Моделирование пропускания оптического излучения атмосферными газами в задачах радиационного переноса

• Автор: Ченцов, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 99 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Методы вычисления атмосферного пропускания

1.1. Полинейный метод расчета атмосферного пропускания line-by-line

1.2, Метод «^-распределения»

Глава 2. Применение метода «^-распределения» для моделирования радиационных потоков

2.1. Солнечный диапазон

2.2. Тепловой диапазон

Глава 3. Влияние неопределенности спектроскопической информации на точность

моделирования атмосферных радиационных характеристик

3.1. Спектроскопическая информация по Н2О
3.1.1. Банки данных по линиям поглощения НгО
3.1.2. Континуальное поглощение НгО
3.2. Спектроскопическая информация по СО
3.2.1. Банки данных по линиям поглощения СО
3.2.2. Учет интерференции линий поглощения СО
3.3. Спектроскопическая информация по СН
Приложение. Вычисление атмосферного пропускания в УФ области спектра
Заключение
Список использованной литературы

Введение
Актуальность работы
Поглощенное земной поверхностью солнечное излучение вторично излучается в атмосферу в виде тепловой радиации. Парниковые газы, содержащиеся в атмосфере, препятствуют уходу этой тепловой радиации обратно в космос, поглощая и переизлучая часть тепловой энергии в нижние слои атмосферы. Основными парниковыми газами являются водяной пар (Н2О), углекислый газ (СОг), метан (СН4), закись азота (N20) и другие. Так как в последнее время наблюдается рост содержания парниковых газов в атмосфере [1, 2], существует необходимость в осуществлении регулярных наблюдений как содержания парниковых газов, так и радиационных атмосферных характеристик (например, атмосферное пропускание, приходящее и уходящее излучение). Рост концентрации парниковых газов объясняется как ростом индустриальной деятельности (выброс в атмосферу), так и следствием естественных природных явлений (результаты жизнедеятельности растений и животных, вулканическая деятельность).
В ежегодном Бюллетене Всемирной Метеорологической Организации по парниковым газам [2] указывается, что за период с 1990 г. по 2012 г. наблюдалось увеличение на 32 % в радиационном форсинге парниковых газов, что влияет на потепление нашего климата. На двуокись углерода, выбросы которой связаны преимущественно с использованием ископаемых видов топлива, приходится ВО % этого увеличения. Прирост содержания СО2 в атмосфере с 2011 г. по 2012 г. был выше, чем его средний темп роста за последние 10 лет [2].
Помимо парниковых газов, на радиационный бюджет планеты оказывают влияние такие газы, как озон (Оз), диоксид азота (N02), диоксид серы (Б02), которые являются наиболее оптически активными в земной атмосфере в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Содержание этих газов в атмосфере также постоянно изменяется и требует регулярного мониторинга.
Для мониторинга общего содержания оптически активных газов в атмосфере применяются спектроскопические методы. Одним из эффективных методов является восстановление концентрации газов из измерений наземными и спутниковыми спектрометрами и радиометрами солнечного излучения, прошедшего через атмосферу [3,4]. Для данного метода необходимо, чтобы расчет переноса радиации через атмосферу выполнялся достаточно быстро и точно. Поэтому одной из важных задач является создание эффективных методов

вычисления функции атмосферного пропускания, входящей в уравнение переноса радиации
[5, б].
Молекулярные спектры поглощения атмосферных газов характеризуются высокой селективностью по сравнению со спектрами аэрозольного ослабления. Кроме того, число спектральных линий, которые необходимо учитывать, велико и постоянно увеличивается. Например, спектральная база данных (БД) Н1Т11АМ в 2004 году содержала около 1,8 млн. линий поглощения атмосферных газов [7], в 2008 году число линий возросло до 2,7 млн. [8], версия ШТИАМ 2012 года содержит 3,8 млн линий поглощения [9, 10]. Поэтому прямые методы расчета характеристик молекулярного поглощения [11, 12] хотя и дают точное решение, но оказываются трудоемкими даже для современных вычислительных средств.
Параметризация функции пропускания на основе модельных представлений спектра поглощения может приводить к большим погрешностям [13]. В настоящее время разработан эффективный метод параметризации характеристик молекулярного поглощения - метод «к-распределения» [5, 14-17], который позволяет представить функцию пропускания в виде ряда экспонент и обеспечивает точность расчета, сопоставимую с прямым методом счета, при ускорении расчетов на несколько порядков.
Другой проблемой при решении уравнения переноса радиации является неточность исходной спектроскопической информации по параметрам линий поглощения атмосферных газов [18], поэтому актуально проводить регулярный анализ исходной информации.
Так, например, в работе [19] показано, что общее содержание метана, определенное из измеренных атмосферных спектров в диапазоне 1,62-1,67 мкм может различаться на 7% и более при использовании различных банков данных по линиям поглощения метана.
Также, могут различаться данные по параметрам линий поглощения в различных версиях БД ШТЯАМ. Например, в работе [20] показано, что различие между данными в ШТИЛИ 2004 и 2008 могут приводить к погрешности в восстановленном общем содержании углекислого газа свыше 50 рршу (что составляет ~ 13 %).
В работе [21] докладывается, что различия между модельными функциями пропускания, полученными с использованием различных банков данных по параметрам линий водяного пара, могут достигать 15% при высоком спектральном разрешении. Также, в работе [21] имеется сравнение с экспериментальными атмосферными спектрами, измеренными на наземном Фурье-спектрометре с высоким спектральным разрешением - здесь различия также достигают 15 % и более.

Таблица 3.1 - Требования к точности определения содержания СОг и СН4 из измерений спутниковых спектрометров БаАМАСНУ/ЕЫУ^АТ и ТАЫЗОЮОБАТ для задач моделирования климата [70]
Параметр Тип требования Случайная погрешность Систематическая погрешность
Единичное измерение 10002 км2 / месяц
ХС02 G < 1 ppm < 0,3 ppm < 0,2 ppm
В < 3 ppm (~1 %) < 1,0 ppm < 0,3 ppm
Т < 8 ppm < 1,3 ppm < 0,5 ppm
ХСІІ4 G < 9 ppb <3 ppb < 1 ppb
В < 17 ppb (~1 %) < 5 ppb < 5 ppb
Т < 34 ppb < 11 ppb < 10 ppb
Тип требования: в - цель, к которой нужно стремиться по точности, В - требование для большинства задач, решаемых спектроскопистами и климатологами в настоящее время, Т -крайние требования (необходимо иметь точность не хуже, чем Т)
Таблица 3.2 - Требования к параметрам линий поглощения СНЦ для различных спектроскопических задач [71].
СИ 4 Земля Очень точно Другие планеты <— Между —> Экзопланеты Очень полно
Диапазон длин волн (мкм) 1,3-9 0,6 - 500 0
Диапазон температур (К) 180-350 40 - 200 300-3
Минимальная интенсивность -26 10 •29 10 ??
Требуемое количество линий -0,5 миллиона 10 миллионов > 1 миллиарда
Уширяющие газы м2,02,н20 Н2, Не, N2 н2,м2?
Требуемая точность
-і Положение центра (см ) 0,0001 0,001-0,100 0
Интенсивность(%) 0,5-3 2-5
Форма контура линии (%) 0,5-3 Не-Фойгтовский 2-5 Не-Фойгтовский 10-20 Фойгтовский