CC BY
43
УДК 551.521.3
Н.В. Хвостова, аспирант ИВЭП СО РАН, г. Барнаул
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЛЬБЕДО МЕСТНОСТИ ПО ЯРКОСТИ НЕБА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И КЛИМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Для мониторинга экологических и климатических систем представляет интерес решение задачи по нахождению величины альбедо местности по данным только наземных измерений. В статье предложена методика оценки альбедо аридных зон из измерений яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца. Показан коэффициент корреляции между рассчитанными и наблюдаемыми значениями альбедо.
Ключевые слова: альбедо, яркость неба, альмукантарат Солнца, вертикал Солнца, ДЕКОМЕТ, уравнение переноса излучения, мониторинг.
Альбедо подстилающей поверхности q является ключевым параметром, оказывающим влияние на мировой климат и контролирующим энергетический баланс земли. Изменения в альбедо, к которому могут приводить различные природные и антропогенные факторы, способны вызвать значительные изменения в климате. Соответственно точность его нахождения должна быть высокой. В последнее время во всем мире проводятся исследования, касающиеся методов нахождения и точности определения q для различных типов поверхностей. Поиск величины можно проводить, основываясь на результатах прямых измерений, либо решая обратные задачи [например, 12]. В данной работе альбедо подстилающей поверхности определяется из измерений яркости дневного неба B(f): B(f) = B i( f) + B2( f) + Bq, (1)
где функция B1(f) — яркость однократного рассеяния, включающая в себя компоненты однократного молекулярного BM(f) и аэрозольного Ba(f) рассеяния, а B2(f) и Bq — составляющие соответственно многократного рассеяния и отражения света от подстилающей поверхности. Обычно отражение излучения принимается ортотропным, поэтому считается, что Bq не зависит от угла рассеяния f.
Малый вклад компоненты в общую яркость делает необходимым подбор соответствующих начальных условий, при которых возможно решение обратной задачи по нахождению альбедо. Одним из основных условий является выбор местности с высокой прозрачностью атмосферы и существенной величиной q, а также определение диапазона углов f , где вклад аэрозольного однократного рассеяния в яркость неба незначителен. Кроме того, следует исключить из рассмотрения все облачные ситуации, поэтому необходим большой наблюдательный материал.
Более 10 лет назад по всему миру была запущена автоматическая сеть наблюдений за аэрозолем (AERONET), обеспечивающая огромное количество измерений яркости неба и различных оптических и мик-рофизических свойств аэрозоля [3]. К тому же данные AERONET общедоступны через INTERNET и имеется необходимая литература по ознакомлению с методами нахождения представленных в таблицах величин, с возникающими при расчетах и измерениях погрешностями. На сайте AERONET представлена географическая карта пунктов, где расположены принимающие солнечные фотометры CIMEL [4]. По карте наглядно виден тип местности, что облегчает поиск конкретных зон земного шара, соответствующих поставленным задачам. Для летних условий в видимой области спектра высокая прозрачность атмосферы и существенные значения альбедо подстилающей поверхности отмечены над пустынями, где могут иметь место случаи почти молекулярного рассеяния света [5-6]. Так, в пустынях Австралии (пункты Lake Argyle, Tinga Tingana), на юге США (пункты Los Alamos, Tombstone, Tucson, Sevilleta), на Аравийском полуострове (пункт Solar Village) отмечаются дни, когда
величины аэрозольных оптических толщ т меньше 0,05. В работе [7] представлены характеристики данных пунктов наблюдений: высота над уровнем моря, значения молекулярных оптических толщ и средние значения альбедо местности в двух длинах волн: 1 = 440 нм и 1 = 675 нм. Для того чтобы исключить влияние аэрозоля на яркость неба рассматриваются данные в диапазоне углов рассеяния 500 < 1 < 1300. Также проводится дополнительная селекция для исключения облачных ситуаций [8-9].
Для нахождения яркости неба при заданных начальных условиях решалось уравнение переноса лучистой энергии в атмосфере методом Монте-Карло с помощью алгоритмов и программного обеспечения [10]. Точность расчетов обеспечивалась статистикой «блуждающих» в атмосфере квантов, количество которых увеличивалось, до тех пор, пока относительная погрешность численного счета 8В(р) становилась не более 0,15% для всех углов рассеяния р. Вычисления проводились для комбинации из двух типов аэрозольных индикатрис, соответствующей равному содержанию в атмосфере субмикронных и крупных частиц. Рассчитанная яркость дневного неба учитывала многократное рассеяние и отражение света от подстилающей поверхности. Для каждого отобранного измерения при соответствующих оптических параметрах и двух заданных величинах альбедо вычислены два значения яркости. Альбедо, соответствующее измеренной яркости, определено путем линейной интерполяции величины В? при этом рассмотрены измерения яркости в альмукантарате и вертикале Солнца. Более подробно методика определения q изложена в работе [7].
Рассматривая все рассчитанные значения альбедо для каждого из 7 вышеуказанных пунктов наблюдений, не удается установить зависимость величины q от времени суток и сезонного хода. В зависимости от угла р альбедо ведет себя по-разному даже в пределах одной серии измерений. Достаточно большой разброс значений q относительно средней величины свидетельствует о наличии случайных ошибок в определении яркости неба и аэрозольной оптической толщи. Вместе с тем среднеквадратичные отклонения найденной величины альбедо из измерений яркости неба, как в альмукантарате, так и в вертикале Солнца от среднего значения близки к 0, из-за большой статистики измерений. В ряде случаев, главным образом в синей области спектра, получены отрицательные значения q, что, скорее всего, связано с систематической ошибкой измерений. Вид гистограмм повторяемости рассчитанных величин альбедо симметричны и распределения примерно соответствуют нормальному распределению случайной величины. В качестве примера на рис.1 для двух длин волн представлены распределения найденных из наблюдений яркости неба значений q.
На рис.1 можно видеть, что разброс величин q, рассчитанных по яркости неба в вертикале Солнца больше, чем по яркости в альмукантарате, что выполняется и для других пунктов.
Таблица 1
Средние значения альбедо 7 пунктов наблюдений
Рис. 1. Гистограммы повторяемости значений альбедо, рассчитанных с использованием измерений яркости неба в альмукантарате (светлая гистограмма) и вертикале (темная гистограмма) Солнца для пункта наблюдений Sevilleta в двух длинах волн: 1 = 440 нм (а)
1 = 675 нм (б)
Наиболее характерные для каждого пункта наблюдений значения альбедо подстилающей поверхности рассчитаны для выбранного диапазона углов рассеяния в двух длинах волн 1 = 440 нм и 1 = 675 нм. В таблице 1 приведены средние значения q, найденные из измерений яркости неба в альмукантарате q и вертикале q Солнца и значения q . , представленные в
-¿верт ' -‘•набл7 А ^
сети AERONET.
Использованы данные AERONET по яркости неба и альбедо с 2000 по 2006 годы, но не во всех перечисленных пунктах есть данные за 7 лет. В таблице 1 приводится усредненная величина альбедо за все годы, в которые проводились измерения. Пустые ячейки в таблице соответствуют малому набору статистики. До-
статочно большие отличия в q
альм
и q
верт
наблюда-
Страна Пункт 1 =440 нм 1 =6Т5нм
q альм q верт q„afa q a.nbM q верт q„afa
Австралия Lake Argyle 0,02 0,01 0,06 0,16 0,22 0,11
Австралия Tinga Tingana 0,0Т 0,05 0,12 0,30 0,32 0,36
Аризона, США Tombstone 0,02 0,03 0,06 0,15 0,19 0,16
Аризона, США Tucson 0,0Т 0,19 0,29 0,20
Мехико, США Los Alamos 0,03 0,08 0,04 0,21 0,33 0,10
Мехико, США Sevilleta 0,05 0,04 0,08 0,21 0,21 0,20
Сауд. Аравия Solar Village 0,13 0,43 0,46 0,3Т
Таблица 2
Связь рассчитанных и наблюдаемых в AERONET средних значений альбедо для 7 пунктов наблюдений
Связь q Уpaв„e„иe регрессии R SD, %
0,95Т 4,4
Чяльм = -0,00Т4 + 1,04с|нябл 0,914 5,3
£врпт и £ня6л £врпт _ 0,023 + 1 , 05С|нябл 0,801 9,1
ются в Tucson и Los Alamos. Для Tucson за 2000-2001 годы, значения альбедо q^^ и qверт различаются в 2,5 раза, в 2002 году измерения не проводились, а в 2003-2004 годах получены близкие значения альбедо. Для Los Alamos, в отличие от других пунктов наблюдений, имеются измерения только за 1 год. Это может говорить о возможном неправильном определении яркости в альмукантарате или вертикале Солнца.
В целом рассчитанные значения альбедо для 1 = 440 нм меньше, а для 1 = 675 нм больше наблюдаемых, и значения q выше, чем q . В таблице 2 пред-
-£верт -£альм
Библиографический список
ставлены уравнения регрессии, связывающие q , q и
альм верт
q^^, а также соответствующие коэффициенты линейной корреляции R и среднеквадратические отклонения SD.
Из таблицы 2 можно видеть, что рассчитанные значения альбедо q и q хорошо согласуются между собой,
верт альм
коэффициент корреляции близок к единице. В тоже время q ближе к наблюдаемым значениям, чем q , альм верт
хотя наклон в уравнениях прямых одинаков. Отличия полученных и измеренных усредненных значений альбедо можно объяснить систематическими погрешностями в определении яркости и аэрозольной оптической толщи на фотометрах CIMEL.
Удовлетворительное сходство найденных значений альбедо и данных сети AERONET позволяет утверждать, что предлагаемую методику оценки альбедо подстилающей поверхности из измерений яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца можно использовать для восстановления средних значений альбедо местности. При этом говорить о величине альбедо в определенный день или месяц не имеет смысла, из-за больших погрешностей в определении оптических параметров. Предложенный косвенный метод оценки альбедо подстилающей поверхности может быть информативен для мониторинга климатических и экологических систем.
Выражаю благодарность профессорам Б. Холбеод и М.В. Лаи-чеико за возможность использования данных AERONET.
1. Airborne spectral measurements of surface anisotropy during SCAR-B / S. Tsay, M.D. King, T.G. Arnold, J.Y. Li // J. Geophys. Res. — 1998.— 103.— P. 31943-31953.
2. Liang, S. Retrieval of land surface albedo from Satellite Observations: a simulation study / S. Liang , A.H. Strahler, C. Walthall // J. Appl. Meteor. — 1999. -38.— P. 712-725.
3. AERONET — A federated instrument network and data archive for aerosol characterization / B. N. Holben [et al.] // Remote Sens. Environ. — 1998. — 66. — P. 1-16.
4. Aerosol Robotic Network (AERONET) [электронный ресурс] Режим доступа:, http://aeronet.gsfc.nasa.gov.
5. Пясковская-Фесенкова, Е.В. Исследование рассеяния света в земной атмосфере / Е.В. Пясковская-Фесенкова. — М.: Изд. АН СССР, 1957. — 219 с.
6. Coulson, K.L. Effect of surface reflection on the angular and spectral distribution of skylight / K.L. Coulson // J. Atmos. Sci. — 1968. — 25. — P. 759-770.
7. Хвостова, Н.В. Методика оценки альбедо местности из измерений яркости неба на аридных территориях / Н.В. Хвостова // Мир науки, культуры, образования. — 2007. — № 3(6). — С. 7-10.
8. Cloud-screening and quality control algorithms for the AERONET database / A. Smirnov, B.N. Holben, T.F. Eck, O. Dubovik, I. Slutsker // Remote Sens. Environ. — 2000. — 73. — P. 337-349.
9. Матющенко, Ю.Я. О селекции данных AERONET. Часть 1: обоснования методик / Ю.Я. Матющенко, В.К. Ошлаков, В.Е. Павлов // Оптика атмосферы и океана. — 2006. — Т. 19. — № 4. — С. 271-277.
10. Журавлева, Т.Б. Численное моделирование угловой структуры яркости неба вблизи горизонта при наблюдении с Земли. Часть 1. Аэрозольная атмосфера / Т.Б. Журавлева, И.М. Насретдинов, С.М. Сакерин // Оптика атмосферы и океана.— 2003.— Т. 16. — № 5-6. — С. 537-545.
Статья поступила в редакцию 15.05.08
