Дистанционное оптическое зондирование аэрозоля, температуры и основных малых газовых составляющих атмосферы

Актуальная проблема изменения климата, вызываемого как естественными, так и антропогенными факторами, приводит к необходимости организации климатического мониторинга. Особое значение приобретает проблема слежения за антропогенно обусловленными факторами климата [1, 2], которые могут привести к необратимым процессам. В предвидении вероятной опасности была разработана международная программа по созданию сети обнаружения ранних изменений в стратосфере — МТЭБС [3].

В формировании климата планеты важную роль играет атмосфера, ее оптически активные компоненты: озон, пары воды, углекислый газ, другие малые газовые составляющие (МГС), аэрозоль. Оценка изменений климата возможна лишь с помощью многопараметрических теоретических моделей, для создания которых требуются в том числе данные о пространственно-временном распределении газовых составляющих, аэрозоля, термодинамических характеристик атмосферы [4, 5].

Естественно, что для получения такой информации необходимо проведение регулярных измерений характеристик и параметров, оказывающих влияние на климатообразование, а также анализа их результатов.

Традиционно, мониторинг состояния атмосферы выполняется и развивается с применением контактных (прямых) и дистанционных (косвенных) методов исследований.

К контактным методам относятся аэрологическое, аэростатное, самолетное и ракетное зондирование, а также наземные измерения^ Как следствие более раннего возникновения и развития, к настоящему времени контактные методы получили большое распространение. Например, многие развитые страны имеют собственную сеть зондирования атмосферы с помощью радиозондов. Однако эти методы не всегда могут удовлетворять требованиям современных исследований из-за таких общих серьезных недостатков, как:

— необходимо средство для перемещения метеодатчика, заборника, детектора или прибора-анализатора (шар-пилот, самолет, ракета и т. д.);

— сетевые носители — радиозонды и метеоракеты используются как одноразовые подъемные средства, что вызывает удорожание наблюдений, и, в частности, на примере отечественной метеосети, приводит к их сокращениям;

— при измерениях происходит возмущающее действие прибора на исследуемую воздушную среду, учет которого труден и не всегда возможен.

К частным недостаткам радиозондов относятся невозможность получения параметров атмосферы в заранее заданном направлении, инерционность измерений, приводящая к недостаточному пространственному разрешению. Кроме того, радиозонды в редких случаях достигают высот 30 км, чаще ограничиваются высотами 20−25 км. Самолетные, аэростатные и ракетные средства зондирования не могут обеспечить массовость измерений из-за их дороговизны и зависимости от погодных условий. Градиентные наблюдения, проводимые на метеомачтах, ограничены высотой в несколько десятков, в отдельных случаях — сотен метров. [6].

Дистанционные методы зондирования атмосферы основаны на измерении и интерпретации характеристик электромагнитного и акустического трансформированного поля после его взаимодействия с исследуемой средой. Дистанционные измерения составляющих и параметров атмосферы осуществляются двумя методами: пассивными и активными. К первой группе относятся спектрометрические (радиометрические) методы зондирования, базирующиеся на измерении и анализе спектрального состава солнечной радиации и теплового излучения атмосферы (полосы поглощения в ИК-диапазоне и отдельные теллурические линии в микроволновом диапазоне для Оз, Н20 и других МТС [7, 8])с земли, аэростатов, самолетов или космических аппаратов. В нашей стране эти методы зондирования получили развитие в работах НИИ ЛГУ, ГГО и ИПФ РАН и активно используются для измерения содержания МТС в атмосфере. Достоинство спектроскопического метода зондирования заключается в относительной простоте его аппаратурной реализации и эксперимента, глобальном характере измерений (при наблюдениях со спутников). Недостатки косвенных измерений связаны с решением некорректных обратных задач при отсутствии точных начальных данных о реальных характеристиках атмосферы, вследствие чего ограничивается точность получаемых результатов и пространственное разрешение, а также наблюдаются трудности в восстановлении пространственных профилей МТС в слоях атмосферы с резкой изменчивостью ее физических свойств [9, 11]. Кроме того, зондирование Оз, Н20 и других МГС в микроволновом диапазоне возможно только на больших высотах (Н>20 км), поскольку внизу происходит размытие теллурических линий [8].

Активные методы зондирования атмосферы можно разделить на лазерные, акустические и прожекторные (здесь не рассматривается метод зондирования заряженных компонент в ионосфере с помощью СВЧ — излучения). Из-за ограниченности дальности действия акустическое зондирование в основном может быть использовано для исследования свойств пограничного слоя атмосферы. Прожекторное зондирование наиболее приемлемо для измерения интегральных характеристик, например, как общее содержание газов на трассах или аэрозольных оптических толщ. Его отличает простота реализации и аппаратурная надежность. Из активных методов исследования атмосферы наиболее прогрессивным является лазерное зондирование, которое позволяет измерять составляющие и параметры атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением и с охватом диапазона высот от приземного слоя до мезосферы. В этом заключается главное преимущество и уникальность лидарного метода перед описанными выше. Как и любому другому методу, лидарному присущи определенные недостатки, связанные с ограничением по погодным условиям, возможностью выполнением ряда измерений только в ночное время, сложность аппаратуры, трудностью в создании многоцелевых лидарных комплексов. Поэтому естественно, имея ввиду уникальные возможности лидарного метода и достоинства других методов, следует рассматривать их как взаимодополняющие друг друга в интересах всестороннего исследования атмосферы.

Начало применения лазеров для зондирования атмосферы относится к 60-ым годам. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в этой области в таких странах, как США, ФРГ, Франция, Россия, Япония. Намечается тенденция создания лидарных станций для сетевых наблюдений. Но, к сожалению, станций, работающих в режиме регулярных наблюдений нескольких характеристик атмосферы, сейчас насчитывается не больше десяти в мире. Как правило, исследования атмосферы проводятся отдельными лидарами, каждый из которых способен измерять только одну составляющую (характеристику) атмосферы.

Необходимо также отметить, что если физические принципы, на которых базируется применение лидарного метода, сейчас изучены достаточно хорошо, то остается широкий простор в плане разработки новых методик и современной аппаратуры с целью расширения возможностей лазерного зондирования атмосферы.

С учетом разнообразия и сложности свойств атмосферы, для проведения ее оптических исследований на современном уровне уже недостаточно единичных измерений отдельных составляющих параметров атмосферы в ограниченном числе пунктов. Требуется:

— одновременное зондирование нескольких компонентов и параметров атмосферы и увеличения их количества (термодинамические характеристики, МГС, аэрозоль);

— повышение качественных и количественных характеристик измерений (точность, пространственно-временное разрешение, диапазон высот, потолок зондирования);

— проведение исследований на основе регулярных наблюдений и накопление долговременных рядов;

— выполнение наблюдений в ряде разделенных пунктов, т. е. в составе сети.

В соответствии предъявленных требований цель исследований ставилась следующим образом: развитие методов и разработка средств лазерного и оптического (некогерентного) дистанционного зондирования максимально доступного количества климатообразующих и экологически значимых компонентов и параметров атмосферы в расширенном пространственно-временном масштабе для получения, накопления и использования данных в интересах задач исследования изменений климата и экологии окружающей среды.

В задачи исследований входило:

1. Развитие, разработка методов и средств лазерного зондирования климатоэкологических компонент и параметров в тропосфере и стратосфере Земли: водяного пара, озона, аэрозоля, температуры,.

2. Разработка оптических (нелазерных) способов и средств дистанционного зондирования МГС (озон, 1Ч02, Н20, .) и аэрозоля атмосферы.

3. Организация оптического контроля за вертикальным распределением Н20, Оз, Т, N02 и вертикальной стратификации аэрозоля, общим содержанием озона и N02 и спектральной оптической толщей аэрозоля.

4. Накопление рядов данных в интересах задач климатологии и экологии, фрагментный анализ данных, проводимый как с целью показа преимуществ комплексного использования лидарных и спектрофотометрических методов, способов и средств при изучении физических свойств атмосферы, так и на предмет исследования особенностей пространственно-временного распределения климатоэкологических компонентов и параметров атмосферы, их взаимодействия и связи с атмосферными процессами.

Научная новизна.

1. На базе трех лидарных методов: метода упругого рассеяния, метода дифференциального поглощения и метода спонтанного комбинационного рассеяния света разработан и создан комплекс средств лазерного зондирования атмосферы, включая лазерный локатор для измерения влажности атмосферы с экспериментально подтвержденной высотой зондирования до 17 км, и многофункциональный УФ-В лидарный комплекс для одновременного зондирования озона, аэрозоля и температуры в тропосфере и стратосфере Земли, а также предложены и технически реализованы оригинальные оптические способы дистанционного зондирования МГС (03, N02, Н20) и аэрозоля атмосферы.

2. Разработаны, развиты и усовершенствованы методики лазерного зондирования МГС, аэрозоля и температуры атмосферы, значительно повышающие точность и расширяющие высотный диапазон лидарных измерений. В частности методика одночастотного зондирования аэрозоля, минимизирующая ошибку восстановления стратификации аэрозоля на 20−30% по сравнению с известными за счет использования данных метеозондов, калибровки эхо-сигналов на удлиненном участке высот 25−30 км, коррекцию аппаратурных искажений лидарных сигналов и учету влияния рассеивающих параметров атмосферы.

— методика зондирования температуры по молекулярному рассеянию света, в которой учет прозрачности атмосферы и применение более короткой длины волны лазера (353 нм) позволил впервые расширить диапазон высот зондирования температуры за счет использования эхосигналов с более низких высот 13−15 км.

— методика зондирования МГС по дифференциальному поглощению излучения, где впервые для обработки лидарных сигналов использованы математические методы решения обратных некорректных задач, дающих единственную возможность восстановления профилей концентрации газов при малых уровнях эхо-сигналов. Для данной методики исследованы два принципиально разных варианта реализации МДП: для узкой изолированной линии поглощения (молекулы Н20, Х0&bdquo- = 694,38 нм) и для полосы поглощения (молекулы 03, А, оп = 308 нм, Хой- = 353 нм) зондируемого газа, по результатам которых выработаны требования к оптимизации спектральных характеристик лидара (при зондировании влажности) и предложены способы по устранению искажающего влияния аэрозольной и температурной стратификации (при зондировании озона).

— нетрадиционная методика зондирования температуры, в которой носителем информации о пространственном распределении этого параметра являются суммарные по спектральному составу СКР-лидарные сигналы, которые пропорциональны плотности молекул зондируемого газа. В настоящем работе это молекулы азота, возбуждение 1-го колебательно-вращательного перехода которых впервые осуществлялось ВКР-преобразованным (353 нм) излучением эксимерного ХеС1-лазера (308 нм) в кювете с водородом.

3. При использовании рамановского (Хо =353нм, Лк=384 нм) и двух релеевских (A, i=353 нм, А-2⁵³² нм) лидаров впервые перекрыт высотный диапазон зондирования температуры в тропосфере, стратосфере и нижней мезосфере (2−75 км.).

4. При исследования поля влажности в тропосфере в условиях устойчивой метеорологической ситуации.

— экспериментально подтверждено существенное влияние характера и свойств подстилающей поверхности на горизонтальное распределение влажности в приземном слое атмосферы: размеры неоднородностей в профилях влажности хорошо коррелируют с изменением рельефа и типом подстилающей поверхности.

— в вертикальном распределением концентрации водяного пара наряду с монотонным убыванием влажности с высотой в пограничном слое обнаружены ее инверсионные слои.

5. В цикле работ по лидарному зондированию аэрозоля для периода фонового стратосферного аэрозоля (1986 — 1991 гг.) установлены усиление процессов тропосферно-стратосферного обмена зимой и ослабления летом и неустойчивость аэрозольной стратификации, проявляющейся весной и стабилизирующейся летомотмечены колебания высот уровня тропопаузы и максимума слоя Юнге, которые происходят синхронно (коэффициент корреляции г = 0.75) с наибольшей амплитудой летом и наименьшей зимой согласно закономерности 𠕦АН2 = const, где р и АН — плотность воздуха и амплитуда колебаний на этих высотах, что свидетельствуют о процессе распространения атмосферных волн без энергетических потерьобнаружено образование рассеивающих слоев в стратосфере, локализованных на высотах 22−25 км и 30−40 км, которые по времени коррелируют с периодами повышенной солнечной активности, -в период поствулканического возмущения стратосферы (июль 1991;1995гг.) отслежена динамика распространения и изменчивости эрруптивного аэрозольного облака от извержения вулкана Пинатубо над Томском., даны интегральные и дифференциальные оценки аэрозольного наполнения стратосферы, проведен сравнительный анализ с результатами наблюдений ряда лидарных станций Северного полушария.

6. По данным лидарного зондирования озона было получено,.

— что для вертикального распределения озона (ВРО) в условиях фонового СА наибольшая и наименьшая высота локализации максимума озонного слоя наблюдается летом и зимой, на Н = 22−33 км и Н = 18−21 км, соответственно. Сравнение средних ВРО и их изменчивости с наблюдениями озонометрической станции Легионово (52° с.ш., 21° в.д.) показало, что в зимне-весенний период отмечается хорошее сходство в ВРО в интервале высот 13−20км. и на высотах 29 км.- в летне-осенний период во всей стратосфере, а также в зимне-осенний в интервале высот 20−29км., концентрация озона над ст. Легионово выше, чем над г. Томскомпрофили изменчивости ВРО во всей стратосфере на обеих пунктах наблюдений близки между собой. Отмеченные особенности ВРО объясняются условиями стратосферной мередианальной циркуляции.

— в эрруптивно-возмущенной стратосфере проявляется отрицательная корреляция между концентрациями озона и аэрозоля в слоях с высоким содержанием аэрозоля, что подтверждает деструктивное воздействие последнего на озон при значительных уровнях аэрозольных загрязнений.

7. Анализ ряда лидарных наблюдений стратосферного озона за период с 1989 г. по настоящее время, выполненный с привлечением синоптической информации и литературных данных, показал на преобладающую роль динамических процессов в формировании ВРО в нижней стратосфере:

Особую значимость в исследовании динамики озоносферы приобретает принцип Норманда-Добсона, который, используя информацию о ВРО и ВРТ, дает возможность разделить и оценить влияние и вклад динамических процессов горизонтальной адвекции и вертикального движения воздушных потоков на изменение ВРО и ВРТвертикальные профили озона и температуры, в данном случае, можно рассматривать как трассеры динамических процессов;

8. При проведении лидарных и спектрофотометрических исследованиях состояния озоносферы (измерения ВРО, ВРТ, BP N02 ОСО, ОС N02) выявлены.

— существование периода времени с выраженной отрицательной корреляцией озона и двуокиси азота в стратосфере, что свидетельствует о проявлении фотохимических процессов азотного цикла разрушения озонауказанный период времени соответствует периоду зимне-весенней сезонной перестройки циркуляции, когда в стратосфере сводится к минимуму зональный и меридиональный перенос воздушных масс .

— случаи с взаимосвязанными положительными аномалиями ВРО и ОСО, обусловленные процессами адвекции полярных воздушных масс и нисходящих потоков воздуха, и обнаружено, что при положительных аномалиях озона за 2−4 дня до наблюдения максимального ОСО отмечается резкое разовое возрастание вечернего содержания N02 в слое от верхней тропосферы до нижней стратосферы. Выдвинуто предположение, что данный эффект вызван суперпозицией особенностей широтного распределения содержания.

N02 и выноса арктического воздуха с последующим фотохимическим восстановлением N02 из соединений-резервуаров, происходящего под действием солнечной радиации.

Научная и практическая значимость.

1. Разработанный и созданный автором УФ-В лидарный комплекс в составе Сибирской лидарной станции, являющейся единственной точкой лидарного мониторинга в азиатской части Росси, используется в регулярных измерениях вертикального распределения озона и температуры и стратификации аэрозоля в тропосфере и стратосфере для накопления многолетних рядов данных.

1. Результаты работы могут быть использованы для создания многоцелевых лидарных комплексов с улучшенными тактико-техническими характеристиками для одновременного зондирования ряда компонент и параметров атмосферы, а также спектрофотометров для измерений МГС и аэрозоля.

3. Накопленные долговременные ряды лидарных наблюдений за вертикальным распределением озона и температуры и стратификацией аэрозоля в стратосфере (аэрозоля — с 1986 г., озона — с 1989 г., температуры — с 1995 г. по настоящее время), которые представляют несомненный интерес для исследования физических свойств атмосферы, задач климатологии и экологии, создания региональной модели атмосферы.

4. По разработанным методикам обработки данных в завершенном виде созданы универсальные пакеты программ, которые могут быть рекомендованы для обработки эхо-сигналов при восстановлении профилей озона, влажности, температуры и стратификации аэрозоля, получаемых различными типами лидаров.

Основные защищаемые положения:

1. Реализация в едином лидарном комплексе методов дифференциального поглощения, упругого и комбинационного рассеяния света обеспечивает одновременное измерение вертикального распределения озона, температуры и аэрозольной стратификации в тропосфере и стратосфере. При этом использование в методике обработки данных реальных профилей температуры и аэрозольной стратификации устраняет погрешность в восстановлении профилей концентрации озона, вызванной влиянием температуры и аэрозоля, которая на отдельных участках профиля может достигать 30−40%, а одновременное использование рамановского (384 нм) и релеевского (353 и 532 нм) эхо-сигналов позволяет вести зондирование температуры в расширенном интервале высот 2 -г 75 км.

2. При фоновом содержании аэрозоля в атмосфере.

— сезонная изменчивость отношения рассеяния в области тропопаузы обусловлена процессами тропосферно-стратосферного обмена воздушных масс с усилением их зимой и ослаблением летом;

— колебания уровней тропопаузы и высоты максимума стратосферного аэрозольного слоя происходят синхронно и имеют выраженный сезонный характер с максимумом летом и минимумом зимой, при этом плотность воздуха р и амплитуда колебаний АН на этих высотах подчиняются закономерности р*АН2 = const, что свойственно для волновых процессов в атмосфере, распространяющихся без энергетических потерь;

3. Применение при лазерном зондировании влажности атмосферы разработанных:

— комплекса аппаратуры, включая перестраиваемого по частоте лазера на рубине с узким спектром излучения и высокой воспроизводимостью длины волны излучения;

— методики с высокочастотной спектральной настройкой, проводимой с помощью спектрофона;

— данных теоретического анализа атмосферных профилей массового коэффициента поглощения линии поглощения НгО (А. = 694,38 нм) и математического аппарата сплайн-функций обработки лидарных данных обеспечивает при наблюдениях с уровня Земли оперативное определение вертикального распределения концентрации водяного пара во всей толще тропосферы и в отдельных случаях нижней стратосферы и тонкой структуры поля влажности до расстояний 2 км.

4. Качественные и количественные результаты синхронных лидарных измерений вертикального распределения озона, температуры и аэрозоля позволяют использовать последние как трассеры динамических процессов, происходящих в нижней и средней стратосфере.

5. Данные комплексного оптического зондирования озона, аэрозоля, температуры и двуокиси азота позволяют в условиях стационирования динамических процессов выделить временные периоды с преобладающим вкладом фотохимических процессов на формирование озоносферы средней стратосферы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

ВЫВОДЫ.

В шестой главе обсуждаются результаты комплексного исследования атмосферы активными и пассивными методами зондирования с использованием синоптических данных. Под понятием «комплексности» в данном случае подразумевается как совместное применение методов зондирования, так и одновременное зондирование нескольких составляющих и параметров атмосферы.

В наблюдениях ВРО в эрруптивно-возмущенной стратосфере (извержение вулкана Пинатубо, 1991 г.) было замечено, что слоям с высоким содержанием аэрозоля соответствуют локальные минимумы концентрации озона. Обнаруженная отрицательная корреляция между вертикальным распределением озона и вулканического аэрозоля в стратосфере подтвердили деструктивное влияние последнего на озон, однако это справедливо только для значительных аэрозольных загрязнений.

Анализ влияния динамических процессов на формирование ВРО в стратосфере, выполненный на основе лидарных измерений за весь период наблюдений (1989г.-1997г.) с привлечением синоптической информации и литературных данных показал:

— вероятной причиной в возникновении двух побочных максимумов ВРО — выше и ниже основного является меридиональная циркуляция стратосферы и адвекция полярных воздушных масс, соответственно;

— при наличии информации о ВРО и ВРТ с помощью принципа Норманда-Добсона можно выделить влияние и вклад динамических процессов — горизонтальной адвекции и вертикального движения воздушных масс на изменение ВРО и ВРТпоследние, в свою очередь, можно рассматривать как трассеры динамических процессов;

— отмеченная отрицательная корреляция между концентрацией озона в максимуме слоя и высотой максимума обусловлена динамическим фактором;

— полученное при проведении статистического анализа подобие трех собственных векторов корреляционной матрицы независимых ансамблей профилей озона и аэрозоля свидетельствует о едином механизме их изменчивости. Рассматривая озон и аэрозоль как консервативные пассивные примеси с четко выраженными слоями в стратосфере, локализованными примерно на одной и той же высоте, естественно предположить, что таким механизмом являются динамические процессы глобального и синоптического масштабов, определяющие общую стратосферную циркуляцию, под воздействием которой происходит увлечение и распределение указанных компонентов.

По совпадающим датам наблюдений было проведено сравнение интегральных содержаний озона в атмосфере, полученных лидаром и озонометром М-124, которое показало:

— между ОСО (озонометр) и содержанием озона в слое 15−30 км (лидар) отмечается высокая корреляция данных (коэффициент корреляции — 0.73);

— при ВРО, подобного модельному распределению, наблюдается хорошее соответствие между ОСО, восстановленным из фотометрических и лидарных измерений;

— при ВРО, отличного от модельного, фотометрические значения ОСО выше лидарных.

При анализе распределения озона по слоям, рассчитанного из лидарных данных, было установлено:

— в содержании и распределении озона в нижней стратосфере отчетливо проявляется сезонность, обусловленная наибольшим влиянием атмосферной динамики;

— в периоды с наибольшим поступлением КВ солнечной радиации происходит увеличение количества озона в средней стратосфере, что связано с фотохимическими процессами.

При проведении лидарных и спектрофотометрических измерений вертикального распределения озона, диоксида азота и температуры в стратосфере был зафиксирован период с выраженной отрицательной корреляцией озона и двуокиси азота. Данный период соответствовал периоду зимне-весенней сезонной перестройки циркуляции, когда сводится к минимум}^ как зональный, так и мериодиальный перенос воздушных масс в стратосфере, и на данном фоне проявляются фотохимические процессы азотного цикла разрушения озона. В целом указанная корреляция имеет эпизодический характер, а доминирующим фактором в ВР озона и двуокиси азота являются динамические процессы.

В комплексном эксперименте по оптическому контролю состояния атмосферы были выявлены случаи с аномальным ВРО и ОСО. Как показал анализ синоптической информации, положительные аномалии ВРО и ОСО определялись процессами адвекции полярных воздушных масс и нисходящими потоками. Обнаружено, что с положительными аномалиями озона связано необычное высотное распределение концентрации двуокиси азота, когда за 2−4 дня до наблюдения максимального ОСО отмечается резкое разовое возрастание вечернего содержания N02 в верхней тропосфере — нижней стратосфере. Предположено, что данный эффект является следствием выноса арктического воздуха и фотохимического восстановления N02 из соединений-резервуаров, происходящего под действием солнечной радиации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках трех лидарных методов: метода упругого рассеяния, метода дифференциального поглощения и метода спонтанного комбинационного рассеяния проведена разработка методик и средств лазерного зондирования водяного пара, озона, аэрозоля и температуры в тропосфере и стратосфере Землипредложены и реализованы оптические некогерентные способы дистанционного зондирования МТС (Оз, N02, Н20) и аэрозоля атмосферына основе использования лазерных методов и оптических способов организованы наблюдения за вертикальным распределением Н20, Оз, N02, Т и вертикальной стратификацией аэрозоля, а также за общим содержанием озона 5 и двуокиси азота и спектральной оптической толщью аэрозолянакоплены ряды данных по МТС, аэрозолю и температуре, которые могут быть использованы в интересах задач климатологии и экологии, а также выполнен фрагментный анализ данных как на предмет демонстрации возможностей комплексного оптического контроля состояния атмосферы, так и на предмет исследования особенностей пространственновременного распределения климатоэкологических составляющих и параметров атмосферы в их взаимодействии и взаимосвязи с атмосферными процессами.

Конкретизация основных научных результатов диссертационной работы сводится к следующему:

1. Для лидарного метода упругого рассеяния.

— развита методика одночастотного зондирования аэрозоля, включающую разделение аэрозольных и молекулярных компонентов рассеяния на основе данных метеозондов, калибровку эхо-сигналов по удлиненному участку высот 25−30 км с сглаживанием их флуктуаций, коррекцию аппаратурных искажений лидарных сигналов и учету влияния атмосферных параметров. Данная методика позволяет минимизировать ошибку восстановления стратификации аэрозоля, на 20−30% по сравнению с известнымив части коррекции на искажающее влияние аппаратурных и атмосферных факторов она применима в других лидарных методах.

— при разработке методики зондирования температуры по молекулярному (релеевскому) рассеянию света на основе закона состояния идеального газа и условий выполнения гидростатического равновесия получено выражение для определения температуры с учетом пропускания атмосферы. Именно учет прозрачности атмосферы и использование более короткой длины волны лазера (353 нм) позволил впервые расширить диапазон высот зондирования температуры за счет снижения до высот 13−15 км. Расчет температуры и анализ точностных характеристик ее расчета из реальных сигналов показал применимость лидаров с длинами волн 532 и 353 нм для измерения температуры в диапазоне высот 30−75 км и 13−35 км, соответственно.

2. Для метода дифференциального поглощения.

— на основе моделирования проведено исследование потенциальных возможностей метода на примере зондирования водяного пара и озона с Земли и из космоса. Показано, что для лидаров с реальными спектральными и энергетическими параметрами аппаратуры (в частности, зондирование водяного пара на изолированных линиях поглощения молекул Н20 в видимом диапазоне длин волн, озона — на полосе поглощения молекул 03 в УФ-диапазоне) и реальных атмосферных условий возможно путем подбора соответствующих пар длин волн при зондировании с Земли измерение концентрации водяного пара в тропосфере и нижней стратосфере, а концентрации озона — во всей толще тропосферы и стратосферы. При зондировании из космоса в средних широтах доступно измерение озона с высот 50 км до 45 км с пространственным горизонтальным усреднением 600 км и с погрешностью меньше 10%;

— рассмотрено влияние и введён учет флуктуаций рассеивающих свойств атмосферного аэрозоля при зондировании и восстановлении газовых составляющих из лидарных сигналов путем накопления, пространственного усреднения и математического сглаживания последних, основанного на достаточно плавном пространственном распределении атмосферных газов по сравнению с изрезанной пространственно-временной структурой аэрозоля;

— в математической постановке задача восстановления профилей МГС из лидарных данных принималась как обратная и некорректнаядля ее решения впервые были предложены и использованы методы регулизации Тихонова и сплайн-функций, которые показали свою эффективность и преимущества перед традиционной разностной схемой обработки сигналов при малом уровне последних.

Для лидарного МДП исследовано два принципиально отличных варианта его реализации: для узкой изолированн ой линии поглощения и для полосы поглощения зондируемого газа.

— В первом варианте (линия поглощения молекул Н20, Хоп = 694,38 нм) на основании теоретического анализа получены горизонтальные и вертикальные профили (до высот.

10 км) измеряемого массового коэффициента линии поглощения молекул Н20 в зависимости от спектральной ширины зондирующего лазерного импульса для летней и зимней моделей атмосферы и различных смещений центральной частоты излучения от центра линии поглощения, а также вертикальные профили дисперсии МКП, вызываемой атмосферными флуктуациями температуры и влажности. По результатам расчетов сформированы требования к точности спектральной настройки и оптимальному выбору длин волн и спектральных ширин зондирующих импульсов, а также предложены новые способы оптимизации лидарных измерений.

— Во втором варианте (полоса поглощения молекул озона Хеггинса, Хоп = 308 нм, Х0к = 353 нм) разработана методика восстановления профилей озона, где впервые вводится одновременная коррекция на различие аэрозольного рассеяния лидарных сигналов на достаточно разнесенных длинах волн и температурную зависимость сечения поглощения озона, причем информация о температурной и аэрозольной стратификации берется из эхо-сигналов на референтной длине волны = 353 нм. Исследование методики на примерах численного моделирования и обработки реальных лидарных сигналов показало, что она позволяет устранить погрешности в восстановлении концентрации озона, которая на отдельных участках высот достигает 30−40%.

3. Для лидарного метода СКР.

— предложена нетрадиционная методика зондирования температуры, в которой носителем информации о пространственном распределении этого параметра являются суммарные по спектральному составу СКР лидарные сигналы (а не сигналы с отдельных участков спектра СКР), которые пропорциональны плотности молекул зондируемого газа. В настоящем случае это молекулы азота, возбуждение 1-го колебательно-вращательного перехода которых (384 нм) впервые осуществлялось ВКР-преобразованным (353 нм) излучением эксимерного ХеС1-лазера (308 нм) в кювете с водородом. Получено соответствующее выражение для определения температуры, аналогичное определению из релеевских сигналов, проведен расчет температуры из реальных лидарных СКР-сигналов, выполнен анализ точностных характеристик, показана реальная возможность зондирования температуры в интервале высот 2−14 км.

4. Разработан и создан лазерный локатор для измерения влажности атмосферы с экспериментально подтвержденной высотой зондирования до 17 км. Лидар на основе перестраиваемого по частоте лазера на рубине обеспечивает получение профилей концентрации водяного пара: на дистанциях до 2-х км — с пространственным разрешением по сигналу 60, 120 м, временем измерений 10−20 минут, погрешностью измерений — 10−30%- на расстояниях и высотах от 2-х до 10 км — с разрешением по сигналу 0.24−0.96 км, временем зондирования -20−60 мин., погрешностью измерений — 10−60%.

Разработан и применен в лидаре уникальный лазер на рубине с узким спектром излучения, высокоточным заданием и высокой воспроизводимостью длины волны генерации. Впервые для высокоточной спектральной настройки в лидаре внедрена система спектрального контроля, выполненная на базе спектрофона. Сопоставление результатов лидарных измерений влажности с контрольными, полученных с помощью специально разработанного оптического гигрометра и психрометра, показывает на их совпадение в пределах погрешности 2−5% и 3−11%, соответственно.

5. Разработан, создан и введен в режим дежурных наблюдений многофункциональный УФ-В лидарный комплекс, предназначенный для одновременного зондирования озона, аэрозоля и температуры. Лидарный комплекс обеспечивает: зондирование аэрозоля в интервале высот 5−40 км с пространственным разрешением по сигналу 12 м и временем накопления для получения статистически обеспеченного профиля отношения рассеяния — 15−20 мин.- соответственно, зондирование озона в интервале высот 5−40 км с разрешением 100 м и накоплением 25 мин. и зондирование температурыв интервале высот 2−40 км с разрешением 100 м и накоплением 25 мин., а также в интервале высот 35−75 км с разрешением 0.5−1км. и накоплением 1−2 час. В лидарном комплексе реализованы все три метода зондирования: метод упругого рассеяния, метод ДП, метод СКР, для чего были созданы следующие каналы измерений:

— канал рассеяния Ми для определения стратификации аэрозоля в верхней половине тропосферы и стратосфере (к = 532 нм),.

— канал дифференциального поглощения для зондирования стратосферного озона (Хоп = 308 нм, = 353 нм);

— канал дифференциального поглощения для зондирования тропосферного озона (с помощью дополнительного телескопа, А, оп = 308 нм, Х0н= 353 нм);

— канал релеевского рассеяния для измерения температуры в стратосфере (к = 353 нм);

— канал релеевского рассеяния для измерения температуры в верхней стратосфере и нижней мезосфере (А, = 532 нм);

— канал рамановского рассеяния для измерения температуры в тропосфере (ко = 353 нм, Як = 384 нм).

Показано, что при приеме рамановских (Лк=384 нм) и релеевских (Я = 353 нм, А, =532 нм) сигналов, реализуемого при функционировании УФ-Влидарного комплекса, обеспечивается измерение непрерывного вертикального профиля температуры от 2 до 75 км.

Создано и внедрено программное обеспечение УФ-В лидарного комплекса, позволяющее вести в автоматическом режиме управление измерениями и обработку данных при восстановлении вертикального распределения озона, температуры и стратификации аэрозоля.

6. На основе созданного комплекса аппаратуры и методики измерений проведены исследования поля влажности в тропосфере и нижней стратосфере в условиях устойчивой метеорологической ситуации. При оперативных измерениях горизонтальных профилей влажности установлена их существенная зависимость от характера подстилающей поверхности: над однородной подстилающей поверхностью ход влажности нейтральныйнад неоднородной поверхностью на высоте Н «40 м абсолютная влажность над водным бассейном в среднем на 10 н- 20% выше, чем над сушей. Размеры неоднородностей в профилях влажности хорошо коррелируют с изменением рельефа и типом подстилающей поверхности.

В результате исследования тонкой структуры профилей концентрации водяного пара на вертикальных трассах наряду с монотонным убыванием влажности с высотой обнаружены ее инверсионные слои на высотах от 300 до 1200 м, измерены их размеры и прослежена динамика.

Впервые лазерным локатором получены профили абсолютной влажности во всей тропосфере и нижней стратосфере. Проведенное сопоставление данных лидарных измерений вертикальных профилей водяного пара в свободной атмосфере с результатами радиозондовых наблюдений ближайших метеостанций показывает на их качественное и количественное совпадение.

Лидарные измерения влажности атмосферы продемонстрировали высокую эффективность и большие возможности метода и показали ряд его преимуществ перед традиционными методами зондирования: оперативность измерений, высокое пространственное разрешение, возможность наблюдений в горизонтальных, наклонных и вертикальных направлениях.

7. Накоплены ряды лидарных наблюдений за вертикальным распределением озона и температуры и стратификацией аэрозоля (отношение рассеяния на длинах волн 532 и 353 нм) в стратосфере, которые ведутся: за аэрозолем — с 1986 г., озоном — с 1989 г., температурой — с 1995 г. и продолжаются по настоящее время с регулярностью измерений от 3-х до 10 ночей в месяц.

8. В период фонового содержания стратосферного аэрозоля (1986 — 1991 гг.).

— сезонные изменения в усредненных вертикальных профилях отношения рассеяния, а также его межуровневые корреляционные связи, рассчитанные в интервале высот 10−30 км, указывают на усиление процессов тропосферно-стратосферного обмена зимой и ослабления летом, а также о неустойчивой аэрозольной стратификации, проявляющейся весной и стабилизирующейся летом.

— отмечены колебания высот уровня тропопаузы и максимума слоя Юнге, которые происходят синхронно (коэффициент корреляции г = 0.75) с наибольшей амплитудой летом и наименьшей зимойвыполнение закономерности р ••АН2 = const, где р и АН — плотность воздуха и амплитуда колебаний на этих высотах свидетельствуют о процессе распространения атмосферных волн без энергетических потерь.

— обнаружено образование рассеивающих слоев в стратосфере, локализованных на высотах 22−25 км и 30−40 км, которые по времени коррелируют с периодами повышенной солнечной активности. Можно предположить, что вероятная причина появления рассеивающих слоев вызвана ионными кластерами, возникающих под действием жесткого УФ-излучения и потоков высокоэнергетических частиц.

9. В период возмущенной стратосферы (июль 1991;1995гг.) были проведены лидарные наблюдения за динамикой распространения и изменчивости эрруптивного аэрозольного облака от извержения вулкана Пинатубо над Томском. В частности отмечено.

— последующее появление двух слоев: первого, слабого слоя в нижней стратосфере в начале июля 1991 г. со временем присутствия «1 месяц, и второго, мощного слоя на высотах 21−30 км в январе 1992 г.

— трансформация вертикального распределения вулканического аэрозоля в протяженный (15−30 км), неоднородный и изменчивый слой, опускающийся со временем вниз;

— увеличение количества аэрозоля в момент его максимального содержания в стратосфере в 20−30 раз по сравнению с фоновым;

Указанные выше три признака, согласно проведенному сравнительному анализу, являются общими с результатами наблюдений лидарных станций Северного полушария. Вместе с тем для Томска характерно более позднее появление верхнего мощного вулканического слоя (на 4 месяца позднее) и более быстрое достижение максимального аэрозольного наполнения стратосферы (январь 1992, на 1 месяц раньше).

10. При измерениях и накоплении ряда вертикального распределения температуры проведено сравнение зондирования температуры в нижней стратосфере, выполненное лидаром и радиозондом ближайшей метеостанции г. Новосибирска (удаление — 210 км). Среднеквадратичное отклонение между данными составило ± 2.4К, что входит в интервал стандартной ошибки измерений лидара и метеозонда. Если учесть, что для тестирования были специально выбраны профили температуры с экстремальными отклонениями от модельного распределения (до ± 30К), то результаты сравнения указывают на высокое качество лидарных измерений.

11. Результаты лидарного зондирования озона в условиях фонового С, А (период 18 891 991гг.) согласуются с сезонными вариациями ВРО в стратосфере для средних широт: максимумом озонной концентрации в слое в феврале марте и минимумом летом-осенью. Наибольшая и наименьшая высота локализации максимума озонного слоя наблюдается летом и зимой, на Н = 22−33 км и Н = 18−21 км, соответственно.

Сравнение средних профилей ВРО и его изменчивости, построенных по лидарным измерениям г. Томска и озонометрической станции Легионово (52° с.ш., 21° в.д.), расположенной примерно на той же широте, что и город Томск, хотя и на значительном от него удалении, показало на следующие особенности ВРО для стратосферы двух сопоставляемых регионов:

— в зимне-весенний период до высоты озонопика наблюдается практическое совпадение средних профилейв слое 21−27км над Западной Сибирью отмечается меньшее, чем над Восточной Европой, содержание стратосферного озона, однако уже с высоты 2728 км эти различия практически исчезают. Следует подчеркнуть, что наибольшие расхождения (около 24%) в концентрации стратосферного озона между этими регионами наблюдаются вблизи уровня 24 км.

— в летне-осенний период ниже максимума озона различия в его концентрации над сравниваемыми регионами являются относительно небольшими, но выше данного максимума (23 км.) во всем рассматриваемом слое стратосферы содержание Оз над Западной Сибирью существенно ниже, чем над Восточной Европой. Показано, что отмеченные в обеих случаях различия средних ВРО обусловлено условиями стратосферной меридиональной циркуляции.

— для двух рассматриваемых периодов во всем интервале высот наблюдаются достаточно близкие профили дисперсии стратосферного озона г. Томска и ст. Легионово, при этом максимальные значения стандартных отклонений отмечаются в нижней стратосфере. Наибольшая изменчивость стратосферного озона проявляется в зимне-весенний период.

12. При наблюдениях ВРО в эрруптивно-возмущенной стратосфере (после извержения вулкана Пинатубо с максимумом наполнения стратосферы вулканическим аэрозолем в начале 1992 г.) обнаруженная отрицательная корреляция между концентрациями вертикального распределения озона и аэрозоля, проявляющаяся в слоях с высоким содержанием аэрозоля, подтвердила деструктивное воздействие последнего на озон при значительных аэрозольных загрязнениях.

13. Анализ лидарных измерений, выполненный на основе ряда наблюдений за период с 1989 г. по настоящее время, с привлечением синоптической информации и литературных данных, показал на преобладающую роль динамических процессов в формировании ВРО в нижней стратосфере:

— вероятной причиной в появлении двух вторичных максимумов ВРО — ниже и выше основного может быть адвекция холодных воздушных масс и меридиональная циркуляция стратосферы, соответственно;

— принцип Норманда-Добсона, используя информацию о ВРО и ВРТ, дает возможность разделить и оценить влияние и вклад динамических процессов горизонтальной адвекции и вертикального движения воздушных потоков на изменение ВРО и ВРТвертикальные профили озона и температуры, в данном случае, можно рассматривать как трассеры динамических процессов;

— отмеченная отрицательная корреляция между концентрацией озона в максимуме слоя и высотой максимума обусловлена динамическим фактором;

— полученное при проведении статистического анализа подобие трех собственных векторов корреляционной матрицы независимых ансамблей профилей озона и аэрозоля свидетельствует о едином механизме их изменчивости. Рассматривая озон и аэрозоль как консервативные пассивные примеси с четко выраженными слоями в стратосфере, локализованными примерно на одной и той же высоте, естественно предположить, что таким механизмом являются динамические процессы глобального и синоптического масштабов, определяющие общую стратосферную циркуляцию, под воздействием которой происходит увлечение и распределение указанных компонентов.

14. Исследование качественных и количественных характеристик восстановления ВРО из лидарных измерений показало:

— профили озона, полученные из серий измерений одной ночи, совпадают между собой в пределах оценочной погрешности, что свидетельствует о стабильности и надежности данных;

— в реальных экспериментах достигнуто расширение высот зондирования озона от 6 до 50 км и предложены меры для реализации измерений в данном диапазоне в дежурном режиме.

15. На основе использования дифференциальной методики измерений разработаны и реализованы три способа оптического (некогерентного) зондирования МГС, включая Н20, 03, N02.

В первом способе, предназначенном для базисных измерений влажности атмосферы, получено выражение для определения содержания водяного пара на трассе с учетом работы по неразрешенной структуре спектра полосы поглощения Н20 0.94 мкм, разработан и создан оптический гигрометр, проведены его калибровка и оценка точностных характеристик, а также, что явилось наиболее важным, на основе данного гигрометра был тестирован ДП-лидар по зондированию водяного пара.

Второй способ предложен для определения интегрального содержания газов на приземных трассах по измерению спектральной яркости объектов в полосе и вне полосы (или линии) исследуемого газа и применен в работе к измерению осажденного слоя водяного пара на базах протяженностью 0.7−3.0 км.

В третьем способе аналитически было показано, что по данным наблюдений спектральной яркости неба в зените возможно восстановление содержания МГС во всей толще атмосферы, исключая калибровку по прямому солнечному излучению. Разработана многоволновая методика определения спектральной области минимума суммарной погрешности восстановления общего содержания озона и диоксида азота, основанная на сканировании пар длин волн, проведена аппаратурная реализация способа и получены результаты определения ОС Оз и N02.

16. Разработаны следующие два способа оптического зондирования атмосферы с использованием рассеяния и поглощения излучения:

— способ определения спектральной оптической толщи аэрозоля и содержания МГС по измерению спектральной прозрачности атмосферы для солнечного излученияметодика измерений основана на применении двухэкранного метода, позволяющего регистрировать ослабленное атмосферой солнечное излучение без систем слежения за солнечным диском и исключить влияние фоновых засветок. Для реализации способа разработан спектрофотометр, измеряющий оптическую толщу аэрозоля в спектральном диапазоне 400 700 мкм.

— способ зондирования атмосферы по обратнорассеянному излучению светового источника, дающий возможность получать пространственное распределение поглощающих и рассеивающих характеристик атмосферы оптическим локатором с некоаксиальной моностатической схемой построения со световым источником непрерывного излученияполучены уравнения оптического зондирования, лидаром с непрерывным аргоновым лазером проведено зондирование двуокиси азота в индустриальной зоне.

17. Анализ результатов измерений интегральных содержаний озона, полученных лидаром (вечером, ночью) и озонометром (в течение дня) из одного и того же пункта наблюдений, показал:

— в целом между ОСО (озонометр) и содержанием озона в слое 15−30 км (лидар) отмечается достаточно высокая корреляция временных рядов данных с коэффициентом 0.73- - коэффициент корреляции повышается при ВРО, близкому к модельному профилю озона и, наоборот, уменьшается при увеличении расхождения ВРО с модельным профилемв последнем случае фотометрические значения ОСО выше лидарных,.

— в содержании и распределении озона в слоях нижней стратосферы отчетливо выражена сезонность, обусловленная наибольшим влиянием атмосферных динамических процессов,.

— в слоях средней стратосферы увеличение количества озона происходит в периоды с наибольшим поступлением КВ солнечной радиации, что приводит к возрастанию эффективности фотохимических процессов в образовании озона.

18. При проведении с одного пункта зондирования лидарных и спектрофотометрических измерений ВР озона, температуры и двуокиси азота выявлен период времени с выраженной отрицательной корреляцией озона и двуокиси азота, соответствующий периоду зимне-весенней сезонной перестройки циркуляции, при которой сводится к минимуму зональный и вертикальный перенос воздушных масс в стратосфере. На данном фоне становятся заметными процессы азотного цикла разрушения озона, хотя в целом такая корреляция носит эпизодический характер, а доминирующую роль в ВР озона и двуокиси азота играют динамические процессы.

19. В комплексном оптическом контроле состояния озоносферы выявлены случаи с взаимосвязанными положительными аномалиями ВРО и ОСО, обусловленные процессами адвекции полярных воздушных масс и нисходящих потоков воздуха, и обнаружено, что при положительных аномалиях озона за 2−4 дня до наблюдения максимального ОСО отмечается резкое разовое возрастание вечернего содержания N02 в слое от верхней тропосферы до нижней стратосферы. Выдвинуто предположение, что данный эффект вызван суперпозицией особенностей широтного распределения содержания N02 и выноса арктического воздуха с последующим фотохимическим восстановлением N02 из соединений-резервуаров, происходящего под действием солнечной радиации.

Диссертация является обобщением работ по проблемам дистанционного оптического зондирования атмосферы, выполненных в Институте оптики атмосферы СО РАН. за период 1971;1997 г. г.

Личный вклад автора состоял в постановке научных задач теоретических и экспериментальных исследований, научным руководством проводимых исследований и непосредственным участием в них.

Особенно следует отметить личный вклад автора в разработку и создание лазерного локатора по зондированию влажности атмосферы, многоцелевого УФ-В лидарного комплекса для зондирования озона, аэрозоля и температуры, а также разработку методик зондирования атмосферы и организацию, проведение и накопление долговременных рядов наблюдений за вышеуказанными компонентами и параметрами атмосферы. Широкий круг и сложность рассматриваемых и решаемых вопросов предопределило необходимость коллективной работы. Так все экспериментальные работы по лазерному и спектрофотометрическому зондированию атмосферы проводились с участием сотрудников лабораторий оптического зондирования атмосферы, спектроскопических методов зондирования, высотного зондирования и дистанционной спектроскопии атмосферы. Большая часть результатов была получена в лабораториях оптического зондирования и дистанционной спектроскопии атмосферы.

Математическая обработка лидарных данных по зондированию влажности атмосферы и теоретический анализ особенностей поглощения лазерного излучения узкой изолированной линией молекул Н20 проводился совместно с A.A. Мицелем, разработка методик и пакета программ по восстановлению профилей озона из лидарных сигналовсовместно с М. Ю. Катаевым.

В организации исследований, анализе и обсуждении полученных результатов активная помощь и участие оказывались И. В. Самохваловым и В. В. Зуевым, которые являются соавторами в ряде публикаций.

При выполнении диссертационной работы непосредственная поддержка и интерес к ней постоянно проявлялись со стороны директора Института оптики атмосферы академика В. Е. Зуева.