Контроль поглощённой подстилающей поверхностью солнечной энергии по данным спутникового мониторинга на основе спектрального подхода

Якунин, Максим Алексеевич
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕ-
СКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИН-
ГА ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕРГИИ 13
1.1. Необходимость использованния спутниковых данных с высо-
ким пространственным разрешением . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2. Возможности программного комплекса MODTRAN как мо-
делирующего инструмента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3. Современные методы контроля поглощённой ПП энергии . . 19
1.4. Гибридный метод контроля поглощённой ПП энергии . . . . 24
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Глава 2. МЕТОД КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕР-
ГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MODTRAN 31
2.1. Оценка влияния параметров атмосферы, ПП и условий на-
блюдения на исследуемые спектры . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2. Входные и выходные файлы MODTRAN . . . . . . . . . . . 33
2.3. Итерационная методика восстановления спектрального аль-
бедо и её сравнительная валидация . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4. Расчёт спектра падающего на ПП излучения . . . . . . . . . 42
2.5. Алгоритм восстановления поглощённой ПП энергии и его ре-
ализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6. Верификация разработанного метода . . . . . . . . . . . . . 44
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Глава 3. ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП
ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ОПОРНЫХ СПЕКТРОВ 49
3.1. Метод опорных спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1. Опорные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2. Аппроксимация функций преобразования . . . . . . . 50
3.2. Восстановление спектра прямого падающего излучения . . . 56
3.3. Восстановление спектра падающего рассеянного излучения . 61
3.3.1. Выбор опорного спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.2. Расчёт спектра падающего рассеянного излучения при
нулевом альбедо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3. Расчёт спектра падающего рассеянного излучения с
учётом альбедо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4. Восстановление спектрального альбедо ПП . . . . . . . . . . 75
3.4.1. Алгоритм восстановления спектрального альбедо ПП 75
3.4.2. Восстановление спектров интенсивности на ВГА при
нулевом и единичном альбедо . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.3. Восстановление спектрального альбедо ПП . . . . . . 80
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ОПЕ-
РАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ПП ЭНЕР-
ГИИ 84
4.1. Программный комплекс для аппроксимации функций преоб-
разования и восстановления искомых спектров . . . . . . . . 84
4.2. Программный модуль для практической реализации метода
оперативного контроля поглощенной ПП энергии . . . . . . 91
4.3. Верификация и практическое применение разработанного ме-
тода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100

Приложение А. Сцены MODIS для верификации 102

Приложение Б. Коэффициенты аппроксимации функции пре-
образования падающего рассеянного потока излучения 103

Приложение В. Акты и свидетельства 107

Литература 110

Актуальность проблемы. Поглощённая подстилающей поверхностью
солнечная энергия оказывает ключевое влияние на процессы испарения,
прогрев воздуха и почвы, формирование облаков, циркуляцию атмосферы
и климат на региональном и глобальном уровне [1–10].
Существует два принципиально разных подхода к решению задачи кон-
троля поглощённой подстилающей поверхностью (ПП) энергии: использо-
вание наземных станций, определяющих количество падающей и отражён-
ной энергии, и данных спутниковых приборов, измеряющих уходящее из-
лучение. Первый подход отличается простотой реализации, имеет ряд пре-
имуществ и недостатков. Преимуществами являются возможность прове-
дения круглосуточного мониторинга и отслеживания динамики изменения
количества поглощённой энергии, а также высокая точность полученных
данных. Основной недостаток станций наземного наблюдения заключается
в локальном измерении поглощённой энергии, что делает невозможным мо-
ниторинг обширных и неоднородных по свойствам ПП территорий [11–15].
Приборы, вынесенные на спутниковые платформы, позволяют прово-
дить мониторинг больших территорий [13, 16–30]. Исследования послед-
них десятилетий была основаны на обработке спутниковых данных низ-
кого пространственного разрешения, полученных в результате глобальных
экспериментов 80-90-х годов, таких как ERBE (2.5◦) [13, 24] и ISCCP (280
км) [17, 21]. В настоящее время в основном используются данные высо-
кого пространственного разрешения платформ Terra, Aqua, Suomi NPP и
регрессионные методы, позволяющие восстанавливать поглощённую энер-
гию по интенсивности излучения на верхней границе атмосферы (ВГА).
Однако, эти методы связаны с конкретными спутниками и каналами спек-
трорадиометра, что ограничивает их временное разрешение и точность.
Работы, реализующие эти методы, демонстрируют значительный разброс
в полученной ими погрешности восстановления поглощённой энергии (50-
120 Вт/м2) [13,20,22,24–30]. Попытки применить их на других территориях
не подтверждают указанные в них погрешности [25, 26, 31]. Эти результа-
ты можно объяснить использованием стандартных наборов альбедо ПП и
ограниченного числа спектральных каналов, ошибками пространственной
и временной синхронизации данных в методиках верификации. На данный
момент не существует методов, обеспечивающих высокую точность контро-
ля поглощённой ПП энергии на обширных территориях и не связанных с
данными конкретных спутниковых платформ и каналов спектрорадиомет-
ра, поэтому разработка такого метода является актуальной научной зада-
чей [14, 32–39]. В качестве перспективного варианта решения этой задачи
предлагается гибридный метод на основе спутниковых данных высокого
пространственного разрешения (до 10 × 10 км2), в котором контроль по-
глощённой ПП энергии осуществляется через восстановление спектров —
потока падающего излучения и альбедо ПП, с использованием программно-
го комплекса MODTRAN5.2.1 или опорных спектров [40–42]. Такой метод
не связан с конкретными спутниковыми платформами, каналами спектро-
радиометра и территориями.
Целью исследования является разработка нового гибридного метода
контроля поглощённой ПП энергии по данным спутникового мониторинга
на основе спектрального подхода и восстановления спектрального альбедо.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, в
рамках которых разрабатываются:
1. Итерационная методика восстановления спектрального альбедо по от-
кликам в каналах спектрорадиометра в оптическом и ближнем инфракрас-
ном диапазонах.
2. Метод контроля поглощённой ПП энергии на основе спектрального
подхода и восстановления спектрального альбедо, реализованный с исполь-
зованием MODTRAN5.2.1.
3. Метод опорных спектров и методика аппроксимации функций преоб-
разования для восстановления искомых спектров.
4. Программный комплекс для аппроксимации функций преобразования.
5. Метод оперативного контроля поглощённой ПП энергии на основе
опорных спектров.
6. Программный модуль для оперативного контроля поглощённой ПП
энергии.
7. Методики верификации полученных результатов по данным сети на-
земных станций SURFRAD.
Объектом исследования являются спектральные зависимости пото-
ков и интенсивностей излучения при вариациях параметров атмосферы,
ПП и условий наблюдения.
Предмет исследования — методы контроля поглощённой ПП солнеч-
ной энергии.
Данная область исследований соответствует следующим пунктам пас-
порта специальности ВАК 05.11.13: п.1. «научное обоснование новых и
усовершенствование существующих методов аналитического и неразруша-

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 Выполненных работ
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Логик Ф. кандидат наук, доцент
    4.9 (826 отзывов)
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.
    #Кандидатские #Магистерские
    1486 Выполненных работ
    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Сергей Н.
    4.8 (40 отзывов)
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.
    #Кандидатские #Магистерские
    56 Выполненных работ
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету