ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ РАДИАЦИОННОГО РАСЧЕТА С УЧЕТОМ МНОГОСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ АТМОСФЕРЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Статья поступила в редакцию 16.01.2012. Ред. рег. № 1178

The article has entered in publishing office 16.01.12. Ed. reg. No. 1178

УДК 521.1:504.32

ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ РАДИАЦИОННОГО РАСЧЕТА С УЧЕТОМ МНОГОСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ АТМОСФЕРЫ

М.Р. Гахраманова, Д.Г. Дарьябариджавад, Л.Ш. Годжаева, А.Я. Мамедов

Национальное аэрокосмическое агентство Баку, AZ1106, ул. С.С. Ахундова, д. 1 Тел.: 994503247240, e-mail: asadzade@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 20.01.12 Заключение совета экспертов: 25.01.12 Принято к публикации: 31.01.12

Анализ существующих моделей аэрозольного состава атмосферы подтвердил выдвинутый тезис о вертикальной стра-тифицированности аэрозольного состава атмосферы. Предложена вертикально стратифицированная модель аэрозольного состава атмосферы. В качестве примера показана применимость предложенной модели к вычислению интенсивности солнечной радиации под слоем стратосферного вулканического аэрозоля.

Ключевые слова: атмосфера, радиационный баланс, аэрозоль, моделирование, фотометр.

THE METHOD FOR RADIATION CALCULATION OF MULTI-LAYER MODEL OF ATMOSPHERE

M.R. Gahramanova, D.G. Daryabarijavad, L.Sh. Godjayeva, А.Уа. Mammadov

National Aerospace Agency 1 Ahundov str., Baku, AZ1106, Azerbaijan Тел.: 994503247240, e-mail: asadzade@rambler.ru

Referred: 20.01.12 Expertise: 25.01.12 Accepted: 31.01.12

The analysis of existing models of aerosol content of atmosphere confirms the suggested idea on vertical stratification of aerosol types within atmosphere. The vertically stratified model of aerosol content of atmosphere is suggested. As an example, the applicability of suggested model for calculation of intensity of solar radiation under volcanic aerosol layer is shown.

Keywords: atmosphere, radiative balance, aerosol, modeling, photometer.

Хорошо известно, что модель атмосферного прохождения оптических сигналов MODTRAN (MODerate Spectral Atmospheric TRANsmission) разработана для условий Северной полусферы [1]. В этой модели аэрозоль атмосферы рассматривается на четырех вертикальных регионах: приграничном слое (0-2 км); свободной тропосфере (фоновая тропосфера) (2-10 км); нижней стратосфере (10-30 км) и верхней атмосфере (30-100 км). Принято [1], что концентрация аэрозоля в приграничной зоне может быть определена в зависимости от метеорологической дальности (VIS). При этом имеет место следующая зависимость между VIS и дальностью видимости наблюдателя (Vobs): Vobs ~ VIS/(1,3 ± 0,3).

В модели MODTRAN при условиях наличия атмосферной дымки (VIS = 2-10 км) предусматривается независимость коэффициента аэрозольной экс-тинкции от высоты в пределах до 1 км. В условиях

чистой атмосферы (VIS = 23-50 км) допускается, что вертикальное распределение концентрации аэрозоля подчиняется экспоненциальному закону. При больших высотах распределение аэрозоля не зависит от географической местности и погоды и имеет сезонный характер. Присутствие вулканического аэрозоля является специфическим примером стратификации аэрозоля по высоте. При этом следует учесть, что стратосферный вулканический аэрозоль относится к крупнодисперсному аэрозолю [1].

Другой пример стратифицированности атмосферного аэрозоля - приводной морской аэрозоль, включенный в эмпирическую микрофизическую частную модель MEDEX, входящую, в свою очередь, в общую модель Maex Pro 3,0. В этой эмпирической модели зависимость коэффициента приводной аэрозольной экстинкции от высоты H вычисляется как

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

М.Р. Гахраманова, Д.Г. Дарьябариджавад и др. Метод радиационного расчета с учетом многослойной модели атмосферы

0,037

1,017 -(/Ия + 7)H0

(1)

где аот - коэффициент приводной аэрозольной экс-тинкции при Н = Н0.

Формула (1) верна для случая Н < 20 м, а также /Н > /25Н, где / - коэффициент роста от влажности, определяемый как / = [(2 - 5)/6(1 - 5)]1/2, где 5 = = ЯН/100.

В общем случае стратифицированность аэрозоля является физически вполне установленным фактом, включенным в различные известные модели атмосферы.

Далее в настоящей статье предлагается упрощенная модель атмосферы, отображающая вертикальную стратифицированность атмосферного аэрозоля.

Предлагаемая модель основывается на законе Бу-гера - Бера, который при учете только аэрозольной составляющей имеет следующее выражение:

I, ) = 10 ) е"

)

где

т2 (А,) = £т, (А,,).

i=i

С учетом (2) и (3) имеем

12 (А2 ) = 10 (А.2 )в"m(Tl ^

13 (А3 ) = 10 (А3) е-m(( +Т2 +

In-1 (Ая-1 ) = 10 (Ая-1 )е

In (An) = 10 (An)е

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

где А; > X2 >... > Хп-1 > Хп; в формулах (4)-(7) для упрощения записи взамен т(Х) записано т.

Перемножив уравнения (2-7), получим основное уравнение предлагаемой модели:

IocP (А, ) = "JП10 (А, ) =

ПI, (А)

ЕЕ

(8)

фотометрические измерения атмосферы на море и на суше (рисунок). При исходных заданных величинах /0(А,), а следовательно, и 1оср(Хх) требуется вычислить интенсивность оптического излучения Солнца под слоем вулканического аэрозольного слоя /Тсу.

При этом длина волны Хх вычисляется априорно, по выбранным значениям А,-.

Рассмотрим практический пример использования предложенной модели стратифицированной атмосферы. Допустим, что осуществляются сравнительные

Схема проведения параллельных измерений. Приняты следующие обозначения: А - Солнце, Tcv - оптическая толщина стратосферного крупнодисперсного аэрозоля; т - оптическая толщина мелкодисперсного аэрозоля; тсм - оптическая толщина

крупнодисперсного приводного аэрозоля; Ф-i - трехволновый фотометр, установленный в море; Ф2 - одноволновый фотометр Scheme of carrying out of parallel measurements. The following notation are adopted: А - Sun; Tcv - optical thickness of stratospheric coarse aerosol; Tf - optical thickness of fine aerosol; тс.м. - optical thickness of coarse driving aerosol; Ф-i - three-wave photometer installed in the sea; Ф2 - single-wave photometer

Предлагаемый алгоритм решения вышеуказанной задачи заключается в следующем:

1. На основе показаний фотометров Ф1 и Ф2 на разных длинах волны определяется тСМ.

2. С использованием известной модели приводного морского аэрозоля с помощью трехволнового фотометра Ф1 определяется величины тс„ и т/.

3. С учетом вычислений величины тс„ определяется параметр /Тс_.

Рассмотрим вопрос применимости общей формулы к рассматриваемой частной задаче. При п = 2 формула (8) имеет следующий вид:

I0 (А, ) =

It„ (А1 )ITf (А2 )

-m I +(( +т f

(9)

е

е

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01 (105) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Энергетика и экология

Из выражения (9) имеем

1 f (X2 ) =

Io2 (, )

-m\ + (Tc., +t f

1 Tcv (X )

Сравнение пунктов вышеприведенного алгоритма с полученной формулой (10) показывает полное соответствие искомых и используемых в формуле (10) параметров, что указывает на правильность полученных результатов.

В заключение сформулируем основные выводы проведенного исследования:

1. Анализ существующих моделей аэрозольного состава атмосферы подтвердил выдвинутый тезис о вертикальной стратифицированности аэрозольного состава атмосферы.

2. Предложена вертикально стратифицированная модель аэрозольного состава атмосферы.

3. В качестве примера показана применимость (10) предложенной модели к вычислению интенсивности

солнечной радиации под слоем стратосферного вулканического аэрозоля.

Список литературы

1. Carr S.B. The Aerosol Models in MODTRAN: In corporating Selected Measurements from Northern Australia.

http://www.dsto.defence.gov.an/punlicants/4319/DSTO_ TR_1803.pdf.

ГхГi

— TATA —

oo

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012