Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 9. -
Вып. 3. - 2010. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-27-html/TITL-27.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-27-html/cont.htm
УДК 551.521+681.7
РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР СОБСТВЕННОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ФОРМ ОБЛАЧНОСТЕЙ В ДИАПАЗОНЕ 8-13 МКМ
Ó 2010 г. Алленов М. И., Алленов А. М., Артюхов А. В.,
Иванова Н. П., Новиков Н. Н., Третьяков Н. Д.
В данной работе представлены
радиационные модели различных форм облачности, сделанные на основе данных о
собственном излучении облачных полей в диапазоне 8-13 мкм. Данные о
пространственно-временной структуре излучения облачности были получены с
помощью автоматизированной система для
объективной параметризации форм и балла облачности. Радиационные модели неба
были построены для кучевой (Cu), слоисто-кучевой (Sc), высококучевой (Ac) облачности. Приведено сравнение структур
собственного излучения высокослоистой (As) и слоистой (St) облачностей по дневным и ночным измерениям.
Ключевые слова: собственное излучение облачности, пространственные
структуры облачности, радиационные модели облачности
1. Краткое описание полусферического сканирующего радиометра
Определение форм и балла облачности является чрезвычайно важной задачей, т.к. именно они определяют количество приходящей коротковолновой солнечной радиации и противоизлучения, то есть облака непосредственно влияют на радиационный баланс планеты, а, следовательно, и на климат в глобальном масштабе. Но это важно и для целого ряда прикладных задач – в сельском хозяйстве, где урожайность зависит от распределения солнечного излучения по климатическим и географическим зонам, и фитоморфологических процессов в растительных покровах и конкретных культурных растениях, размещенных на различных элементах ландшафта, в авиационной метеорологии для аэродромных служб, где форма и балл облачности являются важнейшими характеристиками для навигации. Однако до сих пор определение этих характеристик производится субъективно, а в ночное время – вообще не производится.
Проведенные нами натурные измерения и
статистический анализ полученных данных позволяет сделать вывод о возможности
создания средства измерения для объективной параметризации облачности по ее
собственному излучению в интервале длин волн от 8 до 13 мкм. Такая
аппаратура нами разработана и
применяется в задачах Росгидромета [1-3, 9].
В отличие от использованных ранее приборов
разработанная автоматизированная система параметризации и распознавания форм
облачности (АСПРФО) позволяет оперативно, а в перспективе – в реальном масштабе
времени получать объективную информацию о распознавании форм и количества
облачности, об определении скорости, направлении движения полей облачности, о
высотном распределении радиационной температуры облаков и их эволюции.
Система
АСПРФО может использоваться также для изучения турбулентности, водозапаса
облаков и для других фундаментальных задач. Она представляет собой
низкотемпературный радиометр, объединенный со сканирующей системой и системой
регистрации информации, и позволяет регистрировать полусферическое (во всей
полусфере) изображение облачного неба, как днем, так и ночью.
Блок-схема АСПРФО приведена на рис. 1 [4,
10].
Он содержит охлаждаемый
приемник излучения на основе СdHgTe 1, который находится в
фокусе двухкомпонентного зеркального объектива Кассегрена 2. Перед объективом
установлена маска модулятора 3 и далее модулятор 4 с таким же числом лопастей.
Частота вращения модулятора 800 Гц и может изменяться до нескольких килогерц.
Промодулированный сигнал с приемника 1 поступает на предусилитель 5, масштабный
усилитель 6, двухполупериодный синхронный детектор 7, фильтр нижних частот 8 и
далее на аналоговый вход АЦП платы сопряжения ЛА70М4-9 с РС 10. Управление
шаговыми двигателями 11, 12 сканирующей системы осуществляется персональным
компьютером 10. Обмен командами происходит через цифровые входы (выходы) платы
ЛА70М4-9 и блок управления 13.
Сканирующее
зеркало 14 обеспечивает полный оборот вокруг своей оси за время 1 с, т.е.
полное круговое сканирование по альмукантарату осуществляется за 1 с. За это
время регистрируется 360 значений энергетической яркости облачного поля через
каждый градус. После завершения записи данных, поступает сигнал на шаговый
двигатель 12, и зеркало 14 меняет угол наклона на 10, цикл
повторяется. После следующего оборота угол меняется еще на один градус (или
несколько градусов). Через заданное количество шагов (строк) например 17,
шаговый двигатель 12 возвращает сканирующее зеркало в исходное начальное
положение, цикл повторяется и записывается следующий кадр. Таким образом, мы
получаем набор матриц, где по горизонтали 360 значений, а по вертикали – 17
(или другое, заданное нами количество строк). Каждое из 6120 значений
представляет собой конкретную область – изображение в ИК области на небесной
сфере.
Рис. 1. Блок-схема макета АСПРФО
Градуировка
прибора проводилась по модели абсолютно черного тела (АЧТ) Козырева- Бузникова,
выполненного в виде ячеек- сот диаметром 400 мм. Коэффициент излучения модели
абсолютно черного тела (АЧТ) в спектральном интервале от 2 до 15 мкм,
рассчитанный по методике, изложенной в [2], более 0,999. Модель АЧТ сверена с
Государственным вторичным эталоном в ГОСНИЦИПР (в настоящее время «Планета»).
Коэффициент излучения оказался равным 0,995. Градуировка проводилась при
окружающей температуре 290К. Модель АЧТ устанавливалась в непосредственной
близости от радиометра (по методу близкорасположенного протяженного источника
излучения) [2] и с помощью встроенного нагревательного элемента осуществлялся
ее нагрев от температуры окружающего воздуха 290К до 410К. Контроль температуры
АЧТ производился с помощью электронного термометра с точностью 0,1К. Выходной сигнал радиометра в режиме
сканирования регистрировался на РС IBM. Вольт-ваттная
характеристика U(T), Вт·см-2·ср-1, радиометра определялась из выражения
U(T)
= A[B(λ,T1 – B(λ,T2)], (1)
где
B(λ,T1) , B(λ,T2) - энергетические яркости
исследуемого объекта и опорного источника излучения (внутренней полости
радиометра), Вт·см-2·ср-1;
А – постоянный для данного
прибора коэффициент передачи;
Т1, Т2 – абсолютная температура
объекта и внутренней полости радиометра соответственно.
Эффективное
излучение объекта B(λ,T), Вт·см-2·ср-1,
определяется выражением
, (2)
где r(λ,Т) – функция Планка;
S(λ) – спектральная характеристика приемника;
τф(λ) – спектральная
характеристика интерференционного светофильтра.
Эффективная пороговая чувствительность по энергетической яркости Pn(B), Вт·см-2·ср-1, определялась с помощью выражения
,
(3)
где ΔВ(Т) – приращение энергетической яркости;
ΔUc – приращение выходного напряжения, соответствующее ΔВ(Т).
АСПРФО
имеет следующие основные характеристики:
-
чувствительность 1,38·10-5 Вт·см-2 ·ср-1
или 0,1К;
-
спектральный
диапазон - от 8 до 13 мкм;
-
мгновенное
поле зрения - 10 минут дуги;
-
динамический
диапазон регистрируемых энергетических яркостей - 60 дБ;
-
угловая
скорость сканирования - 3600/с;
-
дискретность
углов по вертикали - от десятков минут
до единиц градусов;
-
дискретность
углов по горизонтали - 10;
-
количество
задаваемых строк - 1 - 40;
-
масса
прибора (без системы регистрации)
- 8 кг.
2. Методика измерений
Сканирующий
радиометр комплекса АСПРФО при натурных
измерениях устанавливается таким образом, чтобы опорная (экранирующая) стойка
располагалась в направлении на солнце. При этом исключается попадание излучения
Солнца на приемную площадку приемника. Система регистрации (IBM PC) находится в отапливаемом помещении и связана со
сканирующей системой кабелем длиной 20м.
При
запуске программы на экране монитора появляется основная рабочая панель.
Кнопкой
«старт» включается автоматическое сканирование – вращение зеркала, изменение
углового альмукантарата, и измерение сигнала в точках остановки зеркала.
Вывод
данных на экран монитора производится по окончании цикла съема кадра. Значение строчного
угла устанавливаются из расчета 360 измерений за полный оборот сканирующего
зеркала. Для остановки сканирования активируется та же кнопка «стоп».
Меню
«интервал»
Выбирается
шаг изменения углового альмукантарата.
Интервал 10 обеспечивает сканирование, например, 17 строк в кадре.
Интервал 20 обеспечивает сканирование 9 строк в кадре.
Интервал 40 обеспечивает сканирование 5 строк в кадре.
Интервал 80 обеспечивает сканирование 3 строк в кадре.
Интервал 160 обеспечивает сканирование 2
строк в кадре.
При
работе изменение шага блокируется.
Кнопка
«запись».
Нажатие
кнопки включает запись данных кадров в файлы.
Каждый
кадр записывается в отдельный файл с названием «yymmdd_hhmm_ss.ikr», (две последние цифры
года, месяц, число, минута и секунда окончания съемки кадра). Данные в файл записываются в виде значений сигнала в
милливольтах и переводятся в энергетические характеристики: энергетическую
яркость (ЭЯ) или (и) в радиационную температуру Тр.
После
записи данных в файл, записывается комментарий к эксперименту.
Нажатие
кнопки индицируется синим цветом панели записи. Выключение записи производится
той же кнопкой, при этом цвет панели – серый.
При
прекращении работы кнопкой «стоп» запись отключается автоматически.
Меню
«запись»
Выбирается
способ записи данных:
Однократно;
раз в 1 мин; раз в 3 мин; раз в 10 мин; раз в 30 мин; многократно –
записываются данные всех кадров подряд.
Поле
для комментария.
При
активировании поля производится с клавиатуры необходимая запись, которая записывается
в соответствующие файлы данных.
На
АСПРФО по заявке №2006112101 от 13.04.2006 г. получен Патент России на
изобретение №2331853 от 20.08.2008 г. «Устройство распознавания форм
облачности» [9].
3. Методика
обработки информации
При
оценке форм и балла облачности выбирается режим 10 (17 строк в
кадре); «многократно»; активируются кнопки «запись» и «старт». При этом
производится запись данных в файл. Для обеспечения статистически обеспеченных
данных, время записи выбирается 10-30 минут. При этом записывается более 100
кадров, каждый из которых содержит 6120 значений для конкретной области
небесной сферы.
Отсчеты,
относящиеся к одному направлению, группируются во временной ряд, у которого
расстояние между компонентами зависит от шага дискретизации, а расстояние между
отсчетами у каждой компоненты – от времени записи одной реализации. Пусть 
- энергетическая
яркость (ЭЯ), соответствующая i-ому отсчету компоненты, где
j – номер временного ряда (строки). Для этого ряда известным способом
[1-3, 9] с использованием программы «Statistika V5.5a»
определялись: средние значения μj:
,
(4)
дисперсии
:
, (5)
нормированные
автокорреляционные функции Rj(k):
, (6)
нормированные
спектральные плотности Gj(l):
, (7)
где l = 0; 1; …F;
нормированные
взаимно-корреляционные функции между реализациями:
, (8)
где m, n – номера рядов (m, n≤r);
плотность
распределения Рj(k) путем деления числа наблюдений,
попадающих в k-й разряд на общее число
наблюдений N и другие статистические
характеристики.
4.
Радиационные модели форм облачности
4.1.
Радиационная модель неба при кучевой (Cu) облачности
Кучевые
облака встречаются в природе наиболее часто. Пространственная структура при
этой облачности имеет наиболее широкие
и мощные спектры, амплитуда которых в интервале пространственных частот от 2 до
200 период/рад в отдельных случаях изменяется в пределах 3-5 порядков. Были
исследованы корреляционные связи между флуктуациями при различных смещениях
между строками сканирования. Наименьший угол смещения составлял 1-20.
Начальная реализация – начало кадра – приходилась на зенитные углы 70-800,
количество строк в кадре было не меньше 30.
Поведение
взаимных коэффициентов корреляции Rj(Δθ) приведено в [3, 5, 11].
Характер поведения Rj(Δθ) сильно зависит от балла
облачности. Наиболее тесные корреляционные связи с коэффициентом Rj(Δθ)>0,8 при смещении реализаций на 2-40 наблюдается в области
зенитных углов от 70 до 550. Связи сильно ослабляются в
пригоризонтных областях из-за значительного уменьшения флуктуаций за счет
экранирования облаков друг другом, т.е. исследуемое поле становится менее
«шероховатым», а атмосферная масса сильно увеличивается, поэтому увеличивается
и поглощение атмосферой. И наоборот, в области средних зенитных углов θ
(от 70 до 550) контрасты энергетической яркости
увеличиваются, так как появляются просветы в облаках, к тому же поглощение
вследствие уменьшения атмосферной массы сильно уменьшается, спектр становится
более мощным, с широким диапазоном пространственных частот.
Для
других азимутальных углов и сходных
условий измерения они остаются практически постоянными. Чтобы более полно
представить картину корреляционных связей между флуктуациями для интервала
углов θ от 60 до 500, значения Rj(Δθ) взяты из других корреляционных матриц.
Поведение
средних значений, дисперсий, коэффициентов вариации и показателей степени
пространственных спектров мощности флуктуаций приведены в таблице 1. Средние
значения флуктуаций для всех отмеченных баллов облачности увеличиваются с
ростом θ, причем скорость увеличения среднего к горизонту обратная
увеличению балла облачности: она больше у меньшего балла (1-3). Дисперсии
флуктуаций для облачности 4-6 и 7-9 баллов также уменьшаются с увеличением
зенитного угла, причем в пригоризонтной области они уменьшаются значительно
быстрее. Диапазон изменения дисперсий флуктуаций составляет 3-4 порядка.
Максимальная дисперсия зарегистрирована для Cu 4-6 баллов в интервале θ≈30…400 и
составляет (2…3)∙10-7 (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2. Однако нами были зарегистрированы случаи,
когда σ2 при этих углах достигала значений 8 ∙ 10-7 (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2.
Такая дисперсия на 4-5 порядков выше дисперсии шума аппаратуры. Спектральные
плотности флуктуаций ЭЯ для GCu(ω) высоких пространственных
частот можно аппроксимировать выражением
GCu(ω)
=σ2(ω) · 
. (9)
Таблица 1.
Средние значения μ,
дисперсии σ2, показатели степени S пространственных спектров,
коэффициенты вариации σ/μ флуктуаций
излучения полей кучевой облачности
|
Балл облачности |
Показатель |
θ0 |
|||||
|
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
||
|
1 – 3 |
μ |
2,70 |
2,1 |
1,6 |
1,4 |
1,2 |
1,1 |
|
σ2 |
0,02 |
6,0 |
1,0 |
10,0 |
9,0 |
9,0 |
|
|
σ/μ |
0,005 |
0,117 |
0,063 |
0,226 |
0,25 |
0,273 |
|
S
|
1,70 |
1,8 |
1,9 |
2,1 |
2,0 |
|
|
|
4 – 6 |
μ |
2,9 |
2,4 |
2,2 |
1,8 |
1,5 |
1,4 |
|
σ2 |
0,03 |
4,0 |
8,0 |
10,0 |
16,0 |
20,0 |
|
|
σ/μ |
0,006 |
0,083 |
0,129 |
0,176 |
0,267 |
0,319 |
|
S
|
1,7 |
1,75 |
1,9 |
2,2 |
2,2 |
- |
|
|
7 – 9 |
μ |
3,30 |
3,0 |
2,80 |
2,7 |
2,5 |
2,4 |
|
σ2 |
0,01 |
3,0 |
8,0 |
9,0 |
10,0 |
10,0 |
|
|
σ/μ |
0,003 |
0,058 |
0,101 |
0,111 |
0,126 |
0,132 |
|
S
|
1,70 |
1,7 |
1,85 |
2,1 |
2,1 |
- |
|
|
Примечание – μ – в (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)
∙10-3, σ2 -
в (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2 ∙ 10-8. |
|||||||
4.2.
Радиационная модель неба при слоисто-кучевых (Sc) облаках
Слоисто-кучевые облака по
своей структуре сходны с облаками слоистых форм, однако имеют просветы
различных масштабов и их называют иногда рваными или разорванными облаками [9]. Пространственные
неоднородности облаков этих форм порождают значительные флуктуации собственного
излучения. И хотя они по сравнению с кучевыми облаками имеют меньшую мощность -
вертикальную протяженность, контрасты радиационных температур, или яркостные
контрасты, на переходах чистое небо – облако имеют довольно широкий диапазон. В
зенитной области температурные контрасты достигают не менее 50-60 К.
Поля
излучения при слоисто-кучевых облаках в пригоризонтной зоне являются менее
контрастными, однако они имеют неоднородности, порождающие широкий и довольно
мощный спектр излучения.
Результаты
исследований корреляционных связей между флуктуациями яркости полей Sc при
баллах 4-6 и 7-9 приведены в [3, 5, 11].
Облачность этой формы при малом балле
(1-3) в исследованиях встречалась редко. Коэффициенты взаимной корреляции R(Δθ) при смещениях между
реализациями по Δθ от 2 до 60 в интервале зенитных
углов от 60 до 700 остаются значительными и всегда превышают 0,5. В
пригоризонтной области связи ослабевают вследствие тех же причин, которые
приводились для кучевых облаков. Вблизи
горизонта «шероховатости» поля облаков
сглаживаются по отношению к наблюдателю, к тому же флуктуации, связанные с
маломасштабными неоднородностями отфильтровываются атмосферой сильнее, чем
флуктуации, порожденные крупными неоднородностями. Трассы при измерениях
пригоризонтных флуктуаций значительно увеличиваются, и поэтому усиливается
поглощение атмосферой. Однако корреляционные связи между флуктуациями поля
практически такие же, как и для кучевых облаков. Масштабы корреляции вследствие
более крупных неоднородностей, несколько больше, чем у кучевых облаков.
Исследованные
автокорреляционные функции, полученные по азимутальным разрезам, показывают,
что радиусы корреляции флуктуаций несколько больше у слоисто-кучевых облаков по
сравнению с Cu и значительно превышают радиус корреляции для
высококучевой облачности (Ас). Они убывают с увеличением θ почти
линейно. В этом их отличие от радиусов корреляции для Cu.
Поведение
средних значений, дисперсий флуктуаций и показателей степени пространственных
спектров сходно с таковыми для Cu (таблица 2); дисперсии при Sc для
одинаковых углов θ также меньше, чем для Cu.
Пространственные
спектры мощности флуктуаций яркости менее мощны, чем для Cu,
показатели степени S для тех же зенитных углов, что и у Cu, несколько различаются. Для
зенитных углов θ≈50…600 показатели различаются
довольно значительно. В области высоких пространственных частот спектры можно
аппроксимировать уравнением вида:
. (10)
Значения
SSc(θ) для различных углов θ
приведены в таблице 2.
Плотности
распределения вероятностей в интервале зенитных углов 50-650 имеют
две моды, однако моды менее выражены, чем в случае Cu. В пригоризонтной зоне при θ>650
они выравниваются и распределения становятся близкими к нормальному.
Таблица 2
Средние
значения μ, дисперсии
σ2, показатели степени S пространственных спектров,
коэффициенты вариации σ/μ флуктуаций
излучения при слоисто-кучевой
облачности
|
Балл облачности |
Показатель |
θ0 |
|||||
|
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
||
|
4 – 6 |
μ |
3,30 |
3,2 |
3,1 |
3,05 |
3,0 |
2,9 |
|
σ2 |
0,07 |
0,5 |
3,0 |
8,0 |
8,5 |
9,0 |
|
|
σ/μ |
0,008 |
0,022 |
0,056 |
0,093 |
0,097 |
0,103 |
|
S
|
1,7 |
1,7 |
1,8 |
1,9 |
2,1 |
- |
|
|
7 – 9 |
μ |
3,50 |
3,35 |
3,25 |
3,1 |
3,05 |
3,0 |
|
σ2 |
0,01 |
0,45 |
2,5 |
5,4 |
6,0 |
7,0 |
|
|
σ/μ |
0,003 |
0,02 |
0,049 |
0,075 |
0,080 |
||
S
|
1,7 |
1,7 |
1,75 |
1,9 |
1,9 |
- |
|
|
Примечание – μ – в (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)
∙10-3, σ2 -
в (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2 ∙ 10-8. |
|||||||
4.3
Радиационная модель неба при высококучевой (Ас) облачности
В
физике облаков высококучевые облака занимают особое место. Они возникают при разнообразных
условиях и наблюдаются практически всегда в интервале высот от 3 до 5 км. Как
правило, Ас имеют «шахматную» структуру, иногда расположены рядами, направление
которых соответствует направлению ветра, чаще стохастически распределены в
пространстве. Предполагается, что над облаками Ас существуют инверсионные слои,
поэтому атмосфера как бы препятствует их развитию и их структура обычно
остается постоянной, вернее малоизменчивой. По этой причине их пространственную
структуру легче исследовать. Облака имеют высокую повторяемость [8]. Они связаны с фронтальными
системами, по их появлению, видимо, можно предсказывать отдельные ситуации.
Вследствие
их высокого расположения над Землей они, как правило, довольно холодные. Если
учесть, что их излучательная способность существенно меньше, чем у Cu и Sс, они
порождают менее слабые флуктуации. Дисперсии флуктуаций энергетической яркости
излучения, хотя и меньше, чем для Cu и Sc, все же достигают в области
пространственных частот Δω от 2 до 200 рад-1 трех порядков
и более [5].
Из-за
влияния излучения атмосферы на пространственную структуру излучения Ас, они
исследовались нами при углах θ менее 750. Следует
отметить еще одну важную особенность структур этих облаков: они никогда не
бывают равномерно распределены по небосводу, как, например, Cu и Sc, и
встречаются как отдельные устойчивые, «замороженные» популяции [8].
Нами были проведены исследования корреляционных
пространственных связей между флуктуациями энергетической яркости поля Ас для
количества облачности 4-6 и 7-9 баллов. Эти связи представлены в [3, 5, 11]. Коэффициенты взаимной
корреляции в ней получены по реализациям, смещенным относительно друг друга на
10. Такой выбор смещения по θ
был определен экспериментально, исходя из маломасштабных пространственных
неоднородностей этих облаков.
Следует
отметить, что погрешность установки начала сканирования по зенитному
углу составляла около ±20′. Это означает, что отдельные смещения
реализаций могли быть как больше, так и меньше одного градуса.
Из таблицы видно, что структура поля Ас более мелкая, чем у Cu и Sc.
Взаимные корреляционные связи весьма сильны (тесны) по всему полю Ас, коэффициенты взаимной корреляции при
смещении на 1-20 больше 0,7. Это очень важное обстоятельство,
которое следует принять во внимание при параметризации облачности. Даже по
такому простому признаку Ас нельзя принять за какой-либо другой ансамбль. Если
учесть, что структура флуктуаций Ас и по средним значениям, и по распределению
дисперсий по зенитному углу (таблица 3), и по пространственным спектрам сильно
отличаются от структур других форм, распознавание Ас значительно упрощается.
Пространственные спектры мощности флуктуаций
показывают, что они спадают медленнее, чем спектры для Cu и Sc, показатель SAc(θ) даже для зенитных углов θ=40…500
не превышает 1,8, тогда как в случае Cu и Sc он больше 2.
Спектры мощности флуктуаций можно так же, как и для
облаков Cu и Sc, аппроксимировать
уравнением
, (11)
где
SAc (θ) изменяется для различных θ
от 1,65 до 1,8.
Плотности вероятностей энергетической яркости Ас имеют одну моду, но чаще – расширенное
распределение со слабо выраженной модой.
Таблица
3
Средние
значения μ, дисперсии
σ2, показатели степени S пространственных спектров,
коэффициенты вариации σ/μ флуктуаций
излучения высококучевой облачности
|
Балл облачности |
Показатель |
θ0 |
|||||
|
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
||
|
4 – 6 |
μ |
- |
2,0 |
1,7 |
1,5 |
1,3 |
1,2 |
|
σ2 |
- |
0,1 |
0,8 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
|
|
σ/μ |
- |
0,016 |
0,053 |
0,067 |
0,094 |
0,118 |
|
S
|
- |
1,65 |
1,7 |
1,75 |
1,8 |
- |
|
|
7 – 9 |
μ |
- |
2,2 |
2,0 |
1,7 |
1,4 |
1,3 |
|
σ2 |
- |
0,02 |
0,1 |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
|
|
σ/μ |
- |
0,006 |
0,016 |
0,042 |
0,071 |
0,094 |
|
S
|
- |
1,65 |
1,7 |
1,75 |
1,75 |
- |
|
|
Примечание – μ – в (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)
∙10-3, σ2 -
в (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2 ∙ 10-8. |
|||||||
4.4. Радиационные характеристики слоистых (St), высоко-слоистых (As) и перисто-слоистых (Cs)
облаков в диапазоне от 8 до 13 мкм
Слоистые формы облачности сравнительно легко
распознаются по средним значениям μ и дисперсиям σ2
флуктуаций полусферической энергетической яркости (ЭЯ).
Средние значения μ слоистых (St) облаков в
весенне-осеннее время изменяются в интервале ЭЯ (3,1-3,7)·10-3 Вт∙ см-2 ∙ ср-1,
радиационная температура Трад всегда положительна и близка к
абсолютной температуре Табс, т.к. коэффициент излучения этой формы
облачности близок к единице. Абсолютная температура St отличается от приземной
температуры на 3-110. Дисперсия флуктуаций ЭЯ близка к дисперсии
шума аппаратуры 
≈4 · 10-11 (Вт∙ см-2
∙ ср-1)2 и
не превосходит (2-3) · 10-9 (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2.
Средние значения μ высоко-слоистых (As) облаков
в весенне-осеннее время изменяются от
1,2 до 1,8 Вт∙ см-2 ∙ ср-1. Дисперсии
не просвечивающихся облаков (As op) близки к дисперсии шума аппаратуры,
дисперсии просвечивающихся облаков (As trans)
- в диапазоне зенитных углов θ от 60 до 300
изменяются до (8-11) · 10-10 (Вт∙ см-2 ∙ ср-1)2
, при углах θ больших 600 дисперсии практически близки к
дисперсии шума аппаратуры 
.
В структурах полей просвечивающихся As trans облаков наблюдаются оптические неоднородности от 3
до 15 угловых градусов, причем неоднородности, иногда имеют волнистую
структуру, но чаще стохастически распределенные масштабы. Распределение
дисперсий флуктуаций по пространственным частотам в области ω>4 рад-1 может быть
аппроксимировано выражением
G(ω)≈σ2(ω4)·ω-S, (12)
где S – показатель степени
≈1,6-1.8; σ2(ω4) – дисперсия флуктуаций ЭЯ
на пространственной частоте 4 рад-1.
Вариации излучения перисто-слоистой облачности (Cs) весьма значительны:
среднее значение μ
полусферической яркости изменяется от 0,6·10-4 Вт∙ см-2∙ср-1 до
1,3· 10-4 Вт∙ см-2 ∙ ср-1,
дисперсии флуктуаций ЭЯ не превышают значений 10-10 (Вт ∙ см-2
∙ ср-1)2. Радиационная температура Трад
изменяется от 210 до 240К.
Коэффициент излучения Сs по данным [6,7] может изменяться от 0,2 до
0,3. Такое заниженное значение коэффициентов Cs сомнительно. Измерения, поведенные
нами, показывают, что коэффициент излучения Cs изменяется в больших пределах,
чем приводится в [6, 7].
4.5. Сравнение
пространственно-временных структур собственного излучения высокослоистой (As) и
слоистой (St) облачностей по дневным и ночным измерениям
4.5.1. Пространственно-временная структура высокослоистой (As)
облачности
Для
сравнения структур излучения форм облачности были проведены измерения в ночное
время высокослоистых просвечивающихся (As trans) облаков с 22 ч 14.10.2009 г.
до 06 ч 15.10.2009 г. (табл. 4) и в то же время 15.10.2009 г.и 16.10.2009 г.
(табл. 5).
Следует
отметить сходство структур As trans с дневными измерениями, проведенными в весенне-осенние
сезоны 2008 г. Среднее значение энергетической яркости (ЭЯ) µ в дневное время изменялось
от 1,2
· 10-3 до 1,8 · 10-3 Вт·см-2·ср-1. В ночное время 2009 г. µ изменялось от 1,47·10-3 до 1,98·10-3 Вт·см-2·ср-1,
т.е. практически находилось в том же интервале значений Δµ, причем это осредненное
значение получено по 897 и 856 кадрам соответственно, что следует считать
несомненно статистически обеспеченной информацией.
Анализ
корреляционных связей показал, что облака таких форм содержат оптические
неоднородности, масштабы которых укладываются в интервал значений от 3о до 15о. Если считать изменения
коэффициента взаимной корреляции R(m,n) от 1 до 0,7, эти масштабы укладываются в этот
интервал (до 14о , где m, n – номера сечений кадра
изображений облачности). Для зенитных углов θ<500 угловые масштабы
оптических неоднородностей увеличиваются до 200. Оказалось, что величины дисперсий σ2 ЭЯ несколько превышают
значения σ2 , полученные по дневным измерениям облачных структур
As trans. Эти расхождения вероятно следует связывать с изменчивым оптическим
состоянием облачных полей, т.е. контрасты ЭЯ неоднородностей в ночных облаках
оказываются более высокими, возможно это связано с просветлением атмосферы
ночью из-за выпадения аэрозоля и его охлаждения. Распределение дисперсий σ2(ω) по пространственным
частотам в области ω>4 рад-1 может быть аппроксимировано
выражением (12).
Таким
образом, отличительными признаками при распознавании облачности As trans могут
быть: среднее значение ЭЯ - µ; интервал значений коэффициентов взаимной корреляции ΔR(m,n) от 1 до 0,7; показатель степени S от 1,6 до 1,8. Что касается
изменчивости дисперсий σ2 флуктуаций ЭЯ для дневных и ночных измерений,
следует провести дополнительно исследования,
возможно, от этого признака
следует отказаться, имея в виду
достаточность признаков для распознавания As trans.
Для
не просвечивающихся облаков As op дисперсия σ2 приблизительно равна 
- дисперсии шума
аппаратуры и при распознавании ее применять не следует.
4.5.2.
Пространственно-временная структура слоистой облачности (St)
Измерения
структур слоистой St облачности
проводились в ночное время 01, 22, 26, 27, 28 октября 2009 г. (табл. 6).
Форма St определялась по рассеянному свету от источников освещения в ночное
время и в сумеречное время на основе синоптических данных и операторов
измерительного комплекса АСПРФО. Было получено 1593 кадра, по которым проведено
осреднение статистических характеристик структур облачности. Оказалось, что
среднее значение µ флуктуаций ЭЯ не отличалось от ЭЯ облачности, зарегистрированной в
дневное время, дисперсии флуктуаций σ2 также укладываются в интервал вариаций Δσ2 , зарегистрированных днем.
Т.е. эти характеристики оказались устойчивыми признаками, которые уверенно
можно использовать для распознавания, как в дневное, так и в ночное время.
Выявленные масштабы оптических неоднородностей укладываются в интервал для
неоднородностей St, зарегистрированных в дневное время. Устойчивые признаки (µ, σ2 и ΔR(m,n)) могут быть использованы для автоматизированного распознавания St
как в дневное, так и ночное время.
