Том 37, номер 11, статья № 6

Аннотация:

Рассмотрены методические особенности определения коэффициентов ослабления и обратного рассеяния по одновременным лидарным измерениям на длинах волн: 532 нм (упругое рассеяние, УР); 607 нм (колебательно-вращательное комбинационное рассеяние, КР); 530 нм (чисто вращательное КР). УР-сигнал выделяет область допустимых значений (ОДЗ) коэффициентов на основе априорного введения физически обоснованного лидарного отношения. КР-сигнал на l = 607 нм, соответствующий одной линии спектра N₂, дает правдоподобную оценку коэффициентов в пограничном слое и части средней тропосферы. КР-сигнал на l = 530 нм – набор линий спектра N₂ и O₂ – характеризуется меньшими погрешностями и обеспечивает количественное оценивание коэффициентов во всех основных слоях тропосферы. На длине волны 530 нм дифференциальное сечение обратного рассеяния зависит от высоты вследствие изменения температуры, что ведет к перераспределению интенсивности линий N₂ и O₂. Оценивание параметров по КР-сигналам считается правдоподобным, когда искомые коэффициенты количественно сопоставимы и расположены внутри их ОДЗ. Тестирование алгоритмов проводится по данным наземного зондирования на берегу Байкала в августе 2023 г.

Ключевые слова:

аэрозоль, лидар, упругое и комбинационное рассеяние, оптические параметры

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Аэрозоль и климат / под ред. К.Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 542 с.
2. Панченко М.В., Кабанов М.В., Пхалагов Ю.А., Белан Б.Д., Козлов В.С., Сакерин С.М., Кабанов Д.М., Ужегов В.Н., Щелканов Н.Н., Полькин В.В., Терпугова С.А., Толмачев Г.Н., Яушева Е.П., Аршинов М.Ю., Симоненков Д.В., Шмаргунов В.П., Чернов Д.Г., Турчинович Ю.С., Полькин Вас.В., Журавлева Т.Б., Насртдинов И.М., Зенкова П.Н. Комплексные исследования тропосферного аэрозоля в ИОА СО РАН (этапы развития) // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 9. С. 703–716. DOI: 10.15372/AOO20190904; Panchenko M.V., Kabanov M.V., Pkhalagov Yu.A., Belan B.D., Kozlov V.S., Sakerin S.M., Kabanov D.M., Uzhegov V.N., Shchelkanov N.N., Pol’kin V.V., Terpugova S.A., Tolmachev G.N., Yausheva E.P., Arshinov M.Yu., Simonenkov D.V., Shmargunov V.P., Chernov D.G., Turchinovich Yu.S., Pol’kin Vas.V., Zhuravleva T.B., Nasrtdinov I.M., Zenkova P.N. Integrated studies of tropospheric aerosol at the Institute of Atmospheric Optics (development stages) // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 1. P. 27–41.
3. 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.
4. Панченко М.В., Белан Б.Д., Шаманаев В.С. Роль самолета-лаборатории ИОА СО РАН в изучении окружающей среды оз. Байкал // Оптика атмосф. и океана. 1997. Т. 10, № 4–5. С. 463–472.
5. Panchenko M.V., Zhuravleva T.B., Terpugova S.A., Pol’kin V.V., Kozlov V.S. An empirical model of optical and radiative characteristics of the tropospheric aerosol over West Siberia in summer // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5. P. 1513–1527. DOI: 10.5194/amt-5-1513-2012.
6. Panchenko M.V., Zhuravleva T.B. Vertical profiles of optical and microphysical characteristics of tropospheric aerosol from aircraft measurements / A. Kokhanovsky (ed.) // Light Scattering Reviews 10. Springer, 2015. P. 199–234. DOI: 10.1007/978-3-662-46762-6.
7. Paris J.-D., Ciais Ph., Nédélec Ph., Stohl A., Belan B.D., Arshinov M.Yu., Carauge C., Golitsyn G., Granberg I.G. New insights on the chemical composition of the Siberian air shed from the YAK-AEROSIB aircraft campaigns // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2010. V. 91, N 5. P. 625–641. DOI: 10.1175/2009BAMS2663.1.
8. Belan B.D., Ancellet G., Andreeva I.S., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Y., Balin Y.S., Barsuk V.E., Belan S.B., Chernov D.G., Davydov D.K., Fofonov A.V., Ivlev G.A., Kotel’nikov S.N., Kozlov A.S., Kozlov A.V., Law K., Mikhal’chishin A.V., Moseikin I.A., Nasonov S.V., Nédélec P., Okhlopkova O.V., Ol’kin S.E., Panchenko M.V., Paris J.-D., Penner I.E., Ptashnik I.V., Rasskazchikova T.M., Reznikova I.K., Romanovskii O.A., Safatov A.S., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Yakovlev S.V., Zenkova P.N. Integrated airborne investigation of the air composition over the Russian sector of the Arctic // Atmos. Meas. Tech. 2022. V. 15. P. 3941–3967. DOI: 10.5194/amt-15-3941-2022.
9. Narbaud C., Paris J.-D., Wittig S., Berchet A., Saunois M., Nédélec Ph., Belan B.D., Arshinov M.Yu., Belan S.B., Davydov D., Fofonov A., Kozlov A. Disentangling methane and carbon dioxide sources and transport across the Russian Arctic from aircraft measurements // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23. P. 2293–2314. DOI: 10.5194/acp-23-2293-2023.
10. 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.
11. 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.
12. Di Giloramo P., De Rosa B., Summa D., Franco N., Veselovskii I. Measurements of aerosol size and microphysical properties: A comparison between Raman lidar and airborne sensors // J. Geophys. Res.: Atmos. 2022. V. 127. P. 1–18. DOI: 10.1029/2021JD036086.
13. Fiocco G., Grams G. Observations of the aerosol layer at 20 km by optical radar // J. Atmos. Sci. 1964. V. 21. P. 323–324. DOI: 10.1175/1520-0469(1964)021<0323:ootala>2.0.co;2.
14. 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.
15. 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. DOI: 10.1029/2000JD900554.
16. 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.
17. Hair J.W., Hostetler C.A., Cook A.L., Harper D.B., Ferrare R.A., Mack T.L. Airborne high spectral resolution lidar for profiling aerosol optical properties // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 6734–6752. DOI: 10.1364/AO.47.006734.
18. Ansmann A., Riebesell M., Weitkamp C. Measurement of atmospheric aerosol extinction profiles with a Raman lidar // Opt. Lett. 1990. V. 15. P. 746–748.
19. Matthias V., Bosenberg J., Freudenthaler V., Amodeo A., Balis D., Chaikovsky A., Chourdakis G., Comeron A., Delaval A., De Tomasi F., Eixmann R., Hågård A., Komguem L., Kreipl S., Matthey R., Mattis I., Rizi V., Rodriguez J.A., Simeonov V., Wang X. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 1. Instruments // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 961–976. DOI: 10.1364/AO.43.000961.
20. Böckmann C., Wandinger U., Ansmann A., Bösenberg J., Amiridis V., Boselli A., Delaval A., De Tomasi F., Frioud M., Hågård A., Horvat M., Iarlori M., Komguem L., Kreipl S., Larcheveque G., Matthias V., Papayannis A., Pappalardo G., Rocadembosch F., Rodriguez J.A., Schneider J., Shcherbakov V., Wiegner M. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 2. Aerosol backscatter algorithms // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 4. P. 977–989.
21. Pappalardo G., Amodeo A., Pandolfi M., Wandinger U., Ansmann A., Bösenberg J., Matthias V., Amiridis V., De Tomasi F., Frioud M., Iarlori M., Komguem L., Papayannis A., Rocadenbosch F., Wang X. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 3. Raman lidar algorithm for aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 28. P. 5370–5385. DOI: 10.1364/AO.43.005370.
22. Shcherbakov V. Regularized algorithm for Raman lidar data processing // Appl. Opt. 2007. V. 46. P. 4879–4889. DOI: 10.1364/ao.46.004879.
23. 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, N 36. P. 6816–6831. DOI: 10.1364/ao.47.006816.
24. 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.
25. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M. 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.
26. Vaughan G., Wareing D.P., Pepler S.J., Thomas L., Mitev V. Atmospheric temperature measurements made by rotational Raman scattering // Appl. Opt. 1993. V. 32, N 15. P. 2758–2764.
27. Волков С.Н., Кауль Б.В. Методика определения коэффициентов обратного рассеяния и ослабления света в аэрозольных слоях тропосферы лидаром, работающим на частотах упругого и комбинационного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7, № 11–12. С. 1592–1600.
28. 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.
29. Pérez-Ramírez D., Whiteman D.N., Veselovskii I., Colarco P., Korenski M., da Silva A. Retrievals of aerosol single-scattering albedo by multiwavelength lidar measurements: Evaluations with NASA Langley HSRL-2 during discover-AQ field campaigns // Remote Sens. Environ. 2019. V. 222. P. 144–164. DOI: 10.1016/j.rse.2018.12.022.
30. 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. 2020. V. 246. P. 106932. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2020.106932.
31. Popovicheva O., Molozhnikova E., Nasonov S., Potemkin V., Penner I., Klemasheva M., Marinaite I., Golobokova L., Vratolis S., Eleftheriadis K., Khodzer T. Industrial and wildfire aerosol pollution over world heritage Lake Baikal // J. Environ. Sci. 2021. V. 107.DOI: 10.1016/j.jes.2021.01.011.
32. Балин Ю.С., Ершов А.Д. Лидарные исследования вертикальной структуры аэрозольных полей в атмосфере оз. Байкал // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13, № 6–7. С. 633–638.
33. Балин Ю.С., Клемашева М.Г., Коханенко Г.П., Насонов С.В., Новоселов М.М., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. Модернизация лидара «ЛОЗА-А2» для одновременного измерения колебательно-вращательного и чисто вращательного спектров комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 8. С. 687–694. DOI: 10.15372/AOO2023809; Balin Yu.S., Klemasheva M.G., Kokhanenko G.P., Nasonov S.V., Novoselov M.M., Samoilova S.V., Penner I.E. Modernization of the LOZA-A2 lidar for simultaneous measurements of vibrational-rotational and purely rotational Raman spectra // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 6. P. 810–815.
34. Ackerman J. The extinction-to-backscatter ratio of tropospheric aerosol: A numerical study // Atmos. Ocean. Tech. 1998. V. 15. P. 1043–1050.
35. 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. 2007. V. 112. D16202. DOI: 10.1029/2006JD008292.
36. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: Some comments // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1609–1613.
37. Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты / под ред. Г.Г. Матвиенко. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2016. 292 с.
38. Whiteman D.N. Examination of the traditional Raman lidar technique. I. Evaluating the temperature-dependent lidar equations // Appl. Opt. 2003. V. 42. P. 2571–2592. DOI: 10.1364/AO.42.002571.
39. 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.
40. 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.