авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Величко, Александр Павлович

Разработка ИК­радиометрического комплекса,

обеспечивающего дистанционный контроль и

исследование облаков и прозрачности

атмосферы

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2007

Величко, Александр Павлович.

   Разработка ИК­радиометрического комплекса,

обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы [Электронный ресурс] : дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13. ­ Москва: РГБ, 2007. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/07/0255/070255030.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Величко, Александр Павлович Разработка ИК­радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы Российская государственная библиотека, 2007 (электронный текст) 61:07-5/ московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ НА ПРАВАХ РУКОПИСИ Величко Александр Иавлович РАЗРАБОТКА ИК-РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА, ОБЕСИЕЧИВАЮЩЕГО ДИСТАИЦИОИНЫЙ КОНТРОЛЬ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАКОВ И ИРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ Специальность 05.11.13 -Нриборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕНЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК Научный руководитель:

Д.Т.Н., доц. МГУПИ Гарипов В.К.

Москва 2006 г.

Содержание ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1, Теоретические осиовы дистанционных измерений нисходящего ИК-излучения 1.1. Основные задачи, которые позволяют решить применение ИК-радиометрического метода зондирования окружающей среды 1.2. Основные характеристики прозрачности атмосферы 1.3. Основные радиационные характеристики облаков 1.4. Влияние облачности на перенос радиации в атмосфере 1.5. Исследования переноса ИК-излучения в облаках по ослаблению излучения высокотемпературного источника ГЛАВА 2. Разработка аппаратурного ИК-комплекса и методов измерений параметров атмосферы 2.1. Измерение радиационной температуры НГ облаков из стационарного положения 2.2. Температурное сканирование движущегося метеообъекта 2.3. Метод измереьшя плотности оптически полупрозрачных облаков по Солнцу 2.4. Методики обработки экспериментальных данных ГЛАВА 3. Разработка и обоснование методов калибровки ИК-радиометрического комплекса 3.1. Повышение стабильности в работе ИК-радиометров ПО 3.2. Методы градуировки ИК-радиометрической аппаратуры ГЛАВА 4. Разработка фотографических методов определения некоторых параметров разорванной облачности 4.1. Фотографический метод определения высоты метеообъекта... 4.2. Мегоджи расчета скорости движения облака по фотоснимкам, полученным цифровой камерой ИК-радиометрического комплекса ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ Введение.

Работа посвящена разработке комплекса ИК-радио- и фотометрической аппаратуры, предпазпаче1шой для дистанционного контроля прозрачности пограничного слоя атмосферы, содержания в атмосфере водяного пара, а также метеопараметров облачности различных TIfflOB.

Применение для этих целей дистанционных методов - ИК радиометрического и фотографического - позволяет оперативно определять основные параметры облачности (высота нижней границы, водность и водозапас облака, плотность оптически полупрозрачных облаков) и атмосферного пограничного слоя (тип стратификации, вертикальные профили ветра и его направление, прозрачность АПС).

Актуальность темы.

Разработка дистанционных методов и аппаратуры контроля текущего состояния атмосферы с поверхности земли и со спутников в течение многих лет привлекает внимание отечественных и зарубежных ученых и инженеров. Создан щирокий арсенал приборов, работающих в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн. Эти приборы нашли щирокое применение как в оперативной практике, так и в научных исследованиях, связанных с изучением строения атмосферы и динамических процессов, протекающих в ней.

Вместе с тем, совершенствование и создание новых дистанционных методов и аппаратурных комплексов дистанционного контроля атмосферы осталось, и еще в течение многих лет будет оставаться одним из наиболее перспективных направлений развития метеорологического приборостроения.

Особое внимание в этих работах занимает разработка аппаратурных комплексов, работающих в видимом диапазоне длин волн и в «окне прозрачности» атмосферы 8 - 1 4 мкм. Показшю, что использование этого диапазона в сочетании с приборами, работающими в ближней ИК-области спектра и микроволновом диапазоне, позволяет получить много полезной информации о состоянии атмосферы, которую можно использовать в оперативной метеорологической практике, экологии и для изучения физических процессов, протекающих в атмосфере.

Особый научный интерес представляют исследования процессов, протекающих на стадиях зарождения и начальных этапах развития кучевой облачности. Рещение этой задачи необходимо для понимания термодинамического состояния атмосферы, приводящего к образованию мощно-кучевой и кучево-дождевой облачности. Для получения соответствующей информации роль оптических методов и приборов, в том числе работающих в «окне прозрачности» атмосферы, трудно переоценить.

Несмотря на большие успехи и достижения в области оптического приборостроения, радиоэлектроники и вычислительной техники многие проблемы в метеорологии не решены. В частности, проведение высокоточных измерений радиационных потоков в условиях реальной атмосферы, когда температура и влажность окружающей среды может изменяться в очень широких пределах, представляет сложную и до сих пор до конца не решенную техническую задачу.

Вместе с тем, име1шо такая аппаратура необходима для оперативного определения загрязнения воздуха в приземном слое и определения параметров полупрозрачной облачности, особенно в зимний период.

Цель диссертационной работы.

Разработка ИК-радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков различных типов и прозрачности атмосферы.

Для достиже1шя поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методики измерений и алгоритмы, позволяющие при известных хараетеристиках атмосферы и ИК-радиометрической аппаратуры:

- установить связи между уровнем нисходящего теплового излучения в спектральной полосе А, = 8 - 14 мкм, общим А содержанием в атмосфере водяного пара и аэрозоля;

- определить высоту нижней граниЩ)1 облака, используя модель:

облако - атмосфера - подстилающая поверхность;

- с учетом влияния подоблачного слоя определить водность, водозапас облаков, ледность оптически полупрозрачной облачности.

2. Создать автоматизированный прещиионный комплекс, включающий ИК- и микроволновую радиометрическую и фоторегистрирующую аппаратуру.

3. Разработать методы и устройства, обеспечивающие калибровку аппаратуры в широком диапазоне температур, включая низкотемпературную область, когда уровень радиащюнных потоков, несущих полезную информащпо об атмосфере мал, а уровень излучения окружающей среды достаточно высок.

4. Исследовать функщюнальные возможности разработанной измерительной аппаратуры в реальных условиях.

5. Разработать оперативный метод непрерывного контроля за состоянием рабочей аппаратуры в лабораторных и полевых условиях.

Теоретические обосиования и задачи экспериментальных исследований.

Изучение комплекса проблем, связанных с переносом оптического излучения в безоблачной атмосфере и полупрозрачной облачности, оценка возможности решения обратной задачи определения водности облаков по результатам обработки данных совместных ИК- и СВЧ-радиометрических, лидарных и радиолокационных измерений. Такой подход позволяет существенно продвинуться в понимании того, как образуется, развивается или распадается облачность.

Решение этих сложных проблем невозможно без учета влияния термодинамического состояния атмосферы: вертикальных профилей температуры, влажности и ветрового поля, а также наличия и распределения в атмосфере аэрозоля и учета их влияния на перенос оптического и радиоизлучения в атмосфере. Последние сведения позволяют более полно и точно определить погрешности, которые могут возникнуть при решении обратных задач, связанных с определением водности, водозапаса, ледности, а также термодинамической стратификации атмосферы.

Постановка задачи и нреднолагаемый нодход к ее решению.

Ранее в различных организациях, в том числе и в МГУПИ, были теоретически и экспериментально обоснованы методы, основанные на одновременном применении разрабатываемых лидарно-радиометрических методов. Для исследования использовалась высокочувствительная измерительная РЖ- и СВЧ- радиометрическая аппаратура и высокочувствительный лидар.

Было показано, что использование одновременно информации, содержащейся в отраженном и рассеянном сигнале, угловой зависимости и уровне собственного излучения атмосферы, позволяет получать дшшые о прозрачности атмосферы, водозапасе облака, а также о распределении В Д О Т внутри самого облака, и изменении этих величин во времени и О Н СИ нространстве.

Вместе с тем, существует комнлекс вонросов, которые требуют своего решения. К числу таких вонросов относятся исследование переноса онтического излучения в оптически полупрозрачной облачности и нереход от параметров отраженного (излученного) облаком сигнала к параметрам, характеризующим само облако (водность, микроструктура). Значительно осложняет осуществление этого перехода необходимость учета многократного рассеяния и ноглощения оптического излучения ледяными кристаллами неправильной формы.

Решение всех перечисленных выше проблем требует создания прецизионной ИК-радиометрической и оптической аппаратуры.

Научная новизна работы.

1). Разработаны и исследованы методики проведеьгая измерений параметров облачности различных типов на созданном наземном ИК радиометрическом и фотографическом комплексе.

2). Разработаны и апробированы алгоритмы обработки измеряемых нараметров облачности и атмосферы.

3). Разработан и исследован снособ расширения измеряемого ИК радиометром температурного диапазона.

4). Разработаны и апробированы оригинальные методы калибровки ИК-радиометрического комплекса.

5). Разработан и обоснован фотографический метод определения высоты нижней гранищ1 облачности.

Практическая ценность работы.

1). На основе элементной и анпаратурной базы последнего поколения изготовлен и апробирован прецизионный и автоматизированный ИК-радиометрический и фотографический комплекс дистанцио1шого зондирования для онределения параметров облачности различных типов и контроля прозрачности атмосферы.

2). Впервые проведены долговременные ИК-радиометрические и оптические измерения и проанализированы их соответствие со С 5 Г И 0 Ы И наблюдениями при наличии различных форм облачности ПП Н КВ М над районом Москвы. Они показали возможность определения и вариации содержания в атмосфере водяного пара при низких температурах, когда применение других методов, в том числе и традиционного радиозондового метода, мало эффективно, т.к. сопряжено с большими погрешностями.

3). Оригинальные методы калибровки ИК-радиометрического комплекса позволили проводить измерения радиационных потоков, величина теплового излучения которых соответствует температуре «черного тела» (в спектральной полосе 8-14 мкм) 180 - 200°К.

4). Разработанный ИК-радио- и фотометрический комплекс и методика дистанционного зондирования облачности и контроля прозрачности атмосферы могут быть использованы при исследовании и прогнозировании метеорологичекой ситуации, а также для экологического мониторинга в отдельном регионе.

5). Полученные статистические данные об облачности над отдельным районом Москвы могут быть использованы при составлении краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды в мегаполисе.

На защиту выносятся:

1. ИК-радио и фотометрический комплекс и оригинальные, теоретически обоснованные методы его калибровки.

2. Методики дистанционного зондирования облачности и контроля нрозрачности атмосферы.

3. Методики обработки полученных экспериментальных данных с учетом вклада в уровень принимаемого сигнала излучения подоблачного атмосферного слоя, основанного на использовании данных температурно-влажностного радиозондирования.

4. Методика определения степени прозрачности атмосферы.

Апробация работы и публикации.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- XIII Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2003 г.

- XIV Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2004 г.

- XV Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2005 г.

- XVI Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2006 г.

- VIII международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2005 г.).

- IX междупародной научно-практической конференции (г. Сочи, 2006 г.).

Но теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе научных статей - 1, публикаций в сборниках докладов и тезисов международных и российских конференций - 6.

Личный вклад автора.

Содержание диссертации является частью научной работы, проводимой на кафедре «Оптико-электронные приборы и системы» в рамках госбюджетной тематики «дистанционное зондирование атмосферы и экологический мониторинг окружающей среды». Работа велась в тесном сотрудничестве с ИФА РАН. Автор принимал непосредственное участие в разработке и изготовлении комплекса, в составлении программного обеспечения, во всех измерениях, проводил первичную и статистическую обработку и обобщение данных.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложе1гая и библиографии. Объем диссертации составляет страницы, включая 55 рисунков и список литературы из наименований, а также 3 приложения.

Во введении обосновывается актуальность исследований, сформулирована цель, научная новизна и практическая ценность работы, кратко излагается содержание диссертации по главам, приводятся основные научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приводятся: сжатый исторический обзор методов дистанционного зондирования полупрозрачных типов облаков;

теоретическое обоснование выбранных методов для измерения параметров оптически полупрозрачных облаков;

обзор работ, посвященных данной тематике;

оценка возможностей практического применения результатов данной работы.

В главе 2 приводится разработка методики измерения параметров облаков различных типов в ИК- и видимом диапазонах. Основными недостатками метода Вильсона являются: 1) теоретический расчет интенсивности излучения Солнца при различных моделях атмосферы;

2) необходимость последовательного наведения измерительной ИК установки на Солнце, закрытое полупрозрачным облаком, потом на это же облако (или его фрагмент) без Солнца. Первый недостаток вносит ощутимые погрешности при измерениях полупрозрачных облаков в реальной атмосфере, а второй предполагает, естественно, проведения таких операций вручную, что сказывается в первую очередь на оперативности зондирования и требует постоянного участия и внимания обслужршающего персонала. Метод определения коэффициента Прозрачности облака, предлагаемый в данной работе, позволяет избежать отмеченных недостатков, но с другой стороны появляется погрешность в измерении излучения высокотемпературного источника. Суть метода заключается в постоянном (автоматическом) слежении за высокотемпературным источником (Солнцем), периодически перекрываемом полупрозрачными облаками. В этом случае реальное состояние атмосферы (прозрачность) учитывается в каждом цикле измерений. Для этого необходимо разработать следящую систему за перемещением Солнца, причем точность наведения и сопровождения Солнца должны обеспечивать погрешность измерения прозрачности облака значительно ниже, чем при методе Вильсона.

Однако измеряемый температурный диапазон ИК-радиометрическим способом ограничен. В лучшем случае современные ИК-радиометры промышленного исполнения измеряют температуру в интервале от - 50°С до + 500°С, в то время как радиационная температура Солнца составляет несколько тысяч градусов Кельвина, а температура облаков верхнего яруса и чистого неба составляет порядка -70°К. В связи с этим была разработана методика расширения измеряемого температурного диапазона с применением при измерениях полиэтиленовой пленки, «прозрачной» в рабочем участке спектра.

Предложена и разработана экспериментальная установка для проведеитя натурных измерений, структурная схема которой представлена на рис.1.

Кроме того, разработана сканирующая установка на базе ИК термометра (рис.2) для измерения температуры нижней границы облаков, позволяющая получить после соответствующей обработки измеренных значений поверхностную температурную диаграмму и тепловую карту участка неба (рис. 3,4).

Блок приводов г Блок Оптическая Блок система электроники питания (БЭ) (БЭ) ИК Объект Источник 1—* излучения полупрозрачное термометр Индикатор углов облако (Солнце) Фотоаппарат Блок питания ИК-термометра t L Блок питания ПК фотоаппарата Рис. 1. Структурная схема следящей ИК-фотометрической установки типа «Кимоно».

II 5. Блок 1. Датчик угла Блок I •+- питания поворота электроники I Блок З.Сканирующее 6.ИК 1. Объект J- питания зеркало термометр 4. Привод 7. Мобильная зеркала ПЭВМ Узел приема и Сканирующий обработки узел сигнала._ ! I.

Рис.2. Структурная схема сканирующей ИК-установки.

Рис.3. Поверхностная температурная диаграмма участка неба с облаком.

б 8 Рис. 4. Тепловая карта участка неба.

Проведена серия экспериментальных измерений, представлены первичные результаты, их анализ, обработка и систематизация. Па основе этого были разработаны методики проведения измерений на данных ИК установках.

Также в течение последних трех лет в г. Москве были проведены долговременные дистанционные наблюдения за облаками различных типов, осуществлен обищй анализ полученного материала.

Глава 3 посвящена разработке и обоснованию методов калибровки ИК-радиометрического и фотографического комплекса. Были исследованы пути повыщения стабильности ИК-радиометра. Калибровка ИК радиометра перед каждой серией измерений может проводится по нескольким температурным точкам излучения абсолютно черного тела (АЧТ), в качестве которого, как показано в работе, можно применить пластину тающего льда (t = 0°С) и опорный излучатель, представляющего собой электрически подогреваемый толстый алюминиевый диск с зачерненной излучающей поверхностью с концентрическими канавками.

Оба макета АЧТ имеют коэффициент излучения, близкий к единице и достаточно стабильный во времени.

В главе 4 приводятся возможности применения цифровой фотосъемки облаков с последующей компьютерной обработкой изображений. Выбор оптимальных режимов и способов фотосъемки различных видов облачности. Разработка измерительного комплекса для совместного использования фотографического метода и ИК-радиометрии.

В заключении кратко перечислены основные результаты работы и следующие из них выводы.

В приложениях приведены таблицы, необходимые для расчетов основных характеристик облаков и атмосферы, основные технические характеристики разработанного ИК-радиометрического и фотографического комплекса, экспериментальные температурно временные диаграммы метеообъектов и некоторые зависимости характеристик облаков, полученных в результате проведения долговременных измерений в 2002 г в городе Москва.

Основное содержание диссертации онубликовано в следующих работах:

1) Слепцов В.В., Величко А.П., Новикова М.В., Паьшна Н.В.

«Дистанционные исследования основных характеристик облаков различных тинов в ИК и видимом диапазонах спектра».

Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатжи и экономики. Научные труды VIII Международной научно практической конференции (г. Сочи, 2005 г.). Кн. Приборостроение. М.

2005.;

2) Слепцов В.В., Величко А.Н., Новикова М.В., Панина Н.В.

«Исследование способа расширения измеряемого температурного диапазона в ИК-радиометрии»;

Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Научные труды VIII Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2005 г.).

Кн. Приборостроение. М.2005.

3) Слепцов В.В., Величко А.П., Новикова М.В., Панина Н.В. «Обоснование и обработка фотографического метода определения высоты нижней границы облачности»;

Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Научные труды VIII Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2005 г.).

Кн. Нриборостроение. М. 2005.

4) Горелик А.Г., Величко А.П., Панова Т.А., Шишков П.О. «Пути повышения надежности интерпретации метеорологической информации, полученной при помощи радиолокационных средств». Научные труды XXI Всероссийского симпозиума «Радиолокационное зондирование природных сред». С.Петербург, 2002 г.

5) Слепцов В.В., Величко А.П. «Сканирующая инфракрасная радиометрическая установка для дистанционных исследований основных характеристик облаков различных типов». Журнал «Приборы» ^28 (74) 2006г.

6) Величко А.П. «Градуировка ИК-радиометра по эталонному излучателю»

Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Научные труды IX Международной научно практической конференции (г. Сочи, 2006 г.). Кн. Приборостроение. М.

2006.

7) Величко А.П. «Градуировка ИК-радиометра по контрольному излучателю». Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Научные труды ЕХ Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2006 г.).

Кн. Приборостроение. М. 2006.

Глава 1. Теоретические основы дистанционных измереиий нисходящего ИК-излучения 1.1. Основные задачи, которые позволяют решить применение ИК-радиометрического метода зондирования окружающей среды Применение инфраьфасных систем (радиометров) совместно с техникой, работающей в соседних снектральных диапазонах (фоторегистрирующей анпаратуры видимого диапазона и СВЧ-установки для параллельного зондирования) дает возможность измерить и определить следующие радиационные характеристики атмосферы и подстилающих поверхностей:

1. Распределение по высоте в атмосфере температуры, влажности и плотности воздуха, скорости и направления ветра;

2. Пространственное распределение облачности, высота и температура нижней границы, водность, водозапас и некоторые другие характеристики облаков;

3. Температура, влажность воздуха и параметры ветра в приземном слое атмосферы, дальность видимости, характеристики осадков, температура и влажность поверхности почвы;

4. Лучистость атмосферы и облаков (в спектральных диапазонах, разрешаемых приборами аппаратурного комплекса) при различных углах зондироваьшя;

5. Яркость излучения Солнца на фоне атмосферы и облаков в разных спектральных диапазонах;

6. Спектральная излучательная способность различных естественных поверхностей, в том числе покрытых растительностью;

7. Зависимость лучистости атмосферы от влагосодержания, в том числе и угловые зависимости;

8. Оптические толщины атмосферы;

9. Коэффициенты черноты облаков различной формы;

10. Влияние подоблачного слоя атмосферы и подстилающей поверхности на излучение облаков;

11. Пропускание облаками излучения Солнца в «окне прозрачности»

атмосферы (8-14 мкм);

12. Оценка зависимости коэффициентов черноты облаков от их водности.

Кроме того, различные сочетания измерительных ИК-систем с другими промышленными или научно-исследовательскими комплексами и установками позволят решить множество задач в области бесконтактного измерения и контроля технических параметров изделий, технологических процессов и т.д.

1.2. Спектральные и интегральные характеристики прозрачности атмосферы Условия переноса ИК-излучения в атмосфере весьма изменчивы в пространстве и времени. Это обусловлено в первую очередь географическими условиями формирования влагосодержания в атмосфере, количеством и свойствами содержащихся в ней аэрозолей, определяющих наряду с астрономическими факторами изменчивость прихода лучистой энергии Солща.

Оптические свойства атмосферы характеризуются такими параметрами, как интегральная и спектральная прозрачность, оптическая плотность и толщина, фактор мутности.

Для оценки прозрачности атмосферы используется коэффициент прозрачности, определяемый по формуле Бугера (1.1):

(1.1) где т - число оптических масс атмосферы.

Для естественного излучения в узких спектральных интервалах величина т(Х) является необходимым и достаточным критерием прозрачности атмосферы.

При прохождении солнечного излучения через атмосферу происходит селективное ослабление его спектральной энергетической плотности - поглощение в полосах перманентных атмосферных газовых составляющих, селективное молекулярное и аэрозольное рассеяние.

Вследствие этого ослабление интегрального излучения отличается от закона Бугера.

Это обусловлено тем, что на начальном участке пути солнечной радиации в атмосфере, например, при прохождении одной относительной оптической массы {т = 1), из спектральной энергетической плотности исключается часть энергии путем поглощения атмосферными газами, селективного рассеяния. В результате максимум в спектральной энергетической плотности сдвигается в более длинноволновую область, чем в заатмосферном излучении. Для измененного спектрального состава излучения атмосфера оказывается более прозрачной, поскольку в нем возрастает доля длинноволновой радиации. Поэтому даже при неизменных оптических свойствах атмосферы в значениях коэффициента прозрачности, определенных при различных т по формуле (1.1), появляется виртуальный ход, известный как эффект Форбса.

В табл. 1.1 приведен виртуальный ход интегрального коэффициента прозрачности идеальной атмосферы (теоретическая атмосфера, не содержащая водяного пара и аэрозолей, т.е. сухая и чистая атмосфера).

Таблица 1.1.

Коэффициент прозрачности атмосферы 1 ш 2 3 4 0, 0,922 0, т 0,916 0,927 0, 0, Оптическая плотность идеальной атмосферы а(Х) является мерой оценки замутненности реальной атмосферы (фактор мутности Т), Фактор мутности, предложенный Лиьже, представляет собой число оптических плотностей идеальной атмосферы, необходимых для ослабления энергетического потока, которое происходит в реальной атмосфере:

1пг„,, ^^ 1.2) —^, 1пг„ где ар{Я)- оптическая плотность (коэффициент ослабления) реальной атмосферы;

а„{Л)- оптическая плотность идеальной атмосферы, г^,,г„ соответствующие коэффициенты прозрачности.

Эффект Форбса в факторе мутности (7) проявляется существенно меньше, поскольку здесь исключается влияние на него сухой и чистой атмосферы. Виртуальный ход фактора мутности Линке обусловлен лишь селективностью поглощения водяным паром и аэрозольного рассеяния.

Для полного исключения виртуального хода Линке предложил еще один фактор мутности, в котором за единицу фактической плотности атмосферы принимается не идеальная атмосфера, а атмосфера, содержащая кроме перманентных составляющих газов водяной пар в количестве 1 г в столбе единичного сечения. Его зависимость от массы атмосферы существенно меньше и лучше характеризует фактическое изменение прозрачности атмосферы.

Оптическую плотность атмосферы а(Х) иногда называют оптической толщиной. Если при этом не оговаривается, что это оптическая толщина единичной массы атмосферы, то необходимо употреблять термин «плотность», т.к. оптической толщиной в общем случае является величина am. Определение этой оптической характеристики является корректным лишь для монохроматического излучения.

1.3. Основные радиационные характеристики облаков К основным характеристикам облаков относятся:

- форма облака;

- высота нижней границы (Ннг);

- высота верхней границы (Нвг);

- мощность облака (Нобл = Нвг - Ннг);

- оптическая толщина облака (honr);

- водность (или ледность) (©);

- водозапас (W);

а также радиолокационные характеристики:

- интегральное и спектральное альбедо (А, А(Х,));

- пропускание;

- поглощательная способность;

- относительная излучательная способность;

- яркостная температура.

Рассмотрим некоторые из них.

Оптическая толщина.

Оптическая толщина облака Ьопт есть натуральный логарифм коэффициента направленного пропускания т облачного слоя:

-1п|^^, (1.3) где Ф^ и Ф„„- энергетические потоки на входе и выходе из облачного слоя соответственно.

Оптическая толщина облака honm в вертикальном направлении связана с показателем ослабления излучения a(z) и толщиной облака Нобл соотношением:

(1.4), где а - среднее значение показателя ослабления излучения всего облака.

Например, для облаков конвективного развития оптическая толщина в вертикальном направлении можно описать эмпирическим соотношением:

(1.5) К^=50Н'^+70Н^ Следовательно, /г„„ составляет 10 -^ 10 при мощности облака от 1 до 3 км.

В таких облаках слоистых форм, как St, Sc, оптическая толщина первоначально (до Нобл ~ 0,3 км) растет пропорщюнально Н^, затем рост замедляется. При мощности облака Нобл - 0,5 км, например, /г„^~ 20. В облаках Ns, As, Ac такую оптическую толщину имеют примерно вдвое более мощные облака, т.е. облака с Нобл- 1 км. Для облаков верхнего яруса толщиной около 1 км h^ не превосходит несколько единиц.

Водность облаков.

Водностью облаков со называют массу воды, находящейся в конденсированном состоянии в единице объема воздуха.

Если облака чисто канельные, то где р,=\О^кг/м^=\г/см^ - ПЛОТНОСТЬ воды;

г, - радиус /-той капли, а суммирование производится по всем каплям единичного объема облака.

Если известна плотность распределения канель по размерам/(), то (1-7) 0)^=— л:рЫ\ г ' f{r)dr = — npNr^ Если облако кристаллическое, то (1.8) (о.„ = Тт,, где W, - масса /-го кристалла. И здесь суммирование происходит по всем кристаллам единицы объема. Иногда величину ю^^, называют ледностью облака. Масса одного кристаллика зависит от его размеров, формы и плотности льда.

Полная водность в смешанном облаке Среднюю водность облака можно представить следующим выражением:

uj«u)o+y' (1-9) где соо - параметр водности, зависящий от температуры облака (для оптически плотных облаков - его нижней граьшцы);

со* - некоторое минимальное значение водности, характерное для данной местности.

Для средних широт европейской части России на основе накопленного экспериментального материала о повторяемости значений водности облаков всех форм ф' = 0,032г/м^ - Д Я отрицательных температур;

Л 0)' = 0,05г/л^ - для положительных температур.

Связь соо с температурой облака t°C можно задать эмпирическим соотпошением [40]:

В таблице 1.2 отражена связь соо и средней водности с температурой облака:

Таблица 1.2.

10 5 -20 - 0 -5 -10 -15 - /"С 0,28 0,23 0,09 0, 0,19 0,16 0,13 0,11 0, 0, 0,33 0,28 0,16 0,12 0,10 0, 0,23 0, со,г1м^ В соответствии с формулой (1.9) средние значения водности в облаках различных форм при разной температуре представлены в табл.

1.3.

Таблица 1.3.

Форма Температура, °C облаков 5 0 -5 - - 0, 0,33 0,25 0,18 0, Ns 0,24 0,21 0, Sc 0,27 0, 0,20 0, 0,25 0,23 0, St 0, Ac, As 0,20 0, 0,21 0, Для решения ряда задач недостаточно знать зависимость средней водности облаков от температуры. Необходимо также иметь представление о характере ее пространственной изменчивости. И если можно считать, что по горизонтали изменчивость водности носит случайный характер, то по вертикали прослеживается в среднем довольно четкая закономерность.

В слоистых и слоисто-кучевых облаках типа St, Sc толщиной Н до 600 - 700 м водность растет с высотой почти до самой верхней границы, вблизи которой она резко убывает. При большей толщине облака (Н м) водность в среднем убывает.

Ход средней водности таких облаков с высотой показан на рис. 1.1.

ZKM 0, Рис. 1.1. Ход средней водности в облаках St, Sc при разной температуре у нижней границы.

Аналитически такая зависимость U)(/°C,Z) хорошо описывается соотношением [40]:

(1.11) ') Если z выражено в км, а / - в °С, то для St, Sc коэффициенты в формуле (1.11) имеют следующие значения:

Формула (1.11) и приведенные значения коэффициентов пригодны для описания средней водности при z 0,1км. В слое ниже 0,1 км средняя водность быстро уменьшается до нуля.

В слоисто-дождевых облаках типа Ns (обычно z 2км) средняя водность в слое z 0,1км слабо меняется с высотой (рис. 1.2).

В слое Z 0,1 км (О быстро уменьшается до нуля, однако при z 0,1км среднее значение водности и стандартное отклоне1ше а описывается формулой:

Здесь параметр w имеет значения, указанные выше.

Если в формуле (1.12), как и выше, t выразить в °С, az - в км, то \- Следует подчеркнуть, что эти эмпирические данные и соответствующая им аппроксимащы (1.12) характеризуют водность в 1шжней 2-кш1ометровой (капельной) части Ns.

ZKM -ts •to -I ' -2й 0 S i ^tox \ \ \ Ч \ I \ \ 0J 1 J 0 0,1 (Ц tu Рис. 1.2. Ход средней водности с высотой в облаках Ns при разной темнературе нижней границьт.

В конвективном облаке характерный профиль средней водности представлен на рис. 1.3. Кривые такого рода хорошо описываются бета распределением. Если высоту над основанием облака z выражать в долях J] мощности облака Н, т.е. ;

;

= z/H, а среднюю водность u){rj) в долях ее максимального значения тх = CO(TJQ), ТО Уа (. 11 ) п-МА \^\ Относительный уровень максимальной водности 77** 0,8. Например, для степных районов Украины т = 2,8;

и = 0,57;

;

7о =пг/{т + п) = 0,83.

Значения 7тах зависят от мощности облака Н и от температуры нижней гранищ1 облака. Средняя водность составляет примерно четверть от максимальной.

Для грубых оценок можно принять, что средняя водность (г/м^) кучевого облака мощностью до Н = 3 км втрое меньще его мощности (км), т.е. Й;

«О,ЗЯ.

ZKM 1 I О 0^ О 1,0 О 1,0 ' \9/лл^ Рис. 1.3. Характерные вертикальные профили средней водности в конвективных облаках.

Ледность облаков Ледностью облаков ш, называют массу воды, содержащейся в единице объема облачного воздуха в твердом состоянии (в виде кристалликов льда, снежинок, крупы). В капельных облаках ш, = 0.

Измерение ледности облаков является более сложной задачей по сравнению с измерением водности капельных облаков. Недостаток статистически обеспеченных экспериментальных данных позволяет привести лишь сравнительно грубые оценки наблюдаемых значений ледности облаков. Только для облаков верхнего яруса Cs, Ci накопленные данные дают возможность построить более подробную модель. На рис. 1. приведена повторяемость ледности в перистых облаках умеренных широт [40]. С понижением температуры ледность в среднем заметно уменьшается.

-1 I IIи -Л I 1I '^ Рис. 1.4. Повторяемость различных значений ледности в облаках верхнего яруса в умеренных широтах при разных температурах.

;

;

t = -10^ -30°С;

2) t = -30-^ -50°С;

3) t -50°С Если бы из смешенных и кристаллических облаков не выпадали осадки, то ледность должна была бы быть выше водности капельных облаков при аналогичных условиях (при той же температуре на нижней граьшце и высоте над ней, при том же характере перемешивания и т.д.). В T же время имеющиеся многочисленные данные свидетельствуют о том, O что ледность кристаллических облаков обычно чуть ли не на порядок ниже водности облаков в том же диапазоне температур. Для диапазона температуры -2 -^ -3°С значения ш,о увеличиваются в 1,5 раза, при -8°С уменьшаются вдвое, а при -13°С - втрое.

В отличие от водности капельных облаков ледность в среднем уменьшается с высотой, убывая почти вдвое при подъеме на 1 км над основанием облака.

Водозапас облаков Водозапасом W называется масса сконденсированной воды в столбе облачного воздуха единичного сечения. Если известно распределение водности с высотой co(z), то (1.14) W= \(o{z)dz Вообще говоря, под сконденсированной облачной водой следует понимать воду, находящуюся в жидком (капли) и твердом (кристаллы) состояниях. Учитывая, что водозапас капельной воды в облаках имеет самостоятельное значение при рассмотрении ряда практически важных проблем, связанных с активными воздействиями, поглощением электромагнитного излучения и др., ниже приводятся некоторые статистические данные о рассчитанных водозапасах именно капельной воды в облаках.

Слоистые и слоисто-кучевые облака.

Для St, Sc справедливо будет следующее выражение для определения водозапаса [40]:

(1.15) W = АН{\ + Ы){\ + 0,5а^Н + О,ЪЪа^Н'' +0,25а^Н^), где параметры А, Ь, а, имеют значения такие же, как и для формулы (1.11), а f и Я - температура (°С) на нижней границе и толщина (км) облаков соответственно. На рис. 1.5 приведена зависимость W(t,H).

-to -zo Рис. 1.5. Диаграмма водозапаса капельных облаков St, Sc.

Слоисто-дождевые облака.

Для капельной части Ns мощностью Н (км) водозапас облаков определяется по формуле:

(1.16) W = АН{1 + Ь^1 + Ь/){\ + 0,5щН + 0,ЗЗа2Н^), где параметры А, bj, а, имеют значения такие же, как и для формулы (1.12).

Диаграмма зависимости И^^Г.Я^ представлена на рис. 1.6.

Нкм - - Рис. 1.6. Диаграмма водозанаса капельной части облаков Ns.

Конвективные облака.

Для конвективных облаков, учитывая формулу 1.14, имеем:

где В(х,у) и Г(х) - бета- и гамма-функции соответственно;

щ - т/(т+п) уровень максимального значения средней по сечению облака водности.

В соответствии с водностью аналогичных облаков их водозапас равен примерно четвертой части произведения максимальной по сечению водности на его мощность. Легко проверить, что такое значение W в точности совпадает с его значением, измеряемым в миллиметрах осажденной воды:

Ж = 0,25й,_-Я (1.18) Как указывалось выше, для грубой оценки среднюю водность кучевого облака мощностью Н 3-4 км можно принять равной со = О,ЗН, где Я - в км, а - в г/м1 Следовательно, водозапас кучевого облака грубо у МЖЮ оценить по формуле:

(1.19) ^ Здесь Я в км, а значение W в кг/м^ соответствует количеству осажденной воды в мм. Например, в 2-километровом кучевом облаке водозапас примерно равен 1,2 кг/м, что соответствует 1,2 мм осажденной воды.

Радиационные характеристики облаков Важнейшими радиационными характеристиками облаков в ИК области спектра являются их альбедо А (коэффициент отражения), пропускание т, поглощательная способность и относительная а излучательная способность е.

Альбедо (А) какой либо поверхности - это величина, равная отношению потока отражешюй от этой поверхности радиации к падающему на нее потоку. Альбедо выражается либо в долях единицы, либо в процентах. Для облаков различают альбедо верхней границы Авг и альбедо нижней границы Анг- Именно эту величину часто измеряют в летных экспериментах для учета влияния облаков на перенос ИК излучения в атмосфере.

В то же время если отраженный от облачного слоя поток радиации рассчитывается с учетом пропускания и многократного отражения от подстилающей поверхности, то истшшое значение альбедо [58]:

(1.20) А =• где An - альбедо подстилающей поверхности;

т - измеренное пропускание облака;

А - измеренное значение альбедо.

Тогда истишюе пропускание будет описываться выражением:

г'=г(1-4-^*) (1.21) При А„ =0 (для абсолютно черной подстилающей поверхности) имеют место равенства:

=А', т* =т.

А' Для облаков слоистых форм истинное альбедо и истинное пропускание связаны с их мощностью Н эмпирическими соотношениями [58]:

ЛщОН1,Окм А' =\- ехр[- (4,7 - 3,24Я)Я];

г* = ехр[- (5,5 - 3,74Я)Я]. (1.22) Удовлетворительной является и дробно-линейная аппроксимация:

Я.. Я (1.23) А =• а + ЬН' a' + b'H' где значения а, Ь, а', /'даны в табл. 1.4 для разных Я.

Таблица 1.4.

Ь' Н, км а, км а', км b 2,18 5, 2,73 5, 0, 1,03 10,8 0,93 10, 0,25 - 0, 0,62 10, 0,7 0,58 11, Эмпирические соотношения (1.23) теряют физический смысл при очень большой мощности облака Н.

Зависимость альбедо и пропускания ИК-излучения можно выразить через водозапас )^(г/м^):

Истинная поглощательная способность описывается выражением:

(1.25) а=1-А'-т' Относительной поглощательной способностью является величина:

а = —— (1-26) — г^ —— Эффективная поглощательная способность облака пэфф отличается от относительной (см. формулу 1.26) знаменателем: вместо Ф | подставляют Фех (количество радиации, поступающей в облако).

, также можно связать с водозапасом:

~) (1.27) Если неизвестны микроструктурные характеристики облаков, то в среднем можно оценить значения yi и т по толщине (мощности) облаков Н. Кроме того, определепное влияние оказывает и высота Солнца над горизонтом he [58]:

А' =1-ехр[-(6,42-5,4Я)Я + 0,48Я-*-' -sinhcj,.. ^^.

Для St и Sc среднее значение а* ~ 7,4%.

Для кучевых облаков на радиационные характеристики большое влияние оказывает количество облачности («). Для полей кучевых облаков предложены аппроксимированные формулы [58] для расчета поправки альбедо за счет наличия облаков:

, (1.29) М{п) = 0,826-0,060« где АА(п) - в процентах, а « - в баллах.

Зависимость пропускания облачного слоя от п имеет вид:

ф) = г(О)—^, (1.30) а-Ьп где т(0) - пропускание того же слоя при отсутствии в нем облаков;

а = 0,14+0,15/Н;

b = 0,0034+0,0121/Н{Н-вкшом^гос). т(0) = 96,3%.

Часто при неизвестном Я используют константы а = 1,0иЬ = 0,086.

Соответственно эффективная поглощательная способность описывается выражением:

где а^фф = 5,5% (по эмпирическим данным).

Большое влияние на радиационное поле кучевой облачности оказывают размеры облаков, т.е. их высота и протяженность.

Эффективное излучение слоя облачности можно оценить по эмпирическому соотношению [58]:

(1.32) Ф^(г1) = Ф^(0)-(\-0,705п'), где п - степень покрытия небосвода облаками в долях единицы.

Полный приток радиации в ИК-диапазоне можно описать выражением:

(1.33) AR{n) = AR{0)-(l + 0,070n^), где ЩО) = иВт/м\ Вообще говоря, влияние облачности на неренос ИК-излучения определяется не только количеством облаков (п), по как было показано выше, и их мощностью (водностью или водозапасом) и высотой.

Пропускание облаков Ci уменьшается почти линейно до 50% при увеличении мощности облака до 4,5 км, остальные же облака считаются практически черными. Значения пропускания т облаков Ci, полученные на основе материалов актинометрического радиозондирования, изменяются от 0,83 до 0,20 при увеличении толщины облаков от 1,2 до 5,9 км.

Восходящие и нисходящие потоки средне- и длинноволнового ИК излучения различаются по своему спектральному составу. Видимо, этим и объясняются также различия между пропусканием этого излучения облаками и эффективной излучательной (поглощательной) способностью, найденные для восходящего и нисходящего потоков. Для средне- и длишюволнового ИК-излучения коэффищ1ент отражения принимается равным нулю, поэтому:

(1.34) Tt=l-n, где е X рассчитывается по формулам:

Эффективная излучательная способность облаков типа St, Sc, Ns, As, Си, Cb в рассматриваемой области спектра, рассчитанная по нисходящим потокам, связана с их водозапасом ^соотношением:

(1.36) 4=1-ехр(-0Д58РГ), а рассчитанная по восходящим потокам - соотношением:

^t=l-exp(-0,13ff), (1.37) где ^^гомеряется в г/м^.

Яркостная температура облаков.

В качестве спектральной характеристики отличия инфракрасного излучения реального объекта от абсолютно черного тела (АЧТ) используется так называемая яркостная температура TL - это температура АЧТ (термодинамическая температура объекта), при которой для данной длины волны (частоты) излучательная способность АЧТ равна излучательной способности реального объекта. Если сопоставляются не спектральные, а интегральные (или в какой-либо спектральной полосе) излучательные способности реального объекта и АЧТ, то используется термин «радиационная температура» При дистанционном TR(TR(AX)).

зондировании реального объекта яркостная и радиационная температура, регистрируемая измерительной системой, будет зависеть еще и от свойств среды прохождения Ж-из лучения (атмосферы): спектрального т^Л) и интегрального г,^ i^am,i^^)) коэффициентов пропускания среды (атмосферы) соответственно. Т.е. для поверхности излучаемого объекта:

38") Т =г(Л\Г' Т =F(T)-T' П Т =(АЛ)Т где Е{Л)- спектральный коэффициент излучения реального объекта;

{Т)- интегральный коэффициент излучения;

коэффициент Е{АЛ) излучения в спектральном диапазоне Г-термодинамическая АЛ, температура объекта.

Яркостная температура аддитивна по отношению к потокам излучения различного вида, а также к разным длинам волн, кроме того, ее сравнение с термодинамической температурой объекта дает представление об излучательных свойствах последнего.

Исходя из закона Планка (см. гл. 1) яркостная температура объекта, рассчитанная по спектральной плотности потока излучения Н(Л), будет равной:

(1.39) T^=—-RW Эта формула справедлива, если поверхность излучения объекта плоская, а измерению подлежит вертикально направленный поток излучения.

Какая из характеристик потока излучения измеряется, зависит от конструкции измерительной системы. Обычно в дистанционных ИК измерительных системах сигнал излучения диафрагмируется в пределах заданного телесного угла. В других случаях, наоборот, принимаются меры к тому, чтобы воспринимались поступающие под разными углами сигналы излучения.

РПС-юлучение метеообъектов формируется в некотором слое, глубина которого зависит от физических свойств этого объекта (агрегатного состояния, температурного градиента, оптической плотности и однородности) и диапазона длин волн, в котором проводятся измерения.

Для сплошных сред (твердых и жидких) толщина излучающего слоя в ИК диапазоне, как правило, очень мала, поэтому при измерениях принимается во внимание яркостная температура поверхности такого объекта. Для полупрозрачных сред в ИК-диапазоне, какими являются облака и туманы, толщина излучающего слоя может достигать больших значений. Более того, в некоторых случаях исследуемое облако (туман) может оказаться настолько прозрачным, что сквозь него будет проходить излучение от других объектов (Земля, Солнце, другие облака), расположенных за ним. И тогда величина измеренного излучения будет больще, чем излучение от исследуемого объекта.

Определим яркостную температуру горизонтального однородного облака, вертикальная протяженность которого (рис. 1.7) для h наблюдателя, расположенного непосредственно под облаком.

Верхняя граница облака Ннжняя граница облака Рис. 1.7.

На расстоянии z от нижней границы облака (т.е. в толщине облачного слоя относительно нижней границы z) выделим единичную площадку толщиной dz, перпевдикулярную к вертикали. Обозначим спектральную плотность потока излучения единичного объема облака через Ri(X, z). Нижней границь! облака достигнет только его часть [29]:

(1.40) где a{X,z)- суммарный спектральный показатель ослабления излучения, учитывающий поглощение и рассеяние излучения.

Облачный слой элементарной толщины dz формирует на уровне нижней гранищ1 облака излучение:

-]aiA,z')dz' dz (1.41).о Проинтегрировав спектральную плотность излучения в пределах вертикальной протяженности облака h, получим суммарный сигнал уходящего вниз излучения в единичной спектральной области Я, сформированный столбом облака единичного сечения:

(1.42) = ]R[{X,z)dz = \R,{X,Z)-QXV -\a{X,z')dz' dz о о в частном случае однородного по вертикали термодинамическн стащюнарного облака (а(/1)/?,(Л) = const) уравнение упрощается:

(1.43) Выполнив интегрирование, получаем:

R, {X) = R, {X) • а(Я)-' [l - е-'^'"'' J (1.44) Как и следовало ожидать, при высокой прозрачности облака {а(Х)-^ 0;

afXJh « 1):

(1.45) R,{X)^R,{X)-h, в чем легко убедиться, выполнив разложение в ряд Тейлора е"^^^^ при a{X)h{{\. В Э О предельном случае суммарное излучение всех слоев ТМ облака на выходе из него арифметически складывается.

В другом крайнем случае, когда облако непрозрачное (а(Х,)—»1) (1.46) ^R,iA), т.е. облако по своим поглощательным (и, значит, по излучательным) свойствам близко к АЧТ и его яркостная температура определяется термодинамической температурой нижней поверхности этого облака.

И, наконец, в случае реального значения а(Х), но при afXJh » 1, получим излучение однородного облака, максимальное при данном значении а(Х):

(1.47) R,(A)-^R,(A)'aiAr' При этом яркостная температура облака формируется поверхностным слоем, толщина которого имеет порядок а(Х)'' « h.

Если облако и в горизонтальной и вертикальной плоскостях однородно, то переход от излучения единичного объема к яркостной температуре осуществляется согласно формуле (1.39):

Щ) | : Л, ( Я ) а ( Я ) [ 1 е ] (1.48) В предельном случае, если a(X)h « 1 или при реальных значениях h, но при afX)-* О, имеем:


(1.49) ^ При реальных значениях а(Х), но при a(X)h » 1, получим:

(1.50) T,=^R,(AyaiAr 2л Максимальное значение яркостной температуры в другом предельном случае определяется как:

(1.51) T,=j^RM) Формулу (1.48) нередко записывают в виде:

(1.52) где под Т понимают термодинамическую температуру однородного (по вертикали и горизонтали) облака;

/ - е'^^^^ = Е(Х) - спектральный коэффиплент излучения облака. На самом деле величина Т, имеющая размерность температуры, совпадает с действительной температурой (термодинамической) облака только с точностью до приближения, которое содержится в (1.50 -1.52). По излучательной способности на данной длине волны облако должно быть достаточно близко к АЧТ. Для плотных и мощных облаков это справедливо;

для других случаев использовать приближение (1.52) следует с тем большей осторожностью, чем оптически прозрачнее облако.

Если облако неодхюродно по вертикали, то для яркостной температуры в соответствии с формулой (1.42) выражение имеет более сложный вид:

Ti_ =—Ji?i(^,z)-exp -jaiA,z')dz' dz (1.53) о. Эту формулу также нередко упрощают и записывают по аналогии с (1.52) в виде:

h -]a(A,z')dz' dz, (1.54) Г, = О где Д^ R,iZ,z) Ik a(A,z) ' Во всех случаях, чем прозрачнее облако в даньюм спектральном диапазоне и чем меньше его вертикальная протяженность, тем ниже его яркостная температура: Г - О при a{A)h -^ О.

^ Из сказанного следует, что в формулах (1.52) и (1.54) для плотных облаков можно ожидать некоторую зависимость Т = Т{Л). Учитывая, однако, что в практически важных случаях спектральная зависимость показателя ослабления а{Х) в этих формулах более весомая, принимают Т равной термодинамической температуре облака. В случаях, когда, например, сравниваются слабо различающиеся спектральные участки излучения, такое приближение оказывается недопустимым.

Еще одно ограничение применимости приведешшх соотношений связано с взаимной ролью поглощения и рассеяния излучения в облаках.

Выще не учитывалось в явном виде многократное рассеяние нисходящего потока излучения на облачных частицах. На самом деле в плотных облаках в тех частотных диапазонах, в которых относительная роль рассеяния велика, это необходимо делать. Учесть это, манипулируя лишь показателем ослабления а(Х), невозможно, необходим более сложный расчет многократного рассеяния излучения на частицах облаков или туманов.

Сравнивая ослабление излучения в облаках или туманах в различных участках спектра, можно получить сведения об их структуре, прежде всего об их водности.

При дистанционном исследовании облаков с Земли важно выделить их излучение на фоне излучения атмосферы или на фоне выше лежащих облаков.

В последнем случае значительно сложнее выделить собственное излучение (температуру) исследуемого облака, так как, во-первых, температурный корпраст между облаками одного яруса (и даже соседних), распределенных по высоте нижней границы, значительно меньше, чем контраст облака на чистом небе. Во-вторых, если исследуемое облако достаточно оптически прозрачно, то к его собственному излучению будет добавляться излучение выше лежащего облака, прошедшее через первое.

Поэтому для достоверного измерения яркостной (радиационной) температуры исследуемого облака (его нижней границы) необходимы дополнительные сведения о «фоне» (температура, его температурная равномерность, высота нижней границы).

Рассмотрим количественные характеристики ИК-излучения, принимаемого наземным измерительным прибором (радиометром). При этом будем оперировать с яркостными температурами TL В приближении, которое содержится в выражении (1.54).

Для системы земная поверхность - облако - атмосфера (рис. 1.8) имеем следующие энергетические потоки и составляющие яркостной температуры.

Земная поверхность Рис. 1.8.

1. Нисходящее ИК-излучение всей атмосферы. Каждый единичный (по высоте) слой атмосферы, находящийся на высоте z, формирует поток излучения вниз, эквивалентный составляющей яркостной температуры:

Z -la(A,z')dz' о где T(z) - вертикальный профиль температуры;

После интегрирования всех единичных слоев, расположенных на всех высотах, от О до НА, где НА - толщина активной атмосферы (тропосфера), имеем:

Z - J а{Х, z')dz' dz.

' а{Л, z) • ехр 2. Составляющая яркостной температуры, эквивалентная дважды отраженному излечению всей атмосферы поверхностью земли и нижней Границей облака, а также ослабленному в результате двойного прохождения подоблачного слоя атмосферы:

- 2 \a(A,z)dz где Ти - яркостная температура атмосферы;

рз (X) - спектральный коэффициент отражения излучения земной поверхностью;

Робл (X) спектральный коэффициент отражения нижней границы облака, расположенной на высоте Нцг 3. Составляющая температуры, эквивалентная нисходящему излучению непосредственно облака, находящегося на высоте Ннг и толщиной h = Нвг - Ннг, прощедщего подоблачный слой атмосферы, будет определяться:

-"h dz.

= ехр где аатм(Х,г) - спектральный показатель ослабления атмосферы;

спектральный показатель ослабления в облаке;

T(z) - температурный профиль облака.

4. Восходящее тепловое излучение земной поверхности, эквивалентное составляющей яркостной температуры з(Щз, которое после отражения от нижней границы облака и претерпев ослабление в результате двойного прохождения подоблачного слоя атмосферы возвращается обратно к земной поверхности. В результате эта составляющая температуры будет определяться:

-2\aiX,z)dz о где з(1) - спектральный коэффициент излучения земной поверхности;

Тз термодинамическая температура этой поверхности.

5. Восходящее тепловое излучение подоблачного слоя атмосферы, отраженное облаком вниз к наблюдателю. Составляющая температуры, эквивалентная этому излучению, будет равна:

Л - 6. Нисходящее излечение подоблачного слоя. Составляющая температуры будет определяться:

- laiЛ,z)dz о 7. Излучение атмосферы, падающее на верхнюю границу облака, а также отраженное от нее излучение не вносят вклад в измеряемую радиометром температуру, эквивалентную нисходящему ИК-шлучению.

Однако, как говорилось выще, если исследуемое облако оптически прозрачно и «подсвечено» сверху другим облаком, излучение которого только частично отражается и поглощается первым облаком, то в этом случае нужно учесть составляющую температуры, эквивалентную излучению верхнего облака, прошедшему через искомое:

ХЛ,2)-[\-Ро^(Л)]-схр = ехр _ Инг где Тво - яркостная температура выше лежащего облака;

спектральный коэффициент отражения верхней границы исследуемого облака;

Нво - высота выше лежащего облака.

8. В случае, когда исследуется оптически полупрозрачное облако на фоне высокотемпературного источника, например. Солнца, составляющая яркостной температуры, эквивалентная излучению Солнца, прошедшему через исследуемое облако, будет равна:

Н'А = ехр •ехр 2к где С - солнечная постоянная на высоте Н'д (С = 1367 Вт/м [58]).

Все перечисленные выше слагаемые 1 - 8 в тех или иных случаях составляют правую часть уравнения для яркостной температуры, эквивалентной инфракрасному излучению, принимаемому наземным измерительным комплексом.

Следует отметить, что в последнем случае излучение от Солнца будет поглощаться на больших высотах еще и озоном, поэтому при определении суммарного спектрального показателя ослабления излучения необходимо учесть эту составляющую показателя ослабления, причем Н'д - высота верхней гранищ1 атмосферы.

При определении характеристик атмосферы полезная информация заключена в первом, третьем, щестом, седьмом и восьмом слагаемых яркостной температуры нисходящего ИК-излучения. Мешающими факторами являются второе, четвертое и пятое слагаемые, влияние которых оценивается и учитывается на основе предварительных теоретических и длительных экспериментальных исследований.

1,4. Влияние облачности на перенос радиации в атмосфере 1.4.1. Некоторые статистические характеристики поля нисходящего излучения при наличии облаков различных форм В связи с развитием дистанционных методов исследования атмосферы в последнее время значительно возрос интерес к изучению статистических характеристик полей радиации, их связи с метеопараметрами атмосферы. Расчеты статистических характеристик поля излучения облачности и различных типов подстилающих поверхностей, проведенные на основе данных метеорологических спутников, показали, что различные типы подстилающих поверхностей облаков отличаются по величине математического ожидания и дисперсии.

Однако для «окна прозрачности» атмосферы 8-14 мкм все еще недостаточно исследован вопрос о связи потоков излучения с термодинамическими параметрами атмосферы при наличии различных форм облаков. Поэтому целесообразно определить некоторые статистические характеристики излучения облачности различных форм по данным наземных измерений нисходящего излучения.

Учет влияния случайных вариаций параметров облачности на изменчивость радиационного поля атмосферы представляется чрезвычайно сложной задачей, которая требует одновремеьшо данные о микроструктуре, геометрических размерах, излучающих и отражающих свойствах, высоте, конфигурации границ и температурном поле внутри облака. Отсутствие одновременных измерений радиационных свойств облаков и некоторых из вышеуказанных параметров облака затрудняет рещение данной задачи.

До некоторой степени этот пробел должны были восполнить измерения противоизлучения атмосферы, выполненные в ЦАО Госкомгидромега в течение 1970-1974г.г. В этой работе одновременно с измерениями нисходящего излучения при помощи радиозондов определялись вертикальные профили температуры и влажности, были использованы светолокационные средства, при помощи которых регистрировалась высота нижней границы облаков. Анализ данных, полученных в этих экспериментах, позволил сделать некоторые выводы о связи статистических характеристик поля излучения с термодинамическими параметрами атмосферы. Измерения проводились в средних широтах для всех сезонов года. Это позволило выявить для отдельных форм облаков некоторые сезонные и среднегодовые изменения.


По результатам измерений противоизлучения атмосферы при наличии облаков различных форм рассчитаны средние величины энергетических яркостей нисходящего излучения L, их абсолютные о и относительные v отклонения, коэффициенты корреляции интенсивностей излучения с темнературой ги, высотой нижней границы облаков rL,H и общим влагосодержанием атмосферы r^R.

Для расчета использовались обычные соотношения:

(1.55) ± --100%;

(1.57) Px где I, - измеряемая величина интенсивности нисходящего излучения атмосферы при наличии одного типа облаков;

iV- число случаев с облаками одного типа;

X - значения температуры Т, высоты нижней границы облаков Н, или общего влагосодержания атмосферы R.

На рис. 1.9(а,б) представлены гистограммы распределения измеренных величин интенсивности направленного вишз излучения атмосферы при наличии облаков различных форм (St, Sc, Ac, Си med). Для построения выбраны облака с общим числом случаев наблюдения, превыщающим 20. Из данных, представленных на рис. 1.9(а,б), следует, что для облаков нижнего яруса, имеющих сравнительно однородную поверхность нижней гранищ1, распределение близко к нормальному с модальным значением, соответствующим 3,45 мВт/см^хтер для слоисто кучевых облаков и 3,55 мВт/см^хтер для слоистых облаков. Кроме того, нормальное распределение интенсивности нисходящего излучения для облаков нижнего яруса объясняется, по-видимому, особенностью сезонного хода повторяемости Sc и St.

В летний период эти типы облаков нами наблюдались чаще, чем весной или осенью. Для высококучевых Ас и облаков вертикального развития Си med наблюдается сложное нормальное распределение 1шсходящего излучения с двумя-тремя максимумами. Так, для Си med максимальное число случаев приходится на величину интенсивностей 2, 0 0 о мВт/см "стер, 3,15 мВт/см -стер и 3,55 мВт/см *стер. По-видимому, это связано с сезонным ходом интенсивности нисходящего излучения, а также с физическими особенностями строения кучевых облаков.

го n rj II II г-г*гт !-T-i n Q 2.Q iQ 5.0 мВт ft,'/.

-стер 5Q i fbn to f'f J "ill 0 Г71 11!f 2.Q мВт CM • cmep_ Рис, 1.9. Гистограммы распределения измеренных величин интенсивностей нисходящего излучения атмосферы при наличии облаков различных форм в процентах случаев: а) Sc, ^Ас;

б) St, Си med.

Последнее обстоятельство проиллюстрированного гистограммами, представленными на рис. 1.10(а-в) для зимнего и весеннего периодов года и облаков типа Ас, Sc, Си.

Эти гистограммы построены по данным длительных измерений интенсивности нисходящего излучения при фиксированном направлении визирования и относятся к одному облачному массиву указанного вида.

Для каждого облачного массива данные снимались с непрерывной записи противоизлучения атмосферы через 15 секунд, а затем подвергались статистической обработке. Бьши обнаружены значительные вариации интенсивности поля нисходящего излучения, что указывает на пространственно-временную неоднородность излучения облака.

В таблице 1.5 приведены рассчитанные по формулам (1.55 - 1.58) статистические характеристики поля нисходящей радиации атмосферы при наличии облаков различных форм, полученные за весь период измерений:

конец весны - начало осени. (К сожалению, методика измерений, применяемая в зимнее время, не позволила получить достаточное для статистического анализа число случаев измерений противоизлучения атмосферы).

Таблица 1.5, У мВт мВт '^' CM стер Вид облаков v,% CAf стер n,H n.R 1 2 4 5 3 Scop 3,38 -0, 0,23 06,9 0,53 0, 0,72 -0, Sc 3,31 21,8 0, 3, St 08,2 -0, 0,30 0, 0,32 0, Ns 3,57 09,0 -0, Ac -0, 3,06 0,29 09,5 0,53 0, - 0,34 25, Ci 1,33 0, Cuhum 14, 0,39 0,68 -0,69 0, 2, 0, Cumed 2,72 13,8 -0, 0,38 0, Cu cong 0, 3,48 18,5 0,87 -0, 28, As 0,94 0, 3,31 -0,47 0, Величины I, о, V меняются в зависимости от вида облаков и сезона.

Значения интенсивностей излучения облаков нижнего яруса, полученные за весь период измерений (Sc, St, Ns), изменяются от 3,31 мВт/см^хтер до 3,64 мВт/см^хтер, среднего яруса (Ас, As) от 3,06 мВт/см^'стер до 3, мВт/см^'стер, а вертикального развития - от 2,65 до 3,48 мВт/см^'стер. Из таблицы 1.5 следует, что значения Z при слоисто-кучевых и высоко кучевых облаках совпадают (различие составляет приблизительно 0, мВт/см "стер, что соизмеримо с погрешностями измерений).

те et 'so за гй to гп1 U Г- мВт о SO ^ [см -стер о so Рис. МО. Распределение величин противоизлучения агмисферы в % от общего числа случаев, полученных при измерении излучения одного облачного массива типа Ас (а), Sc (б), Си (в) в весенний ( ) и зимний ( — ) сезоны.

Разница значений яркости нисходящего излучения L в летний и весенний периоды составляют 0,26 мВт/см^хтер для Sc op, 0, мВт/см^хтер для Си med.

Энергетическая яркость излучения L для кучевых облаков, как видно из таблицы 1.5, существенно меняется в зависимости от формы кучевого облака. Разность AL между значениями L для средних кучевых (Си med) и плоских кучевых облаков (Си hum) составляет 0, мВт/см^'стер, а для мощных кучевых (Си cong) и средних кучевых уже 0,83 мВт/см^хтер.

Как и следовало ожидать, относительные отклонения яркостей противоизлучения атмосферы для слоистых облаков (St, Ns) и плотных слоисто-кучевых облаков (Sc op) значительно меньше, чем для слоисто кучевых (Sc). Кучевые облака (Си hum, Си med, Си cong) имеют еще большие относительные флуктуапди интенсивности излучения, причем для более плотных кучевых облаков v достигает 28%.

Анализ данных, приведенных в таблице 1.5, показывает, что существует достаточно высокая корреляция между яркостью нисходящего излучения атмосферы при наличии облаков нижнего яруса и температурой воздуха на уровне их нижней гра1шцы. ги изменяется от 0,5 до 0,9. Столь значительная корреляционная связь между измеренными величинами излучения и температурой воздуха на уровне нижней границы облаков позволяет разработать метод определения высоты облаков по одновременным ИК-радиометрическим и радиозондовым измерениям.

Коэффициенты корреляции между яркостью нисходящего излучения и высотой нижней границы облаков, как показывают данные таблицы 1.5, редко превышают 0,5. Такая довольно слабая связь между указанными величинами частрино связана с тем, что измерения противоизлучения атмосферы проводились в широком диапазоне температур атмосферы.

Поэтому одним и тем же радиационным потокам часто соответствовали различные высоты нижней границы облака. Если все измеренные величины привести к одному и тому же нрофилю температуры, то, как видно из данных, представленных на рис. 1.11 (а, б), связь между энергетической яркостью и приведенными высотами облаков будет значительно выше.

На рис. 1.11а показана зависимость интенсивностей нисходящей радиации при наличии облаков типа (Sc, Sc op, St) от их высоты, измеренных светолокатором. На рис. 1.116 представлены те же величины Яркостей, однако, уже в зависимости от приведенной высоты облака, которая рассчитывалась по формуле:

Т„-Т,г. (1.59) 6,7[°/о]' "' где Т„, Тнг - соответственно значения температуры воздуха на уровне поверхности Земли и высоте нижней границы облака, измеренной светолокатором;

6.77км - средний температурный градиент в атмосфере.

Анализ зависимости коэффициента корреляции между интенсивностью нисходящего излучения атмосферы и общим влагосодержанием г/^? от типа облака показывает, что наибольший гд^ наблюдается для Ci (0,85), а наименьший для облаков нижнего яруса (0,28). Для облаков среднего яруса гд^д = 0,5. Такие величины гд,/г еще раз показывают, что с увеличением высоты облаков растет вклад атмосферы в поле нисходящего излучения, что согласуется с данными, представленными на рис. 1.12(а-б).

мВт а) см -стер м /О. 5.0 Нн»

мВт см^ • стер "• • "'.•..^ го I.Q 3Q Рис. 1.11. Зависимость интенсивности противоизлучения атмосферы при наличии облаков типа Sc op, St от высоты облаков, измеренных светолокатором (а) и от приведенной высоты (б).

L4.2. Зависимость интенсивности нисходящего излучения атмосферы от влагосодержания для различных форм облаков Придание инфракрасной радиометрической аппаратуры измерительных функций требует более детального изучения особенностей угловых зависимостей поля нисходящего (восходящего) излучения и определения влияния на эти характеристики облаков различных форм.

В течение 1971 - 1974 годов в ЦАО Госкомгидромета проводились измерения противоизлучения атмосферы при наличии облаков различных форм. Приведенные ниже данные получены из угловых зависимостей поля нисходящего излучения в условиях однослойной облачности.

Так как основным параметром, влияющим на интенсивность нисходящего излучения, является влагосодержание атмосферы, то представляется целесообразным в первую очередь провести анализ данных, полученных при наличии облачности, под тем же углом зрения, что и для безоблачной атмосферы.

Зависимость нисходящего излучения при наличии перистых и высококучевых облаков от общего влагосодержания атмосферы для зенитных углов (0) 0°, 60°, 72°, 78° представлена на рис. 1.12 (а - г) для зимнего, весеннего и летне-осеннего периодов года.

Анализируя данные, приведенные на рисунках 1.12, можно с уверенностью констатировать, что противоизлучение атмосферы при наличии перистых облаков зависргг от общего влагосодержания атмосферы для всех представленных направлений визирования. Такой подход не является неожиданным, поскольку, как показал расчет, основной вклад в противоизлучение безоблачной атмосферы вносит нижний пятикшюметровый слой.

Влияние кристаллических облаков на трансформацию собственного нисходящего излучения атмосферы удобно рассмотреть с помощью следующей модели: на уровень около 7 км помещен плоскопараллельный слой, излучающий по закону Ламберта как серое тело с излучательной способностью около 0,25, что близко к излучающей способности перистых облаков. Если такая модель достаточно хорошо описывает перенос излучения в реальной атмосфере при наличии облачности верхнего слоя, то наибольшее влияние перистых облаков будет при углах визирования, близких к зениту, С увеличением зенитного угла вклад излучения облаков в общую интенсивность нисходящего излучения атмосферы будет уменьшаться.

На рис, 1,12 (а-г) кривая 1 описывает среднюю зависимость измеренных величин нисходящего излучения безоблачной атмосферы от влагосодержания. Пунктирными линиями отмечены среднеквадратичные отклонения точек Ьз (в) для представленных углов визирова1шя и составляющие 9,5;

8,4;

10,2;

11% для летнего периода и 17,9;

10,5;

8,2;

9,0% для зимнего периода;

соответственно, для зенитных углов 0°, 60°, 72°, 78°, На рис, 1,12 (а-г) также представлены максимальные отклонения (кривая 2) измеренных величин нисходящего излучения от средней кривой. Летом наибольщие отклонения от средних величин противоизлучения атмосферы наблюдались в условиях приземной дымки и составляли 14,7;

12,5;

41,5;

и 42%, соответственно, для зенитных углов 0°,60°,72°,78°, Зимой наибольщие отклонения достигают 30% в зените и составляют 25%, 27,3%, 28,7%, для зенитных углов 60°, 72°, 78°, Сопоставление экспериментальных данных, полученных для безоблачной атмосферы и при наличии перистых облаков, показывает, что для всех сезонов наблюдается значительное влияние кристаллических облаков, видимых с поверхности Земли, Особо следует обратить вьшмание на тот факт, что в 24% случаях для 6 = 0° влияние кристаллических облаков соизмеримо с теми вариациями уровня нисходящего излучения, которые были зарегистрированы для безоблачной атмосферы, В 40% случаев влияние перистой облачности сравнимо с влиянием дымки.

мВт аи^стер X ) • X i к х\ •• Ж X i X д t д X /i) X X 0 • «У Щкг/м^] мВт ^\ so X X A X W 3. / X ' го X,4 r LQ Q t 10 мВт ID га Ш w Рис. 1.12.

В таблице 1.6 представлены данные, характеризующие влияние кристаллических облаков на трансформацию нисходящего излучения атмосферы, для зимнего, весеннего и летне-осеннего периодов года и зенитных углов 0°, 60°,72°,78°. В таблице 1.6 приняты следующие обозначения: ni и П2 - число случаев (в процентах), когда влияние кристаллических облаков соизмеримо с возможным влиянием аэрозоля и дымки;

AL,ALj^- среднее и максимальное увеличения энергетической яркости излучения атмосферы при наличии перистых облаков по сравнению с излучением безоблачной атмосферы, а AL/L3;

AL^^/L^ соответствующие им относительные отклонения в процентах. В таблице 1.7 представлены значения ni и пг для углов 0°, 60°, 72°, 78°, полученные за весь период измерений.

Таблица 1,6.

Сезон Зима Весна Лето е 72° 0" 60° 78° 0° 78° 0° 60° 72° 78° 72° 60" 6,9 3,57 9,55 12,5 3,45 3,57 0,0 0,0 13,8 7,14 0,0 0, п,, % 10,3 14,4 16,7 27,6 7,14 20, 9,55 16,7 3,45 3,57 14, 7, П2,% 0,29 0,32 0,41 0,58 0,65 0,20 0,58 0, 0,23 0,36 0,48 0,.. мВт см стер 52,7 52, 96,0 60,6 64,0 42,3 82,0 13,5 21,3 13,2 14, 52, 0,41 1,88 1, 0,57 0,86 0,94 0,64 1,02 1,40 0,50 1, 1,., мВт ам стер 178 150 172 97 145 171 112 40,8 26, 32,1 34, Таблица 1.7.

60° 78° IT 0° 24,15 14,64 9,55 12, Пь % 54, 17,85 38, 41, П2, % Из данных, представленных на рис. 1.12 (а-г) и в таблице 1.6, следует, что наибольший относительный вклад в нисходящее излучение атмосферы дают зим1ше кристаллические облака. Вызванное ими увеличение шггенсивности радиации может достигать 180% в зените и уменьшаться до 100% при в = 78°. На низких углах относительный вклад излучения кристаллических облаков в общую величину нисходящего излучения атмосферы уменьшается и при наличии дымки само их обнаружение становится затруднительным. Интересно отметить, что перистые облака наиболее контрастно регистрируются на фоне безоблачной атмосферы при в = 60°. Такой эффект получен для всех сезонов измерений. Такие увеличения влияния верхней облачности на зенитных углах, близким к 60°, вряд ли случайно. Однако мы не смогли дать достаточно правдоподобного объяснения этому явлению. Оценки показывают, что приведенные в таблице 1.6 величины превыщения энергетической яркости излучения атмосферы при наличии кристаллических облаков могут давать в зависимости от сезона года облака, средняя излучательная способность которых варьирует от 0,13 до 0,30. Отметим, что максимальные значения излучательной способности были зарегистрированы в весенний период года.

Следует отметить также, что только зимой перистая облачность может оказывать доминирующее влияние на формирование противоизлучения атмосферы. Однако этот факт сам по себе еще мало говорит о влиянии неристых облаков на трансформацию восходящего излучения системы земля-атмосфера. Тем не менее, получеьшые величины и закономерности поля излучения атмосферы при наличии кристаллических облаков позволяют выполнить некоторые расчеты и оценки, учитывающие вклад этих облаков в поле уходящего излучения.

Зависимость нисходящего излучения атмосферы от общего влагосодержания при наличии высококучевых облаков для всех сезонов года представлена на тех же рис. 1.12 (а-г). В отличие от перистых облаков величины противоизлучения атмосферы с высококучевыми облаками практически не зависят от влагосодержания атмосферы. Лишь в 4% случаев влияние высококучевых облаков сравнимо с влиянием приземного аэрозоля и в 6% случаев - с влиянием дымки или невидимого с земли кристаллического облака. Однако все эти случаи относятся к оптически тонким частям облаков типа Ас tg. В среднем наличие высококучевых облаков увеличивает 1шсходящее излучение атмосферы более, чем на 100% в летне-осенний период года, в 6 раз в весенний сезон и в 7 раз зимой. В отдельных случаях высококучевые облака могут увеличивать противоизлучение атмосферы в 4 раза для летнего време1ш года и в 10 раз для весеннего и зимнего сезонов.

Влияние высококучевых облаков на перенос длинноволнового излучения атмосферы при увеличении зенитного угла можно проследить на примере летних датшых, представленных на рис. 1.12 (а-г). Эти данные показывают, что с увеличением зенитного угла растет число случаев, когда вклад излучения высококучевых облаков сравним с влиянием приземной дымки.

Таким образом, наблюдается качественно иной характер угловой зависимости вклада собственного излучения облаков среднего яруса в величину противоизлучения атмосферы по сравнению с перистой облачностью (см. рис.1.12(а-г)). Это связано с тем, что для облаков среднего яруса излучательная способность и кинетическая температура значительно выше, чем для перистой облачности. Таким образом, открывается возможность оценки высоты облаков при совместном анализе измеренных и рассчитанных значений противоизлучения атмосферы.

1.4.3. Угловые зависимости интенсивности нисходящего излучения атмосферы при наличии облаков различных форм.

Представляется целесообразным оценить, какую дополнительную информацию можно получить для идентификации форм облаков со спутников, изучая особенности углового распределения поля радиации при наличии облаков.

Также, как для безоблачных условий, результаты измерений в облачные дни удобно представить в виде зависимостей L(sec в) от общего влагосодержания атмосферы, что позволяет провести сопоставление такой зависимости с угловой зависимостью безоблачной атмосферы.

Примеры угловых зависимостей нисходящего излучения атмосферы при наличии облаков различных форм для всех сезонов представлены на рис. 1.13(а-в). Для сравнения на этих же рисунках представлены угловые зависимости нисходящего излучения безоблачной атмосферы. Величины нисходящего излучения безоблачной атмосферы для отдельных углов визирования определялись по осреднеьшым зависимостям измеренных величин противоизлучения атмосферы от общего влагосодержания, рассчитанного по данным радиозондирования, которое проводилось с ИК радиометрическими измерениями.

Для сравнения на рисунке нанесены угловые зависимости излучения безоблачной атмосферы (пунктирные линии), восстановленные по рис.

1.13 (а-в) для данных величин общего влагосодержания атмосферы.

Измерения проводились при следующих ситуациях:

а) 1 - тонкие Ci, R = 20,7кг/м ;

2 - плотные Ci, R = 23,5кг/м ;

3 - тонкие Ci, R = 20,2кг/м ;

4 - плотные Ci, R = 6,5кг/м ;

5 - тонкие Ci, R = 12,0кг/м ;

6 плотные Ci, R = 4,3кг/м^;

б) 1 - Ас tg, R = 29,5кг/м^ 2 - Ас ор, R = 27,8кг/м^;

3 - Ас tg, R = 25,0кг/м^;

4 - As, R = 3,0кг/м^;

в) 1 - St, туман, R = 37,0кг/м^;

2 - Sc, R = 36,4кг/м^;

3 - St, R = 20,0кг/м^;

- Sc op, R = 9,2кг/м^;

5 - Sc op, R = 10,5KrV;

Рассмотрим более подробно характерные особенности угловых зависимостей поля нисходящей радиации при наличии облаков различных форм.

а) Облака верхнего яруса (рис. 1.13а). Вид угловой зависимости противоизлучения атмосферы на первый взгляд существенно не отличается от угловой зависимости безоблачной атмосферы. Однако при детальном анализе видно, что вклад перистых облаков в нисходящее излучение атмосферы уменьщается с ростом зенитного угла. Если этот вклад в направлении зенитного угла в оценить, используя соотношение:

(1.60) где Ьоблф) - интенсивность излучения атмосферы в направление зенитного угла в при наличии облаков;

1з(в) - шггенсивность излучения безоблачной атмосферы в направлении в;

то, нанример, для тонких кристаллических облаков (кривая 1 на рис. 1.13а) А(0°) = 56,4%, а А(72°) = 38,4%. То есть, вклад тонких облаков верхнего яруса в величину противоизлучения атмосферы на больших зенитных углах в среднем на 18% меньше, чем в направлении зенита. При наличие же плотных перистых облаков, например, (кривая 2 на рис 1.13 а) разность между А(0°) и А(72°) составляет уже 75,5%.

Приведенные выше примеры относятся к измерениям, выполненным в летний период года, однако и для зимних и весенних измерений получены аналогичные результаты.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.