ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 501-512
УДК 551.521:551.510.42
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ФОРСИНГА ФОНОВОГО АЭРОЗОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2009 г. И. А. Горчакова*, Т. А. Тарасова*' **, М. А. Свириденков*, П. П. Аникин*, Е. В. Ромашова*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: gor_40@mail.ru
**Националъный Институт Космических Исследований/Центр Исследований Земной Климатической
Системы. Сан Жозе ДОС Кампус, Бразилия Поступила в редакцию 21.04.2008 г., после доработки 22.07.2008 г.
Проведены расчеты потока солнечного излучения на поверхности и аэрозольного радиационного форсинга для безоблачных периодов наблюдений на ЗНС летом 2004, 2005 гг. Были использованы пять моделей оптических параметров аэрозоля: стандартная модель континентального аэрозоля, полуэмпирическая модель, полученная по данным измерений, и три модели, полученные из расчетов по теории рассеяния Ми для среднего распределения аэрозольных частиц по размерам, восстановленного из ореольных измерений. Исследование чувствительности потока и форсинга к выбору модели аэрозоля показало, что относительная погрешность, связанная с выбором модели, невелика в падающем потоке (<5%) и достигает 120% в аэрозольном форсинге на верхней границе атмосферы. Величина аэрозольного радиационного форсинга на верхней границе атмосферы по результатам наших расчетов изменяется в диапазоне от -15 до -2 Вт/м2. Наличие данных о значениях альбедо однократного рассеяния и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния на длине волны 550 нм для каждого периода наблюдений и учет этих параметров в радиационных расчетах позволяет существенно уточнить величину аэрозольного радиационного форсинга по сравнению с использованием в расчетах средних значений этих параметров за все периоды. Еще более точное определение величины аэрозольного радиационного форсинга возможно только при наличии данных о распределении азрозольных частиц по размерам и их химическом составе для конкретной анализируемой ситуации. В результате проведенного исследования чувствительности для использования в радиационных расчетах предлагаются две модели оптических параметров фонового аэрозоля: полуэмпирическая модель и средняя модель, полученная из расчетов по теории рассеяния. Обе модели используют значения альбедо однократного рассеяния и фактора асимметрии на длине волны 550 нм, восстановленные из измерений для каждого периода наблюдения.
ВВЕДЕНИЕ
Для надежной оценки возможных изменений климата Земли необходимо обеспечить достаточно точный учет в моделях климата основных факторов, определяющих радиационный теплообмен в атмосфере. В безоблачных условиях важной составляющей атмосферы, формирующей радиационный режим атмосферы наряду с поглощающими атмосферными газами, является аэрозоль. При учете аэрозольного ослабления в расчетах радиационных потоков в диапазоне длин волн солнечного излучения от 0.2 мкм до 5.0 мкм необходимо знать оптические параметры аэрозоля: оптическую толщину т, альбедо однократного рассеяния ю0 и фактор асимметрии индикатрисы рассеяния g. Оптические параметры аэрозоля могут быть определены из непосредственных измерений спектральной прозрачности, а также восстановлены из радиационных измерений. Для количественной оценки воздействия аэрозоля на радиационный баланс на поверхности Земли и на верхней границе
атмосферы используется величина, называемая аэрозольным радиационным форсингом (АРФ). Коротковолновый АРФ, который анализируется в настоящей работе, определяется как разность между балансом солнечной радиации, рассчитанным с учетом и без учета аэрозольного поглощения и рассеяния. Баланс определяется на каждом уровне атмосферы как разница между падающим и отраженным потоком.
Аэрозольная оптическая толщина является основным параметром, определяющим степень аэрозольного влияния на потоки солнечного излучения. Для количественной оценки замутненности атмосферы аэрозольными частицами традиционно используется оптическая толщина аэрозоля на длине волны 550 нм, которая при отсутствии данных измерений спектральной прозрачности может быть восстановлена по актинометрическим измерениям интегральных потоков солнечного излучения [1-3]. Знание одного этого параметра недостаточно для определения влияния тропосферного аэрозоля на приземную температуру воздуха и климат [4]. В за-
висимости от величины альбело однократного рассеяния аэрозольные частицы могут нагревать или выхолаживать поверхность Земли.
С созданием приборов, предназначенных для радиационных измерений в нескольких узких интервалах солнечного спектра, появилась возможность определения всех трех аэрозольных оптических параметров (т, ю0, g) на нескольких длинах волн. Так методика, используемая на сети солнечных фотометров AERONET [5], позволяет восстановить указанные параметры на четырех длинах волн 440, 670, 870 и 1020 нм. Сеть AERONET включает несколько сотен станций, расположенных в разных регионах земного шара. Радиационные измерения, выполненные со спутников, дают более подробную картину пространственного распределения тропосферного аэрозоля. Заметим, что из спутниковых измерений обычно восстанавливают только оптическую толщину на 550 нм и ее восстановление ограничено большими погрешностями, связанными с влиянием облачности и подстилающей поверхности [6]. Для определения остальных параметров все еще необходимы данные наземных измерений и модельных расчетов.
В настоящей работе данные комплексных систематических измерений в безоблачных условиях на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы имени A.M. Обухова Российской академии наук (ЗНС ИФА РАН) (55°42' N, 36°46' E), полученные весной-летом 2004 г. и в летний сезон 2005 г., используются для определения величин коротковолнового радиационного форсинга фонового аэрозоля. Фоновый аэрозоль на ЗНС характеризуется оптической толщиной 0.04-0.30 на длине волны солнечного излучения 550 нм. Он существенно слабее влияет на потоки солнечного излучения, чем, например, дымовой аэрозоль, радиационные свойства которого были исследованы в [7, 8]. Тем не менее изучение фонового аэрозоля представляет важный научный интерес, так как из-за постоянного присутствия в тропосфере он оказывает заметное влияние на радиационный баланс атмосферы и поверхности.
II. ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
Начиная с 2001 г. на ЗНС проводятся комплексные систематические измерения приходящих к поверхности Земли потоков солнечной и тепловой радиации, спектральной прозрачности атмосферы, спектральных потоков рассеянного и прямого излучения в диапазоне длин волн 414.5-868.8 нм и наземных метеорологических параметров атмосферы. Подробное описание измерительных приборов дано в работе [7]. Краткое описание проведенных измерений приводится ниже.
Оптическая толщина аэрозоля на длинах волн 414.5, 497.3, 613.5, 671.6 и 868.8 нм определялась из измерений с интервалом в 2 минуты потоков суммарного и рассеянного солнечного излучения прибором MFRSR (Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer). Ошибка измерений аэрозольной оптической толщины находится в пределах 0.01-0.02. Эти же измерения использовались для определения альбедо однократного рассеяния аэрозольных частиц на пяти указанных длинах волн с помощью так называемого D-D (Diffuse-Direct) метода [9, 10]. Относительная ошибка определения альбедо однократного рассеяния примерно равна величине 0.01/т, и в случае малых оптических толщин аэрозоля ошибка определения альбедо однократного рассеяния может составлять величину порядка 20%. Интегральные потоки солнечного излучения, приходящие к поверхности Земли, регистрировались с интервалом в 2 минуты пиранометром фирмы Eppley (Epp-ley Precision Pyranometer). Описание прибора может быть найдено по адресу: http://www.eppleylab.com. Проводилось сравнение наземных потоков, полученных с помощью пиранометра Eppley и пиранометра Янишевского. Различия между потоками, измеренными разными приборами, находятся в пределах погрешности приборов.
III. ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ ИЗМЕРЕНИЙ
Из ряда непрерывных радиационных измерений в безоблачных условиях, проводимых на ЗНС ИФА РАН весной-летом 2004 г.и летом 2005 г., нами были отобраны 25 периодов. При отсутствии визуальной оценки наличие облаков определялось следующим образом. Оценивалось отношение оптических толщин аэрозоля на длинах волн 868.8 нм и 497.3 нм. Если значения этого отношения больше 0.7, то предполагалось наличие полупрозрачных облаков на диске солнца. Ясно, что по этому критерию возможно ложное отношение к облачной ситуации, поэтому был использован и другой критерий. Другим критерием наличия облачности служили синхронные и одинаковые по величине вариации оптической толщины на пяти длинах волн. Основой такого подхода является то, что эффективный размер облачных частиц значительно больше длин волн рассматриваемого диапазона (497.3-868.8 нм). Ослабление солнечной радиации облаками в видимой области и ближней ИК-области спектра близко к нейтральному в отличие от селективного характера ослабления аэрозолем солнечной радиации.
В табл. 1 представлены величины оптических параметров атмосферного аэрозоля, влагосодержа-ние атмосферы и альбедо поверхности, полученные из измерений. Аэрозольная оптическая толщина на длине волны 550 нм (т550) была восстановлена из измерений мгновенных значений прямой солнечной
Таблица 1. Средняя, минимальная и максимальная оптическая толщина аэрозоля (Т550, т
500' 500
max>
альбедо одно-
550
кратного рассеяния (ю^ ) и средний косинус вытянутости индикатрисы рассеяния (#550) на длине волны 550 нм, параметр Ангстрема (а), полученные из радиационных измерений на ЗНС весной и летом 2004 г. и летом 2005 г.; альбедо поверхности (АД количество измерений за период (л), влагосодержание атмосферы (w, г/см2)
Дата Часы , min max, Т550 (т500 - Т500 j 550 ю0 #550 а А, n w
03.04.2004 7:46-19:50 0.106 (0.080-0.131) 0.90 0.64 1.33 0.11 330 0.734
05.04.2004 9:40-19:20 0.076 (0.047-0.146)
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.