Том 33, номер 05, статья № 9

Самойлова С. В., Балин Ю. С., Коханенко Г. П., Насонов С. В., Пеннер И. Э. Аэрозольные слои тропосферы: особенности вариации параметров аэрозоля при изменении направления адвекции воздуха. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 05. С. 386–398. DOI: 10.15372/AOO20200509.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

На основе данных многочастотного зондирования исследованы аэрозольные слои с различными рассеивающими и поглощающими свойствами. Проанализировано влияние адвекции воздуха на оптические и микрофизические параметры аэрозоля в нижней и средней тропосфере. Выяснено, что при северном направлении переноса наблюдаются низкие значения коэффициентов ослабления и обратного рассеяния, а также мнимой части показателя преломления и среднегеометрического радиуса мелких аэрозольных частиц; при южном направлении – высокие значения тех же параметров. Лидарное отношение и вклад мелкодисперсной фракции в суммарную концентрацию частиц, напротив, убывают при изменении направления переноса с севера на юг.

Ключевые слова:

аэрозоль, лидар, пограничный слой, свободная тропосфера, оптические и микрофизические параметры

Иллюстрации:
Список литературы:

1. Аэрозоль и климат / К.Я. Кондратьева (ред.). Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 542 с.
2. Белан Б.Д. Динамика слоя перемешивания по аэрозольным данным // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7, № 8. С. 1045–1054.
3. Draxler R.R., Rolph G.D. HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model access via NOAA ARL READY // NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2019. URL: http://ready.arl. noaa.gov/HYSPLIT.php.
4. Белан Б.Д., Зуев В.Е., Панченко М.В. Основные результаты самолетного зондирования аэрозоля в ИОА СО РАН (1981–1991 гг.) // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8, № 1–2. С. 131–156.
5. Панченко М.В., Терпугова С.А., Тумаков А.Г., Белан Б.Д., Рассказчикова Т.М. Методические аспекты самолетных нефелометрических исследований тропосферного аэрозоля в региональном масштабе // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7, № 8. С. 1022–1032.
6. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Симоненков Д.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Организация мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу компонентов над территорией Западной Сибири и некоторые его результаты. 2. Аэрозольный состав // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 12. С. 1062–1067.
7. Antokhin P.N., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davidov D.K., Zhidovkin E.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Panchenko M.V., Penner I.E., Pestunov D.A., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N., Fofanov A.V., Shamanaev V.S., Shmargunov V.P. Optic-E An-30 aircraftlaboratory: 20 years of environmental research // J. Atmos. Ocean. Technol. 2012. V. 29, N 11. P. 64–75.
8. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Воронецкая Н.Г., Головко А.К., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.С., Малышкин С.Б., Певнева Г.С., Симоненков Д.В., Фофонов А.В. Органический аэрозоль в атмосфере Сибири и Арктики. Ч. 2. Вертикальное распределение // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 9. С. 733–739.
9. Панченко М.В., Терпугова С.А. Годовой ход содержания субмикронного аэрозоля в тропосфере над Западной Сибирью // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7, № 8. С. 1033–1044.
10. Панченко М.В., Терпугова С.А., Полькин В.В. Эмпирическая модель оптических характеристик аэрозоля нижней тропосферы // Оптика атмосф. и океана. 1998. Т. 11, № 8. С. 615–624.
11. Панченко М.В., Козлов В.С., Полькин В.В., Терпугова С.А., Тумаков А.Г., Шмаргунов В.П. Восстановление оптических характеристик тропосферного аэрозоля Западной Сибири на основе обобщенной эмпирической модели, учитывающей поглощающие и гигроскопические свойства частиц // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 1. С. 46–54.
12. Panchenko M.V., Zhuravleva T.B. Vertical profiles of optical and microphysical characteristics of tropospheric aerosol from aircraft measurements / A. Kokhanovsky (ed.) // Light Scattering Rev. 2015. P. 199–234. DOI: 10.1007/978-3-662-46762-6.
13. Panchenko M.V., Terpugova S.A., Pol’kin V.V., Kozlov V.S., Chernov D.G. Modeling of aerosol radiation-relevant parameters in the troposphere of Siberia on basis of empirical data // Atmosphere. 2018. V. 9, N 11. P. 414–430. DOI: 10.3390/atmos9110414.
14. Winker D.M., Vaughan M.A., Omar A.H., 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.
15. 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. DOI: 10.1175/2009JTECHA1231.1.
16. 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 // Laser Remote Sens. / A. Dabas, C. Loth, J. Pelon (eds.). Editions de L’Ecole Polytechnique, 2000. P. 155–158.
17. 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, N D16. P. 18345–18359.
18. 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 // Rev. Revised Papers Presented at the 23d ILRC / C. Nagasava, N. Sugimoto (eds.). Nara, Japan, 2006. P. 671–672.
19. Pappalardo G., Amodeo A., Apituley A., Comeron A., Freudenthaler V., Linné H., 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.
20. D’Amico G., Amodeo A., Baars H., Binietoglou I., Freudenthaler V., Mattis I., Wandinger U., Pappalardo G. EARLINET Single Calculus Chain – overview on methodology and strategy // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 4507–4520. DOI: 10.5194/amt-8-4507-2015.
21. Bohren F.C., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1983. 530 pp.
22. 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.
23. 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.
24. Böckmann C., Mironova I., Müller D., Schneidenbach L., Nessler R. Microphysical aerosol parameters from multiwavelength lidar // J. Opt. Soc. Am. А. 2005. V. 22, iss. 3. P. 518–528.
25. 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.
26. Veselovskii 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.
27. 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.
28. 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 observations // Appl. Opt. 2013. V. 52, N 14. P. 3178–3202.
29. 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, N 31. P. 7252–7266.
30. Kolgotin A., Müller D., Chemyakin E., Romanov A. Improved identification of the solution space of aerosol microphysical properties derived from the inversion of profiles of lidar optical data, part 1: Theory // Appl. Opt. 2014. V. 55, N 34. P. 9839–9849. DOI: 10.1364/AO.55.009839.
31. 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.
32. Veselovskii I., Goloub P., Podvin T., Tanre D., da Silva A., Colarco P., Castellanos P., Korenskiy M., Hu Q., Whiteman D.N., Pérez-Ramírez D., Augustin P., Fourmentin M., Kolgotin A. Characterization of smoke and dust episode over West Africa: Comparison of MERRA-2 modeling with multiwavelength Mie–Raman lidar observations // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11. P. 949–969. DOI: 10.5194/amt-11-949-2018.
33. Veselovskii I., Goloub P., Hu Q., Podvin T., Whiteman D.N., Korenskiy M., Landulfo E. Profiling of CH4 background mixing ratio in the lower troposphere with Raman lidar: A feasibility experiment // Atmos. Meas. Tech. 2019. V. 12. P. 119–128. DOI: 10.5194/amt-12-119-2019.
34. 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, N 18. P. 4981–5008. DOI: 10.1364/AO.58.004981.
35. Mishchenko M.I., Hovenier J.W., Travis L.D. Light scattering by nonspherical particles. San Diego, USA: Academic Press, 2000. 690 pp.
36. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э. Аэрозольные слои тропосферы: однородность в высотном распределении оптических и микрофизических характеристик // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 12. С. 1043–1049.
37. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э. Исследование вертикального распределения тропосферных аэрозольных слоев по данным многочастотного лазерного зондирования. Часть 1. Методы восстановления оптических параметров // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 4. С. 344–357; Samoilova S.V., Balin Yu.S., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Investigations of the vertical distribution of troposphere aerosol layers based on the data of multifrequency Raman lidar sensing. Part 1. Methods of optical parameter retrieval. // Atmos. Ocean. Opt. 2009. V. 22, N 3. P. 302–315.
38. Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В., Терпугова С.А., Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Рассказчикова Т.М., Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б. Структура аэрозольных полей пограничного слоя атмосферы по данным аэрозольного и доплеровского лидаров в период прохождения атмосферных фронтов // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 8. С. 679–688; Kokhanenko G.P., Balin Yu.S., Klemasheva M.G., Penner I.E., Samoilova S.V., Terpugova S.A., Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Rasskazchikova T.M., Antokhin P.N., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B. Structure of aerosol fields of the atmospheric boundary layer according to aerosol and Doppler lidar data during passage of atmospheric fronts // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 1. P. 18–32.
39. Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Насонов С.В., Самойлова С.В., Чайковский А.П. «ЛОЗА-С» – базовый лидар российского сегмента лидарных станций сети СНГ (CIS LiNet) // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 12. С. 1065–1068.
40. Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. Аэрозольно-рамановский лидар «ЛОЗА-М2» // Квант. электрон. 2011. Т. 41, № 10. С. 945–949.
41. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: some comments // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1609–1613.
42. Kovalev V.A., Eichinger W.E. Elastic Lidar. Theory, Practice, and Analysis Methods. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2004. 615 pp.
43. Shcherbakov V. Regularized algorithm for Raman lidar data processing // Appl. Opt. 2007. V. 46. P. 4879–4889.
44. 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.
45. 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. DOI: 10.1364/AO.55.008022.
46. 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.
47. 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.
48. Boers R., Eloranta E.W., Coulter R.L. Lidar Observations of mixed layer dynamics: Tests of parametrized entrainment-models of mixed layer growth rate // J. Clim. Appl. Meteorol. 1984. V. 23. P. 247–266.
49. Menut L., Flamant C., Pelon J., Flamant P.H. Urban boundary-layer height determination from lidar measurements over the Paris area // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 945–954.
50. Martucci G., Matthey R., Mitev V., Richner H. Comparison between backscatter lidar and radiosonde measurements of the diurnal and nocturnal stratification in the lower troposphere // J. Atmos. Ocean. Technol. 2007. V. 24. P. 1231–1244.
51. Михайлов Е.Ф., Власенко С.С., Рышкевич Т.И. Влияние химического состава и микроструктуры на гигроскопический рост пирогенного аэрозоля // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2008. Т. 44, № 4. С. 450–466.
52. Schuster G.L., Dubovik O., Holben B.N. Angstrom exponent and bimodal aerosol size distribution // J. Geophys. Res. D. 2006. V. 111. DOI: 10.1029/2005JD006328.
53. Lee L., Dubovik O., Derimian E., Schuster G.L., Lapyonok T., Litvinov P., Ducos F., Fuertes D., Chen Ch., Li Z., Lopatin A., Torres B., Che H. Retrieval of aerosol components directly from satellite and ground-based measurements // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 13409–13433. DOI: 10.5194/acp-19-13409-2019.
54. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: МГУ, КолосС, 2004. 582 с.
55. Müller D., Ansmann A., Mattis I., Tesche M., Wandinger U., Althausen D., Pisani G. Aerosol-type-dependent lidar ratios observed with Raman lidar // J. Geophys. Res. D. 2007. V. 112. DOI: 10.1029/2006JD008292.
56. Kozlov V.S., Panchenko M.V., Yausheva E.P. Mass fraction of Black Carbon in submicron aerosol as an indicator of influence of smokes from remote forest fires in Siberia // Atmos. Environ. 2008. V. 42, N 11. P. 2611–2620. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2007.07.0364.