Том 36, номер 08, статья № 3

Аннотация:

Исследуются возможности и преимущества дополнительного канала комбинационного рассеяния в ИК-области спектра при определении микрофизических параметров аэрозоля. Рассмотрены особенности совместного восстановления комплексного показателя преломления m = m_real + i × m_image и бимодальной функции распределения сферических частиц по размерам U(r) по лидарным данным. Возможность оценки m + U(r) исследуется для слабопоглощающих частиц с m_image ≤ 0,010 при m^fine ≠ m^coarse. Тестирование алгоритмов проводится для одного m^fine = 1,50 + i × 0,01 и девяти m^coarse (m_real = 1,40; 1,50; 1,60, m_image = 0,0001; 0; m_real = 1,40; 1,50; 1,60, m_image = 0,0001; 0,001; 0,01). Для учета влияния вклада частиц различных фракций в их суммарную концентрацию используются 462 эмпирические модели U(r).

Ключевые слова:

аэрозоль, лидар, оптические параметры, обратная задача, микрофизические характеристики

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanré D., Buis J.P., Setzer A., Vermote E., Reagan J.A., Kaufman Y., Nakajima T., Lavenu F., Jankowiak I., Smirnov A. AERONET – a federated instrument network and data archive for aerosol characterization // Rem. Sens. Environ. 1998. V. 66. P. 1–16.
2. Dubovik O., King M.D. A flexible inversion algorithm for retrieval of aerosol optical properties from Sun and sky radiance measurements // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 20673–20696.
3. Dubovik O., Sinyuk A., Lapyonok T., Holben B.N., Mishchenko M., Yang P., Eck T.F., Volten H., Munoz O., Veihelmann B., van der Zande W.J., Leon J.-F., Sorikin M., Slutsker I. Application of spheroid moments to account for aerosol particle nonsphericity in remote sensing of desert dust // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. D11208. DOI: 10.1029/2005D006619.
4. Dubovik O., Li Z., Mishchenko M.I., Tanré D., Karol Y., Bojkov B., Cairns B., Diner D.J., Espinosa W.R., Goloub P., Gu X., Hasekamp O., Hong J., Hou W., Knobelspiesse K.D., Landgraf J., Li L., Litvinov P., Liu Y., Lopatin A., Marbach T., Maring H., Martins V., Meijer Y., Milinevsky G., Mukai S., Parol F., Qiao Y., Remer L., Rietjens J., Sano I., Stammes P., Stamnes S., Sun X., Tabary P., Travis L.D., Waquet F., Xu F., Yan C., Yin D. Polarimetric remote sensing of atmospheric aerosols: Instruments, methodologies, results, and perspectives // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2019. V. 224. P. 474–511. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2018.11.024.
5. Espinosa W.R., Martins J.V., Remer L.A., Dubovik O., Lapyonok T., Fuertes D., Puthukkudy A., Orozco D., Ziemba L., Thornhill K.L., Levy R. Retrievals of aerosol size distribution, spherical fraction, and complex refractive index from airborne in situ angular light scattering and absorption measurements // J. Geophys. Res. Atmos. 2019. V. 124. P. 7997–8024. DOI: 10.1029/2018JD030009.
6. Li L., Dubovik O., Derimian Y., Schuster G.L., Lapyonok T., Litvinov P., Ducos F., Fuertes D., Chen C., Li Z., Lopatin A., Torres B., Che H. Retrievals of fine mode light-absorbing carbonaceous aerosols from POLDER/PARASOL observations over East and South Asia // Remote Sens. Environ. 2020. V. 247. P. 111913. DOI: 10.1016/j.rse.2020.111913.
7. Lopatin A., Dubovik O., Fuertes D., Stenchikov G., Lapyonok T., Veselovskii I., Wienhold F.G., Shevchenko I., Hu Q., Parajuli S. Synergy processing of diverse ground-based remote sensing and in situ data using the GRASP algorithm: Applications to radiometer, lidar and radiosonde observations // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. P. 2575–2614. DOI: 10.5194/amt-14-2575-2021.
8. Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J.M., Balis D., Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinelli N., Trickl T., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: A European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing / A. Dabas, C. Loth, J. Pelon (eds.). Editions de L’Ecole Polytechnique, 2000. P. 155–158.
9. Murayama T., Sugimoto N., Uno I., Kinoshita K., Aoki K., Hagiwara N., Liu Z., Matsui I., Sakai T., Shibata T., Arao K., Sohn B.-J., Won J.-G., Yoon S.-C., Li T., Zhou J., Hu H., Abo M., Iokibe K., Koga R., Iwasaka Y. Ground-based network observation of Asian dust events of April 1998 in East Asia // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 18345–18359.
10. Welton E.J., Campbell J.R., Spinhirne J.D., Scott V.S. Global monitoring of clouds and aerosols using a network of micro-pulse lidar systems // Proc. SPIE. 2001. V. 4153. P. 151–158. URL: https://mplnet.gsfc.nasa.gov.
11. Chaikovsky A.P., Ivanov A.P., Balin Yu.S., Elnikov A.V., Tulinov G.F., Plusnin I.I., Bukin O.A., Chen B.B. CIS-LINET – LIdar NETwork for monitoring aerosol and ozone in CIS regions // Reviewed and Revised Papers Presented at the 23d ILRC / C. Nagasava, N. Sugimoto (eds.). Nara, Japan, 2006. P. 671–672.
12. Wandinger U., Freudenthaler V., Baars H., Amodeo A., Engelmann R., Mattis I., Groß S., Pappalardo G., Giunta A., D’Amico G., Chaikovsky A., Osipenko F., Slesar A., Nicolae D., Belegante L., Talianu C., Serikov I, Linné H., Jansen F., Apituley A., Wilson K.M., de Graaf M., Trickl T., Giehl H., Adam M., Comerón A., Muñoz-Porcar C., Rocadenbosch F., Sicard M., Tomás S., Lange D., Kumar D., Pujadas M., Molero F., Fernández A.J., Alados-Arboledas L., Bravo-Aranda J.A., Navas-Guzmán F., Guerrero-Rascado J.L., Granados-Muñoz M.J., Preißler J., Wagner F., Gausa M., Grigorov I., Stoyanov D., Iarlori M., Rizi V., Spinelli N., Boselli A., Wang X., Lo Feudo T., Perrone M.R., de Tomasi F., Burlizzi P. EARLINET instrumentation campaigns: Overview on strategy and results // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 1001–1023. DOI: 10.5194/amt-9-1001-2016.
13. Burton S.P., Chemyakin E., Liu X., Knobelspiesse K., Stamnes S., Sawamura P., Moore R.H., Hostetler Ch.A., Ferrare R.A. Information content and sensitivity of the (3b + 2s) lidar measurement system for aerosol microphysical retrievals // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 5555–5574. DOI: 10.5194/amt-9-5555-2016.
14. Tesche M., Kolgotin A., Haarig M., Burton S.P., Fer­rare R.A., Hostetler C.A., Müller D. 3 + 2 + X: What is the most useful depolarization input for retrieving microphysical properties of non-spherical particles from lidar measurements using the spheroid model of Dubovik et al. (2006)? // Atmos. Meas. Tech. 2019. V. 12. P. 4421–4437. DOI: 10.5194/amt-12-4421-2019.
15. Veselovskii I., Whiteman D.N., Korenskiy M., Suvorina A., Pérez-Ramírez D. Use of rotational Raman measurements in multiwavelength aerosol lidar for evaluation of particle backscattering and extinction // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 4111–4122. DOI: 10.5194/ amt-8-4111-2015.
16. Haarig M., Engelmann R., Ansmann A., Veselovskii I., Whiteman D.N., Althausen D. 1064 nm Raman lidar for extinction and lidar ratio profiling: Cirrus case study // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 4269–4278. DOI: 10.5194/amt-9-4269-2016.
17. Müller D., Wandinger U., Ansmann A. Microphysical particle parameters from extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization: Theory // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 2346–2357.
18. Böckmann C. Hybrid regularization method for the ill-posed inversion of multiwavelength lidar data in the retrieval of aerosol size distribution // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 1329–1342.
19. Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Müller D., Franke K., Whiteman D.M. Inversion of multiwavelength Raman lidar data for retrieval of bimodal aerosol size distribution // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 1180–1195.
20. Müller D., Böckmann C., Kolgotin A., Schneidenbach L., Chemyakin E., Rosemann J., Znak P., Romanov A. Microphysical particle properties derived from inversion algorithm developed in the framework of EARLINET // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 5007–5035. DOI: 10.5194/amt-9-5007-2016.
21. Sawamura P., Moore R.H., Burton S.P., Chemyakin E., Müller D., Kolgotin A., Ferrare R.A., Hostetler Ch.A., Ziemba L.D., Beyersdorf A.J., Anderson B.E. HSRL-2 aerosol optical measurements and microphysical retrievals vs. airborne in situ measurements during DISCOVER-AQ 2013: An intercomparison study // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 7229–7243. DOI: 10.5194/acp-17-7229-2017.
22. Müller D., Chemyakin E., Kolgotin A., Ferrare R.A., Hostetler C.A., Romanov A. Automated, unsupervised inversion of multiwavelength lidar data with TiARA: Assessment of retrieval performance of microphysical parameters using simulated data // Appl. Opt. 2019. V. 58. P. 4981–5008. DOI: 10.1364/AO.58.004981.
23. Pérez-Ramírez D., Whiteman D.N., Veselovskii I., Korenskiy M., Colarco P., Da Silva A. Optimized profile retrievals of aerosol microphysical properties from simulated spaceborne multiwavelength lidar // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2020. V. 246. P. 106932. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2020.106932.
24. Veselovskii I., Hu Q., Goloub P., Podvin T., Korenskiy M., Derimian Y., Legrand M., Castellanos P. Variability in lidar-derived particle properties over West Africa due to changes in absorption: Towards an understanding // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 6563–6581. DOI: 10.5194/acp-20-6563-2020.
25. Samoilova S.V., Penner I.E., Kokhanenko G.P., Balin Yu.S. Simultaneous reconstruction of two microphysical aerosol characteristics from the lidar data // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2019. V. 222–223. P. 35–44. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2018.10.014.
26. Samoilova S.V., Penner I.E., Balin Yu.S. Separate retrieval of microphysical characteristics in aerosol fraction // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 285. P. 108168-(1–14). DOI: 10.1016/j.jqsrt.2022.108168.
27. Haarig M., Ansmann A., Baars H., Jimenez C., Veselovskii I., Engelmann R., Althausen D. Depolarization and lidar ratios at 355, 532, and 1064 nm and microphysical properties of aged tropospheric and stratospheric Canadian wildfire smoke // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 11847–11861. DOI: 10.5194/acp-18-11847-2018.
28. McLean W.G.K., Fu G., Burton S.P., Hasekamp O.P. Retrieval of aerosol microphysical properties from atmospheric lidar sounding: An investigation using synthetic measurements and data from the ACEPOL campaign // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. P. 4755–4771. DOI: 10.5194/amt-14-4755-2021.
29. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1983. 240 с.
30. Bohren F.C., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: John Wiley & Sons Inc., 1983. 530 p.
31. Турчин В.Ф., Козлов В.П., Малкевич М.С. Использование методов математической статистики для решения некорректных задач // Успехи физ. наук. 1970. Т. 102, вып. 3. С. 345–386.
32. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.
33. Samoilova S.V., Sviridenkov M.A., Penner I.E. Retrieval of the particle size distribution function from the data of lidar sensing under the assumption of known refractive index // Appl. Opt. 2016. V. 55. P. 8022–8029. DOI: 10.1364/AO.55.008022.
34. Самойлова С.В. Совместное восстановление комплексного показателя преломления и функции распределения частиц по размерам по лидарным измерениям: тестирование разработанных алгоритмов // Оптика атмосф. и океана 2019. Т. 32, № 7. С. 525–538; Samoilova S.V. Simultaneous reconstruction of the complex refractive index and the particle size distribution function from lidar measurements: Testing the developed algorithms // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 6. P. 628–642.
35. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. 285 с.