Тема: Исследование факторов, влияющих на точность вычисления атмосферного пропускания в задачах определения содержания газов в атмосфере, спектроскопическими методами

Как известно, излучательные процессы играют значимую роль в атмосферном теплоэнергообмене, а следовательно, в формировании климата Земли. Например, уменьшение солнечной постоянной всего на 1% может спровоцировать ледниковый период [1]. В настоящее время глобальное изменение климата связывают с антропогенным увеличением содержания в атмосфере «парниковых» газов 22- У-Д и фреонов, активно поглощающих и испускающих излучение в ИК диапазоне. Причем удвоение их концентрации обусловливает возмущение потоков теплового излучения также порядка 1%. Несмотря на такое низкое значение возмущения, оно может привести к серьезным изменениям климата. Исходя из этого, мы имеем общее представление о высокой чувствительности климата к изменениям в механизме радиационного теплообмена и о том, какая высокая точность решения уравнения переноса излучения требуется в задачах моделирования климата. С другой стороны, специфика задач общей циркуляции атмосферы требует высокой степени параметризации уравнения переноса излучения. Получение такой параметризации представляет собой весьма сложную проблему. Сложность этой проблемы не только в необходимости учета многократного рассеяния радиации в крайне неоднородной атмосфере. Высокая селективность молекулярного поглощения в атмосфере земли, в сравнении с аэрозольным и молекулярным рассеянием в видимом и инфракрасном диапазоне спектра, также сильно усугубляет эту проблему. Усилия многих исследователей были направлены на создание высокоэффективных моделей для расчета характеристик молекулярного поглощения, которые обеспечивали бы высокую степень параметризации без потери точности.
Основной характеристикой, которая входит в уравнение переноса излучения, является функция пропускания слоя атмосферы. Имея функцию пропускания газовой смеси, мы можем рассчитать интенсивность и потоки теплового излучения. В зависимости от задач функции пропускания должны быть известны с различным спектральным разрешением. Так, для интерпретации данных спутниковых приборов нового поколения, используемых для зондирования атмосферы, радиационные характеристики должны быть известны с высоким спектральным разрешением, соответствующим разрешению спутниковых спектральных приборов [2].
Для расчета функций пропускания с высоким спектральным разрешением используют точный метод line-by-line [3].
Для расчета функции пропускания со средним и низким спектральным разрешением широко используется три группы методов[2]: 1) эмпирический метод; 2) методы на основе моделей полос поглощения; 3) метод «k-распределения». Общим ограничение разработанных методик расчета функции пропускания является фиксированное спектральное разрешение .
В связи с этим получили развитие быстрые методы расчета функции поглощения для широкополосных излучений [4,5], основанные на использование моделей полос поглощения с параметрами, найденными расчетным путем.
В данной работе проведено моделирование атмосферного пропускания с различными спектроскопическими базами данных и оценка влияния различий в спектроскопических базах данных на вычисление пропускания. Сделаны оценки влияния профиля температуры и концентрации атмосферных газов, на вычисление функции пропускания.

Купить

Поведено моделирование атмосферного пропускания полинейным методом line-by-line и сделан анализ влияния погрешности задания входных параметров на точность расчета пропускания.
Написана программа на языке FORTRAN для создания высотных профилей атмосферных моделей с варьированием температуры, давления, концентрации атмосферных газов на заданную величину. Сделаны оценки различий функции пропускания за счет изменения профиля температуры и концентрации парниковых газов. Было показано, что различие в пропускании за счет отклонения профиля температуры, может достигать 0,03 при спектральном разрешении 0,01 см-1 в отдельных спектральных интервалах ИК диапазона. Такое исследование позволяет оценить чувствительность линий поглощения к температуре и выявить линии с меньшей температурной чувствительностью, которые могут быть использованы в задачах определения содержания газов спектроскопическими методами, что может повысить точность результатов определения содержания газов из атмосферных спектров.
Было выявлено, что различие в пропускании за счет изменения концентрации CO2 на 10% для лета средних широт меньше, чем для зимы средних широт, что объясняется тем, что летом происходит большее экранирование полос поглощения CO2 полосами поглощения водяного пара. Летом концентрация водяного пара значительно увеличивается, и поглощение водяного пара становится больше. В то время как поглощение углекислого газа изменяется менее значимо.
Сделаны расчеты атмосферного пропускания с различными спектроскопическими базами данных в ИК диапазоне, которые в настоящее время наиболее популярны в атмосферных приложениях. Было обнаружено, что различие в пропускании, вычисленным с ближайшими версиями HITRAN2012 и HITRAN2016, может достигать 0,1 в области от 2500 - 3000 см-1. Это может вносить значительную неопределенность в определении содержания водяного пара и метана в данном спектральном диапазоне, что нужно учитывать при выборе спектральных линий в прямой задаче.
Оценки атмосферного пропускания, проведенные в данной работе, могут повысить точность моделирования атмосферного радиационного переноса в задачах определения содержания парниковых газов из измеренных атмосферных спектров.

Купить