авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 ||

Исследование устойчивости теплового режима поверхности земли и расчет параметров атмосферы по ик спектрам высокого разрешения

-- [ Страница 6 ] --

Эта величина достаточно информативна и удобна для представления и картирования горизонтального распределения относительного содержания дейтерия в атмосфере. Оценка ошибки методики производилась по схеме замкнутых модельных экспериментов с синтетическими спектрами, а также сравнение промежуточных результатов (профилей температуры и водяного пара) с зондовыми измерениями.

В виду отсутствия прямых экспериментальных данных по измерениям профилей HDO над океаном, в работе сравнение полученных результатов по вертикальным профилям HDO проводилось с аналогичными данными других авторов по широтному распределению относительного содержания дейтерия в целом по атмосферному столбу HDO* полученными позднее из данных сенсора TES на спутнике AURA. Результаты сравнения приведены на Рис.15, которые демонстрируют хорошее согласие для северного полушария. Отличие в результатах для южного полушария связано с недостаточной статистической репрезентативностью набора безоблачных данных TES для южного полушария.

В приложении приведено краткое описание основных опций оригинального программного пакета FIRE-ARMS ( http://remotesensing.ru ) и представлены примеры перспективных методов решения актуальных прикладных обратных задач ИК атмосферной оптики.

I. Предложена методика определения вертикального профиля относительного содержания HDO из инфракрасных спектров пропускания атмосферы высокого разрешения, Топтыгин А.Ю. и др. 2006, 2007. Апробация производилась на данных наземного спектрометра FTIR, установленного на Аляске (65.11 С.Ш., 147.42 З.Д.). Рабочий спектральный диапазон данного прибора 750–4300 см-1, спектральное разрешение ~0.002 см-1. Из спектров пропускания извлекалась оптическая толщина атмосферы, обусловленная поглощением молекулами HDO. Для этого использовался метод спектроскопии дифференциального поглощения с выбором канала сравнения в крыле линии. Затем, между ГК рассчитанных спектров для оптической толщины и профилей HDO стоилась линейная регрессия. Оценка погрешности метода проводилась по замкнутой методике модельных экспериментов с синтетическими спектрами. По разработанной методике были обработаны измеренные спектры FTIR, поддержанные синхронизированными по времени зондовыми измерениями профилей температуры и влажности, получены профили HDO. Верификация предложенной методики путем независимого сравнения с классическим методом регуляризации Тихонова А.Н. продемонстрировала хорошее согласие обеих методов.

II. Предлагается оригинальный метод дистанционного определения отношения 13C /12C в атмосферном столбе по спектрам пропускания атмосферы высокого разрешения (~0.002 см-1) в диапазоне 6100-6300 см-1 с высоким отношением сигнал/шум, измеряемым Фурье спектрометрами наземного базирования. Метод основан на измерении отношения оптических толщин атмосферы для гомологичной пары линий изотопов 13CO2 и 12CO2, Захаров В.И. и др. 2008.

III. Для задачи определения вертикального профиля CO2 из ИК спектров сенсора GOSAT/FTS разработана и натренирована нейронная сеть, демонстрирующая возможность определения с требуемой точностью вертикального профиля CO2 и полного его содержания в атмосферном столбе из синтетических спектров ИК сенсоров GOSAT/FTS в полосах поглощения CO2 1.6 µm и 2.06 µm, Gribanov K.G. et al 2006.



IV. Предложена относительно простая феноменологическая модель для определения расходов природного газа на мощных факелах из данных сенсоров типа MODIS, Грибанов К.Г. и др. 2006. В предложенной модели расход газа на факеле пропорционален величине . Где яркость излучения в 20 канале MODIS, приходящего с пикселя накрывающего факел, а среднее значение фоновой яркости пикселей прилежащей поверхности, - площадь пикселя. Расход газа от величины был аппроксимирован линейной зависимостью:

, (17)

где расход в тысячах м3 в час, - удельная теплота сгорания газа в кДж/м3, характерная для данного месторождения, параметры и подгоночные.

На Рис.16 приведена калибровочная зависимость величины расхода газа от определяемой по спутниковым данным величины .

Рис.16. Зависимость расхода газа в тысячах м3 в час на факеле Вань-Ёганского месторождения (61.8 с.ш., 77.2 в.д.) от наблюдаемой величины в 20-ом канале MODIS, заданной в МВт/(мкм*ср). Точки – результаты замеров расхода газа на факеле, синхронизованные с данными MODIS. Прямая (калибровочная линия) представляет собой аппроксимацию, полученную методом наименьших квадратов. Величина стандартного отклонения при подгонке калибровочной прямой составила 7.2 тыс. м3 в час. Данные по замерам in situ расхода газа на факеле предоставлены Югорским НИИ ИТ.

Вышеописанная модель была реализована в оригинальном программном пакете MODIS_Flares под ОС Windows ( http://remotesensing.ru ) для попиксельной обработки сигналов 20-го канала MODIS и расчетов расхода газа на факеле, Грибанов К.Г. и др. 2006. ПО MODIS_Flares может быть использовано в качестве пробного инструмента в системе обработки данных MODIS и количественной оценки мощности факелов и независимых оценок расхода газа на факельных установках сжигания попутного газа.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты проведенных исследований:

1. Получила развитие теория переноса теплового излучения в молекулярных средах, а именно:

  • Развиты и программно реализованы в оригинальном пакете FIRE-ARMS ( http://remotesensing.ru ) спектроскопически детализованные прямые line-by-line модели высокого разрешения (до 0.0001 см-1) для исследования переноса теплового излучения безоблачной слабоаэрозольной атмосферы в диапазоне 0-10000 см-1 для различных геометрий наблюдения: надир, зенит, по наклонным трассам и в лимб, учитывающие литературные модели континуума водяного пара и эффекты смешения линий в основных полосах СО2 и СН4.
  • Разработаны и программно реализованы в оригинальном пакете FIRE-ARMS ( http://remotesensing.ru ) различные методы решения обратных задач по определению атмосферных параметров (вертикальные профили температуры и концентрации оптически активных газов) из спектров теплового излучения атмосферы высокого разрешения, регистрируемых современными Фурье спектрометрами в надир, зенит и по наклонным трассам в условиях чистого неба.
  • Предложен метод идентификации спектров безоблачной слабоаэрозольной атмосферы (спектров чистого неба) для уходящего теплового излучения в диапазоне 600-2000 см-1 регистрируемого со спутников над водной или покрытой снегом поверхностью.
  • Теоретически предсказаны эффекты влияния отраженного от поверхности Земли нисходящего теплового излучения атмосферы, на спектры высокого разрешения (~0.05 см-1) уходящего в космос теплового излучения, выявленные в спектрах полученных сенсором IMG со спутника ADEOS над пустыней Сахара.

2. Разработана концепция порогового парникового эффекта.

  • Предложены горизонтально-осредненные одномерные (по вертикали) модели среднегодового теплового баланса поверхности Земли, учитывающие механизм закрывания окна прозрачности 8-13 мкм из-за поглощения в горячих колебательно-вращательных полосах СО2 и H2O и предсказывающие возможность существования нескольких стационарных температурных режимов поверхности нашей планеты в области температур выше современной >288.2 К.
  • Показано, что зависимости планетарного альбедо и оптических толщин атмосферы для парниковых газов от температуры поверхности определяют как количество, так и локализацию устойчивых и неустойчивых термических режимов Земли на температурной оси в области > 288.2K.
  • Выявлен пороговый характер среднегодового теплового баланса поверхности Земли в области температур выше современной в зависимости от значений управляющих параметров: солнечная постоянная, планетарное альбедо, концентрации парниковых газов в атмосфере.
  • Предложенные модели позволяют сделать оценки критических условий для развития глобальной тепловой неустойчивости на Земле и перехода в перегретое стационарное состояние, аналогичное состоянию Венеры. Оценки по различным моделям показывают, что критическое значение СО2 примерно в 12-130 раз превышает его современную концентрацию в атмосфере Земли. Критическая концентрация CН4 примерно в 3500 раз превышает его современное содержание в атмосфере.
  • Установлено, что при скорости роста планетарного альбедо с температурой поверхности выше некоторой критической (при заданных начальных значениях концентрации парниковых газов в атмосфере) в тепловом балансе поверхности Земли в области температур > 288.2K существует только одна стационарная глобально устойчивая точка, соответствующая современному термическому режиму.
  • Экспериментально продемонстрировано существование предсказываемого порогового механизма положительной обратной связи в тепловом балансе поверхности Земли, на примере взрывного поглощения излучения 10.6 мкм на горячих колебательных переходах молекулы СО2 в воздухе.

3. Заложены основы теории баланса свободной энергии излучения на верхней границе атмосферы.

  • Показана роль статистики фотонов в переносе энтропии и свободной энергии тепловым излучением – минимум потока свободной энергии поля соответствует мультиравновесной статистике фотонов или обобщенному Планковскому распределению числа фотонов.
  • Предложен метод расчета баланса потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы Земли и концепция его мониторинга со спутников.
  • Показано, что в модели эквивалентной серой атмосферы баланс энтропии на верхней границе атмосферы планеты, как функция оптической толщины ее атмосферы для теплового излучения , имеет экстремум (максимум) при оптической толщине характерной для оптической толщины атмосферы Земли.
  • Показано, что баланс свободной энергии на верхней границе атмосферы планеты, как функция оптической толщины ее атмосферы для теплового излучения , имеет экстремум (минимум) при оптической толщине характерной для оптической толщины атмосферы Земли.
  • Оценки численного значения для баланса потоков свободной энергии излучения через верхнюю границу атмосферы Земли согласуется с литературными данными по общей мощности атмосферной циркуляции.

4. Получила развитие теория дистанционного зондирования атмосферы инфракрасным излучением с высоким спектральным разрешением.

  • Разработана методология главных компонент и нейронных сетей для решения обратной задачи определения вертикальных профилей температуры и парниковых газов в атмосфере из ее тепловых спектров высокого разрешения.
  • Впервые предложен и разработан метод дистанционного зондирования вертикального профиля относительного содержания изотопомера HDO в атмосфере из спектров уходящего теплового излучения Земли высокого разрешения (~0.1 см-1) в диапазоне 600-2000 см-1.
  • Идентифицированы изолированные сигналы HDO в ИК спектрах пропускания атмосферы в диапазоне 700-2000 см-1 высокого разрешения (~ 0.002 см-1). Разработан и апробирован метод линейной регрессии на главные компоненты для определения профилей отношения HDO/H2O в атмосфере из данных спектров пропускания при наличии одновременных зондовых измерений профилей температуры и концентрации водяного пара.
  • Впервые разработан и применен метод с использованием нейронной сети для определения полного содержания метана в атмосферном столбе из спектров сенсора AIRS со спутника AQUA. Относительная ошибка данного метода по тестовому набору составляет ~2.4%.
  • Разработан перспективный метод для определения вертикального профиля концентрации СО2 в атмосфере из данных сенсора TANSO со спутника GOSAT с использованием нейронной сети.
  • Предложен метод дистанционного зондирования усредненного по атмосферному столбу отношения 13СО2/12CO2 из данных наземного FTIR высокого спектрального разрешения (~0.001 см-1) в диапазоне 6100 - 6300 см-1 с достаточным отношением сигнал/шум (>1000).
  1. Получены новые научные и практически важные результаты дистанционного зондирования параметров атмосферы и подстилающей поверхности.
    • В инфракрасных спектрах атмосферы, полученных спутниковыми сенсорами типа IMG и современными Фурье спектрометрами наземного базирования (FTIR), идентифицированы сигналы изотопов: HDO, H218O, 13CO2, 13СН4, 13СО - перспективные для их дистанционного зондирования в атмосфере.
    • Из спектров сенсора AIRS со спутника AQUA получены количественные данные о полном содержании СН4 в атмосферном столбе и построены сезонные карты горизонтального распределения метана над районом Западной Сибири (58–67 С.Ш., 58–90 В.Д.) в период 2004–2006 г.г. Обнаружены характерные черты техногенной эмиссии метана в данном регионе.
    • Предложен и апробирован метод количественного определения расхода природного газа на факельных установках по данным спутникового сенсора MODIS в инфракрасных каналах.
    • Впервые выявлены сезонные вариации содержания метана в атмосфере болотной экосистемы Западной Сибири. Его значения меняются от 0.57 моль/м2 в зимний период до 0.62 моль/м2 в летний период. Вклад природной эмиссии СН4 из болот в общее содержание метана в атмосфере над исследуемым районом в летний период составил ~0.05 моль/м2.
    • Впервые получены данные о параметре, характеризующем «силу гидрологического цикла», а именно: широтное распределение HDO/H2O в атмосфере. Выявленный из данных сенсора IMG со спутника ADEOS за период 1996-1997 г.г. широтный тренд относительного содержания дейтерия в атмосферном столбе над Тихим океаном лежит в интервале от -120‰ вблизи экватора до -220‰ на высоких широтах около 60 градусов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ





Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

  1. Шмелев В.М., Захаров В.И., Нестеренко А.И. (1989). Взрывное поглощение излучения мощного CO2 лазера в атмосфере// Оптика атмосферы, т. 2, №6, стр. 489-496.
  2. Zakharov V.I., Shmelev V.M., Nesterenko A.I. (1991): Explosive absorption effect of power laser beam in atmosphere // Journal de Physique IV, vol.1, C7, pp. 775-781.
  3. Захаров В.И., Грибанов К.Г., Прокопьев В.Е., Шмелев В.М. (1992): Влияние полосы прозрачности атмосферы 8-13 мкм на устойчивость теплового состояния Земли. // Атомная энергия, т. 72, вып.1, стр. 98-102.
  4. Грибанов К.Г., Захаров В.И. (1994): Радиационные режимы атмосферы Земли с учетом пороговых особенностей поглощения теплового излучения в области окна прозрачности 8-13 мкм // Вычислительные технологии, т. 3, вып. 8, стр. 62-71.
  5. Zakharov V.I., Gribanov K.G., Falko M.V., Golovko V.F., Chursin A.A., Nikitin A.V., and Tyuterev Vl.G. (1997): Molecular Atmospheric Transmittance Function in the Range of 2-400 micron and Earth Radiation Balance. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer Vol. 57, No.1, pp.1-10.
  6. Грибанов К.Г., Захаров В.И., Ташкун С.А. (1999): Пакет программ FIRE-ARMS и его применение в задачах пассивного ИК-зондирования атмосферы. // Оптика атмосферы и океана, т. 12, №4, стр. 372–378.
  7. Асипцов О.И., Захаров В.И., Грибанов К.Г. (2000): Взрывное поглощение излучения СО2 лазера в атмосферном воздухе с примесью углекислого газа // Оптика атмосферы и океана, т.13, №11, стр. 979-982.
  8. Береснев С.А., Кочнева Л.Б., Суетин П.Е., Грибанов К.Г., Захаров В.И. (2003): Фотофорез атмосферных аэрозолей в поле теплового излучения Земли. // Оптика атмосферы и океана, том 16, №05-06, стр. 470-477.
  9. Захаров В.И., Грибанов К.Г., Береснев С.А., (2009): Роль газовых и аэрозольных компонент атмосферы в модели парникового взрыва // Оптика атмосферы и океана, т.22, №02, 2009.
  10. Захаров В.И. (1980): К вопросу о бесстолкновительной диссоциации молекул 32SF6 и 34SF6 в интенсивном инфракрасном поле // Известия ВУЗов, Физика, №4, 1980, 19 с. Деп. ВИНИТИ, №896-80.
  11. Захаров В.И., Тютерев Вл.Г. (1982): Построение эффективных операторов для нестационарного резонансного поглощения. // Известия высших учебных заведений. Физика, №8, стр. 82-99.
  12. Захаров В.И., Тютерев Вл.Г. (1983): Несекулярное разложение для оператора эволюции в нерелятивисткой квантовой электродинамике. // Известия высших учебных заведений. Физика, №9, стр. 44-48.
  13. Захаров В.И., Тютерев Вл.Г. (1984): Описание многофотонной бесстолкновительной диссоциации изотопомеров молекулы SF6. // Квантовая электроника. Т.11, №1, стр. 24-30.
  14. Zakharov V.I. and Tyuterev Vl.G. (1985): Nonsecular expansion of evolution operator and field statistics. // Journal of Optical Society of America B, vol. 2, issue 2, pp. 387-390.
  15. Захаров В.И. (1987): О возможности подавления флуктуаций фотонов в когерентном излучении непрерывного лазера// Оптика и спектроскопия, т. 62, выпуск 5, стр.1122-1125.
  16. Zakharov V.I. and Tyuterev Vl.G. (1987): Photon statistics of laser beams in resonance multiphoton processes. // Laser and Particle Beams, Vol.5, No.1 pp.27-47.
  17. Захаров В.И., Пономарев Ю.Н., Тютерев Вл.Г. (1988): О возможности получения состояния поля с субпуассоновской статистикой фотонов. // Вестник АН СССР, Серия физическая, том 52, №6. стр. 61-68.
  18. Beltyukov I.L., Bondarenko N.B., Djanelidze A.A., Gribanov K.G., Gapanov M.Yu., Kondratov S.V., Maltsev A.G., Novikov P.I., Tsvetkov S.A., and Zakharov V.I. (1991): Laser-induced fusion in Ti-H2-D2 composition. // Fusion Technology, vol.20, pp. 234-241.
  19. Gribanov K.G., Zakharov V.I., Tashkun S.A., Tyuterev Vl.G. (2001): A new software tool for radiative transfer calculations and its application to IMG/ADEOS data // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. V. 68, №4, pp. 435–451.
  20. Захаров В.И., Имасу Р., Грибанов К.Г., Захаров С.В. (2008): Баланс свободной энергии на верхней границе атмосферы. // Оптика атмосферы и океана, т.21, №03, стр. 240-247.
  21. Грибанов К.Г., Захаров В.И. (1999): О возможности мониторинга содержания HDO/H2O в атмосфере используя наблюдения из Космоса уходящего теплового излучения. // Оптика атмосферы и океана, том 12, №09, стр. 33-37.
  22. Грибанов К.Г. Бреон Ф.М., Захаров В.И. (2000): Эффект отраженного поверхностью ИК-излучения, наблюдаемый в эмиссионных спектрах атмосферы при зондировании Земли из космоса. // Оптика атмосферы и океана, том 13, № 12, стр. 1119-1122.
  23. Грибанов К.Г., Захаров В.И., Топтыгин А.Ю. (2003): Восстановление профилей температуры и влажности по ИК спектрам Земли на основе сингулярного разложения ковариационных матриц // Оптика атмосферы и океана, т. 16, №07, стр. 576–581.
  24. Gribanov K.G. and Zakharov V.I. (2004): Neural network solution for temperature profile retrieval from infrared spectra with high spectral resolution. // Atmospheric Science Letters, vol. 5, issue 1-4, pp. 1-11.
  25. Zakharov V.I., Imasu R., Gribanov K.G., Hoffmann G., Jouzel J. (2004): Latitudinal distribution of deuterium to hydrogen ratio in the atmospheric water vapor retrieved from IMG/ADEOS data // Geophysical Research Letters. V. 31. – №12. – pp. 723–726.
  26. Топтыгин А.Ю., Грибанов К.Г., Имасу Р., Шмидт Г., Захаров В.И. (2006): Широтные вариации вертикальных профилей и полного содержания HDO/H2O в атмосфере над океаном, полученные из данных IMG/ADEOS // Оптика атмосферы и океана, т. 19, №10, стр. 875–879.
  27. Топтыгин А.Ю., Грибанов К.Г., Захаров В.И., Касай Я., Кагава А., Мураяма Я., Имасу Р., Шмидт Г.А., Хоффманн Г., Жузель Ж. (2007): Определение вертикального про

    Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 ||
     

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.