Теория переноса солнечного излучения в облаках и снежном покрове и ее применение в задачах спутникового мониторинга Земли из космоса

• Автор: Кохановский, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 43 с. : ил.; 19х14 см

Актуальность темы
Облака, а также ледовый и снежный покровы относятся к классу силь-ноотражающих поверхностей. Отражательная способность чистого снега в видимом диапазоне может достигать 90%. Спектральный коэффициент яркости (СКЯ) облаков сильно варьирует в зависимости от их толщи, но обычно он превосходит 30%. Эти особенности исследуемых объектов наряду с их протяженностью (например, облачность покрывет в среднем около 70% земной поверхности в каждый данный момент времени) обуславливают важность и актуальность их исследования в ряде научных дисциплин. В первую очередь это относится к задачам метеорологии, климатологии и космического мониторинга земной поверхности и атмосферы.
Актуальность мониторинга снежного и ледового покрова обусловлена еще и тем, что, как показывают измерения, площадь земной поверхности покрытой снегом и льдом с каждым годом уменьшается. Это связано с процессами глобального изменения климата. В частности, было установлено, что 2003, 2005, 2006, 2007 и 2009 годы были наиболее теплыми за последние 100 лет. Некоторые климатические сценарии предсказывают возможность полного таяния льдов в районе северного полюса, что может привести к катастрофическим последствиям для будущих поколений. В первую очередь это связано с резким уменьшением отражательной способности Земли как объекта из-за потери значительной доли снежного и ледового покровов. Однако, не только площадь занимаемая снежным покровом определяет его отражательную способность. Большую роль играют размеры снежных зерен, содержание жидкой воды, а также различные примеси (например, сажа). Альбедо снега также значительно понижено в городах и на прилегающих территориях, что связано в первую очередь с промышленными загрязнениями и продуктами выбросов выхлопных газов. В 2007 году впервые за всю историю человечества население городов превысило сельское население. Эта тенденция будет продолжаться и в будущем, увеличивая техническую нагрузку на среду обитания человека в целом и на снежный покров, в частности. Это обстоятельство еще раз подчеркивает важность и актуальность мониторинга снежного покрова (степень покрытия, альбедо, наличие примесей, микроструктура снега). Важны долговременные как наземные, так и самолетные и, в особенности, спутниковые измерения основных параметров снежного покрова. Это же относится и к глобальному полю облачности. В настоящее время не зарегистрировано существенных глобальных трендов основных параметров облачности в отличие, например, от существенных трендов параметров снежного покрова. Однако отсюда нельзя заключить, что глобальное поле облачности совершенно не подвержено влиянию климатических изменений. В частности, увеличение температуры земной поверхности приводит к увеличению интенсивности процессов испарения и облакообразования. Немаловажную роль играют процессы загрязнения атмосферы поглощающим аэрозолем и различными газами.

Это приводит как к уменьшению альбедо облаков за счет уменьшения альбедо однократного рассеяния, так и к увеличению средних высот облаков, связанных с изменением температуры пограничного слоя и процессов атмосферной конвенции.
Изменения балла облачности, вероятности дождя, микроструктуры облаков и их альбедо, связанные с техногенной нагрузкой, слабо изучены. Это обусловлено сложностью идентификации соответствующих процессов с использованием как наземных, так и космических систем наблюдения.
Уменьшение степени покрытия поверхности снегом может быть легко оценено по снимкам высокого разрешения, например, в видимом диапазоне. Это связано с тем, что снег аккумулируется на земной поверхности и, таким образом, гораздо менее подвержен процессам переноса, что является полной противоположностью облачности, которая может характеризоваться не только как явление, но и как процесс. Изменения альбедо облаков за счет аэрозольного загрязнения зачастую ошибочно трактуются как просто связанные с уменьшением их толщи.
Из сказанного выше следует, что необходимы новые подходы и комплексные программы исследования полей облачности и снежного покрова и их изменений под воздействием различных факторов, в том числе антропогенного характера.
Цель и задачи исследования
Эти обстоятельства и сформировали цель настоящей работы - разработать методическое и программно-алгоритмическое обеспечение мониторинга состояния облачного и снежного покровов с использованием спутниковых систем наблюдения. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
• Разработаны теоретические модели и исследованы процессы переноса света в облаках и снеге.
• Поставлен и решен ряд новых обратных задач оптики облаков и снежного покрова.
• Разработаны соответствующие алгоритмы обращения.
• Созданы программные комплексы, способные обрабатывать поступающую спутниковую информацию в реальном масштабе времени.
• Разработанные алгоритмы и программы использованы для исследования глобальных полей обачности с использованием измерений спектрометра вОАМАСНУ на борту спутника ЕКУШАТ (2002-2010).
Методы исследования
Методы работы основаны на решении уравнения переноса излучения. Проведено сопоставление приближенных решений уравнения переноса излучения с точными решениями, а также выполнено сравнение результатов математического моделирования с результатами других авторов и натурными экспериментами.

18.* Domine, F., M, Albert, T. Huthwelker, H.-W. Jacobi, A. A. Kokhanovsky, M. Lehning, G. Picard, W.R. Simpson, 2008: Snow physics as relevant to snow photochemistry, Atmos. Chem. Physics, 8, 171-208.
19.Wendish, M., P. Formenti, T. Anderson, A. Kokhanovsky, B. Mayer, P. Pilewskie, S. Platnick, J. Redemann, J. Remedios, P. Spichtinger, D. Tanre, F. Vanhellemont, 2008: Combining upcoming satellite missions and aircraft activities: Future challenges for the EUFAR fleet, Bui. American Meteor. Soc., ES1-ES9.
20.Kokhanovsky, A. A., 2007: Local optical properties of mixed clouds: simple parameterizations, Atmos. Res., 84, 42-48.
21.Kokhanovsky, A. A., 2007: Physical interpretation and accuracy of the Kubelka-Munk theory, J. Physics D: Appl. Physics, 40, 22110-2216.
22.Kokhanovsky, A. A., K. Bramstedt, W. von Hoyningen-Huene, J. P. Burrows, 2007: The intercomparison of top-of-atmosphere reflectivity measured by MERIS and SCIAMACHY in the spectral range of 443-865nm, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., Letters, 4, 293-296.
23.Kokhanovsky, A. A., T. Nauss, M. Schreier, W. von Hoyningen-Huene, J. P. Burrows, 2007: The intercomparison of cloud parameters derived using multiple satellite instruments, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., 45, 195-200.
24.* Kokhanovsky, A. A., B. Mayer, W. von Hoyningen-Huene, S. Schmidt, P. Pilewskie, 2007: Retrieval of cloud spherical albedo from top-of-atmosphere reflectance measurements performed at a single observation angle, Atmos. Chem. Phys., 7, 3633-3637.
25. Kokhanovsky, A. A,, F.-M. Breon, A. Cacciari, E. Carboni, D. Diner, W. Di Nicolantonio, R. G. Grainger, W. M. F. Grey, R. Holler, K.-H. Lee, Z. Li, P.R.J. North, A. M. Sayer, G. E., Thomas, W. von Hoyningen-Huene, 2007: Aerosol remote sensing over land: a comparison of satellite retrievals using different algorithms and instruments, Atmos. Res., 85, 372-294.
26.Kokhanovsky, A. A., B. Mayer, V. V. Rozanov, K. Wapler, L. N. Lamsal, M. Weber, J. P. Burrows, U. Schumann, 2007: Satellite ozone retrieval under broken cloud conditions: an error analysis based on Monte Carlo simulations, IEF1E Trans. Geosci. Rem. Sens., 45, 187-194.
27.Kokhanovsky, A. A., B. Mayer, V. V. Rozanov, K. Wapler, J. P. Burrows, U. Schumann, 2007: The influence of broken cloudiness on cloud top height re-Irievals using nadir observations of backscattered solar radiation in the oxygen A-band, J. Quant. Spectr. Rad. Transfer, 103, 460-477.
28.Kokhanovsky, A. A., M. Vountas, V. V. Rozanov, W. Lotz, H. Bovensmann, J. P. Burrows, U. Schumann, 2007: Global cloud top height and thermodynamic phase distribution as obtained by SCIAMACHY on ENVISAT, Int. J. Remote Sensing, 28, 4499-4507.
29. Nauss, T., A. A. Kokhanovsky, 2007: Assignment of rainfall confidence values using multispectral satellite data at mid-latitudes: first results, Adv. Geosci., 10, 1-4.
30.Tedesco, M., A. A. Kokhanovsky, 2007: The semi-analytical snow retrieval algorithm and its application to MODIS data, Remote Sensing of Environment, 111,228-241.