Глобальное распределение составляющих радиационного баланса земли по данным исз россии и США

Апробация работы.

1. 
   Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Россия, Москва, ИКИ РАН 2003).
   
2. 
   Третья всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Россия, Москва, ИКИ РАН 2005).
   
3. 
   Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования 3емли из космоса» (Россия, Москва, ИКИ РАН 2007).
   
4. 
   Всероссийская научная конференция с международным участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Татарстан, Казань, 2009)
   

Альбедо, полученное по величине УКР, дает его мгновенное среднее значение по ПЗ. Если в течение светового дня надирным радиометром будет измеряться альбедо одной и той же сцены, то будут получены различающиеся величины альбедо. Это зависит от ряда причин, в том числе и от условий освещенности сцены. Поскольку на ВГА единственным источником освещенности является Солнце, то альбедо сцены в каждый момент есть функция угла падения лучей Солнца, т.е. его зенитного угла Z_: =(Z_). Следовательно, по мгновенному измеренному альбедо конкретного участка поверхности при конкретном Z_ необходимо оценить среднесуточное значение альбедо

Конкретно использовались модели, разработанные в проекте США ERBE. Эти модели охватывают 12 различных типов сцен. Каждый тип имеет свою особенную зависимость  от Z_. При обработке спутниковых измерений надо оценить тип сцены и дальнейшие определения среднесуточных величин альбедо для данного региона, попадающего в ПЗ радиометра, вести с соответствующей моделью.

Для описания изменений потоков радиации в зависимости от зенитного угла Солнца значения этого угла (диапазон изменений Z_ от 0 до 90) разделены на промежутки, названные «бинами», и модель представлена в средних оценках для каждого бина. Бины выбирались из условия, что cosZ_ от бина к бину изменяется на 0,1. Альбедо в пределах бина не меняется.

Для представления угловой модели создается нормированная функция альбедо, которая получается путем деления табличного значения альбедо (для любого номера бина) на соответствующее табличное значение альбедо при зенитном положении Солнца (бин 1).

(при i=1,2,…10)

Бин i=1 соответствует зенитному значению альбедо для данного типа модели.

Поскольку радиометр на ИСЗ обычно наблюдает данный регион только один раз в течение суток (на освещенной части Земли), то для осреднения в таких условиях можно принять, что характерная для региона сцена в течение дня также не изменится. При таком допущении возможно получить суточное среднее значение альбедо. Это можно выполнить посредством применения соответствующей типу сцены направленной модели.

Из определения нормированной функции альбедо следует, что для измеренного мгновенного значения (Z_) при фактическом зенитном угле Z_ в момент измерения можно получить соответствующее зенитное значение альбедо, т.е. (Z_= 0):

где - нормированная направленная функция альбедо, i – номер бина, а j – номер модели. Используя это выражение и принцип, заложенный в направленных моделях альбедо, а именно, что существует аналогичное линейное соотношение между среднесуточным значением альбедо и зенитным значением , можно получить .

Очевидно, что для получения среднесуточного значения нужно найти коэффициент пропорциональности , который рассчитывается как средневзвешенное по инсоляции значение для тех бинов, в которых для измеряемой сцены может в данный день находиться Солнце от восхода до захода. В общем случае этот коэффициент зависит от типа сцены (j), от широтного расположения измеряемой площадки ( -географическая широта), от времени года ( - склонение Солнца). Величины  и  определяют продолжительность светового дня и минимальное значение Z_ в данный день. Коэффициент зависит также от времени суток (Z_ в момент измерения). Учитывая (1), получим:

. (2)

Параметр позволяет мгновенные значения альбедо в моменты измерений (при фактических значениях Z_) приводить к соответствующему среднесуточному значению у измеряемой сцены в день измерений.

Предложенная методика расчета среднесуточного альбедо заключается в следующем.

Процедура производится на основании данных, выдаваемых с ИСЗ по каналам телеметрии и содержащих в том числе географические координаты подспутниковой точки на момент измерения, результат измерения в кодах напряжений радиометра. По этим данным определяется мгновенное значение альбедо, зенитный угол Солнца (ЗУС) на момент измерения, т.е. величина (Z_). ЗУС показывает к какому бину в моделях альбедо относится данное (Z_), для этого достаточно установить, в границах какого бина находится Z_ в момент измерения. По географическим координатам подспутниковой точки, к которой привязывается (Z_), определяется номер ячейки принятой сетки. Следовательно, сразу определяется базовая модель альбедо. Базовых моделей в таблице моделей направленного альбедо всего пять: океан, суша, снег, пустыня, смесь. Остальные созданы на основе базовых при соответствующих градациях облачности. Принадлежность мгновенного измеренного значения альбедо (Z_) к соответствующему табличному типу определяется следующим образом. По полученному бину ЗУС, отыскивается табличная величина альбедо , наиболее близкая к измеренному значению (Z_) среди типов моделей для данной подстилающей поверхности. Базовая модель отыскивается по типу подстилающей поверхности, а конкретная – с учетом облачности. Следовательно, к (Z_) можно применять определенное моделями направленного альбедо значение нормированной направленной функции , рассчитанной для ЗУС в пределах конкретного бина. Тогда для измеренной величины альбедо (Z_) сразу находится конкретное значение «зенитного» альбедо, т.е. альбедо при Z_=0:

Таким образом, определение конкретного значения зенитного альбедо по (Z_) в случае, когда углы Z_ заключены в пределах одного бина, производится с одним и тем же значением .

Реально над данной ячейкой сетки на ВГА Солнце в течение светового дня проходит бины от 10-го (после восхода) до некоторого минимального (полдень) и затем в обратном порядке до захода. Поскольку суточные параллели Солнца симметричны относительно небесного меридиана, можно рассматривать, например, только первую половину дня.

Выражение (3) можно использовать для получения среднесуточного значения альбедо . Из этого выражения следует: . Если учесть, что Солнце за день проходит количество бинов, до некоторого бина k, и получить усредненное за световой день значение для выбранной модели, то тогда в соответствии с принципами построения направленных моделей альбедо. Очевидно, что вклад каждого в среднесуточное значение альбедо пропорционален промежутку времени пребывания Солнца в соответствующем бине.

А сумма для бинов от восхода Солнца до меридиана равна часовому углу восхода t_S выраженному во времени. Тогда среднесуточное (т.е. за световой день, т.к. ночью альбедо не измеряется) значение нормированной величины , очевидно, равно:

,

где i= 10, 9…k, при этом k – наименьший номер бина, соответствующего для выбранной ячейки сетки. В наших обозначениях номер бина совпадает с номером часового угла Солнца при пересечении им нижней границы бина. В зависимости от широты места ячейки сетки и времени года Солнце может проходить разное число бинов. Для того, чтобы определить наименьший номер бина, находится минимальное зенитное расстояние Солнца, для любой точки на ВГА по значениям ее широты и склонения Солнца в момент его верхней кульминации.

Часовые углы Солнца в моменты восхода и захода t_S определяются по формуле:

(4)

и выражаются в единицах времени. Для определения часовых углов моментов входа Солнца в бин применяется соотношение:

Здесь – значения ЗУС для нижних границ бинов, - часовые углы Солнца при пересечении им нижних границ бина.

Применяя (5) к нижним границам бинов получим: .

Среднее значение альбедо за сутки может отличаться от мгновенного. Специфика измерений радиометром типа ИКОР в том, что он измеряет УКР и альбедо только в одном направлении – в надир. Если орбита гелиосинхронного ИСЗ околополуденная, то мгновенные альбедо у низких географических широт всегда будут измеряться при относительно малых Z_. А при получении среднего значения учитываются все бины до горизонта (включая бин 10). Но у бинов с большими значениями нормализованные функции имеют высокие значения (кроме сцены «снег»), за счет чего среднесуточные величины альбедо для этого типа орбиты будут больше мгновенных в низких широтах. В высоких широтах, когда Солнце может в течение дня двигаться в пределах 1-2 бинов у горизонта, среднесуточное альбедо будет близко к мгновенному.

Однако, в высоких и особенно приполярных широтах в различные времена года из-за влияния годовых изменений склонения Солнца в пределах от -2327 до +2327, восходы и заходы могут отсутствовать. Далее в главе рассматриваются в общем виде особенности суточного движения Солнца на приполярной широте.

Показано, что условием для незаходящего Солнца будет следующее: 90-, а для заходящего и восходящего: 90-. Так как предельное положительное склонение Солнца в день солнцестояния в нашу эпоху равно +2327, то можно легко найти широту, начиная с которой появляются полярные дни. Очевидно, что это будет условие 90-_п=2327 откуда _п=90-2327=6633. Это и есть широта северного полярного круга _п. Именно на этой широте теоретически один раз в году 22 июня Солнце не заходит, а лишь коснется горизонта в точке севера N. Таким образом, широта полярного круга является пределом, до которого в течение всего года применима разработанная методика, т.к. до этой широты всегда существуют восходы-заходы Солнца, и действует формула (4).

Поскольку в южном полушарии ситуация симметрична и обратна по отношению к временам года, то и южный полярный круг играет точно такую же роль для южных широт.

Таким образом, в зоне широт от южного до северного полярных кругов для любой широты и любого склонения Солнца (любого времени года) в каждый день года имеются восход и заход Солнца. Формула (4) действует, следовательно, действует и методика расчетов среднесуточного альбедо.

В приполярных широтах количество явлений восход-заход сокращается на столько дней, на сколько появляется дней без заходов Солнца (полярный день). Это следует из выполнения условия 90-. В диссертации приведена упрощенная методика расчетов продолжительности полярного дня для любых полярных широт.

При приближении к полюсу убывает величина 90- и растет число дней полярного дня. Если =90, т.е. площадка находится на полюсе, 90- = 0, т.е. полюс мира Р совпадает с зенитом, а небесный экватор совпадет с математическим горизонтом. При любых 0 Солнце не будет заходить, а при 0 будет кружить под горизонтом. Это тот случай, когда 21 марта Солнце пересечет экватор, поднимаясь в северное полушарие. Это и будет день восхода. Через полгода Солнце уйдет в южное полушарие. Один восход, один заход, полгода полярный день. После 21 марта Солнце медленно поднимаясь почти по окружностям последовательно проходит 10-й, 9-й… и пересекает нижнюю границу 6-го бина (ее зенитное расстояние 6642 а ЗУС 22 июня 6633). После этого бины проходятся Солнцем в обратном порядке. Нет надобности искать среднесуточное альбедо. Просто нужно определить по _ в каком бине происходит суточное движение Солнца в данный день. Измеренное значение альбедо равно среднесуточному. А во всех других случаях, когда _п, но меньше 90, усреднение по разработанной методике производится только для дней, когда 90-, т.е. когда еще имеются восходы-заходы Солнца.

В случае незаходящего Солнца, при 90-, усреднение можно выполнить следующим образом. Рассмотрим рисунок 1. На нем изображена ситуация, когда 90-, восхода-захода нет, Солнце в нижней кульминации проходит над точкой севера (N).

Рис. 1. К расчету среднесуточных альбедо в условиях «полярного дня»

Для оценки ЗУС воспользуемся формулой зенитного угла Солнца в нижней кульминации:

(6)

Эта формула легко находится из рисунка 1: - это ZO (над точкой севера N). Он состоит из 2-х углов: ZOР = 90- и РO = 90-. Их сумма дает формулу (6). Находя по формуле (6) и сопоставляя его с табличными величинами нижних границ бинов, получим место Солнца в соответствующем бине в момент нижней кульминации. Изображен случай, когда Солнце кульминирует над нижней границей 9-го бина. Далее, вместо определения часового угла восхода Солнца сразу принимаем часовой угол в нижней кульминации 12 часов. Затем, подставляя в формулу (5) нижнюю границу 8-го бина, получим и время пребывания Солнца в бине 9: (12 час - ) и далее, как и в предложенной методике. Таким образом, в данном примере бин 10-й исключается из осреднения. Аналогично и для других приполярных широт.

Для получения среднесуточного значения поглощенной радиации на какой-либо площадке необходимо знать среднесуточную величину приходящего солнечного излучения [Вт/м²] и среднесуточную величину альбедо этой же площадки . Тогда суточное среднее поглощенной радиации Q можно выразить как:

(7)

Величину можно получить, пользуясь известной формулой Миланковича для расчета дневной суммы солнечной радиации Е_ на верхней границе атмосферы (ВГА):

где Е₀ – величина солнечной постоянной, Т₀ – продолжительность суток (Т₀=86400 с); t_s – выраженный в радианах часовой угол Солнца в моменты восхода t_в, либо захода t_з, r – текущее расстояние Земля-Солнце в астрономических единицах,  - широта места,  - склонение Солнца. Для ВГА (нет рефракции) величина t_s находится по формуле (4), откуда +t_s = t_з; -t_s = t_в.

Выражение (8) дает полную энергию Е_ [Дж/м²] на квадратный метр за световой день. Очевидно, что эта же энергия получается площадкой и за сутки. Тогда для получения необходимо выражение (8) разделить на Т₀ и расчетная формула для принимает вид:

(9)

Следует отметить, что поскольку в течение суток расстояние r меняется незначительно, то можно при расчетах E=E₀/r² пользоваться единым значением для текущих суток.

В приполярных широтах формула приобретает вид (t_s==12 ч.):

На полюсе (=90):

Формула напоминает общую формулу падения радиации на поверхность; она уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей с нормалью к поверхности. Все вышеизложенные соображения учтены при доработке программ расчетов.

Глава 2 Описывается методика оценки наблюдаемости земной поверхности с гелиосинхронных орбит радиометрами, ориентированными в надир. Раннее, в работах Ю.А. Склярова с сотрудниками была решена конкретная задача оценки наблюдаемости земной поверхности с ИСЗ «Ресурс-01» №4. В настоящей работе метод обобщен. Созданная на основе полученных соотношений программа позволяет оценить годовой ход наблюдаемости земной поверхности для орбит любой ориентации.

Практически у всех гелиосинхронных орбит угол наклонения i задается в пределах 98-99 градусов. Следовательно, величиной, которая может изменяться в пределах 0…+90 и 0…-90 для каждого из узлов орбиты, является угол ориентации , т.е. угол в плоскости экватора между заданным узлом и меридианом Солнца. Если =0, то спутник является полуденным (он пересекает экватор в 12 часов местного солнечного времени). При  > 0, при величинах 20-45 говорят о дополуденном ИСЗ (время пересечения экватора 10,5–9 часов). При  близком к 90 спутник является утренним. Наоборот, при <0 спутники являются послеполуденными и вечерними для выбранного узла. При одном и том же значении , но с различными узлами (восходящим, либо нисходящим на освещенной стороне Земли), картина наблюдаемости изменяется для северного и южного полушарий. Рассмотрен ряд примеров анализа.

Рис. 2. Схема системы «орбита гелиосинхронного ИСЗ – терминатор». Узел восходящий на солнечной стороне. Спутник дополуденный. К расчету широт захода подспутниковой точки за терминатор.

Таким образом, гелиосинхронная орбита с восходящим узлом на солнечной

стороне для дополуденного ИСЗ лучше приспособлена для наблюдения высоких широт в ЮП.

ИСЗ полуденный,  = 0. Из рисунка 2 следует, что МРQ=0, точка перегиба М совпадает с точкой Q на большом круге PQEP, перпендикулярном меридиану Солнца. Поскольку только что рассмотрена ситуация для наблюдаемости с восходящим узлом на освещенной стороне, обратимся к рисунку 2. При =0 восходящий спутник пересекает экватор при местном солнечном времени 12 часов (поэтому ИСЗ полуденный). Линия терминатора в СП является линией захода спутника за него, перехода ИСЗ на неосвещенную половину Земли.
А)

Б)

А) для случая, приведенного на рис. 2.

Б) для случая, для полуденных гелиосинхронных ИСЗ ( = 0,  = 9).
Из рисунка 2 видно, что ИСЗ в точке перегиба орбиты М выйдет на освещенную часть в день весеннего равноденствия (при =0), когда линия терминатора совпадет с линией PQEP. Ясно также, что точка М будет оставаться на освещенной части параллели +81 в течение всего весенне-летнего периода и вновь попадет в теневую часть параллели при =0 в день осеннего равноденствия и т.д.

Результаты расчетов для этого случая (i=99, =0) приведены на рисунке 3 (Б). Видно, что кривые захода за терминатор в СП и выхода из-за терминатора в ЮП симметричны относительно точек  и  (₁ совпадает с , а ₂ – с ). Вновь напомним, что продолжительность периодов  и  разная за счет эллиптичности орбиты Земли. В данном случае они различаются на 7 дней (186 суток первый и 179 второй).

Не трудно понять, что в случае нисходящего полуденного спутника в точке q (рисунок 2) находится нисходящий узел, общая картина не изменится. Точка перегиба М при этом располагается за плоскостью солнечного меридиана РТqP на противоположной части круга РЕР. Годовая кривая пересечения подспутниковой точкой терминатора будет кривой выхода из-за него в СП и захода за терминатор в ЮП. Остальные обстоятельства наблюдаемости поверхности одинаковы для восходящего и нисходящего полуденных ИСЗ. Отметим, что наиболее близким реализованным полуденным ИСЗ являлся спутник проекта ERB «Nimbus-7» с восходящим узлом.

ИСЗ послеполуденный,  <0. Для случая восходящего спутника вновь воспользуемся рисунком 2. Из него следует, что при  <0 восходящий узел будет восточнее Солнца (на экваторе за плоскостью рисунка). При прохождении спутником узла местное время в этот момент будет больше 12 часов (обычно для послеполуденных ИСЗ 14 час.30 мин. – 15 часов). В этом случае точка перегиба М окажется правее точки Q (для условий рисунка 2). Тогда, при движении Солнца к северу, терминатор сначала пересечет точку М, выводя ее на освещенную часть земного шара. И только через некоторый интервал времени t терминатор совпадает с кругом PQEP, при этом =0, день весеннего равноденствия. Возвращаясь, при уходе Солнца из СП, терминатор вначале пройдет точку Q (день осеннего равноденствия), и лишь через тот же интервал времени t пройдет точку перегиба М, переводя ее на затененную часть параллели +81 в СП. Ситуация в точности совпадает с той, которая рассмотрена для дополуденного (с нисходящим узлом) ИСЗ «Ресурс-01»№4. Разница в том, что теперь кривая годового хода точек пересечения терминатора в СП является кривой захода подспутниковой точки за него. Таким образом, при равных i и , но смене положения узлов на 180 и знака  на - условия наблюдаемости земной поверхности одинаковы (мы уже не анализируем ситуацию в ЮП, она аналогична).

ИСЗ утренний или вечерний, =90. В такой постановке представляется, что имеется 4 варианта: утренний ( = +90) восходящий и нисходящий; вечерний ( = -90), также два спутника. Однако в силу особенностей данных конфигураций фактически условия наблюдаемости определяются двумя вариантами.

Из рисунка 2 можно видеть, что при совпадении восходящего узла К с точкой Е экватора (перпендикулярна точке q солнечного меридиана), линия узлов совпадает с линией EW. Вокруг этой линии, при движении Солнца по широте (от -23,5 до +23,5) в течение года, поворачивается плоскость терминатора. Теперь терминатор пересекается спутником только в узлах орбиты (т.е. в точках Е и W) при переходе из одного полушария в другое. Нет годовой линии хода широт пересечения подспутниковой точкой терминатора. В течение года плоскость терминатора дважды совпадает с плоскостью орбиты ИСЗ: при движении Солнца к северу (до 22 июня) и при его обратном движении из СП в ЮП (до 23 декабря). В такие дни подспутниковая точка весь виток совершает над терминатором. Затем, в зависимости от направления движения Солнца, либо северная половина орбиты оказывается целиком на Солнце, а южная – целиком в тени, либо наоборот. Таким образом, одномоментно происходит резкая смена условий наблюдения земной поверхности. Оценить наступление дней таких переходов несложно.

Рассмотрим случай орбиты с восходящим узлом К при =+90, спутник утренний. Из рисунка 4 следует, что в СП точка перегиба орбиты М теперь расположена в плоскости, проходящей через Солнце на меридиане PMaP, противоположном Солнцу, за полюсом Р. Очевидно из предыдущего, что дуга РМ==9 (рассматриваем орбиту с наклонением 99). ТЕТ - линия терминатора,  - подсолнечная точка на поверхности Земли. Склонение Солнца  отрицательное, Солнце – в ЮП. М - точка орбиты, противоположная М. МКМ – восходящая половина орбиты спутника. Для выбранного момента (до дня весеннего равноденствия) из рисунка 4 видно, что южная часть орбиты (дуга МК, все равно что МЕ) полностью находится на солнечной стороне, а северная КМ – на теневой. Наблюдениями охвачены широты 0…-81, причем на всем этом интервале широт делается по два наблюдения (на восходящей и нисходящей ветвях орбиты) для каждой широты. Северное полушарие полностью не наблюдаемо.

При движении Солнца к северу в момент =0, день весеннего равноденствия, терминатор совпадет с кругом РЕР, перпендикулярным меридиану Солнца. Далее, через интервал времени t терминатор совпадает с треком орбиты МКМ. Поскольку дуга РМ=9, то это произойдет также при ₀=9, что соответствует дате 14 апреля, т.е. на 24 дня позже прохождения точки весны. Это предельное значение даты запаздывания (ранее t). Далее вся северная половина орбиты оказывается на Солнце, а южная так же одномоментно погружается в тень. При обратном (после 22 июня) движении терминатора, за 24 дня до дня осеннего равноденствия, происходит обратная смена картины. Таким образом, СП может наблюдаться с 14 апреля до 30 августа, а ЮП для этого типа орбиты с 30 августа до 14 апреля следующего года. Соответствующий график с результатами вычислений показан на рисунке 5 (А). Кажется, что покрытия наблюдениями в течение всего светлого периода от 0 до 81 благоприятно для сбора данных. Однако, одно обстоятельство сводит на нет это преимущество. Дело в том, что спутник даже в самом лучшем случае не отходит далеко от терминатора. На терминаторе же Солнце везде находится на местном горизонте.

На части поверхности Земли, расположенные вдоль терминатора, практически не поступает солнечная радиация. Соответственно мизерны отраженные потоки, что приводит к огромным погрешностям при измерениях УКР, а значит альбедо и поглощенной солнечной радиации.

Из рисунка 4 видно, что наиболее значимая в энергетическом плане тропическая зона проходится спутником при высотах Солнца от 0 на экваторе (точка Е) до нескольких градусов. Результаты расчетов для ИСЗ с  = +90 и нисходящим узлом представлены на рисунке 5 (Б). Видно, что теперь большая часть времени наблюдений приходится на СП. Отметим еще, что при =90 фактически остается 2 варианта.

Рис. 4. Схема расположения основных элементов для ИСЗ утреннего ( = 90) с восходящим узлом

А)

Б)

Рис. 5. Границы наблюдаемых и не наблюдаемых частей поверхности Земли

A) для случая, приведенного на рисунке 4

Б) для ИСЗ утреннего  = 90 с нисходящим узлом

Изложенный выше метод дает возможность рассчитать условия наблюдаемости земной поверхности для подспутниковой точки (центра ПЗ) радиометра при любой ориентации орбиты.

Остается проблема учета переходных процессов у линии терминатора. Поле зрения СПЗ радиометров обычно имеет угловой радиус около 5 дуги большого круга на поверхности Земли. Поэтому «чистые» измерения будут наблюдаться, начиная с такого углового расстояния от терминатора (ближе – в ПЗ появляется ночная часть поверхности Земли). Для СПЗ радиометров это все же действительно не очень большая проблема. Иное дело – ШПЗ радиометры, работавшие и работающие на американских ИСЗ. Радиус их ПЗ 30 дуги большого круга. То есть, уже на таком угловом расстоянии захватывается терминатор и часть поверхности за ним.

Понятно, что в таком случае «чистые» измерения фактически ограничены сравнительно небольшой зоной земной поверхности (приблизительно минус 30 от северной и столько же от южной частей терминатора).