2. Идентификация аэрозольных частиц и восстановление высотных распределений параметров аэрозольного слоя по данным комплексного лидарного и радиометрического зондирования
На сегодняшнее время комплексный лидарный и радиометрический эксперимент (LRS) [3, 4] предоставляет наиболее полную информацию о высотных распределениях характеристик аэрозольных частиц в сравнении с другими дистанционными методами диагностики атмосферы. Результатом применения LRS-метода является восстановление высотных распределений полного набора оптических параметров аэрозольных частиц, которые определяют перенос излучения в аэрозольном слое (показатели аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, элементы матрицы рассеяния, степень деполяризации и др.), а также расчет профилей концентрации аэрозольных фракций. Описания алгоритмов и программных пакетов для восстановления параметров аэрозольных частиц по результатам LRS-эксперимента приведены в [5, 6].
Для описания аэрозольной компоненты атмосферы в экологических и климатических исследованиях выделяют несколько типов аэрозоля, различающиеся по процессам их образования и свойственным им оптическим и микрофизическим характеристикам. В научной литературе предлагаются различные способы классификации атмосферных аэрозолей. В настоящей работе используется аэрозольная модель, разработанная для анализа данных космического лидарного зондирования [7], которая включает шесть типов аэрозоля: 1) пустынный пылевой аэрозоль, 2) дымы пожаров, 3) чистый континентальный, арктический и антарктический регионы, 4) загрязненный континентальный), 5) морской солевой аэрозоль, 6) загрязненный пылевой аэрозоль). Для идентификации несферических частиц применяются методы поляризационного зондирования [8, 9].
Характеристики выделенных типов аэрозоля приведено в таблице 2.
Таблица 2 – Характеристики типов фракций аэрозоля
Характеристики
|
Пустынный пылевой
|
Дымы пожаров
|
Чистый континен-тальный
|
Загрязн. континен-тальный
|
Морской солевой
|
Загрязн. пылевой
|
Вулканич. пепел
|
МФА
|
m(r) fine, 532nm
|
1,414
|
1,517
|
1,38
|
1,404
|
1,400
|
1,452
|
|
|
m(i) fine, 532nm
|
0,0036
|
0,0234
|
0,0001
|
0,0063
|
0,0050
|
0,0109
|
|
|
m(r) fine, 1064nm
|
1,495
|
1,541
|
1,38
|
1,439
|
1,4
|
1,512
|
|
|
m(i) fine, 1064nm
|
0,0043
|
0,0298
|
0,0001
|
0,0073
|
0,005
|
0,0173
|
|
|
m(r) coarse, 532nm
|
1,414
|
1,517
|
1,455
|
1,404
|
1,4
|
1,452
|
|
|
m(i) coarse, 532nm
|
0,0036
|
0,0234
|
0,0034
|
0,0063
|
0,0005
|
0,0109
|
|
|
m(r) coarse, 1064nm
|
1,495
|
1,541
|
1,455
|
1,439
|
1,39
|
1,512
|
|
|
m(i) coarse, 1064nm
|
0,0043
|
0,0298
|
0,0034
|
0,0073
|
0,0005
|
0,0137
|
|
|
w0
|
0,91
|
0,70
|
0,9
|
0,88
|
0,99
|
0,79
|
|
|
Граничный радиус мелкой фракции, мкм
|
1,00
|
1,00
|
1,00
|
1,00
|
1,00
|
1,00
|
|
|
Объем мелкой фракции отн.
|
0,223
|
0,329
|
0,05
|
0,531
|
0,025
|
0,241
|
|
|
Средний радиус мелких частиц, мкм
|
0,1165
|
0,1436
|
0,20556
|
0,1577
|
1,150
|
0,1265
|
|
|
СКО логнормальн. распр. мелких частиц
|
1,4813
|
1,5624
|
1,61
|
1,5257
|
1,600
|
1,5112
|
|
|
Объем крупной фракции отн.
|
0,777
|
0,671
|
0,95
|
0,469
|
0,975
|
0,759
|
|
|
Средний радиус крупных частиц, мкм
|
2,8329
|
3,726
|
2,6334
|
3,547
|
1,216
|
3,1617
|
|
|
СКО логнормальн. распр. крупных частиц
|
1,9076
|
2,1426
|
1,8987
|
2,065
|
1,600
|
1,9942
|
|
|
Спектральное отношение
|
0,79
|
0,67
|
1,39
|
0,72
|
0,53
|
1,1
|
|
|
Sa, 532 nm (1)
|
38,1
|
71,3
|
37,7
|
72,7
|
19,1
|
65,3
|
50
|
|
Sa, 532 nm (3)
|
48
|
66
|
|
56
|
18
|
|
|
|
Sa, 1064 nm
|
29,3
|
38,9
|
28,2
|
30,9
|
43,2
|
30,9
|
|
|
Степень деполяризации (%)
|
32
|
7
|
|
6
|
3
|
|
36
|
|
Плотность, г/см3
|
|
|
|
|
|
|
2,6 ± 0,6
|
1,5 ± 0,3
|
Коэфф. преобр., м
|
|
|
|
|
|
|
0,605 ± 0,1х10-6
|
0,177 ± 0,016х10-6
|
Характеристика “Спектральное отношение“ означает отношение показателя обратного рассеяния на длине волны 1064 нм к его значению на длине волны 532 нм; Sa – лидарное отношение аэрозольных частиц (отношение показателя аэрозольного ослабления к показателю обратного аэрозольного рассеяния); “Cтепень деполяризации” – отношение значений кросс-поляризованного и параллельно поляризованного компонентов показателя обратного аэрозольного рассеяния.
При исследовании атмосферы в отдельных регионах и в особых условиях выделяются дополнительные фракции: вулканический пепел, мелкодисперсная фракция аэрозоля (МФА), капельные ледяные и облачные частицы.
Пример использования результатов комплексного лидарного и радиометрического эксперимента к характеристике события дальнего переноса пыли из пустыни Сахары в регион Беларуси приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 — Результаты расчетов высотных профилей концентрации мелкой и крупной фракций аэрозольных частиц и степени деполяризации аэрозоля. Измерения проведены с интервалом в 8 часов. Слева — обнаруживается аэрозольный слой на высоте около 4000 м, который идентифицируется по преобладающей крупнодисперсной фракции и значению степени деполяризации (20%) как пылевая компонента. Справа — через 8 часов слой крупных частиц наблюдался на высоте 3400 м. По малому значению деполяризации (≈2%) он определяется как облачное образование с крупными капельными частицами.
При моделировании крупномасштабного переноса примесей использовано два подхода. Один из них основан на статистике обратных траекторий и данных мониторинга содержания загрязняющих примесей. Второй – использует глобальную химическую транспортную модель GEOS-Chem вместе с метеоданными и данными по источникам выбросов.