В этом разделе будут рассмотрены примеры применения предложенного выше метода восстановления оптических параметров протяженной облачности к данным многоугловых радиационных измерений с поверхности Земли и с борта космического аппарата, описанных в разделе 3.4. Условия проведения наблюдений перечислены в таблицах 3.3 и 3.4. Интенсивность пропущенной и отраженной рассеянной солнечной радиации в единицах потока, падающего на верхнюю границу атмосферы (коэффициенты пропускания и отражения) измерялась в нескольких углах визирования.
Обработка результатов наземных измерений солнечной радиации
Наземные измерения выполнялись 13.08.1979 и 08.10.79 на дрейфующей станции СП-22 в условиях сплошной слоистообразной облачности и 16.06.79 при ясном небе на широте 85°с.ш. Интенсивность пропущенной солнечной радиации измерялась в пяти углах визирования и в шести азимутальных углах. Результаты измерений при ясном небе позволили провести калибровку прибора по значению потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы, что, в свою очередь, дало возможность определить величину оптической толщины слоя облачности. Контроль пространственной однородности облачности проводился с использованием результатов измерений в нескольких направлениях азимутального угла. Альбедо подстилающей поверхности измерялось в эксперименте, и результаты опубликованы в работе [17].
Величины интенсивности – по две для двух углов визирования и для каждой длины волны – обрабатывались с использованием формул (6.1.21). Измерения проводились в пяти направлениях визирования, что дало возможность составить несколько пар углов. Для каждой пары определялись искомые параметры (приведенная оптическая толщина  ' и параметр s2), а затем вычислялись средние значения s2 и ' по всем парам. Для определения оптической толщины 0 и величины 1- 0 были приняты значения параметра индикатрисы рассеяния g согласно работе [5]. Результаты представлены в таблице 1.15 Приложения 1 и на рис. 7.7 и 7.8 [18-20].
Рисунок 7.7. Спектральная зависимость величины 1-0 по результатам обработки данных наблюдений: а) в Арктике, 1979 г. и б) в г. Петродворце, 1996 г.
Измерения 12.12.1996 выполнялись только в условиях облачного неба, поэтому не удалось определить оптическую толщину облачного слоя. Альбедо подстилающей поверхности также не измерялось, но так как облачность сопровождалась снегопадом, и поверхность была покрыта свежевыпавшим снегом, можно полагать A~0,9 согласно данным работы [17]. Полученные спектральные значения величины 1-0 представлены в таблице 1.15 Приложения 1 и на рис. 7.7б [21].
Обработка данных спутниковых измерений
Оптическая толщина и альбедо однократного рассеяния протяженных облаков были получены с применением обратных асимптотических формул (6.1.18), (6.1.20) и (6.2.1). Приближенный учет горизонтальной неоднородности облака, влияния рассеяния радиации в вышележащих слоях атмосферы (включая перистые облака) и других факторов, которые определяют угловую зависимость отраженной радиации, был произведен с помощью формул (6.2.9) – (6.2.11).
Рисунок 7.8. Спектральная зависимость оптической толщины 0 по результатам измерений в Арктике: эксперимент 11 – 13.08.1979 и эксперимент 12 – 08.10.1979.
Наблюдения, выбранные для обработки, были выполнены прибором “POLDER” с борта спутника “ADEOS” 24 июня 1997 г. и перечислены в табл. 3.4 (раздел 3.4). Было рассмотрено семь географических регионов с протяженной облачностью:
Изображения 14 и 15 представляют одно протяженное поле облачности и изображения 16, 17 и 18 – другое поле облачности (нумерация согласно табл. 3.4). Только пиксели с количеством облаков больше 5 баллов рассматривались, как облачные и подвергались дальнейшей обработке. Для восстановления альбедо однократного рассеяния и оптической толщины облаков выработан следующий алгоритм [22,23]:
1. Рассчитываются функции, зависящие от косинусов зенитных углов визирования и Солнца, азимутального угла и индикатрисы рассеяния. Параметр асимметрии индикатрисы рассеяния g принят равным 0,854, 0,841 и 0,833, соответствующий длинам волн 443, 670 и 865нм согласно результатам работы [5].
2. Определяются приближенные значения оптической толщины в предположении консервативного рассеяния для каждого направления визирования. Понятно, что если бы верхняя граница облачности была плоской поверхностью, то величина оптической толщины была бы одинаковой для всех направлений визирования. Разброс полученных величин показывает степень затенения (или отличие верхней границы облачности от плоскости). Вычисляется параметр затенения r. Кроме оценки параметра r, данная процедура помогает отобрать для дальнейшего анализа те пары направлений визирования, для которых оптические толщины оказались равны (или отличаются менее, чем на 10%).
3. Рассчитывается параметр s2 из измеренных интенсивностей по формуле (6.1.18) для каждой пары направлений визирования с равными оптическими толщинами. В случае, если оптическая толщина, определенная в предыдущем пункте без учета поглощения, больше 100, то параметр s2 вычисляется по формуле (6.1.21). После усреднения результатов рассчитывается относительное среднее квадратичное отклонение.
4. Определяется оптическая толщина слоя для данного пикселя с учетом поглощения радиации по формуле (6.1.18)) для каждого направления визирования с последующим усреднением и вычислением относительного среднего квадратичного отклонения.
5. Процедура повторяется для каждой длины волны и для каждого пикселя.
6. Полученные результаты подготавливаются для картирования: вставляются пропущенные пиксели; усредненные по окружающим пикселям значения подставляются на место пропущенного пикселя или пикселя, для которого имеются данные измерений только для одного направления визирования; отбрасываются пиксели, крайние в спутниковом изображении (так как погрешности измерений для таких пикселей слишком велики) и изменяется нумерация и порядок пикселей так как это требуется для программы компьютерного картирования (рис. 7.9-7.10).
Для каждого пикселя рассчитываются также погрешности с учетом ошибок измерений по формулам (7.3.7). В среднем погрешности определения оптических параметров возрастают к краям спутникового изображения, так же как и погрешности измерений.
На рис. 7.9 представлены пространственные изображения величины 1-0 и на рис. 7.10 – оптической толщины [22,23]. Пропуски на изображениях соответствуют пикселям с облачностью меньше 5 баллов. На рисунках показано по 4 изображения. Верхние изображения «сшиты» из трех участков, сигнал от которых зарегистрирован на последовательных проходах спутника ADEOS с разницей во времени около 1 часа. Вторые сверху изображения сшиты из 2-ух участков. Значения 1-0, в основном, находятся в пределах 0,001-0,010. Значения оптической толщины облаков t0 находятся в основном в пределах 15 – 25, а в тропических регионах могут превосходить 100.
Рисунок 7.9. Изображения величины 1- 0 , восстановленной из данных прибора ПОЛДЕР
Рисунок 7.10. Изображения оптической толщины  , восстановленной из данных прибора ПОЛДЕР
Рисунок 7.11. а) – Величина 1-0 и б) – оптическая толщина 0 (сплошная линия) и параметр затенения r*100 (пунктирная линия) в зависимости от номера пикселя для трех длин волн 443нм – черная линия; 670нм – красная линия; 865нм – синяя линия;
1 - для широты 58.75o с.ш. и долготы 23o з.д. - 75o в.д.
2 - для широты 44.75 с.ш. и долготы 24o з.д. – 30o в.д.
3 - для широты 8.75o с.ш. и долготы 120o в.д. - 140o в.д.
На рис. 7.11 показаны значения: (а) – 1-0 и оптической толщины и (б) – оптической толщины 0 и параметра затенения r, умноженный на 100 в трех спектральных участках в зависимости от номера пикселя для отдельных значений широты, указанных на рисунке. Размер каждого пикселя около 60км. Оказалось, что параметр r не зависит от длины волны, а спектральная зависимость оптической толщины явно выражена: уменьшение оптической толщины с длиной волны выявлено для всех пикселей. В связи с этим следует иметь в виду, что результат был получен для каждой длины волны независимо. |
