Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 2

Лидарные методы активно используются для дистанционного зондирования атмосферы, однако их применение ограничено погодными условиями. Прямой метод измерений на базе аэрологического аэрозольного зонда обратного рассеяния (АЗОР) не имеет таких ограничений, а по физическим принципам работы эти методы близки. Всепогодная система мониторинга стратосферного аэрозоля может быть создана на основе совместного применения прямых и дистанционных методов наблюдений, но их согласованность следует подтвердить экспериментально. В работе представлены результаты лидарно-аэрологического эксперимента по зондированию атмосферы на высотах 7-50 и 0-30 км с помощью наземного лидара и АЗОР соответственно в г. Томске 15-16.03.2023 г. Измерялись вертикальные профили коэффициентов обратного рассеяния излучения от источников с близкими длинами волн: 532 (лидар наземного базирования) и 528 нм (АЗОР). Хорошее согласие результатов лидарных и баллонных измерений указывает на возможность использования АЗОР как мобильного средства для дополнения лидарных измерений в условиях облачности. Обсуждается одновременное применение технологий прямого и дистанционного зондирования атмосферы для повышения качества измерений в исследованиях аэрозольного состава атмосферы. Продемонстрирована возможность расширения лидарных наблюдений на двух длинах волн (355 и 532 нм) прямыми измерениями АЗОР с дополнительным набором длин волн (470, 528, 850, 940 нм).

Обнаружение облачности на спутниковых изображениях - одна из важнейших задач спутниковой метеорологии. От точности детектирования облачного покрова во многом зависит качество других гидрометеорологических продуктов. Представлен алгоритм детектирования облачности, основанный на сверточной нейронной сети с модифицированной архитектурой U-Net. В качестве входных данных используются многоспектральные спутниковые изображения, получаемые с прибора МСУ-ГС, установленного на космическом аппарате «Арктика-М» № 1. Точность работы алгоритма оценена с помощью метрик машинного обучения и сравнения полученных результатов с эталонными масками, составленными путем визуального дешифрирования спутникового изображения опытным специалистом-дешифровщиком. Проведено сравнение с аналогичными продуктами по данным приборов SEVIRI и VIIRS. Для областей, освещенных солнцем, маска облачности, полученная предлагаемым алгоритмом, имеет точность 92% по сравнению с эталонной, а для не освещенных - 89%.

Повышение точности прогнозов погоды и климата требует углубленного понимания атмосферных процессов и явлений, которые определяются, в том числе, облаками верхнего яруса (ОВЯ). Представлены результаты экспериментов по поляризационному лазерному зондированию ОВЯ. Объединены данные систематических измерений на высотном матричном поляризационном лидаре Томского государственного университета с декабря 2009 по июль 2023 г. Определены оптические (матрица обратного рассеяния света, оптическая толща, отношение рассеяния) и геометрические (высота нижней и верхней границ, вертикальная мощность) характеристики ОВЯ. Массив данных дополнен вертикальными профилями метеорологических величин (температура, относительная и удельная влажность, направление и скорость ветра), полученными по данным аэрологического зондирования и реанализа ERA5. Оценена частота регистрации ОВЯ и частота регистрации ОВЯ с преимущественно горизонтальной ориентацией частиц. Полученные результаты объединены в базу данных (БД), которая использовалась для создания программного продукта на основе нейронных сетей для восстановления зависимостей между метеорологическими параметрами атмосферы и оптическими характеристиками ОВЯ. БД может применяться для различных, в том числе самостоятельных, вариантов обучения решению задач атмосферной оптики.

Представлены результаты траекторного анализа данных многолетних измерений содержания органического (OC) и элементарного (EC) углерода в аэрозолях, проводимых на ст. ZOTTO (пос. Зотино, Красноярский край). В качестве первичных данных использованы аэрозольные пробы, отобранные с высоты 300 м над уровнем земли на кварцевые фильтры. Содержание ЕС и ОС в пробах определялось термооптическим методом. С полученными рядами массовых концентраций аэрозольного углерода за период 2011-2021 гг. был сопоставлен массив обратных траекторий воздушных масс, исходящих из точки измерений, построенный с помощью модели HYSPLIT. В результате анализа этих данных методами концентрационно-взвешенных траекторий (CWT - concentration weighted trajectory) были определены значения CWT-функции на сетке 150 ´ 250 ячеек, покрывающей географическую область 30 ´ 20° с центром в пос. Зотино. Значения этих функций характеризуют интенсивность потенциальных источников углеродсодержащих аэрозолей в каждой ячейке. Полученные данные позволяют выделить области с наиболее сильными эмиссиями ОС и ЕС и оценить сезонную изменчивость этих эмиссий. В частности, в летний период основные источники ОС и ЕС расположены к востоку от Зотино, в регионе р. Подкаменной Тунгуски, и связаны, вероятнее всего, с лесными пожарами. В холодные сезоны большинство источников аэрозольного углерода находятся в юго-западной части анализируемой области, где расположены крупные города и сосредоточена основная часть населения. Показано, что регрессионный анализ CWT-функций органического и элементарного углерода позволяет в некоторых случаях определять доминирующий тип источников углеродсодержащих аэрозолей на изучаемой территории. Представленные результаты могут быть использованы для оценок аэрозольного радиационного форсинга в Сибирском регионе.

На основе результатов экспериментальных исследований на опустыненной территории и в ветровом канале установлены закономерности вертикального распределения сальтирующих частиц в ветропесчаном потоке, которые необходимы для понимания динамических и электрических процессов, происходящих в нем. Исследовано влияние вариаций скорости ветра в приземном слое атмосферы на вертикальное распределение сальтирующих частиц в ветропесчаном потоке на опустыненной территории в условиях квазистационарной сальтации. Предложена кусочно-экспоненциальная аппроксимация вертикальных профилей концентрации частиц с независимым от скорости ветра масштабом высоты и логарифмическим градиентом концентрации в нижнем слое сальтации. По данным измерений профилей потока сальтирующих частиц в ветровом канале получены зависимости толщины нижнего слоя сальтации и масштаба высоты для массового потока частиц в нижнем слое сальтации от размера частиц (диапазон размеров 100-800 мкм). Установлено, что масштаб высоты пропорционален размеру сальтирующих частиц. Показано, что результаты определения параметров ветропесчанного потока на опустыненной территории и в ветровом канале согласуются друг с другом. Результаты настоящей работы представляют интерес при построении моделей динамики ветропесчанного потока.

Исследования воздействий атмосферного аэрозоля, в том числе дымового, на характеристики облачности имеют большое значение для понимания происходящих изменений климата. Однако радиационные воздействия сибирского дымового аэрозоля (СДА) на облачность в Арктике до сих пор слабо изучены. В работе на основе расчетов с помощью химико-транспортной модели CHIMERE и метеорологической модели WRF проанализированы процессы, отвечающие за возникновение полупрямого радиационного эффекта (ППРЭ) дымов от сибирских пожаров над снежно-ледовыми поверхностями в Арктике; рассмотрены усредненные по времени и пространству изменения радиационных потоков, параметров облаков на различных ярусах облачности и некоторых метеорологических характеристик вследствие радиационного воздействия СДА. Результаты анализа показывают, что рассеяние солнечного излучения частицами СДА повышает статическую устойчивость атмосферы на высотах примерно от 2 до 4 км и подавляет вертикальные турбулентные движения, что приводит к уменьшению скорости конденсации воды, оптической толщины облаков и отношения смеси сконденсированной воды на среднем и частично нижнем ярусах облачности. Уменьшение оптической толщины облаков, в свою очередь, обусловливает возникновение положительного ППРЭ СДА на верхней и нижней границах атмосферы. Поглощение излучения частицами СДА принципиальной роли в указанных процессах не играет, хотя и приводит к дополнительным изменениям метеорологических параметров. Полученные результаты расширяют фундаментальные знания об аэрозольно-облачных взаимодействиях в Арктике и могут быть полезны для совершенствования климатических моделей.

Изучено влияние квазидвухлетнего колебания (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере и Эль-Ниньо - Южного колебания (ЭНЮК) на динамическое состояние стратосферы в зимний период и формирование внезапного стратосферного потепления (ВСП). Проведены численные эксперименты с помощью нелинейной модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы для зимы Северного полушария (январь-февраль), позволившие оценить чувствительность полей зонального ветра, температуры и геопотенциала к учету в модели определенной фазы ЭНЮК и КДК. В зависимости от комбинации фаз статистика наблюдаемых ВСП и их эволюция различаются. Например, наибольшее количество ВСП наблюдается при комбинации Эль-Ниньо/восточная фаза КДК, а при комбинации Ла-Нинья/западная фаза КДК главные ВСП не воспроизводятся моделью. Для комбинаций Эль-Ниньо/восточная фаза КДК, Эль-Ниньо/западная фаза КДК и Ла-Нинья/восточная фаза КДК были усреднены поля гидродинамических параметров, чтобы исследовать характерные особенности модельных «климатических» ВСП. Результаты численного моделирования показывают, что наибольшие увеличения температуры в стратосфере и похолодания в мезосфере воспроизводятся при условиях Эль-Ниньо/восточная фаза КДК, а наибольшее ослабление ветра при комбинации Эль-Ниньо/западная фаза КДК. Наибольшие амплитуды планетарных волн в ходе моделирования отмечаются при восточной фазе КДК вне зависимости от фазы ЭНЮК. Полученные результаты могут использоваться при составлении прогнозов климата от месяца до десятилетий.

В статье представлены результаты исследования термодинамических и химических процессов внутри стратосферного полярного вихря, приводящим к уменьшению содержания озона в этой области. Рассмотрены зимне-весенние сезоны в Арктике с наиболее сильными стратосферными вихрями и, как следствие, наибольшими потерями озона. Для исследования осредненных по вихрю вариаций озона и озоноактивных компонентов использованы ансамбль обратных траекторий внутри вихря и данные стратосферного реанализа M2-SCREAM, включающие некоторые химические компоненты, влияющие на концентрацию озона. Показано, что рекордное разрушение озона в 2019/2020 г. было обусловлено не только долгоживущим устойчивым стратосферным полярным вихрем, но и более ранней трансформацией хлорных резервуаров в активную форму и более сильной денитрификацией и дегидрацией исследуемых воздушных масс. Предложенный подход может быть использован для анализа динамических и химических процессов в полярной стратосфере для других зимне-весенних периодов, а также для валидации химико-климатических моделей.

Рассматривается задача построения алгоритма на основе нейронных сетей и машинного обучения для нахождения облаков на гиперспектральных снимках. Требуется, чтобы сеть позволяла провести анализ причин принятия решений и результатов классификации. Предложенная гибридная модель содержит дерево решений, обученное распознавать сплошную облачность (модель 1) на предварительно выбранных производных признаках исходного снимка в сочетании со сверточной нейронной сетью (модель 2). Модель 2 использует результаты работы модели 1 совместно со значениями яркости в выбранном канале снимка. Модель 1 находит ядра облаков, а модель 2 - их границы. Приведены результаты тестирования гибридной модели на данных сенсора HYPERION, полученных над поверхностями трех типов (океан, растительность, урбанизированная территория). Вычислены общая точность, а также ошибки ложного распознавания и ложного пропускания. Показано, что гибридная модель позволяет находить 85% облачных пикселей, только если нейронная сеть (модель 2) обучена на изображениях, для которых контраст достигает наибольшего значения в том же спектральном канале. Результаты настоящей работы могут быть применены для решения общей задачи анализа и обработки многоспектральных спутниковых изображений и в дальнейшем востребованы для изучения окружающей среды и мониторинга растительности, океана и ледников.

Для оценки относительного вклада основных химических и физических процессов в наблюдаемую изменчивость климата и газового состава атмосферы в 1980-2020-х гг. проведены численные эксперименты с химико-климатической моделью SOCOLv3. Исследовались следующие факторы, определяющие изменчивость основных климатических характеристик: изменение содержания озоноразрушающих субстанций; изменения концентраций парниковых газов, температуры поверхности океана и площади морского льда; вариации солнечной активности; изменение содержания атмосферного аэрозоля. Для оценки относительной роли данных факторов были проведены расчеты по сценариям с учетом каждого фактора по отдельности, а также базовый модельный эксперимент по сценарию, учитывающему все факторы одновременно. По результатам численных экспериментов выявлен относительный вклад разных факторов в изменения температуры тропосферы и нижней стратосферы, а также содержания озона с 1980 по 2020 г. Результаты модельных расчетов сопоставлялись с данными спутниковых измерений SBUV.

В работе решается задача выявления зависимости статистических характеристик измеряемых с помощью ГНСС-приемников параметров атмосферы от показателей конвективных процессов по данным мониторинга в Казани и ее окрестностях за 2013-2021 гг. Для оценки конвективных процессов использовались такие показатели атмосферной неустойчивости, как восходящая вертикальная скорость, параметр генерации вихря, индекс WMAXSHEAR, рассчитанные по данным реанализа ERA5. Показано, что величина градиента зенитной тропосферной задержки ГНСС-сигналов и его флуктуации значимо изменяются в условиях сильной конвекции. Результаты исследования могут быть использованы для разработки методики подспутникового мониторинга конвективных процессов в задачах оперативного прогноза опасных явлений.

Для миллиметровых и субмиллиметровых телескопов одной из ключевых атмосферных характеристик, определяющих поглощение излучения, является осажденный водяной пар. Точное определение этой характеристики в пределах больших по площади регионов представляет собой одну из главных астроклиматических проблем. Настоящая работа посвящена уточнению оценок содержания осажденного водяного пара для разных пунктов на основе обработки данных реанализа ERA5 и радиозондирования. Апробирован ранее предложенный метод коррекции значений осажденного водяного пара, учитывающий характерный вертикальный масштаб водяного пара и относительный перепад высот узлов сетки. Кроме того впервые получено пространственное распределение оптической толщи атмосферы в ночное время для России и сопредельной территории на длине волны 3 мм, усредненное за декабрь - февраль 2013-2022 гг. Результаты работы являются основой для выбора астроплощадки под строительство нового крупного миллиметрового телескопа в рамках проекта евразийских субмиллиметровых и миллиметровых телескопов.

Высокоточная спутниковая лазерная дальнометрия (SLR - satellite laser randing) во всем мире активно используется для решения множества задач, прежде всего в геодезии и навигации. Однако недостатком лазерных систем является зависимость эффективности их применения от метеоусловий, в частности, от наличия облаков. Поэтому актуальной является задача по исследованию возможностей приема лазерных импульсов на борту космических аппаратов (КА) в условиях облачности. Установлены типы и формы облачности, допускающие прием и определение параметров лазерных импульсов на борту КА. Разработаны математические модели атмосферы для длины волны 0,532 мкм, включающие в себя оптические характеристики кристаллической среды для агрегатных структур ледяных частиц. Методом Монте-Карло выполнены расчеты переноса оптического излучения субнаносекундных лазерных импульсов наземных станций на высокоорбитальные и низкоорбитальные КА при наличии кристаллических облаков верхнего и среднего ярусов. Результаты расчетов показали, что для рассматриваемых МЛС (с лазерными станциями типа «Сажень-ТМ») принципы односторонней лазерной спутниковой дальнометрии могут быть реализованы при наличии на небосводе перистых, перисто-слоистых, перисто-кучевых, а также высокослоистых облаков с установленными ограничениями по оптической толщине. Полученные результаты подтверждают возможность существенного повышения технологической производительности метрологических лазерных систем, так как повторяемость рассматриваемых форм облаков над территорией РФ составляет около 20%.