Изучение и оценка влияния облаков и атмосферных аэрозолей на радиационный баланс атмосферы и лучистый приток тепла представляет первостепенный интерес с точки зрения анализа роли различных факторов в формировании климата [54]. Данные наземных наблюдений суммарной и отраженной солнечной коротковолновой радиации (КВР) позволяют определить полный поток солнечной радиации для облачной атмосферы (о) и для ясного неба (я) F_о и F_я (часто используют термин радиационный баланс) на уровне подстилающей поверхности, а спутниковые измерения дают полный поток радиации на верхней границе атмосферы [55]. Разность радиационных балансов для облачной и безоблачной атмосферы F_о–F_я определяет коротковолновое радиационное возмущающее воздействие облачности (ВВО) (иногда используют термин «облачный радиационный форсинг») C_s(S) на уровне подстилающей поверхности (Surface – S) и на верхней границе атмосферы C_s(TOA) (Top of atmosphere – TOA). Среднеглобальное среднегодовое значение коротковолнового облачно-радиационного возмущающего воздействия C_s(TOA) изменяется в пределах от -45 до -50мВт см^-2. Понятно, что величина C_s(TOA) = C_s(S) + C_s(A) определяется суммой вкладов ВВО подстилающей поверхности C_s(S) и ВВО атмосферы C_s(A). Если поглощение коротковолновой радиации всей системой атмосфера – подстилающая поверхность при наличии облаков возрастает по сравнению с поглощением при ясном небе, то C_s(A) > 0. В работе [55] вводится параметр, характеризующий влияние облачности на поглощение КВР в атмосфере, в виде отношения

(3.6.1)

где нг – нижняя и вг – верхняя границы атмосферы. Было показано, что среднедневные значения C_s(S) для г. Боулдера (США) составляют: C_s(S)=-92,6мВт см^-2 и C_s(TOA) = -63,2мВт см^-2, что дает величину f_s=1,46. Рассчитанная на основе численных моделей величина f_s примерно равна единице, откуда следует, что вычисления существенно занижают значение поглощенной КВР облачной атмосферой на величину C_s(TOA)–C_s(S) » 30мВт см^-2 [55]. Выявленное несоответствие инициировало дискуссию в научных журналах, так как оно значительно меняет представления о роли облачности в формировании погоды и климата [55-68]. Эмоциональность авторов этих работ, проявляющаяся даже в заголовках статей (“An absorbing mystery”, “Shortwave Cloud Forcing: a Missing Physics?”), подчеркивает важность обсуждаемой проблемы.

Обзор различных концепций эффекта “избыточного” (“аномального”) поглощения КВР в облачной атмосфере

Объяснения эффекта “избыточного” поглощения, КВР которые предлагаются в многочисленных исследованиях последних лет, можно разделить на пять основных групп.

1). “Избыточное” поглощение – это артефакт, возникший из-за ошибок измерений и несовершенства методик обработки данных наблюдений [59,60,65,69-72]. Основание для таких заключений дают результаты измерений в облачной атмосфере, не показывающие поглощения радиации в коротковолновой области спектра. Облака очень изменчивы по своим оптическим и радиационным характеристикам в зависимости от физического механизма их формирования и в различных географических регионах, и они во многих случаях не увеличивают совокупное поглощение КВР атмосферой и поверхностью, а уменьшают его. Это объясняется тем, что облака отражают значительную часть падающей радиации, препятствуя ее поглощению нижележащими слоями атмосферы и земной поверхностью. Поэтому в некоторых радиационных экспериментах не выявлено избыточного поглощения в облаках. Следует также отметить, что во многих случаях проводимые измерения не позволяют получить достаточный для обработки массив данных. Так, часто измерения в облачной атмосфере не сопровождались соответствующими измерениями в безоблачной атмосфере в ближайшие дни, не всегда измерялось альбедо поверхности, а измерялись только значения отраженной радиации. Все это препятствует адекватной оценке радиационных характеристик облачной атмосферы.

2). Более значительное поглощение КВР в облачной атмосфере по сравнению с безоблачной может быть объяснено тем, что в разорванной облачности радиация выходит через боковые границы облаков и не учитывается при измерениях на верхней и нижней границах. К данной группе исследований относятся как натурные [72-74], так и модельные [75-78] эксперименты. В работе [73] предложен метод оценки количества радиации, выходящей через боковые грани облака, a priori предполагающий отсутствие истинного поглощения коротковолновой радиации в облаке. Указанный метод был применен в исследовании [74] для обработки экспериментальных данных. Естественно, что результатом применения такого метода явился вывод об отсутствии поглощения КВР в облаке.

3). Избыточное поглощение КВР представляет собой кажущийся эффект, вызванный горизонтальным переносом радиации в облачном слое из-за горизонтальной неоднородности слоя (стохастической структуры слоя). Подробное изложение такого теоретического подхода дано в работах [79-82]. При этом предложено различать неровность верхней границы слоя (случай 1) и неоднородность внутренней структуры слоя (вариации коэффициента ослабления) (случай 2). Численный анализ [79,81] показал, что горизонтальный перенос КВР значительно сильнее выражен в случае стохастической верхней границы облачного слоя, чем в случае вариаций его внутренних параметров. Размер горизонтальной протяженности, на котором следует проводить усреднение при измерении отраженного и пропущенного потоков для правильной оценки поглощения радиации в слое, составляет соответственно 30 км (для случая 1) и 6 км (для случая 2). Случай стохастической верхней границы соответствует в природе слоисто-кучевым облакам, а изменчивость коэффициента ослабления – слоистым облакам. В исследовании [82] рассмотрены также различные сочетания величин поглощения и рассеяния в слое и вертикальной и горизонтальной неоднородности и обнаружено, что “важнейшим фактором являются величина поглощения и та субстанция, которая является поглотителем – рассеивающие частицы или среда, в которой они диспергированы.”

4). Аномальное поглощение в облаке предлагается объяснять наряду с другими факторами не учитывавшимся ранее поглощением КВР водяным паром в ближней ИК области спектра [83-89]. Однако тщательный учет молекулярного поглощения в ближней ИК области спектра при расчетах не приводит к экспериментальной величине поглощения в облачности [85,90]. Кроме того, результаты спектральных измерений [67] показали, что наиболее сильно аномальное поглощение проявляется в видимой области спектра, где поглощение радиации молекулами воды очень слабое.

5). Многие исследователи [91-94] для объяснения избыточного поглощения КВР предлагают рассматривать особенности микрофизической структуры облачности. В работе [92] рассматриваются очень крупные капли облака, наличие которых действительно несколько увеличивает поглощение радиации, но весьма слабо и недостаточно для объяснения аномального эффекта. Авторы работы [94] провели подробные расчеты оптических параметров и соответствующих радиационных характеристик для систем двухслойных частиц с поглощающим ядром и также не получили достаточно высоких величин поглощения радиации облаками. Во всех рассмотренных моделях заметное поглощение солнечной радиации облаками в видимой области спектра удается получить только при наличии значительного количества атмосферных аэрозолей [95-97].

6). В исследованиях [82,85,90] рассматривается совокупное действие приведенных выше возможных причин, и при некоторых предположениях расчетные и наблюдаемые значения поглощения радиации оказываются близкими. Но, тем не менее, исчерпывающего объяснения всего ряда имеющихся наблюдений получить не удалось. Таким образом, до настоящего времени проблема остается нерешенной, на что и обращают внимание авторы работ [96,97-100].

Сопоставление результатов измерений поглощения коротковолновой солнечной энергии в различных самолетных экспериментах

В исследованиях поглощения радиации облаками (подтверждающих или отрицающих наличие эффекта избыточного поглощения) в основном использовались данные измерений со спутников и на сети метеостанций. Эти наблюдения выполнялись с использованием разных приборов за длительный период времени, что потребовало сложной статистической обработки данных. В результате была получена усредненная картина, включающая разнообразные типы облачности. По-видимому, отсутствие единой методики отбора и обработки данных зачастую приводило к противоречивым выводам в упомянутых выше работах.

Проанализируем рассмотренные самолетные измерения в терминах введенного выше параметра f_s. По данным самолетных измерений потоков солнечной КВР рассчитаем также лучистый приток R=(F-F­)_top-(F-F­)_base. в слое атмосферы при наличии и при отсутствии слоистообразной облачности. В таблице 3.2 приведены условия и результаты самолетных экспериментов в облачной и безоблачной атмосфере и значения параметра f_s для интегральных (в спектральной области = 0,3 – 3,0мкм) и спектральных (для длины волны = 0,5мкм) измерений солнечной КВР. Там же представлены интегральные значения лучистого притока тепла в слое облачной и безоблачной атмосферы. Из данных таблицы 3.2 видно, что результаты самолетных измерений позволили в ряде случаев зафиксировать эффект сильного аномального поглощения КВР (f_s > 1), в других случаях – отсутствие влияния облачности на величину поглощения (f_s = 1), а иногда и отражение солнечной радиации облаками, препятствующее ее поглощению нижележащими слоями атмосферы и земной поверхностью и уменьшающее общее поглощение КВР в атмосфере (f_s < 1).

Зависимость поглощения солнечной радиации от оптической толщины облачного слоя.

В работах [39-42] представлена относительная величина притока коротковолновой радиации b(,)=R/S как функция оптической толщины слоя по результатам экспериментов в чистой безоблачной атмосфере, загрязненной и в условиях сплошной облачности. Интерполяция экспериментальных точек выявила линейные зависимости b(), что подтверждает аналитическое выражение для поглощения КВР в рассеивающем слое, представленное в монографии [101]:

(3.6.2)

где функции u() и v() зависят от косинуса зенитного угла Солнца . Величина (1-₀) связана с вероятностью выживания кванта ₀ и определяет истинное поглощение радиации в слое атмосферы. В безоблачной атмосфере эта величина примерно равна 0,5, в облачной – 0,005, оптическая толщина составляет в безоблачном случае ₀ ~ 0,5, а облачном слое ₀ ~ 25. Функции v() и u() мало отличаются в безоблачной и облачной атмосфере. Второе слагаемое в формуле (3.6.2) меньше нуля, потому что v() < 0 и произведение v()(1-₀) составляет приблизительно 0,3-0,4 для безоблачной атмосферы и 0,005 для облачной, что вносит существенно различный вклад в величину b(,). Таким образом, в условиях сплошной облачности более значимым оказывается влияние степени загрязненности атмосферы, характеризующееся величиной 1-₀.

Возвращаясь к результатам, приведенным в таблице 3.2, обратим внимание на то, что параметр f_s близок к единице в случаях, когда оптическая толщина облачного слоя невелика 7. В случаях (эксперименты 1, 2 и 4), когда в атмосфере наблюдалось высокое содержание песчаных или сажевых аэрозолей значения f_s 2 указывают на значительное поглощение солнечной радиации в атмосфере и на поверхности. Это подтверждает вывод о том, что эффект “избыточного” или “аномального” поглощения сильно проявляется в условиях повышенного содержания атмосферных аэрозолей и облачности большой оптической толщины (более 15) при малых зенитных углах Солнца и совсем не проявляется в чистых облаках малой оптической толщины при больших зенитных углах Солнца.

Зависимость поглощения солнечной радиации от географической широты и зенитного угла Солнца.

Представленные в таблице 3.2 значения параметра f_s и лучистого притока тепла R в слое атмосферы показывают убывание этих характеристик по мере движения от тропических широт к полярным, причем особенно большие значения f_s принимает в тропической зоне, что согласуется с результатами анализа, проведенного в работах [39-42]. Эта зависимость нарушается в промышленно развитых районах, характеризующихся сильным загрязнением атмосферы, а также в эксперименте 6 (табл. 3.2), который проводился в условиях двухслойной облачности.

Рисунок 3.20. а). Широтная зависимость параметра  f_s  по данным работы [102] (сплошная линия) и полученные по самолетным измерениям (пунктирная линия). Звездочками обозначены величины fs, полученные по самолетным измерениям в интегральном спектре, кружками – в коротковолновой области. б). Зависимость величины параметра f_s от зенитного угла Солнца по данным работы [103] (номограмма) и полученные по самолетным измерениям. Звездочками обозначены интегральные данные, треугольниками – для длины волны 0,5мкм.

В работе [102] проведен тщательный анализ рядов среднемесячных значений интегральных потоков солнечной КВР, полученных на базе спутниковых и наземных наблюдений за 46 месяцев (с марта 1985 по декабрь 1988). Результаты [102] включают в себя широтную зависимость величины f_s, представленную на рис. 3.20 а. На том же рисунке показаны результаты, полученные из анализа данных самолетных наблюдений. На рисунке звездочками обозначены величины f_s для интегральной радиации, практически совпадающие с кривой, полученной в работе [102], и кружками – величины f_s в коротковолновой области спектра для = 0,5мкм, которые значительно превосходят усредненные значения в интегральном спектре, но сохраняют качественно ту же зависимость от географической широты. Пунктирная кривая проведена по значениям f_s для = 0,5мкм, усредненным по каждой широтной зоне. Как уже упоминалось, значения параметра f_s превосходящие 2, соответствуют сильному загрязнению атмосферы поглощающими радиацию аэрозолями в совокупности с оптически толстой облачностью

В работах [103,104] проведено исследование зависимости эффекта аномального поглощения облаками, характеризуемого параметром f_s, от зенитного угла Солнца. На рис.3.20 б показаны результаты, полученные в работе [103] в виде номограммы. Результаты самолетных радиационных экспериментов представлены на том же рисунке. Звездочками обозначены данные, полученные из интегральных измерений; треугольниками – для длины волны 0,5мкм. Видно, что величины f_s для интегральных измерений практически совпадают, несмотря на различные экспериментальные методики. Подчеркнем, что результаты работ [102,103] и анализируемые данные получены с использованием существенно разных методов измерений и обработки данных, а также в различные периоды времени и в разных географических регионах. Таким образом, удовлетворительное совпадение результатов позволяет однозначно утверждать, что явление избыточного или аномального поглощения объективно существует и наиболее сильно выражено в коротковолновой области спектра.

Рисунок 3.21. Годовые зональные значения количества облаков в баллах, осредненные по кругу широты (1), над поверхностью воды (2) и суши (3) за 1971-1990 гг. по данным [106].

Данные для коротковолнового спектрального диапазона демонстрируют значительно более сильный эффект избыточного поглощения. Если соотнести величины косинуса зенитного угла Солнца и географической широты (имея в виду, что радиационные эксперименты обычно проводятся в околополуденное время), то очевидными становятся общие черты этих зависимостей. Но из этих результатов трудно окончательно заключить, что является первоначальной причиной эффекта – высота Солнца или оптические свойства, присущие слоистой облачности в разных широтных зонах.

В работе [104] обнаружено, что облачное радиационное воздействие у поверхности Земли в Арктике линейно убывает с ростом косинуса зенитного угла Солнца. Причем, для низкого Солнца над горизонтом (косинус зенитного угла < 0,15) наличие слоистообразных облаков приводит к нагреванию поверхности Земли, а для более высокого положения Солнца – к охлаждению поверхности. Авторы работы [105] отмечают, что присутствие атмосферного сажевого аэрозоля приводит к возрастанию облачно-аэрозольного радиационного воздействия на верхней границе атмосферы с ростом косинуса зенитного угла Солнца, причем эта зависимость подобна угловой зависимости функции выхода u(). С другой стороны, сульфатный аэрозоль не влияет на угловую зависимость облачного форсинга. Отсюда можно сделать вывод, что влияние именно сажевого аэрозоля в облаках способствует возникновению аномального поглощения.

По результатам многочисленных расчетов при наклонном падении солнечных лучей на облачный слой увеличивается доля отраженной радиации, уменьшается поток проникшей в облачный слой радиации и ее поглощение в этом слое. Поэтому при больших зенитных углах Солнца облака играют роль охлаждающего фактора.

Кроме того, очевидно, что влияние облачности на поглощение КВР в атмосфере проявляется при наличии достаточного количества облаков. В этом контексте интересно сравнить данные, приведенные на рис. 3.21 [106], описывающие зональное поле облачности, и данные, представленные на рис. 3.20 а. Видно, что широтные зависимости количества облаков в баллах и параметра f_s, характеризующего облачный радиационный форсинг, качественно совпадают. Исследования, проведенные в рамках программ КЭНЭКС, ГАРЭКС, ПГ ПИГАП и АТЭП, отчетливо продемонстрировали на основе анализа данных самолетных наблюдений наличие в большинстве случаев существенного поглощения КВР облаками. Анализ результатов исследований последних десятилетий, проведенный в этом разделе, позволяет сделать следующие выводы.
1. Избыточное поглощение КВР определяется именно оптическими свойствами облачности, а не погрешностями измерений и методов статистической обработки результатов, как пытаются представить дело некоторые исследователи.
2. В тропических районах “избыточное” поглощение КВР весьма значительно (f_s ~ 3), тогда как в полярных районах этот эффект почти не наблюдается (f_s 1). Экспериментально доказана зависимость поглощающих и рассеивающих свойств слоистообразных облаков не только от географической широты, но и от типа поглощающего атмосферного аэрозоля, который захватывается облаками. Рассмотрение свойств облаков в терминах оптического параметра – альбедо однократного рассеяния – также показывает, что более высокие значения поглощения радиации (более низкие значения альбедо однократного рассеяния) характерны для обширных облачных полей в средних и низких широтах. Обработка спутниковых данных дала результат, подтверждающий выводы, сделанные из анализа данных самолетных измерений. Наиболее типичные значения оптических параметров облачности будут приведены в главе 7.
3. Анализ радиационных характеристик (потоков и притоков солнечной радиации) в облачных слоях и в безоблачной атмосфере обнаружил значительное увеличение поглощения солнечной радиации в облачной атмосфере, что особенно ярко проявляется в мощных облачных слоях и в загрязненной атмосфере. Выявлена линейная зависимость поглощения радиации в атмосфере от оптической толщины.
4. Эффект избыточного или аномального поглощения КВР в облачной атмосфере наблюдается по всему спектру длин волн, но особенно сильно – в коротковолновой области. Доказанное существование эффекта аномального поглощения значительно меняет сложившиеся представления о тепловом балансе атмосферы. В этой связи представляется необходимым учитывать нагревание атмосферы за счет этого эффекта при проведении климатических расчетов и при построении прогнозов изменений климата.