Влияние пространственной неоднородности облаков на коэффициент спектральной яркости солнечного излучения: результаты численного моделирования

Для более корректного решения ряда задач дистанционного зондирования атмосферы требуется вычисление пространственных, спектральных и угловых характеристик полей яркости облачной атмосферы с учетом ее пространственной неоднородности. В зависимости от конкретной проблемы существует потребность в расчетах радиационных характеристик, которые являются результатом (i) моделирования в отдельных реализациях облачных полей или (ii) осреднения по ансамблю облачных реализаций, что позволяет учесть стохастическую природу оптических и геометрических характеристик реальной облачности.
В ИОА СО РАН развивается программно-алгоритмический комплекс MATHART (Monte CArlo Codes for THree-DimensionAl Radiative Transfer), предназначенный для моделирования потоков и полей яркости солнечного и теплового излучения в различных атмосферных условиях. Входящие в состав комплекса MATHART алгоритмы метода Монте-Карло обеспечивают вычисление радиационных характеристик (потоки и спектрально-угловые характеристики полей солнечного и теплового излучения) как в горизонтально однородной, так и горизонтально и вертикально неоднородной атмосфере Земли. Моделирование выполняется с учетом многократного рассеяния и поглощения облачными и аэрозольными частицами, молекулярного рассеяния и поглощения, а также отражения от подстилающей поверхности (ПП) в плоско параллельной и сферической моделях атмосферы. Учет молекулярного поглощения реализован с использованием метода k-распределений – в солнечном диапазоне спектра и метода рандомизации по частоте – в тепловом диапазоне.
В данной работе представлены результаты моделирования коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) солнечного излучения в сферической модели атмосферы. Облачные поля моделируются на основе пуассоновской модели разорванной облачности; облачные элементы аппроксимируются опрокинутыми усеченными параболоидами. Средние по множеству облачных реализаций КСЯ рассчитываются на основе численного усреднения уравнения переноса излучения; уменьшение трудоемкости расчетов достигается за счет введения рандомизации.
Анализ закономерностей формирования КСЯ выполнен для изолированного облака, отдельных облачных реализаций и результатов осреднения по ансамблю облачных полей. Основные расчеты КСЯ сделаны с использованием оптической модели жидкокапельных облаков для двух спектральных интервалов (0,55 и 2,15 мкм); площадь облачной реализации полагалась равной 200 км2.
Показано, что при появлении на небе изолированного облака коэффициент спектральной яркости определяется его присутствием/отсутствием на линии визирования (ЛВ), затененностью ЛВ облаками/открытостью направления «на Солнце», а также подсветкой ЛВ отраженной от облака радиацией. Если линия визирования пересекает облако, КСЯ может существенно превысить КСЯ безоблачной атмосферы – особенно при условии, что точка входа ЛВ в облако освещается Солнцем. Уменьшение КСЯ связано с эффектами затенения облаком линии визирования и точки наблюдения на поверхности Земли. Зона влияния облака может кратно превышать его горизонтальные размеры и существенно возрастает с ростом зенитных углов Солнца и детектора.
При переходе к облачным полям к описанным выше 3D эффектам изолированного облака добавляются эффекты взаимного затенения облаков и их радиационного взаимодействия, когда часть выходящего через боковую поверхность облака излучения может многократно рассеиваться окружающими облаками. Совокупное воздействие этих факторов обсуждается на примере конкретных облачных реализаций при фиксированном балле облачности. Показано, что формирование поля излучения определяется конфигурацией облаков в облачном поле, причем преимущественное влияние оказывают облака, расположенные вдоль направления визирования и направления «на Солнце». Среди выявленных особенностей отметим увеличение значения КСЯ по отношению к безоблачным условиям в случае, когда линия визирования пересекает облако. При больших зенитных углах Солнца наблюдается, как правило, занижение коэффициентов спектральной яркости для тех азимутальных углов Солнца, направление на которые перекрывается облаками.
На заключительном этапе были рассмотрены усредненные значения КСЯ в зависимости от геометрической схемы зондирования, коэффициента ослабления облаков, балла облачности и параметра, характеризующего геометрические размеры облака (отношение геометрической толщины к диаметру основания). При переходе от отдельной реализации к усреднению по ансамблю облачных полей азимутальная зависимость средних коэффициентов спектральной яркости сглаживается. Важным обстоятельством является также тот факт, что при фиксированной схеме зондирования усредненные КСЯ могут отличаться от КСЯ в конкретном облачном поле в несколько раз. Это обстоятельство может оказаться важным при интерпретации результатов восстановления характеристик облачности по данным спутникового зондирования.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 16-01-00617а).