CC BY
9НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология № 4 2010
УДК 551.501: 629.195.1
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ОБЪЕМНОГО
КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРНЫМИ ГАЗАМИ НАД ТЕРРИТОРИЕЙ КАЗАХСТАНА
Доктор техн. наук А.Х. Ахмеджанов АН. Искаков
Рассмотрены изменения вертикальных профилей объемного коэффициента поглощения ИК-излучения атмосферными газами над территорией Казахстана. Наиболее чувствительным к температурным вариациям газом является СО2. С повышением температуры объемный коэффициент поглощения метана, закиси азота, паров воды и озона уменьшается, а для двуокиси углерода, наоборот - повышается.
Термическое зондирование атмосферы в надир основывается на данных, получаемых многоканальными спектрорадиометрами высокого разрешения (~0,001 см-1), регистрирующими тепловое излучение атмосферы в различных спектральных диапазонах, позволяющие восстанавливать температурный профиль атмосферы с большей точностью и более точным высотным разрешением без использования априорной информации. Это дает возможность для численного моделирования физических параметров атмосферы с использованием температурных профилей для реальных экосистем.
Успехи экспериментальной и теоретической молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения позволили создать компьютерные базы (атласы) параметров спектральных линий атмосферных и примесных газов (HITRAN, GEISA) [6]. Появились теоретические методики и комплексы программ для количественного моделирования сложных многофакторных задач спектроскопии атмосферы (например, программы LOWTRAN, MODTRAN, FASCODE, различные информационные системы) [5].
При наблюдении атмосферы со спутника в надир, выражение для спектральной плотности яркости атмосферы в общем случае в условиях чистого неба имеет вид [2]:
( H \ ( H \ H ( H \
il = £vBv(T0)exp
— ka,bsdh
+ (1 — ev )Iy exp
0
— J kabsdh + J k?sB v exp
0
— ka sdh'
dh ,
0
h
44
где к?» - коэффициент поглощения излучения компонентами атмосферы, Вп - спектральная плотность яркости черного тела, еп - излучательная способность земной поверхности, Н - верхняя граница атмосферы, I ^ -спектральная плотность энергетической яркости атмосферы в направлении земной поверхности:
н ( к \
Л
dh
li= J Kb% exp I- J Kbsdhf
о V о J
Коэффициент поглощения включает в себя: 1) коэффициент поглощения газовыми составляющими, который вычисляется с помощью суммирования по спектральным линиям (line-by-line) с использованием параметров известной спектральной базы данных HITRAN; 2) коэффициент ослабления аэрозольными компонентами атмосферы; 3) коэффициент континуального поглощения водяным паром:
iabs _ hrgas I ^aerosol . icont
kv = kV +k V + kV •
Для безоблачной и малоаэрозольной атмосферы, можно ограничиться только kg™ :
Ng
kgas = No(h)£n (h)£rlk(h)£ Sl}k(T(h))Fijk ( vl}k - v, T(h), p(h)),
i=1 k j
где p(h), T(h), N0(h) = p(h)/(kbT(h)) - давление, температура и концентрация молекул на высоте h соответственно, ni (h) - относительная концентрация i -го газа, rik(h) - распространенность k -го изотопа i -го газа, Sjk -интенсивность j -ой спектральной линии, Fijk - контур линии.
В предыдущей работе [1] на основе спектрометрической базы данных HITRAN моделировался спектральный объемный коэффициент поглощения ИК-излучения данного сорта атмосферного газа для реальных сезонных температурных профилей над выделенной территорией Западного Казахстана.
В этой работе продолжается изучение поглощательных свойств атмосферных газов для различных участков территории Казахстана, условно названных: «N» (Север), «E» (Восток), «S» (Юг), «C» (Центр) и «W» (Запад).
Моделирование объемного коэффициента поглощения (ОКП) излучения основано на использовании лабораторных спектров высокого разрешения (о,о1) изучаемых газов, зависимости спектра поглощения от сорта газа, температуры, давления, объемной концентрации газа в смеси. Для приведения смоделированного спектра высокого разрешения к спектру, регистрируе-
45
мого реальным сенсором низкого разрешения, используется стандартная численная процедура свертки спектра (конволюция), основанная на использовании аппаратных функций сенсора. Смоделированный спектр ОКП приводился к «реальному» спектру при помощи аппаратной функции конкретного канала сенсора MODIS [3] и процедуры свертки спектра.
Для каждой изучаемой территории по спутниковым данным AIRS [4], вычислялись средние по сезонам за 2008 год температурные профили P(T). При этом оказалось, что в каждом рассматриваемом случае температурные профили для весеннего и осеннего сезонов, расположены приблизительно на равном расстоянии от температурных профилей для зимнего и летнего сезонов.
Поэтому моделирование спектров ОКП проводилось только для температурных профилей зимнего и летнего сезонов. Как и ожидалось, вариации, обусловленные «территориальным» фактором, проявляются на «размытии» температурных профилей (рис. 1).
Рис. 1. Зимние (1) и летние (2) профили температуры для участков «N», «Е», «S», «С» и «W» территории Казахстана (по данным AIRS).
Сезонный разброс (tзима -1лето)/1зима профилей в диапазоне высот 250... 750 гПа составляет 6.. .8 %, с приближением к поверхности Земли раз-
46
брос постепенно увеличивается до 12...20 %. Разброс профилей, обусловленный территориальными различиями выбранных участков, составляет 1.. .2 % для высот 250... 750 гПа и около 8 % - у поверхности Земли.
На рис. 2 и 3 представлены численные результаты для сезонных профилей к [м~1] излучения водяным паром и озоном соответственно. Численное моделирование ОКП для остальных рассматриваемых газов дает монотонный спад с ростом высоты: для N20 к [м"1] изменяется от (7,3...9) 10-4 м-1 у поверхности Земли до 0 м-1 на границе атмосферы. Соответственно к [м_1] изменяется: для СН4 (9,5...10,5) 10-4 ® 0 м-1, для СО2 (12... 15,5) 10"3 ® 0 м-1.
Рис. 2. Вертикальный зимний (1) и летний (2) профили ОКП излучения
водяным паром.
47
Интересно отметить, что профиль ОКП для водяного пара экспоненциально уменьшается с ростом высоты, в случае озона выявляется максимум ОКП на высоте 50 гПа (20...25 км), а для СО2, несмотря на постоянство объемной концентрации от поверхности Земли (1000 гПа) до рассматриваемой высоты 3 гПа (40 км), наблюдается плавный спад ОКП.
Рис. 3. Вертикальный зимний (1) и летний (2) профили ОКП излучения озоном.
Вариации профилей ОКП атмосферных газов коррелируют с вариациями температурного профиля, обусловленные сезонными и территориальными различиями, и в процентном отношении вариации ОКП (¿^ - * лето )/ ¿зима того же порядка, что и вариации температурного профиля. 48
Наиболее чувствительным к температурным вариациям газом является СО2. С повышением температуры ОКП метана, закиси азота, паров воды и озона уменьшается, а для двуокиси углерода, наоборот - повышается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахмеджанов А.Х., Искаков А.Н. Определение коэффициентов объемного поглощения инфракрасного излучения парниковыми газами. // Гидрометеорология и экология. - 2009. - №2. - С. 72 - 77.
2. Грибанов К.Г. Разработка методов определения атмосферных параметров по результатам измерения теплового излучения Земли: / Авто-реф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Екатеринбург, 2002.
3. Лагутин А.А., Никулин Ю.А., Жуков А.П. и др. Математические технологии оперативного регионального спутникового мониторинга характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Ч. 1. MODIS // Вычислительные технологии. - Том 12. - №2. - 2007. - 23 с.
4. Математические технологии оперативного регионального спутникового мониторинга характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. / А.А. Лагутин, Ю.А. Никулин, Ал.А. Лагутин и др. Ч. 2. -AIRS/Препринт АлтГУ-2007/1. - Барнаул, 2007. - 28 с.
5. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. - СПб.: 2003. - 475 с.
6. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001 L.S. Rothman, A. Barbe, D. Chris Benner et al./Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 82 (2003) 5-44.
Институт космических исследований, г. Алматы
ЦАЗАЦСТАН АУМАГЫ YCTI^En АТМОСФЕРАЛЬЩ ГАЗДАРМЕН Щ-СЭУЛЕЛЕНУД1 Ж¥ТУ КЭЛЕМД1 КОЭФФИЦИЕНТ Т1К ПРОФИЛ1НЩ ЭЗГЕРУ1
Техн. гылымд. докторы А.Х. Ахмеджанов
А.Н. Искаков
Цазацстан аумагы уст1ндег1 атмосфералыц газдармен ИЦ-сэулеленуд1 жуту квлемд1 коэффщиент1 miK профилтщ взгеру1 царастырылган. Температуралыц варияцияш аса сезiмmал СО2 газы болып табылады. Температураныц жогарылауымен метан, азот тотыгы, су буы жэне озонныц квлемдi жуту коэффициенmmерi mвмендейдi, ал квмiрmегi цостотыгыныню керiсiнше улгаяды.
49
