ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 671-687
УДК 551.501.816:535.36
О ВОССТАНОВЛЕНИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРОПОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ ПО ДАННЫМ ДВУХВОЛНОВОГО
ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2007 г. В. А. Коршунов
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249035 г. Обнинск, Калужская обл., просп. Ленина, 82 E-mail: kitekot@eridan.mega.ru Поступила в редакцию 10.10.2006 г., после доработки 14.12.2006 г.
Предложена схема интерпретации данных двухволнового лидарного зондирования с использованием функциональных зависимостей между лидарными отношениями, а также некоторыми интегральными характеристиками аэрозоля и отношением коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн зондирования. Для нахождения указанных функциональных зависимостей статистического характера использовались данные измерений сети AERONET, результаты контактных аэрозольных измерений, многоволнового лидарного зондирования, а также аэрозольная модель ОРАС. Анализ данных проведен отдельно для континентального, пылевого, океанского и дымового типов аэрозоля. Расчеты обратного рассеяния для минеральных фракций аэрозоля проводились для модели хаотически ориентированных сфероидов. Проведен численный эксперимент, показавший, что погрешности определения ряда интегральных параметров аэрозоля (коэффициент ослабления, характерного радиуса частиц, объемных концентраций), вызванные статистическим разбросом лидарных отношений и других задаваемых интегральных характеристик, не превышают 32% при оптической толщине слоя зондирования не более 1.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование аэрозольной компоненты атмосферы имеет важное значение как для анализа процессов загрязнения атмосферы, так и для решения радиационных задач и прогноза возможных изменений климата. Среди прочих проблем большое внимание уделяется вопросам регионального и трансконтинентального переноса тропосферного аэрозоля. При изучении процессов переноса широко используются лидары, поскольку они позволяют проводить длительные непрерывные измерения с хорошим пространственным разрешением. В настоящее время функционируют лидар-ные сети в Северной Америке, Азии, Европе [1], создается лидарная сеть и в Евразии [2]. В данных измерениях, как правило, используется многоволновое зондирование, в том числе и с применением каналов комбинационного рассеяния (КР), что позволяет получать информацию об оптических и микрофизических параметрах аэрозоля. Однако в ряде случаев ограничиваются двухволновым зондированием на длинах волн ^ = 1064 и ^ = 532 нм [3], поскольку двухволновые лидары более просты, дешевы и доступны в коммерческом исполнении. По данным двухволнового зондирования также возможно определение некоторых микрофизических характеристик аэрозоля, однако при этом существенно возрастает роль используемой априорной информации.
Интерпретация данных двухволнового зондирования предполагает решение системы лидарных уравнений относительно коэффициентов аэрозольного обратного рассеяния атмосферы $а(кк, т) (к = 1, 2), (т - расстояние вдоль трассы зондирования). Для решения лидарных уравнений в общем случае многоволнового зондирования необходимо задать оператор, связывающий характеристики обратного рассеяния Ра(А,к, т) и ослабления оа(Кк, т) [4]. Для частного случая двухволнового зондирования в данной работе предлагается определить нелинейный оператор связи, задавая лидарные отношения да(кк, т) = <5а(Хк, т)/Ра(А,к, т) как функции отношения коэффициентов обратного рассеяния на двух длинах волн R(т) = Ра(^2, т)/^а(^1, т), т.е. считая 0а(^к, т) = Fk(R).
Метод решения лидарных уравнений, используемый в работе, аналогичен описанному в [5]. В основу решений [5] положены интегральные соотношения, полученные с помощью преобразований Фернальда [6]. Трасса зондирования разбивается на слои, в каждом из которых определение коэффициентов обратного рассеяния проводится итерационным методом. Однако, в отличие от [5], нахождение лидарных отношений в процессе итераций производится не на основе решения обратной задачи, а с использованием функциональных связей Fk(R). При этом не предполагается постоянства лидарного отношения внутри слоя. Разби-
ение трассы на слои производится с учетом предполагаемого типа аэрозоля [7, 8] в том или ином слое.
После определения коэффициентов обратного рассеяния находятся интегральные параметры аэрозоля с использованием заранее подготовленных аппроксимационных зависимостей этих параметров от Я и ва(^2,2). Рассматриваются следующие интегральные параметры: коэффициент ослабления оа(к2, z), характерный радиус частиц г32 = (г3)/(г2) и объемные концентрации аэрозоля, рассчитываемые с ограничением по верхнему размеру частиц У25, У10 и У15, где нижний индекс обозначает предельный диаметр частиц, по которому проводится ограничение. Величины У25, У10 соответствуют известным стандартам по массовой концентрации аэрозоля РМ25, PM10, принятым в США, Европейском союзе и некоторых других странах. Ограничение по диаметру 15 мкм выбрано в силу того, что оно является типичным в импакторных измерениях [8]. Возможен, конечно, и другой выбор ограничений.
Коэффициенты ослабления оа(Х2, ¿) находятся с использованием аппроксимации ^2(Я). Для Ух (X = = 2.5; 10 и 15) используется представление Ух = = #ХЯ)Ра(^2, ¿), характерный радиус считается непосредственно функцией Я: г32 = г32(Я).
Для задания указанных аппроксимационных зависимостей в работе проводится: 1) построение ансамблей микрофизических характеристик для основных типов (моделей) тропосферного аэрозоля с использованием известных экспериментальных данных, 2) расчеты лидарных отношений и интегральных характеристик в функции отношения коэффициентов обратного рассеяния для выбранных ансамблей, 3) аппроксимация результатов этих расчетов методом наименьших квадратов.
В настоящее время при рассмотрении аэрозоля в глобальном масштабе принято выделять как минимум четыре характерных типа аэрозоля: континентальный, пылевой, океанский и дымовой (образованный продуктами горения растительности). Континентальный и пылевой аэрозоль включает фракции, состоящие из несферических частиц. При выполнении расчетов обратного рассеяния для несферических частиц в работе используется модель хаотически ориентированных сфероидов. Для оценки погрешностей определения интегральных параметров аэрозоля, связанных с априорной неопределенностью задаваемых функциональных связей, проведен численный эксперимент.
УЧЕТ НЕСФЕРИЧНОСТИ ЧАСТИЦ
Как известно, тропосферный аэрозоль состоит из отдельных фракций, различающихся по своему размеру, составу и происхождению. Минеральные фракции аэрозоля образуются в результате вы-
ветривания почв и состоят в значительной степени из несферических частиц. На это, в частности, указывает деполяризация сигнала обратного рассеяния при зондировании тропосферных пылевых слоев с типичной величиной степени деполяризации сигнала в пределах 15-35%.
Ясно, что для такого аэрозоля необходимо использовать несферические модели, приближенно описывающие форму реальных частиц, и соответствующие им расчетные методы [9, 10]. Вопрос о выборе модели является дискуссионным. В [11] была рассмотрена модель хаотически ориентированных сфероидов, в которой составляется смесь частиц различной формы с показателем преломления 1.53-0.008/, характерным для частиц пылевого аэрозоля. В равной пропорции берутся сплющенные и вытянутые частицы с параметром формы, меняющимся в диапазоне от 1.2 до 2.2. Модель [11] с успехом использовалась в [12] при лидарном определении оптической толщины слоя пылевого аэрозоля. Модель сфероидов, сходная с предложенной в [11], была рассмотрена в [13] и на примере анализа данных измерений в сети AERONET для районов с преобладанием аридного аэрозоля было показано, что использование несферической модели существенно улучшает результаты восстановления при выборе параметра формы в диапазоне 1.6-2.2.
Модель сфероидов зачастую подвергается критике, поскольку она не вполне адекватно учитывает форму часто встречающихся частиц, например, осколков минералов неправильной формы с острыми углами или конгломератов из более мелких частиц. В качестве альтернативы иногда используются эмпирические данные, например, в [14] для обработки данных спутникового радиометра использовалась синтетическая индикатриса пылевого аэрозоля (результат измерений в области 5°-173° для нескольких типов минерального полидисперсного аэрозоля с экстраполяцией на углы рассеяния вперед и назад). В работе [15] проведены расчеты для некоторых характерных типов атмосферных частиц с острыми углами с помощью расчетного метода DDA (discret-dipole approximation). Поскольку результаты [14, 15] относятся к некоторым конкретным реализациям аэрозольных распределений, то их трудно использовать в целях моделирования с учетом возможных вариаций эффективных размеров пылевого аэрозоля в атмосфере. Поэтому в данной работе предпочтение отдано модели хаотически ориентированных сфероидов.
Проведение расчетов для этой модели является весьма трудоемким с точки зрения затрат машинного времени даже для современных ЭВМ [13]. Поэтому в данной работе использовались непосредственно результаты [11], где приведены значения отношений [0a(Peff)]nsph/[0a(Peff)]sph и [Ca(peff)Lph/|Ca(peff)]sph, а индексы "nsph" и "sph" относятся к несферическим
и сферическим частицам, peff = 2nreffA - эффективный параметр размера для данного полидисперсного распределения. Расчеты проведены в функции peff до peff = 30 для трех распределений с разными эффективными параметрами полуширины veff. В работе [11] утверждается, что результаты расчетов не зависят от конкретной формы распределения, если одинаковы параметры peff и veff. Тем не менее использовать результаты [11] непосредственно для распределений с произвольными параметрами peff и veff затруднительно, так как невозможно интерполировать данные расчетов для промежуточных значений параметра veff. Кроме того, неясно, как проводить расчеты для двухмодальных распределений. Поэтому данные работы [11] были приведены к виду, удобному для расчетов по распределениям произвольной формы. С этой целью были взяты обы
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.