Том 28, номер 03, статья № 1

Аннотация:

Предложен метод дистанционного определения массовых концентраций аэрозольных частиц размерами ≤ 1; 2,5; 10 и 30 мкм в приземном воздухе. Метод включает лидарное зондирование атмосферы на длинах волн λ = 0,355; 0,532; 1,064; 2,13 мкм, восстановление из лидарных сигналов спектрально-пространственных распределений аэрозольного коэффициента ослабления и преобразование их в пространственные распределения концентраций аэрозольных фракций на основе регрессионных соотношений между оптическими и микрофизическими характеристиками аэрозоля. Для повышения точности и устойчивости решения системы лидарных уравнений выбор калибровочных констант и лидарных отношений на длинах волн зондирующего излучения выполняется с учетом мультиколлинеарности спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления, выраженной в форме уравнения множественной регрессии. Используемые регрессии получены в рамках оптической модели городского аэрозоля, принятой Всемирной метеорологической организацией, при широкой вариации модельных параметров, характеризующих распределение частиц по размерам и комплексный показатель преломления аэрозольного вещества. Проведены численные эксперименты по лазерному зондированию концентраций аэрозольных фракций в атмосфере, демонстрирующие правомерность предложенного метода.

Ключевые слова:

городской аэрозоль, респирабельные частицы, массовая концентрация, лазерное зондирование, множественные регрессии

Список литературы:

1. Silva R.A., West J.J., Zhang Y., Anenberg S.C., Lamarque J.F., Shindell D.T., Collins W.J., Dalsoren S., Faluvegi G., Folberth G., Horowitz L.W., Nagashima T., Naik V., Rumbold S., Skeie R., Sudo K., Takemura T., Bergmann D., Cameron-Smith P., Cionni I., Doherty R.M., Eyring V., Josse B., MacKenzie I.A., Plummer D., Righi M., Stevenson D.S., Strode S., Szopa S., Zeng G. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution and the contribution of past climate change // Environ. Res. Lett. 2013. V. 8, N 3. P. 034005.
2. Клименко А.П., Королев В.И., Шевцов В.И. Непрерывный контроль концентрации пыли. Киев: Техника, 1980. 181 с.
3. Дудкин Н.И., Адаев И.С. Измерение массовой концентрации аэрозолей // Мир измерений. 2007. № 11. С. 37–40.
4. Görner P., Simon X., Bémer D., Lidén G. Workplace aerosol mass concentration measurement using optical particle counters // J. Environ. Monit. 2012. V. 14, N 2. P. 420–428.
5. Чайковский А.П., Иванов А.П., Балин Ю.С., Ельников А.В., Тулинов Г.Ф., Плюснин И.И., Букин О.А., Чен Б.Б. Лидарная сеть CIS-LiNet для мониторинга аэрозоля и озона: методология и аппаратура // Оптика атмосф. и океана. 2005. Т. 18, № 12. С. 1066–1072.
6. Adam M., Pahlow M., Kovalev V., Ondov J.M., Parlange M.B., Nair N. Aerosol optical characterization by nephelоmeter and lidar: The Baltimore Supersite experiment during the Canadian forest fire smoke intrusion // J. Geophys. Res. D. 2004. V. 109, iss. D16. DOI: 10.1029/2003JD004047.
7. Zavyalov V.V., Marchant C.C., Bingham G.E., Wilkerson T.D., Hatfield J.L., Martin R.S., Silva P.J., Moore K.D., Swasey J., Ahlstrom D.J., Jones T.L. Aglite lidar: Calibration and retrievals of well characterized aerosols from agricultural operations using a three-wavelength elastic lidar // J. Appl. Remote Sens. 2009. V. 3, iss. 1. P. 033522-01–033522-21.
8. Ивлев Л.С., Васильев А.В., Белан Б.Д., Панченко М.В., Терпугова С.А. Оптико-микрофизические модели городских аэрозолей // Третья Междунар. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли»: Сб. трудов. Санкт-Петербург, 24.09–27.09.2001. СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 2003. С. 161–170.
9. Хмелевцов С.С., Коршунов В.А., Никитин В.М., Кобелев В.В. Многоволновое и поляризационное лидарное зондирование аэрозольных промышленных выбросов // Оптика атмосф. и океана. 2005. Т. 18, № 3. С. 232–237.
10. Креков Г.М., Крекова М.М., Суханов А.Я. Оценка эффективности использования перспективных лидаров белого света для зондирования микрофизических параметров слоистой облачности: 1. Аналитический обзор // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 7. С. 661–670.
11. World Meteorological Organization. World Climate Research Programme: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. Switzerland, Geneva. Report WCP-112, WMO/TD-24. 1986. 60 p.
12. Зуев В.Е., Кауль В.В., Самохвалов И.В. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Новосибирск: Наука, 1986. 192 с.
13. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 184 c.
14. Böckmann C., Wandinger U., Ansmann A., Bösenberg J., Amiridis V., Boselli A., Delaval A., De Tomasi F., Frioud M., Grigorov I.V., Hågård A., Horvat M., Iarlori M., Komguem L., Kreipl S., Larcheveque G., Matthias V., Papayannis A., Pappalardo G., Rocadenbosch F., António Rodrigues J., 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.
15. Kovalev V.A., Eichinger W.E. Elastic Lidar: Theory, Practice, and Analysis Methods. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2004. 615 p.
16. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Методика восстановления высотного распределения массовой концентрации аэрозоля в атмосфере из результатов лидарного зондирования на длинах волн Nd:YAG-лазера // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109, № 6. С. 1212–1220.
17. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Восстановление оптических и микрофизических характеристик поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов трехчастотного лидарного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 4. С. 308–318.
18. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Восстановление массовой концентрации пыли в промышленных выбросах из результатов оптического зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2011. T. 24, № 11. С. 960–968.
19. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э. Исследование вертикального распределения тропосферных аэрозольных слоев по данным многочастотного лидарного зондирования. Часть 1. Методы восстановления оптических параметров // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 4. С. 344–357.
20. Kovalev V.A. Stable near-end solution of the lidar equation for clear atmospheres // Appl. Opt. 2003. V. 42, N 3. P. 585–591.
21. Кугейко М.М., Лысенко С.А. Лазерная спектронефелометрия аэродисперсных сред. Минск: БГУ, 2012. 208 с.
22. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений // Журн. прикл. спектроскопии. 2009. Т. 76, № 6. С. 876–883.
23. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 280 c.
24. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент земной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 264 c.
25. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Нефелометрический метод измерения массовых концентраций городских аэрозолей и их респирабельных фракций // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 5. С. 435–442.
26. Bohren G.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: John Wiley & Sons, 1983. 544 p.
27. NAPAP (1991) State of science and technology. The US National Acid Precipitation Assessment Program, Washington, DC. V. III, ch. 24. P. 24–90.
28. Thompson J.E., Hayes P.L., Jimenez J.L., Adachi K., Zhang X., Liu J., Weber R.J., Buseck P.R. Aerosol optical properties at Pasadena, CA during CalNex 2010 // Atmos. Environ. 2012. V. 55. P. 190–200.
29. Jung J., Lee H., Kim Y.J., Liu X., Zhang Y., Hu M., Sugimoto N. Optical properties of atmospheric aerosols obtained by in situ and remote measurements during 2006 Campaign of Air Quality Research in Beijing (CAREBeijing-2006) // J. Geophys. Res. А. 2009. V. 114, iss. D2. DOI: 10.1029/2008JD010337.
30. Trier A., Cabrini N., Ferrer J. Correlations between urban atmospheric light extinction coefficients and particle mass concentrations // Atmosfera. 1997. V. 10, N 3. P. 151–160.
31. Titos G., Foyo-Moreno I., Lyamani H., Querol X., Alastuey A., Alados-Arboledas L. Optical properties and chemical composition of aerosol particles at an urban location: An estimation of the aerosol mass scattering and absorption efficiencies // J. Geophys. Res. A. 2012. V. 117, iss. D4. DOI: 10.1029/2011JD016671.
32. Cattrall C., Reagan J., Thome K., Dubovic O. Variability of aerosol spectral lidar and backscatter and extinction ratio of key aerosol types derived from selected Aerosol Robotic Network locations // J. Geophys. Res. 2005. V. 110, iss. D10. DOI: 10.1029/2004JD005124.