На правах рукописи

Фомина Надежда Владимировна

ГЛОБАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ

РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ ИСЗ РОССИИ И

США

Специальность 25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Казань – 2009

Работа выполнена в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского на кафедре метеорологии и климатологии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Скляров Юрий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Вельтищев Николай Федорович доктор географических наук, профессор Френкель Марат Ошерович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Пермский государственный университет

Защита состоится 17 декабря 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.081.20 Казанского государственного университета по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, корп. 2, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского государственного университета.

Автореферат разослан 12 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, Ю.Г. Хабутдинов доцент

Общая характеристика работы

.

Актуальность проблемы. В Саратовском государственном университете ведутся работы как по созданию наземной, аэростатной и спутниковой аппаратуры для измерений составляющих РБЗ так и по обработке результатов наблюдений с аэростатов и ИСЗ. Настоящая диссертация является естественным продолжением двух предшествующих (А.И. Котумы и Н.В. Семеновой), в которых были отработаны основные вопросы обработки спутниковых наблюдений от «сырых» данных на орбите, до построения глобальных карт распределений. Однако остались нерешенными ряд важных вопросов. Кроме того, в связи с ожидаемыми новыми запусками ИСЗ с модернизированной аппаратурой ИКОР-2М, возникла необходимость детального анализа этих вопросов, связанных с обработкой наблюдений как с ИСЗ «Ресурс-01» № так и в более широком плане. Было решено также выполнить анализ материалов четырех атласов NASA США, обеспечить сравнимость наших материалов с американскими и подготовить программное обеспечение для обработки предстоящих спутниковых наблюдений.

Цель настоящей работы – оценка временной и пространственной изменчивости составляющих РБЗ по материалам наблюдений с ИСЗ «Ресурс-01» № (Россия) и ИСЗ «Nimbus-6» и «Nimbus-7» (США).

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать метод и выполнить расчеты среднесуточных и среднемесячных величин альбедо по данным от ИСЗ «Ресурс-01» №4 с перспективой использования в дальнейших исследованиях.

2. Завершить работы по оценке наблюдаемости земной поверхности с гелиосинхронных ИСЗ при любой ориентации плоскости орбиты по отношению к плоскости меридиана Солнца.

3. Выполнить детальный анализ материалов 4 атласов альбедо, поглощенной радиации и УДР, изданных NASA США, для учета имеющегося опыта и обеспечения сравнимости материалов с подготовленным нами атласом УКР, альбедо и поглощенной радиации с ИСЗ «Ресурс-01» №4.

4. Создать и представить атлас наблюдений радиометром ИКОР с ИСЗ «РесурсВыполнить предварительный анализ и оценить качество материалов атласа.

Использованные материалы.

1. Данные наблюдений УКР аппаратурой ИКОР с гелиосинхронного ИСЗ «Ресурсза 1998-99 гг.

2. Данные наблюдений УКР аппаратурой ИКОР с ИСЗ «Метеор-3» №7 за 1994-95 гг. и их обработки.

3. Атласы NASA карт распределения альбедо и поглощенной солнечной радиации за 1975-1978 гг. и 1985-1987 гг.

4. Атласы NASA уходящей длинноволновой радиации за 1979-1987 гг.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод и алгоритм получения среднесуточных и среднемесячных величин альбедо по измерениям аппаратурой ИКОР с ИСЗ «Ресурс-01» №4.

2. Получены количественные оценки наблюдаемости земной поверхности с гелиосинхронных ИСЗ при любой ориентации плоскости орбиты.

3. Выполнен детальный анализ материалов атласов альбедо, поглощенной радиации и УДР, изданных NASA США.

4. Обработан весь массив наблюдений с ИСЗ «Ресурс-01»№4. Создан макет атласа наблюдений спутниковым радиометром ИКОР с ИСЗ «Ресурс-01» №4 и выполнен предварительный анализ полученных материалов.

На защиту выносятся:

1. Методики и алгоритмы расчета среднесуточных и среднемесячных величин альбедо.

2. Анализ и результаты оценки наблюдаемости земной поверхности с гелиосинхронных ИСЗ для радиометров, ориентированных в надир.

3. Особенности широтного распределения и временных вариаций составляющих радиационного баланса Земли по данным атласов NASA. Методика получения глобальных величин альбедо и поглощенной радиации. Результаты анализа полученного материала.

4. Материалы атласа наблюдений по данным с ИСЗ «Ресурс-01» №4 и оценка его качества.

Научно-практическая ценность работы.

1. Методики расчетов, алгоритмы и соответствующие программные средства могут использоваться для других СПЗ радиометров, работающих на гелиосинхронных орбитах и обычных прямых прецессирующих ИСЗ.

2. Разработана программа расчета среднесуточных величин альбедо. Доработана программа визуализации «ИКОР-М», которая обеспечивает:

- получение широтного распределения УКР, альбедо и поглощенной радиации для любого витка;

- возможность визуального просмотра на картах соответствующих проекций пространственно-временной изменчивости УКР и альбедо для любого витка и любого отсчета с выдачей координат подспутниковой точки, значений местного времени, зенитных углов Солнца и других сопутствующих величин в момент измерений;

- получение глобального распределения среднемесячных величин УКР, альбедо и поглощенной радиации на сетке с ячейками 5°5° дуги большого круга Земли;

- получение среднемесячных зональных величин УКР, альбедо, поглощенной радиации.

3. На наиболее крупные программы: «Программа расчета среднесуточного альбедо Альбедометр» и «Программа анализа данных спутникового измерителя ИКОРМ» получены свидетельства о государственной регистрации.

4. Создан макет атласа составляющих радиационного баланса Земли по данным ИСЗ «Ресурс-01 №4, который готовится к опубликованию.

Апробация работы.

Основные положения и материалы работы докладывались на следующих конференциях:

Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Россия, Москва, ИКИ РАН 2003).

Третья всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Россия, Москва, ИКИ РАН 2005).

Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования 3емли из космоса» (Россия, Москва, ИКИ РАН 2007).

Всероссийская научная конференция с международным участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Татарстан, Казань, 2009) на отчетных научных конференциях географического факультета СГУ и на объединенных семинарах кафедры метеорологии и климатологии СГУ и лаборатории астрономических и геофизических исследований НИИ ЕН отделения механики и физики СГУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Список использованных источников содержит 84 наименования. В диссертации имеется всего 147 страниц машинописного текста, включая 50 рисунков и 15 таблиц.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. В том числе 2 работы [2, 3] опубликованы в журнале, издаваемом РАН и входящем в список ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении подчеркнута актуальность проблемы, рассматриваемой в работе, сформулированы ее основные цели и задачи, обоснована научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Глава 1 содержит описание методики получения среднесуточных величин альбедо радиометром ИКОР. Разработанная методика необходима для определения среднесуточных значений альбедо по мгновенным величинам альбедо, полученным непосредственно из измерений, она также включает в себя, в том числе, и построение карт глобальных распределений среднемесячных величин альбедо, оценку репрезентативности данной методики и сравнимости полученных данных с данными опубликованных атласов.

Альбедо, полученное по величине УКР, дает его мгновенное среднее значение по ПЗ. Если в течение светового дня надирным радиометром будет измеряться альбедо одной и той же сцены, то будут получены различающиеся величины альбедо. Это зависит от ряда причин, в том числе и от условий освещенности сцены. Поскольку на ВГА единственным источником освещенности является Солнце, то альбедо сцены в каждый момент есть функция угла падения лучей Солнца, т.е. его зенитного угла Z:

=(Z). Следовательно, по мгновенному измеренному альбедо конкретного участка поверхности при конкретном Z необходимо оценить среднесуточное значение альбедо Конкретно использовались модели, разработанные в проекте США ERBE. Эти модели охватывают 12 различных типов сцен. Каждый тип имеет свою особенную зависимость от Z. При обработке спутниковых измерений надо оценить тип сцены и дальнейшие определения среднесуточных величин альбедо для данного региона, попадающего в ПЗ радиометра, вести с соответствующей моделью.

Для описания изменений потоков радиации в зависимости от зенитного угла Солнца значения этого угла (диапазон изменений Z от 0° до 90°) разделены на промежутки, названные «бинами», и модель представлена в средних оценках для каждого бина. Бины выбирались из условия, что cosZ от бина к бину изменяется на 0,1. Альбедо в пределах бина не меняется.

Для представления угловой модели создается нормированная функция альбедо, которая получается путем деления табличного значения альбедо (для любого номера бина) на соответствующее табличное значение альбедо при зенитном положении Солнца (бин 1).

Бин i=1 соответствует зенитному значению альбедо для данного типа модели.

Поскольку радиометр на ИСЗ обычно наблюдает данный регион только один раз в течение суток (на освещенной части Земли), то для осреднения в таких условиях можно принять, что характерная для региона сцена в течение дня также не изменится.

При таком допущении возможно получить суточное среднее значение альбедо. Это можно выполнить посредством применения соответствующей типу сцены направленной модели.

Из определения нормированной функции альбедо следует, что для измеренного мгновенного значения (Z) при фактическом зенитном угле Z в момент измерения можно получить соответствующее зенитное значение альбедо, т.е. (Z= 0):

где n j - нормированная направленная функция альбедо, i – номер бина, а j – номер модели. Используя это выражение и принцип, заложенный в направленных моделях альбедо, а именно, что существует аналогичное линейное соотношение между среднесуточным значением альбедо сут и зенитным значением ( Z = 0), можно получить сут.

Очевидно, что для получения среднесуточного значения сут нужно найти коэффициент пропорциональности n j, который рассчитывается как средневзвешенное по инсоляции значение данный день находиться Солнце от восхода до захода. В общем случае этот коэффициент зависит от типа сцены (j), от широтного расположения измеряемой площадки ( -географическая широта), от времени года ( - склонение Солнца).

Величины и определяют продолжительность светового дня и минимальное значение Z в данный день. Коэффициент измерения). Учитывая (1), получим:

Параметр n j позволяет мгновенные значения альбедо в моменты измерений (при фактических значениях Z) приводить к соответствующему среднесуточному значению у измеряемой сцены в день измерений.

Предложенная методика расчета среднесуточного альбедо заключается в следующем.

Процедура производится на основании данных, выдаваемых с ИСЗ по каналам телеметрии и содержащих в том числе географические координаты подспутниковой точки на момент измерения, результат измерения в кодах напряжений радиометра. По этим данным определяется мгновенное значение альбедо, зенитный угол Солнца (ЗУС) на момент измерения, т.е. величина (Z). ЗУС показывает к какому бину в моделях альбедо относится данное (Z), для этого достаточно установить, в границах какого бина находится Z в момент измерения. По географическим координатам подспутниковой точки, к которой привязывается (Z), определяется номер ячейки принятой сетки. Следовательно, сразу определяется базовая модель альбедо. Базовых моделей в таблице моделей направленного альбедо всего пять: океан, суша, снег, пустыня, смесь. Остальные созданы на основе базовых при соответствующих градациях облачности. Принадлежность мгновенного измеренного значения альбедо (Z) к полученному бину ЗУС, отыскивается табличная величина альбедо j, наиболее близкая к измеренному значению (Z) среди типов моделей для данной подстилающей поверхности. Базовая модель отыскивается по типу подстилающей поверхности, а конкретная – с учетом облачности. Следовательно, к (Z) можно применять определенное моделями направленного альбедо значение нормированной направленной функции n j, рассчитанной для ЗУС в пределах конкретного бина. Тогда для измеренной величины альбедо (Z) сразу находится конкретное значение «зенитного» альбедо, т.е. альбедо при Z=0:

Таким образом, определение конкретного значения зенитного альбедо по (Z) в случае, когда углы Z заключены в пределах одного бина, производится с одним и тем же значением Реально над данной ячейкой сетки на ВГА Солнце в течение светового дня проходит бины от 10-го (после восхода) до некоторого минимального (полдень) и затем в обратном порядке до захода. Поскольку суточные параллели Солнца симметричны относительно небесного меридиана, можно рассматривать, например, только первую половину дня.

Выражение (3) можно использовать для получения среднесуточного значения альбедо. Из этого выражения следует: ( Z ) = ( Z = 0)n j. Если учесть, что Солнце за день проходит количество бинов, до некоторого бина k, и получить усредненное за световой день значение n j для выбранной модели, то тогда = ( Z = 0)n j в соответствии с принципами построения направленных моделей альбедо. Очевидно, что вклад каждого n j в среднесуточное значение альбедо пропорционален промежутку времени tb пребывания Солнца в соответствующем бине.

А сумма tb для бинов от восхода Солнца до меридиана равна часовому углу восхода tS выраженному во времени. Тогда среднесуточное (т.е. за световой день, т.к. ночью альбедо не измеряется) значение нормированной величины n j, очевидно, равно:

где i= 10, 9…k, при этом k – наименьший номер бина, соответствующего Z для выбранной ячейки сетки. В наших обозначениях номер бина совпадает с номером часового угла Солнца при пересечении им нижней границы бина. В зависимости от широты места ячейки сетки и времени года Солнце может проходить разное число бинов. Для того, чтобы определить наименьший номер бина, находится минимальное зенитное расстояние Солнца, Z для любой точки на ВГА по значениям ее широты и склонения Солнца в момент его верхней кульминации.

Часовые углы Солнца в моменты восхода и захода tS определяются по формуле:

и выражаются в единицах времени. Для определения часовых углов моментов входа Солнца в бин применяется соотношение:

Здесь Z b – значения ЗУС для нижних границ бинов, tb - часовые углы Солнца при пересечении им нижних границ бина.

Применяя (5) к нижним границам бинов получим: tb = ti ti 1.

Среднее значение альбедо за сутки может отличаться от мгновенного. Специфика измерений радиометром типа ИКОР в том, что он измеряет УКР и альбедо только в одном направлении – в надир. Если орбита гелиосинхронного ИСЗ околополуденная, то мгновенные альбедо у низких географических широт всегда будут измеряться при относительно малых Z. А при получении среднего значения n j учитываются все бины до горизонта (включая бин 10). Но у бинов с большими значениями i нормализованные функции n j имеют высокие значения (кроме сцены «снег»), за счет чего среднесуточные величины альбедо для этого типа орбиты будут больше мгновенных в низких широтах. В высоких широтах, когда Солнце может в течение дня двигаться в пределах 1-2 бинов у горизонта, среднесуточное альбедо будет близко к мгновенному.

Однако, в высоких и особенно приполярных широтах в различные времена года из-за влияния годовых изменений склонения Солнца в пределах от -23°27 до +23°27, восходы и заходы могут отсутствовать. Далее в главе рассматриваются в общем виде особенности суточного движения Солнца на приполярной широте.

Показано, что условием для незаходящего Солнца будет следующее: 90°-, а для заходящего и восходящего: 90°-. В диссертации приведена упрощенная методика расчетов продолжительности полярного дня для любых полярных широт.

При приближении к полюсу убывает величина 90°- и растет число дней полярного дня. Если =90°, т.е. площадка находится на полюсе, 90°- = 0, т.е. полюс мира Р совпадает с зенитом, а небесный экватор совпадет с математическим горизонтом. При любых >0 Солнце не будет заходить, а при п, но меньше 90°, усреднение по разработанной методике производится только для дней, когда 90°-, усреднение можно выполнить следующим образом. Рассмотрим рисунок 1. На нем изображена ситуация, когда >90°восхода-захода нет, Солнце в нижней кульминации проходит над точкой севера (N).

Рис. 1. К расчету среднесуточных альбедо в условиях «полярного дня»

Для оценки ЗУС воспользуемся формулой зенитного угла Солнца в нижней кульминации:

Эта формула легко находится из рисунка 1: - это ZO (над точкой севера N). Он состоит из 2-х углов: ZOР = 90°- и РO = 90°-. Их сумма дает формулу (6). Находя по формуле (6) Z.к. и сопоставляя его с табличными величинами нижних границ бинов, получим место Солнца в соответствующем бине в момент нижней кульминации. Изображен случай, когда Солнце кульминирует над нижней границей 9го бина. Далее, вместо определения часового угла восхода Солнца сразу принимаем часовой угол в нижней кульминации 12 часов. Затем, подставляя в формулу (5) нижнюю границу 8-го бина, получим tb и время пребывания Солнца в бине 9: (12 час tb ) и далее, как и в предложенной методике. Таким образом, в данном примере бин 10-й исключается из осреднения. Аналогично и для других приполярных широт.

Для получения среднесуточного значения поглощенной радиации на какой-либо площадке необходимо знать среднесуточную величину приходящего солнечного излучения Е [Вт/м2] и среднесуточную величину альбедо этой же площадки. Тогда суточное среднее поглощенной радиации Q можно выразить как:

Величину Е можно получить, пользуясь известной формулой Миланковича для расчета дневной суммы солнечной радиации Е на верхней границе атмосферы (ВГА):

где Е0 – величина солнечной постоянной, Т0 – продолжительность суток (Т0=86400 с); ts – выраженный в радианах часовой угол Солнца в моменты восхода tв, либо захода tз, r – текущее расстояние Земля-Солнце в астрономических единицах, широта места, - склонение Солнца. Для ВГА (нет рефракции) величина ts находится по формуле (4), откуда +ts = tз; -ts = tв.

Выражение (8) дает полную энергию Е [Дж/м2] на квадратный метр за световой день. Очевидно, что эта же энергия получается площадкой и за сутки. Тогда для получения Е необходимо выражение (8) разделить на Т0 и расчетная формула для Е принимает вид:

Следует отметить, что поскольку в течение суток расстояние r меняется незначительно, то можно при расчетах E=E0/r2 пользоваться единым значением для текущих суток.

В приполярных широтах формула приобретает вид (ts==12 ч.):

Формула напоминает общую формулу падения радиации на поверхность; она уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей с нормалью к поверхности. Все вышеизложенные соображения учтены при доработке программ расчетов.

Глава 2 Описывается методика оценки наблюдаемости земной поверхности с гелиосинхронных орбит радиометрами, ориентированными в надир. Раннее, в работах Ю.А. Склярова с сотрудниками была решена конкретная задача оценки наблюдаемости земной поверхности с ИСЗ «Ресурс-01» №4. В настоящей работе метод обобщен.

Созданная на основе полученных соотношений программа позволяет оценить годовой ход наблюдаемости земной поверхности для орбит любой ориентации.

Практически у всех гелиосинхронных орбит угол наклонения i задается в пределах 98-99 градусов. Следовательно, величиной, которая может изменяться в пределах 0°…+90° и 0°…-90° для каждого из узлов орбиты, является угол ориентации, т.е. угол в плоскости экватора между заданным узлом и меридианом Солнца. Если =0°, то спутник является полуденным (он пересекает экватор в 12 часов местного солнечного времени). При > 0°, при величинах 20°-45° говорят о дополуденном ИСЗ (время пересечения экватора 10,5–9 часов). При близком к 90° спутник является