С помощью численного моделирования оценено влияние столкновительного уширения линий на точность восстановления профилей температуры тропосферы (0-11 км) из сигналов чисто вращательных Рамановских лидаров. Моделирование проводилось для трех наборов спектральных фильтров с разными полосами пропускания в приемной системе лидара. В качестве источника исходящего лидарного сигнала рассматривался узкополосный лазер с длиной волны 532 нм. В работе представлен сравнительный анализ ошибок восстановления температуры (ошибок калибровки) с использованием девяти калибровочных функций. Для каждого набора фильтров определена калибровочная функция, восстанавливающая температуру тропосферы с наименьшими ошибками.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
Одним из эффективных дистанционных методов измерения температуры атмосферы является лидарный метод, основанный на использовании температурной зависимости интенсивности линий чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) света молекулами атмосферы (преимущественно N2 и O2). Лидар, основанный на данном методе, в отечественной научной литературе известен под названием СКР- или КР-лидар, в зарубежной как чисто вращательный Рамановский (ЧВР) лидар (pure rotational Raman lidar). В описываемом методе температура Т определяется из обратнорассеянных атмосферой лазерных сигналов по отношению интенсивностей (Т) двух участков ЧВР-спектра молекул N2 и О2. Для выделения участков в антистоксовой и стоксовой ветвях ЧВР-спектра применяются полихроматоры на основе дифракционных решеток (ДР). Интерференционные фильтры (ИФ), волоконные решетки Брэгга и интерферометры Фабри-Перо используются для выделения участков или отдельных линий только в антистоксовой ветви. Поскольку в результате зондирования определяется отношение Q(Т), для получения температурного профиля T(Q) из сигналов ЧВР-лидара такое отношение необходимо калибровать.
Список литературы
1. Weitkamp C. Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere // Springer Ser. in Opt. Sci. 2005. V. 102. 456 p.
2. Бобровников С.М., Надев 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. EDN: MLHYAP
3. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Многоапертурная приемопередающая система лидара с узким полем зрения и минимальной мертвой зоной зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31. № 7. С. 551-558. EDN: XTCEPR
4. 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. EDN: XPGDOY
5. Achtert P., Khaplanov M., Khosrawi F., Gumbel J. Pure rotational-Raman channels of the Esrange lidar for temperature and particle extinction measurements in the troposphere and lower stratosphere // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6, N 1. P. 91-98.
6. Penney C.M., Peters R.L.St., Lapp M. Absolute rotational Raman cross sections for N2, O2, and CO2 // J. Opt. Soc. Am. 1974. V. 64, N 5. P. 712-716.
7. Cooney J.A. Measurement of atmospheric temperature profiles by Raman backscatter // J. Appl. Meteorol. 1972. V. 11, N 1. P. 108-112.
8. 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. EDN: LGOPDZ
9. Balin I., Serikov I., Bobrovnikov S., Simeonov V., Calpini B., Arshinov Y., van den Bergh H. Simultaneous measurement of atmospheric temperature, humidity, and aerosol extinction and backscatter coefficients by a combined vibrational-pure-rotational Raman lidar // Appl. Phys. B. 2004. V. 79, N 6. P. 775-782. EDN: LITISP
10. 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. EDN: XYRSAP
11. 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. EDN: LOSGIA
12. 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.
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. EDN: YVBDEL
14. 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. EDN: YYRNIN
15. 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. EDN: MLAYMZ
16. Newsom R.K., Turner D D., Goldsmith J.E.M. Long-term evaluation of temperature profiles measured by an operational Raman lidar // J. Atmos. Oceanic Technol. 2013. V. 30, N 8. P. 1616-1634. EDN: RNJDMF
17. 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. EDN: URQYJN
18. Mao J., Hu L., Hua D., Gao F., Wu M. Pure rotational Raman lidar with fiber Bragg grating for temperature profiling of the atmospheric boundary layer // Opt. Appl. 2008. V. 38, N 4. P. 715-726. EDN: MIZIAL
19. 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. EDN: LFSMOT
20. 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. EDN: LJLHIN
21. Hauchecorne A., Keckhut P., Mariscal J.-F., d’Almeida E., Dahoo P.-R., Porteneuve J. An innovative rotational Raman lidar to measure the temperature profile from the surface to 30 km altitude // EPJ Web Conf. 2016. V. 119. P. 06008. 10.1051/epjconf/ 201611906008. DOI: 10.1051/epjconf/201611906008 EDN: WVSOIB
22. 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. EDN: TCBOGS
23. 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. EDN: XMFFUM
24. Behrendt A., Nakamura T., Onishi M., Baumgart R., Tsuda T. Combined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature, water vapor, particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient // Appl. Opt. 2002. V. 41, N 36. P. 7657-7666. EDN: LXOIOJ
25. Hammann E., Behrendt A. Parametrization of optimum filter passbands for rotational Raman temperature measurements // Opt. Express. 2015. V. 23, N 24. P. 30767-30782. EDN: WVSDOL
26. Chen H., Chen S.Y., Zhang Y.C., Guo P., Chen H., Chen B.L. Robust calibration method for pure rotational Raman lidar temperature measurement // Opt. Express. 2015. V. 23, N 16. P. 21232-21242. EDN: NKRQJJ
27. Yan Q., Wang Y., Gao T., Gao F., Di H., Song Y., Hua D. Optimized retrieval method for atmospheric temperature profiling based on rotational Raman lidar // Appl. Opt. 2019. V. 58, N 19. P. 5170-5178. EDN: JJCRDO
28. 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.
29. Lee III R.B. Tropospheric temperature measurements using a rotational Raman lidar: Ph.D. dissertation. Hampton, Virginia: Hampton University, 2013. 112 p. URL: https://pqdtopen.proquest.com/doc/1437652821.html?FMT=ABS (last access: 23.08.2019).
30. 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. EDN: WWARWL
31. 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. EDN: VBDQCR
32. Межерис Р.М. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с; Measures R.M. Laser remote sensing, fundamentals and applications. Wiley, 1984. 510 p.
33. Кочанов В.П. Сравнение контуров спектральных линий в моделях сильных и слабых столкновений // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 2. С. 87-95. EDN: YXIFIT
34. URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf (last access: 23.08.2019).
35. Курс физической химии, Т. 2 / Я.И. Герасимов (ред.). М.: Химия, 1973. 624 с; Gerasimov Y.I. Course in Physical Chemistry. Khimiya, 1973. V. 2. 624 p. [in Russian].
36. Olivero J.J., Longbothum R.L. Empirical fits to the Voigt line width: A brief review // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1977. V. 17, N 2. P. 233-236.
37. 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. EDN: YDBHVR
38. 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. EDN: YWEETV
39. 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.
40. 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.
41. 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. EDN: XSBNZI
42. 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. EDN: RNBUVH
43. Бажулин П.А. Исследование вращательных и вращательно-колебательных спектров газов методом комбинационного рассеяния света // Успехи физ. наук. 1962. Т. 77, № 8. С. 639-648.
Выпуск
Другие статьи выпуска
Показано, что снег с ледовой поверхности озер, расположенных внутри верховых болот, пригоден для мониторинга стока «дальнего» аэрозоля на земную поверхность. По многолетним сведениям о концентрациях твердых и растворенных примесей в таких пробах снега с Барабинской и Васюганской равнин проведена оценка фона зимнего поступления аэрозольного вещества на юго-восток Западной Сибири. Обнаружено, что за счет дальнего переноса на 1 м2 поверхности здесь выпадает около 7 мг аэрозоля в сутки, в том числе в виде твердых частиц - 3,1 мг/м2 в сутки. Зимний сток атмосферных примесей не превышает 10% от годового стока, поэтому существенно не влияет на скорость осадконакопления. В составе твердых примесей стабильно преобладает зольная часть, средняя зольность - 65%. Минерализация талых снеговых вод с поверхности болотных озер близка к глобальному фону минерализации атмосферных осадков.
Выполнен анализ содержания и эволюции коричневого углерода в дымах сибирских лесных пожаров по данным измерений абсорбционной аэрозольной оптической толщи (ААОТ) на трех российских станциях сети AERONET в Томске, Звенигороде и Екатеринбурге. Получены оценки относительного вклада мелкодисперсного коричневого углерода в абсорбцию солнечного излучения на длине волны 440 нм (hBrC), в том числе для ситуации аномального дальнего переноса дымов из Сибири в европейскую часть России летом 2016 г. Значительное содержание коричневого углерода обнаружено в дымах в Томске и Зеленограде (где значения hBrC равны в среднем 15 и 18%). При этом значимых величин hBrC в период прохождения дымов от сибирских пожаров над Екатеринбургом не обнаружено. Выявлено убывание hBrC по мере старения аэрозоля в освещенных условиях с характерным временным масштабом ~ 30 ч. В то же время результаты измерений в Звенигороде свидетельствуют об увеличении абсорбирующих свойств органической составляющей компоненты дымового аэрозоля при гораздо более длительной эволюции.
Исследуются статистические связи между содержанием черного углерода (black carbon - ВС) в столбе атмосферы и альбедо ( А ) подстилающей поверхности, величины которых получены из данных реанализа MERRA-2 для четырех тестовых районов вблизи арктического побережья России в апреле 2010-2016 гг. В анализ включены также метеопараметры атмосферы: температура воздуха, количество жидких и твердых осадков. Статистический анализ проводился по среднесуточным значениям параметров. Повышение температуры воздуха везде сопровождается понижением альбедо поверхности - как в масштабах месяца, так и в ежедневных вариациях. Осадки в виде свежего снега повышают альбедо поверхности. В целом за 7 лет значимая отрицательная корреляция между ВС и А в апреле обнаружена в Ненецком автономном округе и на Гыданском п-ове. Выявлены отдельные годы (в общем случае различные для разных районов), когда коррелируют межсуточные вариации А и ВС в пределах месяца, также с отрицательными коэффициентами. Оценены возможная изменчивость альбедо за счет вариаций разных параметров и изменения его радиационного форсинга.
Исследованы зонально осредненные поля сезонной и долговременной изменчивости общего содержания озона (ОСО), включая приполярные области. Показано, что долговременная изменчивость всех указанных рядов (с пространственным разрешением 3° широты) сводится к параметрическому резонансу с наименьшей из частот приливных колебаний (период 18,6 года). После исключения этого эффекта тренды рядов для всех широтных поясов становятся исчезающе малыми (имеющими разные знаки) и статистически незначимыми. Полученные результаты несовместимы с антропогенной версией «истощения озонового слоя». Указано, что обнаруженное явление параметрического резонанса наблюдается и в литосфере применительно к глобальной тектонической активности.
В работе анализируются изменения продолжительности солнечного сияния (ПСС) в Томске за период 1961-2018 гг. и отдельно за 1961-1990 и 1981-2010 гг. с использованием информации об облачности. Установлено, что фактическое значение средней многолетней месячной ПСС колеблется от 44 ч в декабре до 317 ч в июне - июле. Анализ многолетнего хода ПСС показал, что с 1961 до 1989 г. наблюдался рост, а с 1999 г. - уменьшение ПСС, обусловленное ростом балла нижней облачности и высокой повторяемостью сплошной облачности. В настоящее время ПСС в Томске увеличилась относительно исторического периода 1961-1990 гг. Получены уравнения регрессии между ПСС и суммарной солнечной радиацией, измеренной на TOR-станции ИОА СО РАН в период 1996-2018 гг.
В настоящее время только один классический метод учета рефракции в периоды спокойных изображений позволяет в значительной степени компенсировать ее влияние на результаты геодезических измерений. Однако период спокойных изображений очень мал, и его временные границы крайне сложно оценить. Поэтому, несмотря на многолетние усилия, проблема учета рефракции в геодезических измерениях до сих пор не решена. Благодаря проведенным исследованиям турбулентного метода получена точность определения рефракции, соответствующая инструментальной точности используемого прибора, даже в условиях неустойчивой температурной стратификации атмосферы, когда наблюдаются значительные флуктуации угла прихода пучка лазерного излучения. Исследования выполнены группой компаний «Геодезия и Строительство» совместно с кафедрой геодезии МИИГАиК.
Показано способ измерения мощности структурной характеристики флуктуаций показателя преломления C n 2 на основе данных двухканального турбулентного аэрозольного лидара, работающего на эффекте усиления обратного рассеяния (УОР). Предлагается использовать приближение В. В. Воробьева, которая для случаев проявления турбулентности определяет зависимость C n 2 от отношения эхосигналов. Основанием для этого являются экспериментальные данные, из которых следует, что эффект УОР возникает в относительно небольшой области пространства вблизи рассеивающего объема. Приведены результаты зондирования для горизонтальных трасс.
Теоретически исследуется задача о генерации второй гармоники (ГВГ) в одноосном нелинейном кристалле. Основное внимание уделено оценкам влияния величины волновой расстройки на эффективность ГВГ. Представленные результаты показывают, что оптимальное значение волновой расстройки существенным образом зависит и от мощности, и от выбранного способа фокусировки лазерного излучения в нелинейный кристалл. Предложен достаточно быстро реализуемый алгоритм численного решения задачи оптимизации волновой расстройки. Продемонстрирована возможность использования указанного алгоритма для анализа высокоэффективной ГВГ, включая ситуации, когда КПД нелинейного преобразования достигает своего максимального значения.
С помощью перестраиваемого СО2-лазера измерены ненасыщенные коэффициенты поглощения в чистом СО2 и в бинарных газовых смесях CO2 с различными буферными газами (He, Ar, Kr, Xe, N2, O2, CO, N2O, 13C16O2) на центральных частотах линий R (8), R (22), R (34), P (8), P (22) и P (36) перехода 1000-0001 в температурном диапазоне 300-700 К. Описана методика и определены коэффициенты ударного самоуширения и ударного уширения буферными газами линий перехода молекул СО2. Показано, что эффективность взаимодействия CO2 с двух- и трехатомными газами определяется величиной электрического момента. При взаимодействии с инертными газами главную роль играет «массовый» фактор. Установлено, что температурные зависимости коэффициентов для чистого СО2 и всех буферных газов с высокой точностью могут быть аппроксимированы степенными функциями с двумя различными показателями.
Издательство
- Издательство
- СО РАН
- Регион
- Россия, Новосибирск
- Почтовый адрес
- 630090, Новосибирская обл, г Новосибирск, Советский р-н, пр-кт Академика Лаврентьева, д 17
- Юр. адрес
- 630090, Новосибирская обл, г Новосибирск, Советский р-н, пр-кт Академика Лаврентьева, д 17
- ФИО
- Пармон Валентин Николаевич (ПРЕДСЕДАТЕЛЬ СО РАН)
- E-mail адрес
- sbras@sb-ras.ru
- Контактный телефон
- +7 (495) 9381848