Экспериментальные исследования аэрозольной оптической толщи атмосферы над океаном и континентом

• Автор: Кабанов, Дмитрий Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 209 с. : ил

Глава I Аппаратура и методики определения аэрозольной оптической толщи атмосферы
1.1. Методика определения аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы
1.1.1. Основные формулы. Традиционная методика определения АОТ
1.1.2. Раздельный учет оптических масс атмосферных компонент при больших зенитных углах
1.1.3. Определение АОТ атмосферы в ИК-диапазоне спектра
1.2. Солнечные фотометры АМСФ
1.2.1. Фотометр АМСФ
1.2.2. Фотометр АМСФ
1.2.3. Исследование метрологических характеристик фотометров
1.2.4. Программное обеспечение фотометров АМСФ
1.3. Методика автоматизированных измерений сигналов прозрачности
1.4. Калибровка солнечного фотометра
1.5. Определение общего влагосодержания атмосферы
1.5.1. Метод оптической гигрометрии
1.5.2. Результаты калибровки
1.6. Погрешности определения АОТ атмосферы
Основные результаты главы
Глава II Пространственная изменчивость аэрозольной оптической толщи атмосферы
2.1 Характеристика экспериментальных данных и условий наблюдений
2.1.1. Данные наблюдений АОТ атмосферы Атлантики
2.1.2. Данные наблюдений АОТ атмосферы над континентом
2.2 Пространственное распределение аэрозольной прозрачности атмосферы над Атлантическим океаном
2.2.1. Результаты генетического районирования Атлантики
2.2.2. «Признанное» районирование Атлантики
2.2.3. Обоснование и сопоставление результатов районирования
2.3 Прозрачность атмосферы в диапазоне спектра 0,37-Н- мкм
2.3.1. Спектральная зависимость АОТ атмосферы в диапазоне 0,37 - 1 мкм
2.3.2. Спектральная зависимость АОТ атмосферы в диапазоне 0,37 - 4 мкм
2.3.3. Взаимосвязь между спектральными составляющими АОТ
2.3.4. Пространственное распределение интегральной прозрачности атмосферы Атлантики
2.4 Влияние города на замутнение атмосферы
Основные результаты главы
Глава III Временная изменчивость аэрозольной оптической толщи атмосферы
3.1 Взаимосвязь аэрозольной оптической толщи с другими характеристиками атмосферы
3.1.1. Связь АОТ с метеопараметрами и концентрацией аэрозоля над океаном
3.1.2. Связь АОТ с метеопараметрами и горизонтальной прозрачностью атмосферы в континентальных условиях
3.2 Длиннопериодная изменчивость АОТ атмосферы
3.2.1 Влияние извержения вулкана Пинатубо на замутнение атмосферы над Атлантикой
3.2.2. Межгодовая и сезонная изменчивость аэрозольной прозрачности атмосферы над континентом
3.3 Межсуточная изменчивость АОТ атмосферы
3.3.1. Межсуточная изменчивость АОТ атмосферы над континентом
3.3.2. Характеристика изменчивости АОТ атмосферы в различных районах Атлантики
3.4 Законы распределения аэрозольной оптической толщи атмосферы над океаном и континентом
3.5 Дневной ход АОТ атмосферы
3.6 Мезометеорологическая изменчивость АОТ атмосферы над континентом
Основные результаты главы
Заключение
Литература
Приложение

Актуальность темы
Настоящая работа посвящена одному из важных направлений атмосферной оптики -исследованию пространственно-временной изменчивости ослабления оптического излучения атмосферным аэрозолем.
Неослабевающий интерес к всестороннему изучению аэрозоля обусловлен его важной ролью в протекании многих физических и химических процессов в атмосфере, при формировании ее оптического состояния и во влиянии на природу и климат планеты в целом [1-4]. К настоящему времени накоплен значительный объем знаний об атмосферном аэрозоле [4-13 и др.] и его оптических свойствах. В тоже время, сильная пространственно-временная изменчивость характеристик аэрозоля приводит к необходимости продолжения исследований с целью уточнения существующих представлений и моделей, получения новых данных о закономерностях его изменчивости и взаимосвязях с другими параметрами атмосферы.
Изучение аэрозольной составляющей в спектральной прозрачности атмосферы имеет важное значение для решения радиационно-климатических задач [2, 14]. В последние десятилетия исследования спектральной аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы в значительной степени стимулировались остротой таких проблем как ускоренные изменения глобального климата, региональные особенности по антропогенной нагрузке и влиянию естественных источников замутнения атмосферы, в том числе вулканических извержений, пылевых бурь, крупных лесных пожаров и др. Кроме того результаты исследований спектральных АОТ находят широкое применение при разработке оптических систем, работающих через атмосферу, и интерпретации спутниковой информации.
Актуальность данной темы подтверждается тем фактом, что в настоящее время расширяется сеть наземных станций по наблюдению АОТ (ВМО1, 1А8А2), разрабатываются системы и методы определения АОТ из космоса [15-18, 87-92, 172-175], а исследования оптических свойств аэрозоля являются составной частью многих научных программ и проектов: Всемирная программа исследований климата (VCRP3), Международная
геосферно-биосферная программа (ЮВР4), национальные программы - “Глобальные изменения природной среды и климата” (Россия), “Атмосферные радиационные измерения”

большого количества отобранных дней.
Вопрос об устойчивости оптических свойств атмосферы пересекается с вопросом о выборе оптимального диапазона оптических масс, на котором строится калибровочная зависимость. Очевидно, что для построения такой зависимости необходимы наблюдения при максимально разнесенных массах [m'(Zi) ч m"(Z2)], но это противоречит требованию к стабильности атмосферы (со временем растет вероятность того, что изменится). Проведем оценки оптимального диапазона Z и m на простом примере (по двум точкам - т1 и т"). Из (1.1) погрешность AUo/Uo с учетом нестабильности атмосферы Ат и ошибок Ami можно выразить в следующем виде [92]:
тогда A(lnU0) = AU0 /U0 =m'-[m"-mT1[T2S(Amf)2 + (m"At)2 f5,' (1.27')
где т1 = 1,2 - минимальная масса для условий Томска; х = 0,3 - типичное значение оптической толщи для 0,55 мкм. В качестве Ат был рассмотрим суточный ход т с изменением 0,012 за полдня. Погрешности Ат," в общем случае включают ошибки Ат2 (см.§1.1.2), отклонения атмосферы от стандартных условий - Ат5 и расчета зенитного угла -Дш0 (при AZ=0,064°). На рис. 1.10 приведены результаты оценки AUo /Т10 для трех вариантов. Из расчеты следует, что до т" = 3 ч 5 преобладает влияние ошибок Ат. В области m > 6 влияние Ат стабилизируется, а ошибки Ат; начинают доминировать. Следствием такой зависимости является следующее: 1) при использовании простой
методики, не учитывающей различий Ш;, оптимальным диапазоном является т" » 4 (кривая 1); 2) при учете т; допустимо продление периода наблюдений до ш" = 10-20 (Z » 85°-88°) без увеличения погрешности (кривая 2). Кроме того, появляется возможность оптимально выбрать т1 (в данном случае т'0Пт= 1,4) и снизить ошибки до 0,013 (кривая 3).
Для калибровки фотометров АМСФ селекция данных выполнялась с учетом следующих обстоятельств: а) прозрачности атмосферы (угол наклона калибровочной прямой); б) диапазона оптических масс; в) равномерности распределение точек вдоль калибровочной прямой; г) характера расположения точек выше и ниже прямой. Наиболее «надежными» считались дни, в которые калибровочные прямые, построенные по первой и второй половинам, совпадали. Пример «Бугеровских прямых» для нескольких