Метод расчета потоков солнечного излучения в атмосфере с учетом процесса взаимодействия радиации и облачности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Шатунова, Марина Владимировна

  • Шатунова, Марина Владимировна
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 2002, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ25.00.30
  • Количество страниц 153
Шатунова, Марина Владимировна. Метод расчета потоков солнечного излучения в атмосфере с учетом процесса взаимодействия радиации и облачности: дис. кандидат физико-математических наук: 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология. Москва. 2002. 153 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шатунова, Марина Владимировна

Введение.

Глава 1. Методы расчета потоков солнечного излучения в гидродинамических моделях атмосферы.

1.1 Роль механизма взаимодействия радиации и облачности в задаче моделирования атмосферных процессов и анализ используемых методов.

1.2 Основные процессы, влияющие на перенос солнечного излучения в безоблачной атмосфере.

1.3 Методы описания поглощения атмосферными газами в радиационных алгоритмах.

1.3.1 Основные влияющие атмосферные газы, учитываемые в моделях прогноза погоды и климата.

1.3.2 Поглощение солнечного излучения водяным паром и углекислым газом.

1.3.3 Поглощение солнечного излучения озоном.

1.3.4 Поглощение солнечного излучения кислородом.

1.4 Методы расчета потоков солнечного излучения в атмосфере.

1.4.1 Метод расчета потоков, основанный на использовании интегральной функции пропускания. Приближенный учет рассеяния излучения, функция рассеяния.

1.4.2 Уравнение переноса излучения в атмосфере.

1.4.3 Преобразование уравнения переноса к двухпотоковому виду.

Глава 2. Алгоритм расчета потоков солнечного излучения в безоблачной атмосфере, основанный на решении уравнения переноса.

2.1 Решение системы дифференциальных уравнений для потоков излучения.

2.2 Расчет оптических характеристик слоев безоблачной атмосферы.

2.3 Сравнение с полинейными расчетами.

Глава 3. Метод расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом микрофизических параметров облаков разного фазового состава.

3.1 Метод определения оптических свойств слоя атмосферы, содержащего облака.

3.2 Преобразование оптических параметров облака с использованием 5 - функции для трансформации индикатрисы рассеяния.

3.3 Микрофизические характеристики облаков и их применение для расчета потоков солнечного излучения.

3.3.1 Микрофизические характеристики облаков по данным наблюдений.

3.3.2 Использование результатов модели преобразования влаги для определения радиационных характеристик облаков и атмосферы.

3.4 Исследование зависимости оптических свойств облаков и радиационных характеристик атмосферы от микрофизических параметров облачности. Численные эксперименты.

3.4.1 Зависимость альбедо и пропускания облаков от водности и эффективного радиуса частиц.

3.4.2 Зависимость потоков солнечного излучения в атмосфере от микрофизических параметров облачности.

3.4.3 Влияние кристаллических облаков на потоки излучения.

Глава 4. Влияние методов расчета количества крупномасштабной облачности и методов описания взаимодействия радиации и облачности на оптические свойства облаков, потоки излучения и температуру поверхности.

4.1 Зависимость потоков излучения от методов расчета количества крупномасштабной облачности и ее вертикальной структуры.

4.2 Зависимость оптических свойств облаков и радиационного баланса на подстилающей поверхности от методов параметризации взаимодействия радиации и облачности.

4.3 Влияние методов описания взаимодействия радиации и облачности на радиационные характеристики атмосферы.

4.4 Применение разработанного алгоритма в модели «Почва - растительность -приземный слой атмосферы» для исследования влияния методов параметризации взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности.

4.5 Эксперимент по включению разработанного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в мезомасштабную модель прогноза погоды.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Метеорология, климатология, агрометеорология», 25.00.30 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета потоков солнечного излучения в атмосфере с учетом процесса взаимодействия радиации и облачности»

Описание термодинамических процессов в атмосфере, основанное на уравнении притока тепла, требует знания различных видов притоков, действующих в атмосфере. Главным источником энергии для земной атмосферы является Солнце. Потоки солнечной энергии, проходя через атмосферу, трансформируются в результате действия различных компонент атмосферы и, прежде всего, облачности. Поглощенная земной поверхностью и атмосферой энергия в различных регионах земного шара формирует градиенты температуры, регулирующие циркуляцию атмосферы. В связи с этим описание процесса переноса солнечного излучения в атмосфере является необходимой компонентой физических пакетов гидродинамических моделей атмосферы.

Особенности пространственного распределения радиационных потоков и притоков излучения в атмосфере и на подстилающей поверхности связаны в первую очередь с распределением облачности в атмосфере и вариациями ее оптических свойств. Этот процесс вносит вклад в формирование горизонтальных градиентов температуры в атмосфере и на земной поверхности.

Моделирование процесса переноса излучения в гидродинамических моделях прогноза погоды и изменения климата основаны на информации и методах, разработанных в различных разделах физической оптики, теории переноса излучения и физики атмосферы.

Главная особенность построения радиационных алгоритмов для применения в гидродинамических моделях атмосферы состоит в том, что алгоритмы должны быть настроены на ограниченную информацию, которую может предоставить гидродинамическая модель. Объем этой информации зависит от содержания уравнений модели, которые описывают эволюцию параметров атмосферы. В результате решения основной системы уравнений, предназначенной для прогноза погоды и изменений климата, рассчитывается пространственное распределение ветра, температуры, влажности на различных уровнях в атмосфере. Облачность и осадки в большинстве случаев определяются с использованием диагностических соотношений.

В последние десятилетия в наиболее развитых метеорологических центрах (ЕЦСПП, Немецкая служба погоды, Метеорологическая служба Великобритании, Национальный центр атмосферных исследований США (ИСАИ) и др.) расширяют стандартную систему уравнений модели, добавляя в нее уравнение переноса водности или водности и ледности. В связи с этим появляются дополнительные переменные модели, которые могут быть использованы для описания микрофизических и оптических свойств облаков. В некоторых мезомасштабных моделях используются более детальные микрофизические уравнения, такие как кинетическое уравнение, позволяющее рассчитать эволюцию функции распределения облачных частиц по размерам, уравнение для концентрации облачных частиц и др. Однако, использование этих уравнений в крупномасштабных моделях невозможно по многим причинам, и алгоритмы вычисления микрофизических и оптических свойств облаков в этих моделях остаются на уровне параметризаций.

Проведенные в последние десятилетия в различных странах численные эксперименты с гидродинамическими моделями атмосферы показали, что имеется связь результатов моделирования полей температуры, геопотенциала Н500, облачно-радиационного форсинга с изменениями пространственного распределения радиационных характеристик атмосферы, обусловленных вариациями микрофизических и оптических свойств облаков (.Kiehl, 1994; Frazer et al., 1995; Lohmann, Rockner, 1996).

Результаты этих экспериментов свидетельствуют о важности исследований в области описания взаимодействия радиации и облачности с учетом микро физических свойств облаков и его влияния на радиационные характеристики атмосферы.

Для расчета потоков солнечного излучения, строго говоря, должно быть использовано решение трехмерного уравнения переноса, учитывающего взаимное влияние процессов поглощения и рассеяния излучения. В связи с чрезвычайной сложностью решения этого уравнения, которое в некоторых случаях дополнительно осложняется формой индикатрисы рассеяния, в современных моделях используют различные приближенные методы. Широко применяется двухпотоковое приближение решения уравнения переноса, которое основано на усреднении интенсивности излучения по углам, в предположении изотропности рассеяния.

Существуют различные варианты таких решений, однако, для облачной атмосферы, с учетом особенности распространения излучения в облаках, наиболее часто используют приближение дельта - Эддингтона, предложенное Дж.Джозефом с соавторами (Joseph et al., 1979), которое используется также в настоящей работе. Особенность этого метода состоит в применении 6 - функции для трансформации двучленной индикатрисы рассеяния в методе Эддингтона таким образом, что часть энергии рассеянной в облаке в направлении падающего излучения присоединяется к потоку прямого излучения, а новая усеченная индикатриса остается двучленной с трансформированным фактором асимметрии {Potter, 1970). Это позволяет воспользоваться решением уравнения переноса в двухпотоковом приближении с двучленной индикатрисой и трансформированными параметрами уравнения переноса.

В безоблачной релеевской атмосфере, где фактор асимметрии индикатрисы рассеяния равен нулю, метод дельта - Эддингтона переходит в метод Эддингтона.

Создание нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод описания механизма взаимодействия радиации и облачности, основанного на информации о микрофизических свойствах облаков, является задачей диссертации. Эта задача требует разработки двух частей алгоритма: для безоблачной атмосферы и для облачной. В данной работе обе части объединены единым вычислительным алгоритмом, основанном на методе дельта - Эддингтона и примененном к многослойной атмосфере. В отдельных слоях, где присутствует облачность, используется метод описания взаимодействия радиации и облачности, базирующийся на информации о микрофизических параметрах облаков. Для численных экспериментов эта информация поступает в радиационный алгоритм из модели преобразования влаги в атмосфере, разработанной в Гидрометцентре России под руководством JI. Р. Дмитриевой-Арраго (Дмитриева-Арраго, Скроцкая, 1985; Дмитриева-Арраго, Акимов, 1996, 1998; Dmitrieva-Arrago, Akimov, 1998).

Описание переноса излучения в безоблачной атмосфере опирается на данные о составе атмосферы и спектроскопической информации об особенностях поглощения различными атмосферными газами с учетом неоднородности атмосферы. С помощью этой информации рассчитываются коэффициенты поглощения влияющих газов. В данной работе учитывается влияние на перенос солнечного излучения водяного пара, углекислого газа, озона и релеевского рассеяния.

Разработка алгоритма расчета потоков в безоблачной атмосфере и проведенное в работе тестирование результатов расчета является необходимой частью построения радиационного алгоритма. Тестирование выполнено на данных стандартных моделей атмосферы путем сравнения с полинейными расчетами, предоставленными Б.А.Фоминым.

Поскольку облака вносят существенную перестройку в вертикальное распределение радиационных притоков тепла по сравнению с безоблачными условиями, то эволюция оптических свойств облаков вносит вклад в радиационную энергетику модели.

В связи с этим важнейшей частью алгоритмов расчета радиационных характеристик в облачной атмосфере является описание механизма взаимодействия излучения с облаками.

Современное состояние методов, применяемых в моделях, определяется наличием информации о микрофизических характеристиках облаков (водности, функции распределения частиц облака ло размерам, фазовом состоянии). Методы расчета оптических свойств облаков, основанные на классических работах К.С.Шифрина (1951, 1955), ван де Хюлста (1957) и К.-Н.Лиоу (Liou, 1992) широко используются в российских и зарубежных исследованиях.

Для описания механизма взаимодействия солнечного излучения и облачности при решении уравнения переноса в двухпотоковом приближении необходимо знание оптической толщины, вероятности выживания кванта и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния облаков.

Для определения этих параметров в настоящее время разработано несколько методов параметризации. Наиболее известным является метод А.Слинго (Slingo, 1989), применяемый в моделях Метеорологической службы Великобритании, Института вычислительной математики РАН, Главной геофизической обсерватории и др. Другим известным методом является метод, разработанный Б.Рокелем с соавторами (Rockel et ed., 1991) и применяемый в моделях Института Макса Планка и Метеорологического исследовательского центра Австралии. Для кристаллических облаков применяется метод Э.Эберта и Дж.Карри (.Ebert, Curry, 1992), в частности, в модели ЕЦСПП.

В диссертации оптическая толщина облаков и вероятность выживания кванта определяются с помощью коэффициентов ослабления и поглощения, рассчитываемых с применением формул из работы В.И.Хворостьянова (1980).

Такого рода подход к проблеме, - решение уравнения переноса в двухпотоковом приближении с использованием метода параметризации процесса взаимодействия радиации и облачности, как показал анализ публикаций по этому вопросу, является современным и оптимальными для применения в гидродинамических моделях атмосферы.

Целью работы является построение нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения с учетом влияния микрофизических свойств облаков для применения в моделях прогноза погоды и изменений климата.

Для достижения поставленной цели в рамках данной работы решались следующие задачи: создание вычислительного алгоритма и программного комплекса для расчета потоков солнечного излучения в многослойной атмосфере; развитие метода описания взаимодействия солнечного излучения и облачности с учетом микрофизических параметров облаков (водности, эффективных радиусов, фазового состава) и включение его в общий алгоритм расчета потоков излучения; тестирование алгоритма расчета потоков в безоблачных условиях на результатах по линейных расчетов; тестирование компонент метода описания взаимодействия радиации и облачности на результатах точных расчетов по теории Ми и данных наблюдений; сравнение развитого метода описания взаимодействия солнечного излучения и облачности с известными методами по результатам расчета оптических характеристик облаков; проведение экспериментов по включению созданного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в модель прогноза погоды; применение нового радиационного алгоритма в модели «подстилающая поверхность - растительность - приземный слой атмосферы» для анализа влияния разных методов описания взаимодействия на температуру подстилающей поверхности; применение нового радиационного алгоритма к анализу влияния разных методов описания взаимодействия на радиационные изменения температуры в атмосфере; численные эксперименты для исследования зависимости оптических свойств облаков от изменения микрофизических характеристик в широком диапазоне.

Научная новизна данной работы заключается в создании нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод описания взаимодействия излучения со слоистообразной облачностью с учетом микрофизических характеристик облаков.

Выполненный в работе анализ существующих методов показал, что развитый в диссертации метод имеет более широкие возможности в определении оптической толщины и вероятности выживания кванта в облаке, чем существующие методы. Его применение возможно для облаков любого фазового состава. Метод не имеет ограничений на размер облачных частиц и может быть использован при любом спектральном разрешении радиационного алгоритма.

Применение разработанного алгоритма расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом влияния микрофизических характеристик облаков позволило получить новые результаты: оценить величины возможных погрешностей в альбедо, пропускании и поглощении облаками в моделях атмосферы при недостатке или неточности информации о размерах частиц облака и водности, при реальном диапазоне изменений этих величин; показать большое значение информации о размере облачных частиц для расчета оптических характеристик облаков и потоков излучения в атмосфере; оценить влияние малых изменений радиусов облачных капель (в пределах 10-20 %) при разных водностях облака на вариации потоков излучения, приходящих на подстилающую поверхность (в пределах 10-80 Вт/м2). Это сопровождается перераспределением энергии между прямой и рассеянной компонентами потока, и изменениями альбедо системы земля - атмосфера в пределах 10 - 15 %; оценить величину возможных погрешностей в альбедо системы земля - атмосфера и потоках на ВГА за счет использования приближения сфер для кристаллических частиц в облаках верхнего яруса. Неточность информации о параметре асимметрии индикатрисы рассеяния, в частности, для случая гексагональных призм, дает погрешность в радиационном балансе на ВГА до 40 Вт/м2, а в альбедо системы земля - атмосфера до 0.09 в рассмотренном случае. предложить интерпретацию механизма настройки климатических моделей на спутниковые данные по радиационному балансу на ВГА путем выбора соответствующего метода расчета количества облаков и влияние этой настройки на другие радиационные характеристики модельной атмосферы. Показано, что при одинаковой общей облачности, но различной вертикальной структуре облаков, которая является следствием разных методов параметризации облачности, различия в радиационном балансе на ВГА могут составлять 30 - 50 Вт/м2. Этим изменениям сопутствуют изменения в радиационном балансе на подстилающей поверхности примерно такой же величины. Изменения в альбедо системы земля -атмосфера за счет разной вертикальной структуры облачности могут составлять 0.02 - 0.06. Причиной таких эффектов является не только разное количество облаков на разных уровнях в атмосфере при одинаковой общей облачности, но и различия в оптических свойствах облаков разных ярусов.

Практическая ценность состоит в построении нового алгоритма и вычислительного комплекса для расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, включающего метод расчета оптических параметров облаков, для применения в моделях прогноза погоды и изменений климата. Точность нового алгоритма оценена путем сравнения с результатами точных расчетов и данных измерений. Погрешность расчетов потоков и притоков излучения в основном меньше 5%.

Зависимость результатов моделирования крупномасштабных атмосферных процессов от микрофизических параметров облаков, которые лежат в основе механизма взаимодействия радиации и облаков, была продемонстрирована экспериментами, выполненными с моделями ЕЦСПП, Г^САК. и др. Отсюда следует необходимость развития и совершенствования методов описания взаимодействия радиации и облачности и включения их в алгоритмы расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере.

Эти задачи решаются в диссертации и определяют практическую ценность выполненной работы.

Развитый метод описания взаимодействия является более гибким, чем существующие методы, - позволяет рассчитывать оптические параметры облаков различного фазового состава. Метод может быть применен в широком диапазоне размеров частиц облаков, полагаемых сферическими, и не связан с конкретным спектральным разрешением. Численные эксперименты с разными методами описания взаимодействия показали преимущества развитого в диссертации метода.

Результаты сравнения с расчетами по методу, предложенному А.Слинго для капельных облаков, оказались близкими, что подтверждает качество используемого в работе метода.

Сравнение с методом Б.Рокеля и др. для облаков разного фазового состава обнаруживает значительные расхождения с методом данной работы. В то же время результаты сравнения рассчитанных оптических толщин кристаллических облаков с данными расчетов и измерений оказались удовлетворительными. Это позволяет считать развитый в работе метод более надежным, чем метод Б.Рокеля, и применять метод для смешанных и кристаллических облаков.

Представленный в диссертации алгоритм и программный комплекс подготовлены для использования в моделях прогноза погоды и изменения климата, при наличии в моделях информации о водности облаков и эффективных радиусах распределения облачных частиц по размерам. В диссертации представлены результаты применения нового алгоритма в мезомасштабной модели прогноза погоды Гидрометцентра России и модели «почва - растительность - приземный слой атмосферы» Гидрометцентра России.

Алгоритм допускает дальнейшее развитие физического содержания и может быть использован в исследовательских целях.

В первой главе, которая носит обзорный характер, рассмотрены результаты численных экспериментов, выполненных в ведущих метеорологических центрах с прогностическими и климатическими моделями атмосферы. Из этих экспериментов следует, что имеется заметная чувствительность радиационных и метеорологических характеристик атмосферы (радиационного баланса, облачно-радиационного форсинга, температуры и др.) к вариациями микрофизических свойств облаков, что по существу означает вариации процесса взаимодействия радиации и облачности (Kiehl, Ramanathan, 1990; Rockel et al., 1991; Frazer et al., 1995; Lohmann, Rockner, 1996). Эти эксперименты показали важность совершенствования методов описания механизма взаимодействия при моделировании крупномасштабных атмосферных процессов.

Представлен анализ существующих методов описания процесса взаимодействия радиации и облачности (Slingo, 1989; Rockel et al., 1991, Ebert, Curry, 1992).

В первой главе рассмотрены также методы описания поглощения в безоблачной атмосфере, включая использованные в диссертации.

Рассмотрен современный подход к расчету потоков солнечного излучения в облачной атмосфере, который основан на решении трехмерного уравнения переноса излучения в плоскопараллельной атмосфере. Изложена процедура преобразования этого уравнения к двухпотоковому виду, следуя работе Дж.Джелейна и Х.Холлингсворта (Geleyn, Hollingsworth, 1979).

Во второй главе представлен метод решения системы дифференциальных уравнений переноса для расчета потоков рассеянного и прямого излучения в зависимости от оптических параметров среды, входящих в уравнение переноса: оптической толщины, вероятности выживания кванта и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния.

Разработан вычислительный алгоритм, позволяющий рассчитать потоки излучения в многослойной атмосфере, при наличии информации об оптических свойствах слоев. Система алгебраических уравнений в многослойной атмосфере решается методом единственного деления Гаусса.

В главе приведены формулы для расчета оптических свойств слоев атмосферы при учете газового поглощения и релеевского рассеяния. Разработано два варианта спектрального разрешения для описания процесса поглощения излучения атмосферными газами (Н20, С02,0з), капельной водой и льдом.

Представлены результаты сравнения рассчитанных с помощью разработанного алгоритма потоков и притоков излучения для безоблачной атмосферы при условии поглощения отдельно Н2О, СО2, Оз с результатами полинейных расчетов (Фомин, 1997) для стандартных моделей атмосферы. Сравнение выполнено для двух вариантов разрешения спектра поглощения атмосферных газов (39 и 19 интервалов), при двух значениях зенитного угла Солнца. Точность расчетов потоков и притоков излучения в случае более грубого спектрального разрешения не ухудшается по сравнению с результатами, полученными при более подробном разрешении. Обсуждаются возможные причины погрешностей. Погрешности в расчете потоков и притоков излучения при поглощении углекислым газом и озоном значительно меньше для всех условий.

В третьей главе диссертации рассмотрены особенности применения общего алгоритма расчета потоков к облачной атмосфере.

Представлены основанные на теории Ми приближенные методы расчета коэффициентов ослабления и поглощения облаками в зависимости от водности облаков и эффективного радиуса распределения частиц по размерам (Хворостъянов, 1980). Выполнено сравнение рассчитанных коэффициентов ослабления и поглощения в облаке с результатами точных расчетов с использованием теории Ми, предоставленные автору диссертации А.Н.Рублевым и Б.А.Фоминым. Наибольшая погрешность при расчете коэффициентов ослабления и поглощения составляет 2 - 3 %.

В главе представлена процедура использования 8 - функции для модификации облачной индикатрисы рассеяния, отличающейся сильной вытянутостью (Potter, 1970) и способ преобразования оптических параметров облачного слоя с учетом трансформации индикатрисы рассеяния (Joseph et al., 1979). Представлены также формулы для оптических параметров, характеризующих облачные слои, необходимые для расчета потоков излучения в облачной атмосфере.

В этой же главе приведены сведения о характерных величинах микрофизических параметров слоистообразных облаков и методах их определения, для контроля получаемых результатов и для применения в численных экспериментах.

Здесь же выполнено исследование зависимости оптических свойств облаков и радиационных характеристик атмосферы от микрофизических параметров облаков (водности и эффективного радиуса). Проведено сравнение рассчитанных величин альбедо облака с данными наблюдений, которое следует считать удовлетворительным с точностью до согласования исходной информации. По результатам экспериментов обнаружена важность учета размера облачных частиц в методах описания взаимодействия радиации и облачности.

Разработанный алгоритм был применен к расчету оптических свойств кристаллических облаков и исследованию их влияния на потоки солнечного излучения. Полученные величины оптических толщин оказались в пределах интервала изменений, известного из наблюдений и расчетов.

Особое внимание было уделено исследованию роли фактора асимметрии индикатрисы рассеяния, который рассчитывается в моделях весьма приближенно (Rockel et al., 1991; Ebert, Curry, 1992), в связи со сложностью описания формы частиц в кристаллических облаках. Результаты расчетов {Аникин и др., 1989; Takano, Liou, 1989 и др.) позволили оценить соотношение между параметром асимметрии для призм и для сфер, минимальное значение которого оказалось 0.85 для видимого диапазона. Эта оценка позволила провести численный эксперимент для определения погрешностей в величинах потоков на границах атмосферы и альбедо системы, связанных с предположением о сферичности частиц в кристаллических облаках.

Основываясь на результатах численных экспериментов, рассмотрены разные стороны механизма взаимодействия радиации и облачности, связанные с недостатком информации о микрофизических параметрах облаков и получены оценки возможных погрешностей в определении оптических характеристик облаков и потоках изучения.

В четвертой главе представлены результаты численных экспериментов. Исследовано влияние количества облаков и их оптических свойств на радиационные характеристики атмосферы. В результате экспериментов обнаружена зависимость потоков излучения и альбедо системы от вертикальной структуры облачности, которая влияет различием оптических свойств облаков разных ярусов.

Проведено сравнение развитого в работе метода описания взаимодействия радиации и облачности с известными методами А.Слинго (Slingo, 1989) и Б.Рокеля (Rockel et al., 1991).

Сравнение показало, что результаты расчетов для капельных облаков оказались близкими к результатам по методу А.Слинго по величине оптических толщин капельных облаков и поглощенной радиации, - расхождения менее 10 %. Радиационные балансы на подстилающей поверхности отличаются менее чем на 1 %.

В результате экспериментов оказалось, что методы А.Слинго и развитый в работе метод, содержащие зависимость оптических параметров от водности и эффективного радиуса подтверждают друг друга для капельных облаков. Взаимное подтверждение результатов, полученных с использованием метода А.Слинго и развитого в настоящей работе, имеет обоснование. Метод А.Слинго является аппроксимацией результатов точных расчетов. Метод, развитый в диссертации, являясь приближенным, в то же время проверен на точных расчетах теории Ми с удовлетворительными результатами.

Из экспериментов также следует, что метод Б.Рокеля, в котором учитывается зависимость только от водности, дает большие отличия.

Из проведенных сравнений следует вывод о том, что учет размеров частиц облака для расчета оптических свойств облаков необходим. Методы, где отсутствует эта характеристика, страдают большими ошибками в расчетах радиационных характеристик облаков и облачной атмосферы.

Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения был применен в модели «Почва - растительность - приземный слой атмосферы» для анализа влияния механизма взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности. Совместно с автором модели И.А.Розинкиной были проведены эксперименты, которые показали, что расхождения в температуре подстилающей поверхности при использовании разных методов увеличиваются при увеличении количества слоев облаков. В эксперименте с однослойной капельной облачностью различия в температуре подстилающей поверхности между методом А.Слинго и развитым в работе малы - 0.3°. При двухслойной облачности максимальные различия в температуре подстилающей поверхности между развитым в диссертации методом и методом Б.Рокеля оказались равными 3° и больше. Изменение температуры подстилающей поверхности сопровождается большими изменениями турбулентного потока тепла в атмосферу.

Выполнен анализ различий в радиационных изменениях температуры в облачных слоях атмосферы, связанных с разными методами описания взаимодействия радиации и облачности. Обнаружены различия примерно в 4° на фоне больших характерных величин нагревания в облаке, до 8 - 10 град/сут. Такие различия могут быть значимыми для циркуляционных процессов разного масштаба в атмосфере.

Показано также, что чем больше водность и чем меньше размер частиц облака, тем интенсивнее нагревание облака. В связи с этим правильное описание нагревания облачных слоев с учетом основных влияющих факторов представляется весьма существенным для решения многих задач моделирования атмосферных процессов, как локальных, так и крупномасштабных.

Выполнены эксперименты по применению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в атмосфере к мезомасштабной модели атмосферы, разработанной Д.Я.Прессманом. В первых экспериментах по прогнозу температуры подстилающей поверхности и атмосферы, проведенных совместно с автором модели, оказалось, что температура поверхности суши для Московского региона по характеру поля и величинам оказалась близка к результатам исходного варианта модели, в котором для расчета потоков солнечного излучения был использован метод Е.М.Фейгельсон.

Максимальные различия температуры подстилающей поверхности и температуры воздуха на высоте 10 м составили 2 - 2.5° в сторону уменьшения по сравнению с исходным вариантом. Одной из причин этого уменьшения температуры может быть приближенно заданная величина эффективного радиуса частиц облака, необходимого в новом алгоритме, который не рассчитывается в рамках мезомасштабной модели. Этот вопрос требует дополнительного анализа. Эксперименты показали работоспособность нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения с учетом взаимодействия радиации и облачности и возможность его применения в гидродинамических моделях атмосферы.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основное содержание и результаты диссертации были представлены в докладах на:

- Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-99), Санкт-Петербург, 12-15 июля, 1999

- Конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ, Москва, 6-8 декабря, 1999

- Международном симпозиуме по атмосферной радиации (IRS 2000) «Современные проблемы атмосферной радиации», Санкт-Петербург, 24 - 29 июля, 2000

16

- XXVI Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества, Ницца, Франция, 25 - 30 марта, 2001

- VIII Объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Иркутск, 25-29 июня, 2001.

- Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-02), Санкт-Петербург, 18-21 июня, 2002

Семинаре по радиационному теплообмену при Российской комиссии по атмосферной радиации

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, кандидату физ.-мат. наук Л.Р.Дмитриевой-Арраго за руководство и помощь в работе над диссертацией, кандидату технических наук А.Н.Рублеву и доктору физ.-мат. наук Б.А.Фомину за любезно предоставленные результаты точных расчетов для проведения сравнений и другие материалы, кандидату физ.-мат. наук Д.Я.Прессману и кандидату физ.-мат. наук И.А.Розинкиной за помощь в проведении численных экспериментов, кандидату физ.-мат. наук Л.В.Берковичу и кандидату физ.-мат. наук Ю.В.Ткачевой за предоставленные данные для проведения численных экспериментов.

Похожие диссертационные работы по специальности «Метеорология, климатология, агрометеорология», 25.00.30 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Шатунова, Марина Владимировна

Основные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией:

1. Разработан метод расчета потоков солнечного излучения в облачной атмосфере с учетом взаимодействия радиации и облачности с известными микрофизическими характеристиками - водностью, ледностью, средним или эффективным радиусом распределения частиц по размерам.

2. Разработан и реализован вычислительный алгоритм и программный комплекс для решения уравнения переноса излучения в двухпотоковом приближении 8 - Эддингтона в многослойной атмосфере. Алгоритм основан на решении системы неоднородных дифференциальных уравнений для восходящего и нисходящего потоков рассеянного излучения и уравнения для расчета потока прямого солнечного излучения. Потоки излучения рассчитываются в результате решения алгебраической системы уравнений методом Гаусса. Единый алгоритм применяется для облачных и безоблачных условий.

3. Проведено сравнение потоков и притоков излучения в безоблачной атмосфере с учетом поглощения атмосферными газами (водяным паром, углекислым газом, озоном) в двух вариантах спектрального разрешения (39 интервалов и 19 интервалов) с результатами полинейных расчетов, выполненных Б.А.Фоминым, для стандартных моделей атмосферы. В результате сравнения получены близкие результаты в обоих вариантах разрешения. В связи с этим в работе использовано меньшее спектральное разрешение без потери точности. Из анализа результатов сравнения с точными расчетами следует, что погрешности в расчете потоков, приходящих на подстилающую поверхность, не более 1 %. Наибольшие погрешности оказались при расчете восходящего потока и поглощения в толще атмосферы в случае поглощения водяным паром до 5 - 7 %. Исключение составляют арктические широты, где при малом содержании водяного пара в атмосфере погрешность достигает 14 %. Сравнение подтвердило правильность не только описания спектра поглощения атмосферных газов, но и основного вычислительного алгоритма.

4. Развит алгоритм описания взаимодействия радиации и облачности с использованием приближенных формул для расчета облачных коэффициентов ослабления и поглощения, предложенных В.И.Хворостьяновым. Выполнено тестирование коэффициентов ослабления и поглощения для конкретных радиусов частиц и конкретной водности на результатах точных расчетов с помощью теории рассеяния излучения на крупных частицах Ми, выполненных А.Н.Рублевым и Б.А.Фоминым. Результаты сравнения показали, что расхождения для коэффициента ослабления в облаках составляют 1 - 2 %, для коэффициента поглощения - находятся в основном в пределах 10 %. Алгоритм может быть использован для облаков разного фазового состава. Не имеет ограничений на размер частиц и спектральное разрешение.

5. Выполнены эксперименты по включению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в атмосфере в мезомасштабную модель прогноза погоды, разработанную Д.Я.Прессманом. В первых экспериментах по прогнозу температуры подстилающей поверхности и атмосферы, проведенных совместно с автором модели, оказалось, что температура поверхности суши для Московского региона по характеру поля и величинам близка к результатам исходного варианта модели. Однако, величины температуры ниже на 2.0 - 2.5°. Результаты эксперимента позволяют рассчитывать на улучшение прогноза температуры при дальнейшем взаимодействии с моделью и уточнении параметров.

6. Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения был использован в модели «Почва - растительность - приземный слой атмосферы» для анализа влияния различных методов описания взаимодействия радиации и облачности на температуру подстилающей поверхности. По результатам экспериментов, проведенных совместно с автором модели, в случае капельных облаков, метод А.Слинго (БИ^о, 1989) и метод развитый в диссертации дают одинаковый эффект, - отличия в температуре подстилающей поверхности менее 1°. Использование метода Б.Рокеля (Rockel et al., 1991) приводит к значениям температуры, отличающимся примерно наЗ°.

Разработанный алгоритм был применен для исследования физических связей между микрофизическими свойствами облаков и радиационными характеристиками облаков и атмосферы:

1. Исследовано влияние микрофизических параметров облаков на их оптические свойства. Проведено сравнение рассчитанных величин альбедо с результатами измерений в зависимости от водозапаса облаков в разных интервалах радиусов и зенитного угла Солнца. Рассчитанные величины альбедо находятся в пределах разброса результатов измерений, составляющего 0.32 - 0.8 при различных зенитных углах Солнца.

2. Учитывая недостаток информации о радиусах частиц облаков в гидродинамических моделях атмосферы, был выполнен анализ зависимостей оптических характеристик облаков от радиусов частиц. Возможные погрешности в альбедо и пропускании могут быть 30 % и более, в поглощении - 10 %, при изменении величин эффективных радиусов с 5 мкм до 15 мкм, характерных для различных географических условий и форм облаков.

3. Выполнены численные эксперименты по оценке величин оптической толщины кристаллических облаков. Рассчитанные величины оптической толщины кристаллических облаков находятся в пределах расчетов и измерений, выполненных и проанализированных Л.Н.Павловой и А.Г.Петрушиным (1981), Т.А.Тарасовой (1981), Б.Соденом и Л.Доннером (Soden, Donner, 1994). Интервал изменений оптических толщин составляет 0.25-8.5.

4. Рассмотрено влияние отличия формы облачных частиц от сферической в кристаллических облаках верхнего яруса. Продемонстрирована зависимость альбедо системы и радиационного баланса на ВГА от формы кристаллических частиц по результатам численных экспериментов с уменьшенным фактором асимметрии индикатрисы рассеяния, соответствующим гексагональным призмам. Различия в потоках четко обнаружились при количестве облаков более 0.5 и составили 10 %. Максимальное изменение альбедо составило 0.09, а максимальное уменьшение радиационного баланса - 40 Вт/м2 в рассмотренном в диссертации случае.

5. Проведены численные эксперименты, которые показали, что потоки и притоки излучения зависят не только от количества облаков, но и от вертикальной структуры облачности, которая действует своими разными оптическими свойствами. При одинаковой общей облачности различия в потоках могут быть существенными, в зависимости от того какого яруса облачность формирует общую облачность. Различия в радиационном балансе на подстилающей поверхности могут достигать 30 - 50 Вт/м2.

6. Исследована зависимость оптических свойств облаков, радиационных балансов на границах атмосферы, величины поглощенного излучения в атмосфере и альбедо системы земля - атмосфера от методов описания взаимодействия радиации и облачности в широком диапазоне микрофизических параметров - водности, ледности и эффективного радиуса распределения частиц по размерам. Результаты расчетов с использованием методов А.Слинго (Slingo, 1989) и развитого в диссертационной работе оказались близки в случае капельных облаков. Таким образом, оба метода подтверждают друг друга.

7. Выполнен анализ различий в радиационных изменениях температуры в облачных слоях атмосферы, связанных с разными методами описания взаимодействия радиации и облачности. Метод Б.Рокеля (.Rockel et al., 1991) дает заметные отклонения. Обнаружены различия примерно в 4° на фоне характерных величин нагревания в облаке, до 8 - 12 град/сут.

Дальнейшее развитие работы предполагается проводить в следующих направлениях: продолжение экспериментов по включению нового алгоритма расчета потоков солнечного излучения в мезомасштабную модель прогноза погоды при согласовании параметров модели и радиационного алгоритма; - уточнение описания фактора асимметрии индикатрисы рассеяния для облаков разного фазового состава; продолжение численных экспериментов, направленных на исследования влияния отличия формы кристаллов от сферической на радиационные характеристики кристаллических облаков и атмосферы; уточнение метода описания поглощения водяным паром путем учета континуального поглощения.

Заключение

Представленная работа основана на методах и сведениях, относящихся к различным направлениям, развиваемым в теории переноса излучения, в физической оптике, спектроскопии, физике атмосферы и метеорологии.

Используются современные достижения теории переноса излучения, предназначенные для практических целей. Методы, развитые в физической оптике и спектроскопии, применяются для описания процессов поглощения и рассеяния излучения в атмосфере и облаках. Важной основой для решения поставленных в диссертации задач являются сведения и методы из физики облаков. Все эти процессы рассматриваются на фоне различных метеорологических условий.

Учитывая возможности практического приложения разработанного алгоритма, в работе были использованы различные приближенные подходы и методы, для оценки которых привлекались точные методы и данные наблюдений.

Все перечисленные научные направления нашли отражение в списке использованных источников.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шатунова, Марина Владимировна, 2002 год

1. Авиационно-климатический атлас-справочник СССР. Статистические характеристики пространственной и микрофизической структуры облаков, 1975. 1, вып.З, Гидрометеоиздат, М.

2. Аникин П.П., А.Г.Петрушин, Т.А.Тарасова, 1989: Оптические характеристики перистых облаков. В сб. Радиационные свойства перистых облаков, М., Наука, 5365

3. А.Х.Хргиан, С.М.Шметер, 1961: Физика облаков. Гидрометеоиздат, JL, 460с. ван де Хюлст, Г., 1961: Рассеяние света малыми частицами. М., 536с. Галин В.Я., 1998: Параметризация радиационных процессов в атмосферной модели

4. Горчакова И.А., 2000: Параметризация интегральных потоков солнечного излучения.

5. Изв. Академии наук, Физика атмосферы и океана, 36, 3, 376-385 Гуди P.M., 1966: Атмосферная радиация. I. Основы теории. Мир, М., 522с. Динамическая метеорология (Теоретическая метеорология), 1976, п/р Д.Л.Лайхтмана,

6. Дмитриева-Арраго JI.P., Л.В.Самойлова, Г.В.Паршина, 1973: Зависимость поля радиации от радиационных и метеорологических параметров атмосферы. Труды ГГО, 315, 61-75

7. Ленобль, Ж., 1990: Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах: Стандартные методы расчета. Гидрометеоиздат. Л., 264с.

8. Мазин И.П., С.М.Шметер, 1983: Облака: строение и физика образования. Л., Гидрометеоиздат, 280 с.

9. Мазин И.П., Н.А.Монахова, В.Ф.Шугаев, 1996: Вертикальное распределение водности и оптических характеристик в континентальных облаках слоистых форм. Метеорология и Гидрология, № 9, 14-34

10. Матвеев Л. Т, 1981: Динамика облаков. Гидрометеоиздат, Л. 312с.

11. Мэйсон Б.Дж., 1961: Физика облаков. Л., Гидрометеоиздат, 542 с.

12. Неелова Л.О., 1989: Оценка влияния радиации и облачности на результаты гидродинамического моделирования атмосферных процессов. Диссертация на соискание уч.степени канд.физ.-мат.наук, Л., 153 с.

13. Никонов С.А, 1995: Обобщенный двухпотоковый метод решения уравнения переноса солнечной радиации в плоском слое. Метеорология и гидрология, 3,37-48

14. Облака и облачная атмосфера (справочник), 1989, п/р И.П.Мазина, А.Х.Хргиана Гидрометиздат, Л., 647 с.

15. Павлова Л.Н., А.Г.Петрушин, 1981: Оптические характеристики ледяных облаков. В сб. Радиация в облачной атмосфере, п/р Е.М,Фейгельсон, Л. Гидрометеоиздат, 56 58

16. Пекелис Е.М., Д.Я.Прессман, В.З.Кисельникова, О.В .Дрофа, 1999: Численные гидродинамические модели мезомасштабного прогноза погоды Гидрометцентра России. В сб. 70 лет Гидрометцентра России, С.-Пб., Гидрометеоиздат, 80-89

17. Подольская Э.Л., Л.О.Неелова, 1997: Усовершенствование интегральной функции пропускания для коротковолновой радиации. Известия АН, Физика атмосферы и океана, 33, 5, 676-679

18. Радиация в облачной атмосфере, 1981, п/р Е.М.Фейгельсон, Гидрометеоиздат, Л., 280 с.

19. Розинкина И.А., 2001: Модель Гидрометцентра России почва растительность -приземный слой атмосферы: алгоритм и результаты тестирования. Метеорология и гидрология, 3, 19-33

20. Рублев А.Н., А.Н.Троценко, П.Ю.Романов, 1997: Использование данных спутникового радиометра АУНИК. для определения оптических толщин облачности. Изв. Академии наук, сер. Физика атмосферы и океана, 33, 5, 670 675

21. Соболев В.В., 1956: Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. ГИТТЛ, М., 292 с.

22. Соболев В.В., 1972: Рассеяние света в атмосферах планет. Наука, М., 336с.

23. Тарасова Т.А., 1981: Радиационные особенности ледяных облаков. В сб. Радиация в облачной атмосфере, п/р Е.М,Фейгельсон, Л. Гидрометеоиздат, 127 -130

24. Фадеев Д.К., В.Н. Фадеева, 1963: Вычислительные методы линейной алгебры. ГИФМЛ, М., 734 с.

25. Фейгельсон Е.М., Л.Д.Краснокутская, 1978: Потоки солнечного излучения и облака.

26. Гидрометеоиздат, Л., 158 с. Фихтенгольц Г.М., 1961: Курс дифференциального и интегрального исчисления. Физ.мат.из.

27. А.И.Воейкова, 46(108), 5-33 Шифрин К.С., И.Н.Минин, 1957: К теории негоризонтальной видимости. Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, 68, 5-75

28. Шифрин К.С., О.Авасте, 1960: Потоки коротковолновой радиации в безоблачной атмосфере. Исследования по физике атмосферы, 2. Институт физики и астрономии АН ЭССР, Тарту, 23-65

29. Ballard S.P., D.Gregory, M.G.Hutchinson, 1995: Parameterization of mixed-phase cloud and precipitation in the UK Meteorological office unified model. Workshop on Cloud

30. Microphysics Parameterizations in Global Atmospheruc Circulation Models, Kananaskis, Alberta, Canada, 23-25 May 1995, WCRP-90, WMO/TD-No.713, 249-282 Briegleb B.P., 1992: Delta-Eddington approximation for solar radiation in the NCAR

31. Geleyn J.-F,. 1977: Parameterization of radiative transfer at ECMWF. Proceedings of the ECMWF 1977 seminar on the parameterization of the physical processes in the free atmosphere, 273-345

32. Geleyn, J.F., H.Hollingsworth, 1979: An economical analitic method for the computation of the interaction between scattering and line absorption of radiation. Contrib.Atm.Phys., 52, 1-16

33. Heymsfield, A. J., K. M. Miller, J. D. Spinhirne, 1990: The 27-28 October 1986 FIRE IFO

34. Howard J.N., D.E.Burch, D.Williams, 1956: Infrared transmission of synthetic atmosphere.

35. Parts I-Y. J.Opt.Soc.Amer., 46, 186-190, 237-241, 242-245, 334-338, 452-455 Infrared handbook, The, 1 978. Ed. W.L.Wolfe, G.J.Zissis. The IRIA C entre, Enviromental

36. King, J.I.F., P.R.Gast, 1961: Thermal radiation, in Handbook of Geophysics, chap.16, 32 pp., Macmillan, New York1.cis A.A., J.E.Hansen, 1974: A parameterization for the absorption of solar radiation in the

37. Magono Ch., Ch. W.Lee, 1973: The vertical structure of snow clouds as revealed by "Snow crystal sondes", Pt. II. J.Met.Soc.Jap.,51,3,176-190

38. Manabe S., J.Smagorinsky, R.F.Strickler, 1965: Simulated climatology of a general circulation model with a hydrological cycle. Mon.Wea.Rew., 93, 101-109

39. Matveev L.T., 1984: Cloud dynamics, Atmospheric Science Library, D. Reidel Publishinf Company, 340 pp.

40. Morcrette J.-J., 1990: Impact of changes to the radiation transfer parameterizations plus cloud optical properties in the ECMWF model. Mon.Wea.Rev., 118, 215-229

41. Nakaya, U., 1954: Snow crystals: natural and artificial. Harvard Univ. Press, 510 pp.

42. Penndorf R., 1950: Absorption of solar energy in E layer by molecular oxygen. J. Meteorol., 7, 3-7

43. Pirnach A.M., 1998: the construction and application of numerical models to the study of cloud dynamics and the structure of winter frontal rainbands. J.Atmos.Sci., 47-48, 355376

44. Potter, J.F., 1970: The delta approximation in radiative transfer theory. J.Atmos.Sci., 27, 943949

45. Pruppacher H.R., J.D.Klett, 1978: Microphysics of clouds and precipitation. D.Reidel publishing company, London, England, 350 pp.

46. Ritter, B., J.F.Geleyn, 1992: A comprehensive radiation scheme for numerical weather prediction models with potential applications in climate simulations. Mon.Wea.Rev., 120, 303-325

47. Rockel, B., E.Raschke, B.Weyres, 1991: A parameterization of broad band radiative transfer properties of water, ice and mixed clouds. Beitr.Phys.Atm., 64, 1-12

48. Rodgers C.D., 1967: The radiative heat budget of the troposphere and lower stratosphere. Mass.Inst. of Technology. Planetary Circulation Project, Rep. A2, 99 pp.

49. Roeckner, E., 1995: Parameterization of cloud radiative properties in the ECAHM4 model. In: WCRP Workshop "Cloud microphysical parameterization in global atmospheric circulation models", 23-25 May, 1995, WCRP-90, Kananskis, Canada, 105-116

50. Soden, B.J., L.J.Donner, 1994: Evaluation of a GCM cirrus parameterization using satelliteobservations. J.Geophys.Res., 99, D7, 14401-14413 Stephens, G.L., 1978a: Radiation profiles in extended water clouds. I. Theory. J.Atmos.Sci, 35,2111-2122

51. WCP-112, 1986: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation, 57 pp.

52. Wielicki, B.A, J.T.Suttles, A.J.Heymsfield, R.M.Welch, J.D.Spinhire, M.C.Wu, D.O'C.Starr, L.Parker, R.F.Arduini, 1990: The 27-28 October FIRE IFO cirrus study case:

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.