Том 35, номер 07, статья № 2

Аннотация:

Рассмотрены методические вопросы лидарных измерений вертикального распределения температуры атмосферы до высот 90 км. Метод основан на лидарных измерениях вертикального профиля молекулярной плотности атмосферы с использованием эффекта рэлеевского рассеяния. Обсуждаются результаты, полученные на модернизированном канале рэлеевского рассеяния лидара на базе главного зеркала Сибирской лидарной станции (СЛС) диаметром 2,2 м. Одна из проблем проведения измерений с использованием телескопов большого диаметра – гигантский динамический диапазон лидарных откликов, работа с которым требует особого внимания как к методике, так и к технике проведения экспериментов. В рамках решения этой проблемы предложена улучшенная методика восстановления температуры из лидарных сигналов обратного молекулярного рассеяния. Численные эксперименты подтвердили, что точность восстановления профиля температуры зависит от выбора положения точки калибровки и погрешности задания температуры в ней. Методика восстановления профиля температуры, когда точка калибровки выбрана в верхней части трассы зондирования, имеет достаточную устойчивость даже в условиях гигантского динамического диапазона лидарных откликов СЛС. При сравнении результатов восстановления температуры из реальных лидарных откликов с данными спутниковых измерений обнаружены существенные расхождения, связанные с искажающим влиянием аппаратурных и атмосферных факторов на форму лидарного сигнала. Применение корректирующей процедуры на основе калибровки лидара позволяет существенно снизить погрешности измерений.

Ключевые слова:

лидар, атмосфера, температура, молекулярное рассеяние

Список литературы:

1. Лазерный контроль атмосферы / под ред. Э.Д. Хинкли. М.: Мир, 1979. 416 с.
2. Weitkamp C. Lidar, Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. 456 p.
3. Von Zahn U., von Cossart G., Fiedler J., Fricke K.H., Nelke G., Baumgarten G., Rees D., Hauchecorne A., Adolfsen K. The ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman lidar: Objectives, configuration, and performance // Ann. Geophys. 2000. V. 18, N 7. P. 815–833. DOI: 10.1007/s00585-000-0815-2.
4. Зуев В.В., Ельников А.В., Бурлаков В.Д. Лазерное зондирование средней атмосферы. Томск: РАСКО, 2002. 352 с.
5. Philbrick C.R., Schmidlin F.J., Grossmann K.U., Lange G., Offermann D., Baker K.D., Krankowsky D., von Zahn U. Density and temperature structure over northern Europe // J. Atmos. Terr. Phys. 1985. V. 47, N 1–3. P. 159–172. DOI: 10.1016/0021-9169(85)90131-X.
6. Bobrovnikov S.M., Zharkov V.I., Nadeev A.I., Trifonov D.A. Analysis of the efficiency of methods for retrieval of vertical profile of atmospheric temperature from molecular scattering at the main lidar of the Siberian lidar station // Proc. SPIE. 2021. V. 12086. P. 1208612-1–7. DOI: 10.1117/12.2616676.
7. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: Some comments // Appl. Opt. 1984. V. 23, N 5. P. 652–653.
8. Zhenzhu Wang, Dong Liu, Chenbo Xie, Jun Zhou An iterative algorithm to estimate LIDAR ratio for thin cirrus cloud over aerosol layer // J. Opt. Soc. Korea. 2011. V. 15, N 3. P. 209–215. DOI: 10.3807/JOSK.2011.15.3.209.
9. McCartney E.J. Optics of the atmosphere: Scattering by molecules and particles. New York: John Wiley & Sons, 1976. 408 p.
10. Corless R.M., Gonnet G.H., Hare D.E.G., Jeffrey D.J., Knuth D.E. On the Lambert W function // Adv. Comput. Math. 1996. V. 5, N 1. P. 329–359.
11. Laser Monitoring of the atmosphere / E.D. Hinkley (ed.). Berlin: Springer, 1976. 312 p.
12. Edlén B. The refractive index of air // Metrologia. 1966. V. 2, N 2. P. 71–80.
13. Hauchecorne A., Chanin M.L. Density and temperature profiles obtained by lidar between 35 and 75 km // Geophys. Res. Lett. 1980. V. 7, N 5. P. 565–568. DOI: 10.1029/GL007i008p00565.
14. Документация Matlab // ЦИТМ Экспонента. М., 2021. URL: http://www.docs.exponenta.ru (дата обращения: 20.04.2021).
15. Marlton G., Charlton-Perez A., Harrison G., Polichtchouk I., Hauchecorne A., Kekchut P., Wing R., Leblanc Th., Steinbrecht W. Using a network of temperature lidars to identify temperature biases in the upper stratosphere in ECMWF reanalyses // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21. P. 6079–6092.
16. Зуев В.В., Маричев В.Н., Бондаренко С.Л. Исследование точностных характеристик восстановления профилей температуры по лидарным сигналам молекулярного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 1996. Т. 9, № 12. С. 1615–1619.
17. Зуев В.В., Маричев В.Н., Бондаренко С.Л., Долгий С.И., Шарабарин Е.В. Лидарные измерения температуры по рэлеевскому рассеянию света в нижней стратосфере за период май–декабрь 1995 г. // Оптика атмосф. и океана. 1996. Т. 9, № 10. С. 1386–1393.
18. Schoeberl M.R., Douglass A.R., Hilsenrath E., Bhartia P.K., Beer R., Waters J.W., Gunson M.R., Froidevaux L., Gille J.C., Barnett J.J., Levelt P.F., DeCola P. Overview of the EOS Aura mission. // IEEE Transac. Geosci. Remote Sens. 2006. V. 44, N 5. P. 1066–1074. DOI: 10.1109/TGRS.2005.861950.
19. Bobrovnikov S.M., Gorlov E.V., Zharkov V.I., Zaytsev N.G., Nadeev A.I., Trifonov D.A., Gridnev Y.V. Measurement of atmospheric temperature in the range of 40–90 km at the Siberian lidar station using molecular scattering signal // Proc. SPIE. 2021. V. 11916. P. 119162I-1–5. DOI: 10.1117/12.2602070.
20. Zaitsev N.G., Nadeev A.I., Trifonov D.A. Optimization of the molecular scattering signal registration system at the Siberian lidar station for the photon counting mode // Proc. SPIE. 2021. V. 11916. P. 11916N-1–7. DOI: 10.1117/12.2606359.
21. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Трифонов Д.А. Методика юстировки и оценка размера кружка рассеяния главного зеркала Сибирской лидарной станции // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 7. С. 559–564. DOI: 10.15372/AOO20200709; Bobrovnikov S.M., Gorlov E.V., Zharkov V.I., Trifonov D.A. Alignment technique and quality check of the primary mirror of the Siberian lidar station // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 6. P. 696–701. DOI: 10.1134/S1024856020060081.
22. Коршунов В.А., Зубачев Д.С. Увеличение обратного аэрозольного рассеяния в нижней мезосфере в 2019–2021 гг. и его влияние на измерения температуры рэлеевским методом // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 1. С. 32–36. DOI: 10.15372/AOO20220105.