🔍 Поиск работ

Разработка методов определения атмосферных параметров по результатам измерения теплового излучения Земли

Работа №102825

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

теплоэнергетика и теплотехника

Объем работы19
Год сдачи2002
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
66
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ПУБЛИКАЦИИ

Актуальность проблемы
В минувшем столетии замечено постепенное повышение температуры Земли. Это связывают с повышением концентрации CO2 в атмосфере произошедшего в результате индустриальной активности человека. Если в середине XIX века концентрация двуокиси углерода составляла 280 миллионных долей, то в настоящее время данная величина приближается к 400¬м миллионным долям. Однако оценки влияния повышения концентрации CO2 на повышение средней приповерхностной температуры воздуха противоречивы [1,2] и это обусловлено такими факторами как неполнота массива наблюдений, несовершенство методик наблюдения, многофакторность изменений климата и недостаточная адекватность численных моделей. Для того, чтобы оценить влияние роста концентрации CO2 на климат, создано несколько моделей от относительно простых энергобалансовых моделей нулевой размерности до сеточных моделей общей циркуляции атмосферы [3], включающих в себя различные модели океана, топографии и реакции криосферы. Климатический эффект от удвоения концентрации углекислого газа в разных моделях колеблется от 0.3 до 3.9 К. Температура воздуха и её глобальные характеристики играют важную роль в проблеме CO2- климат. Кроме того, CO2 не единственный парниковый газ, концентрация которого растет в результате деятельности человека. Такие газы как метан (CH4), фреоны, тропосферный озон также ответственны за глобальное потепление. Восстановление глобальных трехмерных распределений температуры и концентраций парниковых газов и наблюдение этих распределений в течение длительного промежутка времени могли бы существенно улучшить понимание зависимости между ростом концентраций парниковых газов и глобальным потеплением.
Технологии термического зондирования атмосферы из космоса с целью получения метеорологических параметров разрабатывается уже более 30 лет и созданию эффективной космической системы мониторинга атмосферных газов уделяется особое внимание [4,5]. До недавнего времени термическое зондирование атмосферы в надир основывалось на данных получаемых многоканальными спектрорадиометрами, регистрирующими тепловое излучение атмосферы в нескольких спектральных интервалах. Например, многоканальный спектрометр, размещенный на борту спутников GOES-8/9 [6], регистрирует ИК излучение атмосферы в 18 каналах в диапазоне 650-2800 см-1, с полушириной функции фильтра порядка 10-50 см-1.
В последнее время, в дополнение к орбитальным многоканальным спектрорадиометрам, которые регистрируют уходящее тепловое излучение атмосферы Земли в нескольких спектральных интервалах, на орбиту выводятся или планируются к запуску Фурье-спектрометры относительно высокого спектрального разрешения (до 0.1 см-1) с непрерывным спектральным покрытием и направлением зондирования в надир. Первым таким прибором был IMG (Interferometric Monitor for Greenhouse gases) на борту спутника ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite), запущенного Национальным космическим агентством Японии (NASDA) 17 августа 1996 года [7]. И хотя из-за поломки солнечной батареи, IMG проработал всего 8 месяцев, за это время получено большое количество тепловых спектров в спектральном интервале 600 - 3030см'1 (3.3 - 16.6 мкм). С одной стороны спектры более высокого разрешения должны позволять восстанавливать атмосферные параметры с большей точностью и более высоким высотным разрешением, а с другой стороны возрастает объём данных, которые следует обрабатывать, что в свою очередь, предъявляет высокие требования к вычислительным ресурсам, которые задействованы в восстановлении атмосферных параметров по спектрам высокого разрешения. Кроме того, рост производительности вновь выпускаемых процессоров позволяет отказаться от многих приближений и упрощений, которые были характерны для алгоритмов разработанных 10-20 лет назад. Таким образом, есть необходимость в поиске и разработке новых методов и программных инструментов для того, чтобы в полной мере оценить новые возможности орбитальных сенсоров на основе Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения.
Цель диссертационной работы
Разработка и программная реализация методов восстановления высотных профилей температуры, влажности и концентраций парниковых газов в атмосфере Земли из тепловых спектров высокого разрешения уходящего в космос излучения системы земная поверхность - атмосфера.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается как сравнением с данными зондовых измерений и экспериментальными спектрами, так и с результатами, независимо полученными другими авторами с использованием других методик.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Метод восстановления высотных профилей температуры в атмосфере из спектров, полученных Фурье-спектрометрами типа 1МО/АПЕО8, без использования априорной информации.
2. Метод восстановления относительного содержания изотопомера воды НПО в атмосферном столбе из спектров 1МО/АПЕО8.
3. Метод восстановления высотных профилей метана (СН4) из спектров 1МО/АПЕО8, основанный на минимизации целевой функции с ограничениями.
4. Повышение точности восстановления температуры поверхности и температурного профиля в атмосфере из ИК спектров высокого спектрального разрешения при учете отраженного теплового излучения атмосферы от поверхности Земли при зондировании экосистем, излучательная способность которых существенно меньше единицы.
Научная новизна
1. Впервые использована строгая нелинейная модель для вычисления спектра атмосферы при использовании нелинейного алгоритма восстановления вектора атмосферных параметров.
2. Впервые разработан метод определения относительного содержания изотопомера HDO в атмосферном столбе из спектров уходящего в космос теплового излучения.
3. Показана возможность восстановления высотного профиля метана из спектров уходящего в космос теплового излучения без использования априорной информации в виде ковариационной матрицы заранее измеренных профилей.
4. Впервые выявлены спектральные особенности проявления отражения нисходящего теплового излучения от поверхности Земли в спектрах уходящего в космос теплового излучения с высоким спектральным разрешением.
Практическая полезность
Результаты данной работы реализованы в программных продуктах и доступны любому исследователю через Интернет по адресу atmosphere.ur.ru. Данное программное обеспечение может быть использовано при решении следующих задач:
- моделирования спектров высокого разрешения уходящего в космос теплового излучения системы земная поверхность - атмосфера;
- восстановления атмосферных параметров по спектрам полученным спутниковыми Фурье-спектрометрами;
- оценки зондирующих способностей существующих или разрабатываемых спутниковых сенсоров на основе Фурье-спектрометра;
- подготовке специалистов в области спутникового мониторинга в ВУЗах.
Апробация работы и реализация результатов
Основные результаты диссертации докладывались на 1-ом и 2-ом Всероссийских совещаниях по природным и антропогенным катастрофам (Томск, 1991; Новосибирск, 1993); коллоквиуме ASA 93 (Реймс, Франция, 1993); XI и XII международных симпозиумах-школах по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Омск, 1993г.; Санкт-Петербург, 1996г.); VII международной конференции по глобальному потеплению (Вена, Австрия, 1996); 15-ом международном симпозиуме по оптике атмосферы и океана (Томск, 1998г.); на 5-ом, 8-ом и 9-ом международных симпозиумах по атмосферной науке из космоса использующей Фурье спектрометрию высокого разрешения (Токио, Япония, 1994; Тулуза, Франция, 1998г.; Киото, Япония, 2000г.); на симпозиуме ALPS 99 (Мерибел, Франция 1999г.); на 13-ом симпозиуме и школе по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Томск, 1999г.). Разработанное в рамках данной работы программное обеспечение используется в Национальном институте ресурсов и окружающей среды (Цукуба, Япония) и в Центре климатических исследований при университете Токио (Токио, Япония).
Публикации
По материалам выполненных исследований опубликовано 24 печатных работы в отечественной и зарубежной печати.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы. В ней содержится 103 страницы, 42 рисунка, 1 таблица и 105 ссылок на литературные источники.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

1. Разработан и программно реализован универсальный метод восстановления вертикальных профилей атмосферных параметров по спектрам высокого спектрального разрешения, полученным космическими Фурье-спектрометрами, регистрирующими тепловое излучение в надир.
2. В наблюдаемых в надир спектрах IMG идентифицированы спектральные особенности, принадлежащие таким изотопомерам, как HDO, H218O,12C16O18O, 13CO2.
3. Разработан метод определения полного содержания молекулы HDO и относительного содержания HDO по отношению ко всем изотопомерам воды в атмосферном столбе.
4. Получено широтное распределение относительного содержания HDO над океаном по данным наблюдений IMG/ADEOS зимой 1996-1997 гг.
5. Разработан метод восстановления высотных профилей метана по спектрам уходящего теплового излучения, зарегистрированным прибором IMG/ADEOS.
6. Сделана оценка влияния отраженного теплового излучения атмосферы от поверхности Земли на спектры уходящего в космос излучения и связанных с этим погрешностей восстановления температуры поверхности.
7. Создано интерактивное программное обеспечение FIRE-ARMS с дружественным пользовательским интерфейсом, в котором реализованы методы разработанные в рамках данной работы.



1. В.И.Захаров, В.Е.Прокопьев, В.М.Шмелев, К.Г.Грибанов. Устойчивость современного температурного состояния Земли. - Томск, 1991. - 16с. (Препринт Томского научного центра СО АН СССР)
2. V.I.Zakharov, V.M.Shmelev, K.G. Gribanov. Thermal nonstability of power and wide CO2 laser beam in atmosphere // Proceedings of Int. School Seminar on Nonequilibrium Processes in Gases and Low Temperature Plasma. - Minsk, 1992. - стр. 109.
3. В.И.Захаров, В.М.Шмелев, В.Е.Прокопьев, К.Г.Грибанов. Температурный гомеостаз Земли // Отчет НИКИЭТ. - Москва, 1991. - С. 1-65.
4. В.И.Захаров, В.М.Шмелев, В.Е.Прокопьев, К.Г.Грибанов. Влияние полосы прозрачности атмосферы 8-13 мкм на устойчивость теплового состояния Земли // Атомная энергия. - 1992. - Т. 72. - Вып. 1. - С. 98-106.
5. V.I.Zakharov, V.M.Shmelev, K.G.Gribanov, V.E.Prokop’ev. Influence of Atmospheric Transparency Window 8-13 mm on Thermal Stability of the Earth Atmosphere // Proceedings of ASA Colloquium. - Reims,1993. - p.39.
6. V.I.Zakharov, K.G.Gribanov, V.M.Shmelev, M.V.Falko. Phenomenon of Explosive Resonance Absorption of CO2 Laser Radiation by Atmosperic Carbon Dioxide and Water Vapour // SPIE Proceedings. - 1994. - Vol. 2205. - p. 199.
7. К.Г.Грибанов, В.И.Захаров. Радиационные режимы атмосферы Земли с учетом пороговых особенностей поглощения уходящего излучения в окне прозрачности 8-13 мкм // Вычислительные технологии. - Новосибирск: ИВТ СО РАН, 1994. - Т. 3. - Вып. 8. - С. 62-71.
8. V.I.Zakharov, K.G.Gribanov, V.M.Shmelev, A.A.Chursin, N.Husson,
V. F.Golovko, and Vl.G.Tyuterev. Temperature dependence of atmospheric transparency function in field of 400-5000 cm-1 and model of explosive greenhouse effect // Proceedings of the 5th Workshop on ASS/FTS, Tokyo, Japan, Nov.30th-Dec.2nd, pp 419-445, 1994.
9. V.I.Zakharov, K.G.Gribanov, M.V.Falko, V.F.Golovko, A.A.Chursin, A.V.Nikitin, N.Husson, N. A. Scott, Vl.G.Tyuterev. Temperature dependence of molecular atmospheric transmission function in field of 2-400 mm and the Earth radiation balance // Proceedings of the 7th Global Warming Int. Conference, April 1-3, Vienna, Austria, p.58, 1996.
10. K.G.Gribanov, V.I.Zakharov, D.Spaenkuch, W.Doehler, and J.Gueldner. Retrieval of Atmospheric CH4 Profile Using EISAR Data in the Range 1250-1350 cm-1// Proceedings of the XII International Symposium-School on High Resolution Molecular Spectroscopy, Petergof, July 1-5, p.110, 1996.
11. V.I.Zakharov, K.G.Gribanov, M.V.Falko, V.F.Golovko, A.A.Chursin, and
VI. G.Tyuterev. Molecular Atmospheric Transmittance Function in the Range of 2¬400 pm and Earth Radiation Balance // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. -
1997. - Vol. 57. - No. 1. - pp. 1-10.
12. V.I.Zakharov, A.G.Bordiugov, K.G.Gribanov, A.Dvorkovich, V.G.Krupkin, V.M.Shmelev, I.P.Novikov. Monitoring of CH4 Emission over Russian Ecosystems Using IMG/ADEOS Data // Proceedings of the 10th Meeting on Optical Engineering in Israel, Jerusalem, Israel, March 2-6, 1997.
13. V.I.Zakharov, V.M.Shmelev, and K.G.Gribanov. Limit Cycles of the Equatorial Radiation Regime of the Earth and ENSO // Proceedings of the 8th Global Warming Int. Conference, New York, USA, May 26-29, 1997.
14. V.I.Zakharov, A.G.Bordiugov, K.G.Gribanov, A.Dvorkovich, V.G.Krupkin. Natural and Antropogenic Fractions of CH4 Emission Over Siberian Ecosystems // Proceedings of the 1997 Joint Assemblies of IAMAS/IAPSO, Melbourn, Australia, July 1-9, 1997.
15. S.A.Tashkun, V.F.Golovko, A.A.Chursin, T.Aoki, M.Fukabori, V.I.Zakharov and K.G.Gribanov. Retrieval Algorithm for Atmospheric Constituents Using High-Resolution Spectra of Satellite Interferometer Sounding // SPIE Proceedings. -
1998. - Vol. 3583. - pp. 2-7.
16. K.G.Gribanov, V.I.Zakharov, S.A.Tashkun, and Vl.G.Tyuterev, A new generation user-friendly software for infrared atmospheric remote sensing from space // 8th International Workshop on Atmospheric Science from Space Using High Resolution Fourier Transform Spectrometry at Meteo France in Toulouse: Proceedings. - Toulouse, 1998.
17. K.G.Gribanov, S.A.Tashkun, V.I.Zakharov, Vl.G.Tyuterev "An advanced user-friendly system for atmospheric calculations including constituents profile retrievals", ALPS 99 Symposium, Meribel, France, 18-22 January 1999.
18. К.Г. Грибанов, В.И. Захаров, С.А. Ташкун, Пакет программ FIRE-ARMS и его применение в задачах пассивного ИК-зондирования атмосферы // Оптика атмосферы и океана. - 1999. - Том. 12. -№ 4. - С.372-378.
19. К.Г. Грибанов, В.И. Захаров, О возможности мониторинга содержания HDO/H2O в атмосфере используя наблюдения из Космоса уходящего теплового излучения // Оптика атмосферы и океана. - 1999. - Т.12. - №9. - С. 1-3.
20. Грибанов К.Г., Бреон Ф.М., Захаров В.И., Эффект отраженного поверхностью ИК-излучения, наблюдаемый в эмиссионных спектрах атмосферы при зондировании Земли из космоса // Оптика атмосферы и океана. - 2000. - Т.13. - №12. - С. 1119-1122.
21. K.G.Gribanov. Algorithms and software development for task of greenhouse gases monitoring from space // SPIE proceedings. - 2000. - Vol. 4063. - pp. 280-286.
22. V.Zakharov and K.Gribanov. Techniques development for atmospheric parameters retrieval using IMG/ADEOS spectra: IMG/ADEOS PI report, 1999. - EORC, NASDA, Japan.
23. V.I. Zakharov, R. Imasu, K.G. Gribanov. HDO and 13CO2 Retrieval from IMG Spectrum Data // Proceedings of 9th International Workshop on Atmospheric Science from Space Using High Resolution Fourier Transform Spectrometry, May 22-24, 2000, Kyoto, Japan
24. Gribanov K.G., Zakharov V.I., Tashkun S.A., Tyuterev Vl.G. A New Software Tool for Radiative Transfer Calculations and its application to IMG/ADEOS data // JQSRT. - 2001. - Vol. 68. - No.4. - pp. 435-451.
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Radiation Forcing of Climate Change and An Evaluation of the IPCC IS92 Emission Scenarios: Reports of Working Group I and III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, forming part of the IPCC Special Report to the first session of the Conference of the Parties to the UN framework Convention on Climate Change / Cambrige Univ. Press. - 1995. - 339p.
2. Кондратьев К.Я. Природные и антропогенные изменения климата. - Л.: Наука, 1986. - 56с.
3. Углекислый газ в атмосфере: Пер. с англ. / Под ред. В. Баха, А. Крейна, А.Берже, А.Лонгетто. - М. : Мир, 1987. - 534 с.
4. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со спутников. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 280с.
5. Тимофеев Ю.М. Спутниковые методы исследования газового состава атмосферы (обзор) // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 1989. - Т.26. - №5. - с.451-472.
6. Menzel W.P., Purdom J.F.W. Introducing GOES-I: The first of a new generation of geostationary operational environmental satellite // Bull.Amer.Meteor.Soc. - 1994. - Vol.75. - pp.757-781.
7. N.Nakajima, H.Kobayashi, H.Saji. IMG Current Status and Mission Operation Plan, Proceedings of The Second ADEOS Symposium/Workshop, pp. 389 - 397, March 10-14, 1997, Yokohama, Japan.
8. C.D. Rogers. Characterization and Error Analysis of Profiles Retrieved From Remote Sounding Measurements // Journal of Geophysical Research. - 1990. - Vol.95. - No. D5. - pp.5587-5597.
9. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы со спутников. - Л.:Гидрометеоиздат, 1978. - 280с.
10. Покровский О.М., Тимофеев Ю.М. Общий статистический подход к решению обратных задач атмосферной оптики // Метеорология и гидрология. - 1972. - № 1. - стр.52 - 59.
11. W.L. Smith, H.M. Woolf, and H.E. Revercomb. Linear simultaneous solution for temperature and absorbing constituent profiles from radiance spectra // Applied Optics. - 1991. - Vol.30. - No.9. - pp. 1117-1123.
12. X.L.Ma, T.J.Schmit, W.L. Smith. A Nonlinear Physical Retrieval Algorithm - Its Application to the GOES-8/9 Sounder // Journal of Applied Meteorology. - 1999. - Vol. 38. - pp.501-513.
13. U.Amato, V.Cuomo, I.De Fies, F.Romano, C.Serio and H.Kobayashi. Inverting for geophysical parameters from IMG radiances // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1999. - Vol.37. - No. 3. - pp.1620-1656.
14. P.Eriksson. Analysis and comparison of two linear regularization methods for passive atmospheric observations // Journal of Geophysical Research. - 2000. - Vol. 105. - No. D14. - pp. 18157-18167.
15. L.S.Rothman, C.P.Rinsland, A.Goldman, S.T.Massie, D.P.Edwards, J.-M. Flaud, A.Perrin, C.Camy-Peyret, V.Dana, J.-Y.Mandin, J.Schroeder, A.McCann, R.R.Gamache, R.B.Wattson, K.Yoshido, K.V.Chance, K.W.Jucks, L.R.Brown, V.Nemtchinov and P.Varanasi. The HITRAN molecular spectroscopic database and HAWKS (HITRAN Atmospheric Workstation): 1996 edition // JQSRT. - 1998. - Vol. 60. - pp. 665-710.
16. Report of the Experts Meeting on Aerosols and their Climatic Effects, Ed. by
A. Deepak and H.E.Gerber, Williamsburg, Virginia, 28-30 March 1983.
17. S.A.Clough, F.X.Kneizis, and R.W. Davies. Line shape and the water continuum // Atmos.Res. - 1989. - Vol.23. - pp. 229-241.
18. R. Rodrigues, K.W. Juks, N. Lacome, Gh. Blanquet, J.Walrand, W.A.Traub,
B. Khalil, R.Le Doucen, A.Valentin, C.Camy-Peyret, L.Bonamy and J.-M. Hartman. Model, Software, and Database For Computation of Line-Mixing Effects in Infrared Q Branches of Atmospheric CO2 - I. Symmetric Isotopomers. // JQSRT. - 1999. - Vol. 61. - No. 2. - pp. 153-184.
19. K.W.Jucks, R.Rodrigues, R.Le Doucen, C.Clavesu, W.A.Traub, J-M.Hartmann. Model, software, and database for computation of line-mixing effects in infrared Q branches of atmospheric CO2: II Minor and asymmetric isotopomers // JQSRT.
-1999. - Vol. 63. - pp. 31-48.
20. R.H.Norton and R.Beer. New apodizing functions for Fourier spectrometry // J.Opt.Soc.Am. - 1976. - Vol. 66. - No. 3. - pp.259-264.
21. М. Мину. Математическое программирование: Пер. с фр. - М.: Наука, 1990.
-488с.
22. L.Garand. Sensitivity of Retrieved Atmospheric Profiles from Infrared Radiances to Physical and Statistical Parameters of the Data Assimilation System // Atmosphere-Ocean. - 2000. - Vol. 38. - pp. 431-455.
23. T.Nakazawa, S.Sugawara, G.Inoue, T.Machida, S.Maksyutov, and H.Mukai, Aircraft measurements of the concentrations of CO2, CH4, N2O, and CO and the carbon and oxigen isotopic ratios of CO2 in the troposphere over Russia // JGR. - 1997. - Vol. 102. - No. D3. - pp. 3843-3859.
24. K.Rozansky et al. Vertical distribution of deuterium in atmospheric water vapor // Tellus. - 1982. - Vol.34. - pp.135-141.
25. W.Dansgaard. Stable isotopes in precipitation // Tellus. - 1964. - Vol.16. - No. 4.- pp.436-468.
26. F.Henault, D.Miras, D.Scheidel, and F.Bouboult. Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) performance evaluation // 6th International Workshop on Atmospheric Science from Space Using Fourier Transform Spectrometry, October 3-5, 1995, San Juan Capistrano, USA.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2026 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.