Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 593189)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №4 2006

0   0
Страниц101
ID202517
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2006 .— №4 .— 101 с. — URL: https://rucont.ru/efd/202517 (дата обращения: 14.08.2022)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Часть I: обоснования методик 1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, 2 Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск Поступила в редакцию 19.07.2005 г. На базе теоретических расчетов интенсивности рассеянного света и наблюдений абсолютных индикатрис яркости в безоблачной атмосфере предложены методы селекции данных мониторинговых измерений яркости неба, представленных на сайте AERONET, с целью исключения облачных ситуаций. <...> В основе методик используется следующее условие: рассеяние солнечного света в безоблачной атмосфере реализуется на системе частиц с широким спектром их размеров, что исключает возможности проявления «лепестковой» структуры индикатрисы рассеяния. <...> Проводимый в последние годы NASA на фотометрах CIMEL наземный мониторинг аэрозольной оптической толщи и яркости дневного неба в альмукантарате Солнца во многих пунктах земного шара обеспечивает обширный наблюдательный материал, который может быть использован для построения как региональных, так и глобальных аэрозольных моделей атмосферы. <...> Однако в выставленных на сайте AERONET табличных величинах яркости неба [2] далеко не полностью исключено влияние облачности. <...> Поэтому каждый исследователь, использующий сведения из AERONET в тех или иных целях, сталкивается с необходимостью решения этой проблемы [37]. <...> Можно, например, показать [9], что средняя аэрозольная индикатриса однократного рассеяния fa() для области спектра = 0,55 мкм, полученная путем обращения экспериментальных данных о яркости неба в Юго-Восточном Казахстане [10], в интервале углов рассеяния 2° 160° с точностью до нескольких процентов аппроксимируется суммой индикатрис, соответствующих вышеуказанным модам. <...> Цифры в скобках указывают вклад каждой из фракций в суммарное аэрозольное ослабление света. <...> Следует заметить, что вышеприведенный диапазон углов рассеяния для альмукантарата Солнца 2° 160° охватывает все наблюдательные данные, представленные в AERONET. <...> Аэрозольная <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№4_2006.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 4 (2006) РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН УДК 551.521.3 Þ.ß. Ìàòþùåíêî1, Â.Ê. Îøëàêîâ2, Â.Å. Ïàâëîâ1 О селекции данных AERONET. Часть I: обоснования методик 1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, 2 Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск Поступила в редакцию 19.07.2005 ã. На базе теоретических расчетов интенсивности рассеянного света и наблюдений абсолютных индикатрис яркости в безоблачной атмосфере предложены методы селекции данных мониторинговых измерений яркости неба, представленных на сайте AERONET, с целью исключения облачных ситуаций. В основе методик используется следующее условие: рассеяние солнечного света в безоблачной атмосфере реализуется на системе частиц с широким спектром их размеров, что исключает возможности проявления «лепестковой» структуры индикатрисы рассеяния. В ряде пунктов наблюдений яркости на фотометрах CIMEL, расположенных в пустынях, в лесах, на океанских островах и в российских городах, проведена селекция наблюдательных данных с целью исключения облачных ситуаций. Отмечен малый процент безоблачных дней в океанских условиях. Хорошо известно, что качественная информация об интегрированных по высоте оптических параметрах аэрозоля может быть получена из анализа спектральной прозрачности, интенсивности рассеянного света и некоторых других характеристик безоблачной атмосферы [1]. Проводимый в последние годы NASA на фотометрах CIMEL наземный мониторинг аэрозольной оптической толщи и яркости дневного неба в альмукантарате Солнца во многих пунктах земного шара обеспечивает обширный наблюдательный материал, который может быть использован для построения как региональных, так и глобальных аэрозольных моделей атмосферы. Однако в выставленных на сайте AERONET табличных величинах яркости неба [2] далеко не полностью исключено влияние облачности. Выполненный в основном специалистами NASA трехуровневый отбор данных для исключения влияния облачности касается ситуаций, когда они располагаются на небосводе в направлении на Солнце. В большинстве же случаев величины яркости отдельных облачных образований входят в окончательные ряды данных по яркости неба, обозначенных как Level-2. Поэтому каждый исследователь, использующий сведения из AERONET в тех или иных öåëÿõ, сталкивается с необходимостью решения этой проблемы [3–7]. Наиболее объективный путь исключения влияния облачности из анализируемых рядов видится в привлечении спутниковой информации, что по ряду причин не всегда оказывается возможным. В связи с этим назрела необходимость обосновать и представить в компактной форме такие методы анализа угловых распределений наблюдаемой яркости неба, которые заведомо исключали бы из последующего рассмотрения облачные ситуации. Эта задача для солнечного альмукантарата решается в настоящей работе. Основная физическая предпосылка, используемая во всех последующих построениях, состоит в том, что в подавляющем большинстве случаев аэрозольное рассеяние света во всей атмосфере в целом осуществляется на широко распределенной по размерам системе частиц. Исходя из представлений [8], будем считать, что частицы аэрозоля включают в себя три моды: ультрамикроскопическую (ядра Айткена), субмикронную и грубодисперсную. Внутри каждой из фракций функция распределения частиц по размерам носит нормальный логарифмический характер. Можно, например, показать [9], что средняя аэрозольная индикатриса однократного рассеяния fa(ϕ) для области спектра λ = 0,55 мкм, полученная путем обращения экспериментальных данных о яркости неба в Юго-Восточном Казахстане [10], в интервале углов рассеяния 2° ≤ ϕ ≤ 160° с точностью до нескольких процентов аппроксимируется суммой индикатрис, соответствующих вышеуказанным модам. Параметры мод следующие: σ2 = 0,4 и а = –0,1 (ультрамикроскопическая ôðàêöèÿ, 15%), 0,4 и 0,4 (субмикронная ôðàêöèÿ, 60%) и 0,4 и 0,8 (грубодисперсная ôðàêöèÿ, 25%). Здесь σ – дисперсия логарифмов ðàäèóñîâ, а = –lnρ0; ρ0 = 2πr0/λ; r0 – средний геометрический радиус сферических частиц. Цифры в скобках указывают вклад каждой из фракций в суммарное аэрозольное ослабление света. Показатель преломления равен 1,5; аэрозольное поглощение пренебрежимо мало (коэффициент при мнимой части показателя преломления η принимается равным нулю). Следует заметить, что вышеприведенный диапазон углов рассеяния для альмукантарата Солнца 2° ≤ ϕ ≤ 160° охватывает все наблюдательные äàííûå, представленные в AERONET. Аэрозольная индикатриса fa(ϕ), суммированная по всем фракциям, О селекции данных AERONET. Часть I: обоснования методик 271
Стр.1
имеет минимум вблизи ϕ = 120° (обозначим этот угол как ϕmin), а c изменением ϕ от 120° до околосолнечного ореола (2°) и от ϕ = 120° до ϕ = 160°, ò.å. в противоположную сторону, представляет собой два систематически возрастающих «куска» функций, что подтверждается, например, анализом табличных данных [11]. Лепестковая структура аэрозольной индикатрисы рассеяния, характерная для отдельных крупных частиц и сред с узкими распределениями их по размерам, при таких значениях параметров ρ0 и σ в интервале углов рассеяния 2° ≤ ϕ ≤ 160° отсутствует. Комбинируя в различных пропорциях веса вышеперечисленных мод в суммарном аэрозольном ослаблении света (èëè параметры λ, σ, ρ0, n и η), можно в существенной степени менять форму интегральной аэрозольной индикатрисы рассеяния fa(ϕ), имитируя ее природные вариации. Так, например, величина коэффициента асимметрии рассеянных световых потоков для частиц аэрозоля π 2 Γ= a ∫ ∫ 0 π π 2 путем вариаций вклада мод в оптическую толщу рассеяния будет в рассматриваемом случае меняться в пределах от 5,6 (для чисто ультрамикроскопической фракции) до 15,7 (для чисто грубодисперсной фракции). Такой диапазон изменений Γа, по сути, включает в себя абсолютное большинство природных реализаций коэффициента асимметрии. Поскольку в наблюдаемую абсолютную индикатрису яркости f(ϕ) помимо аэрозольной компоненты fa(ϕ) входят молекулярная составляющая однократного рассеяния fм(ϕ), а также компоненты многократного рассеяния f2(ϕ) и отражения света от подстилающей поверхности fq(ϕ) с альбедо q [1]: f(ϕ) = fa(ϕ) + fì(ϕ) + f2(ϕ) + fq(ϕ), (2) то при использовании наблюдаемой суммарной функции f(ϕ) для селекции данных AERONET необходимо четко представлять, как каждая из ее составляющих может повлиять на угловое распределение ÿðêîñòè. Î÷åâèäíî, что суммирование fa(ϕ) с fì(ϕ) èç-çà слабой угловой зависимости последней (1 + cos2ϕ) существенно уменьшит вытянутость индикатрисы однократного рассеяния f1(ϕ) = fa(ϕ) + fì(ϕ) по сравнению с вытянутостью чисто аэрозольной индикатрисы fa(ϕ). При этом в зависимости от длины волны, мутности атмосферы и типа аэрозольной индикатрисы рассеяния заметно изменится и положение минимума в угловом распределении яркости при однократном рассеянии: смещение ϕmin может произойти от 120° вплоть до угла 90°. Однако условие систематического роста f1(ϕ) при ϕ < ϕmin в сторону меньших углов и при ϕ > ϕmin в сторону больших углов сохранится. 272 a f ϕϕdϕ a f ϕϕdϕ ()sin ()sin (1) Поскольку отражение света от подстилающей поверхности специалистами по теории переноса излучения обычно принимается ламбертовым и соответственно компонента fq – не зависящей от угла рассеяния, будем считать, что ее добавка к f1(ϕ) не повлияет на систематическое возрастание яркости с уменьшением ϕ от ϕmin и с увеличением ϕ на угловых расстояниях ϕ > ϕmin. Что же касается индикатрисы многократно рассеянного света f2(ϕ), то она в сравнении с индикатрисой первичного рассеяния f1(ϕ) обычно представляет собой слабо вытянутую «вперед» функцию с незначительной угловой зависимостью в задней полусфере [12]. Таким образом, есть все основания полагать, что суммарная индикатриса яркости f(ϕ) будет регулярно возрастающей функцией при ϕ < ϕmin в сторону меньших углов и при ϕ > ϕmin – в сторону больших углов рассеяния. Анализ расчетов абсолютных индикатрис яркости f(ϕ), выполненных Т.Б. Журавлевой для большого числа атмосферных параметров [13], полностью подтвердил это положение. Таким образом, из теории переноса излучения следует, что для широко распределенных по спектру частиц аэрозоля должен иметь место систематический рост наблюдаемой функции f(ϕ) с изменением ϕ по обе стороны от ϕmin. Если же на практике будут возникать нарушения этого роста в виде скачков в отдельных углах либо в интервале углов, то они с наибольшей вероятностью будут вызваны не индикатрисными эффектами, а горизонтальными неоднородностями в пространственном распределении рассеивающих частиц в атмосфере и в первую очередь наличием на небе отдельных облаков. Безусловно, такой критерий отбора безоблачных ситуаций должен быть отработан на полноценном экспериментальном материале в идеализированных безоблачных условиях. Такие наблюдательные ряды абсолютных индикатрис яркости f(ϕ) в свое время были получены сотрудниками Астрофизического института АН КазССР и Казахского педагогического института. На юговостоке Казахстана пунктами наблюдений служили Астрофизическая обсерватория и пос. Кирбалтабай, на Черноморском побережье Кавказа – пос. Геленджик [14]. Помимо наблюдений f(ϕ), на малоугловых фотометрах дневного неба измерялись оптические толщи τ и контролировалась стабильность оптических свойств атмосферы во времени по методике [15]. Фотометры были снабжены узкополосными интерференционными светофильтрами с длинами волн 0,40, 0,45, 055, 0,67, 0,71, 0,87 и 1,02 íì, ò.å. соответствовали тому спектральному диапазону, в котором представлены данные AERONET. Измерения индикатрис яркости выполнялись в углах рассеяния 2° ≤ ϕ ≤ 10° с шагом ∆ϕ = 2°, далее при 10° ≤ ϕ ≤ 20° с шагом ∆ϕ = 5°, при 20° ≤ ϕ ≤ 60° с шагом ∆ϕ = 10° и затем с шагом ∆ϕ = 20° вплоть до максимального угла рассеяния ϕmax, определяемого из условия cosϕ = cos2Z + sin2ZcosΨ, (3) Матющенко Þ.ß., Ошлаков Â.Ê., Павлов Â.Å.
Стр.2
где Z – зенитный угол Солнца; Ψ – азимут наблюдаемой точки неба, отсчитываемый от Солнца. В противосолнечной точке Ψ = 180° èìååì: ϕmax = 2Z. Поскольку наблюдения яркости неба, представленные в AERONET, проводятся при значениях Z, не превышающих 70–75°, то величина ϕmax в пределе достигает 140–150°. Полученные на юго-востоке Казахстана и в Геленджике именно при таких Z (и соответствующих им значениях ϕmax) экспериментальные данные использовались для решения вопроса о регулярности возрастания f(ϕ) по обе стороны от ϕmin. Для примера на рис. 1 изображены индикатрисы яркости при ϕ ≥ 60°, измеренные в Кирбалтабае в дни с максимальной и минимальной мутностью атмосферы. Аэрозольные оптические толщи в эти дни были соответственно равны 0,06 и 0,34 для λ1 и 0,05 и 0,32 для λ2. f(ϕ) Как и следовало ожидать, с уменьшением дли0,07 0,06 60 f(ϕ) 0,015 1 0,010 2 0,005 60 80 100 120 б 140 ϕ, град Рис. 1. Индикатрисы яркости f(ϕ) при углах рассеяния 60–140° по измерениям в Кирбалтабае для длин волн λ1 = 0,405 мкм (à) и λ2 = 0,706 мкм (á) при большой (1) и малой (2) мутности атмосферы Погрешность измерений f(ϕ) в относительных единицах (именно эти величины требуются для решения настоящей задачи) составляет около 1% при доверительной вероятности 0,95. Из рис. 1 видно, что угол ϕmin с точностью до нескольких градусов может быть выявлен достаточно надежно. Иногда минимум функции f(ϕ) в красной и инфракрасной областях спектра не имеет четкой локализации и занимает интервал углов ∆ϕ = 10–30°, причем внутри интервала могут иметь место флуктуации f(ϕ), обычно в пределах 1–2%. В подобных случаях яркость регулярно увеличивается с изменением ϕ по обе стороны от границ такого заранее выделенного интервала. К ана80 2 1 100 120 а 140 ϕ, град ны волны в формировании наблюдаемой индикатрисы яркости f(ϕ) возрастает роль компонент fм(ϕ) и f2(ϕ), что приводит к смещению ϕmin в сторону меньших углов. Для всех наблюдаемых индикатрис всегда выполнялось условие возрастания f(ϕ) с систематическим изменением ϕ по обе стороны от ϕmin. Чтобы убедиться, что это условие может быть использовано в анализе данных AERONET не только для натурных условий, но и в городской атмосфере, были рассмотрены экспериментальные ряды аэрозольных индикатрис однократного рассеяния света в приземном слое воздуха в Алма-Ате [16]. Подобного типа абсолютные индикатрисы аддитивно складываются с абсолютными индикатрисами вышележащих слоев и формируют яркость неба над городом. Их просмотр показал, что условие убывания fà(ϕ) от малых углов до ϕmin и возрастания f(ϕ) после ϕmin выполняется для всех исследованных 45 индикатрис в разных длинах волн в видимой области спектра. Итак, подводя итоги вышесказанному, есть основания полагать, что в безоблачной атмосфере это условие должно выполняться практически всегда и поэтому может служить основой в выборке безоблачных реализаций для альмукантарата Солнца в системе данных AERONET. В случае попадания в поле зрения фотометра облака в каком-либо из направлений визирования (ϕ + ∆ϕ) очень велика вероятность того, что его яркость будет больше яркости безоблачной атмосферы на угловом расстоянии ϕ от Солнца (èìåþòñÿ в виду наблюдения при ϕ < ϕmin). Вследствие этого скачком изменится гладкий угловой ход f(ϕ). Особенно четко присутствие облаков может быть обнаружено на больших угловых расстояниях от Солнца при ϕ > 70–80°, где яркость безоблачной атмосферы слабо зависит от угла рассеяния. Наличие в альмукантарате Солнца при ϕ < 60–70° малоконтрастных облаков, яркость которых незначительно превышает яркость безоблачного неба, с помощью подобного критерия обнаружить очень сложно. О селекции данных AERONET. Часть I: обоснования методик 273 логичному выводу приводит анализ экспериментальных данных в разных участках спектра и в другие безоблачные дни. Было исследовано свыше 150 индикатрис яркости, измеренных в 16 углах рассеяния. О положении угла ϕmin можно судить из данных наблюдений, представленных в табл. 1. Т а бл ица 1 Число случаев (â %) расположения угла ϕmin на одном из трех угловых расстояний в альмукантарате Солнца ϕmin, град 90 100 120 λ, мкм 0,45 0,65 0,70 0,85 5 13 87 0 2 80 15 72 26 0 41 59 1,01 0 22 78
Стр.3