Delist.ru

Диагностика состояния полей озона и УФ - облучённости и их моделирование (15.09.2007)

Автор: Крученицкий Григорий Михайлович

Рис. 8 Коэффициент детерминации модели по данным тестирования ИК-радиометрами

CRISTA1 (a) и CRISTA2 (b)

Рис. 9. Коэффициент детерминации модели (1) по данным баллонных измерений ВРО на антарктических станциях South Pole (a) и Syowa в 1998 году во время крупнейшей в истории ВОАА (b)

Примеры результатов тестирования модели по данным баллонного зондирования иллюстрирует рисунок 7, гистограмма результатов тестирования по данным спутникового ИК – радиометра CRISTA (свыше 60 000 профилей) – рисунок 8. Нарушения термодинамического равновесия во время весенней антарктической озоновой аномалии (ВОАА) иллюстрирует рисунок 9. Далее в главе выполнен анализ каталитического цикла окиси хлора, как возможного механизма формирования ВОАА и в его ходе выявлен значительный дефицит твердофазной соляной кислоты, что указывает на недооценку альтернативных (динамических) механизмов формирования ВОАА. Предложен альтернативный механизм формирования ВОАА, обусловленный прямым разрушением молекул озона на частицах ПСО с поверхностью, активированной процессом возгонки под действием солнечного излучения. Численные оценки вероятности гибели молекул озона на поверхности частиц ПСО, выполненные на основе прямого расчёта высотного распределения химического потенциала озона и кинетической энергии его молекул, вполне удовлетворительно согласуются с наблюдаемыми значениями, а также объясняют отмеченное выше нарушение термодинамического равновесия наличием стока озона на поверхность частиц ПСО (рис. 10).

Рис.10. Вероятность разрушения молекул озона при

столкновениях с частицами ПСО в различные периоды развития ВОАА 1987 года

Вероятность рассчитана из требования превышения кинетической энергией молекул озона его химического потенциала:

Приведенные рассмотрения убедительно свидетельствуют о том, что аналитический подход при формировании алгоритмической базы системы озонного мониторинга может быть эффективно использован, как для диагностики наблюдаемых состояний, так и для тестирования версий наблюдаемых изменений. Данный подход должен основываться либо на физически адекватных моделях, допускающих качественную интерпретацию, либо на численных оценках, базирующихся на внутренне непротиворечивых логических построениях. Кроме того, ввиду многочисленности наличия неконтролируемых или плохо контролируемых параметров в натурном геофизическом эксперименте, любые аналитические результаты должны подвергаться тестированию на исчерпывающем экспериментальном материале, что должно обеспечиваться возможностями баз данных, входящих в состав системы мониторинга.

Четвёртая глава посвящена разработке программных средств и решений, используемых при построении системы мониторинга. В ней обоснована функциональная схема (рис.11) системы озонного мониторинга (СМОУФ), использующая в качестве основного алгоритма выявления аномалий в текущих реализациях озоновых полей распознавание их принадлежности к нормальному образу этих полей, представляющему собой климатическую норму и пределы естественной изменчивости, т.е. реализующая статистический подход к задачам мониторинга, развитый в главах 1 и 2.

Рис. 11. Функциональная схема СМОУФ

Описаны основные принципы разработки программного обеспечения, позволившего создать необходимые для функционирования системы мониторинга базы данных и нормальные образы глобальных полей ОСО. Обоснована из общих соображений и подтверждена разнообразными примерами целесообразность и эффективность использования электронных таблиц Excel в качестве СУБД для информационного обеспечения мониторинга и скрипта для его алгоритмического обеспечения. Адекватность

Рис. 12. Среднемесячное глобальное распределение ОСО в октябре 1996 г.

Рис. 13 Антикорреляция концентрации озона

и интенсивности его стока на поверхность ПСО.

разработанных решений подтверждена примерами из практики созданной и эффективно функционирующей на протяжении многих лет система мониторинга состояния глобальных полей озона (рис. 12-14).

Эти примеры иллюстрируют картирование полей озона и их отклонений от климатических норм в абсолютных единицах, процентах и единицах стандартного (среднеквадратичного) отклонения, диагностирование аномалий, сравнение данных озонометрической аппаратуры наземного и спутникового базирования, определение систематических и случайных расхождений между этими классами аппаратуры и пр.

Рис. 14. Сравнение качества работы наземных станций Киев и Одесса

Пятая глава диссертации посвящена вопросам моделирования и мониторинга полей УФ – облучённости солнечным излучением поверхности Земли. В ней обоснована необходимость создания эмпирической модели для мониторинга полей УФ - облучённости, вызванная высокой пространственной изменчивостью полей балла общей облачности и связанной с этим невозможностью интерполяционного подхода к построению названных полей. Далее описана созданная для построения эмпирической модели создана база данных синхронных измерений спектральной плотности энергетической освещённости, общего содержания озона и балла общей облачности по данным измерений 7 станций, расположенных в широтном поясе от 440N до 75 0N. (Нигде более синхронные измерения такого рода не ведутся.) Приведены алгоритмы разработки эмпирической модели для расчёта спектральной плотности энергетической освещённости в УФ-Б диапазоне по данным об общем содержании озона, балле общей облачности и зенитном угле Солнца и выполненные по результатам моделирования оценки её точностных характеристик для различных условий.

может быть представлена в виде:

при дополнительных условиях, обеспечивающих непрерывность и гладкость сшивки:

Рис. 15. Эффективность эмпирического моделирования СПЭО

Рис. 16. Зависимость коэффициента А от длины и БОБ.

на рисунках 16-20, соответственно.

'раммно реализованный и внедрённый в практику мониторинга алгоритм определения балла общей облачности по спутниковым данным различного класса, а именно видимым и ИК изображениям земной поверхности с геостационарных спутников и со спутников NOAA, а также по данным об отражаемости аппаратуры класса TOMS - OMI. Описаны алгоритмы разработки и приведены примеры разработанных климатические нормы для глобального распределения спектральной плотности энергетической освещённости. Описан разработанный, программно реализованный и внедрённый в оперативную практику алгоритм для построения в оперативном режиме полей различных параметров УФ - облучённости, а также их абсолютных и относительных отклонений от климатической нормы и приведены почерпнутые из оперативной практики примеры визуализации этих полей (рис.21-24).

Рис. 21. Пример климатической нормы БОБ

Рис. 22. Климатическая норма СПЭО для местного полудня 15 июня

Рис. 23. Индекс УФ – облучённости РФ и прилегающих территорий

1 сентября 2004 г.

Рис. 24. Глобальное распределение индекса УФ – облучённости

1 сентября 2004 г.

В Заключении подведены итоги диссертационной работы и сформулированы её основные результаты:

Впервые создана система мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ – облучённости, функционирующая в режиме ежесуточной оценки текущих реализаций контролируемых объектов и регулярного обновления оценок и диагностики долговременной изменчивости. Разработаны климатические нормы для поименованных полей, а также алгоритмы и программы для выявления и диагностики аномалий, как в текущих реализациях этих полей, так и в характере их долговременной эволюции.

Показано, что доминирующую роль в долговременной изменчивости ОСО во внетропических широтах играют медленные изменения в режиме квазидвухлетних колебаний (КДГ). Впервые выделена огибающая КДК и показано, что она является чрезвычайно эффективным регрессором не только для ОСО, но для ряда других геофизических процессов, в частности колебаний уровня Каспия.

Предложена альтернативная модель образования ВОАА, предполагающая основным каналом убыли озона его прямое разрушение на радиационно активированной поверхности частиц полярных стратосферных облаков. Модель обоснована сравнениями с данными прямых измерений, подтверждена расчётами, основанными на вычислении вероятности гибели молекул озона из сопоставления вертикальных распределений химического потенциала озона и кинетической энергии его молекул и свободна от основного недостатка фреоновой версии – предположения о наличии в антарктической стратосфере огромного количества соляной кислоты в твердой фазе.

Впервые разработана малопараметрическая модель вертикального распределения озона (ВРО) и температуры (ВРТ), основанная на вариационном принципе и требовании максимума полной энтропии в вертикальном столбе атмосферы и успешно протестирована на практически исчерпывающем материале измерений ВРО и ВРТ средствами баллонного и спутникового базирования.

Впервые разработана эмпирическая модель расчёта СПЭО в широком диапазоне значений неупругой оптической толщи и балла общей облачности.

Разработанные принципы построения мониторинговых систем успешно тестированы для применения в более широком кругу задач, чем решаемый СМОУФ, таких как численная оценка вклада мегаполиса в возмущение ВРТ в пограничном слое атмосферы, оценка потенциальной точности определения ИГТ средствами существующей измерительной сети, обнаружение вклада диффузионного механизма в формирование тренда ИГТ, выявления эффективности обратных связей в климатической системе Земли и т.д.

Практика разработки и эксплуатации СМОУФ, а также применения развитых в ходе её разработки подходов и методов к решению иных мониторинговых проблем показывает, что в настоящее время эффективность применения статистических методов заметно превышает эффективность методов динамических, как ввиду недостаточности регулярно собираемых наблюдательными сетями данных для корректного использования в качестве граничных и начальных условий, так и ввиду принципиальных ограничений, возникающих при решении гидродинамических и химико – кинетических задач.

Приложение к диссертационной работе посвящено изложению примеров применения разработанных соискателем методов мониторинга к задачам, выходящим за пределы мониторинга состояния полей озона и УФ – облучённости.

- остатки модели. Модель позволяет следующим образом оценить основные возмущения, вносимые московским мегаполисом в эту температуру:

Страницы: 1  2  3  4  5  6