Том 29, номер 01, статья № 9

Аннотация:

Рассмотрена методология получения пространственных распределений респирабельных фракций аэрозоля в нижних слоях атмосферы по данным многочастотного лидарного зондирования без дополнительных измерений оптических и микрофизических параметров аэрозоля на исследуемой трассе. Для этой цели спектральные значения аэрозольного коэффициента ослабления, входящие в лидарные уравнения, предложено заменить линейно-независимыми параметрами их аппроксимации, а пространственные распределения этих параметров восстанавливать путем численного решения системы уравнений, составленных из всех спектрально-временных отсчетов лидарных сигналов. В результате количество неизвестных в решаемой системе уравнений существенно сокращается, а ее матрица оказывается переобусловленной, что можно использовать для выбора физически обоснованных значений аэрозольной индикатрисы обратного рассеяния на рабочих длинах волн лидара. Для определения калибровочных констант лидара используется предположение, что на трассе зондирования присутствуют два участка со схожими профилями аэрозольного коэффициента ослабления. Предложен алгоритм поиска таких участков по спектрально-временной структуре лидарного сигнала. Обратная задача аэрозольного светорассеяния решается на основе устойчивых регрессионных соотношений между концентрациями респирабельных фракций аэрозоля и параметрами аппроксимации его спектра ослабления. Путем численных экспериментов по лазерному зондированию аэрозоля показана устойчивость разработанного метода к погрешностям калибровки и пространственным вариациям аэрозольной индикатрисы обратного рассеяния.

Ключевые слова:

аэрозоль, респирабельные частицы, массовая концентрация, лидар, многочастотное зондирование, калибровка, оптические параметры, обратная задача

Список литературы:

1. Silva R.A., West J.J., Zhang Y., Anenberg S.C., Lamarque J.F., Shindell D., Collins W.J., Dalsoren S., Faluvegi G., Folberth G., Horowitz L.W., Nagashima T., Naik V., Rumbold S., Skeie R., Sudo K., Takemura T., Bergmann D., Cameron-Smith P., Cionni I., Doherty R.M., Eyring V., Josse B., MacKenzie I.A., Plummer D., Righi M., Stevenson D.S., Strode S., Szopa S., Zeng G. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution and the contribution of past climate change // Environ. Res. Lett. 2013. V. 8, N 3. P. 034005.
2. Зуев В.Е., Кауль В.В., Самохвалов И.В. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Новосибирск: Наука, 1986. 192 с.
3. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 184 c.
4. Kovalev V.A., Eichinger W.E. Elastic lidar: Theory, practice, and analysis methods. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2004. 615 p.
5. Лысенко С.А., Кугейко М.М., Хомич В.В. Многочастотное лидарное зондирование микроструктуры многокомпонентных городских аэрозолей // Ж. прикл. спектроскопии. 2015. Т. 82, № 1. С. 115–123.
6. Лысенко С.А., Кугейко М.М., Хомич В.В. Метод определения концентраций аэрозольных фракций в приземном воздухе по данным многочастотного лидарного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 3. С. 199–209. Lysenko S.A., Kugeiko M.M., Khomich V.V. Technique for Determining Mass Concentrations of Aerosol Fractions in the Surface Air from Multifrequency Lidar Sounding Data // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 5. P. 455–466.
7. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений // Ж. прикл. спектроскопии. 2009. Т. 76, № 6. С. 876–883.
8. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Восстановление микрофизических параметров поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов спутникового и наземного многочастотного зондирования // Исслед. Земли из космоса. 2011. № 5. С. 21–33.
9. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Методика определения концентрации респирабельной фракции атмосферного аэрозоля по данным трехчастотного лидарного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 2. С. 149–155. Lysenko S.A., Kugeiko M.M. Method for the Determination of the Concentration of the Respirable Atmospheric Aerosol Fraction from the Data of Three – Frequency Lidar Sensing // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23. N 3. P. 222–228.
10. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Метод определения концентрации аэрозольных частиц в вертикальном столбе атмосферы по спутниковым измерениям спектральной оптической толщины // Журн. прикл. спектр. 2011. № 5. С. 793–800.
11. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Нефелометрический метод измерений массовых концентраций городских аэрозолей и их респирабельных фракций // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 5. С. 435–442. Lysenko S.A., Kugeiko M.M. Nephelometric Method for Measuring Mass Concentrations of Urban Aerosols and Their Respirable Fractions // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 6. P. 587–595.
12. Klett J.D. Stable analytic inversion solution for processing lidar returns // Appl. Opt. 1981. V. 20, N 2. P. 211–220.
13. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observation: Some comments // Appl. Opt. 1984. V. 23, N 5. P. 652–653.
14. Böckmann C., Wandinger U., Ansmann A., Bösenberg J., Amiridis V., Boselli A., Delaval A., De Tomasi F., Frioud M., Grigorov I.V., Hågård A., Horvat M., Iarlori M., Komguem L., Kreipl S., Larcheveque G., Matthias V., Papayannis A., Pappalardo G., Rocadenbosch F., António Rodrigues J., Schneider J., Shcherbakov V., Wiegner M. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 2. Aerosol backscatter algorithms // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 4. P. 977–989.
15. Обухов А.М. О статистически ортогональных разложениях эмпирических функций // Изв. АН СССР. Геофиз. 1959. № 3. С. 432–439.
16. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент земной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 264 c.
17. Henk A. van der Vorst. Iterative Krylov methods for large linear systems. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 221 p.
18. Чайковский А.П., Иванов А.П., Балин Ю.С., Ельников А.В., Тулинов Г.Ф., Плюснин И.И., Букин О.А., Чен Б.Б. Лидарная сеть CIS-LiNet для мониторинга аэрозоля и озона: методология и аппаратура // Оптика атмосф. и океана. 2005. Т. 18, № 12. С. 1066–1072.
19. Adam M., Pahlow M., Kovalev V., Ondov J.M., Parlange M.B., Nair N. Aerosol optical characterization by nephelemeter and lidar: The Baltimore Supersite experiment during the Canadian forest fire smoke intrusion // J. Geophys. Res. D. 2004. V. 109, iss. 16. DOI: 10.1029/2003JD004047.
20. Zavyalov V.V., Marchant C.C., Bingham G.E., Wilkerson T.D., Hatfield J.L., Martin R.S., Silva P.J., Moore K.D., Swasey J., Ahlstrom D.J., Jones T.L. Aglite lidar: calibration and retrievals of well characterized aerosols from agricultural operations using a three-wavelength elastic lidar // J. Appl. Remote Sens. 2009. V. 3, iss. 1. P. 033522.
21. Murayama T., Sugimoto N., Uno I., Kinoshita K., Aoki K., Hagiwara N., Liu Z., Matsui I., Sakai T., Shibata T., Arao K., Sohn B.-J., Won J.-G., Yoon S.-C., Li T., Zhou J., Hu H., Abo M., Iokibe K., Koga R., Iwasaka Y. Ground-based network observation of Asian dust events of April 1998 in east Asia // J. Geophys. Res. D. 2001. V. 106, N 16. P. 18345–18359.
22. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Восстановление массовой концентрации пыли в промышленных выбросах из результатов оптического зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2011. T. 24, № 11. С. 960–968. Lysenko S.A., Kugeiko M.M. Retrieval of Optical and Microphysical Characteristics of Postvolcanic Stratospheric Aerosol from the Results of Three-Frequency Lidar Sensing // Atmos. Ocean. Opt. 2011. V. 24, N 5. P. 466–477.
23. Креков Г.М., Крекова М.М., Суханов А.Я. Оценка эффективности использования перспективных лидаров белого света для зондирования микрофизических параметров слоистой облачности: 2. Параметрическая модификация итерационного метода решения лидарного уравнения // Оптика атмосф. и океана. 2009. T. 22, № 8. С. 795–802.
24. Spuler S.M., Mayor S.D. Eye-safe aerosol lidar at 1.5 mic-rons: Progress toward a scanning lidar network // Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring VIII, San Diego, CA. Proc. SPIE. 2007. V. 6681. P. 668102 (11 p.). DOI: 10.1117/12.739519.
25. Xia H., Shentu G., Shangguan M., Xia X., Jia X., Wang C., Zhang J., Pelc J.S., Fejer M.M., Zhang Q., Dou X., Pan J.W. Long-range micro-pulse aerosol lidar at 1.5  μm with an upconversion single-photon detector // Opt. Lett. 2015. V. 40, N 7. P. 1579–1582.
26. Angstrom A. The parameters of atmospheric turbidity // Tellus. 1964. V. 16, N 1. P. 64–75.
27. World Meteorological Organization. World Climate Research Programme: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. Switzerland, Geneva. Report WCP-112, WMO/TD-24. 1986. 60 p.
28. Bohren G.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley & Sons, 1983. 544 p.
29. Кугейко М.М., Лысенко С.А. Методические аспекты восстановления оптических характеристик атмосферы из результатов лазерно-локационных измерений // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 5. С. 435–440.