Том 35, номер 05, статья № 12

Аннотация:

С помощью численного моделирования оценено влияние столкновительного уширения линий на точность измерения температуры тропосферы (0–11 км) чисто вращательными Рамановскими (ЧВР) лидарами при их абсолютной калибровке по спектроскопическим параметрам. Моделирование проводилось для пяти наборов спектральных фильтров (СФ) с разными полосами пропускания в блоке спектральной селекции лидара и длины волны источника лазерного излучения 355 нм. Показано, что при игнорировании уширения ЧВР-линий молекул N₂ и O₂ неустранимая ошибка абсолютной калибровки может достигать значений от 0,14 до 0,44 К в зависимости от набора СФ. При выделении только по одной ЧВР-линии в двух лидарных каналах (например, с помощью интерферометра Фабри–Перо) уширением линий можно пренебречь.

Ключевые слова:

комбинационное рассеяние, лидар, уширение спектральных линий, калибровка лидара, температура тропосферы

Список литературы:

1. Behrendt A. Temperature Measurements with Lidar // LIDAR: Range-resolved optical remote sensing of the atmosphere. New York: Springer, 2005. P. 273–306.
2. Penney C.M., Peters R.L.St., Lapp M. Absolute rotational Raman cross sections for N₂, O₂, and CO₂ // J. Opt. Soc. Amer. 1974. V. 64, N 5. P. 712–716.
3. Cooney J.A. Measurement of atmospheric temperature profiles by Raman backscatter // J. Appl. Meteorol. 1972. V. 11, N 1. P. 108–112.
4. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E., Mitev V.M. Atmospheric temperature measurements using a pure rotational Raman lidar // Appl. Opt. 1983. V. 22, N 19. P. 2984–2990.
5. Liu F., Wang R, Yi F., Huang W., Ban C., Pan W., Wang Z., Hu H. Pure rotational Raman lidar for full-day troposphere temperature measurement at Zhongshan Station (69.37°S, 76.37°E), Antarctica // Opt. Express. 2021. V. 29, N 7. P. 10059–10076.
6. Behrendt A., Reichardt J. Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator // Appl. Opt. 2000. V. 39, N 9. P. 1372–1378.
7. Di Girolamo P., Marchese R., Whiteman D.N., Demoz B.B. Rotational Raman Lidar measurements of atmospheric temperature in the UV // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31, N 1. P. L01106.
8. Radlach M., Behrendt A., Wulfmeyer V. Scanning rotational Raman lidar at 355 nm for the measurement of tropospheric temperature fields // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8, N 2. P. 159–169.
9. Hammann E., Behrendt A., Le Mounier F., Wulfmeyer V. Temperature profiling of the atmospheric boundary layer with rotational Raman lidar during the HD(CP)² Observational Prototype Experiment // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15, N 5. P. 2867–2881.
10. Kim D., Cha H., Lee J., Bobronikov S. Pure rotational Raman lidar for atmospheric temperature measurements // J. Korean Phys. Soc. 2001. V. 39, N 5. P. 838–841.
11. Chen S., Qiu Z., Zhang Y., Chen H., Wang Y. A pure rotational Raman lidar using double-grating monochromator for temperature profile detection // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112, N 2. P. 304–309.
12. Jia J., Yi F. Atmospheric temperature measurements at altitudes of 5–30 km with a double-grating-based pure rotational Raman lidar // Appl. Opt. 2014. V. 53, N 24. P. 5330–5343.
13. Zuev V.V., Gerasimov V.V., Pravdin V.L., Pavlinskiy A.V., Nakhtigalova D.P. Tropospheric temperature measurements with the pure rotational Raman lidar technique using nonlinear calibration functions // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10, N 1. P. 315–332.
14. Ansmann A., Arshinov Y., Bobrovnikov S.M., Mattis I., Serikov I.B., Wandinger U. Double-grating monochromator for a pure rotational Raman lidar // Proc. SPIE. 1999. V. 3583. P. 491–497.
15. Бобровников С.М., Надеев А.И. Сравнение методов обработки сигнала при дистанционном измерении температуры по чисто вращательным спектрам комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 7. С. 580–584; Bobrovnikov S.M., Nadeev A.I. Comparison of signal processing methods in remote temperature measurements by pure rotational Raman spectra // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 6. P. 523–527.
16. Vaughan G., Wareing D.P., Pepler S.J., Thomas L., Mitev V. Atmospheric temperature measurements made by rotational Raman scattering // Appl. Opt. 1993. V. 32, N 15. P. 2758–2764.
17. Nedelikovich D., Hauchecorne A., Chanin M.L. Rotational Raman lidar to measure temperature from the ground to 30 km // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1993. V. 31, N 1. P. 90–101.
18. Gerasimov V.V., Zuev V.V. Analytical calibration functions for the pure rotational Raman lidar technique // Opt. Express. 2016. V. 24, N 5. P. 5136–5151.
19. Gerasimov V.V. Comparative analysis of calibration functions in the pure rotational Raman lidar technique // Appl. Phys. B. 2018. V. 124, N 7. P. 134.
20. Герасимов В.В. Влияние столкновительного уширения линий на точность измерения температуры тропосферы с помощью чисто вращательных Рамановских лидаров // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 1. С. 14–24; Gerasimov V.V. The effect of collisional line broadening on the accuracy of tropospheric temperature measurements using pure rotational Raman lidars // Optika Atmosfery i Okeana. 2020. V. 33, N 1. P. 14–24.
21. Gerasimov V.V. A simulation comparison of calibration functions for different sets of spectral filter passbands in the traditional pure rotational Raman lidar technique // Appl. Phys. B. 2020. V. 126, N 11. P. 184.
22. Li Y.J., Song S.L., Li F.Q., Cheng X.W., Chen Z.W., Liu L.M., Yang Y., Gong S.S. High-precision measurements of lower atmospheric temperature based on pure rotational Raman lidar // Chinese J. Geophys. 2015. V. 58, N 4. P. 313–324.
23. Wu D., Wang Z., Wechsler P., Mahon N., Deng M., Glover B., Burkhart M., Kuestner W., Heesen B. Airborne compact rotational Raman lidar for temperature measurement // Opt. Express. 2016. V. 24, N 18. P. A1210–A1223.
24. Li Y.J., Lin X., Song S.L., Yang Y., Cheng X.W., Chen Z.W., Liu L.M., Xia Y., Xiong J., Gong S.S., Li F.Q. A Combined rotational Raman–Rayleigh lidar for atmospheric temperature measurements over 5–80 km with self-calibration // IEEE Trans. Geosci. Remote. Sens. 2016. V. 54, N 12. P. 7055–7065.
25. Li Y.J., Lin X., Yang Y., Xia Y., Xiong J., Song S.L., Liu L.M., Chen Z.W., Cheng X.W., Li F.Q. Temperature characteristics at altitudes of 5–80 km with a self-calibrated Rayleigh–rotational Raman lidar: A summer case study // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 188. P. 94–102.
26. Behrendt A., Nakamura T., Tsuda T. Combined temperature lidar for measurements in the troposphere, stratosphere, and mesosphere // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 14. P. 2930–2939.
27. He J., Chen S., Zhang Y., Guo P., Chen H. A novel calibration method for pure rotational Raman lidar temperature profiling // J. Geophys. Res.: Atmos. 2018. V. 123, N 19. P. 10925–10934.
28. Su J., McCormick M.P., Wu Y.H., Lee III R.B., Lei L.Q., Liu Z.Y., Leavor K.R. Cloud temperature measurement using rotational Raman lidar // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 125. P. 45–50.
29. Weng M., Yi F., Liu F., Zhang Y., Pan X. Single-line-extracted pure rotational Raman lidar to measure atmospheric temperature and aerosol profiles // Opt. Express. 2018. V. 26, N 21. P. 27555–27571.
30. Arshinov Yu., Bobrovnikov S. Use of a Fabry–Perot interferometer to isolate pure rotational Raman spectra of diatomic molecules // Appl. Opt. 1999. V. 38, N 21. P. 4635–4638.
31. Arshinov Yu., Bobrovnikov S., Serikov I., Ansmann A., Wandinger U., Althausen D., Mattis I., Müller D. Daytime operation of a pure rotational Raman lidar by use of a Fabry–Perot interferometer // Appl. Opt. 2005. V. 44, N 17. P. 3593–3603.
32. URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf (last access: 25.02.2022).