Optical and radiative characteristics of cirrus according to three-year data of lidar and actinometric investigation.pdf Введение Учёт влияния облачности на радиационный баланс земной поверхности является одной из важнейших задач в области исследования климата [1-3]. Различные формы облачности неодинаково влияют на величину приходящей на земную поверхность суммарной радиации, которая зависит как от высоты стояния Солнца, так и от параметров облачности. Основными из таких параметров являются не только количество облаков и их распределение по небосводу, но и их микроструктура. Исследования климаторегулирующей роли перистых облаков в основном представлены теоретическим моделированием с учётом идеализированных облачных макро- и микрофизических параметров, а также ряда приближений радиационного переноса в атмосфере [4]. В отличие от капельных облаков, точное описание размеров частиц в кристаллических или смешанных облаках затруднительно. Для этого вводится понятие «эффективного радиуса» частиц, основанное на равенстве какого-либо одного из свойств разных по форме частиц и некоторой модельной сферы. Предложены разные способы приравнивания характерных размеров реальных частиц к радиусам модельных сферических частиц. Несмотря на фундаментальное значение исследований влияния разных форм облачности на поток солнечного излучения регулярные измерения микрофизических характеристик облаков, необходимых для корректного решения уравнения переноса радиации в атмосфере, до сих пор отсутствуют. Кроме того, не принимается во внимание ориентация кристаллических частиц в перистых облаках, что может вносить серьёзные погрешности в определении радиационных характеристик атмосферы при наличии облаков верхнего яруса (ОВЯ). Исследование механизма воздействия перистой облачности на климат Земли имеет большое значение, поскольку облака этого типа ежедневно покрывают значительные территории земного шара. Однако до сих пор недостаточно внимания уделяется изучению влияния микроструктуры перистой облачности на суммарную солнечную радиацию. Основная проблема заключается в разработке физической модели ориентации кристаллических частиц в ОВЯ. Методика получения экспериментальных данных В Национальном исследовательском Томском государственном университете разработан метод лазерного поляризационного зондирования и создан поляризационный лидар, который позволяет дистанционно с поверхности Земли обнаруживать перистые облака и определять состояние ориентированности кристалликов льда [5-7]. Суть данного метода заключается в последовательной отправке лазерного излучения с четырьмя различными состояниями поляризации и регистрацией приёмной системой лидара рассеянного облаком (в направлении назад) излучения при четырёх различных комбинациях поляризационных элементов приёмника. В отличие от ранее проводимых экспериментов, в настоящее время регистрация лидарных сигналов ведётся в режиме «параллельного» накопления одноэлектронных импульсов, что позволяет определять все 16 элемен¬тов матрицы обратного рассеяния света (МОРС) с одинаковой погрешностью не хуже 2-3 %. На рис. 1, а представлен пример последовательности вертикальных профилей интенсивности лидарного сигнала, полученной в течение одной серии измерений. Видно, что диапазоны высот наблюдавшегося в эксперименте аэрозольного образования (примерно 4-6 км) совпадают для всех шест- Рис. 1. Вертикальные профили интенсивности лидарного сигнала (а) в параллельном и ортогональном каналах приёмной системы лидара (каналы A и B соответственно); в таблице перечислены соответствующие комбинации векторов Стокса зондирующего излучения и приборных векторов лидарного приёмника; временная динамика вертикального профиля интенсивности лидарного сигнала (б); цветами обозначены значения в фотоотсчётах от минимальной (чёрный) до максимальной (белый) надцати комбинаций поляризационных элементов передающей и приёмной систем лидара (правая горизонтальная шкала на каждом графике), что подтверждает «параллельное» накопление сигналов обратного рассеяния. На рис. 1, б приведена временная динамика вертикального профиля интенсивности лидарного сигнала в течение лидарного эксперимента. Пространственное разрешение (по вертикали) составляет 150 м (может варьироваться, достигая минимального значения 37.5 м), временное (по горизонтали) - около 2 с. Методика обработки лидарных данных позволяет учесть вклад многократного рассеяния (МР) [8] и по поляризационным характеристикам МР получить дополнительную информацию о микроструктуре облачных образований. Рис. 2. Поток суммарной солнечной радиации 8.01.2018 г. Актинометрические измерения потоков солнечной радиации проводились в автоматическом режиме ежедневно [7] на площадке Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, удалённой от места расположения лидара на 5 км. В качестве примера на рис. 2 представлен суточный ход потока суммарной солнечной радиации при наличии перистых облаков. Высотные профили метеовеличин над Томском, необходимые для интерпретации результатов лидарных экспериментов, оценивались по данным метеостанций, расположенных в Новосибирске и Колпашево. Метеоданные размещаются на сайте Вайомингского университета США в открытом доступе [9]. Для автоматического получения этой информации использовалось специально разработанное программное обеспечение [10]. Метеоданные включают температуру, давление, влажность воздуха, скорость и направление ветра на высотах формирования ОВЯ. Статистические характеристики «зеркальных» перистых облаков Повышенный интерес представляют кристаллические облака с аномально высоким обратным рассеянием. Этот эффект связан с зеркальным отражением излучения от ледяных кристаллов облаков, преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости. При вертикальном зондировании в направлении «зенит» параметром, характеризующим полярную ориентацию, является элемент m44 нормированной МОРС независимо от наличия или отсутствия азимутальной ориентации [11]. Как показано в [5], дополнительным признаком «зеркальности» облака является отношение рассеяния на высоте h, определяемое как , где и - коэффициенты обратного молекулярного и аэрозольного рассеяния соответственно. При значениях параметров облака m44 < (-0.4) и R(h) > 10 его можно считать «зеркальным» [5]. Из накопленных за 3 года данных (2016-2018 гг.) выбраны результаты экспериментов по зондированию ОВЯ, выполненных в близкие даты и время (с разницей не более двух часов и не более трёх дней) по всем трём годам (около 120 экспериментов). Так, например, в выборку вошли данные, полученные в сериях измерений, выполненных 6.04.2016 г. (12:05-12:19), 3.04.2017 г. (10:41-10:57) и 4.04.2018 г. (13:32- 14:05). Описанный критерий отбора данных использовался, чтобы минимизировать влияние расхождения зенитного положения Солнца на результаты анализа экспериментальных данных. Полученные таким образом гистограммы распределения характеристик ОВЯ над г. Томском, наблюдаемых при отсутствии облаков нижнего и среднего ярусов, представлены на рис. 3-5. Распределение оптической толщины ОВЯ по данным из описанной выборки (рис. 3) аппроксимировано логнормальным распределением с параметрами: A = 0.12; µ = 0; σ = 1. Указанные параметры выбраны на основе минимизации среднего модуля разности соответствующих значений распределения оптической толщины и логнормального распределения (он составил 2 %). Характеристика частот появления соответствующих значений элемента МОРС ОВЯ представлена на рис. 4. Анализ результатов поляризационного зондирования перистых облаков показывает, что их «степень зеркальности» характеризуется отношением рассеяния R и оптической толщиной τ. В качестве критерия «зеркальности» облака можно ввести отношение R к τ. На рис. 5 представлено отношение R/τ, полученное на основе экспериментальных данных. Рис. 3. Гистограмма распределения оптической толщины ОВЯ, наблюдаемых лидаром при отсутствии облаков нижних ярусов (по данным 2016-2018 гг.), и ее логнормальная аппроксимация Рис. 4. Гистограмма распределения величины элемента m44 МОРС ОВЯ (по данным 2016-2018 гг.) Рис. 5. Зависимость нормированной на оптическую толщину величины отношения рассеяния ОВЯ от τ (по данным 2016- 2018 гг.) Из рис. 5 следует, что зависимость отношения R/τ от оптической толщины может быть аппроксимирована экспоненциальной функцией. Гистограмма, характеризующая плотность распределения величины отношения R/τ, приведена на рис. 6, где видно, что наиболее часто (около 57 % случаев) наблюдаемым в экспериментах ОВЯ характерны значения R/τ в диапазоне 5-10. Указанная группа экспериментов полностью состоит из случаев наблюдения «незеркальных» облаков. Остальные значения рассматриваемого отношения характеризуют «зеркальные облака». Таким образом, до половины экспериментальных наблюдений обнаруживают преимущественную горизонтальную ориентацию ледяных кристаллов в ОВЯ. Рис. 6. Гистограмма распределения нормированной на оптическую толщину величины отношения рассеяния ОВЯ, наблюдаемых лидаром при отсутствии облаков нижних ярусов (по данным 2016-2018 гг.) Влияние ориентации кристаллов в перистом облаке на потоки солнечной радиации в приземном слое Для оценки влияния ориентации кристаллов в перистом облаке на поток солнечной радиации в приземном слое атмосферы рассмотрим результаты комплексного эксперимента, проведённого 8-9 января 2018 г., когда на протяжении суток над г. Томском наблюдались перистые облака. Суточный ход потока суммарной солнечной радиации представлен на рис. 7 и в таблице. № серии Дата и время (2018 г.) № серии Дата и время (2018 г.) 1 8 янв., 11:20-11:37 23 9 янв., 00:09-00:42 2 8 янв., 11:37-11:54 24 9 янв., 00:43-01:16 3 8 янв., 11:56-12:12 25 9 янв., 01:16-01:50 4 8 янв., 13:16-13:32 26 9 янв., 01:50-02:24 5 8 янв., 13:36-14:10 27 9 янв., 02:25-02:58 6 8 янв., 14:10-14:43 28 9 янв., 02:58-03:31 7 8 янв., 14:43-15:17 29 9 янв., 03:32-04:05 8 8 янв., 15:20-15:53 30 9 янв., 04:06-04:39 9 8 янв., 15:55-16:29 31 9 янв., 04:40-05:14 10 8 янв., 16:33-17:07 32 9 янв., 05:14-05:47 11 8 янв., 17:15-17:48 33 9 янв., 05:48-06:21 12 8 янв., 17:48-18:22 34 9 янв., 06:55-07:29 13 8 янв., 18:22-18:55 35 9 янв., 07:29-08:02 14 8 янв., 18:56-19:29 36 9 янв., 08:03-08:36 15 8 янв., 19:29-20:03 37 9 янв., 08:36-09:10 16 8 янв., 20:06-20:39 38 9 янв., 09:10-09:44 17 8 янв., 20:39-21:12 39 9 янв., 09:44-10:17 18 8 янв., 21:13-21:46 40 9 янв., 10:18-10:51 19 8 янв., 21:50-22:23 41 9 янв., 10:52-11:25 20 8 янв., 22:23-22:57 42 9 янв., 11:26-12:00 21 8 янв., 23:00-23:33 43 9 янв., 14:19-14:36 22 8 янв., 23:35-00:09 44 9 янв., 14:41-14:58 Рис. 7. Временная последовательность вертикальных профилей интенсивности лидарных сигналов от перистых облаков, наблюдаемых в эксперименте 8-9 января 2018 г. На рис. 7 приведена временная последовательность вертикальных профилей интенсивности одноформатных лидарных сигналов (приборный вектор приёмной системы параллелен плоскости поляризации зондирующего излучения), которая характеризует временную динамику изменчивости характеристик перистых облаков над лидаром. В таблице указаны номер серии измерений и конкретное время (местное) регистрации соответствующего лидарного сигнала (начало регистрации в режиме накопления и конец). Из рис. 7 следует, что геометрические характеристики облака (верхняя и нижняя границы, толщина) и оптическая толщина облака (в вертикальном направлении) существенно варьируют в течение суток. Обращает на себя внимание как непрерывное наличие перистой облачности в течение всего описанного двухдневного эксперимента, так и присутствие «зеркальной» облачности в течение первых серий измерений. На рис. 8 показана временная динамика изменения оптической толщины облака τ (шкала справа) и его отношения рассеяния R (шкала слева). По горизонтальной оси отложен номер серии, по которому из таблицы нетрудно определить время эксперимента. Рис. 8. Суточная динамика изменения оптических характеристик перистых облаков 8-9 января 2018 г. Как видно из качественного сравнения кривых на рис. 8, прослеживается следующая тенденция: при увеличении отношения рассеяния (более 30) оптическая толща перистого облака уменьшается и, наоборот, увеличивается, если отношение рассеяния резко падает. Такая закономерность возможна, если предположить, что при малых оптических толщах в перистом облаке кристаллы льда ориентированы преимущественно в горизонтальной плоскости, т.е. облако становится «зеркальным». Для оценки влияния ориентированности кристаллов льда в перистых облаках на инсоляцию земной поверхности поступим следующим образом. Поскольку отношение рассеяния R и поток суммарной солнечной радиации QΣ зависят от оптической толщи, будем рассматривать временную динамику этих величин, нормированных на оптическую толщу, а именно R/τ и QΣ/τ (рис. 9). Рис. 9. Суточный ход нормированных на оптическую толщу облака значений отношения рассеяния R и потока суммарной солнечной радиации QΣ 8-9 января 2018 г. Большое значение нормированного на оптическую толщу облака отношения рассеяния R/τ > 150-200 можно считать признаком его «зеркальности». Из хода кривых на рис. 9 следует, что 8 января с 11:56 до 14:10 облако над лидаром было «зеркальным», а 9 января с 11:26 до (примерно) 14:36 в облаке кристаллические частицы льда были хаотически ориентированы, т.е. облако состояло из мелких (порядка 10 мкм) частиц. Из сравнения величин нормированных потоков суммарной радиации у поверхности Земли можно сделать вывод о том, что при одинаковых оптических толщинах альбедо «зеркального» перистого облака значительно выше, чем альбедо облака с хаотически ориентированными частицами льда. Заключение Результаты комплексных экспериментов показывают, что величины потоков солнечной радиации у поверхности Земли варьируют в широких пределах и зависят от многих факторов [12]. Тем не менее поток суммарной солнечной радиации, измеряемой у поверхности Земли, заметно отличается для ОВЯ, состоящих из хаотически ориентированных частиц льда и облаков с существенной ориентацией кристаллов в горизонтальной плоскости. Установлено, что облака с аномальным обратным рассеянием («зеркальные») наблюдаются достаточно часто и могут составлять до половины всех случаев наблюдения ОВЯ. Поэтому данный эффект особо необходимо учитывать в климатических моделях при вычислении потоков радиации в облачной атмосфере.

Скачать электронную версию публикации