Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 132-149
Простая оптическая модель безоблачной и облачной атмосферы для расчета потоков солнечной радиации
А.С. Гинзбург
1 , И.Н. Мельникова
2 , Д.А. Самуленков
2 , М.В. Сапунов
2 , Л.В. Катковский
3 1 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия
2 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
3 Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко БГУ, Минск, Беларусь
Одобрена к печати: 05.02.2016
DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-132-149
Предложены простые оптические модели безоблачной и облачной атмосферы. Рассмотрено четыре вари-анта содержания атмосферных аэрозолей: полное отсутствие аэрозолей в атмосфере, низкое фоновое содержание (500 см-3), повышенное содержание (2000 см-3) и высокое содержание аэрозольных частиц (5000 см-3). Для облач-ной атмосферы принята модель внешней смеси, когда твердые аэрозольные частицы находятся между капель во-ды. В работе рассчитаны значения оптической толщины и альбедо однократного рассеяния для 13 длин волн с учетом полос молекулярного поглощения в коротковолновом диапазоне (0,3–0,9 мкм). Полосы поглощения смоделированы треугольной функцией. Проведено сравнение с оптическими параметрами, полученными из различного рода измерений и восстановлений (лидарные измерения, отборы проб, обработка радиационных измерений). В результате показано, что значения оптических параметров соответствуют величинам, полученным из обработки результатов самолетных измерений полусферических потоков и интенсивностей солнечной радиации на разных уровнях в атмосфере. Для облачной атмосферы приводятся варианты однослойной и двухслойной атмосферы. Получено, что оптические параметры облачности, предложенные в работе для «наружной смеси», хорошо согласуются со значениями, восстановленными из самолетных измерений солнечной радиации. Предложенные оптические модели обеспечивают приемлемую точность при радиационных расчетах и позволяют эффективно исследовать влияние отдельных факторов в атмосфере на потоки и лучистые притоки солнечной радиации в атмосфере и на поверхности, варьируя оптические параметры атмосферы.
Ключевые слова: атмосферные аэрозоли, облако, оптическая толщина, альбедо однократного рассеяния, оптическая модель, объемный коэффициент ослабления, объемный коэффициент поглощения, лидарное зондирование
Полный текстСписок литературы:
- Васильев А.В., Ивлев Л.С. Об оптических свойствах загрязненных облаков // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 2. С. 157–159.
- Васильев А.В., Мельникова И.Н. Коротковолновое солнечное излучение в атмосфере Земли. Расчеты. Интерпретация. Измерения. СПб.: НИИХ СПбГУ. 2002. 388 с.
- Гинзбург А.С., Губанова Д.П., Минашкин В.М. Влияние естественных и антропоген-ных аэрозолей на глобальный и региональный климат // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. ДИ Менделеева). 2008. Т. 52. № 5-С. С. 112–119.
- Гинзбург А.С., Романов С.В., Фомин Б.А. Использование радиационно-конвективной модели для оценки температурного потенциала парниковых газов // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 3. С. 324–331.
- Гришечкин В.С., Шульц Э.О. Мельникова И.Н. Анализ спектральных радиационных характеристик. ЛГУ // Проблемы физики атмосферы. 1989. Вып. 20. С. 32–42.
- Донченко В.К., Самуленков Д.А., Мельникова И.Н., Борейшо А.С., Чугреев А.В. Ла-зерные системы Ресурсного Центра СПбГУ. Возможности, постановка задач и первые ре-зультаты // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 10. № 3. 2013. С. 122–134.
- Ивлев Л.С., Васильев А.В., Белан Б.Д., Панченко М.В., Терпугова С.А. Оптико-микрофизические модели городских аэрозолей // Третья международная конференция «Естественные и антропогенные аэрозоли». Ред. Л.С. Ивлев. СПб.: НИИ Химии СПбГУ. 2003. С. 161–170.
- Лобанова М.А., Васильев А.В., Мельникова И.Н. Зависимость параметра индикатри-сы рассеяния т характеристик среды // Современные проблемы дистанционного зондирова-ния Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 4. С. 147–157.
- Мельникова И.Н. Оптическая модель облачности, полученная из самолетных спек-тральных измерений коротковолновой солнечной радиации // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 8. С. 710–721.
- Мельникова И.Н. Оптическая модель однородной атмосферы для расчета характе-ристик солнечной радиации в условиях безоблачной и облачной атмосферы // Естественные и антропогенные аэрозоли: Сб. статей. Санкт-Петербург, 2011. С. 210–221.
- Мельникова И.Н. Спектральные оптические параметры облачных слоев. Приложе-ние к экспериментальным данным. Часть II // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. № 2. С.178–185.
- Мельникова И.Н., Васильев А.В., Кузнецов А.Д. Практикум по учебным дисципли-нам: "Дистанционное зондирование окружающей среды из космоса", "Теория переноса электромагнитного излучения в атмосфере". Изд-во БГТУ «Военмех», 2008.
- Михайлов Е.Ф., Власенко С.С. Структура и оптические свойства сажевых аэрозолей во влажной атмосфере: 2. Влияние гидрофильности частиц на коэффициенты ослабления, рассеяния и поглощения // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 2. С. 221–233.
- Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности. Ред. К.Я. Кондратьев. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 564 с.
- Радионов В.Ф., Сакунов Г.Г., Гришечкин В.С. Спектральное альбедо засне¬женной поверхности по измерениям на дрейфующей станции СП-22. Пер¬вый глобальный экспери-мент ПИГАП. 2. Полярный аэрозоль, протяженная облачность и радиация. Л.: Гидрометео-издат, 1981. С. 89–91.
- Чубарова Н.Е., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И., Шиловцева О.А. Аэрозольные и ра-диационные характеристики атмосферы во время лесных и торфяных пожаров в 1972, 2002 и 2010 гг. в Подмосковье // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 6. С. 790–804.
- Ackerman T.P., Flynn D.M., Marchand R.T. Quantifying the magnitude of anomalous so-lar absorption // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No. D9. P. 4273–4396. doi:10.1029/2002JD002674.
- Arking A. Absorption of solar energy in the atmosphere: Discrepancy between a model and observations // Science. 1996. Vol. 273. P. 779–782.
- Asano S. Cloud and Radiation Studies in Japan. Cloud Radiation Interactions and Their Parametrization in Climate Models // WCRP-86 WMO/TD No. 648. Geneva. WMO. 1994. P. 72–73.
- Chubarova N. , Nezval' Ye., Sviridenkov I. , Smirnov A., Slutsker I. Smoke aerosol and its radiative effects during extreme fire event over Central Russia in summer 2010 // Atmos. Meas. Tech. 2012. Vol. 5. No. 3. P. 557–568. doi:10.5194/amt-5-557-2012.
- Donchenko V., Melnikova I., Samulenkov D. First results of lidar sounding of the atmosphere in the Sankt-Petersburg State University // 3rd Joint ACTRIS WP2 / WP20 and EARLINET Workshop Cyprus University of Technology. Limassol. Cyprus. 2013.
- Dubovik O., Holben B.N., Eck T.F., Smirnov A., Kaufman Y.J., King M.D., Tanré D., Slutsker I. Variability of absorption and optical properties of key aerosol types observed in worldwide locations // J. Atmos. Sci. 2002. Vol. 59. No. 3. P. 590–608.
- Gatebe Ch., Kuznetsov A., Melnikova I. Cloud optical parameters from airborne observa-tion of diffuse solar radiation accomplished in USA and USSR in different geographical regions. International Journal of Remote Sensing. 2014. Vol. 35. No. 15. 2014. P. 5812–5829. doi:10.1080/01431161.2014.945000.
- Ishizaka Y., Adhikari M., Kazaoka R., Khatri P., Minda H., Aryal D., Takahashi T., Takasu K., J Jansen B., Gras J. L., Okada K. The effect of air-pollutants on the microphysical properties of clouds over the sea off the southwest of Kyushu in Japan // Findings and Current Problems in the Asian Particle Environmental Change Studies: 2003. JST/CREST/APEX 2003 Interim Report. Tokyo, 2003. P. 103–116.
- Kim Y.M., Kim Jh., Cho H.K., Lee Y.G., Koo J.H., Kim Y.J. The dependence of the surface solar irradiance on cloud and Aerosol // Current Problems in Atmospheric Radiation (IRS 2008). Eds. T. Nakajima and M.A. Yamasoe. American Institute of Physics. 2009. P. 545–548.
- Kokhanovsky A.A., von Hoyningen-Huene W., Rozanov V.V., Noël S., Gerilowski K., Bovensmann H., Bramstedt K., Buchwitz M., Burrows J.P. The semianalytical cloud retrieval algorithm for SCIAMACHY II. The application to MERIS and SCIAMACHY data // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2006. Vol. 6. No. 12. P. 1813–1840.
- Kondratyev K.Ya., Varotsos C. Atmospheric Ozone Variability: Implications for Climate Change, Human Health and Ecosystems. Springer-Praxis, Chichester, UK, 2000. 617 p.
- Lindfors A., Arola A. On the wavelength-dependent attenuation of radiation in the UV-visible range by a homogeneous cloud layer // Current Problems in Atmospheric Radiation (IRS 2008): Proc. International Radiation Symposium (IRC/IAMAS). AIP Publishing, 2009. Vol. 1100. No. 1. P. 61-64.
- Marshak A., Wen G., Coakley Jr.A.J., Remer A.L., Loeb G.N., Cahalan F. A simple model for the cloud adjacency effect and the apparent bluing of aerosols near clouds // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. No. D14. P. 17. doi:10.1029/2007JD009196.
- Mayer B., Kylling A., Madronich S., Seckmeyer G. Enchanced absorption of UV radiation due to multiple scattering in clouds: Experimental evidence and theoretical explanation. // J. Ge-ophys. Res. 1998. Vol. 103. No. D23. P. 31241–31254.
- Kuznetsov A., Melnikova I. Pozdnyakov D., Seroukhova O., Vasilyev A. Remote Sensing of the Environment and Radiation Transfer. An Introductory Survey. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2011.
- Petters J. L., Saxena V. K., Slusser J. R., Wenny B.N., Madronich S. Aerosol single scat-tering albedo retrieved from measurements of surface UV irradiance and a radiative transfer model // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No. D9. P. 4288. doi:10.1029/2002JD002360.
- Ramanathan V., Subasilar B., Zhang G.J., Conant W., Cess R.D., Kiehl J.T., Grassl G., Shi L., Warm Pool Heat Budget and Shortwave Cloud Forcing: a Missing Physics? // Science. 1995. Vol. 267. No. 5197. P. 500–503.
- Reidmiller D.R., Hobbs P.V., Kahn R. Aerosol Optical Properties and Particle Size Distri-butions on the East Coast of the United States Derived from Airborne In Situ and Remote Sensing Measurements // J. Atmos. Sci. 2006. Vol. 63. No. 3. P. 785–814.
- Sano I., Mukai S., Okada Y., Takamura T., Holben B. N. Optical properties of aerosols over Japan during APEX experiments // Findings and Current Problems in the Asian Particle Envi-ronmental Change Studies: 2003. JST/CREST/APEX 2003 Interim Report. Tokyo, 2003. P. 75–85.
- Sokolik I.N., Toon O.B. Incorporation of mineral composition into models of the radiative properties of mineral aerosol from UV to IR wavelengths // J. Geophys.Res. 1999. Vol. 104. No. D8. P. 9423-9444.
- Stephens G.L. Optical properties of eight water cloud types // Technical Paper of CSIRO. Atmosph. Phys. Division. Aspendale. Australia. 1979. No. 36. P. 1–35.
- Taylor J.P., Edwards J.M., Glew M.D., Hignett P., Slingo A. Studies with a flexible new radiation code. II. Comparison with aircraft short-wave observations // Q.J.R. Meteorol. Soc. 1996. Vol. 122. No. 532. P. 839–861.
- Varotsos C.A., Melnikova I.N., Cracknel A.P., Tzanis C., Vasilyev A.V. New spectral func-tions of the near-ground albedo derived from aircraft diffraction spectrometer observations // At-mospheric Chemistry and Physics. 2014. Vol. 14. No. 13. P. 6953–6965.