Тема: МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ В МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ СРЕДНИХ ШИРОТ

Как известно, процессы поглощения атмосферных газов играют значимую роль в атмосферном теплоэнергообмене, а, следовательно, в формировании климата Земли. В настоящее время глобальное изменение климата связывают с антропогенным увеличением содержания в атмосфере «парниковых» газов и фреонов, активно поглощающих и испускающих излучение в ИК диапазоне. Причем удвоение их концентрации обусловливает возмущение потоков теплового излучения также порядка 1% [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.
Для расчета функций пропускания с высоким спектральным разрешением используют точный метод line-by-line [1]. Но специфика современных задач климатологии состоит в том, что расчет переноса радиации через атмосферу Земли должен выполняться достаточно быстро, но без потери точности. Существует много методов расчета широкополосных функций пропускания. Например, метод модели полос, метод «к-распределения» [1-3]. С появлением мощных ЭВМ получает широкое применение метод прямого счета. Первоначально метод «к-распределения» основывался на моделях полос, и единственное его преимущество состояло в том, что он позволял представить функцию пропускания в виде ряда экспонент. По мере развития, благодаря усилиям многих исследователей, этот метод освобождался от ограничений, связанных с модельными представлениями, и на сегодняшней
день его можно рассматривать как модификацию прямого метода счета. Ни одна из моделей не может обеспечить точности, сопоставимой с методом «к-распределения» [2].

Купить

Согласно цели работы были сделаны оценки изменения тепловых длинноволновых потоков, скорости радиационного выхолаживания поверхности Земли и атмосферы, а также радиационного форсинга за счет увеличения содержания парниковых газов в атмосфере в средних широтах за последние 10 лет.
Для параметризации молекулярного поглощения при моделировании длинноволновых потоков был выбран метод «к-распределения», так как он обладает высокой скоростью и точностью расчета, по сравнению с другими методами. Для того чтобы оценить влияние увеличения концентрации метана и углекислого газа с 2009 по 2018 годы зимой и летом на изменение радиационных характеристик, были найдены тренды изменения концентрации метана и углекислого газа из данных GOSAT [9]. За 10 лет среднемесячное содержание парниковых газов, а именно углекислого газа увеличилась на 19 ppm (4%), а метана увеличилось на 0,06 ppm (3%). Также можно сделать вывод, что содержание метана и углекислого газа в январе больше, чем в июле за 10 лет. Затем была сделаны метеорологические модели для зимы и для лета 2010-2018 годов.
На основе созданных метеорологических моделей были рассчитаны нисходящие и восходящие потоки теплового излучения в атмосфере, скорость радиационного выхолаживания, а также радиационный форсинг метана и углекислого газа. За 10 лет восходящие потоки в январе уменьшились на 0,18 Вт/м2 (0,07%), а восходящие потоки в июле уменьшились на 0,26 Вт/м2 (0,09%). А за 10 лет нисходящие потоки в январе увеличились на 0,19 Вт/м2 (0,08%), а нисходящие потоки в июле уменьшились на 0,25 Вт/м2 (0,08%). Это обусловлено тем, что увеличивается концентрация парниковых газов и увеличивается парниковый эффект.
Было обнаружено, что радиационный форсинг за счет увеличения концентрации метана и углекислого газа за 10 лет больше всего проявляется на высотах от 3 до 20 км. На высотах от 0 до 3 км радиационный форсинг за счет увеличения содержания метана и углекислого газа больше в январе, чем в июле. Это можно объяснить тем, что при оценке радиационного форсинга CO2 и CH4 на низких высотах существенную роль в радиационных процессах играет водяной пар, так как он, с одной стороны, усиливает парниковый эффект за счет обратных связей, а с другой - при возрастании концентрации паров воды за счет перекрывания полос поглощения паров воды с полосами поглощения метана и углекислого газа радиационный форсинг метана и углекислого газа уменьшается.

Купить