Исследование противоизлучения облачного неба в дневное и ночное время в диапазоне 8–13 мкм
УДК 551.521.325
Исследование ПРОТИВОИЗЛУЧЕНИя облачного НЕБА В ДНЕВНОЕ И НОЧНОЕ ВРЕМЯ В ДИАПАЗОНЕ 8–13 мкм
© 2011 г.
М. И. Алленов, доктор техн. наук; А. В. Артюхов, аспирант; Д. Н. Третьяков, аспирант; Н. Д. Третьяков, доктор техн. наук
ГУ “НПО “Тайфун”, г. Обнинск, Калужская обл.
Е-mail: allenov@typhoon.obninsk.ru
Представлены результаты параметризации структур полей собственного излучения различных форм облачности, полученные с помощью сканирующего полусферического радиометра, а также результаты определения направления и скорости движения облачности в дневное и ночное время.
Ключевые слова: излучение неба, параметризация облачности, оптические характеристики облаков, сканирующий радиометр, сканирование облачности.
Коды OCIS: 010.1615, 010.5630.
Поступила в редакцию 15.06.2011.
Введение
Слоистые (St), высокослоистые (Аs), перисто-слоистые (Сs) формы облачности, как правило, являются устойчивыми метеорологическими состояниями, которые могут и ногда продолжаться несколько суток. Формы такой облачности сравнительно легко могут объективно распознаваться и прогнозироваться. На протяжении 2007–2009 гг. в весенне-осенние периоды были получены несколько тысяч полусферических изображений этих форм в диапазоне 8–13 мкм c помощью полусферического сканирующего радиометра [1, 2]. Информация о других пространственно-временных структурах приведена в [3–11].
1. Радиационные характеристики слоистых (St), высокослоистых (As)
и перисто-слоистых (Cs) форм облачности в диапазоне от 8 до 13 мкм
Средние значения энергетической яркости (ЭЯ) St в весенне-осеннее время изменяются в интервале μ = (3,1–3,7)×10–3 Вт см–2 ср–1, р адиационная температура Трад всегда положительна и близка к абсолютной температуре Табс, так как коэффициент излучения облачности этой формы близок к единице. Абсолютная температура St отличается от приземной температуры на 3°–11°. Дисперсия флуктуаций ЭЯ близка к дисперсии шума аппарату-
ры σш2 ≈ 4×10–11 (Вт см–2 ср–1)2 и не превосходит (2–3)×10–9 (Вт см–2 ср–1)2.
Средние значения ЭЯ As в весеннеосеннее время изменяются от μ = 1,2×10–3 до μ = 1,8×10–3 Вт см–2 ср–1. Дисперсии не про-
свечивающейся солнечным светом облачности
(As op) близки к дисперсии шума аппаратуры,
дисперсии просвечивающейся облачности (As
trans) в диапазоне зенитных углов θ от 60° до 30° изменяются до (8–11)×10–10 (Вт см–2 ср–1)2,
при углах θ > 60° дисперсии практически близки к дисперсии шума аппаратуры σ2ш.
В структурах полей As trans наблюдаются
оптические неоднородности от 3 до 15 угло-
вых градусов, причем неоднородности иногда
имеют периодическую структуру, но чаще –
случайное (стохастическое) распределение.
Распределение дисперсий флуктуаций по пространственным частотам в области ω > 4 рад–1
может быть аппроксимировано, как и в [5],
выражением
G(ω)» σ2(ω4 )ω-S,
(1)
где S ≈ 1,6–1,8 – показатель степени, σ2(ω4) – дисперсия флуктуаций ЭЯ на пространственной частоте 4 рад–1.
Вариации излучения Cs весьма значитель-
ны: среднее значение полусферической яркости изменяется от μ = 0,6×10–4 Вт см–2 ср–1 до μ = 1,3×10–4 Вт см–2 ср–1, дисперсии
флуктуаций ЭЯ не превышают значений 10–10 (Вт см–2 ср–1)2. Радиационная температу-
ра Трад изменяется от 210 K до 240 K.
20 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
По данным [12, 13] коэффициент излучения Сs может изменяться от 0,2 до 0,3, однако измерения, проведенные нами, показывают, что он изменяется в бóльших пределах, чем приводится в этих работах.
2. Сравнение пространственных структур собственного излучения высокослоистой
(As) и слоистой (St) облачности по дневным и ночным измерениям
2.1. Пространственно-временная структура высокослоистой (As) облачности
Для сравнения структур излучения различных форм облачности были проведены измерения в ночное время As trans с 22 ч 14.10.2009 г. до 06 ч 15.10.2009 г. (табл. 1) и в такое же время 15.10.2009 г. и 16.10.2009 г. (табл. 2).
Следует отметить сходство этих измеренных структур As trans с дневными измерениями, проведенными в весенне-осенние сезоны 2008 г. Среднее значение ЭЯ в дневное время изменялось от µ = 1,2×10–3 до µ = 1,8×10–3 Вт см–2 ср–1. В ночное время 2009 г. значение 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 полусферическо-
го изображения соответственно, что, несомненно, следует считать статистически обеспеченной информацией.
Анализ корреляционных связей между флуктуациями, зарегистрированными по сечениям полей облачности, показал, что облака таких форм содержат оптические неоднородности, угловые размеры которых укладываются в интервал значений от 3° до 15°. Если считать изменения коэффициента взаимной корреляции R(m, n) от 1 до 0,7, эти угловые размеры укладываются в этот интервал (до 14°, где m, n – номера сечений кадра изображений облачности). Для зенитных углов θ 4 рад–1 может быть аппроксимировано (как отмечено выше) выражением (1).
Таблица 1. Пространственно-временная структура собственного излучения высокослоистой облачности (ночные измерения)
Угол θ, град
μ, (Вт см–2 ср–1)×10–3
σ2, (Вт см–2 ср–1)2×10–8
30 1,88
0,103
σ/μ 0,017
22 ч 14.10.2009 – 06 ч 15.10.09 As trans
Количество кадров – 897 Среднее значение μ = 1,98×10–3 Вт см–2 ср–1
40 1,97
0,094
0,015 Среднее значение σ2 = 0,115×10–8 (Вт см–2 ср–1)2
50 1,99
0,107
0,016 S – от 1,6 до 1,8
60 2,03
0,134
0,018 Коэффициент вариации 0,017
Таблица 2. Пространственно-временная структура собственного излучения высокослоистой облачности (ночные измерения)
Угол θ, град
μ, (Вт см–2 ср–1)×10–3
σ2, (Вт см–2 ср–1)2×10–8
σ/μ
22 ч 15.10.2009 – 06 ч 16.10.2009 As trans
30 1,33
0,143
0,028 Количество кадров – 856 Среднее значение μ = 1,47 ×10–3 Вт см–2 ср–1
40 1,44
0,142
0,026 Среднее значение σ2 = 0,166 ×10–8 (Вт см–2 ср–1)2
50 1,51
0,157
0,026
S – от 1,6 до 1,8
60 1,55
0,144
0,028
Коэффициент вариации 0,027
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
21
Таким образом, отличительными признаками при распознавании облачности As trans могут быть следующие: 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, то следует провести дополнительные исследования. Возможно, от этого признака следует отказаться, имея в виду достаточность других признаков для распознавания As trans.
Для непросвечивающейся облачности As op дисперсия σ2 приблизительно равна дисперсии шума аппаратуры σ2ш и при распознавании ее применять не следует.
2.2. Пространственная структура слоистой (St) облачности
Измерения структур St проводились в ночное время 01, 22, 26, 27, 28 октября 2009 г. (табл. 3). Форма St определялась по рассеянному свету от источников освещения в ночное и сумеречное время на основе синоптических данных и визуальных данных операторов измерительного комплекса [1, 2]. 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, а дисперсии флуктуаций σ2 также укладываются в интервал вариаций Δσ2, зарегистрированных днем. То есть эти характеристики оказались устойчивыми признаками, которые уверенно можно использовать для распознавания как в дневное, так и в ночное время. Выявленные угловые размеры 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 в ночное время.
2.3. Пример определения направления и скорости движения облачности в дневное и ночное время
Проводились оценки определения скорости и направления движения облачных структур по полученным кадрам, в том числе и для измерений в ночное время суток. Методы и алгоритмы такого определения подробно изложены в [14, 15]. Результаты определения направления (рис. 1), проведенные на основе кадров,
C З
В
2
5 4
15 3Ю
Рис. 1. Примеры определения направления движения облачности. 1–2 – линии векторов движения облачности (дневное время) (1 – 21.09.09 14:00–15:00, Сu – 6 баллов, вычисленная скорость 8,1 м/с), (2 – 21.06.07 12:20– 14:00, Cu – 5 баллов, вычисленная скорость 10 м/с), 3–4 – примеры определения направления движения в ночное время суток, 5 – направление ветра в указанные интервалы времени согласно метеорологическим данным.
Таблица 3. Пространственно-временная структура собственного излучения слоистой облачности (ночные измерения)
Угол θ,
μ,
σ2,
град (Вт см–2 ср–1)×10–3 (Вт см–2 ср–1)2×10–7
σ/μ
St – 10 баллов
30 3,06 40 3,26 50 3,38 60 3,4
0,001 0,001
σ2ш* σш2
0,0025 0,0022 0,0019 0,0012
Количество кадров – 1593 Среднее значение μ = 3,29×10–3 Вт см–2 ср–1
Среднее значение σ2 = 0,01×10–7 (Вт см–2 ср–1)2
S – от 1,6 до 1,8
Коэффициент вариации 0,001
* σ2ш ≈ 10–11(Вт см–2 ср–1)2
22 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
1 1
Рис. 2. Трехмерное изображение кучевой Cu облачности (3 балла, 26.03.2008, 08 ч) 1 – про-
шедшее через облака излучение Солнца.
Рис. 3. Трехмерное изображение кучевой Cu облачности (6 баллов, 26.03.2008, 11 ч) 1 –
прошедшее через облака излучение Солнца.
п олученных как в дневное, так и в ночное время, хорошо согласуются с соответствующими данными о скорости ветра, полученными с помощью высотной метеомачты.
3. Характерные пространственные структуры полей собственного излучения
облачности
Рис. 4. Трехмерное изображение слоистой St облачности (10 баллов, 25.03.2008, 11 ч).
На рис. 2–5 в трехмерном виде представлены некоторые характерные ситуации для кучевой Cu и смешанной облачностей различного балла, где по горизонтали отложены градусы горизонтального кругового сканирования, по вертикали – энергетическая яркость, а по диагональной оси – градусы вертикального сканирования по зенитному углу от 30° до 62°. Пик 1 на рис. 2 и 3 – прошедшее через облака излучение Солнца.
Заключение
Рис. 5. Трехмерное изображение смешанных форм облачности (10 баллов, Ас, Cu, Sc,
29.09.2009, 16 ч).
Рассмотрены вопросы спектральной и пространственной структуры слоистой облачности в спектральном интервале 8–13 мкм. Полученные данные о пространственной и энергетической структурах облачности могут быть ис-
пользованы для ее объективной параметризации. Приведена оценка аппаратурного метода определения скорости и направления движения облачности.
*****
Литература
1. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д., Третьяков Д.Н. Сканирующий полусферический радиометр // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 5. С. 162–163.
2. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Устройство распознавания форм облачности // Патент России № 2331853. 2008.
3. Алленов М.И. Структура оптического излучения природных объектов. М.: Гидрометеоиздат, 1988. 164 с.
4. Алленов М.И. Методы и аппаратура спектрорадиометрии природных сред. М.: Гидрометеоиздат, 1992. 262 с.
5. Алленов А.М., Алленов М.И., Иванов В.Н., Соловьев В.А. Стохастическая структура излучения облачности. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. 174 с.
6. Алленов А.М., Соловьев В.А. Корреляционные (пространственные) связи между флуктуациями яркости, создаваемыми облачными неоднородностями в диапазоне 8–13 мкм // Труды Института экспериментальной метеорологии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. В. 25(160). С. 3–14.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
23
7. Алленов А.М., Иванова Н.П. Временна′я изменчивость пространственной структуры излучения неба в диапазоне 8–13 мкм при кучевой облачности // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 3. С. 43–44.
8. Алленов А.М., Алленов М.И. Прогноз параметров собственного излучения неба при кучевой (Cu) облачности в диапазоне 8–13 мкм // Cб. трудов VI Междунар. конф. “Прикладная оптика-2004”. СПб., 2004. С. 88–93.
9. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Структура излучения неба при смешанных формах облачности в диапазоне 8–13 мкм // Сб. трудов VIII Междунар. конф. “Прикладная оптика-2008”. СПб., 2008. С. 263–267.
10. Мулламаа Ю.-А.Р., Сулев М.А., Пылдмаа В.К., Охвриль Х.А., Нийлиск Х.Ю., Алленов М.И., Чубаков Л.Г., Кууск А.Е. Стохастическая структура полей облачности и радиации / Под ред. Ю.-А.Р. Мулламаа. Тарту: Институт физики и астрономии, АН ЭССР, 1972. 281 с.
11. Алленов М.И., Алленов А.М., Соловьев В.А. Объективная параметризация состояний облачной атмосферы по структуре ее собственного излучения в диапазоне 8–13 мкм // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 12. С. 101–105.
12. Кондратьев К.Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 420 с. 13. Новосельцев Е.П. Излучательная способность облаков различных ярусов // Труды VI Межведомственного
совещания по актинометрии и оптике атмосферы. Таллин: Валгус, 1968. С. 131. 14. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д., Якименко И.В. Способ определения направле-
ния и скорости движения облачности по структуре собственного излучения в диапазоне 8–13 мкм // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 2010. Т. 9. В. 4. 15. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Способ определения направления и скорости движения нижней границы облачности // Патент России № 2414728. 2011.
24 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
Исследование ПРОТИВОИЗЛУЧЕНИя облачного НЕБА В ДНЕВНОЕ И НОЧНОЕ ВРЕМЯ В ДИАПАЗОНЕ 8–13 мкм
© 2011 г.
М. И. Алленов, доктор техн. наук; А. В. Артюхов, аспирант; Д. Н. Третьяков, аспирант; Н. Д. Третьяков, доктор техн. наук
ГУ “НПО “Тайфун”, г. Обнинск, Калужская обл.
Е-mail: allenov@typhoon.obninsk.ru
Представлены результаты параметризации структур полей собственного излучения различных форм облачности, полученные с помощью сканирующего полусферического радиометра, а также результаты определения направления и скорости движения облачности в дневное и ночное время.
Ключевые слова: излучение неба, параметризация облачности, оптические характеристики облаков, сканирующий радиометр, сканирование облачности.
Коды OCIS: 010.1615, 010.5630.
Поступила в редакцию 15.06.2011.
Введение
Слоистые (St), высокослоистые (Аs), перисто-слоистые (Сs) формы облачности, как правило, являются устойчивыми метеорологическими состояниями, которые могут и ногда продолжаться несколько суток. Формы такой облачности сравнительно легко могут объективно распознаваться и прогнозироваться. На протяжении 2007–2009 гг. в весенне-осенние периоды были получены несколько тысяч полусферических изображений этих форм в диапазоне 8–13 мкм c помощью полусферического сканирующего радиометра [1, 2]. Информация о других пространственно-временных структурах приведена в [3–11].
1. Радиационные характеристики слоистых (St), высокослоистых (As)
и перисто-слоистых (Cs) форм облачности в диапазоне от 8 до 13 мкм
Средние значения энергетической яркости (ЭЯ) St в весенне-осеннее время изменяются в интервале μ = (3,1–3,7)×10–3 Вт см–2 ср–1, р адиационная температура Трад всегда положительна и близка к абсолютной температуре Табс, так как коэффициент излучения облачности этой формы близок к единице. Абсолютная температура St отличается от приземной температуры на 3°–11°. Дисперсия флуктуаций ЭЯ близка к дисперсии шума аппарату-
ры σш2 ≈ 4×10–11 (Вт см–2 ср–1)2 и не превосходит (2–3)×10–9 (Вт см–2 ср–1)2.
Средние значения ЭЯ As в весеннеосеннее время изменяются от μ = 1,2×10–3 до μ = 1,8×10–3 Вт см–2 ср–1. Дисперсии не про-
свечивающейся солнечным светом облачности
(As op) близки к дисперсии шума аппаратуры,
дисперсии просвечивающейся облачности (As
trans) в диапазоне зенитных углов θ от 60° до 30° изменяются до (8–11)×10–10 (Вт см–2 ср–1)2,
при углах θ > 60° дисперсии практически близки к дисперсии шума аппаратуры σ2ш.
В структурах полей As trans наблюдаются
оптические неоднородности от 3 до 15 угло-
вых градусов, причем неоднородности иногда
имеют периодическую структуру, но чаще –
случайное (стохастическое) распределение.
Распределение дисперсий флуктуаций по пространственным частотам в области ω > 4 рад–1
может быть аппроксимировано, как и в [5],
выражением
G(ω)» σ2(ω4 )ω-S,
(1)
где S ≈ 1,6–1,8 – показатель степени, σ2(ω4) – дисперсия флуктуаций ЭЯ на пространственной частоте 4 рад–1.
Вариации излучения Cs весьма значитель-
ны: среднее значение полусферической яркости изменяется от μ = 0,6×10–4 Вт см–2 ср–1 до μ = 1,3×10–4 Вт см–2 ср–1, дисперсии
флуктуаций ЭЯ не превышают значений 10–10 (Вт см–2 ср–1)2. Радиационная температу-
ра Трад изменяется от 210 K до 240 K.
20 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
По данным [12, 13] коэффициент излучения Сs может изменяться от 0,2 до 0,3, однако измерения, проведенные нами, показывают, что он изменяется в бóльших пределах, чем приводится в этих работах.
2. Сравнение пространственных структур собственного излучения высокослоистой
(As) и слоистой (St) облачности по дневным и ночным измерениям
2.1. Пространственно-временная структура высокослоистой (As) облачности
Для сравнения структур излучения различных форм облачности были проведены измерения в ночное время As trans с 22 ч 14.10.2009 г. до 06 ч 15.10.2009 г. (табл. 1) и в такое же время 15.10.2009 г. и 16.10.2009 г. (табл. 2).
Следует отметить сходство этих измеренных структур As trans с дневными измерениями, проведенными в весенне-осенние сезоны 2008 г. Среднее значение ЭЯ в дневное время изменялось от µ = 1,2×10–3 до µ = 1,8×10–3 Вт см–2 ср–1. В ночное время 2009 г. значение 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 полусферическо-
го изображения соответственно, что, несомненно, следует считать статистически обеспеченной информацией.
Анализ корреляционных связей между флуктуациями, зарегистрированными по сечениям полей облачности, показал, что облака таких форм содержат оптические неоднородности, угловые размеры которых укладываются в интервал значений от 3° до 15°. Если считать изменения коэффициента взаимной корреляции R(m, n) от 1 до 0,7, эти угловые размеры укладываются в этот интервал (до 14°, где m, n – номера сечений кадра изображений облачности). Для зенитных углов θ 4 рад–1 может быть аппроксимировано (как отмечено выше) выражением (1).
Таблица 1. Пространственно-временная структура собственного излучения высокослоистой облачности (ночные измерения)
Угол θ, град
μ, (Вт см–2 ср–1)×10–3
σ2, (Вт см–2 ср–1)2×10–8
30 1,88
0,103
σ/μ 0,017
22 ч 14.10.2009 – 06 ч 15.10.09 As trans
Количество кадров – 897 Среднее значение μ = 1,98×10–3 Вт см–2 ср–1
40 1,97
0,094
0,015 Среднее значение σ2 = 0,115×10–8 (Вт см–2 ср–1)2
50 1,99
0,107
0,016 S – от 1,6 до 1,8
60 2,03
0,134
0,018 Коэффициент вариации 0,017
Таблица 2. Пространственно-временная структура собственного излучения высокослоистой облачности (ночные измерения)
Угол θ, град
μ, (Вт см–2 ср–1)×10–3
σ2, (Вт см–2 ср–1)2×10–8
σ/μ
22 ч 15.10.2009 – 06 ч 16.10.2009 As trans
30 1,33
0,143
0,028 Количество кадров – 856 Среднее значение μ = 1,47 ×10–3 Вт см–2 ср–1
40 1,44
0,142
0,026 Среднее значение σ2 = 0,166 ×10–8 (Вт см–2 ср–1)2
50 1,51
0,157
0,026
S – от 1,6 до 1,8
60 1,55
0,144
0,028
Коэффициент вариации 0,027
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
21
Таким образом, отличительными признаками при распознавании облачности As trans могут быть следующие: 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, то следует провести дополнительные исследования. Возможно, от этого признака следует отказаться, имея в виду достаточность других признаков для распознавания As trans.
Для непросвечивающейся облачности As op дисперсия σ2 приблизительно равна дисперсии шума аппаратуры σ2ш и при распознавании ее применять не следует.
2.2. Пространственная структура слоистой (St) облачности
Измерения структур St проводились в ночное время 01, 22, 26, 27, 28 октября 2009 г. (табл. 3). Форма St определялась по рассеянному свету от источников освещения в ночное и сумеречное время на основе синоптических данных и визуальных данных операторов измерительного комплекса [1, 2]. 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, а дисперсии флуктуаций σ2 также укладываются в интервал вариаций Δσ2, зарегистрированных днем. То есть эти характеристики оказались устойчивыми признаками, которые уверенно можно использовать для распознавания как в дневное, так и в ночное время. Выявленные угловые размеры 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 в ночное время.
2.3. Пример определения направления и скорости движения облачности в дневное и ночное время
Проводились оценки определения скорости и направления движения облачных структур по полученным кадрам, в том числе и для измерений в ночное время суток. Методы и алгоритмы такого определения подробно изложены в [14, 15]. Результаты определения направления (рис. 1), проведенные на основе кадров,
C З
В
2
5 4
15 3Ю
Рис. 1. Примеры определения направления движения облачности. 1–2 – линии векторов движения облачности (дневное время) (1 – 21.09.09 14:00–15:00, Сu – 6 баллов, вычисленная скорость 8,1 м/с), (2 – 21.06.07 12:20– 14:00, Cu – 5 баллов, вычисленная скорость 10 м/с), 3–4 – примеры определения направления движения в ночное время суток, 5 – направление ветра в указанные интервалы времени согласно метеорологическим данным.
Таблица 3. Пространственно-временная структура собственного излучения слоистой облачности (ночные измерения)
Угол θ,
μ,
σ2,
град (Вт см–2 ср–1)×10–3 (Вт см–2 ср–1)2×10–7
σ/μ
St – 10 баллов
30 3,06 40 3,26 50 3,38 60 3,4
0,001 0,001
σ2ш* σш2
0,0025 0,0022 0,0019 0,0012
Количество кадров – 1593 Среднее значение μ = 3,29×10–3 Вт см–2 ср–1
Среднее значение σ2 = 0,01×10–7 (Вт см–2 ср–1)2
S – от 1,6 до 1,8
Коэффициент вариации 0,001
* σ2ш ≈ 10–11(Вт см–2 ср–1)2
22 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
1 1
Рис. 2. Трехмерное изображение кучевой Cu облачности (3 балла, 26.03.2008, 08 ч) 1 – про-
шедшее через облака излучение Солнца.
Рис. 3. Трехмерное изображение кучевой Cu облачности (6 баллов, 26.03.2008, 11 ч) 1 –
прошедшее через облака излучение Солнца.
п олученных как в дневное, так и в ночное время, хорошо согласуются с соответствующими данными о скорости ветра, полученными с помощью высотной метеомачты.
3. Характерные пространственные структуры полей собственного излучения
облачности
Рис. 4. Трехмерное изображение слоистой St облачности (10 баллов, 25.03.2008, 11 ч).
На рис. 2–5 в трехмерном виде представлены некоторые характерные ситуации для кучевой Cu и смешанной облачностей различного балла, где по горизонтали отложены градусы горизонтального кругового сканирования, по вертикали – энергетическая яркость, а по диагональной оси – градусы вертикального сканирования по зенитному углу от 30° до 62°. Пик 1 на рис. 2 и 3 – прошедшее через облака излучение Солнца.
Заключение
Рис. 5. Трехмерное изображение смешанных форм облачности (10 баллов, Ас, Cu, Sc,
29.09.2009, 16 ч).
Рассмотрены вопросы спектральной и пространственной структуры слоистой облачности в спектральном интервале 8–13 мкм. Полученные данные о пространственной и энергетической структурах облачности могут быть ис-
пользованы для ее объективной параметризации. Приведена оценка аппаратурного метода определения скорости и направления движения облачности.
*****
Литература
1. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д., Третьяков Д.Н. Сканирующий полусферический радиометр // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 5. С. 162–163.
2. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Устройство распознавания форм облачности // Патент России № 2331853. 2008.
3. Алленов М.И. Структура оптического излучения природных объектов. М.: Гидрометеоиздат, 1988. 164 с.
4. Алленов М.И. Методы и аппаратура спектрорадиометрии природных сред. М.: Гидрометеоиздат, 1992. 262 с.
5. Алленов А.М., Алленов М.И., Иванов В.Н., Соловьев В.А. Стохастическая структура излучения облачности. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. 174 с.
6. Алленов А.М., Соловьев В.А. Корреляционные (пространственные) связи между флуктуациями яркости, создаваемыми облачными неоднородностями в диапазоне 8–13 мкм // Труды Института экспериментальной метеорологии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. В. 25(160). С. 3–14.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
23
7. Алленов А.М., Иванова Н.П. Временна′я изменчивость пространственной структуры излучения неба в диапазоне 8–13 мкм при кучевой облачности // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 3. С. 43–44.
8. Алленов А.М., Алленов М.И. Прогноз параметров собственного излучения неба при кучевой (Cu) облачности в диапазоне 8–13 мкм // Cб. трудов VI Междунар. конф. “Прикладная оптика-2004”. СПб., 2004. С. 88–93.
9. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Структура излучения неба при смешанных формах облачности в диапазоне 8–13 мкм // Сб. трудов VIII Междунар. конф. “Прикладная оптика-2008”. СПб., 2008. С. 263–267.
10. Мулламаа Ю.-А.Р., Сулев М.А., Пылдмаа В.К., Охвриль Х.А., Нийлиск Х.Ю., Алленов М.И., Чубаков Л.Г., Кууск А.Е. Стохастическая структура полей облачности и радиации / Под ред. Ю.-А.Р. Мулламаа. Тарту: Институт физики и астрономии, АН ЭССР, 1972. 281 с.
11. Алленов М.И., Алленов А.М., Соловьев В.А. Объективная параметризация состояний облачной атмосферы по структуре ее собственного излучения в диапазоне 8–13 мкм // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 12. С. 101–105.
12. Кондратьев К.Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 420 с. 13. Новосельцев Е.П. Излучательная способность облаков различных ярусов // Труды VI Межведомственного
совещания по актинометрии и оптике атмосферы. Таллин: Валгус, 1968. С. 131. 14. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д., Якименко И.В. Способ определения направле-
ния и скорости движения облачности по структуре собственного излучения в диапазоне 8–13 мкм // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 2010. Т. 9. В. 4. 15. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Способ определения направления и скорости движения нижней границы облачности // Патент России № 2414728. 2011.
24 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011