Исследование эффекта Умова для решения задач классификации и определения эффективного объемного радиуса атмосферного аэрозоля

Название проекта:

Исследование эффекта Умова для решения задач классификации и определения эффективного объемного радиуса атмосферного аэрозоля.

Номер соглашения:

19-77-10022

Руководитель проекта:

Шмирко Константин Александрович

Сроки выполнения:

12.08.2019-30.06.2022

Основные полученные результаты: 

1. Была выполнена систематизация данных солнечных фотометров AERONET в Дальневосточном регионе, минимально удаленных от ИАПУ ДВО РАН и кампуса ДВФУ для станций Ussuriysk, Liangning и Hokkaido_University. Для них был проведен статистический анализ продуктов восстановления микрофизических свойств аэрозольных частиц 2-го уровня качества. Были рассчитаны значения действительной и мнимой части показателя преломления, медианных радиусов логнормального распределения, полуширин и объемных концентраций для квантилей [0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.75]. Оказалось, каждая из локаций характеризуется узким разбросом параметров логнормального распределения и коэффициентов преломления, что сильно ограничивает область определения эффекта Умова, что приводит к линейной зависимости вида Reff=A*Pmax+B между mu_L и R_eff. Как показал анализ, для Уссурийска A=-1.88, B=1.55; для Xinglong A=-2.32, B=1.80; для Hokkaido University A = -1.62, B=1.34. 2. Разработана методика определения геометричческого альбедо и концентрации частиц атмосферного аэрозоля (не сферического) на основе измерений деполяризационного отношения. Метод позволяет оценить не толко геометрическое альбедо, но и показатель преломления. 3. На основе обработки большого объема экспериментальных данных показано, что добавление показателя преломления в регрессионную модель существенно улучшает качество аппроксимации (R2=0.94 против R2=0.84). Определены границы применимости подхода на основе регрессионных соотношений - доля сферического аэрозоля < 15%. 4. В результате численных экспериментов получено, что: (а) вклад поляризации поверхности в поляризацию восходящего излучения на уровне верхней границы атмосферы незначителен и в большинстве случаев не превышает 5-6%; вместе с тем, вклад поверхности в отраженную радиацию является существенным и может достигать 25-35%; (б) применение закона Ламберта и использование предположения об изотропности поверхности при ее анизотропности приводит к большим ошибкам в расчетах вектора Стокса при наблюдении из космоса и не позволяет выявить тонкие особенности угловой структуры отраженной радиации, обусловленные сильной угловой асимметрией матрицы отражения BPDF. 8. С 2021 г. по 2022 г., В течении 10 дней, нами былo проведенo 55 измерений атмосферы с использованием оборудования Уссурийской астрофизической обсерватории Института прикладной астрономии РАН: телескопа RC-500 (D = 0.5 м, F = 4 м), штатного поляриметра, светофильтра R Кузиновской фотометрической системы (λ = 0.64 мкм, Δλ = 0.16 мкм) и приемника излучения ZWO ASI 6200 pro (разрешение 9576 пикселя × 6388 пикселя, размер пикселя 3.76 мкм). В приложении к частицам атмосферного аэрозоля, измерения проводились главным образом, в гражданских сумерках; отрицательный угол места Солнца, до 6° под горизонтом. При этом, верхние слои атмосферы оказываются освещены солнечным светом, а нижние слои атмосферы и подстилающая поверхность находятся в тени. Обнаружено присутствие в атмосфере аэрозолей основных типов химического состава: водяного льда, минеральной пыли, городского аэрозоля, продуктов горения и, вероятно, частиц, образовавшихся в результате выпадения межпланетной пыли в атмосферу Земли. Во всех случаях, когда измерения охватывали диапазон малых фазовых углов, нами обнаружено явление отрицательной поляризации света, имеющего амплитуду |Pmin| ≈ 6%. Моделирование показывает, что такая амплитуда отрицательной поляризации накладывает важные ограничение на мнимую часть показателя преломления Im(m) ≤ 0.02 и показатель степени в степенном законе распределения частиц по размерам n ≤ 3. Кроме того, было обнаружено присутствие частиц, состоящих из тугоплавких материалов, на больших высотах, > 20 км. 9. Лидарные и солнцефотометрические исследования в переходной зоне материк-океан, проводимые нами в период выполнения проекта показали, что для случая линейной деполяризации >10% (предположительно пылевые выносы из пустынь Гоби, Такламакан, Бадын-Джаран), существует хорошее совпадение с теоретическима расчетами [1] зависимости lgA от mu_L. Далее, мы провели разведывательный анализ накопленных экспериментальных данных, который показал, что наиболее важные переменные для оценки и прогнозирования значений действительной части показателя преломления это: лидарное отношение, аэрозольное деполяризационое отношение, параметр ангстрема для ослабления. Учитывая эт факторы нами была построена модель классификации, позволяющаяя с R2 = 80% предсказать значение действительной части показателя преломления атмосферного аэрозоля. Надо отметить, что все выделенные параметры определяются при помощи аэрозольного лидара. 10. Нами были проведены расчеты и проанализировано поведение графиков Умова для случая круаных частиц с размером более 100 мкм. В этом случае удалось выделить две области: где закон Умова выполняется, и где он нарушается. Параметром для разделения этих областей является значение мнимой части показателя преломления. Таким образом был сделан важный вывод: эффект Умова для крупных (размерный параметр больше 1000) частиц наблюдается в ограниченном диапазоне значений мнимой частиц показателя преломления. Таким образов в области, где справедлив эффект Умова одновременное измерение геометрического альбедо и максимума степени поляризации позволяет определить значение вещественной части показателя преломления даже при неизвестных мнимой части показателя преломления и размере частиц. Также установлено, что в области, где выполняется эффект Умова, степень деполяризационного отношения также связана с комплексным значением показателя преломления и размером частицы. 11. Реализован и внедрен в радиационную модель MCPOLART (Monte Carlo codes for POLArised Radiative Transfer simulation) алгоритм метода Монте-Карло, предназначенный для моделирования переноса поляризованного излучения в атмосфере над анизотропной поверхностью. Показано, что сплошная облачность является главенствующим фактором, формирующим угловое распределение интенсивности излучения и вектора Стокса в целом; поляризационные эффекты, сопоставимые в некоторой степени с наблюдаемыми поляризационными эффектами в безоблачной атмосфере, проявляются преимущественно лишь при оптически тонкой сплошной перистой облачности. Оценены погрешности ΔI, обусловленные пренебрежением свойств поверхностного слоя океана при моделировании отражения излучения; анализ результатов численных экспериментов свидетельствуют о том, что (а) в зависимости от параметров наблюдения и освещения ошибка ΔI может достигать порядка 10%, (б) при зондировании атмосферы при зенитных углах Солнца более 75° или в периоды, когда Солнце находится вблизи горизонта, влияние значений концентрации хлорофилла и феофитина фитопланктона на вектор Стокса и параметр I следует считать несущественным, (в) для рассмотренного диапазона изменения входных параметров ошибка расчета степени поляризации p может достигать 20%, если при моделировании пренебрегать процессами, происходящими в поверхностном слое и использовать МТмодель (модель Мищенко-Трэвиса) отражения света от океанической поверхности. 12. Анализируя данные многоугловыз поляризационых измерений нами были выявлены следующие прараметры, с помощью которых можно определить тип атмосферного арозоля и классифицторовать подстилающую поверхность. К такой характеристике относится поляриметрический цвет, формируемый из максимальных значений степени поляризации (Pmax) в диапазоне фазовых углов 20-120 градусов на трех длинах волн: 490 нм, 670 нм и 865 нм. (Либо вместо максимальных значений могут быть использованы значения степени поляризации при фазовом угле 90 градусов (P90)). Показано, что угол, на котором степень поляризации максимальна (a_Pmax); угол, на котором степень поляризации минимальна (a_Pmin); угол, на котором находится точка перегиба на зависимости степени поляризации (P) от фазового угла (a_Pmid) являются чувствительными к смене воздушных масс.

Научная и практическая значимость:

Результаты проекта могут быть использованы для создания усовершенствованных алгоритмов обработки лидарных данных, а именно для ограничения диапазона поиска решений в алгоритмах восстановления микрофизических параметров (например, в алгоритме, предложенном Веселовский и Колготиным в своей статье 2002 года). Например, в алгоритме Веселовского и Колготина настраиваемыми параметрами являются диапазон значений действительной и мнимой частей показателя преломления, которые можно определить из диаграмм Умова. Проведенные в последнем отчетном периоде работы по построению модели классификации атмосферного аэрозоля (идентификации показателя преломелния) показали, что возможно выполнить подобную классификацию используя алгоритмы бустинга (построение деревьев классификации). В этом случае, используя такие параметры, как степень деполяризации, лазерного излучения в обратном направления, оптическую толщу, параметр Ангстрема, можно построить (и это было сделано) классифицирующую модель определения показателя преломления с R2х0.89. Это позволяет создавать роботизированные средства измерения состояния атмосферы с автоматической обработкой измерений на основе технологий с искусственным интеллектом.

Список основных публикаций:

1. Зубко Е., Шмирко К., Павлов А., Wenbo Sun, Gregory L. Schuster, Yongxiang Hu, Snorre Stamnes, Ali Omar, Rozemary R. Baize, M. Patric McCormick, Robert Loughman, Jessica A. Arnold, Gorden Videen (Evgenij Zubko, Konstantin Shmirko, Andrey Pavlov, Wenbo Sun, Gregory L. Schuster, Yongxiang Hu, Snorre Stamnes, Ali Omar, Rozemary R. Baize, M. Patric McCormick, Robert Loughman, Jessica A. Arnold, Gorden Videen) Active remote sensing of atmospheric dust using relationships between their depolarization ratios and reflectivity Optic letters https://doi.org/10.1364/OL.426584 (2021 г.)

2. Зубко Е., Вайдин Г., Арнольд Дж, МакКалл Б, Вейнбергер А., Ким С. (Evgenij Zubko, Gorden Videen, Jessica A. Arnold, Benjamin MacCall, Alycia J. Weinberger, and Sungsoo S. Kim) On the Small Contribution of Supermicron Dust Particles to Light Scattering by Comets The Astrophysical Journal (2020 г.)

3. Шмирко К., Лисица В., Павлов А., Столярчук С. (Shmirko Konstantin, Lisitsa Vladimir, Pavlov Andrey, Stolyarchuk Sergey) Investigation of condensation grows of aerosol particles PROCEEDINGS OF SPIE Vol. 11560 115604P-1 https://doi.org/10.1117/12.2575588 (2020 г.)

4. Русскова Т., Шмирко К. (Russkova, T., Shmirko, K.) Monte Carlo simulation of solar radiative transfer over a ruffled water surface taking into account the polarization effects PROCEEDINGS OF SPIE Vol. 11560 115601O-1 https://doi.org/10.1117/12.2575496 (2020 г.)

5. Салюк П., Стёпочкин И., Шмирко К., Голик И. (Salyuk Pavel, Stepochkin Igor, Shmirko Konstantin, Golik Irina) Use of polarization multi-angular measurements of the parasol satellite radiometer for detection of Asian dust storms over the marine surface PROCEEDINGS OF SPIE Vol. 11560 115607L-1 https://doi.org/10.1117/12.2576251 (2020 г.)

6. Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустов Н.В., Коношонкин А.В., Шмирко К.А. (Tkachev I. V., Timofeev D. N., Kustova N. V., Konoshonkin A. V., Shmirko K. A.) The Umov Effect for Large Irregular-Shaped Particles Atmospheric and Oceanic Opticы Vol. 34, No. 6, pp. 596–602 https://doi.org/10.1134/S1024856021060269 (2021 г.)

7. Салюк П.А., Стёпочкин И.Е., Шмирко К.А., Голик И.А. (Salyuk P.A., Stepochkin I.E., Shmirko K.A., Golik I.A.) Анализ многоугловых поляризационных измерений спутникового радиометра PARASOL над оптически сложными водами Бохайского залива Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Т. 18. № 5. С. 255-265 https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-5-255-265 (2021 г.)

8. Коношонкин А.В., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Шишко В.А., Кустова Н.В., Слесарей В.А., Шмирко К.А. (Konoshonkin A.V., Tkachev I.V., Timofeev D.N., Shishko V.A., Kustova N.V., Slesarev V.A., Shmirko K.A.) Umov Effect for large nonspherical particles for remote sensing of cirrus clouds Proc. SPIE 11859, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XXVI 118590G (2021 г.)

9. Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустов Н.В., Коношонкин А.В., Шмирко К.А. (Tkachev I. V., Timofeev D. N., Kustova N. V., Konoshonkin A. V., Shmirko K. A.) Эффект Умова для крупных частиц неправильной формы Оптика атмосферы и океана т. 34, №8, с. 585-592 (2021 г.)

10. Липинская Н.А., Салюк П.А. (Lipinskaia N.A., Salyuk P.A.) Исследование воздействия внутренних волн на оптические характеристики поверхности моря в шельфовой зоне Залива Петра Великого "ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ГИДРОФИЗИКА" РАН 2020, т 13, №2 (2020 г.)