Информация о ходе выполнения проекта №14.604.21.0100

Мониторинг состава, строения и динамики атмосферы методами дистанционного зондирования и контактными средствами: развитие методов, интеркалибровка средств, продолжение многолетних рядов

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 16 июля 2014 г. № 14.604.21.0100 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2015 г. по 30.06.2015 г. выполнялись следующие работы:

1. Разработка методики измерений концентрации и распределения по размерам рассеивающего и поглощающего вещества.
2. Теоретические исследования спектрального поведения оптических коэффициентов и микрофизические характеристики аэрозольных частиц.
3. Разработка методики многочастотного лазерного зондирования оптических характеристик атмосферных аэрозолей по сигналам обратного упругого рассеяния.
4. Разработка методики оценки релевантности спутниковых данных о метеорологическом состоянии атмосферы.
5. Исследование и разработка алгоритмов оценивания скорости и направления ветра из данных измеряемых лидаром «Stream Line».
6. Исследование и разработка алгоритмов атмосферной коррекции спутниковых изображений в видимом диапазоне длин волн.
7. Теоретические исследования работы отдельных функциональных блоков содара, включая блоки абсолютной калибровки измерительных каналов.
8. Исследование и разработка алгоритмов схем вычисления структурных характеристик температуры и показателя преломления.
9. Проведение работ по мониторингу на действующей системе.
10. Подготовка заявок на патентование.
11. Аренда измерительных мачт для мониторинга.
12. Аренда самолета для проведения полетов по интеркалибровке.
13. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.
 

При этом были получены следующие результаты:

Разработаны методики: измерений концентрации и распределения по размерам рассеивающего и поглощающего вещества аэрозоля, многочастотного лазерного зондирования оптических характеристик атмосферных аэрозолей по сигналам обратного упругого рассеяния, валидации спутниковых данных о метеорологическом состоянии атмосферы.
Проведены теоретические исследования спектрального поведения оптических коэффициентов и микрофизические характеристики аэрозольных частиц, работы отдельных функциональных блоков содара, включая блоки абсолютной калибровки измерительных каналов.

Выполнены исследования и разработка алгоритмов: оценивания скорости и направления ветра из данных измеряемых лидаром «Stream Line», атмосферной коррекции спутниковых изображений в видимом диапазоне длин волн, вычисления структурных характеристик температуры и показателя преломления.

Разработанная методика многочастотного лазерного зондирования оптических характеристик атмосферных аэрозолей по сигналам обратного упругого рассеяния применима для устойчивого восстановления коэффициентов ослабления и обратного рассеяния. Основным достоинством метода является получение физически обоснованных профилей за счет сужения класса возможных решений. Реализация алгоритма в условиях априорной неопределенности по области допустимых значений, применение специальных методов обращения интегрального уравнения позволяет автоматически подбирать параметры восстанавливающего фильтра и вводить ограничения на область изменения искомой производной. Результаты разработки методов численного дифференцирования могут быть также использованы в методе дифференциального поглощения и при количественной интерпретации профилей деполяризации от оптически плотных сред.

Исследование и разработка алгоритмов оценивания скорости и направления ветра из данных измеряемых лидаром «Stream Line», на втором этапе выполнения работы позволила разработать эффективный алгоритм восстановления высотных профилей при коническом сканировании зондирующим пучком. С помощью предложенного нового алгоритма численного моделирования, имитирующего работу этого лидара, проведены теоретические исследования точности и возможностей восстановления вертикальных профилей вектора скорости ветра. Определены оптимальные параметры измерения лидаром и процедуры обработки измеренных данных, обеспечивающие максимально возможную высоту восстановления профилей ветра. На основе разработанного алгоритма восстановления высотных профилей скорости и направления ветра, в среде программирования LabVIEW создана программа «ПСНВ». С помощью этой программы считываются исходные данные измерений лидаром «Stream Line» с диска компьютера, из которых затем восстанавливаются высотные профили скорости ветра, угла направления ветра и вертикальной составляющей вектора скорости ветра. Программа позволяет последовательно получать высотные профили ветра в реальном режиме времени с заданным временным разрешением.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования возможности определения высотно-временного распределения абсолютных значений структурных характеристик температуры воздуха и показателя преломления оптических волн в пограничном слое атмосферы с помощью методов и технических средств дистанционного акустического зондирования (метеорологического акустического локатора – содара). Разработана функциональная схема содара, предназначенного для измерения структурных характеристик и вектора ветра. Изготовлены и проверены в ходе натурных экспериментов отдельные блоки аппаратно-программного комплекса содара. Разработана и опробована технология автоматической абсолютной калибровки измерительных каналов содара, необходимая для реализации методов восстановления структурных характеристик. На полученном в ходе выполнения проекта экспериментальном материале проверены предложенные методики обработки содарных данных для получения структурных характеристик и полного вектора ветра.

Результаты сравнения данных наземных и спутниковых измерений влагосодержания для ИК-диапазона и ближнего ИК-диапазона прибора MODIS оказались различными. Влагосодержание, восстановленное по спутниковым измерениям в ИК-диапазоне спектра, плохо согласуется с данными солнечного фотометра: среднее различие порядка 200%, коэффициент корреляции составляет всего R=0.61. В противоположность этому, для спутниковых измерений влагосодержания в ближнем ИК-диапазоне было получено хорошее согласие с фотометрическими измерениями W. При высоком коэффициенте корреляции R=0.91 расхождение результатов наземных и спутниковых измерений составило всего 0.16 г/см² (12%), а среднеквадратическое отклонение равно 0.26 г/см². Таким образом, результаты проведенной валидации показали соответствие спутниковых измерений ожидаемому уровню точности для спутниковых методов восстановления над сушей АОТ и влагосодержания.

Продолжение работ по мониторингу на действующей системе позволило установить.

По результатам впервые выполненного длительного мониторинга распределения сажи по размерам с помощью разработанного диффузионного метода и созданного спектрометра сажи установлены новые особенности сезонной изменчивости распределения ВС в частицах в диапазоне размеров 10-1000 нм. Продолжение непрерывных наблюдений и накопление длинного ряда измерений составит основу для создания базы данных и разработки региональной эмпирической модели, описывающей временную динамику распределения сажи по размерам в масштабах суточной, сезонной и межгодовой изменчивости.

На основе статистического анализа, проведенного для массива из 110 сеансов лидарных измерений, определены вертикальные границы основных рассеивающих слоев тропосферы - пограничного слоя, слоев средней и верхней тропосферы. Средние значения (стандартные отклонения) их верхней границы составляют 1.2 (0.3) км, 5.0 (0.7) км, 10.6 (0.6) км для холодного периода наблюдений, и 2.5 (0.9)км, 6.2 (1.1)км, 11.3 (0.7) км для теплого периода наблюдений, соответственно. На основе совместного анализа результатов лидарных измерений и расчета 10 суточных обратных траекторий перемещения воздушных масс выделено четыре основных направления горизонтального переноса аэрозоля в Томск. В пограничном слое показано изменение оптических характеристик, обусловленное переносом аэрозоля из различных географических регионов, определяющих арктические и субтропические воздушные массы. Наличие арктического переноса обусловливает низкие значения оптической толщи, 0.026 (0.05) и относительно высокие значения параметра Ангстрема для 355/532нм, 1.62 (1.4); в скобках, для сравнения, представлены средние значения по всему массиву измерений, без идентификации типа воздушной массы. Одновременно относительно низкие значения лидарного отношения для 355/532нм, 54/47ср (60/51ср) и параметра Ангстрема для 355/532нм, 1.1 (1.4), наблюдаются только при азиатском направлении переноса.

В 2015 г. продолжается регулярный мониторинг характеристик стратосферного аэрозоля и озона. В 2015 г., как и в предыдущие 2012-2014 гг. наблюдается фоновое содержание стратосферного аэрозоля. По результатам работы выделены периоды повышенного содержания стратосферного аэрозоля после серии вулканических извержений 2006-2011 гг. Определен глобальный форсинг вулканического аэрозоля, составивший -0.19 ± 0.09 Вт/м^-2 за период после 2000 г. В результате темп глобального потепления замедлился.

Со второй половины 1990-х годов по настоящее время практически повсеместно наблюдается прекращение деструкции озонового слоя, или же регистрируется тренд роста ОСО, что особенно заметно в средних и высоких широтах Северного полушария. Тренд роста ОСО за период 1996-2013 гг. над Томском составил 0,65 е.Д./год. Вторую половину 2014 г. ОСО было повышенным. Среднее значение за сентябрь - октябрь составило 340 е.Д. в 2014 г. против 321 е.Д. в 2013 г. Тем не менее, весеннее понижение ОСО в 2014 г. оказало более существенное влияние на его годовой ход. В результате среднее годовое значение составило 362 е.Д. в 2014 г. против 370 е.Д. в 2013 г. Колебания озона весной 2014 и 2015 гг. происходили в противофазе.

В ходе мониторинга пограничного слоя атмосферы с использованием действующего содара проведены оценки диапазона изменения абсолютных значений структурной характеристики температурного поля на разных высотах и полученные результаты сопоставлены с измерениями данной величины в приземном слое атмосферы с помощью ультразвуковой метеостанции.

В соответствии с календарным планом и техническим заданием все поставленные задачи выполнены полностью.