Том 29, номер 05, статья № 7

Аннотация:

Предложен метод решения обратной задачи многочастотного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, позволяющий восстанавливать пространственные распределения объемных концентраций аэрозольных компонентов, интегральное по трассе зондирования распределение аэрозольных частиц по размерам и комплексный показатель преломления частиц без каких-либо дополнительных данных для калибровки лидара и доопределения обратной задачи. Метод основан на предположении, что средние размеры, дисперсии размеров и комплексные показатели преломления частиц каждой аэрозольной компоненты не меняются вдоль трассы зондирования, а количество спектральных каналов лидара больше количества аэрозольных компонентов. В этом случае система уравнений для спектрально-пространственных отсчетов лидарного сигнала оказывается переопределенной, и ее численное решение позволяет определять не только микрофизические параметры аэрозоля, но и калибровочные константы лидара на его рабочих длинах волн. Приведены примеры обработки лидарных сигналов упругого и комбинационного рассеяния модельной аэродисперсной среды на длинах волн λ₀ = 0,355; 0,532; 1,064 мкм и λ_R = 0,387; 0,607 мкм соответственно. Показано, что микрофизические параметры мелкодисперсной компоненты аэрозоля (размерами до 1–2 мкм) восстанавливаются из сигналов с погрешностями < 10%, а погрешности определения микрофизических параметров грубодисперсных частиц существенно зависят от величины их вклада в оптическое пропускание среды. Коэффициенты аэрозольного ослабления и обратного рассеяния, рассчитываемые по восстановленным микрофизическим параметрам аэрозоля, отличаются от их фактических значений на единицы процентов.

Ключевые слова:

аэрозоль, оптические параметры, микрофизические параметры, многочастотное зондирование, обратная задача, бескалибровочный метод

Список литературы:

1. Логинов В.Ф. Глобальные и региональные изменения климата: Причины и следствия. Минск: ТетраСистемс, 2008. 496 с.
2. Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С., Крапивин В.Ф. Свойства, процессы образования и последствия воздействий атмосферного аэрозоля: от нано- до глобальных масштабов. СПб.: ВВМ, 2007. 807 c.
3. Гинзбург А.С., Губанова Д.П., Минашкин В.М. Влияние естественных и антропогенных аэрозолей на глобальный и региональный климат // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2008. T. LII, № 5. С. 112–119.
4. 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.
5. Pappalardo G., Amodeo A., Apituley A., Comeron A., Freudenthaler V., Linné H., Ansmann A., Bösenberg J., D’Amico G., Mattis I., Mona L., Wandinger U., Amiridis V., Alados-Arboledas L., Nicolae D., Wiegner M. EARLINET: Towards an advanced sustainable European aerosol lidar network // Atmos. Meas. Technol. 2014. V. 7, N 8. P. 2389–2409.
6 Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanre D., Buis J.P., Setzer A., Vermote E., Reagan J.A., Kaufman Y.J., Nakajima T., Lavenu F., Jankowiak I., Smirnov A. AERONET – A federate instrument network and data archive for aerosol characterization // Remote Sens. Environ. 1988. V. 66, N 1. P. 1–16.
7. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.
8. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 184 c.
9. Kovalev V.A., Eichinger W.E. Elastic Lidar: Theory, Practice, and Analysis Methods. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2004. 615 p.
10. Ершов А.Д., Балин Ю.С., Самойлова С.В. Обращение лидарных данных при исследовании оптических характеристик слабозамутненной атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2002. Т. 15, № 10. С. 894–899.
11. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э. Исследование вертикального распределения тропосферных аэрозольных слоев по данным многочастотного лидарного зондирования. Часть 1. Методы восстановления оптических параметров // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 4. С. 344–357; Samoilova S.V., Balin Yu.S., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Investigations of the vertical distribution of troposphere aerosol layers based on the data of multifrequency raman lidar sensing. Part 1. Methods of Optical parameter retrieval // Atmos. Ocean. Opt. 2009. V. 22, N 3. P. 302–315.
12. 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.
13. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Восстановление оптических и микрофизических характеристик поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов трехчастотного лидарного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 4. С. 308–318; 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.
14. Böckmann C., Wandinger U., Ansmann A., Bösenberg J., Amiridis V., Boselli A., Delaval A., De To-masi F., Frioud M., Grigorov I.V., Hågård A., Hor-vat 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. 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. 455–465.
16 Лысенко С.А., Кугейко М.М., Хомич В.В. Многочастотное лидарное зондирование загрязненности атмосферы твердыми частицами с разделением на респирабельные фракции // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 70–79.
17. Müller D., Böckmann C., Kolgotin A., Schneidenbach L., Chemyakin E., Rosemann J., Znak P., Romanov A. Microphysical particle properties derived from inversion algorithms developed in the framework of EARLINET // Atmos. Meas. Technol. Discuss. 2014. V. 8, N 12. P. 12823–12885.
18. Chaikovsky A., Ivanov A., Balin Yu., Elnikov A., Tu-linov G., Plusnin J., Bukin O., Chen B. Lidar network CIS-LiNet for monitoring aerosol and ozone in CIS regions // Proc. SPIE. 2006. V. 6160. P. 616035 (9 p.).
19. Raut J.-C., Chazette P. Retrieval of aerosol complex refractive index from a synergy between lidar, sunphotometer and in situ measurements during LISAIR experiment // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7, N 11. P. 2797–2815.
20. Chaikovsky A., Dubovik O., Holben B., Bril A., Goloub P., Tanré D., Pappalardo G., Wandinger U., Chaikovskaya L., Denisov S., Grudo Y., Lopatin A., Karol Y., Lapyonok T., Amiridis V., Ansmann A., Apituley A., Allados-Arboledas L., Binietoglou I., Boselli A., D’Amico G., Freudenthaler V., Giles D., Granados-Muñoz M.J., Kokkalis P., Nicolae D., Oshchepkov S., Papayannis A., Perrone M.R., Pietruczuk A., Rocadenbosch F., Sicard M., Slutsker I., Talianu C., De Tomasi F., Tsekeri A., Wagner J., Wang X. Lidar-Radiometer Inversion Code (LIRIC) for the retrieval of vertical aerosol properties from combined lidar/radiometer data: development and distribution in EARLINET // Atmos. Meas. Technol. Discuss. 2015. V. 8, N 12. P. 12759–12822.
21. Binietoglou I., Basart S., Alados-Arboledas L., Amiridis V., Argyrouli A., Baars H., Baldasano J.M., Balis D., Belegante L., Bravo-Aranda J.A., Burlizzi P., Carrasco V., Chaikovsky A., Comerón A., D’Amico G., Filioglou M., Granados-Muñoz M.J., Guerrero-Rascado J.L., Ilic L., Kokkalis P., Maurizi A., Mona L., Monti F., Muñoz-Porcar C., Nicolae D., Papayannis A., Pappalardo G., Pejanovic G., Pereira S.N., Perrone M.R., Pietruczuk A., Posyniak M., Rocadenbosch F., Rodríguez-Gómez A., Sicard M., Siomos N., Szkop A., Terradellas E., Tsekeri A., Vukovic A., Wandinger U., Wagner J. A methodology for investigating dust model performance using synergistic EARLINET/AERONET dust concentration retrievals // Atmos. Meas. Technol. 2015. V. 8, N 9. P. 3577–3600.
22. Ansmann A., Wandinger U., Riebesell M., Weitkamp C., Michaelis W. Independent measurement of extinction and backscatter profiles in cirrus clouds by using a combined Raman elastic-backscatter lidar // Appl. Opt. 1992. V. 31, N 33. P. 7113–7131.
23. Kneizys F.X., Abreu L.W., Anderson G.P., Chetwynd J.H., Shettle E.P., Berk A., Bernstein L.S., Robertson D.C., Acharya P., Rothman L.S., Selby J.E.A., Gallery W.O., Clough S.A. The MODTRAN 2/3 report and LOWTRAN 7 model. North Andover: Ontar Corporation, 1996. 261 p.
24. Bohren G.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: John Wiley & Sons, 1983. 544 p.
25. Omar A.H., Winker D., Won J. Aerosol models for the CALIPSO lidar inversion algorithms // Proc. SPIE. 2003. V. 5240. P. 153–164.
26. Jun L., Daren L. Nonlinear retrieval of atmospheric ozone profile from solar backscatter ultraviolet measurements: Theory and simulation // Adv. Atmos. Sci. 1997. V. 14, N 4. P. 473–480.
27. Goddard Space Flight Center, AERONET. URL: http://aeronet.gsfc.nasa.gov
28. 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.
29. Perrone M.R., Burlizzi P., De Tomasi F., Chaikovsky A. Profiling of fine- and coarse-mode particles with LIRIC (LIdar/Radiometer Inversion Code) // Atmos. Meas. Technol. Discuss. 2014. V. 7, N 8. P. 8881–8926.
30. Jung J., Lee H., Kim Y.J., Liu X., Zhang Y., Hu M., Sugimoto N. Optical properties of atmospheric aerosols obtained by in situ and remote measurements during 2006 Campaign of Air Quality Research in Beijing (CAREBeijing-2006) // J. Geophys. Res. D. 2009. V. 114, N 2. D00G02 (18 p.).
31. Lopatin A., Dubovik O., Chaikovsky A., Goloub P., Lapyonok T., Tanre D., Litvinov P. Enhancement of aerosol characterization using synergy of lidar and sun-photometer coincident observations: the GARRLiC algorithm // Atmos. Meas. Technol. 2013. V. 6, N 8. P. 2065–2088.
32. Binietoglou I., Chaikovsky A., D’Amico G., Papagiannopoulos N., Pappalardo G. A methodology for the retrieval of aerosol volume concentration profiles through the synergy of lidar and photometer // ACCENT-Plus Symposium, Urbino, 17–20 September 2013. URL: http: // www.accent-network.org / accent_documents / ext_ abs_2013/binietoglou.pdf.
33. Fenner W.R., Hyatt H.A., Kellam J.M., Porto S.P.S. Raman cross-section of some simple gases // J. Opt. Soc. Amer. 1973. V. 63, N 1. P. 73–77.
34. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Определение концентрации аэрозольных частиц в вертикальном столбе атмосферы по спутниковым измерениям спектральной оптической толщины // Ж. прикл. спектроскопии. 2011. Т. 78, № 5. С. 793–800.
35. 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 the mass concentration of dust in industrial emissions from optical sensing data // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 1. P. 35–43.
36. Mishchenko M.I., Cairns B., Hansen J.E., Travis L.D., Burg R., Kaufman Y.J., Martins J.V., Shettle E.P. Monitoring of aerosol forcing of climate from space: Analysis of measurement requirements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 88, N 1–3. P. 149–161.