Распределенная информационно-

вычислительная система «Атмосферная радиация»

Фирсов К.М.1), Фазлиев А.З.2), Чеснокова Т.Ю.2), Козодоева Е.М. 2)

1) Волгоградский государственный университет, Волгоград 2) Институт оптики атмосферы СО РАН, Томск

Работа поддержана грантом 07-07-00269

АтмосфернаяАтмосферная радиациярадиацияАтмосфернаяАтмосферная радиациярадиация

Задачи- Пассивное зондирование атмосферы радиометрами наземного и космического базирования-Радиационные блоки моделей общей циркуляции атмосферы (моделирование климата)

Оптические характеристики- Прозрачность атмосферы- Потоки радиации- Скорость радиационного нагрева атмосферы

Данные- Большой объем - Разнородные по типам и качеству- Регулярные обновления (увеличивается объем и меняется структура)

Модели- Большая трудоемкость расчетов- Жесткие требования к моделям высокая скорость счета высокая точность- Большое количество моделей

РНЦ Курчатовский институт

Оптические характеристики капельных облаков и базовых моделей аэрозоля.

Эталонные расчёты восходящей и нисходящей радиации для тестирования моделей переноса радиации в атмосфере.

Эталонные расчёты для тестирования методик обработки национальных спутниковых и наземных натурных экспериментов

ИОА, ВолГУОптические характеристики облачности и аэрозоля северного полушария

УРГУаприорная информация по вертикальным профилям температуры, H2O, HDO, О3, СН4, СО2

ИВС

ДАННЫЕ

МОДЕЛИИОА, ВолГУ• Программа для создания look up table архивов для быстрых расчетов потоков радиации в ИК диапазоне спектра. •Программа расчета потоков радиации в ИК диапазоне спектра.

УРГУ•Программа по определению вертикального профиля отношения концентрации HDO/H2O в атмосфере из ИК фурье-спектров солнечного излучения

Технология Организация доступа ИВС «Атмосферная радиация» к спектроскопическим данным в распределенной ИВС «Молекулярная спектроскопия» (ИОА) на основе веб- сервисов.

Структура портала Структура портала ATMOSATMOShttp://atmos.iao.ruhttp://atmos.iao.ru

Атмосферная химияАтмосферный аэрозольАтмосферная спектроскопияАтмосферная радиацияКлиматСолнечно-земные связи

Западно-Сибирская низменностьОзеро БайкалУправление и оценка качества воздуха

ИВС МонографияИВС МонографияИВС МонографияИВС МонографияИВС МонографияИС

ИС Монография

ИС МонографияИС

Распределенная информационно-вычислительная

система «Атмосферная радиация»

http://atrad.atmos.iao.ru - ИОА СО РАН

http://atmos.physics. usu.ru - Уральский госуниверситетhttp:// remotesensing.ru

http://atmos.volsu.ru - Волгоградский госуниверситет

Измерения атмосферной радиации

Справочная база данных об оптических характеристиках атмосферы

MODIS

Радиационная модель ИОА

Основное назначение радиационной модели ИОА – расчет атмосферного переноса  теплового и солнечного излучения с учетом аэрозольного и молекулярного рассеяния, газового поглощения для произвольных атмосферных условий, в том числе:

1. Расчет эффективных коэффициентов поглощения и функций пропускания с помощью рядов экспонент  на основе атласа спектральных линий HITRAN2004;

2. Расчет интенсивности и потоков радиации коротковолнового излучения методом дискретных ординат DISORT  на верхней границе атмосферы и у поверхности Земли с учетом облачности;

3. Вычисление атмосферных потоков теплового излучения и скоростей выхолаживания  на произвольных уровнях атмосферы. 

СферическихГармоник

DISORT

Монте-Карло

Молекулярное поглощение

Молекулярное рассеяние

Аэрозольное рассеяние

Подстилающая поверхность

База спектральных

линийHITRAN, GEISA

Радиационныехарактеристики

Сечения поглощения

Модели континуального

поглощения

Метеомодели

Облака

Данные Модели БлокРасчета

радиации

Коротковолновая радиация

Структура данных в HITRAN-2005

Число спектральных линийHITRAN-2005 – 1.5 млн.HITRAN-2008 – 2.5 млн.

Основные принципы, положенные в основу создаваемых прикладных программ:

Применять методики обеспечивающие автоматизированную обработку информации

Высокая степень параметризации

75~,)(exp

)(exp

)(exp~)(

1

0

ngC

dgg

dTdI

nnmn

m

m

3700 3710 3720 3730 3740

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

Laplase transformation

, cm-1

(g)()

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

g

Аппроксимация функции пропускания рядом экспонент

)()()()( xxxx,x nn

X

nn dzkz x

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПЕРЕНОСА РАДИАЦИИ

Молекулярное поглощениеаппроксимация рядом экспонент

Расчетline-by-line высотные профили k(,h), [1, 2] параметризация Ci, ki(h), i=1,N; N=3-7Ci=f(S(), F())

Входные данныеВысотные профили Р(h), Т(h), C(h)Солнечная постоянная S()Аппаратная функция F(), [1, 2]

73~,)(

iICdIi

ii

)()()()(

)(hkhh

hh

iabsscat

scati

10000 10100 10200 10300 10400 10500

60

65

70

75

10000 10100 10200 10300 10400 10500

1E-3

0.01

0.1

1

10

S(), мВт/(м2см-1)

, см-1

F()

Метод учета молекулярного поглощения

2

1

)()( dFSCii

2

1

)(r

rii drrk

Тестовые расчеты нисходящих потоков (Вт/м2) в спектральном интервале 10000-10500 см-1, чисто поглощающая атмосфера,

спектральная база данных HITRAN-92, метео - MLS, зенитный угол 30о

Fom in(1996)

O ur calculationh, km

lbl lb l k-d istr.,N =4

k-d istr.,N =10

100.0 31.448 31.449 31.451 -0.002 31.451 -0.00250.0 31.448 31.449 31.451 -0.002 31.451 -0.00220.0 31.446 31.446 31.449 -0.003 31.449 -0.00315.0 31.443 31.444 31.448 -0.004 31.447 -0.00310.0 31.383 31.385 31.426 -0.041 31.400 -0.0155.0 30.183 30.182 30.523 -0.341 30.177 0.0054.0 29.492 29.489 29.788 -0.299 29.467 0.0223.0 28.456 28.477 28.597 -0.12 28.466 0.0112.0 27.039 27.066 26.911 0.155 27.074 -0.0081.0 25.278 25.295 25.002 0.293 25.305 -0.010.0 23.260 23.274 23.132 0.142 23.298 -0.024

Перенос солнечной радиации

Нисходящие потоки на уровне подстилающей поверхности.

Содержание жидкой воды - 0.008 см, содержание озона - 340 ед. Добсона. Положение облачного слоя 0.58-085 км, эффективный радиус облачных капель - 7,2 мкм, зенитный угол солнца - 47о, общее содержание паров воды 1.6 г/см2.

ИВС «Атмосферная радиация»ИВС «Атмосферная радиация»http://atmos.iao.ruhttp://atmos.iao.ru

ИВС «Атмосферная радиация»ИВС «Атмосферная радиация»http://atmos.iao.ruhttp://atmos.iao.ru

Расчет ИК потоков

Модель предназначена для вычисления нисходящих, восходящих и суммарных потоков ИК радиации и скоростей  радиационного выхолаживания в атмосфере.

Молекулярное газовое поглощение рассчитывается методом «к-распределения» на основе HITRAN2004.

Диапазон спектра от 0 до 3000 см-1 Спектральное разрешение 20 см-1 Высоты от 0 до 100 км.

ИВС «Атмосферная радиация»ИВС «Атмосферная радиация»http://atmos.iao.ruhttp://atmos.iao.ru

Влияние вариаций общего содержания паров воды на нисходящие потоки длинноволновой радиации

T, К 312 286 296 296

H2O, ppm 12402 6778 24236 12965

w, ос.см 2.12 0.976 4.71 2.81

∆F↓,Вт/м² 404.3 287.6 381.4 410.3

∆F↓,Вт/м² (Вклад континуума) 25.1 17.1 56.9 33.5

∆F↓,Вт/м² (Вклад Н2О) 291.4 204.2 286.9 299.6

∆F↓,Вт/м² Вклад СО2 20.9 18.7 4 16

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0

50

100

150

200

250 - Нормальное распределение

Чи

сло

изм

ер

ени

й

H

2O, oc.cм

Метео для Нижнего Поволжья

Июль, 1999-2009

Форсинг СО2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

1

2

3

4

FCO

2

, W/m2

Удвоение СО2

0 1 2 3 4 50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5F

CO2

wH

2O

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

-6

-4

-2

0

2

4 Fluxdown, mls, 5 gases

0-3000 cm-1

DIF

FE

RE

NC

E,

W/m

2

WATER COLUMN, ATM*CM

DCKD2.4 DRSB DARF DCKD1

Континуальное поглощение

(Удвоение концентрации СО2 ~ 3 Вт/м3)

FIRE-ARMS (УрГУ) http:// remotesensing.ru

Спектры высокого разрешения яркости и пропускания безоблачной слабоаэрозольной атмосферы для различных геометрий наблюдения: надир, зенит, лимб, наклонные трассы.

Решение обратных задач определения вертикальных профилей температуры и профилей оптически активных газов по данным современных спутниковых спектрометров высокого разрешения типа IMG, AIRS, TES, IASI

Информационные ресурсы и модели собранные в ИВС представляют интерес для следующих группспециалистов:

1. Специалисты в области атмосферной радиации, атмосферной химии и спектроскопии, климата и прогноза погоды

2. Потребители информации в смежных областях науки (метеорологи, экологи и т.д.)

3. Аспиранты и студенты

БлагодарюБлагодарюзаза

вниманиевнимание