Атмосфера планет, моделирование, мониторинг, электромагнитное излучение, дистанционные спутниковые и наземные методы, ионосфера, магнитосфера, сейсмология

Скачать 256.81 Kb.

Название	Атмосфера планет, моделирование, мониторинг, электромагнитное излучение, дистанционные спутниковые и наземные методы, ионосфера, магнитосфера, сейсмология
страница	1/2
Дата публикации	12.04.2015
Размер	256.81 Kb.
Тип	Отчет

100-bal.ru > География > Отчет

1 2

РЕФЕРАТ

Отчет 213 с., 12 ч., 63 рис., 18 табл., 223 источников, ___ прил.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Геосферы, АТМОСФЕРА ПЛАНЕТ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, МОНИТОРИНГ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДИСТАНЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ И НАЗЕМНЫЕ МЕТОДЫ, ИОНОСФЕРА, МАГНИТОСФЕРА, СЕЙСМОЛОГИЯ, КЛИМАТ

Объект исследований

Атмосфера и ионосфера Земли, температура, газовый и аэрозольный состав атмосферы, дистанционные спутниковые и наземные методы измерений, оптические характеристики атмосферы, микрофизические и оптические характеристики атмосферного аэрозоля, теория переноса излучения в атмосфере, теория распространения радиоволн различных диапазонов и характеристик в атмосфере, динамика атмосферы, климат Земли, СДВ возмущения на полярных трассах, магнитное поле Земли, землетрясения.

Цель работы

Проект направлен на исследование состояния различных геосфер – атмосферы, магнитосферы, земной коры, построение математических моделей протекающих в них геофизических процессов, а также на развитие методов дистанционного зондирования Земли (суши, океанов, недр) и ее внешних оболочек  атмосферы и магнитосферы.

Исследования температуры, газового и аэрозольного состава атмосферы дистанционными наземными спектроскопическими методами и с использованием спутниковых данных с целью получения новых данных о температурном режиме атмосферы и вариациях парниковых и озоноразрушающих газов. Эти исследования включают совершенствование аппаратуры для измерений, разработку и совершенствование физико-математических основ и методик интерпретации данных дистанционных измерений на основе улучшения моделей переноса излучения и используемой априорной информации, интерпретацию и валидацию различных спутниковых данных.

Исследования в области атмосферной радиации, динамики и климатологии атмосферы, включающие разработку и совершенствование методов расчета переноса излучения при условиях нарушения локально-термодинамического равновесия в верхних слоях атмосферы, разработку общей теории планетной термосферы, исследование притоков тепла, обусловленного переносом излучения в полосе поглощения CO₂, исследование тропосферно-стратосферного обмена газовых компонент и влияния солнечной активности на климатическую систему. Эти исследования также проводятся с использованием данных спутниковых измерений для апробации разработанных методик и получения новой информации.

Лабораторные, модельные и спутниковые исследования характеристик атмосферных аэрозолей, оказывающих заметное влияние на перенос излучения в широкой области спектра от УФ до ИК диапазона включительно. Эти исследования включают как экспериментальные измерения характеристик аэрозолей и их изменений под действием окружающей среды, так и модельные разработки для получения совершенной априорной информации об аэрозольной составляющей атмосферы и создания статистических моделей аэрозолей различного типа.

Изучение процессов, происходящих в ионосфере Земли, на базе теоретических разработок новых методик расчета распространения низкочастотных и высокочастотных э.м. полей в на различных трассах в атмосфере и ионосфере Земли, моделирования ионосферы и совершенствования методов прогнозирования ее состояния.

Исследования распространения радиоволн на основе усовершенствования теории их распространения, разработка новых методов решения двумерного телеграфного уравнения.

Исследование процессов взаимодействия Земли и атмосферы, включающее анализ синхронных рядов данных, разработку методик определения свойств сейсмического шума и электромагнитного поля в КНЧ диапазоне в сейсмоактивных регионах до и после землетрясений с целью возможного их прогнозирования, развития и совершенствования методов восстановления параметров сейсмической среды и контроля состояния магнитосферы.

Метод и методологии проведения работы

Наземные измерения газового состава атмосферы проводились с помощью аппаратуры, использующей 3 метода дистанционного зондирования: 1) метод, основанный на спектрометрии рассеянного из зенита солнечного света в УФ и видимой области спектра; 2) метод, основанный на Фурье-спектроскопии спектров нисходящего теплового ИК излучения атмосферы, 3) метод, основанный на измерениях спектров прямого солнечного излучения.
Интерпретация наземных измерений проводилась с помощью разработанного специализированного программно-математического обеспечения (ПМО), основанного на современных методиках решения обратных задач атмосферной оптике по восстановлению характеристик атмосферы по данным измерений прямого и рассеянного солнечного излучения, собственного излучения атмосферы. Точность восстановления параметров атмосферы была определена в специальных численных экспериментах и с помощью расчетов матриц ошибок. Методика интерпретации измеренных спектров излучения основана на современных регуляризационных математических методах решения некорректных обратных задач. Используемая физико-математическая модель переноса излучения в атмосферы опирается на современные данные о характеристиках взаимодействии излучения с атмосферными составляющими – газами, аэрозолем и т.д.
Исследования температуры, газового и аэрозольного состава атмосферы проводились с помощью интерпретации данных различных спутниковых экспериментов, использующих различную аппаратуру и геометрию измерений. Для интерпретации этих данных были использованы различные методики решения обратных задач атмосферной оптики: классический метод статистической регуляризации, линейная множественная регрессия и искусственные нейронные сети. Для реализации этих методов и собрана и организована необходимая априорная информация о 1) радиационных характеристиках различных атмосферных газов, излучательных способностях различных типов поверхностей, оптических характеристик атмосферных аэрозолей; 2) изменчивости (в статистическом смысле) искомых параметров атмосферы и поверхности, задаваемой, например, с помощью первых и вторых моментов (средних значений и ковариационных матриц).
Анализ результатов интерпретации как наземных измерений, так и данных спутниковых экспериментов проводился с привлечением независимых измерений, климатологических данных и модельных расчетов.
При разработке нового метода интерпретации измерений геостационарного спутника (прибор SEVIRI) для получения региональных полей общего содержания озона при решении обратной задачи применена методика нейронных сетей и дополнительная имеющаяся спутниковая информация о температурном режиме атмосферы.
Расчеты и моделирование оптических характеристик атмосферы было выполнено на основе современных данных о спектроскопических параметрах различных полос поглощения.
Анализ нового спутникового метода определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля, основанного на регистрации рассеянного солнечного излучения горизонта Земли в видимой и ближней ИК областей спектра, осуществлялся на основе численного моделирования спутникового эксперимента. Расчеты матриц ошибок решения обратной задачи проводились для различных сценариев эксперимента (различных погрешностей измерений, условий освещения и т.д.).
Численное моделирование микрофизических и оптических характеристик тропосферного и стратосферного аэрозоля, а также. полярных стратосферных облаков проводилось с использованием компиляции и анализа большого объема различных измерений, генерации громадного объема реализаций.
Лабораторные исследования свойств аэрозольных частиц выполнялись с использованием как стандартной аппаратуры (просвечивающий электронный микроскоп, измерители влажности и температуры) с известной погрешностью измерений, так и аппаратуры, относящейся к числу оригинальных разработок, выполненных исполнителями настоящего проекта. Точность этих приборов также определена.
В климатических исследованиях использовались: 1) метод поиска синхронизации между солнечными, околоземными и климатическими процессами на основе техники построения рекуррентных паттернов, а также ее расширение в виде кросс-рекуррентных паттернов, отображающих близкое поведение сложных динамических систем в многомерном фазовом пространстве в области физики; 2) метод разложения по эмпирическим модам; 3) регуляризационная техника; 4) вейвлетный, кросс-вейвлетный и вейвлет-когерентный анализ, позволяющий выявлять частоты, на которых реализуется тот или иной процесс, их фазовые соотношения и степень синхронизации.
Моделирование распространения э.м. излучения осуществляется с помощью решения нелинейного волнового уравнения с квадратичной зависимостью диэлектрической проницаемости среды от величины электромагнитного поля.
В теоретических разработках по совершенствованию теории распространения электромагнитного излучения в ионосфере Земли использованы теория представления групп вращения трехмерного пространства, содержащая коэффициенты Клебша–Гордана для получения аналитического выражения.

Результаты работы

Осуществлен долговременный наземный мониторинг содержания парниковых и озоноразрушающих газов с помощью спектроскопического метода. Определены сезонные вариации содержания парниковых газов, их долговременные тренды. На основе длительных рядов измерений общих содержаний CH₄ и CO в районе Санкт-Петербурга получены следующие выводы:

1. Оценки скорости роста общего содержания метана и окиси углерода показали, что за весь период спектроскопических измерений для района С.-Петербурга статистически значимых изменений ОС метана и угарного газа не выявлено.

2. Характеристики среднего годового хода ОС метана, полученные по многолетним данным свидетельствуют, что средний годовой ход ОС метана за 19912007 гг. характеризуется максимальными значениями в декабре и минимальными в июнеавгусте. Характер годовых изменений для отдельных лет измерений может существенным образом отличаться от полученного среднего годового хода. Амплитуда среднего годового хода ОС метана составляет ~ 4%. В 19912007 гг. наблюдалась тенденция роста амплитуды годового хода ОС CH₄.

3. Характеристики среднего годового хода ОС СО для 19952007 гг. показывают, что амплитуда среднего годового хода составляет 20 %, максимальные значения ОС СО наблюдаются в феврале, минимальные  в июлесентябре.

4. Сезонные изменения ОС СО для 2007 г. характеризуются более поздним двойным минимумом (июль и сентябрь) и максимумом (март) по сравнению со средним годовым ходом. Вид годового хода 2007 г. практически повторяет «фоновый» 2000 год. При этом значения ОС СО в 2007 г. для всех месяцев (исключение – январь) систематически выше (на ~ 6%) значений, полученных в 2000 г.

На основе интерпретации данных космических измерений с помощью прибора SAGE III получен большой объем новых данных о состоянии озоносферы в 20022005 гг – вертикальных профилей содержания озона, двуокиси азота и коэффициентов аэрозольного ослабления. Проведен анализ данных.
Получены новые данные о временных вариациях общих содержаний озона и двуокиси азота, в том числе в условиях грозовой деятельности, что позволит проверить и усовершенствовать численные модели атмосферы. Сопоставление данных измерений ОС О₃ с эталонными измерениями спектрометра Добсона в Главной геофизической обсерватории (п. Воейково) показало их хорошее соответствие (отличия 13 %). Осуществлена валидация спутниковых измерений вертикальных профилей содержания озона м двуокиси азота, общего содержания NO₂ (эксперименты с аппаратурой SCIAMACHY и GOME) по данным проведенных наземных измерений ОС NO₂ в С. Петербурге.
Получены новые данные о различных физических параметрах верхней атмосферы на основе интерпретации данных международного космического эксперимента с аппаратурой CRISTA.
Разработан новый метод комплексного восстановления профилей содержания озона и населенностей возбужденных состояний молекул озона и СО₂ из измерений интенсивности уходящего излучения горизонта в спектральной области 10 мкм в условиях нарушения ЛТР. Метод был успешно использован для интерпретации данных двух международных космических экспериментов с аппаратурой CRISTA. Основным результатом проведенных исследований является получение впервые в мире большого объема экспериментальных данных о колебательных температурах различных возбужденных состояний молекулы озона.
Разработаны методы определения микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков (ПСО) по измерениям спектрального коэффициента аэрозольного ослабления космическими приборами SAGE III и SAGE II и получен большой объем новых данных (1998–2005 гг.) об интегральных площадях (S) и объемах (V) стратосферных частиц и характеристик ПСО (2002–2005 гг.). Изучены временные и пространственные вариации этих параметров.
Разработана новая методика интерпретации свечений верхней атмосферы для получения вертикальных профилей содержания озона.
Усовершенствованы физико-математические основы дистанционных методов мониторинга и разработаны: 1) новый метод интерпретации измерений геостационарного спутника (прибор SEVIRI) для получения региональных полей общего содержания озона; 2) новый метод определения элементов вертикальной структуры содержания озона из наземных измерений солнечного излучения с высоким спектральным разрешением, предназначенный для интерпретации данных Фурье-спектрометра Брюкера (закупленного физическим факультетом СПбГУ в рамках национального проекта «Образование»).

Проанализированы погрешности определения общего содержания (ОСО) и профилей озона по данным вышеуказанных измерений.

В процессе разработки первого метода 1) созданы архивы данных наземных, спутниковых измерений ОСО и термического состояния атмосферы и подстилающей поверхности; 2) разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение поиска и выборки согласованной информации из указанных выше архивов в географической зоне наблюдений прибора SEVIRI; 3) построены и обучены нейронные сети, решающие обратную задачу определения ОСО по результатам измерения уходящего излучения аппаратурой SEVIRI; 4) выполнены тестовые расчеты и проведено сопоставление полученных восстановленных значений ОСО с независимыми данными наземной озонометрической сети. Показано, что средние и среднеквадратичные отклонения результатов восстановления по разработанным алгоритмам от данных наземных измерений составляют 2.0 и 5.8 %, соответственно.

Для второго метода показано, что:

1. Рассматриваемый метод позволяет восстанавливать профиль содержания озона с высоким вертикальным разрешением в тропосфере с погрешностью 2025 %.

2. Существенное снижение погрешностей определения озона может быть достигнуто для относительно толстых атмосферных слоев, толщина которых согласована с вертикальными возможностями дистанционного метода. Тропосферный озон (010 км) определяется с погрешностью 34 %, наилучшая точность достигается при увеличении отношения сигнал/шум до 1000 (за счет увеличения времени измерений) и использовании длинноволновых линий поглощения озона. Для высот 1040 км при спектральном разрешении измерений 0.002 см^-1 и вертикальном разрешении порядка 5 км погрешность измерения озона составляет 37 %, при спектральном разрешении 0.01 см^-1  810 %.

3. Общее содержание озона можно восстанавливать рассмотренным методом с погрешностью не более 0.5 %.

На основе современных параметров взаимодействия излучения с газовой и аэрозольной средой и численного моделирования созданы новые радиационные модели атмосферы для зондирования озоносферы с помощью прибора SAGE III и интерпретации измерений космического прибора CRISTA.
Проведено новое статистическое моделирование микрофизических и оптических параметров стратосферного аэрозоля с учетом полученной новой информации.
Созданы банки данных физических параметров атмосферы, характеристик молекулярного поглощения и радиационные коды в различных областях спектра для анализа погрешностей и реализации различных дистанционных методов измерений параметров атмосферы:

1. Банки реализаций вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона (по данным измерений и моделирования).

2. Первые и вторые моменты (средние профили и ковариационные матрицы) вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона. Сформированные банки данных созданы для различных широтных зон Земли и различных сезонов.

3. Новые статистические модели микрофизических и оптических характеристик тропосферных и стратосферных аэрозолей и глобальная модель атмосферного аэрозоля.

Разработана теория переноса излучения атмосферы в колебательно-вращательных молекулярных полосах при нарушениях ЛТР с учетом континуального поглощения.
Разработан обобщенный метод расчета переноса излучения в молекулярных полосах при нарушении ЛТР, впервые исследованы закономерности формирования неравновесных населенностей возбужденных колебательных состояний молекул углекислого газа в задаче переноса излучения в полосах БИК спектрального диапазона при учёте поглощения излучения в континууме, создаваемом аэрозолями (на примере атмосферы Марса).
Разработана параметризация лучистого притока тепла, обусловленного переносом излучения в полосах СО₂ в атмосфере Земли.
Разработана общая теория планетной термосферы с использованием безразмерных переменных и параметров.
Изучена глобальная климатология волновых и турбулентных вариаций атмосферы по данным ГПС-спутников и наземных радарных и оптических наблюдений.
Проанализирован механизм динамических вариаций и циркуляционного переноса при тропосферностратосферном обмене газовых компонент.

1. Выполнено исследование вертикальных потоков озона в тропо-стратосфере по данным одновременных измерений японским МУ-радаром и озонозондами в Шигараки, Япония, в апреле 1998 г. Получены вертикальные профили средних значений диффузионных потоков озона.

2. Выполнено сравнение 10-летнего цикла самолетных измерений отношения смеси (ОС) СО2 на высотах 2–8 км в пункте Карр (США) и оптических измерений на станции Иссык-Куль (Киргизия). Результаты анализа многолетних самолетных измерений позволяют предположить хорошую перемешанность атмосферы и постоянство отношения смеси СО2 над пунктами наблюдений, расположенными в горных районах. Показано, что резкое изменение вертикального градиента температуры в области тропопаузы может приводить к росту амплитуд и неустойчивости гравитационных волн. Создаваемая при этом повышенная турбулентность может делать область тропопаузы более прозрачной для диффузии озона и других газовых примесей через тропопаузу.

Выполнены экспериментальные исследования свойств аэрозолей, включающие: исследования: 1) механизмов образования и динамики роста дымовых частиц с фракталоподобной структурой; 2) процессов трансформации аэрозольных частиц при воздействии электрических сил, капиллярных сил конденсирующегося водяного пара и температурного поля; 3) гироскопического роста частиц. Создана термодинамическая модель обводнения органико-солевых аэрозолей.

Создано уникальное оборудование для измерения оптических свойств обводненной фракции дымового аэрозоля. Разработана методика измерений в лабораторных условиях объемных коэффициентов и средних сечений экстинкции, рассеяния и поглощения углеродсодержащего аэрозоля в среде с регулируемой относительной влажностью (вплоть до насыщения). Измерены средние сечения экстинкции, рассеяния и поглощения сажевых частиц как в сухих, так и во влажных условиях. Показано, что с ростом содержания гидрофильного (органического) компонента углеродсодержащей частицей увеличивается толщина водной оболочки, образующейся на сажевом ядре во влажных условиях, что приводит к существенному изменению оптических параметров аэродисперсной системы. Данные оптических измерений показали, что прямой и косвенный радиационный форсинг сажесодержащего компонента атмосферного аэрозоля во многом определяется гигроскопичностью частиц сажи, которые зависят от их химического состава.

Разработаны новые методы расчета и алгоритмы построения решения задач распространения радиоволн ДВ и СДВ диапазонов в трехмерном горизонтально-неоднородном волноводном канале Земля-ионосфера.
Разработан метод миграционного преобразования с использованием параксиальной аппроксимации для восстановления параметров сейсмической среды.
Промоделировано состояние нижней ионосферы (области C и D) на основе развития классической модели, принятой в качестве государственного стандарта
Оценена чувствительность климатической системы к вариациям солнечной активности.

Исследованы температурные данные (база данных http://www.columbia.edu) со станций, распределенных географически по всей планете. Изучается вопрос о возможном воздействии внешних факторов на климат Земли (вулканической деятельности и солнечной активности). Использованы современные методы поиска квазипериодических сигналов: вейвлет и кросс-вейвлет анализ, разложение по эмпирическим модам (EMD).

Проведены исследования нижней ионосферы в условиях внезапных ионосферных возмущений (ВИВ), вызываемых солнечными вспышками. Осуществлен анализ внезапных фазовых аномалий (ВФА) сигналов в диапазоне СДВ на протяженных трассах распространения. Проведено исследование высотного распределения электронной концентрации для условий ВИВ, а также и для спокойных условий.

Количественно исследовано сильное аномальное возмущение ионосферы от 30 апреля 1992 г. Анализ показал, что эффективная высота спорадического D-слоя ионизации изменяется от невозмущенного состояния 60 км до максимально возмущенного 40 км, что на 5 км ниже, чем аномально низкое значение эффективной высоты в случае вторжения протонов. Модуль коэффициента отражения 1-ого ионосферного луча при описываемом возмущении уменьшился почти в 2 раза. При вторжении протонов он в пределах погрешностей анализа остается постоянным.

1 2

Добавить документ в свой блог или на сайт

	Корпускулярное ионизирующее излучение Нейтральные частицы и электромагнитное излучение не производят ионизацию, но ионизируют среду косвенно, через различные процессы...		Реферат Отчет 89 с., 6 ч., 35 рис., 2 прил Ключевые слова – сейсмология, землетрясение, сейсмическая томография, обратные задачи, геоэлектрика, унч-излучение, магнитное пересоединение,...
	Электромагнитное излучение и его действие на организм человека.” Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа №602		Модель комплексных связей в системе «Литосфера-Атмосфера-Ионосфера» прогноз землетрясений По материалам исследований, выполненных при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, Соглашение от 21. 09....
	Радиофизический факультет Сформировать у магистров представление о современном состоянии релятивистской высокочастотной электроники, основных методах формирования...		Пояснительная записка 1 Цель и задачи освоения дисциплины Цель дисциплины... Пупырев М. А. Комплексное картографирование и дистанционные методы в географии. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для...
	Рабочая программа составлена в соответствии с фгт к структуре основной... Методы компьютерного моделирования. Статистическое моделирование Учебно-методический комплекс рабочая программа для аспирантов специальности...		Фгбоу впо «сгэу» от 09. 11. 2012г. № Решение ученого совета Самарского... «Математическое моделирование», «Математические модели в финансовых операциях», «Методы оптимизации», «Экономико-математические методы...
	Реферат Тема: «Ультрафиолетовое излучение и его влияние на человека.» Понятие об ультрафиолетовых лучах впервые встречается у индийского философа 13-го века Shri Madhvacharya в его труде Anuvyakhyana....		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Эмпирический и теоретический методы познания. Общенаучные методы: анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия, моделирование, логический...
	Математическое моделирование термически нагруженных конструкций котельных агрегатов Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ		Тема: «Атмосфера. Строение атмосферы» Цель Тема и номер урока в теме: «Атмосфера. Атмосфера: строение, значение, изучение», урок №1
	Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности... В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: функциональный анализ, теория дифференциальных уравнений, теория управления,...		Памятка для студентов направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические... «Наземные транспортно-технологические комплексы» по изучению дисциплины «Язык и стиль научного изложения»
	Памятка для студентов направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические... «Наземные транспортно-технологические комплексы» по изучению дисциплины «Язык и стиль научного изложения»		Рабочая программа учебной дисциплины современные технологии математического... Специальность научных работников: 05. 13. 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Атмосфера планет, моделирование, мониторинг, электромагнитное излучение, дистанционные спутниковые и наземные методы, ионосфера, магнитосфера, сейсмология

Похожие: