ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 2, с. 193-208
УДК 551.521
РОССИЙСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ АТМОСФЕРНОЙ РАДИАЦИИ В 2003-2006 гг.
© 2009 г. Ю. М. Тимофеев, Е.М. Шульгина
Санкт-Петербургский государственный университет 198904 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: tim@troll.phys.spbu.ru
За истекший период Российская комиссия по атмосферной радиации совместно с заинтересованными ведомствами и организациями провела два Международных симпозиума стран СНГ "Атмосферная радиация", участники которых обсуждали актуальные проблемы современной физики атмосферы - перенос излучения и атмосферная оптика, парниковые газы, облака и аэрозоли, изменения климата, дистанционные методы измерений, новые данные наблюдений. В настоящем отчете представлены пять направлений, охватывающих весь спектр исследований, проводимых в области атмосферной радиации.
ТЕОРИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ
Многочисленные исследования в этой области были посвящены изучению процессов переноса излучения в различных средах и для различных геометрий измерений, развитию методов и алгоритмов для решения уравнения переноса излучения в приложении к задачам атмосферной оптики.
В ИФА РАН разработана линеаризованная векторная модель радиационного переноса в сферической атмосфере [1-3], оценено влияние многократного рассеяния и аэрозоля на поляризацию излучения [4, 5], проведено сравнение с другими моделями переноса излучения [6]. Интенсивно развиваются различные методы теории переноса излучения в МЭИ. Исследована эффективность представления решения уравнения переноса в виде суммы сингулярной компоненты (на основе малоугловой модификации метода сферических гармоник) и регулярной, более гладкой, части для описания переноса в средах с сильно анизотропным рассеянием [7-10]. Развитию метода дискретных ординат, позволяющего обобщить подход на случай произвольной 3Б среды с учетом поляризации, посвящены работы [11-14].
В ИПМ им. М.В. Келдыша РАН совершенствуются численные методы моделирования переноса излучения в атмосфере с неоднородной облачностью и аэрозолем и разрабатываются алгоритмы
* Материалы представлены Бассом Л.П. (ИПМ РАН), Бобылевым Л.П. (Нансен центр), Будаком В.П. (МЭИ), Дементьевым Б.В. (ФИ РАН), Захаровым В.И. (УГУ), Завелеви-чем Ф.С. (ИЦ им. М.В. Келдыша), Кадыгровым Е.Н. (ЦАО), Левиным И.М. (ИО РАН), Нерушевым А.Ф. (НПО "Тайфун"), Покровским О.М. (ГГО), Горчаковым Г.И. и Посты-ляковым О.В. (ИФА РАН), Радионовым В.Ф. (ААНИИ), Станкевичем К.С. (НИРФИ), Сакериным С.М. и Фазлие-вым А.З. (ИОА СО РАН), Тонковым М.В., Шведом Г.М. и Янковским В.А. (СПбГУ), Успенским А.Б. (НПО Планета), Фоминым Б.А. (Курчатовский ин-т), Чубаровой Н.Е. (МГУ).
решения уравнения переноса излучения в задачах оптики атмосферы на компьютерах с параллельной архитектурой методом дискретных ординат. Особое внимание уделяется методам повышения точности аппроксимации аэрозольных и облачных индикатрис рассеяния. Развиты алгоритмы аппроксимации интеграла столкновений с помощью матрицы рассеяния, что дает возможность применения развитых алгоритмов для расчета полей солнечного света не только в одномерных, но и в многомерных областях и учета детальной структуры рассеивающей солнечный свет среды - облаков, зданий, деревьев и т.д. [15]. Выполнен детальный обзор алгоритмов метода дискретных ординат [16], разрабатываются алгоритмы расчета методом дискретных ординат полей поляризованного света в 3Б областях. Выполнено исследование влияния горизонтальных неоднородностей атмосферы на яркость отраженного солнечного излучения [17], развиты упрощенные модели, позволяющие оценить размер пограничных слоев. В монографии [18] обобщены результаты по математическим моделям теории переноса излучения и по методам численного решения задач теории переноса излучения.
В СПбГУ продолжаются исследования процессов переноса неравновесного излучения в средней и верхней атмосфере. Разработанная ранее обобщенная модель переноса излучения с нарушением ЛТР в колебательно-вращательной полосе применена для изучения влияния температурных возмущений гауссова вида в изотермической атмосфере [19]. Проведены тщательные исследования радиационных процессов в полосах поглощения СО2 - оценено влияние солнечных протонных событий на собственное излучение атмосферы [20] и вклад поглощения солнечного излучения [21] и эмиссий в этих полосах [22, 23], вызванных приливными вариациями температуры, в процессы нагревания и охлажде-
ния мезосферы и нижней термосферы. Параметризация поглощения солнечного излучения в полосах СО2 в ближней ИК области включена в Канадскую модель средней атмосферы [24]. В работе [25] предложен приближенный безразмерный подход к оценке теплового эффекта 15 мкм полосы С02 в термосфере, использованный для создания полуэмпирической модели среднеглобальной температурной структуры земной термосферы.
Большое количество работ посвящено методам расчета переноса излучения в приложениях к задачам дистанционного определения параметров атмосферы и подстилающей поверхности. В НЦ "Курчатовский институт" разработан алгоритм для "ab initio" вычислений тепловой радиации в плоскопараллельной атмосфере, содержащей аэрозоли и облака [26], позволяющий провести точный учет как газового поглощения, так и многократного рассеяния частицами в любых спектральных интервалах. На основании этого алгоритма в сотрудничестве с Бразильским Институтом Национальных Космических Исследований (INPE) создана модель измерений атмосферной радиации многоканальными спутниковыми спектрометрами любого разрешения [27], воспроизводящая уходящее тепловое излучение для сенсоров высокого, среднего и низкого разрешения. Произведено исследование принципиальных ограничений на точность моделей прямого интегрирования, обусловленных неопределенностью современной спектроскопии [28], и тестирование модели в международном сравнении радиационных программ [29], а также в натурном эксперименте [30]. Опубликованы результаты сравнений (в которых принимали участие сотрудники ИОА СО РАН, НЦ "Курчатовский институт" и ИВММГ СО РАН) различных кодов 3D радиационных моделей [31]. Существенные результаты получены в ИОА СО РАН в развитии и валидации статистических методов исследования радиационных полей в атмосферах со стохастическими моделями разорванной облачности [32]. Развиваются методы численного моделирования яркости неба вблизи горизонта [33-35] и для определения оптической толщины аэрозольного рассеяния [36]. В НПО "Тайфун" проведены расчеты основных оптических характеристик кристаллических и смешанных облаков. Выполнена параметризация сечений ослабления, рассеяния и поглощения, а также индикатрисы рассеяния излучения как для отдельных ледяных частиц, так и для их систем, характерных для реальных облаков [37]. В Гидрометцентре России для расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере был разработан метод описания взаимодействия солнечного излучения с облаками с учетом микрофизических свойств облаков [38]. Совместный алгоритм расчета микрофизических характеристик и потоков излучения позволил исследовать зависимость оптических свойств облаков, альбедо и пропускания от микрофизических
параметров. В СПб филиале ПО им. П.П. Ширшова РАН продолжается разработка моделей и методов расчета переноса излучения в приложении к оптике океана. Путем обобщения и развития ранее созданной теории подводного видения с использованием оптических моделей морской воды, поверхности и атмосферы разработана теория видимости морского дна из атмосферы через взволнованную поверхность моря при естественном освещении [39]. Разработан и проанализирован новый эффективный алгоритм для компьютерного моделирования случайного изображения неоднородного дна, наблюдаемого через взволнованную поверхность [40].
АТМОСФЕРНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Основное направление работ по молекулярной спектроскопии атмосферных газов - совершенствование методов расчета параметров спектральных линий и создание банков спектроскопических данных (ПОА СО РАН, ППФ РАН, СПбГУ). При определении частот и интенсивностей основных компонент атмосферы (Н2О, СО2) наибольшее внимание уделялось их изотопическим модификациям и высоко-возбужденным колебательно-вращательным состояниям [41-46]. Расчеты в этих работах выполнялись с использованием метода эффективных операторов. Этот метод базируется на теории возмущений, позволяет существенно уменьшить объем вычислений, моделировать спектры с точностью, близкой к точности эксперимента, и при этом не требует вычислительных мощностей супер-комьютеров. Этот же подход был использован при расчете спектров молекул К20 и С2Н2 [47, 48].
Значительная часть работ посвящена изучению влияния межмолекулярных взаимодействий на параметры линий [49-52]. В этих работах проведены точные расчеты траектории сталкивающихся молекул с использованием классической механики, результаты расчета сравниваются с различными приближенными методами. Рассчитанные полуширины линий сравниваются с величинами, измеренными в эксперименте [53].
Б.А. Фомин (НИЦ "Курчатовский институт") разработал принципиально новый метод &-распре-деления [54, 55], хорошо учитывающий перекрывание полос разных поглотителей и позволяющий создать параметризации неограниченной точности. Этот метод при таком же уровне точности, как и другие, в 2-3 раза быстрее и так же хорошо работает в верхней атмосфере, как и в тропосфере. С помощью этого метода была разработана первая версия параметризации для моделей погоды и климата, использующая 23 и 15 членов для тепловой и солнечной радиации соответственно, что в 2-3 раза меньше, чем в аналогах.
Нельзя не отметить работы по исследованию субмиллиметрового поглощения. Наиболее интересными представляются здесь работы (с высоким спектральным разрешением и высокой точностью измерений) по исследованию спектров кислорода [56-58]. Определены параметры линий кислорода и их температурные изменения, а также оценены эффекты интерференции линий. Также тщательно проведены исследования вращательных линий молекулы Н2О и континуального поглощения, связанного с этой молекулой [59,
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.