ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 1, с. 37-43
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.521:528.813
СРАВНЕНИЯ ИЗМЕРЕННЫХ И РАССЧИТАННЫХ ФУНКЦИЙ ПРОПУСКАНИЯ В Л-ПОЛОСЕ КИСЛОРОДА ПРИ 0.76 мкм
© 2008 г. С. Г. Семакин*, А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев
Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета Тел. (812)428-44-87; e-mail: *sgs@rbcmail.ru Поступила в редакцию 12.03.2007 г.
Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных функций пропускания атмосферы в А-поло-се кислорода 0.76 мкм на касательных трассах, измеренных прибором SAGE III. Осуществлен анализ влияния погрешностей задания информации об основных параметрах атмосферы на результаты расчетов функций пропускания. Произведена и проанализирована статистика рассогласований (средние и среднеквадратические разности) результатов расчетов прозрачности с экспериментальными данными. Осуществлено сравнение двух различных методик расчета поглощения кислорода — НИИФ СПбГУ и ТБХ, Франция. Разработанная модель, использующая методику ТБХ расчета поглощения в А-полосе кислорода, в целом пригодна для реализации различных дистанционных методов определения параметров атмосферы.
ВВЕДЕНИЕ
Измерения излучения в полосе кислорода при 0.76 мкм широко используются в дистанционном спутниковом зондировании атмосферы. Рассеянное солнечное излучение в этой полосе используется для определения высоты на верхней границе облаков [1], параметров облачности [2], а также характеристик аэрозольного состояния атмосферы [3—6]. Измерения прозрачности атмосферы на касательных трассах в этой полосе используется для высотной привязки при "затменном" зондировании атмосферы [7]. Кроме того, измерения поглощения молекулярного кислорода на касательных трассах предложено использовать для определения вертикальных профилей температуры и плотности атмосферы [8, 9]. Наконец, планируется использование этой полосы в экспериментах по глобальному картированию общего содержания СО2 [10]. Среди факторов, определяющих погрешности указанных выше дистанционных методов, важную роль играет точность описания молекулярного поглощения кислорода в этой области, а также радиационных моделей атмосферы, учитывающих все механизмы трансформации солнечного излучения — релеевское и аэрозольное ослабление и рассеяние, эффекты рефракции и т.д. В связи с широким использованием ^-полосы 02 в различных дистанционных методах становится важным определить качество современных параметров тонкой структуры этой полосы и радиационных моделей, описывающих перенос солнечного излучения в этой полосе. Лабораторные исследования поглощения в полосе кислорода и анализ параметров тонкой структуры были
осуществлены во многих работах (смотри, например, [11—13], а также библиографию в работе [11]). Погрешности задания характеристик ослабления атмосферы в А-полосе кислорода являются одним из важных факторов, лимитирующих точность указанных выше дистанционных методов.
Для проверки качества современных радиационных моделей нами были проведены сопоставления расчетных и экспериментальных высотных профилей функций пропускания (ФП) атмосферы в А-полосе кислорода на касательных трассах, измеренных прибором SAGE III. Расчет функций пропускания производился по двум различным алгоритмам вычисления коэффициентов поглощения кислорода.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
Прибор SAGE III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) [14] осуществляет измерения профилей функций пропускания атмосферы на касательных трассах при восходах и заходах Солнца за горизонт планеты (затменный метод измерений прозрачности). Измерения выполняются в спектральной области 290—1030 нм; вертикальное разрешение прибора составляет 0.5 км, горизонтальное — 200—300 км. На основе этих измерений осуществляется восстановление профилей содержания О3, NO2 и коэффициентов аэрозольного ослабления (КАО) в мезосфере, стратосфере и верхней тропосфере (см., например, [15, 16]). В исследуемой нами области спектра (12970—13170 см-1) прибор имеет 14 спектральных каналов (рис. 1).
Контуры 0.00030
0.00025
0.00020
0.00015
0.00010
5E - 005
0
P = 1 атм. I
T = 266.32 К -
I 1
I
I )
I
t] Л
И м
h и i
f i Hl
/ I l I я
П f\ I
I I t I I
I I I I i
I < I < :
i I i ' i
j ' i i \
—i—
1
i r
li Л
,
1 i f1 i 1 i l 1 i 1 1 I 1
i
A.
H Ii i i i i i I
M
АФ 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
LA
12950 13000 13050 13100
Волновое число, см-1
13150
0
13200
Рис. 1. Контуры линий поглощения (км 1) в полосе кислорода 0.76 мкм для нижнего слоя тропосферы и контуры нормированных аппаратных функций (АФ) прибора в 14-ти каналах.
Погрешности измерения функции пропускания прибором SAGE III составляет 0.05% [17].
В нашей расчетной модели используется следующая формула для вычисления профилей функции пропускания TAv:
T
av(Vq, l) = j"A(v - V0)
av
expP(l)' T(l))Py(l)dl
d v,
' 0
где ^(v — v0) — аппаратная функция прибора; V,) — средняя частота спектрального канала; ру- — плотность у-го поглощающего газа; к у — коэффициент поглощения 1-й спектральной линииу-го газа; Р и Т — давление и температура соответственно.
Функция пропускания принимает значения в интервале 0—100%.
При расчете ФП применяется прямой метод вычисления [18] с использованием данных о параметрах тонкой структуры из базы HITRAN'04 [19]. В наших расчетах учитывается (помимо молекулярного поглощения кислорода) рэлеевское рассеяние, аэрозольное ослабление, рефракция и поглощение озоном. При расчетах ФП используются спектральные характеристики прибора, результаты восстановления профилей озона и КАО, данные о профилях температуры T(z) и давления p(z), известные с погрешностями в 2K и 2% соответственно (влияние этих погрешностей на величину ФП указано в табл. 1). Вся перечисленная информация содержится в данных SAGE III уровня 2. Для нашей модели был взят стандартный профиль содержания кислорода (AFGL-86).
х
Таблица 1. Погрешности измерений и погрешности расчета ФП
Погрешности/источники Величина Величина неопределенно-
неопределенностей погрешности стей ФП, %
Профили температуры и давления 2 K, 2 % 0.5
Аэрозольное ослабление 5.0 % 0.2
Поглощение озоном 10.0 % 0.02
Прицельная высота 0.125 км 0.4
Параметры тонкой структуры (Ш1гап'04) AS = 1%, Av = 0.002-0.015 см-1, 0.4
A5 = 7-20%
Суммарная среднекв. неопределенность 1.4
Крылья каждой линии поглощения кислорода учитываются на расстоянии Av = 32 см-1 от центра линии, шаг интегрирования по частоте dv был 0.005 см-1. Расчеты показали, что учет крыльев линий кислорода на различных расстояниях от центров не влияет существенно на величину рассчитанного пропускания (изменения ФП составляют менее 0.3% при уменьшении Av с 32 см-1 до 16 см-1). Для расчетов фойгтовского контура линий поглощения использовался алгоритм [20]. Учет эффектов атмосферной рефракции в модели производится на основе методики, представленной в [7]. Указанные выше величины констант интегрирования (Av, dv) оказались достаточны для обеспечения необходимой вычислительной точности и дальнейшее их дробление вызывает пренебрежимо малые изменения рассчитываемого профиля пропускания (0.1%). Критерием соответствия рассчитанного по модели и экспериментального пропускания являются среднеквадрати-ческие разности (СКР) и средние разности (СР).
АНАЛИЗ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ В РАСЧЕТНЫХ ФУНКЦИЯХ ПРОПУСКАНИЯ
На основе специальных расчетов был проанализирован относительный вклад различных компонент ослабления солнечного излучения, а также влияние неопределенностей в задание исходных данных на результаты вычислений функций пропускания. В табл. 1 приведены основные результаты этих исследований, в частности, оценки среднеквадратических погрешностей вычисления функций пропускания, обусловленные разными причинами. Полученные значения неопределенности представлены в единицах пропускания (0-100%).
Наибольший вклад в неопределенность вычисления профилей ФП (0.5%) дают погрешности определения профилей температуры T и давления p, точность которых составляет 2К и 2% соответственно. Данные величины влияют не только на расчет релеевского рассеяния, но и на коэффициенты поглощения кислорода, озона, вычисление эффектов рефракции.
Учет в модели аэрозольного ослабления осуществляется на основе данных SAGE III о восстановленном коэффициенте аэрозольного ослабления в стратосфере. Профили КАО восстанавливаются NASA по специальной методике по результатам эксперимента и известны для каждого отдельного измерения. Точность восстановления составляет 5-10% для высот 10-40 км. КАО определяется в девяти спектральных каналах видимой и ближней ИК-области, один из которых (755.378 нм) близок к исследуемому диапазону А-полосы поглощения кислорода. Влияние погрешности задания КАО на величину ФП составляет 0.2%.
Исследуемая спектральная область находится в крыле полосы поглощения озона (полоса Вульфа). Вклад поглощения озона в каналах прибора учитывается с помощью сечений поглощения [7] c учетом температурной зависимости и может достигать 20% по пропусканию на прицельной высоте 10 км. В нашей модели используются профили концентрации O3, восстановленные по экспериментальным данным SAGE III [15, 16]. Они известны для каждого скана и доступны по URL troll.phys.spbu.ru/Personal_pages/Polyakov/sage/sage. html. Для высот стратосферы восстановление озона осуществляется с точностью 5—10%. Вклад погрешностей восстановления профиля содержания озона в рассчитываемые функции пропускания не превышает 0.02% по СКР.
Привязка измерений ФП по прицельной высоте имеет немаловажное значение. Так, задание в модели ДА = 0.125 км (что имеет место в эксперименте SAGE III) приводит к неопределенности в профиле ФП 0.4%.
Погрешности задания параметров тонкой структуры А-полосы кислорода приведены в базе Hitran'04 и оценены в [21]. Погрешность интен-сивностей линий составляет 1%, сдвиг спектральных линий от 0.002 до 0.015 см-1, их полуширины известны с точностью 7-20%. Полный вклад этих погрешностей в ФП составляет менее 0.4%.
Полная величина СК неопределенности функции пропускания вычислена с учетом в модели
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.