Экология СПРАВОЧНИК

В настоящее время под климатом обычно понимают погоду, включая ее флуктуации и влияние на поверхность Земли [3, 22]. Однако это определение климата является интуитивным и не позволяет получать количественные оценки состояния климатической системы и прогнозировать возможные изменения климата в будущем. Учитывая сказанное и случайный характер изменения основных климатообразующнх факторов в пространстве и времени, необходимо признать, что теория климата должна иметь вероятностную природу, а вариации погоды должны рассматриваться как многомерный случайный процесс, статистические свойства которого являются предметом климатических исследований.

Далее

Солнце является источником энергии всех динамических процессов, протекающих в атмосфере, океане и на поверхности суши. В связи с этим климат и его изменения определяются разнообразными факторами, влияющими на величину и вариации радиационных потоков в системе "атмосфера - подстилающая поверхность". Наиболее важными процессами, определяющими погоду, а после усреднения за достаточно длинный временной интервал и климат, являются нагревание за счет поглощения солнечного коротковолнового излучения и выхолаживание за счет длинноволновой радиации, излучаемой системой в космос. Эти компоненты радиационного баланса Земли определяют источники и стоки лучистой энергии, управляющие общей циркуляцией атмосферы и океана.

Далее

Средний поток солнечной энергии на расстоянии среднего радиуса орбиты Земли называется солнечной постоянной 5о, имеющей величину порядка 1376 Вт/м2. Полная энергия, получаемая от Солнца в единицу времени, равна о, где Я - радиус Земли. Площадь поверхности Земли равна 4тгК2, поэтому среднее количество энергии, получаемое единицей площади Земли в единицу времени, равно 50/4. Часть падающей на Землю энергии а в результате рассеяния и отражения уходит безвозвратно в космическое пространство; число а называется альбедо Земли и имеет величину порядка 0,3 [41]. Следовательно, средний поток поглощаемой энергии равен (1 - а)50 / 4.

Далее

В течение последних 20-30 лет интенсивно разрабатываются различные модели для оценки изменений климата, обусловленных изменением состава атмосферы. Однако климатическая система настолько сложна, что до сих пор не построены модели, адекватно описывающие всю совокупность естественных процессов, протекающих на земной поверхности и в атмосфере и определяющих динамику погоды и климат. Более того, наше понимание физики некоторых процессов и, в частности, механизмов многочисленных обратных связей все еще является неудовлетворительным. В связи с этим при создании моделей климата используются приближения и упрощения, основанные на имеющихся эмпирических данных. Поскольку априори не известно, какие именно аппроксимации дают наилуч-шие результаты моделирования эволюции климатической системы, развивается большое число вариантов моделей.

Далее

Многопараметрические радиационные динамические модели климата, основанные на полной системе уравнений динамики, начали развиваться тогда, когда для краткосрочного прогноза погоды стали использоваться вычислительные машины. За баротропными моделями Чарни [26] очень быстро последовало развитие бароклин-ных моделей, которые способны описать динамику погодных систем в средних широтах [27] и могут быть использованы не только для прогноза погоды, но и для изучения усредненных за большие временные интервалы характеристик состояния атмосферы. В 1956 году появилась работа Филлипса [36] с первыми результатами по численному моделированию общей циркуляции атмосферы. С тех пор модели общей циркуляции получили существенное развлтие.

Далее

Далеко не для всех процессов подсеточного масштаба получены точные динамические уравнения, описывающие их пространственно-временную изменчивость, что делает практически невозможным непосредственное описание этих процессов в моделях крупномасштабных атмосферных движений. Следует отметить, что даже при наличии соответствующих уравнений их включение в модели общей циркуляции атмосферы потребовало бы колоссального увеличения числа точек сетки и задача численного интегрирования уравнений модели может стать нереальной далее для самых современных супермощных компьютеров.

Далее

Все существующие способы параметризации лучистого теплообмена основаны на феноменологическом уравнении переноса излучения, устанавливающем взаимосвязь между параметрами атмосфе-, ры как рассеивающей и поглощающей среды и радиации. При вы-, числении радиационных характеристик атмосферы эффекты поляризации излучения, как правило, не учитываются, что позволяет тем не менее получать результаты с достаточно высокой точностью.

Далее

В пустом пространстве (а(г) = 0) из уравнения переноса (2.13)1 следует важное свойство интенсивности излучения: в вакууме она не меняется вдоль направления распространения.Вследствие большой разности между температурами Солнца и Зем ли в коротковолновой области спектра пренебрегают собственным тепловым излучением земной атмосферы п подстилающей поверхности и при вычислении лучистых потоков полагают /¿(г, ю) = 0. В длинноволновой же области спектра вблизи максимума (—10-5-15 мкм) теплового излучения Земли с достаточно высокой точностью можно не учитывать эффекты рассеяния (А(г) = 0), и в предположении о локальном термодинамическом равновесии, а именно эти приближения, как правило, используются в указанном спектральном диапазоне, функция источников /5(г, оа) = В(Т).

Далее

В настоящее время наиболее хорошо разработана теория переноса излучения в простейшей модели атмосферы в виде однородного плоскопараллельного слоя: существует большое число асимптотических, приближенных и численных методов решения уравнения переноса, а также различных модификаций этих методов, которые подробно обсуждаются в ряде монографий и учебников [8, 9, 12, 15, 17, 23, 25 27, 32]. Интересующемуся читателю рекомендуем книгу под редакцией Ленобль [17], где дан исчерпывающий обзор подавляющего большинства из развитых к настоящему времени многочисленных методов решения уравнения переноса и приведена обширнейшая библиография оригинальных работ. В обзоре содержится сжатое описание и оценка точности этих методов, а также дан достаточно полный анализ их относительных преимуществ и недостатков. Последнее обстоятельство является исключительно важным при выборе метода решения практических задач переноса излучения с заданной точностью.

Далее

Ситуация резко усложняется при интегрировании по спектральным интервалам, содержащим линии и полосы поглощения атмосферных газов, коэффициенты поглощения которых являются экстремально изменяющимися функциями частоты. Конечно, эту задачу можно решить прямым способом, многократно применяя методы решения уравнения переноса каждый раз для новых значений оптических параметров атмосферы. Однако такой способ приводит к существенному увеличению затрат компьютерного времени, поэтому развиваются специальные методы для расчета спектральной зависимости характеристик излучения. Основная идея, лежащая в основе этих методов, заключается в том, чтобы решить уравнение переноса один раз для некоторой частоты, а затем с помощью соответствующих поправок найти интенсивность излучения для любой частоты в пределах некоторого спектрального интервала.

Далее

Исследования парникового эффекта малых газовых составляющих стимулировались двумя первоначальными проблемами, связанными с изучением влияния изменений содержания СО2 и О3 на климат. Важно подчеркнуть, что проблема озона существенно отличается от проблемы воздействия углекислого газа на климат прежде всего по той причине, что она затрагивает ие только радиационные процессы, но и в значительной степени взаимосвязи химии атмосферы и климата.

Далее

Известно, что рост концентрации парниковых газов уменьшает уходящий в космическое пространство поток тепловой радиации земной поверхности и увеличивает излучение стратосферы. Однако из-за фотохимических реакций отношение смеси большинства этих газов быстро убывает в стратосфере. В результате между 15 и 35 км выхолаживание стратосферы уменьшается.

Далее

Изменения температуры, обусловленные увеличением концентрации парниковых газов, безусловно, окажут влияние на испарение влаги, конвекцию, турбулентность и динамику других атмосферных процессов. Поэтому при изучении вероятных изменений климата необходимо учитывать обратные связи между температурой п облаками, температурой и альбедо поверхности, радиацией и облачностью, а также другие взаимодействия. Результирующий эффект обратных связей может быть проанализирован только с помощью трехмерных физических моделей общей циркуляции атмосферы. Численные эксперименты с такими моделями выполнены для оценки изменения глобальной температуры при удвоении концентрации С02 [10, 30, 43]. Показано, что вероятные изменения температуры составляют 3,5 2 °С. Однако, насколько нам известно, аналогичные численные эксперименты, в которых бы учитывалось увеличение концентрации других парниковых газов, пока не проводились.

Далее

Среди компонентов атмосферы, связанных с проблемой климата, озон занимает особое место в связи с его определяющей ролью в поглощении солнечного излучения в коротковолновой части ультрафиолетовой области. Хорошо известно, что озонная оболочка атмосферы Земли обеспечивает практически полное поглощение этого излучения, губительного для всего живого на Земле, хотя ее толщина, если собрать все молекулы озоиа, содержащиеся в вертикальном столбе атмосферы в ее приземном слое, составит всего несколько миллиметров. В связи с этим разрушение озонного слоя не может не волновать все человечество. Явление образования озонных дыр в стратосфере впервые обнаружено более 10 лет назад в высоких широтах южного полушария космическими средствами.

Далее

Учитывая, что концентрация молекул кислорода убывает с увеличением высоты по экспоненциальному закону, нетрудно понять, исходя из (4.3), что концентрация молекул озона возрастает с уменьшением высоты, одновременно с этим убывает количество фотонов солнечного излучения, способных обеспечивать диссоциацию молекулы 02 иа атомы. Указанные две взаимно противоположные закономерности приводят к образованию главного максимума в высотной зависимости концентрации озона, расположенного в стратосфере на высотах около 20 км.

Далее

Аэрозоли естественного и антропогенного происхождения характеризуются целым рядом величин, которые могут относиться к отдельным частицам или ансамблям частиц, а именно: коэффициентами поглощения, рассеяния и ослабления частиц и объемными коэффициентами поглощения, рассеяния и ослабления поли-дисперсных ансамблей частиц.

Далее

Как уже отмечалось выше, главный максимум концентрации озона расположен в стратосфере, его высота изменяется с увеличением широты от 13 18 км в полярных областях до 25-26 км в районе экватора. При этом суммарный озон (общее содержание озона в вертикальном столбе атмосферы) в свою очередь изменяется в случае невозмущениой вулканическими аэрозолями стратосферы в широких пределах от 68 до 760 единиц Добсона (1 Д.е.=10 3 атмсм)п имеет выраженную зависимость от широты и времени года.

Далее

Измерения концентрации озона у поверхности Земли проводятся газоанализаторами, обеспечивающими чувствительность на уровне 1-2 ppb. Основной массив данных включает значения концентрации озона за 10 с. С его помощью определяются средние значения за час, сутки, месяц. Для изучения быстрых изменений концентрации 03 соответствующие массивы данных обрабатываются с шагом 1 мин [4].

Далее

Климат в любом месте земного шара формируется под воздействием большого числа процессов со сложными обратными связями. Среди них особое внимание уделяется процессам, описывающим взаимодействие полей облачности и радиации, поскольку некоторые численные исследования показали сильную чувствительность климата к таким процессам (см., например, [2, 24]). Интенсивному исследованию этих процессов посвящены WCRP (World Climate Research Program), а также ее различные международные и национальные подпрограммы, в частности GEWEX (the Global Energy and Water Cycle Experiment), FIRE (First International Satellite Climatology Project Regional Experiment) и ARM (Atmospheric Radiation Measurement).

Далее

Входными параметрами радиационных блоков как составной части всех существующих моделей климата являются оптические характеристики: индикатриса рассеяния, коэффициент ослабления и альбедо однократного рассеяния, известные для всех длин волн. Поскольку капли воды имеют почти сферическую форму, то для жидкокапельных облаков эти характеристики рассчитываются по формулам теории Ми. Спектр размеров капель воды в среднем хорошо аппроксимируется гамма-распределением [3, 4], хотя нередки случаи, когда локальные спектры имеют бимодальный вид и неудовлетворительно описываются этим распределением [7]. В расчетах потоков и полей яркости облаков обычно используются оптические характеристики, вычисленные при максимальном радиусе капель гтах 20 -г- 30 мкм [3]. Выбор такого значения гтах основывается до сих пор на широко распространенном мнении, что радиационные поля в облачной атмосфере якобы слабо зависят от распределения капель по размерам (см., например, [42]), поэтому влиянием больших капель можно пренебречь. Немаловажную роль играет и то обстоятельство, что при больших радиусах капель г соответствующие ряды сходятся очень медленно и требуются большие затраты компьютерного времени. Однако эта аргументация явно неубедительна, поскольку основывается на расчетах переноса излучения с оптическими характеристиками облаков, которые были предварительно вычислены при ггпах 20 30 мкм.

Далее

Атмосферный аэрозоль оказывает как прямое, так и косвенное воздействие на климат. Аэрозольные частицы рассеивают и поглощают солнечное и тепловое излучение п, следовательно, оказывают непосредственное влияние на радиационный режим атмосферы.

Далее

Теоретические исследования основываются на решении соответствующих краевых задач теории переноса излучения, как правило, без учета поляризационных эффектов. В настоящее время существует хорошо разработанный математический аппарат решения уравнения переноса излучения в детерминированных рассеивающих средах [15, 22, 25, 30, 34, 36, 47, 48]. Подавляющее большинство результатов по теории переноса коротковолновой и длинноволновой радиации в облаках получены путем решения уравнения переноса в плоскопараллельной горизонтально однородной слоистой облачности (см. [И, 13, 20, 31, 43-45] и имеющуюся там библиографию). В такой простейшей модели облаков хорошо изучены качественные особенности формирования радиационного поля и его чувствительность к вариациям микро- и макропараметров облаков и зенитного угла Солнца.

Далее

Выберем систему координат ОХУЕ так, что 2=0 - минимальная, а г = к - максимальная высоты уровня конденсации, г = Н - максимальная высота уровня свободной конвекции. Основания облаков лежат в пределах слоя 0 < г < Л, V - цилиндр высоты к, к «Я, т.к. высота уровня конденсации незначительно изменяется в пространстве [23].

Далее

При задании входных параметров модели используются формулы (6.24) - (6.28) с учетом (6.32) и соответствующих значений k¡j величина H(d) оценивается численно.Для удобства рассмотренную выше модель облачного поля будем называть Огмоделью. Горизонтальное сечение выборочной реализации облачности, построенное на основе гауссовской модели, приведено на рис. 6.5. Вертикальные сечения облаков Огмоделц хорошо аппроксимируются вертикальными сечениями усеченных параболоидов. В отличие от пуассоиовского (рис. 6.2) гауссовское облачное поле с данной корреляционной функцией выглядит гораздо более регулярным (рис. 6.5).

Далее

Остановимся прежде всего на подходе [8, 20, 25, 26], сущность которого заключается в следующем. В результате самолетных (наземных) измерений получают пространственные (временные), реализации таких параметров полей облачности и радиации, которые достаточно просто определяются экспериментально. Затем, используя предположение об эргодичности п методы корреляционной теории случайных функций, рассчитывают статистические характеристики параметров облачной структуры н радиационного поля. Если какой-нибудь из интересующих пас параметров связан с непосредственно измеряемым линейным преобразованием, то в рамках корреляционной теории его статистические характеристики достаточно просто вычисляются. В случае лее нелинейных связен задача становится значительно более сложной п ее удается существенно упростить, если моделировать облачность в виде нормальной случайной поверхности (в отдельных случаях и марковской), ограниченной на некотором уровне снизу. Исходными параметрами модели являются уровень отрезания, дисперсия и ее производная, радиус корреляции.

Далее

В рамках заданной конструктивной оптической модели облачного поля рассматриваемый здесь метод численного моделирования полей облачности и радиации является точным в том смысле, что при вычислении статистических характеристик функционала Jk не делается каких-либо приближений, упрощений и оценки могут быть получены со сколько угодно высокой точностью. Это обстоятельст-вопозволяет использовать данный метод для оценки точности и границ применимости приближенных методов, основанных па аналитическом усреднении уравнения (7.1) по ансамблю реализаций к.

Далее

Путем усреднения (7.1) по ансамблю реализаций модельного облачного поля получены замкнутые уравнения для моментов интенсивности коротковолнового излучения [5]. Основу вывода составляет предположение о факторизации «-мерной вероятности наличия облаков для упорядоченной последовательности точек, расположенных на одной прямой. Предположение выполняется, если индикаторное поле на произвольной прямой является, например, марковским случайным процессом с двумя состояниями 1 и 0. Отметим, что в этом случае факторизуется также //-мерная вероятность отсутствия облаков, но выполнение указанного условия совсем не обязательно при вьщоде уравнений для моментов интеиснвиостн. Чрезвычайно важный вопрос о возможности построения случайных полей с факторизующейся «-мерной вероятностью наличия облаков на любой прямой в работе не обсуждался. Решение данного вопроса получено в [27, 28] и необходимо для вывода более точных уравнений для корреляций интенсивности, оценки точности и границ применимости уравнений средней интенсивности в марковском приближении и физической интерпретации результатов расчетов статистики поля радиации.

Далее

В модели II на последовательность точек г , ..., гп накладываются значительно менее жесткие требования (6.18), чем в модели I. Сильная же втянутость вперед индикатрисы рассеяния облаков обеспечивает близость подавляющего числа отрезков траекторий частиц к ломаным линиям с выполнением неравенств типа (6.18) и, следовательно, приемлемость формулы (6.1 Г) как приближения ив этой модели.

Далее

Полученная в гл. 7.4 система уравнении для средней интенсивности в общем случае неэквивалентна уравнению переноса, что диктует необходимость разработки специальных методов ее решения. В более реалистичных н поэтому более сложных моделях облачного покрова целесообразно использовать такой метод решения, который позволяет выполнять расчеты при близких к реальным значеш-ях оптико-геометрических параметров облаков, а также корректно учесть эффекты, связанные как с многократным рассеянием евзта при сильно вытянутых вперед индикатрисах рассеяния, так и с ограниченными горизонтальными размерами облаков; в противном случае усложнение модели вряд ли можно считать оправданным. Кроме того, метод решения должен иметь контролируемую точность, что необходимо для однозначной интерпретации особенностей формирования радиационного поля разорванной облачности и при сравнении теории с экспериментом. Всем перечисленным выше требованиям удовлетворяет метод Моите-Карло как численный метод решения интегральных уравнений II рода.

Далее

В настоящее время большое внимание уделяется теории переноса длинноволнового излучения в облачности как совокупности облаков конечных горизонтальных размеров. В ряде работ [7, 14, 23, 27, 28] предлагается рассчитывать среднюю интенсивность длинноволновой радиации в разорванной облачности на основе решений уравнения переноса, полученных для сплошного однородного слоя, изолированного облака и ансамбля регулярно расположенных в пространстве облаков. Здесь на основе идей и методов, используемых в коротковолновой области спектра, получим и решим уравнения для средней интенсивности длинноволновой радиации [13, 30].

Далее

В модельных облачных полях на пуассоновских потоках точек параметр А экспоненциальной условной вероятности наличия облаков зависит от ц и ф, что создает весьма серьезные трудности ври решении задачи (8.35), (8.36) с помощью МСГ. В дальнейшем будем учитывать зависимость А лишь от ю0, а возникающие при этом ошибки устраним специальным выбором других параметров эдачи.

Далее

Интенсивность диффузного излучения явно зависит от поля к(г) на прямой, проходящей через точку г в направлении ю, и через функцию источников Ji зависит неявно от значений к(г) во всем облачном слое. Поэтому формулу (6.1 Г) для расщеплеипя корреляций можно использовать лишь в качестве приближения, что позволяет получить замкнутые уравнения для (г(г, ©)). В дальнейшем для расщепления корреляций также будем использовать (6.1 Г), а точность полученных приближенных уравнений оценим путем сравнения с экспериментальными данными и расчетами по более точному методу (см. раздел 8.5).

Далее

Построение оптической модели разорванной облачности, учитывающей все многообразие и сильную изменчивость факторов, определяющих оптические и, следовательно, радиационные свойства облаков, является трудноразрешимой задачей. Рассматриваемые здесь математические модели облачных полей представляют собой упрощение действительности. Справедливость радиационной модели разорванной облачности определяется ее способностью адекватно описывать данные натурных измерений. К сожалению, экспериментальные исследования статистических характеристик полей облачности и радиации не являются комплексными, одновременно не ойределяются основные оптико-геометрические параметры облаков, альбедо подстилающей поверхности, зенитный угол Солнца и т. д. Это обстоятельство является серьезным препятствием корректного количественного сравнения теории с экспериментом.

Далее

Очевидно, что эти эффекты полностью отсутствуют в модели сплошного плоского слоя и частично присутствуют в модели эквивалентного изолированного облака. Что касается модели облачного поля как ансамбля регулярно расположенных в пространстве облаков, то в ней обсуждаемые эффекты присутствуют, но являются неслучайными и из-за нелинейной зависимости характеристик светового поля от количества и положения в пространстве отдельных облаков учитываются некорректно. Влиянием этих эффектов объясняются количественные и качественные особенности радиационных характеристик облачных полей со случайной геометрией.

Далее

Геометрия кучевых облаков весьма причудлива, нерегулярна, недостаточно хорошо изучена и очень трудно поддается аналитическому описанию. По этой причине специалисты, занимающиеся моделированием переноса излучения, вынуждены использовать, по крайней мере на первом этапе исследований, аппроксимации конфигурации реальных облаков простейшими геометрическими телами: сферами, опрокинутыми усеченными параболоидами вращения, цилиндрами и т.д. Такая неоднозначность в моделировании конфигурации облаков стимулировала проведение специальных исследований [22, 25-27, 29] с целью оценки чувствительности средних лучистых потоков к вариациям геометрической формы облаков.

Далее

Потоки солнечной радиации, усредненные по ансамблю реализаций облачного поля, зависят от альбедо подстилающей поверхности, зенитного угла Солнца, оптических и геометрических параметров облачной атмосферы. При такой многопараметрической зависимости целесообразно исследовать не только средние потоки, но и их частные производные по параметрам задачи, которые позволяют количественно оценить чувствительность потоков к вариациям параметров облачного поля и условий освещения, а также выделить наиболее важные, в смысле воздействия на поле излучения, характеристики облачности. Знание частных производных дает также; возможность формулировать и решать на основе теории возмущений обратные задачи восстановления параметров облачного поля по набору измеренных характеристик излучения [14].

Далее

При наличии разорванной облачности в большинстве ныне используемых радиационных блоков МОЦА значения спектральных потоков восходящей и нисходящей радиации представляются в виде линейной комбинации потоков, рассчитанных для случаев ясного неба и сплошной облачного слоя и взвешенных в зависимости от значения балла облачности. Такая простейшая аппроксимация дает адекватные результаты лишь при наличии слоистых облаков, частично покрывающих небосвод, а в кучевых облаках она может рассматриваться лишь как первое и достаточно грубое приближение [23, 26, 28].

Далее

Современные модели общей циркуляции атмосферы, на основе которых получают наиболее реалистичные оценки эволюции состояния климатической системы, гГока не дают возможности однозначно предсказать изменения глобального климата будущего и прогнозировать его региональные особенности. Основными причинами этого являются очень приближенное моделирование океана и его взаимодействие с другими компонентами климатической системы, а также неопределенности параметризации многих важных климатических факторов. В проблеме изменения глобального климата чрезвычайно важным является задача обнаружения влияння антропогенного аэрозоля и парниковых газов на климат, решение которой дало бы возможность тщательного тестирования климатических моделей. Создание более совершенных моделей и схем параметризации климатических процессов практически немыслимы без глобального мониторинга климатической системы, в которой одним из важнейших и наиболее динамичных компонентов является атмосфера.

Далее

Пусть на верхнюю границу облачного слоя в плоскости Х01 падает единичный поток солнечной радиации: и ср0 = 0 - зенитный и азимутальный углы Солнца. В видимой области спектра можно пренебречь рэлеевским и аэрозольным рассеянием света; альбедо подстилающей поверхности положим равным нулю, что приблизительно соответствует альбедо океана. Расчеты статистических характеристик поля видимой солнечной радиации, выполненные при ненулевых альбедо ламбертовской подстилающей поверхности, специально отмечаются в тексте. Индикатриса рассеяния рассчитывается по теории Ми для модельного облака Сх [ 1] и длины волны 0,69 мкм. Облачное поле генерируется пуассоиовским ансамблем точек в пространстве.

Далее

В настоящее время широкое использование искусственных спутников Земли позволяет в принципе вести глобальный мониторинг за характеристиками радиационного баланса. Одной из важнейших задач такого мониторинга является установление корректных взаимосвязей между измеряемыми со спутника энергетическими характеристиками излучения и истинными составляющими радиационного баланса на верхней границе атмосферы. Дело в том, что установленный на спутнике приемник имеет ограниченный угол зрения й измеряет не значение потока, а интеграл по телесному углу приемника от интенсивности излучения, уходящего с верхней границы атмосферы.

Далее