Российская академия наук
Сибирское отделение
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Том 27, ¹ 12
äåêàáðü, 2014
Научный журнал
Основан в январе 1988 года академиком В.Е. Зуевым
Выходит 12 раз в год
Главный редактор
доктор физ.-мат. наук Г.Г. Матвиенко
Заместители главного редактора
доктор ôèç.-ìàò. наук Á.Ä. Áåëàí,
доктор физ.-мат. наук Ю.Н. Пономарев
Ответственный секретарь
доктор физ.-мат. наук В.А. Погодаев
Редакционная коллегия
Багаев С.Н., академик РАН, Институт лазерной физики (ИЛФ) СО РАН, г. Новосибирск, Россия;
Банах Â.À., ä.ô.-ì.í., Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева (ÈÎÀ) СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Белов Â.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Букин О.А., д.ф.-м.н., Дальневосточная морская академия им. адмирала Г.И. Невельского, г. Владивосток, Россия;
Голицын Г.С., академик РАН, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова (ИФА) РАН, г. Москва, Россия;
Еланский Í.Ô., ÷ë.-êîð. ÐÀÍ, ИФА ÐÀÍ, ã. Ìîñêâà, Ðîññèÿ;
Землянов À.À., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Кандидов В.П., д.ф.-м.н., Международный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия;
Кулмала М. (Kulmala M.), проф., руководитель Отдела атмосферных наук кафедры физики, Университет г. Хельсинки,
Финляндия;
Лукин Â.Ï., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Михайлов Г.А., чл.-кор. РАН, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
г. Новосибирск, Россия;
Павлов В.Е., д.ф.-м.н., Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, Россия;
Панченко Ì.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Ражев À.Ì., ä.ô.-ì.í., ИЛФ СО ÐÀÍ, ã. Новосибирск, Ðîññèÿ;
Тарасенко В.Ф., д.ф.-м.н., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Россия;
Шабанов В.Ф., академик РАН, Красноярский научный центр СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Шайн К. (Shine K.P.), член Английской академии наук, королевский профессор метеорологических и климатических
наук, Департамент метеорологии, Университет г. Рединга, Великобритания;
Циас Ф. (Ciais P.), проф., научный сотрудник Лаборатории климатических наук и окружающей среды совместного научно-исследовательского
подразделения Комиссариата атомной энергии и Национального центра научных исследований
(НЦНИ) Франции, г. Жиф-сюр-Иветт, Франция
Совет редколлегии
Борисов Ю.А., к.ф.-м.н., Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный Московской обл., Россия;
Заворуев В.В., д.б.н., Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Ивлев Л.С., д.ф.-м.н., Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока при СПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия;
Игнатьев А.Б., д.т.н., ГСКБ концерна ПВО «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина, г. Москва, Россия;
Кабанов М.В., чл.-кор. РАН, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия;
Михалев А.В., д.ф.-м.н., Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Россия;
Якубов В.П., д.ф.-м.н., Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия
Зав. редакцией С.Б. Пономарева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
Ðîññèÿ, 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Адрес ðåäàêöèè: 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Òåë. (382-2) 49-24-31, 49-19-28; факс (382-2) 49-20-86
E-mail: psb@iao.ru
http://www.iao.ru
Сибирское отделение ÐÀÍ, 2014
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева СО ÐÀÍ, 2014
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Том 27, ¹ 12 (311), c. 1033–1128
äåêàáðü, 2014 ã.
ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Веретенников В.В., Меньщикова С.С. Годовой цикл в изменчивости микроструктурных параметров аэрозоля
по данным солнечной фотометрии ................................................................. 1035
ОПТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И БАЗЫ ДАННЫХ ОПТИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Апексимов Ä.Â., Букин Î.À., Голик Ñ.Ñ., Землянов À.À., Иглакова À.Í., Кабанов À.Ì., Кучинская Î.È.,
Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Соколова Е.Б., Хорошаева Е.Е. Пространственные характеристики
области филаментации гигаваттных лазерных импульсов при их различной фокусировке на атмосферной трассе 1042
Сакерин Ñ.Ì., Береснев Ñ.À., Кабанов Ä.Ì., Корниенко Ã.È., Николашкин Ñ.Â., Поддубный Â.À., Тащилин Ì.À.,
Турчинович Þ.Ñ., Holben B.N., Smirnov A. Анализ подходов моделирования годового и спектрального хода
аэрозольной оптической толщи атмосферы в регионах Сибири и Приморья ................................ 1047
Виноградова А.А. Эмиссии антропогенного черного углерода в атмосферу: распределение по территории России 1059
Павлов В.Е., Голобокова Л.П., Хвостов И.В., Ходжер Т.В. О временной изменчивости содержания ряда ионов
в приземном растворимом аэрозоле в некоторых пунктах Южного Прибайкалья и Приморского края...........
1066
Кулипанов Ã.Í., Лисенко À.À., Матвиенко Ã.Ã., Ошлаков Â.Ê., Кубарев Â.Â., Чесноков Å.Í., Бабченко Ñ.Â.
Экспериментальные исследования взаимодействия терагерцового излучения новосибирского лазера на свободных
электронах с водным аэрозолем ................................................................... 1070
Баженов О.Е. Исследование квазидвухлетней цикличности общего содержания и концентраций озона
на отдельных высотных уровнях над Арктикой и Томском по данным спутниковой аппаратуры TOMS .........
1074
Комаров В.С., Матвиенко Г.Г., Ильин С.Н., Ломакина Н.Я. Региональные особенности долгопериодного
изменения облачного покрова в Сибирском секторе Северного полушария за последние 45 лет (19692013 ãã.) . . . 1079
Михалев А.В., Подлесный С.В., Стоева П.В. Оптические характеристики ночного неба в Восточной Сибири после
падения Челябинского метеорита. I. Яркость ночного неба ............................................. 1085
Черемисин А.А., Кушнаренко А.В. Фотофоретическое
взаимодействие аэрозольных частиц и его влияние
на коагуляцию в àòìîñôåðå....................................................................... 1090
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Банах В.А., Маракасов Д.А., Сазанович В.М., Цвык Р.Ш. Экспериментальные исследования акустического поля,
возбуждаемого сверхзвуковой струей ............................................................... 1098
Трофимов В.Ф., Архипов В.А., Жарова И.К. Диагностика дисперсного состава жидкокапельных аэрозолей
методом малоуглового рассеяния .................................................................. 1102
ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Губарев Ô.À., Евтушенко Ã.Ñ. Частотно-импульсное кодирование генерации CuBr-ëàçåðà..................... 1107
Тригуб М.В., Огородников Д.Н., Димаки В.А. Исследование источника накачки лазера на парах металлов
с импульсным зарядом рабочей åìêîñòè............................................................. 1112
ИНФОРМАЦИЯ
Указатель статей и кратких сообщений, опубликованных в журнале «Оптика атмосферы и океана» за 2014 г. .....
Именной указатель 27-ãî òîìà...................................................................... 1126
1116
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 2014
Стр.2
CONTENTS
Vol. 27, No. 12 (311), p. 1033–1128
Inverse problems of atmospheric and ocean optics
Veretennikov V.V., Men’shchikova S.S. Annual cycle in variability of aerosol microstructure parameters determined
from solar photometry data........................................................................ 1035
Optical models and databases
Apeksimov D.V., Bukin O.A., Golik S.S., Zemlyanov A.A., Iglakova A.N., Kabanov A.M., Kuchinskaya O.I.,
Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Petrov A.V., Sokolova E.B., Khoroshaeva E.E. Spatial characteristics of the
filamentation region of gigawatt laser pulses at their various focusing along an atmospheric path ................. 1042
Sakerin S.M., Beresnev S.A., Kabanov D.M., Kornienko G.I., Nikolashkin S.V., Poddubnyi V.A., Tashchilin M.A.,
Turchinovich Yu.S., Holben B.N., Smirnov A. Analysis of approaches to modeling the annual and spectral behaviors
of the atmospheric aerosol optical depth in regions of the Siberia and Primorye ............................... 1047
Vinogradova A.A. Anthropogenic black carbon emissions to the atmosphere: surface distribution through Russian
territory ...................................................................................... 1059
Pavlov V.E., Golobokova L.P., Khvostov I.V., Khodzher T.V. On temporal variability of ion content in surface
soluble aerosol in some sites of the Southern Baikal and Primorsky Krai .................................... 1066
Kulipanov G.N., Lisenko A.A., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Kubarev V.V., Chesnokov E.N., Babchenko S.V.
Experimental study of the interaction between terahertz radiation from the Novosibirsk free-electron laser and
water aerosol .................................................................................. 1070
Bazhenov O.E. Study of the quasi-biennial oscillation of total ozone and ozone concentrations at individual altitude
levels over Arctic and Tomsk according to data of TOMS satellite instrumentation ............................ 1074
Komarov V.S., Matvienko G.G., Il’in S.N., Lomakina N.Ya. Regional features of long-term changes of cloud cover in
the Siberian sector of the Northern hemisphere during the last 45 years (from 1969 to 2013)..................... 1079
Mikhalev À.V., Podlesnyi S.V., Stoeva P.V. Optical characteristics of the night sky over Eastern Siberia after the
Chelyabinsk meteorite fall. I. Night sky brightness ..................................................... 1085
Cheremisin A.A., Kushnarenko A.V. Photophoretic interaction of aerosol particles and its effect on coagulation in the
atmosphere .................................................................................... 1090
Optical instrumentation
Banakh V.A., Marakasov D.A., Sazanovich V.M., Tsvyk R.Sh. The results of research of the acoustic field generated
by а supersonic jet .............................................................................. 1098
Trofimov V.F., Arkhipov V.A., Zharova I.K. Diagnostics of liquid-drop aerosols dispersity by small-angles scattering
method ....................................................................................... 1102
Optical sources and receivers for environmental studies
Gubarev F.A., Evtushenko G.S. Pulse-frequency modulation of CuBr laser emission............................ 1107
Trigub M.V., Ogorodnikov D.N., Dimaki V.A. Study of metal vapor laser power supply with pulsed charging of
storage capacitance .............................................................................. 1112
Information
Subject Index ................................................................................... 1116
Author Index.................................................................................... 1126
December 2014
Стр.3
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 27, ¹ 12 (2014)
ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
УДК 551.501.793
Годовой цикл в изменчивости
микроструктурных параметров аэрозоля
по данным солнечной фотометрии
В.В. Веретенников, С.С. Меньщикова*
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Поступила в редакцию 22.07.2014 ã.
Рассмотрены особенности годового хода микроструктурных параметров аэрозоля, восстановленных путем
решения обратной задачи солнечной фотометрии. В качестве исходных данных для обращения были взяты
среднечасовые измерения аэрозольной оптической толщины (АОТ) в спектральном диапазоне 0,37–4 мкм,
выполненные в Томске. Обработка экспериментальных спектров проводилась с использованием алгоритма,
разработанного на основе метода интегральных распределений. По восстановленным интегральным распределениям
были определены такие микроструктурные параметры, как объемная концентрация, геометрическое
сечение и средний радиус частиц. В частности, установлено, что объемная концентрация аэрозоля минимальна
в ноябре и максимальна в апреле. Также исследованы статистические связи между АОТ и восстановленными
микроструктурными параметрами.
Ключевые слова: микроструктура аэрозоля, аэрозольная оптическая толщина, обратные задачи; aerosol
microstructure, aerosol optical depth, inverse problem.
Введение
Применение техники измерения спектральной
прозрачности атмосферы в сочетании с методами решения
обратных задач уже давно стало эффективным
инструментом при изучении микрофизических
свойств атмосферного аэрозоля [1–4].
С целью получения информации о параметрах
микроструктуры аэрозоля в вертикальном столбе атмосферы
по данным солнечной спектрометрии авторами
[5] создан программный комплекс для решения
обратной задачи на основе метода интегральных распределений
[6]. В качестве микроструктурных параметров,
восстанавливаемых при обращении аэрозольной
оптической толщиной (АОТ), рассматриваются
проинтегрированные по всей толще атмосферы объемная
концентрация, геометрическое сечение и средний
радиус аэрозольных частиц. Также предусмотрена
возможность раздельной оценки указанных параметров
для субмикронной и грубодисперсной фракций
аэрозоля.
С использованием разработанного программного
комплекса в работе [7] исследована изменчивость
параметров микроструктуры аэрозоля в июле–августе
2003 г. Исходными данными для анализа служили
измерения АОТ в спектральном диапазоне
0,37–4 ìêì, выполненные в ИОА СО РАН Ñ.Ì. Сакериным
и Д.М. Кабановым с помощью солнечного
______________
* Виктор Васильевич Веретенников (vvv@iao.ru); Светлана
Сергеевна Меньщикова (mss@iao.ru).
Веретенников Â.Â., Меньщикова Ñ.Ñ., 2014
фотометра. Анализ полученных данных показал, что
полная объемная концентрация аэрозольных частиц
составляет в среднем за период наблюдений около
0,06 ñì3/ì2 при среднем радиусе 0,27 ìêì. При этом
в большинстве реализаций основной вклад в суммарный
объем аэрозоля вносит грубодисперсная фракция
частиц при среднем значении ее концентрации,
равном 0,036 ñì3/ì2, что в 1,44 раза превышает аналогичный
параметр для субмикронного аэрозоля.
Восстановленные средние радиусы частиц субмикронной
и грубодисперсной фракций равны соответственно
0,1 и 2,05 ìêì. Также были рассмотрены
корреляционные связи между АОТ и микроструктурными
параметрами аэрозоля. В частности, установлено,
что корреляция между объемной концентрацией
отдельных фракций и АОТ имеет выраженную
спектральную зависимость.
Представляет интерес вопрос, в какой степени
микроструктурные свойства аэрозоля, установленные
для летних месяцев, будут трансформироваться
на протяжении года. О внутригодовой изменчивости
аэрозольного ослабления оптического излучения
в атмосфере, которая обусловлена трансформацией
микрофизического состава аэрозоля, свидетельствуют
многочисленные экспериментальные данные, полученные
с использованием методов солнечной фотометрии
[8–11], спутниковых измерений [12, 13]
и наземных измерений на горизонтальных трассах
[14–20].
Развивая исследования [7], в настоящей статье
рассмотрим особенности годового хода микроструктурных
параметров аэрозоля в Томске, которые выявлены
1035
Стр.4
на той же экспериментальной и методической базе
в результате решения обратной задачи солнечной
спектрофотометрии.
1. Исходные данные и метод решения
В качестве исходных данных для решения задачи
рассматривались спектральные измерения АОТ ()
на 13 длинах волн в диапазоне 0,37–4 ìêì, полученные
на той же ïëîùàäêå, что и в [7], с помощью
солнечного спектрофотометра в период с сентября
2003 ã. по июнь 2004 ã. в ИОА СО РАН Ñ.Ì. Сакериным
и Д.М. Кабановым. При решении обратной
задачи экспериментальные спектры предварительно
усреднялись на часовом интервале. Общий объем
обработанных спектров на протяжении года составил
в сумме около 1250 усредненных реализаций.
На рис. 1 представлена гистограмма распределения
числа среднечасовых спектров за период с июля
2003 ã. по июнь 2004 ã., использованных для обращения.
Максимальное число реализаций получено
в летние месяцы (àâãóñò 2003 ã., июнь 2004 ã.),
а минимальное – в декабре 2003 ã.
а
б
Рис. 2. Временная изменчивость среднемесячных значений
АОТ (а) и их стандартных отклонений (б) для различных
длин волн
Рис. 1. Гистограмма распределения количества среднечасовых
спектров АОТ, полученных в течение годового цикла
В качестве примера на рис. 2 приведены годовой
ход среднемесячных значений АОТ и их стандартное
отклонение (SD) в спектральном диапазоне 0,371–
0,871 мкм. Видно, что на всех длинах волн максимальная
прозрачность атмосферы наблюдалась в ноябре
(<(0,5)> = 0,1). Начиная с ноября происходит монотонный
рост замутненности атмосферы и достигает
максимума к апрелю (<(0,5)> = 0,26). Затем ближе
к летним месяцам прозрачность атмосферы вновь повышается.
Примечательно, что средние значения АОТ
в начале и конце интервала наблюдений оказались
достаточно близки между собой.
Внутримесячная изменчивость АОТ, определяемая
стандартным отклонением для каждого месяца,
характеризуется невысоким уровнем в холодное время
года (с ноября по март). Наибольшие значения
стандартного отклонения наблюдаются в августе 2003 г.
1036
и мае 2004 ã. и составляют 75–79% от среднемесячных
значений АОТ в зависимости от длины волны.
Отмеченные тенденции в целом сохраняются также
и в ИК-диапазоне спектра.
Решение обратной задачи осуществлялось с помощью
алгоритма [5], разработанного на основе метода
интегральных распределений. В качестве искомой
функции в алгоритме [5] рассматривается суммарное
геометрическое сечение частиц S (r) радиусом,
бульшим или равным r, которые содержатся в вертикальном
столбе атмосферы единичной площади.
Использование интегральных аэрозольных распределений
частиц по размерам для описания микроструктуры
аэрозоля позволяет восстанавливать приближенное
устойчивое решение обратной задачи
путем минимизации функционала невязки на множестве
монотонных ограниченных функций без каких-либо
дополнительных ограничений на искомое
решение и привлечения специальных регуляризирующих
процедур.
По восстановленной при обращении АОТ функции
S (r) легко рассчитываются такие интегральные
параметры микроструктуры аэрозоля, как объемная
концентрация частиц V и их средний радиус
Веретенников В.В., Меньщикова С.С.
Стр.5