Тема: ПРОГРАММА РАСЧЕТА ФАКТОРА АСИММЕТРИИ ПО ИНДИКАТРИСЕ ЯРКОСТИ ДНЕВНОГО НЕБА

В наше время на Земле идет процесс глобального изменения климата, который вызван повышением околоземной температуры воздуха. Постоянное увеличение количества лесных пожаров, а также, извержения вулканов, сжигание нефтепродуктов в колоссальных масштабах приводит к тому, что в воздухе накапливаются парниковые газы. Неудивительно, что меняется также химический состав атмосферного аэрозоля. Как следствие этого, климатические изменения на планете связываются кроме газовой, еще и аэрозольной компоненты атмосферы. Поэтому необходимо глобальное исследование аэрозоля, чтобы определить степень его влияния на климат Земли [1].
Интерес к изучению аэрозоля определен существенной ролью аэрозоля в образовании радиационного равновесия Земли, его влиянием на природу и климат планеты целиком. В настоящее время потребность в атмосферно-оптической информации резко увеличилась. Кроме обычных областей науки и техники, которые нуждаются в этой информации (астрофизика, аэрофотосъемка, актинометрия, светотехника, и другие), быстрыми темпами развиваются методы контроля атмосферы в части аэрозольного загрязнения, решение различных хозяйственных задач с использованием спутниковых методов и средств, а также методы лазерного зондирования атмосферы и т.д. Одной из важнейших задач в исследовании оптических характеристик атмосферы можно выделить проблему определения влияния антропогенных факторов на экосистемы и изменения климата [2].
Очень перспективным является вопрос о важности разнообразных факторов, оказывающих влияние на определение аэрозольной оптической толщи рассеяния из наблюдений яркости неба в ближней инфракрасной области спектра. Для этого используются фактические результаты измерений атмосферных оптических толщ и яркости неба, взятые в сети AERONET [3].
Значимость исследования аэрозоля является признаком подтверждения расширения сети наземных станций для оценки оптического состоянием атмосферы, а также организацией системы наблюдения из космического пространства [4]. Исследование аэрозольных и радиационных полей выступают существенной частью многих международных, национальных и региональных программ.
Для того, чтобы создать подробную карту распределения аэрозоля, а также получить больший объём данных, по всему земному шару была организована Глобальная Автоматизированная сеть станций (АЭРОНЕТ), которая оборудована солнечными фотометрами, выполняющими измерения аэрозольной оптической толщи атмосферы. В пределах данной программы в течении года (1999-2000г.г.) в городе Барнауле функционировал солнечный фотометр (СЕ-318-1/2-A Cimel Electronique). С его помощью были проведены измерения аэрозольных оптических толщ в семи длинах волн, в том числе, яркости безоблачного дневного неба в альмукантарате и вертикале Солнца, а также, определение содержания водяного пара в атмосфере. Фотометр осуществлял работу в режиме мониторинга, а измерения спектральной яркости неба проводились измерялась в видимой и в ближней инфракрасной областях спектра [2].
В результате накопленных измерений получился большой объем данных: (азимутальный угол наблюдения, угол рассеяния, яркость однократно рассеянного излучения (расчет по Монте-Карло), относительная ошибка расчета яркости однократного рассеянного излучения (расчет по Монте-Карло), яркость однократно рассеянного излучения (расчет по формуле), яркость многократно рассеянного излучения (расчет по Монте-Карло), относительная ошибка расчета яркости многократного рассеянного излучения (расчет по Монте-Карло), индикатриса яркости), который необходимо обработать, причем зачастую вручную. Эти данные были получены при различных длинах волн, оптических толщах, зенитных углах, факторах асимметрии. Также существует много новых данных экспериментальных и теоретических. Данных много и обработка их - это очень трудоемкий, кропотливый рутинный труд.
Таким образом, была поставлена задача автоматизировать процесс обработки имеющихся экспериментальных данных (индикатриса яркости, угол рассеяния), интерполировать данные и подготовить их к анализу.
У нас имеются теоретические данные, рассчитанные по методу Монте-Карло, и экспериментальные данные, измеренные специализированным солнечным фотометром. Теоретические данные использовались для исследование функции индикатрисы яркости от угла рассеяния. Измеренные с помощью фотометра данные представляют собой слабо упорядоченные значения. Необходимо как-то упорядочить их и подготовить перед вводом в программу. Так как для наших широт в зависимости от зенитного угла Солнца угол рассеяния заканчивается на углах от 120° до примерно 150° (зенитного угла), необходимо продлить значения до угла 180° и, так как экспериментальные данные начинаются в лучшем случае с 2° (азимутального угла), а то и больше, необходимо добавить значения до 0°, т.е. необходимо экстраполировать функцию в начале и в конце имеющихся данных, а также для точности расчета интегралов интерполировать имеющиеся значения.

Купить

В данной магистерской работе разработан алгоритм расчета оптико-атмосферных характеристик, написана и протестирована программа, позволяющая проводить обработку имеющихся экспериментальных или теоретических данных. При обработке данных была проведена большая исследовательская работа по подбору аппроксимирующих функций индикатрисы яркости, для этого были рассмотрены десятки различных аппроксимирующих функций. Для подробного исследования были выбраны следующие функции: линейная, экспоненциальная, полином второй степени, полином третьей степени, полином четвертой степени. Для экстраполяции исходных данных от 2 до 0 градусов была выбрана экспоненциальная функция и метод МНК. Для экстраполяции данных до 180 градусов было решено значения индикатрисы яркости домножить на sin(^) и проводить интерполяцию данных до ставшей известной точки 180. Интерполяцию данных до 180 градусов проводили используя полином четвертой степени и метод МНК. Интерполяцию исходных данных проводили, используя интерполяционный многочлен Лагранжа. Также были найдены способы нахождение полных интегралов, отношения и разность половин интегралов этих функций для получения некоторых оптико-атмосферных характеристик. Интеграл рассчитывается, используя метод трапеция, так как метод трапеции простой в реализации и точность расчета метода соответствует поставленным задачам.
Программа была написана на языке высокого уровня C++ в среде разработке Visual Studio 2013.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы магистра поставленная цель была достигнута.

Купить