Том 32, номер 07, статья № 4

Аннотация:

Предлагается метод совместного определения микрофизических аэрозольных характеристик – комплексного показателя преломления m = m_real + i × m_image и функции распределения сферических частиц по размерам U(r) – по данным ночного лидарного зондирования на длинах волн 355–1064 нм. При их совместном оценивании целесообразно проводить прямую минимизацию функционала невязки Ф(m) в области физически обоснованных значений m. Основные проблемы, обусловленные близостью локальных минимумов Ф(m) для m^true_image Î [0,01; 0,04], приводят к значимым ошибкам определяемых m^est_real и m^est_image. Совместное использование функционалов, различных по набору оптических коэффициентов, сужает область возможных значений m и обеспечивает более точную оценку его обеих составляющих. Особенности восстановления функции распределения связаны с информационной недостаточностью лидарных измерений для грубодисперсной фракции. Метод статистической регуляризации позволяет корректно определять U(r) для крупных частиц со средним радиусом до 3 мкм и с допустимой погрешностью больше 3 мкм. Алгоритмы протестированы на восьми величинах поглощения, когда одной величине, соответствующей одному значению m^true_image, приписываются 50 эмпирических моделей функции распределения.

Ключевые слова:

аэрозоль, лидар, функция распределения частиц по размерам, комплексный показатель преломления

Список литературы:

1. Remer L.A., Kaufman Y.J., Tanré D., Mattoo S., Chu D.A., Martins J.V., Li R.-R., Ichoku C., Levi R.C., Kleidman R.G., Eck T.F., Vermote E., Holben B.N. The MODIS aerosol algorithm, products, and validation // J. Atmos. Sci. 2005. V. 62. P. 947–973.
2. Tanré D., Bréon F.M., Deusé J.L., Dubovik O., Ducos F., Francois P., Goloub P., Herman M., Lifermann A., Waquet F. Remote sensing of aerosol by using polarized, directional and spectral measurements within the A-Train: The PARASOL mission // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2011. V. 4. P. 2037–2069. DOI: 10.5194/amtd-4-2037-2011.
3. Winker D.M., Vaughan M.A., Omar A., Hu Y., Powell K.A., Liu Z., Hunt W.H., Young S.A. Overview of the CALIPSO mission and CALIOP data processing algorithms // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009. V. 26. P. 2310–2323. DOI: 10.1175/2009JTECHA1281.1.
4. 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 // Remote Sens. Environ. 1998. V. 66. P. 1–16.
5. Dubovik O.V., Lapyonok T.V., Oshchepkov S.L. Improved technique for data inversion: Optical sizing of multicomponent aerosols // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 8422–8436.
6. Dubovik O.V., 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Bösenberg J., Hoff R.M. Plan for the implementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION // WMO. 2007. N 1443. 45 р.
11. Burton S.P., Chemyakin E., Liu X., Knobelspiesse K., Stamnes S., Sawamura P., Moore R.H., Hostetler C.A., Ferrare R.A. Information content and sensitivity of the 3b + 2a lidar measurement system for aerosol microphysical retrievals // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 5555–5574. DOI: 10.5194/amt-9-5555-2016.
12. Pappalardo G., Amodeo A., Apituley A., Comeron A., Freudenthaler V., Linné H., A. 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. Tech. 2014. V. 7. P. 2389–2409. DOI: 10.5194/amt-7-2389-2014.
13. Samoilova S.V., Balin Yu.S. Reconstruction of the aerosol optical parameters from the data of sensing with a multifrequency Raman lidar // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 6816–6831.
14. Willeke K., Whitby K.T. Atmospheric aerosol: size distribution interpretation // J. Air Poll. Control Assoc. 1975. V. 25. P. 529–534.
15. Twitty J.T. The inversion of aureole measurements to derive aerosol size distributions // J. Atmos. Sci. 1975. V. 32. P. 584–591.
16. Горчаков Г.И., Горчакова И.А. Лыкосов Е.А., Толстобров В.Г., Туровцева Л.С. Определение коэффициента преломления и микроструктуры туманной дымки // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1976. Т. 12, № 6. С. 612–619.
17. Веретенников В.В., Наац И.Э., Панченко М.В., Фадеев В.Я. К определению микроструктуры и показателя преломления атмосферных дымок из поляризационных характеристик светорассеяния // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1978. Т. 14, № 12. С. 1313–1317.
18. Veretennikov V.V., Kozlov V.S., Naats I.E., Fadeev V.Ya. Optical studies of smoke aerosol: An inversion method and its applications // Opt. Lett. 1979. V. 4. P. 411–413.
19. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования. Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.
20. Рахимов Р.Ф., Козлов В.С., Панченко М.В., Тумаков А.Г., Шмаргунов В.П. Свойства атмосферного аэрозоля в дымовых шлейфах лесных пожаров по данным спектронефелометрических измерений // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 2. С. 126–133.
21. Макиенко Э.В., Рахимов Р.Ф., Пхалагов Ю.А., Ужегов В.Н. Микрофизическая интерпретация аномальной спектральной зависимости аэрозольного ослабления излучения на приземной трассе // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 12. С. 1102–1106.
22. Веретенников В.В. Совместное определение микроструктуры и показателя преломления аэрозоля по данным солнечной фотометрии // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 3. С. 214–221.
23. Веретенников В.В. Восстановление микроструктурных параметров грубодисперсного аэрозоля с использованием их регрессионных связей со спектральным ослаблением света в ИК-диапазоне // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 8. С. 696–704.
24. Бедарева Т.В., Свириденков М.А., Журавлева Т.Б. Восстановление оптических и микрофизических характеристик аэрозоля по данным наземных спектральных измерений прямой и рассеянной солнечной радиации. Часть 1. Тестирование алгоритма // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 7. С. 602–612. DOI: 10.1134/S1024856013010041.
25. Bohren F.C., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1983. 530 p.
26. 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.
27. 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.
28. Böckmann C., Mironova I., Müller D., Schneidenbach L., Nessler R. Microphysical aerosol parameters from multiwavelength lidar // J. Opt. Soc. Am. 2005. V. A22(3). P. 518–528.
29. 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.
30. Veselovski I., Kolgotin A., Müller D., Whiteman D.M. Information content of multiwavelength lidar data with respect to microphysical particle properties derived from eigenvalue analysis // Appl. Opt. 2005. V. 44. P. 5292–5303.
31. Kolgotin A., Müller D. Theory of inversion with two-dimensional regularization: profiles of microphysical particle properties derived from multiwavelength lidar measurements // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 4472–4490.
32. Omar A.H., Winker D.M., Vaughan M.A., Hu Y., Trepte Ch.H., Ferrare R.A., Lee K.-P., Hostetler Ch.A., Kittaka Ch., Rogers R.R., Kuehn R.E., Lie Zh. The CALIPSO automated aerosol classification and lidar ratio selection algorithm // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009. V. 26, N 10. P. 1994–2014.
33. Veselovskii I., Dubovik O., Kolgotin A., Lapyonok T., Di Girolamo P., Summa D., Whiteman D.M., Mishchenko M., Tanre D. Application of randomly oriented spheroids for retrieval of dust particle parameters from multiwavelength lidar measurements // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. P. D21203. DOI: 10.1029/2010D014139.
34. Veselovskii I., Dubovik O., Kolgotin A., Korenskiy M., Whiteman D.N., Allakhverdiev K., Huseyinoglu F. Linear estimation of particle bulk parameters from multi-wavelength lidar measurements // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5. P. 1135–1145. DOI: 10.5194/amt-5-1135-2012.
35. Müller D., Veselovskii I., Kolgotin A., Tesche M., Ansmann A., Dubovik O. Vertical profiles of pure dust and mixed smoke-dust plumes inferred from inversion of multiwavelength Raman/polarization lidar data and comparison to AERONET retrievals and in situ observa-
tions // Appl. Opt. 2013. V. 52. P. 3178–3202.
36. Wagner J., Ansmann A., Wandinger U., Seifert P., Chwarz A., Tesche M., Chaikovsky A., Dubovik O. Evaluation of the Lidar/Radiometer Inversion Code (LIRIC) to determinate microphysical properties of volcanic and desert dust // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6. P. 1707–1724. DOI: 10.5194/amt-6-1707-2013.
37. Chemyakin E., Müller D., Burton Sh., Kolgotin A., Hostetler Ch., Ferrare R. Arrange and average algorithm for the retrieval of aerosol parameters from multiwavelength high-spectral-resolution lidar/Raman lidar data // Appl. Opt. 2014. V. 53. P. 7252–7266.
38. Chemyakin E., Burton S., Kolgotin A., Müller D., Hostetler C., Ferrare R. Retrieval of aerosol parameters from multiwavelength lidar: Investigation of the underlying inverse mathematical problem // Appl. Opt. 2016. V. 5. P. 2188–2202.
39. Kahnert M., Andersson E. How much information do extinction and backscattering measurements contain about the chemical composition of atmospheric aerosol? // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 3423–3444. DOI: 10.5194/acp-17-3423-2017.
40. Alexandrov M.D., Mishchenko M.I. Information content of bistatic lidar observations of aerosols from space // Opt. Express. 2017. V. 25, N 4. P. A134–A150.
41. Mishchenko M.I., Hovenier J.W., Travis L.D. Light Scattering by Nonspherical Particles. San Diego, CA, USA: Academic Press, 2000. 690 pp.
42. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press, 2002. 450 pp.
43. 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 momels to account for aerosol particle nonsphericity in remote sensing of desert dust // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. D11208. DOI: 10.1029/2005D006619.
44. Samoilova S.V., Sviridenkov M.A., Penner I.E. Retrieval of the particle size distribution funcion from the data of lidar sensing under the assumption of known refractive index // Appl. Opt. 2016. V. 55. P. 8022–8029. https://doi.org/10.1364/AO.55.008022.
45. Самойлова С.В. Восстановление комплексного показателя преломления по лидарным измерениям: возможности и ограничения // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 3. С. 197–206.
46. 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. https://doi.org/10.1016/ j.jqsrt.2018.10.014.
47. Verhaege Ch., Shcherbakov V., Personne P. Limitations on retrieval of complex refractive index of spherical particles from scattering measurements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2008. V. 109. P. 2338–2348. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2008.05.009.
48. Verhaege Ch., Shcherbakov V., Personne P. Retrieval of complex refractive index and size distribution of spherical particles from Dual-Polarization Polar Nephelometer data // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110, P. 1690–1697. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2009.01.004.
49. Lopatin A., Dubovik O., Chaikovsky A., Goloub P., Lapyonok T., Tanré D., Litvinov P. Enhancement of aerosol characterization using synergy of lidar and sun-photometer coincident observations: The GARRLiC algorithm // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6. P. 2065–2088. DOI: 10.5194/amt-6-2065-2013.
50. Chaikovsky A., Dubovik O., Holben B., Bril A., Goloub Ph., Tanré D., Pappalardo G., Wandinger U., Chaikovskaya L., Denisov S., Grudo J., Lopatin A., Karol Ya., 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. Tech. 2016. V. 9. P. 1181–1205. DOI: 10.5194/amt-9-1181-2016.
51. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. 285 с.
52. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. М.: Советское радио, 1979. 272 с.
53. Samoilova S., Sviridenkov M., Penner I., Kokhanenko G., Balin Yu. Retrieval of the tropospheric aerosol microphysical characteristics from the data of multifrequency lidar sensing // EPJ Web Conf. 2018. 28th Laser Radar Conf. V. 176. URL: https://doi.org/10.1051/epjconf/201817605055 (last access: 28.06.2019).
54. Бедарева Т.В., Свириденков М.А., Журавлева Т.Б. Восстановление оптических и микрофизических характеристик аэрозоля по данным наземных спектральных измерений прямой и рассеянной солнечной радиации. Часть 2. Апробация алгоритма // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 9. С. 768–777. DOI: 10.1134/S102485601302005X.