Файл: Лабораторный практикум В. Ф. Говердовский, А. В. Дикинис.pdf

Другими  словами,  вклад  уходящего  излучения  отдельных  слоев 

атмосферы  в различных участках  спектра электромагнитного  из­

лучения неодинаков.

Внутри  определенной  полосы  поглощения  можно  выделить 

интервалы,  каждый  из  которых  соответствует  преимущественно 
излучению  одного  более  или  менее  тонкого  слоя  атмосферы. 
В этом случае, грубо говоря, можно считать, что до измеряющей 

аэрокосмической  аппаратуры  доходит  излучение  столба  какой- 

либо атмосферной газовой составляющей, представляющее собой 

(математически) свертку вида:

с с

ф(*)=  /ЛОг-ЯЛООФ» 

(6Л4)

—ос

где/! (у) - зависимость интенсивности излучения столба газа еди­
ничной массы от высоты; 

f 2(x - у )   -

 функция, определяющая долю 

излучения,  пропускаемого  на  каждой  высоте.  Такие  функции 

(свертки) пропускания в последнее время стали называть весовыми.

Весовая функция (рис. 44) имеет максимум на некоторой вы­

соте, потому что в верхних слоях атмосферы газа мало, а излуче­

ние нижних слоев почти полностью поглощается на пути излуче­

ния. Поскольку поглощение и излучение зависят от частоты, упо­

мянутый максимум для различных частот располагается на разной 

высоте, что может быть использовано для восстановления верти­

кального профиля плотности (давления) и температуры.

Оценка  информации.

 Вычисление интенсивности и других ко­

личественных  характеристик  излучения  по  заданным  функциям 
пропускания и известным распределениям параметров  состояния 

атмосферы с использованием уравнения радиационного переноса 

(6.13)  составляет  содержание  прямой  задачи,  а  восстановление 

распределений метеорологических величин по измеренным спек­

тральным яркостям - обратной задачи спутниковой метеорологии. 

«Обращение» радиационных данных в метеорологические величи­
ны  чаще  всего  осуществляют  по  измерениям  в  инфракрасном  и 

микроволновом диапазонах спектра электромагнитного излучения 
в полосах поглощения углекислого газа (4,3  и  15 мкм), водяного 

пара (6,3 и 18 мкм или 0,8 и 1,35 см), кислорода (5 мм).

146

Рис. 44. Весовы е функции для различных спектральных интервалов 

в полосе  15 мкм углекислого газа (стандартная атмосфера)

Задача восстановления параметров, как и другие обратные за­

дачи, является некорректно  поставленной:  любые  небольшие  из­

менения в исходных данных (в регистрируемых сигналах), приво­

дят к значительным  изменениям получаемого  решения.  Поэтому 
дистанционное зондирование целесообразно проводить в одной из 
линий  (полос)  поглощения  атмосферы,  где  земное  излучение  не 

доходит до аппаратуры, а регистрируемое излучение обеспечива­
ется практически лишь одной атмосферной составляющей (напри­

мер, по линиям поглощения углекислого газа вблизи волны дли­

ной 15 или 4,3 мкм).

Изучение термического состояния системы Земля-атмосфера 

в глобальном масштабе представляет научный интерес не только 
в  связи с  исследованиями по  общей циркуляции  атмосферы или 
для климатологии,  но  имеет и практическую  ценность  в  связи с 

необходимостью располагать соответствующей информацией для 

анализа и прогноза погоды.

147

Р а д и а ц и о н н о е   и з м е н е н и е   т е м п е р а т у р ы

в   р е з у л ь т а т е

преобразований лучистой энергии в атмосфере может быть пред­

ставлено соотношением:

дТ_

dt

F

с р

где

1  Л

F  

A F

F x =

-------

Т~ = ё —

(6 - 1 6 )

р   Az 

Ар

-

 отнесенный к единице  массы лучистый приток тепла,  пропор­

циональный дивергенции полного потока радиации 

F;

A F  = F(z  + Az) -  F(z)

-

 перепад полного потока в слое толщиной 

Az,

 а

F(z)

= 

-R (z)

 = 

- S (z ) cos 3   - D

1 

(z )+ D

 t 

( z ) - F I ( z )  + F

 t (z)

(6.17)

- поток на произвольном уровне z .

В (6.17) использованы обозначения: 

R(z)  -

 радиационный ба­

ланс; 

S(z)

 - прямая солнечная радиация,  приходящая на  единич­

ную нормальную  поверхность;  $®  -  зенитный угол 

Солнца;

D

 4  (z) и 

D

 Т (z) - нисходящий поток рассеянной и восходящий

поток отраженной солнечной радиации; 

F

4- 

(z )

  и 

F

Т (z)  - нис­

ходящий и восходящий потоки длинноволновой радиации.

В  первом  приближении  основой для  оценки трансформации 

излучения  в  атмосфере  могут  послужить  две  сравнительно  про­

стые модели (рис. 45) при ясном и облачном небе.

Ясное  _шбо-

  Среднее  значение  солнечной  радиации,  посту­

пающей  на  верхнюю  границу  атмосферы,  принимают за  100  %. 

За счет поглощения на пути до тропопаузы она уменьшится на 2 %. 
В тропосфере 20 % излучения будет поглощено, а 20 % радиации 
будет рассеяно, причем в последнем случае половина энергии уй­
дет к верхней границе атмосферы, а другая - к нижней. Таким об­

разом, до земной поверхности дойдет 68  % солнечной радиации. 

Если среднее  альбедо  системы Земля-атмосфера при ясном небе

148

принять равным ОД, то тогда 7 % излучения отразится от земной 
поверхности, а 61 % ею будет поглощено.

Рис. 45. Модель распределения солнечной радиации в тропосфере

Облачное  небо.

  Если средние значения количества, высоты и 

типов  облаков  рассматривать  как  некоторую  функцию,  скажем, 
широты, то для облачного слоя, состоящего из облаков верхнего, 
среднего  и  нижнего  ярусов  в  надлежащих  пропорциях,  альбедо 
можно  принять  равным  0,55,  а поглощательную  их  способность 

оценить коэффициентом 0,07.  Тогда из потока излучения, посту­

пающего  в  тропосферу  (98  %  солнечной радиации),  в  облачном 
слое 5  % поглощается,  5  % рассеивается, а 48 % отражается по­
верхностью  облака.  Из  отраженной  радиации  2  %  поглощается 

в надоблачном слое, а 46 % уходит в мировое пространство. В са­

мом  облачном  слое поглощается  6  % излучения,  а 34  % выйдет 

через его нижнюю границу. Солнечная радиация, пропущенная об­
лаком, оказывается диффузной и 6 % ее поглощается в подоблачной 

атмосфере.  Следовательно,  на поверхность  земли поступает всего 

28 % процентов солнечной радиации, некоторая часть которой мо­

жет возвратиться на нижнюю границу облачности за счет отражения 

и рассеяния в воздухе под облаком. Однако значительное количество 
энергии из восходящего потока будет отражено облаком обратно.

Подобные модели допускают конкретизацию  отдельных эта­

пов исследования или уточнения условий их реализации (напри­
мер, в условиях ясного неба определить поток радиации на любом

149

заданном уровне в нижней атмосфере или уточнить отражающие 
свойства облачного слоя при облачном небе и т.п.).

В  научных  исследованиях  потоки  радиации  в  безоблачных 

слоях атмосферы рассчитываются по известным соотношениям (и 
для  коротковолновой  радиации,  и  для  длинноволнового  излуче­
ния), а внутри облачного слоя определяются путем линейной ин­

терполяции между значениями на границах облака (в подоблачном 

и надоблачном слоях). Принято считать, что все облака, кроме пе­

ристых, не пропускают прямую солнечную и длинноволновую ра­

диацию. При расчетах перистые облака также считаются прозрач­

ными, однако их количество (баллы) уменьшается вдвое. При не­
сплошной однослойной облачности полный поток радиации обыч­

но представляют в виде суперпозиции потоков при ясном небе 

F

0

 и 

при сплошной облачности 

F w ■

F = ( l   - N ) F

0

+ N F W,

(6.18)

где 

N

 - количество облачности в долях единицы.

Контрольные вопросы

1.  Что понимают под излучением?

2.  Чем определяется взаимодействие излучения со средой?
3.  Что называется коротковолновым солнечным излучением?

4.  Что называют длинноволновым тепловым излучением?

5.  Что такое радиационной баланс системы Земля-атмосфера?
6.  Назовите  диапазоны  спектра  электромагнитного  излучения,  используемые 

в настоящее время для аэро- и космической съемки, а также для дистанцион­

ного зондирования Земли.

7.  Охарактеризуйте  отражательные  и  поглощательные  свойства  естественных 

объектов.

8.  Дайте  общую характеристику видимого  (и ближнего инфракрасного)  диапа­

зона спектра электромагнитного излучения.

9.  Расскажите об инфракрасном тепловом диапазоне спектра.

10. Охарактеризуйте микроволновый диапазон спектра излучения.
11. В чем отличие пассивных методов дистанционного зондирования от активных?

12. Что такое «полоса поглощения излучения»?

13. Опишите тонкую структуру полосы поглощения.

14. Дайте определение функции поглощения и функции пропускания.

15. Что представляет собой весовая функция?
16. Что называют уравнением радиационного переноса?
17. Охарактеризуйте содержание прямой и обратной задач спутниковой метеоро­

логии.

150