CC BY
8ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 17.04.11. Ред. рег. № 978 The article has entered in publishing office 17.04.11. Ed. reg. No. 978
УДК 550.8.08; 504.35
ОПТИМАЛЬНЫЙ УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВЕТРА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ АТМОСФЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ТРЕХВОЛНОВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОМЕТРОВ С ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ
Р.М. Мамедов, Х.Г. Асадов, В.М. Гараев, Н.Г. Джавадов, Дж.Г. Гашимов
НИИ Аэрокосмической Информатики Азербайджан, AZ1123, г. Баку, ул. Р.Мамедова, д. 25 Тел.: (994 12) 4621733, (994 12) 4627837, факс: (994 12) 4621733 E-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 27.04.11 Заключение совета экспертов: 28.04.11 Принято к публикации: 30.04.11
Показана возможность оптимального учета влияния ветра при проведении атмосферных измерений при помощи трех-волновых солнечных фотометров с двухпараметрической коррекцией. Получены аналитические формулы для вычисления оптимальных величин скорости ветра, при которой фотометрические измерения могут быть осуществлены без аэрозольной погрешности.
Ключевые слова: солнечный фотометр, ветер, атмосфера, аэрозоль, двухпараметрическая коррекция.
OPTIMAL ACCOUNTING OF EFFECT OF WIND UPON ATMOSPHERIC MEASUREMENTS USING THREE-WAVELENGTHS SUN PHOTOMETERS WITH TWO PARAMETRIC CORRECTION
R.M. Mammadov, H.H. Asadov, V.M. Garayev, N.H. Javadov, J.H. Hashimov
Scientific Research Institute of Aerospace Informatics 25 R.Mammadov str., Baku, AZ1123, Azerbaijan Tel.: (994 12) 4621733, (994 12) 4627837, fax: (994 12) 4621733 E-mail: [email protected]
Referred: 27.04.11 Expertise: 28.04.11 Accepted: 30.04.11
The feasibility of optimal accounting of effect of wind during atmospheric measurements with three-wavelengths sun photometers with two-parametric correction is shown. The analytical formulas for calculation of optimal values of wind speed, upon which the photometric measurements would be carried out without the aerosol error are derived.
Keywords: sun photometer, wind, atmosphere, aerosol, two-parametric correction.
Хорошо известно, что атмосферный аэрозоль является одним из основных факторов, активно влияющих на радиационный режим планеты. При этом малоизученным вопросом является влияние метеорологических факторов, в том числе ветра на оптические свойства аэрозоля.
Как сообщается в работе [1], эффект увеличения оптической толщины аэрозоля в зависимости от скорости ветра может быть интерпретирован как ре-
зультат формирования тяжелого морского аэрозоля под воздействием ветра. С увеличением скорости ветра функция распределения аэрозоля смещается в сторону крупнодисперсного аэрозоля. Результаты экспериментальных исследований взаимосвязи между скоростью ветра и оптической толщиной аэрозоля показали, что на длинах волн 0,87 мкм и 0,55 мкм эта взаимосвязь почти одинакова.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 4 (96) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Энергетика и экология
В работе [1] изложены результаты экспериментальных исследований, которые проводились в трех океанических зонах:
1. Юго-западной зоне Тихого океана;
2. Южной зоне Атлантического океана;
3. Южной зоне Индийского океана.
тс = d5s - d6,
(6)
т = diexp(d2s),
где d1 = 0,09; d2 = 0,03.
2) линейная аппроксимация
т = 0,091 + 0,004s.
(1)
(2)
Та Tan + Td + Tm
(3)
Та = d3S + d4;
Tf = d7s + d8;
(4)
(5)
где й3 = 0,013; ф = 0,21; ф = 0,01; ё6 = 0,009; ф = 0,003; ё8 = 0,028.
В настоящей статье с учетом вышесказанного мы конкретно рассмотрим вопрос оптимизации трехвол-новых атмосферных измерений с двухпараметриче-ской коррекцией в смысле исключения влияния ветра на результат измерений.
Известно, что в трехволновых солнечных фотометрах с двухпараметрической коррекцией вводится функция промежуточного преобразования, определяемая как [3]
I (Xi) I (X) I (X 2 )
(7)
Кривая зависимости оптической толщины аэрозоля от скорости ветра. Принятые обозначения: та - оптическая толщина аэрозоля; S - скорость ветра The curve of dependence of aerosol optical depth on wind speed. Used signs: та - optical depth of aerosol; S - wind speed
Усредненная по всем трем зонам экспериментальная кривая зависимости оптической толщины аэрозоля т от скорости ветра показана на рисунке. Как видно из рисунка, вплоть до 5 = 20 м/с указанная зависимость почти линейная. В работе [1] предложены две аппроксимации этой кривой при коэффициенте корреляции 0,95:
1) экспоненциальная аппроксимация:
где 1(к,) - интенсивность солнечного излучения на входе солнечного фотометра на длине волны X1,1 = 1,3; к1, к2 - параметры коррекции.
При этом /(X,) определяется по следующему выражению:
I (x,) = 10 (X) е -
m (X)
(8)
где /0(А) - величина солнечного постоянного на длине волны X; т - оптическая воздушная масса; та1т(к) - оптическая толщина атмосферы на длине волны X, определяемая следующим образом:
,(X) = Tg (Х) + тл (X) + T, (X),
(9)
где тг(Х) - оптическая толщина исследуемого газа; Тд(Х) - оптическая толщина релеевского рассеяния; тА(Х) - оптическая толщина аэрозоля.
Как было показано в работе [3], с учетом выражений (7) - (9) условие компенсации влияния аэрозоля на величину параметра г имеет следующий вид:
Как отмечено в работе [2], в целом атмосферный аэрозоль может быть представлен в виде суммы
k1T f (X1 )+ k2 T c (X3 )=T f (X 2 ); k1Tc (X1 ) + k2Tc (X3 ) = Tc (X2 ).
(10)
где таи - аэрозоль антропогенного происхождения; - аэрозоль пылевого происхождения; тт - аэрозоль морского происхождения.
Согласно работе [2], зависимости оптической толщины, а также суммарного морского аэрозоля без учета пылевого аэрозоля крупнодисперсных и мелкодисперсных фракций морского аэрозоля и скорости ветра, соответственно, могут быть аппроксимированы следующими выражениями:
Решение системы уравнений (10) позволяет вычислить коэффициенты к1 и к2.
Для совместного учета двух вышеуказанных факторов, т.е. скорости ветра и длины волны, воспользуемся известной формулой Ангстрома раздельно для обеих фракций аэрозоля:
Т c = ßc X-
т f = ß f X
(11)
(12)
где Рс = тс = (X = 1 мкм); Ру = ту = (X = 1 мкм); ас -показатель Ангстрома для крупнодисперсной составляющей; ау - показатель Ангстрома для мелкодисперсной составляющей.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
z =
Р.М. Мамедов, Х.Г. Асадов и др. Оптимальный учет влияния ветра при проведении атмосферных измерений
С учетом выражений зависимости (5) и (6) должны отображать волновую зависимость оптической толщины аэрозоля, т. е.
opt. f
k1d6 (À1 ) + k2d6 (À3 )- d6 (À2 ) k1d5 (À1 )+ k2d5 (À3 )- d5 (À2 ) '
(20)
:(À) = d5 (À) s - d6 (À) , f (À) = d7 (À) s + d8 (À).
(13)
(14)
Учитывая выражения (13) и (14) в уравнениях формулы (10), получаем:
к1 |Ч (А1 ) * + ^ (А1 )] + к2 |Ч (А3 ) * + ^ (А3 )] =
= ¿7 (Х2) 5 + ^8 (А2); (15)
к1 [¿5 (А1 ) ^ - ¿6 (А1 )] + к2 [¿5 (А3 ) ^ - ¿6 (А3 )] =
= ¿5 -¿6 (А2) . (16)
Рассмотрим сценарий, когда коэффициенты коррекции к1 и к2 не могут быть изменены. Последовательно рассмотрим следующие случаи:
1. Преобладает крупнодисперсный аэрозоль.
2. Преобладает мелкодисперсный аэрозоль.
В первом случае, что характерно для удаленных от берега морских зон, как видно из уравнения (15), условие максимальной компенсации изменений крупнодисперсного аэрозоля из-за воздействия ветра имеет следующий вид:
к^7 (А1) 5 + к2й7 (А3) 5 - й7 (А2) 5 = = -кА (^1)- к2 ¿8 (А)+ ¿8 (А2). (17)
Из выражения (17) получаем формулу для вычисления оптимальной скорости ветра:
с ¿8 (А2 )- кЛ (А1 )- к2^8 (А3 ) ,1вч
opt. c
k1d7 (À1 ) + k2d7 (À3 )- d7 (À2 ) '
Во втором случае, что характерно для прибрежных промышленных зон, как видно из уравнения (16), условие максимальной компенсации изменений мелкодисперсного аэрозоля из-за воздействия ветра имеет следующий вид:
к^5 (А;) 5 + к2¿5 (А3) 5 - ¿5 (А2) 5 = = к,¿6 (А,) + к2¿6 (А3)- ¿6 (А2). (19)
Из равенства (19) получаем формулу для вычисления оптимальный скорости ветра:
Рассмотрим общий случай, когда коэффициенты коррекции должны быть выбраны таким образом, чтобы достичь равенства Sopt.c = Soptf, что означает полную компенсацию влияния ветра на обе фракции аэрозоля. Обозначим Soptf = S0pt.c = S. В этом случае для вычисления оптимальных значений k и к2 при известной величине S достаточно решить систему уравнений (15) и (16).
Таким образом, показано, что атмосферные измерения при помощи трехволновых солнечных фотометров в условиях ветреной обстановки в морских и береговых зонах имеют определенную специфику и могут быть оптимизированы с учетом фактора ветра. Полученные здесь результаты позволяют нам выработать следующие рекомендации по проведению трехволновых измерений в морских зонах:
1. В морских и береговых зонах, где преобладает крупнодисперсный морской аэрозоль, фотометрические измерения рекомендуется проводить при скоростях ветра, вычисляемых по формуле (18).
2. В береговых зонах, где преобладает мелкодисперсный морской аэрозоль, фотометрические измерения рекомендуется проводить при скоростях ветра, вычисляемых по формуле (20).
3. В наиболее общем случае, если требуется полностью исключить влияние ветра и если допускается изменение параметров коррекции к1 и к2, значения этих параметров должны быть вычислены путем решения системы уравнений (15) и (16).
Список литературы
1. Huang H., Thomas G.E., and Grainger G. Relationship between wind speed and aerosol depth over remote ocean // Atmos. Chem. Phys., 10, 5943-5950, 2010; www.atmos-chem-phys.net/10/5943/2010/.
2. Lehahn Y., Koren I., Boss E., Ben-Ami Y., and Altaratz O. Estimating the maritime component of aerosol optical depth and its dependency on surface wind speed using satellite data // Atmos. Chem. Phys., 10, 6711-6720, 2010; www.atmos-chem-phys.net/10/6711/2010/.
3. Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трех-волновых скорректированных измерителей малых компонент атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне // Метрология. 2007. № 9. С. 3-7.
ГхП - TATA —
CXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 4 (96) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
