Том 18, номер 05-06, статья № 17

Аннотация:

В рамках численного эксперимента, выполненного методом Монте-Карло, исследована эффективность колебательно-вращательной рамановской спектроскопии (КВРС) при лазерном зондировании температуры и влажности в реальной атмосфере. В реальной многокомпонентной атмосфере основным источником активных помех, ограничивающим потенциальные возможности лидара, становится фон многократного рассеяния лазерного сигнала на аэрозольных и облачных частицах. В условиях сплошной облачности нижнего и среднего ярусов Раман-лидар не применим. Актуальным представляется оценить границы применимости рамановского зондирования в присутствии аэрозольных инверсий и невидимых глазом перистых облаков верхнего яруса.
Выполнены и приведены оценки возможного смещения вертикальных профилей температуры, влажности и отношения смеси паров H₂O за счет помехи многократного рассеяния в канале регистрации для схемы наземного и орбитального зондирования. Граничные условия задачи соответствовали прототипам наиболее эффективно действующих лидаров Европейской лидарной сети, использующих сигналы чисто вращательно-го и колебательно-вращательного рамановского рассеяния, индуцируемого излучением импульсного Nd:YAG-лазера на длине волны 532,25 нм. Оценки подтверждают перспективность применения методов КВРС для зондирования температуры в условиях слабой облачности в интервале высот 2 - 20 км, в то же время ошибки восстановления профилей водяного пара достигают 10 - 15%.

Список литературы:

1. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 185 с.
2. Поздняков Д.В., Лясковский А.В., Грассл Х., Петтерсон Л. Численное моделирование трансспектральных процессов (ТП) взаимодействия света с водной средой // Исслед. Земли из космоса. 2000. № 5. С. 3-15.
3. Sathyendranath S., Platt T. Ocean-color model incorporating transspectral processes // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 2216-2227.
4. Креков Г.М., Крекова М.М. Статистическое моделирование трансспектральных процессов при лазерном зондировании окружающей среды: I. Рамановское рассеяние // Оптика атмосф. и океана. 2004. Т. 17. № 10. С. 845-853.
5. Whiteman D.N. Examination of traditional Raman lidar technique // Appl. Opt. 2003. V. 42. P. 2571-2608.
6. Pappalardo G., Amodea A., Pandolf M., Wandinger U., Ansmann A., Bosenberg J., Mattias V., Amiridis V. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 3. Raman lidar algorithm for aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 5370-5385.
7. Зуев В.В., Ельников А,В, Бурлаков В.Д. Лазерное зондирование средней атмосферы. Томск: МГК "РАСКО", 2002. 352 с.
8. Melfi S.H., Whiteman D.N., Ferrare R.A. Observation of atmospheric fronts using Raman moisture measurements // J. Appl. Meteorol. 1989. V. 28. P. 789-806.
9. Ferrare R.A., Melfi S.H., Whiteman D.N., Evans K.D. Raman lidar measurements of Pinatubo aerosols over southeastern Kansas during November - December 1991 // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19. P. 1599-1602.
10. Меркурьев С.В., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Лидар комбинационного рассеяния для зондирования молекул серосодержащих углеводородов в атмосфере // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. С. 45-49.
11. Muller D., Wandinger U., Ansmann A. Microphysical particle parameters from extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization: simulation // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 2358-2368.
12. Ansmann A, Riebessel M., Weitkamp C., Voss E., Lachmann W., Michaelis W. Combined Raman elastic-backscatter lidar for vertical profiling of moisture, aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio // Appl. Opt. 1992. V. 55. P. 18-28.
13. Platt C.M.R., Austin R.T., Young S.A., Heumsfild A.J. LIRAD Observations of tropical Cirrus clouds in MCTEX, Part I-I // J. Atmos. Sci. 2002. V. 59. P. 3145-3173.
14. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on weather and climate processes: A global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114. P. 1167-1195.
15. Лазерное зондирование из космоса / Под ред. В.М. Захарова. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 150 с.
16. Heymsfield A.J., Platt C.M.R. A parametrization of the particle size spectrum of ice clouds in terms of the ambient temperature and the ice water content // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. P. 846-855.
17. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. М.: Мир, 1979. 416 с.
18. Зуев В.Е., Зуев В.В. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1992. 232 с.
19. Vangham G., Wareing D.P., Pepler S.J., Thomas L., Mitev V. Atmospheric temperature measurements by rotational Raman scattering // Appl. Opt. 1993. V. 32. P. 2758-2764.
20. Behrendt A., Reichardt J. Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of interference-filter-based polychromator // Appl. Opt. 2000. V. 39. P. 1372-1378.
21. Matiss I., Ansmann A., Althansen D., Jaenisch V., Wandinger U., Muller D., Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Serikov I.B. Relative-humidity profiling in the troposphere with a Raman lidar // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 6451-6462.
22. Креков Г.М., Наац И.Э., Скоринов В.Н. К определению температурного профиля при лазерном зондировании атмосферы // Вопросы лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1976. С. 69-73.
23. Зуев В.Е., Креков Г.М. Наац И.Э., Скоринов В.Н. Разделение молекулярной и аэрозольной компонент рассеяния при лазерном зонировании атмосферы // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1975. Т. 11. С. 1326-1330.
24. Захаров В.М., Костко О.К. Метеорологическая лазерная локация. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 222 с.
25. Аршинов Ю.Ф., Даничкин С.А. Вращательные спектры СКР азота и кислорода и измерение температуры воздуха // Распространение оптических волн в атмосфере. Новосибирск: Наука, 1975. С. 169-173.
26. Arshinov Ju.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E., Mitev V.M. Atmospheric temperature measurements using a pure rotational Raman lidar // Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 2984-2990.
27. Cooney J. Measurements of atmospheric temperature profiles by Raman backscatter // J. Appl. Meteorol. 1972. V. 11. P. 108-112.
28. Келих С. Молекулярная нелинейная оптика. М.: Наука, 1981. 672 с.
29. Шреттер Х., Клекнер Х. Сечения комбинационного рассеяния света в газах и жидкостях. М.: Мир, 1983. С. 154-202.
30. Булдаков М.А., Матросов И.И., Черепанов В.Н. О точности определения вращательной температуры газа по спектрам комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16. С. 113-117.
31. Матвеев Л.Г. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 639 с.
32. Couch R.H., Rowland C.W., Ellis K.S., Blythe M.P., Reagan C.P., Koch M.R. Lidar in-spase technology experiment (LITE): NASA's first in-space lidar system for atmospheric research // Opt. Eng. 1991. V. 30. P. 88-98.
33. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптические модели атмосферного аэрозоля. Томск: Изд-во Томского филиала СО АН СССР, 1986. 294 с.
34. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 264 с.
35. Креков Г.М., Крекова М.М., Ромашов Д.Н., Шаманаев В.С. Поляризационная структура фона многократного рассеяния сигнала, отраженного облачными ледяными кристаллами // Изв. вузов. Физ. 2001. Т. 44. № 11. С. 56-66.
36. Monte Carlo methods in atmospheric Optics / Ed. by G.I. Marchuk. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1980. 206 p.
37. Wandinger U. Multiple-scattering influence on extinction and backscatter-coefficient measurements with Raman and high-spectral-resolution lidars // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 417-427.
38. Wengenmayer M., Cheng A.Y.S., Volger P., Oppel U.G. Raman lidar multiple scattering // Proc. SPIE. 2003. V. 5059. P. 200-211.
39. Reichardt J. Error analysis of Raman differential absorbtion lidar ozone measurements in ice clouds // Appl. Opt. 2000. V. 39. P. 6058-6071.
40. Bruscaglioni P., Gai M., Ismaelli A. Molecular lidar and Mie multiple scattering // Proc. of MUSCLE 10. Florence, Italy, 19-22 April. 1999.
P. 206-212.
41. Deirmendjan D. Electromagnetic scattering of spherical polidispersions. N Y.: American Elsevier Publ. Co, 1969. 166 p.
42. Matvienco G.G., Krekov G.M., Krekova M.M. Taking account of multiple scattering of spaceborne lidar sensing of aerosol anomalies in the troposphere // Proc. of MUSCLE 10. Florence, Italy, 19-22 April. 1999. P. 157-164.
43. Вissonette L.R., Bruscaglioni P., Ismaelli A., Zaccanti G., Cohen A., Banayahy J., Kleiman M., Egert S., Flesia C., Starkov A.V. LIDAR multiple scattering from clouds // J. Appl. Phys. B. 1995. V. 60. P. 355-362.
44. Ansmann A., Arshinov Yu., Bobrovnikov S., Mattis I., Serikov I., Wandinger U. Double grating monochromator for a pure rotational Raman-lidar // Proc. SPIE. 1998. V. 3583. P. 491-497.
45. Melfi S.H., Lawrence J.D., McCormick M.P. Obserwation of Raman scattering by water vapor in the atmosphere // Appl. Phys. Lett. 1969. V. 15. P. 295-297.
46. Conney J.A. Comparisons of water vapors profiles obtained by radiosonde and laser backscatter // J. Appl. Meteorol. 1970. V. 9. P. 182-184.
47. Wulfmeyer V., Walter C. Future performance of ground-based and airborne water-vapor differential absorption lidar // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 5304-5336.
48. Sherlock V., Hauchecorne A., Lenoble J. Methodology for the independent calibration of Raman backscatter water-vapor lidar systems // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 5816-5837.
49. Lasarotto B., Frioud M., Larchevegne G., Mitev V., Quaqlia P., Simeonov V. Ozone and water-vapor measurements by Raman lidar in the planetary boundary layer: error sources and field measurements // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 2985-2997.
50. Marchese R., GirolomoP., Demoz B.B., Whiteman D. UV Raman lidar measurements of atmospheric temperature / relative humidity during IHOP: measurements in presence of clouds // Papers presented at the 22-th Intern. Laser Radar Conf. 12-16 Yuly, Matera, Italy. 2004. P. 455-458.