автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Статистические характеристики солнечной радиации в разорванной облачности

рте од

ТОМСКИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

о •»■ ;: ■ :,

5 1 ...... "

На лразаг рукописи

Нурззлева Татьяна Борпсошга

УДК 551.621 г551.576

СТАТКЗТЙЧВСШ ХДРЙСГЕРИЗТИКИ СОЛНЕЧЕЖ РЩЩЯ В РАЗОРВАЕШП ОБЛАЧНОСТИ

05.13.15 - ПрЕиеяекиэ вычгсяиг&пькой техники, кзтеизткчзского коде-пировааия к цагезатическза иетодоп в Езучных исследованиях Се области оптики)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации из соискание ученой степени кешндата сизЕко-ызтекатпческиг наук

Тсйск - 1933

Работа выполнена в Института оптики атмосферы СО РАН. г.Томск

Еаучныа руководитель: доктор физико-датеыатаческих наук

Тптоз Г.А.

Официальные оппоненты: доктор снзшсо-цате-^еткчаскит наук

Креков Г.М. . кандидат фгзнко-иатеаатпчвсках наук Пригарин С.М.

Ведувзя организация: Институт физики атносферы РАН, г. Москва

Зашгга диссертации состоится " 24 " 1293 г.

в • -••' чдсоо на заседании специализированного совета Д 0.33.53.03 по ззшгте диссертаций на соасхаяиэ ученой степени кандидата физяко - математических иэук яри Тсисксм государственной университете из. В.В. Куйбышева (634010. г. Тсаск. -пр. Ленина. 33, глззный корпус, ауд. ).

С ллссертзпией ксзно ознакомиться в научной библиотеке Тоаского государственного университета.

Автореферат разослан " ■// " ыая 1333 г.

Учекьй секретарь специализированного совета

к.ф.-и.н. /, / Тривогенхо Б.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Исследование радиационного рекнма скстеиы "аткосфера - подстилавшая поверхность" кнеет - фундаментальное значение для решения широкого круга научных и прикладные задач. Проблема определения радиационного баланса Зенлп и его компонент делает необходимый учет пространственно-временных вариаций потоков солнечной радиации и теплового излучения Зеили с целью создания надежных: схеа параметризации радиационных процессов в ыоделях прогноза погоды, общей циркуляции атмосферы и теории клшата. Необходимость изучения полей яркости систеш "зтиосферз - подстилающая поверхность" обусловлена широкие использованием дистанционных и пассивных методов исследования природной среды, связанных с развитием таких прикладных наук, как космическое землеведение, спутниковая метеорология и т.д.

Еесонненш, что главным регулягороы радиационных процессов в атмосфере является облачность, окутывающая значительную часть зеыного сэра. К . настоящему времени благодаря многочисленным теоретическим и экспериментальным исследованиям уке сформулированы определенные представления о закономерностях трансформации оптического излучения й . атиосферэ. Однако большинство результатов по теории переноса коротко- и длинноволновой радиации в облаках получено для случая горизонтально-однородной слоистой облачности нз основе классических методов. решения уравнения переноса в детерминированной среде. Исключение составляйт несколько работ (Малкевич М.С., Романова Л.М.), в которых рассматриваются кодели а) однородной плоско - параллельной атмосферы над неоднородной подстилающей поверхностью и б) атмосферы, оптические

характеристики которой периодически изменяются в горизонтальной плоскости. Но если проведение расчетов радиационных характеристик в ранках упомянутых моделей еие в некоторой смысла оправдано в синоптической иаштабе. то при иезоиасЕтабньгх процессах необходимо принимать во внимание стохастическую структуру облачности и, следовательно, для адекватного описания облачных и радиационных полей использозать статистический подход.

Стохастичность реальных облачных полей обусловлена двуыя фактораыи: 1) случайной геометрией облачного покрова (количество облаков, их размеры, форыа, положение в пространстве) и 2) ыакроыасшгабныш! флукгуашкгга водности Следности), фазового состава, спектра частиц по размерам внутри отдельного облака. ' Характерные размеры неоднородностей зависят от структуры облачного поля и колеблются от нескольких сотен ыегроз до .1 - 2 кы, на 1 - 2 порядка превьшая среднюю длину- свободного пробега в облаках. Статистическая теория • переноса в настоящее вреыя наиболее разработана для случая разорванной облачности (со случайньаш геоиетричеооши и дэтершшировавниш 'оптическим характеристиками). В осыозе исследований радиационного- ' шля. трансформированного разорванной облачностью, лежат дза подхода.

Суть первого из них заключается в расчете полей излучения отдельных облаков и их дальнейшей суперпозиции для определения радиационного рейта облачного поля в целса CDavi« п.,

Harshvardhan, Weinman J.А., ВуСЫГИН В.П. И Др.). ВТОРОЙ ПОДХОД К

описанию статистических характеристик радиационного поля основан на усреднении (численноа или аналитическом) стохастического уравнения переноса и предстазляется более перспективном. Идея такого подхода и первые результаты в этой направлении принадлежат Г.И. Вайншско и O.A. Авасте, которые путем усреднения по пространству получили замкнутые уравнения для

средней интенсивности к пространственной корреляционной, функции нерассеякного изучения, а такке ребенке системы уравнений для средней интенсивности в транспортном приближении. Дальнейшее развита© статистический подход к проблеме описания переноса оптического излучения в разорванной облачности получил в работах Г.А. Титова,

Наличие таких нерешенных вопросов, как вшзод и решение системы урзвнокй для дисперсий и корреляционных функций интенсивности и потоков солнечной радиации. разработка алгоритмов расчета статистических характеристик излучения в блинней ПК-области спектра, необходззгасть дальнейшего изучения особенностей Сорбирования радиационного реяюта разорванной облачности но основе предлагаемых методов свидетельствуют об актуальности исследования переноса излучения в стохастических облачных шлях.

Цель настоящей работы состоит в следующем:

- разработка ка основе рк- приближения метода сферических гзрноник алгоритма расчета средних лучкетьк потоков солнечной радиации в разорванной облачности:

- вывод и решение системы уравнений для корреляционной функции интенсивности нерассеянного излучения;

- вызод на базе стохастического уравнения переноса системы приближенных уравнений для вторых нсментоз интенсивности диффузной радиации, разработка алгоритнов ее решения методом Монте-Карло и исследование завксшости дисперсий ' и корреляционных функций потоков и статистических характеристик интенсивности коротковолновой радиации от олтико- геометрических параметров облачности и зенитного угла Солнца;

-сравнение статистических характеристик радиационных и облачных шлей с имеющимися экспериментальными данным с целью оценки адекватности иодельных полей реальный;

- разработка алгоритмов расчета средних штоков солнечной радиации в ближней Ж - области спектра методом статистического моделирования.

Научная новизна работы состоит в

- расширении возможности исследования закономерностей переноса солнечного излучения в стохастических облачных полях на основе алгоритма статистического моделирования для расчета корреляционной функции интенсивностей и потоков диффузной радиации;

- разработке эффективного метода расчета средних значений интенсивностей и потоков радиации в ближней Ж - области спектра:

- получении оценок влияния эффектов, связанных со случайной геометрией облачного поля, на поле яркости разорванной облачности.

Достоверность полученных ' результатов обеспечивается тем. чю в основе аналитических результатов работы лежит классическое уравнение переноса со случайно распределенный! параметрами. Случайное распределение параметров уравнения переноса определяется математическими моделями облачных полей на основе пуассоновских потоков точек, вероятностные свойства которых соответствуют, по крайней мере, в первом приближении, современным представлениям о статистических характеристиках реальных облачных полей. Выполненное в раыках диссертационной работы сравнение реальных и модельных полей коротковолновой солнечной радиации свидетельствует о возможности использования предлагаемых методов для решения задач переноса излучения в условиях разорванной облачности.

Научная и практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут быть использованы

-для параметризации радиационных характеристик кучевой

облачкости в иоделях прогноза погоды, обшей циркуляции атмосферы, облакообрэзовашя и т.д.;

-при построении радиационной уолели разорванной облзчности в вшитой и ближней 1К-области спектра;

-при исследовании радиационных характеристик и полей яркости коротковолновой раднации из космоса и восстановлении паранетроз

ОбЛЭЧНОСТИ ПО дгННЬЕ СПУТИКОБКХ НабЛЮДсШЙ.

Нз ззгату выкосятся следует:© основные толоуеккя: 1 .Пуассонозада? молола разорванной облачности и методы. разработанные для оценки первых и вторых ноценгов поля солнечной радЕща. позволяв!, по крайней вере, в первом приблизенки адекватно описывать вероятностные свойства реальных радиационных полей.

2.Алгоритм метода .Монте-Карло, основанный га

-решая задачи переноса солнечного излучения в облашон слое (при условии его взаимодействия только с сблачкклл

ЧЗСТИЦЗШ! )

-и последупсет использовании полученного реиекия для учета поглощения газани при произвольных положении облачного слоя и функциях пропускания в различных моделях газовых .компонент атмосферы.

позволяет значительно понизить трудоемкость вычисления средних лучистых потоков и полей яркости в ближней КС-области спектра. •

3.Качественное изменение поля средней яркости кучевых облаков при вариациях балла облачности и его анизотропия лазе при относительно больших оптических толстых сбуслозлекы влиянием эффектов. связанных с конечной горизонтальной протяженностью облачных элементов.

Апробация результате^. Основные результаты, изложенные диссертация, докладывались на ^пх (1935, Томас), ш (1937.

-я-

Красноярсх), х (1S89, Якутск) Всесоюзные синпозвдмах m распространению лазерного излучения. IX (1SSS, Туапсе) Всесоюзном сиипоэиуа© по лазерному и акустическому зондирования атмосферы, v C1S91, Тсглск) Совещании по атмосферной олтихе. По результатам работы опубликовано 9 статей в центральной печати Св соавторстве).

Структура и объем дцссеэтагом. Диссертация состоят из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 158 страниц текста, 62 рисунка, 9 таблиц и 120 ссылок на литературные источники.

КРАТКОЕ СОДЕРЕШЕ PAEÛÏU.

Во введении обрсновшается актуальность тени исследования к • излагается состояние вопроса, ставятся цель и основные зада® исследования, раскрывается научная новизна работы и формулируются положения, выносимые на защиту.

Глава ■

В главе 1 предстазлен обзор иояолг2 и методов расчетов статистических характеристик излучения в разорванной облачности.

• В § 1.1 обсуадаатся предложенная Ю.-Д. Мушшаа теоретико-экепбришентальная кодзяь кучевой облачности, к приводится обзор методов расчета радиационных характеристик облачного поля, основанных на решении трезмердаго уразненая переноса в отдельной облаке конечных горизонтальных размеров s аясаыбле регулярно располозенше облаков. В это;.: параграф© представлена тахае модель на основе точечных. штоков Палша. которая использована Б.А. Каргинш при коиструировагши более слогной модели облачности, учитыващей как случай!ув геоуотриа сбпачного поля, так и иакроаасштабные флуктуации оптических сеоистз внутри облаков.

1-2 поезжен рассмотрений конструктивных оптических

годелей облачных долей со случайной геометрией на осново пуассоновских енсаглблен точек, вероятностные свойства которых подробно исследованы Г.А. Титовым. В § 1.3 обсуждается метод численного нодеяфоззнкя для оценки математического оыышия. дисперсгсг и корреляционной {.унши интенсивности и потоков солнечной рздкгщн. разработанный .на базе стохастического уравнения переноса и истода "двойной ргзщс^шзаши". прэдлогенного Г.Л. '¿ихайлозь-ч. Приводятся полученное Г.А. Тигозм! рееенхя задата о расцеплений корреляций ыозщу случгйшгет • ЭйзчеЕСяга облачного поля и иггснсзпостьа, сведенная из се основе скстега щжб,сгз&кяш: уравнений для средней штенапшостя солнечного излучения и разработанные алгоритмы ее репеняя нотодои статистического г-'оделирозания.

-Едзва

В гг.эзе 2 рассматриваются некоторые алгоритмы расчета статистических характеристик коротковолновой радиации. и обсуздается вопрос об адекватности кодельных к реальных облачных и радиационных полей.

В § 2.1 из основе стохастичеасого урззнеккя переноса получека система уравнений в - прибликекик метода сферических герхснпс и найдено ее регаешхе в?, - приблтн епиз. Для увеличения точности нетода предлагается использовать представление индикатрисы рассеяния в виде

Е(.г) = (1 - Р) Ш - г) + Р 2>:'<Г), где е*(г) - брдяэ пэгягдд буккция. Для величины Р и коэбф'дииещоз по полгнокга Легандра, входяюй в

репен:?8, ПОЛУЧСЖУ еяпротссшгшкшшэ £сриулы. которые позволяют увеличить тоЧЮШ» расчета средних потоков по данному методу до 15 - 2(К относительно эталонных расчетов по методу Монте-Карло. Разработка теш:-; достаточно точных и эффективных методов расчета необходима с целью кх дальнейшего использования п радиатаонных

блоков в моделях теории климата, общей циркуляции . атмосферы, прогноза погоды и т.д.

В соответствии с уравнением (1)

1 11

0(г> + ; с(г-)й<г-)о<г-)<з? = 1. (15

для нерассеянного солнечного излучения в пределах слоя л и формулой для расцепления корреляций вида <«(г1)*(г2)э,'(г)>, п 1.2... в § 2.2 получены уравнения для дисперсии и пространственно-угловой корреляционной функции интенсивности нерассеянной солнечной радиации. Здесь л- {ге(0,Н)>, с0=соз?0, К0 - зенжный угол Солнца. *<?) - индикаторная функция облачного поля, угловые скобки и'используеыый низа надчерк соответствуют усреднению случайной величины по ансамбля реализаций облачного поля. Б модели на основе пуассоновских потоков точек на прямых для случая статистически однородного облачного шля. при условии.- что коэффициент' ослабления с(г>орешение этих уравнений нетрудно подучить. например, с помощью преобразования Лапласа. Асимптотика вероятностных характеристик интенсивности нерассеянного излучения для оптически толстых слоев с -» « ыогет быть использована при решении таких задач, как изучение статистической структуры яркости небосвода, выбор оптимальных условий для работы оптико-электронных приборов и т.д.

На основании стохастического уразнения переноса в. § 2.3 получена приближенная система уравнений для пространственно -угловой Функции интенсивности солнечной радиации. Корреляционная функция диффузной радиации рассчитывается по формуле

<1(х1)1(хг)> = ■а(21,г1)><к£2,г2)> + (2)

N

»

+ [и(2г,22)-<1<22,"х)>3 х И ЕапЬ(хп,Х1)ехр(-АхЛхо-А &70),

П - О

где X - <?,"), Дх0 = |х0-х2|, Дус= У0-У2|,?0= <х0.У0.20)= Г + (го-г1> х точка первого столкновения, Ах,Ау - среднее

-и-

число центров облаков. приходящихся кз единицу длины (a=*i/d>. Весовые шокители определяются формулами

Q0= pv(2o)/ f CD.Vey.p(-VH-2o)/|0o|)|, в„= ыаа н =1 -1

где - значение альбедо однократного рассеяния, а функции hc^.x^), u(x). v<2) и значения Di, i=i,2, рассчитываются в соответствии с получеккьмн ранее Г.А. Ткгозьи результатами для расчета средней интенсивности в заданной направлении и средней интенсивности яерассеякного излучения (уравнение (1)).

Для корреляции ыеаду шггенскзкостяии пряного и рассеянного излучения получено выражение

<j(rj)i(x2)>=<j(2I)><i(xI)>- р/(1-р)ехр(-АхДх-АуДу+Д(24)21/с1)х

X [VCZ4) - <3 (2I)>3Cu(22,S2)-<í(22,Sa)>] , (3)

где Дх = | Xt- Пх I, Ду = I yt- Уг I.

На основании приведенных выражений для корреляций интенсивности получены форцулы для корреляционных функций потоков солнечной радиации, структура которых соответствует структуре форнул С2)-С3), и. разработаны алгоритмы нетода Монте-Карло для их оценки на границах облачного слоя.

В частной- случае, когда статистические характеристики излучения регистрируются ориентированный в надир узкоугольным приеыншсоа С углом зрения ДП ■= 2п(1 - cosa), а sc ю~э рад, удаленной на большое расстояние нв от верхней границы облаков , расчет корреляции интенсивности для приемников, находящихся в точках it. и Й . 1= (х.,у.,н+н ), i=i,2,

.1 Zl vve '

существенно упроизется

Кг(Иж.Иг) = <i<H,«A)>2 + [и(Н.,2х) - <i(H,3x)>3 X ЛСДх.Ду),

J(Ax,Ay) = г S ехрС-А Дх -А Ду ) dw du ,

ДЯ ДП У

ДХ0=|А5 + - Дуо= |Дх + _

где Дх = xt- хг,' Ду = у,- уг, (о.ол).

-а-

Точность предлозенного ыетода расчета, определяемая путей сравнения с методом численного моделирования, находится в пределах относительной погрешности расчета (40--). а эффективность алгоритма существенно вше. В частности, для расчета корреляционной функции интенсивности в 5 пространственно-разнесенных точках методой численного моделирования било затрачено =»10 часов машинного времени ЭЕМ БЭСМ-6. тогда как оценка <мм,£Н> и и<н,5х) с относительной погрешностью вычислений & требовала 10 - 15 минут, а время расчета интеграла в последней формуле не превышало =< 30 секунд.

В § 2.4 рассмотрен вопрос об адекватности модельных облачных и радиационных полей реальным. Выполнить такое сравнение -в полной мере, к сожалению, не представляется возможным, поскольку экспериментальные исследования облачности и радиации не являлись, как правило, комплексными. Измерения статистических характеристик радиации не ■ сопровождались измерениями всех необходимых- параметров облачного шля, зенитного угла Солнца и альбедо подстилающей поверхности, поэтому, вообще говоря, в модельных расчетах остается большая неопределенность в выборе исходных данных. Сравнение выполнено в моделях статистически однородных облачных полей при н-о.5 кы и кы, т.к. - эти значения обеспечивают хорошее совпадение теоретических и экспериментальных характеристик закрытости направлений визирования кучзвыш облаками. Дисперсии и пространственные корреляционные функции потоков прямой и суммарной пропущенной радиации, угловые распределения рассеянного пропущенного излучения и коэффициент вариации зенита сравниваются с соответствующими экспериментальными данными. Показано, что при малых баллах облачности существенное влияние ;;з статистику пропущенного коротковолнового излучения оказывает

подоблачная атмосфера.

Выполненное сравнение результатов расчетов с данными натурных измерений показывает, что ¡ленду теорией и экспериментом существует удовлетворительное согласие по зсем сравниваемым здесь статистическим характеристикам радиации. Эта согласованность не достигалась путем специального подбора параметров задачи, поэтому она не является результатом "подгонки" и позволяет считать, что пуассонозские модели полей кучевых облаков и приблиненные уравнения для статистических ' характеристик излучения в главных чертах правильно отражают реальный процесс формирования облачного и радиационного полей.

ГЛАВА 3.

В главе 3 исследуются радиационные характеристики разорванной облачности в видимой области спектра и рассматриваются алгоритмы расчета средних потоков .и интенсивностей в ближнем ЕК-диапазоне.

В & 3.1 сбсундаэтся особенности распространения солнечного излучения в случае оптически тонких облаков (перистая облачность). Необходимость такого рода исследования связана с влиянием, которое сказывают дззе оптически тонкие облака на альбедо системы "облака - аэрозоль г подстилающая поверхность" и потоки тепловой радиации. В ходе выполнения работы использованы некоторые результаты комплексного эксперимента, проведенного в 198В. 1987 и 1989 г.г. на Звенигородской базе ЙФА РАН по изучению оптических, микрофизических и радиационных свойств перистых облаков.

Исследование среднего радиационного режима системы "перистые облака-аэрозоль-подстилающая поверхность" показало, что при оценке средних лучистых потоков

- при ? < 1 ыонно не учитывать фактор случайного

-и-

распределшия оптических толщин т (в пределах относительной погрешности расчетов Д - У- У,

-для расчетах средних потоков отраженной а, пропущенной нерассеянной s и диффузной рздиащга ов в статистически однородных облачных полях при т < з. допустимо использовать гфиблкзенаъй аетод (иногда яазызатш в литературе приближением "открыто-закрыто" ), основанный на решении уравнения переноса для сплошного горизонтально - однородного облачного слоя. При возрастании т от = 3 до =» 8-10 ошибка в определении s и ов возрастает (В-КУО, тогда как ошибка в определении суммарной пропущенной и отраженной радиации не превосходит погрешность расчета.

-допустимо использовать модель "средней среды" Сс коэффициентом ослабления = n - балл облачности) для

расчетов суммарной пропущенной и отраненной радиации в статистически однородных облачных полях, при условии. что оптическая толщина т < 8-10. а облака аппроксимируются полосгаи протяженностью ^ 10 кн. Доля пропущенного рассеянного излучения при увеличении т от 1 до 8-10 ыозет быть при этой завышена на величину от 10 до SO'- соответственно.

Альбедо системы "облэчность - аэрозоль .- подстилающая поверхность" достаточно чувствительно к присутствию даже оптически тонких перистых облаков: неучет, их наличия при оценке среднего радиационного ренина при т<1 ведет к занижению среднего альбедо на величину, которая может достигать 10 - IS*.

Одним из параметров, характеризующих стохастическую структуру облачного поля является функция распределения облаков по'размерам f<o>. d - диаметр облака. В § 3.2 рассматривается влияние на средние лучистые потоки для наиболее типичных (согласно экспериментальным данным Plan* v.g., weich r.m. )

функций - степенной н экспоненциальной.

Поскольку значение диаметра облака язляется случнзнкм. трудоемкость алгоритма расчета радиационных характеристик в этом случае достаточно велика как за счет сложной процедуры построения реализации облачного поля ввиду наличия облаков больше размеров (5-7 км), так и веиду необходимости выполнять усреднение еще по одной случайной величине. В работе показано, что в статистически однородных шлях использование более простой модели облачности, состоящей из облаков достоянного диаметра, значение которого определяется функцией и состазляот

о=о2/б, позволяет определить компоненты среднего радиационного режима з пределах устгнозлекного критерия близости (15%).

Сравнение средних компонент радиационного резана в статистически неоднородней модели облачности со случайными горизонтальными размерами и статистически однородной модели с D=const показывает, что средние рассеянные потоки солнечного излучения существенно отличаются. Дазе незначительная доля облаков большого диаметра (и, следовательно, болызой оптической толаины) приводит к расхождениям в значениях а и которые

могут достигать 60?.

. § 3.3 посвящен исследованию зависимости корреляционных функций потоков солнечного излучения от балла облачности, коэффициента ослабления облаков и их среднего горизонтального размера, а такке зенитного угла Солнца. Показано, что дисперсия потоков рассеянной радиации почти на порядок неньио дисперсий прямей и суммарной. Кор реляционные функции прямого и рассеянного излучения в основной определяются геометрией облачности и условиями освещенности. Ввиду того, что взаимная корреляционная функция потоков нерассеянной з и диффузной аа радиации. палимо геометрических пааранетров, чувствительна такке к вариациям

оптической толишш облаков т, корреляция потока суммарной радиации также достаточно сильно завиагг от т.

Целью результатов § 3.4 является построение эффективного алгоритма расчета статистических характеристик солнечной радиации в бликаш ИК-диапазоне • в условиях разорванной облачности. САналогичная задача для случая сплошной слоистой облачности рассматривалась ранее Б.А. Каргиныы).

Один из способов решения этой задачи заключается в разбиении рассматриваемого интервала на н подинтервалоз в соответствии с заданный спектральным разрешением и расчете кетодоя Монте - Карло необходимых статистических характеристик внутри каздого из них. полагая постоянными оптические характеристики облачности (в данном контексте будеи называть его эталонным). Очевидные недостатком такого подхода являэтся значательше затраты машинного времени при большой значении к. и в качестве альтернатива в данном • параграфе предлагается алгоритм ыэгода Монте-Карло, основанный на использовании метода зависимых испытаний, сущность которого заключается в моделировании цепей Маркова только для одной опорной длины волны с последующей корректировкой рассчитываемых статистических характеристик для остальных длин волн \. 1 = 1,.. .к.

Обсундзется модификация этого ыетода для спектрального интервала 2.7-3.2 нкы, увеличивающая его эффективность . ввиду * слабой зависимости коэффициента ослабления облаков в этой диапазоне длин волн, и' оценивается ее точность путем сравнения с эталоннш ыетодоы расчета. Показано, что при решении задач, связанных с получением спектральных характеристик излучения игнорирование спектрального хода индикатрисы рассеяния нокет привести к ошбкзд в определении средних потоков, которые ногут достигать, напри.1.ср. для альбедо, сотен процентов. Такого рода

чувствительность ыозэт быть, вероятно, использована при определении микроструктуры облачности по данным спутниковых наблвдений.

Средняя интенсивность Си средний шток) с, учетом поглощения газами определяется формулой

о

I = 10 * 3(1) Р(1)с11.

■ о

где .) (1Э - усредненное по ансамблю реализаций облачного поля распределение по пробегам, 10- средняя интенсивность без учета поглоиения газами. Р(1)-функцкя пропускания атмосферных газсз. Оценки средней интенсивности ыопга поручить двумя способами:

-поглощение атмосферными газани учитывается' непосредственно в процессе моделирования траекторий удаозением локальной оценки на функции Р(1). Этот алгоритм язляется точта. но весьма трудоемким, т.к. при вариации параметров газовой модели атмосферы и неизменных оптико-геометрических параметрах облачного шля необходимо заново выполнять все расчеты;

-функция о' (1) рассчитывается методом статистического моделирования в виде гистограмм и средняя

интенсивность I вычисляется по формуле

= 1оЛ ЕЛу^а) X Рх^х(1> Щ. С4)

1-1

к - число гистограмм, которое новззо всегда выбрать достаточно большим. Последняя формула является приближенной. но достаточно удобной, поскольку позволяет использовать одну и ту зе функцию о(15 для различных параметров газовой модели атмосферы и высоты верхней границы облаков. Показано, что точность алгоритма, определяемого формулой (4), находится в пределах относительной погрешности расчета.

В § 3.5 обсуждается зависимость средних лучистых потоков 8 спектральном интервале 2.71 икм з х < 3.2 мкы от

-п-

оптико-геоыетрическкх параметров облачности с учете« поглощения водянки пзроы.

Показано, что наиболее сильным количественным и качественным изиекенияи подвержено среднее альбедо облачного слоя. Вариации пропущенной рассеянной радиации Qe(>0 шеит к ест о в основной в диапазоне 2.71 мкы £ х £ 2.79 ккм. я несколько слабее изменяются для х>2.79 шаг при всех рассмотренных параметрах облачности. Доля поглощенной радиации иыеет крайне слабый спектральный ход (за исключением случая малых оптических толщин).

Глава 4.

В глазо. 4 обсугдаэтся результаты математического моделирования поля яркости видииой солнечной радиации ■ и возможности их использования при решении задач восстановления зльбэдо и параметров обычного слоя по спутниковые изиеренияа уходящей коротковолновой радиации.

В §. 4.1 исследуется поле средней интенсивности отраженной и пропуиенной радиации, представленное в виде гистограыы

TZSG. <?.

141

xi= s (ip s I<e,p) cío, Д& = «.=0.1, 1 ©

i

где í - средние интенсивности отрешенного и пропущенного кучевой облачностью излучения в заданной направлении: e=cos£, ? -зенитный, р - азимутальный. углы наШшдеыия. Полученные результаты свидетельствуют, что средняя интенсивность солнечной радиации существенно' зависит как от традиционных параметров теории переноса излучения - оптических характеристик, толщины облачного слоя и зенитного угла Солнца . так и балла облачности, форыы и горизонтальных размеров отдельных облаков.

Сравнительный анализ показывает, что з отличие от слоистой, поло средней яркости кучевой облачности качественно изменяется при вариациях балла; кроне того, дазе при относительно болыЕЕ оптических толщинах С* 5 БО) средние угловые распределения коротковолновой радиации существенно анизотропны. Это свидетельствует о тон, что при объяснении количественных и качественных закономерностей формирования угловых распределений рассеянного излучения при кучеЕсй облачности необходимо учитывать особенности переноса излучения, определяемые наличием негоризонтапькыг боковых сторон и радиационного взаимодействия облаков.

Зирское использование искусственных спутников Земля позволяет вести кэпрерызныэ наблюдения зз характеристиками облачности и-радиационного баланса .при условия, что корректно решена задача о взаимосвязи менду измеряемой со спутника энергетической характеристикой и значение-?] альбедо системы "атмосфера - земная поверхность". Ввиду того, что поло яркости и среднее альбедо кучевой облачности заметно отличаются от соответствующих характеристик эквивалентной слоистой облачности, в § 4.2 представлены результаты решения ■ модельной задачи по интерпретации спутниковых данных о сроднем альбедо хучевых облаков.

Установленный та спутнике приемник с фиксированным углей зрения измеряет некоторую энергетическую характеристику, которая представляет собой линейный функционал от интенсивности излучения, уходящего с верхней границы атмосферы

2 71 1

I = X т I» (¡Ц йр,

о сова

где Г - средняя интенсивность отраженного излучения. <* - угол зрения приемника, оптическая ось которого ориентирована в зенит.

Для опенки влияния нелаыбертовости облаков рассматривается

-го-

те:е:о облагай слой с альбедо А к к изотропной шггенсиБнастьх) 1е-1/*. Результаты расчотоз свидетельствуют, что предположение о лаабсртозостк рассеяния солнечного излучения облачвыг покровом презодст в случае кучевой облачности как к завыиоккв, так и зшшеша. а в случзэ сгаясгаа - в систеившюскоку завышения среднего альбедо кз веямдгу ^ 10-20-:. Если при восстановлении а пренебречь эффектам. сзяззнакак с. коиечжсзг горизояталыагд! розаерагш кучевых облаков, то погрегаость в определении альбедо кучевой облачности составит десятки процентов, возрастая с уцегакенжаз балла облачности.

Б § 4.3 исследуется статистика иктенскБкосгк уходягай б зешгт рггизгЕз: к обсуадзэтся возмоеность пассивного зовдрозапия облачных полай из косаосз. Получены згвшпюсге среднего, яясперска и пространственной корреляционной функции от баллз облачности ^, горизонтального размера облаков », оптической тшезвц кучовах ойкхсов и зенитного угла Солнца. Б рааках метода лкзеаргзгши численно ресается модельная обратная задача определения к» в к « по известной статистике уходящей в зенит радазсвг: Свнтеасквшсть. коэффициент вариации, пространственная коррелязгоннэя функция): зенита угол Солнца и другие парааетрьг задач:: считается задггЕЕз-:. Показано. что при начальных значениях ко. ъо>°0 кожно восстанавливать указанные параметры в достаточно щрскпх иктервелзх. Оакб&а в определено: н и с после 3-4 кгерахсй из превосходят 25, а при восстановлена: о - ож&сз после двух гтерааиа'составляет 1С:.

Осаовиге оазу-яугсты работы состоят в следуадеч;

1.Еа основе Рн- пр-дблизекия яетодз сферических гаршшк выведена систшз уравнений для расчета средних потоков солнечного излучения; получаю ео ребенке в .ранках приближения в случае консервативного рассеяния. Предяоненз

модификация дашого аотодз. осиеоаетая нз ааярсхшкязви шгршйтроэ систони л уоеяачкзехдая тонкость дакого оягсрииго (относитапьно эталошьк расчагез, тяучшшх йз основе метода "сито-Ксрло).

2. Ка осиозо стогсстйчзсюго дагаеяая ягрскоеа далучсш спстс:«а урпш&шт для втсршг шгеятев рзж-тда; а разработан аягорчта со решс/ш аотодоа МсятеЧСсряэ. Еизэясяз а Р^озз скст?чо уревышй для корролякзгрйяей зупзтш яятшсивяоии яерассоязкото язяучяш.

3.Прэдложт алгсрзк! йотояз йшго-Керя® для расчета сроят; шгхенскзнсстей в потскоз в • блшей йК-облзетя спгятрэ. суть которого зёкязчзотся з рвсчств средшзз расетжсший 2СраКТ5рЙСТяК рЗЗСрЗяаВОЙ ОбЛаЧЙОСТИ СОЗ гЧЭТЗ ЯОГЛЭЩНИЯ мыосферкЕШ • газзаз (первый этап) с ях посяэдудага

ЛСЛОДЬЗОВШШШ В РЭЭЛИЧШК Г330Э1ГХ КОДЗДЯХ ЗТЙОСЙСРН, зар55зшк

зысот гзиней и верхней грзкиш еблокоэ' я Ф312СЦЗЯ ПОГЛОЩАЯ (зтерей ОТ8П). Обсуаоаотся а0Я8$йКЗЦИЯ этого алгоритма для расчетов срввш радиашюша ' жарпктеристза излучения з диапазоне 2.7 - 3.2 шш, основанная яз слабой зазшаости коэффадшта ослабления ойшеов от дяеш оояш. Показано, тго игнорирование спектрального года кшакатржаз рассеяния при сцожах средних потоков водот К вЙйбйСИ. достйтггзша, нзлршор» при определяем среднего альбедо, сотен процентов.

4. Выполнено сравнение иодзлышк и экспериыенгальнш: статистистическик хзрахтерйстак облачных п ражзгастш: полей. Показана возиозжость ислользсган$ш яуассслспсюк моделей разорвашгой облачности для описания реальных полса облзжости и радиации, по крайней мере. - 8 качество лердого ггр2бли.-ген8я1

5. Исследсеада засояоиеркости форшгрозсяия ерэдаего

ршигшоаного ренша перистой облачности. Показано, что при оценках среднего альбедо и суммарной пропущенной радиации Ст-8) моею пренебречь стохастическим характером геометрии облачного поля и использовать в расчетах приближенный метод, основанный на решении уравнения перекоса для однородного плоско-параллельного слоя (приближение " открыто-закрыто") и модель " средней среды". Игнорирование наличия оптически тонких перистых облаков Ст£1) при определении среднего альбедо системы "облака - аэрозоль -подстиламщэя поверхность" ведет к его ззниаения нв величину = 10-155.

5. Показано, что в статистически однородных облачных полях с экспоненциальной или .степенной функцией распределения диаметров облаков средние значения апьбодо к суммарной

пропущенной радиации совпадав? в пределах 'относительной погрешности расчетов С5"X тогда как соотношение средних потоков нерассеянзой и'ди$*узной радиации зависит от г (о> колеблется ' в пределах десятков процентов. Для у^екыленпя ■■ трудоемкости алгоритма расчета средних лучистых потоков в статистически однородных облачных полях целесообразно использовать модель облачности, состоящую из облаков постоянного диаметра Е=ог/б. Переход от статистически неоднородной к статистически однородной ыоделы облачности ксеэт привести к ошибкам в расчетах средних лучистых потоков, достигамсш десятков процентов,

?.Показано, что статистичеспсе характеристики поля яркости кучевой облачности качественно к количественно отличается от соответствуй!^ характеристик слоистых облаков. Нз примере решения модельных задач показана возможность восстановления среднего ал&бедо и оитико-геоиетричеекпх поля кучевых облаков по даннга! спуткшовкх измерений уходящей солтечасй рашккБш.

-аз-

Основные работы по теме диссертации. 1.Журавлева Т.Б., Титов Г.А. Метод сферических гариокйс в задаче о переносе излучения в разорванной облачности. - Изв. АН СССР. ФАО. 1S8S. т. 22. а/ s. с. 600 - 606.

З.Зурзвлева Т.Б., Титов Г.А. Угловые распределения солнечного излучения в разорванной облачности. - Изв. АН СССР. ФАО, 19S7, т. 23. л/7. с. 733 - 741.

3.Журавлева Т.Б., Гитов Г.А. Статистические характеристики нерассеянного излучения при. кучевой облачности. - В кн. : Оптико-метеорологические исследования атмосферы. Новосибирск. Наука; 1987. с. 108 - 119.

4.Журавлева Т.Б.. Титов Г.А. Корреляционная функция потоков солнечной радиации при кучевой облачности. Оптика атмосферы. 1983. Т. 1.У 10. С. 79 - 87

5.Журавлева Т.Б.. Титов Р.А. Восстановление альбедо разорванной облачности по результатам спутниковых наблюдений. Иссл. Земли из космоса. 1988. V 6. с. 20 - 26.

6.Журавлева Т.Б., Титов Г.А'. Корреляции интенсивности солнечного излучения в разорванной облачности. Иссл. Зеыли из косыоса. 19S9. У 4. с. 35 - 43.

7.Журавлева Т.В.. Титов Г.А. Статистические характеристики уходящей коротковолновой радиации. Иссл. Зеыли из косыоса. 1989. V5. с. 81 - 87.

8.Журавлева Т.Б.. Касьянов Е.Н. Средние лучистые потоки в условиях разорванной перистой облачности. В сб.: Радиационные свойства перистых облаков. М.: Наука. 1989, с. 177 - 18S.

Э.Журавлева Т.Е. Чувствительность средних лучистых потоков к вариациям функции распределения облаков по размерам. Оптика атмосферы. W2, г. 5, ¿3, с. 239-2 <<6.