Распределенная информационно- вычислительная система «Атмосферная радиация»

Распределенная
информационновычислительная 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
Атмосферная радиация
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
ДАННЫЕ
ИОА, ВолГУ
РНЦ Курчатовский институт
Оптические характеристики
капельных облаков и базовых
моделей аэрозоля.
Оптические характеристики
облачности и аэрозоля северного
полушария
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
ИВС
УРГУ
априорная информация по
вертикальным профилям
температуры, H2O, HDO, О3, СН4, СО2
МОДЕЛИ
ИОА, 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 вебсервисов.
Структура портала ATMOS
http://atmos.iao.ru
Атмосферная химия
Атмосферный аэрозоль
Атмосферная спектроскопия
Атмосферная радиация
Климат
Солнечно-земные связи
ИВС
ИВС
ИВС
ИВС
ИВС
ИС
Монография
Монография
Монография
Монография
Монография
Западно-Сибирская
низменность
Озеро Байкал
Управление и оценка качества
воздуха
ИС
Монография
ИС
ИС
Монография
Распределенная информационно-вычислительная
система «Атмосферная радиация»
http://atrad.atmos.iao.ru
- ИОА СО РАН
http://atmos.physics. usu.ru - Уральский госуниверситет
http:// 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.
Коротковолновая радиация
Данные
База
спектральных
линий
HITRAN, GEISA
Сечения
поглощения
Модели
континуального
поглощения
Модели
Молекулярное
поглощение
Молекулярное
рассеяние
Блок
Расчета
радиации
Сферических
Гармоник
DISORT
Монте-Карло
Аэрозольное
рассеяние
Подстилающая
поверхность
Метеомодели
Облака
Радиационные
характеристики
Структура данных в HITRAN-2005
Число спектральных линий
HITRAN-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
Аппроксимация функции пропускания рядом экспонент
 I ( )d ~T  exp 

m

1
 exp 
m
()
( )d 
(g)
0.04
0.04
Laplase transformation
( g )dg 
0.03
0.03
0.02
0.02
0.01
0.01
0
  Cn exp   m ( g n ), n ~ 5  7
n
0.00
-10.00
, cm
3700 3710 3720 3730 3740
zn ( x)   kn ( x, x)zn ( x)dx  n ( x)
X
g
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПЕРЕНОСА РАДИАЦИИ
Молекулярное поглощение
аппроксимация рядом экспонент
10
F()

1
0.1
Входные данные
Высотные профили Р(h), Т(h), C(h)
Солнечная постоянная S()
Аппаратная функция F(), [1, 2]
Расчет
line-by-line высотные профили k(,h), [1, 2]
параметризация Ci, ki(h), i=1,N; N=3-7
Ci=f(S(), F())
0.01
1E-3
10000
75

i
10300
10400
10500
-1
S(), мВт/(м см )
70
65
-1
, см
60
10000
10100
10200
10300
r2
 scat (h)
 scat (h)   abs (h)  ki (h)
 I ()d   Ci Ii , i ~ 3  7
10200
2
Метод учета молекулярного поглощения
i ( h ) 
10100
i   ki (r )dr
r1
2
 Ci   S () F ()d
i
1
10400
10500
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
h, km
100.0
50.0
20.0
15.0
10.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
Fom in
(1996)
lbl
O ur calculation
lbl
31.448
31.448
31.446
31.443
31.383
30.183
29.492
28.456
27.039
25.278
23.260
31.449
31.449
31.446
31.444
31.385
30.182
29.489
28.477
27.066
25.295
23.274
k-distr.,
N =4
31.451
31.451
31.449
31.448
31.426
30.523
29.788
28.597
26.911
25.002
23.132

-0.002
-0.002
-0.003
-0.004
-0.041
-0.341
-0.299
-0.12
0.155
0.293
0.142
k-distr.,
N =10
31.451
31.451
31.449
31.447
31.400
30.177
29.467
28.466
27.074
25.305
23.298

-0.002
-0.002
-0.003
-0.003
-0.015
0.005
0.022
0.011
-0.008
-0.01
-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»
http://atmos.iao.ru
ИВС «Атмосферная радиация»
http://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»
http://atmos.iao.ru
Влияние вариаций общего содержания паров воды на
нисходящие потоки длинноволновой радиации
T, К
312
286
296
296
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
H2O, ppm
Форсинг СО2
Метео для Нижнего Поволжья
Удвоение СО2
Июль, 1999-2009
4
3
2
- Нормальное распределение
250
1
Число измерений
200
0
0.0
150
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
2
FCO , W/m
2
100
50
0
FCO
3.5
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
H O, oc.cм
3.5
4.0
4.5
5.0
2
3.0
2.5
2
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
1
2
3
wH O
2
4
5
Континуальное поглощение
4
Fluxdown, mls, 5 gases
-1
0-3000 cm
DIFFERENCE, W/m
2
2
0
-2
DCKD2.4
DRSB
DARF
DCKD1
-4
-6
1500
2000
2500
3000
3500
4000
WATER COLUMN, ATM*CM
(Удвоение концентрации СО2 ~ 3 Вт/м3)
4500
5000
5500
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 групп
специалистов:
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
Благодарю
за
внимание