометра и лидара, позволяет наиболее точно и достоверно выполнить важные для практики оптико-физические прямые исследования in situ оптических характеристик реальной атмосферы с минимумом априорных допущений, с учётом динамики атмосферных процессов в естественном синоптическом цикле смены погоды, над однородной и неоднородной подстилающей поверхностью.
Основой измерительного комплекса является аттестованный самолетный спектральный нефелометр с углом наблюдения 45°, специальной проточной конструкции с измерительным объёмом открытого типа. В оптимизированной схеме прибора получен предельно высокий энергетический потенциал, который и определил его основную фотометрическую характеристику – чувствительность, которая в 10…100 раз превышает чувствительность обычных приборов данного назначения. Достигнутые характеристики чувствительности и контраста прибора позволяют реализовать достоверные аэрозольные измерения в широком динамическом диапазоне концентраций в дневное время суток и в том числе, для условий предельно «чистого» воздуха в слое средней тропосферы.
В развитии нефелометрии необходимо особо отметить фундаментальную роль и значение работы Бартеневой О.Д. (Труды ГГО 1967, вып. 220), где систематизированы индикатрисы рассеяния приземного слоя и впервые развит нефелометрический метод анализа прозрачности атмосферы под углом наблюдения 45° (далее – метод 45°). Результаты данной работы часто привлекаются отечественными и зарубежными исследователями для сравнительного анализа и верификации своих результатов и новых эмпирических данных. Они послужили, в том числе, эмпирической базой и методической основой для постановки и проведения комплексного межнационального проекта США и ряда стран Европы в программе «OPAQUE» по самолетному исследованию индикатрис аэрозольного светорассеяния тропосферы, вертикальной стратификации тропосферного аэрозоля с борта самолета-лаборатории.
Конструкция атмосферного нефелометра по методу 45° впервые эвристически предложена и разработана в 1940 году сотрудником ГОИ Н.Э. Ритынем, который провел успешные испытания прибора в летний период 1942 года. Данный прибор, по сути, является прямым аналогом всех последующих конструкций данного типа, развитого в современных работах В.Н. Аднашкина, В.Г. Монастырского, Н.В. Гончарова, В.Н. Сидорова и др. В то же время за рубежом большое распространение получила конструкция нефелометра интегрального типа. Она впервые описана Waldram J.M. (1945 г.) и развита в работах Beuttell R.G., Brewer A.M. (1949), Duntley S.Q. (1958),. Ahlquist N.C. (1967), Charlson R.J. (1977). Спектральный вариант нефелометрического метода измерений 45° реализован для узкой области спектра (0,42-0,61 мкм) в самолетной конструкции прибора ФАН (ИОА) и в наземной конструкции ультрафиолетового СНУ(0,25-0,58 мкм) и инфракрасного СНИ (0,44-0,85 мкм) нефелометров (ИФА) как приборов закрытого типа, что сопряжено с погрешностями аспирации.
В отличие от предыдущих разработок, в настоящей работе впервые реализован самолётный вариант нефелометра 45 открытого типа и свободного от погрешности аспирации, высокой чувствительности и селективности с одновременным охватом более широкой области спектра (0,38-1,02 мкм), что рассматривается как необходимое условие для более точного анализа характеристик атмосферы в спектральной области работы телевизионных систем наблюдения (~1 мкм) и расчета показателя Ангстрема из результатов спектронефелометрических аэрозольных измерений средней и нижней тропосферы в дневное время суток.
Цель работы
Целью работы является повышение точности прогноза и количественной оценки спектральной прозрачности атмосферы в задаче видения наземных объектов для наклонных трасс визирования в условиях слоисто-однородной стратификации тропосферного аэрозоля в дневное время суток.
Основные задачи диссертационной работы
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Провести самолетные нефелометрические исследования высотного профиля объёмного показателя аэрозольного светорассеяния тропосферы
а (h, ) в различных погодных условиях и географических районах над однородной поверхностью (суша) и неоднородной поверхностью (море-суша, город-пригород), на основе специально разработанной нефелометрической аппаратуры.
2. Провести анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований в форме динамической модели (схемы) краткосрочного прогноза структуры вертикального профиля показателя аэрозольного рассеяния (ослабления) атмосферы.
3. На основе предложенной динамической модели разработать инженерную методику расчета краткосрочного прогноза наклонной прозрачности атмосферы с повышенной точностью результатов.
Научная новизна работы заключается в том, что автором:
– впервые разработана конструкция атмосферного нефелометра 45° для широкой спектральной области измерений (0,38…1,02 мкм) с высокой и ранее недостижимой чувствительностью анализа (10-5 км-1);
– для монохромного метода нефелометрических измерений 0=45 на опорной длине волны 0=0,5 мкм, предложено теоретическое обоснование его применимости в широком спектральном диапазоне длин волн (0,38…1,02 мкм). Это решение получено на основе анализа знакопеременного градиента нормированной индикатрисы рассеяния g() по параметру =2а/ в функции угла рассеяния. Консервативное свойство нулевого градиента g() в области 5, является основой метода спектральной нефелометрии, а также инвариантом относительно двух переменных величин – радиуса частиц аэрозоля а и волнового числа 1/;
– для спектрально-нефелометрического метода 45 предложена методика обработки аналитического сигнала в многопотоковом приближении, а также со спектральной коррекцией нормированной индикатрисы рассеяния
g(0,0)=0.12 в виде его переменного значения как функция 1/0,2;
– для индикатрисы аэрозольного светорассеяния проведен расчет угловой зависимости показателя Ангстрема. Предложена физическая интерпретация эффекта спектральной селективности рассеянного излучения на элементарных центрах рассеяния для некогерентного источника излучения как результат когерентных взаимодействий парциальных волн с учетом фазы. На этой основе сформулированы предложения для адекватной интерпретации результатов нефелометрических измерений с различными углами анализа 45, 0 и 5…175;
– предложена модификация коэффициентов формулы Ангстрема
(~n1-n2), для которой установлена эмпирическая связь параметров n1 и n2 в виде универсальной функции n1= exp- (0,7 n2), не зависящей от используемого углового метода анализа (=45°, или =0°);
– установлены эмпирические коэффициенты уравнения линейной регрессии, для краткосрочного прогноза высоты аэрозольного ППС в дневное время суток, как производную от термических характеристик приземного слоя и динамических (циркуляционных) характеристик слоя свободной атмосферы;
– экспериментально подтверждено, что микрофизическая структура субмикронного аэрозоля является консервативной характеристикой воздушной массы для слоя нижней и средней тропосферы при существенном изменении концентрации аэрозольной субстанции с высотой. Предложено использовать эту особенность в методике прямой экстраполяции приземных данных о показателе Ангстрема на разные высоты нижней и средней тропосферы.
Практическая значимость состоит в том, что:
– разработаны и реализованы способы увеличения энергетического потенциала нефелометра, его чувствительности, точности, фотометрического контраста измерений, предложено развитие метода спектрально-нефелометрического анализа микрофизических свойств аэрозольного компонента атмосферы, которые могут быть использованы как аналитические при разработке новых средств контроля концентрации и дисперсного состава субмикронной фракции атмосферного аэрозоля;
– установлены эмпирические зависимости толщины пограничного слоя (ППС) от термодинамических характеристик атмосферы, как необходимой составляющей динамической модели вертикального профиля аэрозоля в задаче прогноза его параметров с повышенной точностью и пространственным разрешением в условиях слоисто-однородной структуры бароклинной атмосферы. Эти результаты могут быть использованы при построении уточнённой оптико-метеорологической модели атмосферы, а также региональных динамических моделей, учитывающих тонкую структуру динамики высоты пограничного слоя;
– результаты диссертационной работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ФГУП «НПО ГИПО» в виде экспериментальных данных контроля и моделирования наклонной прозрачности атмосферы. Использование указанных результатов позволило повысить качество, и сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ при разработке оптико-электронных систем.
На защиту выносится:
1. Самолетный спектральный измерительный комплекс для определения следующих величин:
– объёмного показателя аэрозольного рассеяния а (0=0,54 мкм) в диапазоне от 0,00015 до 3 км-1 с относительной погрешностью менее ±15%;
– объёмного спектрального показателя аэрозольного рассеяния а () на 5 длинах волн в области =0,38-1,02 мкм, с относительной погрешностью менее 15%. При этом показано, что спектральный ход а () в указанном диапазоне длин волн следует модифицированной формуле Ангстрема:
а () = а (0) n1 -n2, где n1 = еxp (–0,7n2) – эмпирическая функция, n1=±5%;
– показатель Ангстрема n2 (45°), определенный по нефелометрическому методу анализа =45, находится в диапазоне от 0 до 4 с абсолютной погрешностью измерений n2 = 0,30. Показатель Ангстрема n2 (0°), определённый по методу прозрачности 0, находится в диапазоне от 0 до 2;
– показатель обратного рассеяния атмосферы а на длине волны 0,69 мкм, регистрируемый лидаром в направлении визирования вертикально вниз определён в относительных единицах на удалениях h<3 км, с погрешностью h=±0,1 км.
2. Результаты экспериментальных исследований оптических характеристик аэрозольной тропосферы и закономерности структуры вертикального профиля, полученные в центральной части ЕТР над однородной континентальной поверхностью, которые верифицированы и нашли подтверждение в других географических районах, (аридной зоне, над Тихим океаном, над неоднородной поверхностью суша-море, над городом – пригородом), а также при сравнении результатов измерения аэрозольных характеристик тропосферы и стратосферы.
3. Модель (схема) краткосрочного прогноза вертикального дневного профиля а(h, ), разработанная с учетом динамики термобарического поля слоя свободной атмосферы и высоты ППС с погрешностью ±0,3 км.
4. Методика инженерного расчета оптических величин с повышенной точностью по разработанной динамической модели. Данная методика исключает неконтролируемые вариации оптической плотности атмосферы характерные для долгосрочного прогноза ППС и осреднения данных по сезонно-климатическому принципу.
Апробация результатов
Основные результаты исследований докладывались на Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1981, 1983, 1986, Красноярск 1987), Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1980, 1982, 1984, г.Туапсе 1986 г.), Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсных средах (Обнинск, 1988), Всесоюзной конференции «Теоретические и экспериментальные исследования оптически-активных компонент атмосферы» (Ленинград-Выборг, 1988), XIII International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», (Tomsk, 2006).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 17 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах и в сборниках научных трудов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения, списка литературы из 191 наименований, списка публикаций. Работа содержит 170 стр. машинописного текста, в том числе 35 рисунков и 13 таблиц.
Личный вклад автора
Автором выполнена основная часть исследований – постановка отдельных задач выполненной программы работ, разработка и аттестация аппаратуры, методики экспериментов, организация и проведение летных экспедиций в составе экипажа, проведение измерений, обработка и анализ данных, интерпретация полученных результатов и их обобщение. Соавторами выполнена часть работ, связанная с проведением экспериментов, обработкой и анализом полученных данных.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проанализированы история и состояние вопроса, сформулированы основные задачи исследования, обосновывается достоверность полученных результатов, научная новизна и практическая значимость положений, выносимых на защиту.
В первой главе рассмотрены методология и конкретизированы задачи исследования. Формулируются прогностические взаимосвязи, подлежащие подтверждению в натурном эксперименте. Задачи решаются в соответствии с современными представлениями о физике и динамике атмосферы, а также механизма взаимодействия оптического излучения с диспергированным веществом и теории переноса оптического излучения в рассеивающей среде. Формулируются требования к измерительной оптико-электронной аппаратуре, методике и точности анализа прозрачности атмосферы в условиях слоисто неоднородной стратификации. Основой методологического подхода служит физически обоснованное положение о тесной связи оптических и метеорологических величин как консервативных характеристиках воздушной массы при низкой относительной влажности (менее 60%). Физической основой методики для анализа и обобщений характеристик пограничного слоя является известное положение о доминирующей роли турбулентности и вертикальных движений в условиях бароклинной атмосферы и гипотеза о возможном существовании взаимосвязанной системы физических параметров по вертикали для слоисто стратифицированной атмосферы. Показано, что результаты диагностики характеристик атмосферы могут быть представлены в виде эмпирических коэффициентов связи как реперных точек в прогнозируемой функциональной зависимости между оптическими и метеорологическими параметрами для контролируемых условий погоды. Показано, что достоверность результатов обеспечивается применением физически обоснованного методологического подхода к анализу атмосферных процессов, а также используемого экспериментального оптико-физического метода исследований, который базируется на способе получения в открытом воздушном пространстве, на разных высотах наиболее точных эмпирических данных (с минимумом априорных допущений) по принципу прямых локально-оптических измерений в слое воздуха in situ с борта самолета, при одновременном системном анализе макромасштабных синоптических процессов в окружающей атмосфере. В выводах к первой главе обозначен перечень ожидаемых конечных результатов исследований и основных параметров средств контроля атмосферы.
Вторая глава посвящена аппаратурным и методическим аспектам выполненного исследования. В ней сформулированы требования и принятые технические решения. Показана целесообразность и оптимальность реализации приборного комплекса в составе нефелометра и лидара. Обоснован спектрально-нефелометрический метод зондирования под углом 45°. Рассмотрены вопросы, обеспечивающие достижение высокого энергетического потенциала нефелометра и фотометрического контраста в его измерительном объёме, что позволило проводить измерения характеристик аэрозольного светорассеяния в открытом объёме пространства, (в том числе в «чистой атмосфере») в дневное время суток. Разработаны методы и средства градуировки для метрологической аттестации нефелометра. Предложена и реализована оптическая схема нефелометра «Угол» (Рис.1) с импульсным излучателем высокой яркости (1), в геометрии кольцевой схемы прибора с широкоугольным объективом (2) в канале излучателя и узким полем зрения в канале фотоприемника (11). Это позволяет реализовать высокий энергетический потенциал оптической системы и точность измерений с минимизацией величины фоновой засветки фотоприемника с высоким контрастом. Расчет оптической схемы прибора рассматривается в приближении контраста яркости с учетом оптических характеристик излучения по признакам интенсивности и её распределения в телесном угле для каналов излучателя и фотоприемника. Разработан вариант схемы спектральной калибровки прибора с неселективным зеркальным рассеивателем (16) и ослабителем (24). Предложена аналитическая формула для расчета габаритов нефелометра 45 в приближении геометрической оптики с оптимизацией оптической схемы одновременно по двум признакам: минимальных габаритов и минимальных значений фоновой засветки от внутреннего источника излучения. Рассматривается также широкоугольный вариант интегрального нефелометра с кольцевой схемой осевой симметрии (в которой повышен энергетический потенциал по сравнению с геометрией линзового интегрального нефелометра боковой симметрии) и типовой геометрией безлинзового интегрального нефелометра боковой симметрии.
Предложена методика обработки измеренного сигнала с его декомпозицией в виде многопотокового приближения. Она позволяет реализовать достоверность и точность анализа аэрозольного компонента при высокой прозрачности атмосферы на уровне пороговых значений чувствительности, зафиксировать параметры прибора в статических условиях применения и экстраполировать их на динамические условия применения при внешних воздействиях переменных значений температуры, давления, скорости потока воздуха в широком диапазоне их вариаций и градиентов.
Показано, что вносимая дополнительная погрешность измерений, связанная с влиянием дестабилизирующих факторов температуры и скорости воздушного потока, не превышает допустимого предела случайной погрешности метода измерений.
 |  |
| Рис.1 Оптическая схема спектрального нефелометра «Угол». 3, 10 – сотовая бленда, 23 – коническая бленда, 12 – светофильтры, 15 – ФЭУ. | Рис.2 Взаимосвязь параметров формулы Ангстрема(~n1-n2), определённая по методу =45°(), и по методу прозрачности =0° () (В.Л. Филиппов). |
Таким образом, в спектральном нефелометре «Угол» реализованы следующие технические характеристики:
– порог измерения прибора по объёмному показателю рассеяния Р(о)=0,00015 км-1, при о=10 нм, и отношении С/Ш=3;
– динамический диапазон, не менее 1000;
– относительная погрешность измерений ±15%;
– постоянная времени – 0,4 с;
– средний фотометрический контраст – В/В=102.
При рассмотрении вопросов качества, достоверности и точности нефелометрического анализа аэрозольной атмосферы установлено, что приведённая совокупность характеристик нефелометра «Угол» имеет достаточно высокие показатели, которые ранее считались недостижимыми.
Предложен и реализован метод интерпретации результатов спектральных нефелометрических измерений в видимой и ближней ИК области спектра, а также метод и средства градуировки прибора по величине молекулярного рассеяния излучения в атмосфере чистых газов. Достоверность градуировки подтверждена и контролируется тремя независимыми методами. Доверительная погрешностью результата градуировки не превышает ±5% при доверительной вероятности Р=0,96. Что соответствует метрологическим требованиям о передаче размера единиц меры (±1%) от образцовых средств измерений к рабочим.
Спектральный нефелометр «Угол» отнесен к нестандартным средствам измерений, прошёл метрологическую аттестацию в установленном порядке и аттестован по данной категории. Контроль метрологических характеристик прибора в процессе эксплуатации, осуществляется дистанционно и оперативно по встроенному калибратору (16,24 рис.1) наряду со статическим наземным контролем характеристик прибора по газам и по диффузному экрану. Обсуждаются источники погрешностей, даны оценки аттестуемых параметров спектрального нефелометра «Угол» в сравнении с известными отечественными и зарубежными аналогами. Приводятся характеристики самолетного лидара «Нева» с обзором вниз, как адаптированный вариант квантового дальномера. В выводах к главе сформулированы основные технические характеристики разработанного комплекса приборов.
Третья глава посвящена обсуждению основных экспериментальных результатов выполненного исследования над континентом в фоновых условиях Подмосковья для 38 различных дней во все сезоны года. Данные результаты верифицированы и дополнены результатами 60 полетов в отдельных экспедициях в Крыму, в Поволжье (Казань), в аридном районе (Алма-Ата) и на Дальнем Востоке, Полученная совокупность результатов исследований служит исходным материалом для формирования динамической модели краткосрочного прогноза профиля а(h) в слоисто-однородной атмосфере.
Четвертая глава посвящена описанию динамической модели вертикального профиля. При выборе входных параметров модели основное внимание обращалось на доминантную роль выбранных физических процессов атмосферы и установленных в качестве предикторов, в числе которых турбулентный перенос аэрозольной субстанции, а также скорость и направление (= ± 0,02 м/с) упорядоченного вертикального движения воздуха синоптического масштаба разных барических систем (Рис.3).
|
Рис. 3 Динамическая модель вертикального профиля а( Н, ).
1 – пограничный слой на высоте h2; 2, 3 – характеристики слоя свободной атмосферы; температурная зависимость высоты h2 для вертикальной скорости барической системы циклона – 4, промежуточного поля – 5 и антициклона – 6.
Действие данных механизмов переноса идентифицируются путем измерения следующих величин: приземной средней дневной (суточной) температуры ±t с учётом знака, формы и направления кривизны изобар на изобарической поверхности 700 мб и 500 мб. Данные метеорологические величины могут быть легко измерены на сетевых станциях метеорологических наблюдений, а также дополнены оптическими измерениями показателя рассеяния и показателя Ангстрема. Разработана динамическая модель и алгоритм расчета следующих оптических параметров:
1. а(h2) = а(hо), hо – приземный слой;
2. а(hс*)/а(h2) = 0,12 ± 0,07, hс* – нижняя граница свободной атмосферы;
3. а(hс) = а(hс*) exp(– z/а), для hт >z> h2; а = 5±1; hт – тропопауза;
4. а(h5)ср = <0, 010> ± 0,001 км-1, h5= 5 км;
4.1 а(h5) = 0,005 ± 0,001 км -1, для массы МАВ
4.2 а(h5) = 0,013 ± 0,001 км -1, для массы МУВ
5. h2(t,) = (а t + в) км, для +30°С > ±t > –20°С, h2(±t,) = ± 0,3км;
а1 = 0,10; в1 = 1,6; для 1 = + 0,02 м/с, циклон;
а2 = 0,08; в2 = 1,6; для 2 = ± 0,01 м/с, промежуточное поле;
а3 = 0,04; в3 = 1,4; для 3 = – 0,02 м/с, антициклон.
а4 = 0,08; в4 = 1,8; h2(±t) = ± 0,6 км, с учетом только температуры.
6. а() = а(0) n1 -n2;
6.1 n1= exp-(0,7 n2), n1=±5%;
6.2 n2 (45°)
0-4; для = 45°;
6.3 n2 (0°)
0-2; для = 0°;
6.4 n2 (0°) 0,5 n2 (45°);
6.5 n2 (h0) = n2( h2)= n2( hс) = n2( h)ср.
Данная динамическая модель позволяет восстановить вертикальный профиль показателя рассеяния а(h,) по схеме рис.3 для климатической зоны средней географической широты с использованием типовой метеорологической информации и основных связей. Погрешность краткосрочного прогноза высоты ППС составляет ± 0,3 км, что в два раза меньше, чем погрешность по методу прогноза, основанного на сезонном принципе учета динамики высоты ППС (±0,6 км).
В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.
Основные результаты диссертации
1. Проведены самолетные нефелометрические исследования тропосферы на основе специально разработанной нефелометрической аппаратуры и метода.
2. В результате выполненных исследований получены характеристики и функциональные зависимости, которые описывают параметры разработанной динамической модели.
3. На основе предложенной динамической модели разработана инженерная методика расчета наклонной прозрачности атмосферы с повышенной точностью результатов. Данная методика исключает неконтролируемые вариации оптической плотности атмосферы, характерные для долгосрочного прогноза ППС и осреднения данных по сезонно-климатическому принципу.
Проведённые натурные спектрально-нефелометрические исследования оптических характеристик тропосферного аэрозоля подтвердили теоретические ожидания, исходящие из основных положений физики атмосферы. Предложенная аналитическая форма и алгоритм для моделирования вертикального профиля и высоты пограничного слоя на основе выбранных предикторов позволяют связать структуру вертикального профиля аэрозоля, определенного оптическим методом спектральной нефелометрии со стандартными метеорологическими и оптическими величинами приземного слоя атмосферы в виде инженерной методики. В итоге сложилась завершённая концепция, которая оказалась плодотворной при решении проблемы повышенной точности диагноза и прогноза наклонной прозрачности атмосферы в задаче видения объектов для условий оптической погоды со слоистой стратификацией тропосферного аэрозоля.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:
- Максимюк В.С., Филиппов В.Л. Самолетные исследования динамики аэрозоля, определяющей изменчивость оптической погоды // Оптический журнал. 2007, №1, с.50-54.
- Maksimyuk V.S., Philippov V.L. Airplane research of a vertical structure of concentration and disperse structure of troposphere aerosol in the interest of problems of vision in an atmosphere // Proc. SPIE, The International Society for Optical Engineering. 2006, vol. 6522, № 11, 652222.
- Maksimyuk V.S. Airplane Researches of a Vertical Concentration Structure and Disperse Structure of Troposphere Aerosol in the Interests of Problems of Vision in an Atmosphere // XIII International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics”. Abstracts.-Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2006, p.170…171.
- Maksimyuk V.S. Angular Dependence of Angstrom Parameter for Junge Distributions // XIII International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics”. Abstracts.-Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2006, p.131…132.
- Максимюк В.С., Филиппов В.Л. Измерительная аппаратура и результаты исследований пространственно-временной структуры аэрозоля в различных климатических районах // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Казань: «Новое знание». 2005. Выпуск 2(43). С.33-46.
- Максимюк В.С., Файзрахманова Г.Ф. Пространственная структура показателя аэрозольного ослабления над Алма-Атой по данным нефелометрических измерений с борта самолета-лаборатории // Исследование загрязнения атмосферы Алма-Аты. Часть 1. Эксперимент АНЗАГ-87. Алма-Ата: Гылым, 1990. с.93-101.
- Максимюк В.С., Татьянин С.В. Анализ количественных данных показателя аэрозольного ослабления тропосферы и стратосферы в подспутниковом эксперименте // Оптика атмосферы. 1989. Т.2. №8. С.891–893.
- Герасимов А.В., Максимюк В.С., Татьянин С.В. О влиянии метеорологических характеристик на определение толщины пограничного слоя атмосферы методами оптического зондирования // Метеорология и гидрология. 1988. № 2. С.25-33
- Максимюк В.С., Татьянин С.В. Модельные представления о структуре вертикального распределения тропосферного аэрозоля по данным нефелометрического и лазерного зондирования с борта самолета-лаборатории // Оптические свойства земной атмосферы. Сборник научных трудов ТФ СО АН СССР Томск, 1988, с.41-44.
- Максимюк В.С., Танташев М.В., Семенов Л.С. Многоканальный нефелометр для определения спектральной прозрачности атмосферы с борта самолета. – Оптико-механическая промышленность, 1987, №6, с.20-22.
- Максимюк В.С., Танташев М.В., Татьянин С.В. Экспериментальные исследования наклонной прозрачности с помощью самолетного нефелометра и лидара // Тезисы докладов Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии. Москва. 1986. С. 152.
- Максимюк В. С., Танташев М.В., Татьянин С.В. Оптический комплекс для исследования вертикальной структуры тропосферного аэрозоля // Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Тезисы докладов, Часть III. Томск, 1986, с.211-215.
- Максимюк В.С., Танташев М.В., Татьянин С.В. Показатель аэрозольного ослабления тропосферы по данным нефелометрического зондирования с борта самолета -лаборатории. – Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере, Часть 1, Томск, 1986, с.67-71.
- Максимюк В.С., Татьянин С.В., Царевская Р.А. Вариации показателя Ангстрема для аэрозольного ослабления в тропосфере по данным нефелометрического зондирования с борта самолета лаборатории // 111 Всесоюзное совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде. Тез. докл. Ч.1. Обнинск, 1985, с.79-82.
- Козлов С.Д., Макаров А.С., Максимюк В.С., Татьянин С.В., Топорков Ю.Г. Синхронные исследования ослабляющих рассеивающих и поглощающих характеристик аэрозольной атмосферы промышленного района горно-долинной местности // III Всесоюзное совещание по атмосферной оптике и актинометрии. Тезисы докладов. Ч.1, Томск, 1983. С.22-23.
- Максимюк В.С., Танташев М.В., Татьянин С.В. Исследование пространственной структуры оптических характеристик атмосферы над сушей и морем // Тезисы докладов VI Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере, Часть 1, Томск, 1981, с. 52-55.
- Максимюк В.С., Танташев М.В., Татьянин С.В. О горизонтальной однородности плотности аэрозоля в нижней тропосфере // Тезисы докладов VI Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Часть 1, Томск, 1980, с. 54-55
