Способ определения спектральных потоков солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками на уровне земной поверхности



 


Владельцы патента RU 2531050:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" (RU)

Изобретение относится к области физики атмосферы и может быть использовано в метеорологических целях. Сущность: по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляют внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическую массу атмосферы. По данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяют коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками. Рассчитывают спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками. Технический результат: повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки.

 

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу изменений погоды, климата и химического состава атмосферы, экологической ситуации в регионе.

Известен способ оценки пространственной изменчивости потоков солнечной радиации и связанных с солнечной радиацией метеорологических параметров (патент US №6748327 B1), используемый для оценки географической изменчивости зависящих от солнечной радиации метеорологических параметров на основе измерений на метеорологических станциях. Способ включает статистический анализ региональных данных, вычисление средних климатических характеристик и отклонений от них, построение эмпирических моделей изменчивости средних значений и отклонений. Указанный способ позволяет на основе корреляционных соотношений по данным на отдельных станциях оценивать аналогичные характеристики солнечной радиации и связанные с ними метеорологические характеристики в областях, не имеющих измерений.

Однако данный способ не позволяет оценить фактические значения потоков солнечной радиации в географической точке, представляющей исследовательский интерес, по фактическим данным о метеорологических характеристиках, влияющих на ослабление солнечной радиации, таким как концентрация воздуха, температура, содержание озона и прозрачность атмосферы. Кроме того, аналог позволяет статистически оценивать интегральные, т.е. не зависящие от спектра солнечного излучения, характеристики потоков радиации и не позволяет учитывать спектральные различия ослабления солнечной радиации.

В указанном выше аналоге для решения этой проблемы используются географические корреляционные связи, позволяющие учесть географическую изменчивость, но не учитывающие фактическое состояние погоды в точке интереса.

Известный способ вычисления потоков солнечной радиации с учетом молекулярного рассеяния (статья JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 97, NO.DY, PAGES 7593-7601, MAY 20, 1992), заключается в вычислении прямых и рассеянных потоков солнечной радиации для вычисления скоростей фотодиссоциации атмосферных газов. Этот способ позволяет учитывать рассеяние радиации атмосферными газами на разных высотах атмосферы.

Однако данный способ не позволяет учесть рассеяние и ослабление атмосферным аэрозолем и облаками и ориентирован на вычисление потоков солнечной радиации в стратосфере, т.е. выше слоев облачности и аэрозольного загрязнения, и не позволяет вычислять спектральные потоки солнечной радиации на уровне земной поверхности.

Техническим результатом является повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки и их локализация за счет учета данных о метеорологической ситуации, общем содержании озона и прозрачности атмосферы.

Потоки солнечной радиации на уровне земной поверхности определяют нагрев почвы, облучение биологических организмов, влияют на нагрев атмосферы, атмосферную циркуляцию и являются ключевым фактором комфортного проживания населения. Точные оценки потоков солнечной радиации крайне необходимы для осуществления численного прогноза погоды, выбора режимов энергопотребления, оценки экологической ситуации. Величина потоков солнечной радиации на уровне земной поверхности определяется ее ослаблением при прохождении через атмосферу, в частности содержанием поглощаемых газов и, прежде всего молекулярным кислородом и озоном, молекулярным рассеянием, ослаблением облаками и аэрозолем.

Для решения поставленной цели в качестве исходных данных берут величину приземного давления (p), влажности воздуха, общего содержания озона на уровне земной поверхности (SO3), общий балл облачности Nh, средний размер облачных и аэрозольных частиц , координаты точки оценки (φ - широта точки оценки), дату и время оценки.

Далее определяют Fλ,∞ - внеатмосферный спектральный поток солнечной радиации, где λ - длина волны в спектре Солнца, которая задается от 290 до 700 нм с шагом 5 нм. Для каждого значения длины волны по актинометрическому справочнику определяется Fλ,∞. Также для тех же длин волн из справочника Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies, NASA, JPL Evaluation 15, JPL Publication 06-02, Pasadena, California, 2006, находится σλ,O3 - сечение поглощения озона на длине волны λ.

После этого вычисляют kλ,scat - коэффициент ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами для тех же длин волн - по формуле:

Стандартное приземное давление p0=1025 мб.

После того определяют коэффициент мутности β для тех же длин волн как отношение коэффициента ослабления для текущей атмосферы к коэффициенту ослабления для идеальной атмосферы, не содержащей облаков и аэрозолей. В зависимости от степени загрязнения атмосферы фактор мутности принимается равным 3 или 4.

Далее определяют коэффициент ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками kλ,cloud для вышеуказанных длин волн по формуле:

.

Коэффициент n зависит от размера облачных и аэрозольных частиц и определяется по формуле , где - средний размер облачных и аэрозольных частиц.

После этого вычисляют оптическую массу атмосферы mθ.

Оптическая масса атмосферы mθ представляет собой величину, показывающую, во сколько раз увеличивается путь солнечного луча в атмосфере при зенитном угле θ по сравнению с нулевым зенитным углом.

Зенитный угол Солнца θ меняется в зависимости от вращения Земли вокруг Солнца и вращения Земли вокруг своей оси.

В течение года Земля описывает вокруг Солнца эллиптическую орбиту. Наблюдателю, находящемуся на Земле, наоборот, кажется, что Солнце движется по небесному своду и описывает в течение года путь, называемый эклиптикой. Плоскость эклиптики составляет угол 23°27' (около 23 с половиной градуса) с плоскостью земного экватора. Кроме того, Земля еще вращается вокруг своей оси, в результате чего зенитный угол зависит еще от часового угла.

Таким образом, с учетом изменения склонения Солнца, широты наблюдателя и времени относительно истинного полдня зенитный угол с учетом сферической геометрии определяется по формуле:

.

Склонение орбиты Земли δ, зависящее от даты оценки и времени истинного полдня tp в секундах определяется по актинометрическому справочнику.

С учетом сферичности Земли и атмосферы оптическая масса т@ вычисляется по формуле:

.

Далее непосредственно определяется спектральный поток солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками с длиной волны λ (для всех длин волн с длинами от 290 до 700 нм с шагом 5 нм) на уровне земной поверхности Fλ,surƒ по формуле:

.

Способ определения спектральных потоков солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками на уровне земной поверхности, заключающийся в том, что по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляются внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическая масса атмосферы, отличающийся тем, что по данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяются коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками и по формуле определяются спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для получения изображений земной поверхности через турбулентную атмосферу.

Изобретение относится к области морской гидрологии и может быть использовано для определения приливных колебаний уровня моря. Сущность: измеряют высоту поверхности уровня моря посредством регистрирующих устройств.

Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для мониторинга химически опасных объектов. Сущность: определяют концентрации опасных выбросов в районе свалки.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для оценки экологического состояния атмосферы территории. Сущность: на контролируемой территории отбирают пробы атмосферных осадков.
Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования наводнений или штормовых подъемов уровней воды для морских устьевых участков рек.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикального профиля концентрации различных газов в атмосфере. Сущность: излучают набор электромагнитных волн различной частоты в окрестности линии поглощения измеряемого газа.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля чистоты воздуха населенных мест. Сущность: проводят выбор территории, которую необходимо исследовать на предмет состояния уровня загрязнения атмосферного воздуха.
Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для контроля атмосферного воздуха. Сущность: проводят сбор, анализ и ведение базы данных выбросов предприятий.

Изобретение относится к метеорологии, навигации и позволяет аппаратурно, в реальном масштабе времени определять высоту нижней границы облачности. Сущность изобретения: при помощи широкопанорамной автоматизированной сканирующей системы автоматически определяются наиболее контрастные участки, по которым определяется высота нижней границы облачности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для дистанционного измерения мгновенной скорости и направления ветра.

Система локализованного контроля утечек горючего газа по первичным параметрам измерительных устройств включает стационарные датчики-газоанализаторы горючих газов, систему автоматического управления, содержащую блок звуковой и световой сигнализаций, блок управления датчиками-газоанализаторами. В систему дополнительно введены блок автоматического переключения подачи газа из основной технологической линии в резервную и обратно, воздухопроводящие короба с общим завихрителем, в которые производится нагнетание воздуха с требуемыми параметрами от воздуходувной установки, позволяющие перемещать утечку газа в определенном направлении к последовательно расположенным датчикам-газоанализаторам, что позволит с достаточной степенью точности определить локальное расположение образовавшейся утечки в максимально короткое время с момента ее образования. Технический результат - повышение безопасности, своевременное, эффективное и оперативное обнаружение локального места утечки, снижение риска образования концентрации газа в воздухе. 2 ил.

Изобретение относится к области экологии и предназначено для мониторинга загрязнения природной среды от техногенного точечного источника аэрозольно-пылевых загрязнений. Способ включает выбор совокупности веществ, для которых будет проводиться мониторинг местности вокруг точечного источника, определение маршрута пробоотбора по сезонному направлению ветра и построение карты изолиний загрязнений по полученным данным. Выбирают вектор преобладающего сезонного направления ветра. На этом векторе проводят отбор проб для каждого загрязнителя в двух точках r1 и r2, отстоящих от точечного источника на расстояниях в интервале от 5 высот источника (h) до 15 высот источника. Вычисляют коэффициенты В=ln(q1/q2·exp(С·((1/r2)-(1/r1))))/ln(r1/r2) и А=q1/(r1B)·exp(-C/r1), где q1 и q2 - концентрации загрязнителя в точках пробоотбора r1 и r2, С=30·h. Вычисляют одномерный профиль концентрации загрязнителя по направлению преобладающего ветра по формуле F(R,А,В)=A·RB·exp(-C/R), где R - текущее расстояние от источника, и переход к площадной картине распределения загрязнителя на местности происходит путем умножения удельной концентрации F(R,A,B) на транспонированную функцию розы ветров G(φ+180°), известную из метеонаблюдений для данного региона в выбранный сезон. Способ позволяет быстро и точно оценить степень загрязнения природной среды от техногенного точечного источника. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по пяти радиометрическим каналам, имеющим частоты 10,65 ГГц, 18,7 ГГц, 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций. Вычисляют значения интегральной влажности с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры и коэффициентов настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов настроенной Нейронной Сети получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени глобальных спутниковых и наземных измерениях. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.

Изобретение относится к устройствам цифровых вычислений и обработки данных в области техники предупреждения аварийных ситуаций. Технический результат заключается в расширении арсенала систем контроля безопасности объектов и в повышении надежности и расширении функциональных возможностей интегрированной системы мониторинга для предупреждения возможного возникновения нештатной (аварийной) ситуации, с использованием интегрированной оценки комплексной безопасности опасного производственного объекта (КОБО ОПО), формируемой программным путем. Информационно-управляющая система комплексного контроля безопасности опасного производственного объекта содержит средства получения натурных данных технологического процесса и экологической обстановки, включающие датчики 1 концентрации паров жидкого вещества в воздухе, датчики 2 уровня и потерь на оборудовании передачи опасных веществ на участках 3, датчики 1 концентрации паров в воздухе, датчики 2 уровня и потерь, датчики температуры, размещенные на участках 4 хранения опасных веществ, аппаратуру 23 управления насосом, соединенные с пультом 22 экстренного реагирования участка 4, датчики 1 концентрации паров жидкого вещества в воздухе, датчики 2 уровня жидкого вещества и потерь и видеокамеры 5, размещенные на погрузочно-разгрузочных эстакадах 6, программируемые коммутаторы 7, к входам которых подключены датчики 1, 2, а выходы через маршрутизаторы 8 первичной информации связаны с визуальными табло 9 данных технологического процесса и экологической обстановки и с локальными технологическими сетями 10 участков 4 хранения, каждая из которых снабжена автоматизированным рабочим местом 11 мастера, каждая из сетей 10 участков через маршрутизатор 12 участка подключена к единой технологической сети 13 предприятия, связанной через видеоконцентратор 14 с видеокамерами 5, и через маршрутизатор 15 - с административной сетью 16, к которой подключены АРМ 24 мастера цеха, АРМ 25 служб цеха, сервер 18 базы данных, и через центральный маршрутизатор 19 - к информационно-аналитическому центру 20 для комплексной оценки безопасности производства, а также дежурно-диспетчерской службе 21 предприятия, выполненным с возможностью разноуровневых локальных и централизованных управляющих воздействий с одновременным информированием диспетчерской 26 территориальных служб контроля чрезвычайных ситуаций. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гидрохимии болот и может быть использовано для измерения фоновых концентраций веществ в болотных водах. Сущность: выделяют однородные участки болота на основе анализа глубин торфяной залежи и болотных фитоценозов. Измеряют фоновую концентрацию вещества в болотных водах как верхний предел среднего геометрического для однородного участка болота. Определяют допустимую концентрацию вещества в болотной воде на основе сравнения двух выборок в условно фоновом и нарушенном состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется. Технический результат: измерение фоновых концентраций веществ в болотных водах. 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля качества воздуха на объектах с искусственной средой обитания человека, например для контроля качества воздуха промышленных городов. Сущность: система содержит блок (1) приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок (2) идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, первый (3), второй (4) и третий (5) блоки памяти, блок (6) подсчета количества поступивших транзакций, первый (7) и второй (8) компараторы, первый (9) и второй (10) блоки адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха. Технический результат: повышение быстродействия системы путем исключения затрат времени на выявление экстремальных экологических ситуаций, требующих немедленной реакции. 6 ил.

Изобретение относится к области построения доплеровских лидаров и лазерных доплеровских измерителей скорости, предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере. Способ заключается в модуляции зондирующего луча с помощью гармонической функции, детектировании отраженного или рассеянного света фотодетектором и выделении основной гармоники продетектированного сигнала, которую сравнивают с модулирующим сигналом путем их перемножения в радиочастотном перемножителе. Формируют комплексный сигнал разностной (новой доплеровской) частоты, пропорциональной скорости, которая подлежит измерению. Изобретение позволяет повысить пространственное разрешение, стабильность и надежность измерений, увеличить дальность зондирования исследуемой зоны, а также упростить оптическую схему. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для диагностики состояния атмосферы промышленного региона. Сущность изобретения заключается в том, что в систему экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона введены система спутниковой связи, являющаяся резервным каналом передачи данных, при этом ее вход соединен с выходами трех источников сбора данных: быстродействующими газовыми датчиками экологического контроля состояния атмосферы, системой GPS, 2-й группой датчиков экологического контроля состояния среды; система обеспечения информационной безопасности, второй центр обработки и сравнения данных, соединенный со вторым входом центрального диспетчерского пункта, и блок анализа алгоритма обработки и сравнения данных, причем входы системы обеспечения информационной безопасности соединены соответственно с выходами центра моделирования, мобильной телефонной системы, первой группы датчиков экологического контроля состояния среды и с аппаратурой городской телефонной сети, а выход - с первыми входами первого и второго центров обработки и сравнения данных, вторые входы которых соединены с выходами блока анализа алгоритма обработки и сравнения данных, входы которого соединены соответственно со вторыми выходами первого и второго центров обработки и сравнения данных. Технический результат - повышение надежности функционирования системы экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона. 9 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высот изотерм в мощных конвективных облаках. Сущность: измеряют наименьшую радиационную температуру () теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, а также температуру воздуха у поверхности Земли, соответствующую этому же району. Сравнивают значение температуры со значением температуры () искомой изотермы. Если , то дополнительно измеряют приземной атмосферное давление и определяют температуру точки росы. С использованием полученных данных рассчитывают температуру () воздуха в конвективном облаке по высотам с заданной дискретностью. Сравнивают рассчитанное значение температуры со значением температуры искомой изотермы. Если , то за высоту изотермы принимают высоту расположения облачного воздуха на данном шаге. Технический результат: возможность определения высоты любой изотермы в конвективной облачности, а также возможность применения способа для различных районов и сезонов без уточнения эмпирических коэффициентов.

Изобретение относится к области воздушного радиационного мониторинга. Сущность: получают изображения участков в диапазоне видимых длин волн, а также в диапазоне длин волн флуоресценции атмосферного азота под воздействием ионизирующих излучений с помощью матричных фоточувствительных детекторов. По изображениям участков незагрязненной местности определяют отношение контраста соседних элементов изображения видимого диапазона спектра и аналогичного контраста изображения в диапазоне флуоресценции азота. В процессе мониторинга постоянно определяют значение данного отношения контрастов для всех элементов получаемых изображений. Если получаемая величина отличается от значения, определенного для участка незагрязненной местности, то участки местности, изображение с которых регистрировалось рассматриваемыми элементами матричных фоточувствительных детекторов, считают радиоактивно загрязненными. Технический результат: повышение достоверности результатов мониторинга. 2 ил.
Наверх