Том 32, номер 10, статья № 5

Аннотация:

Предложен метод регрессионной коррекции вещественной части показателя преломления аэрозоля при решении обратной задачи для спектральных измерений аэрозольной оптической толщины (АОТ) t(l). Коррекция основана на использовании соотношений подобия, которым удовлетворяют микроструктурные параметры рассеивающих сред, эквивалентных по спектральному ослаблению при вариациях показателя преломления аэрозоля. Для коррекции проводится минимизация по показателю преломления нормы отклонения между объемной концентрацией аэрозоля, восстановленной из решения обратной задачи и рассчитанной с использованием уравнений регрессии по t(l), которые строятся для некоторого реперного периода. Представлены результаты апробации метода на массиве измерений АОТ, выполненных в ИОА СО РАН в течение года наблюдений с помощью многоволнового солнечного фотометра.

Ключевые слова:

аэрозольная оптическая толщина, обратные задачи, микроструктура аэрозоля, показатель преломления, регрессия

Список литературы:

1. Fuzzi S., Baltensperger U., Carslaw K., Decesari S., Denier van der Gon H., Facchini M.C., Fowler D., Koren I., Langford B., Lohmann U., Nemitz E., Pandis S., Riipinen I., Rudich Y., Schaap M., Slowik J.G., Spracklen D.V., Vignati E., Wild M., Williams M., Gilardoni S. Particulate matter, air quality and climate: lessons learned and future needs // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 8217–8299. URL: https://doi.org/10.5194/ acp-15-8217–2015.
2. IPCC: Fourth Assessment Report Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change / S. Solomon , D. Qin , M. Manning , Z. Chen , M. Marquis , K.B. Averyt , M. Tignor , H.L. Miller (eds.) Cambridge, United Kingdom, New York: Cambridge University Press, 2007. 996 p.
3. Boucher O., Randall D., Artaxo P., Bretherton C., Feingold G., Forster P., Kerminen V.-M., Kondo Y., Liao H., Lohmann U., Rasch P., Satheesh S.K., Sherwood S., Stevens B., Zhang X.Y. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change / T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P.M. Midgley (eds.). Cambridge, United Kingdom, New York: Cambridge University Press, 2013. DOI: 10.1017/CBO9781107415324
4. Белов В.В. Передаточные свойства внешних каналов и изопланарность изображений в системах видения // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 12. С. 1101–1107; Belov V.V. Optical transfer properties of external channels and image isoplanarity in vision systems // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 2. P. 81–87.
5. Белов В.В., Абрамочкин В.Н., Гриднев Ю.В., Кудрявцев А.Н., Кулаев С.П., Тарасенков М.В., Троицкий В.О., Федосов А.В. Бистатическая оптико-электронная связь в УФ-диапазоне длин волн. Полевые эксперименты в 2016 г. // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 2. С. 111–114; Belov V.V., Abramochkin V.N., Gridnev Yu.V., Kudryavtsev A.N., Kozlov V.S., Rakhimov R.F., Shmargunov V.P., Tarasenkov M.V. Expe­rimental study of the influence of optical characteristics of a medium on the image quality in optoelectronic systems with backscattered noise signal selection // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 5. P. 429–434.
6. Белов В.В., Абрамочкин В.Н., Гриднев Ю.В., Куд­рявцев А.Н., Козлов В.С., Рахимов Р.Ф., Шмаргунов В.П., Тарасенков М.В. Экспериментальные исследования влияния оптических характеристик среды на качество изображения в ОЭС видения с селекцией помехи обратного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 4. С. 285–290; Belov V.V., Abramochkin V.N., Gridnev Yu.V., Kudryavtsev A.N., Kozlov V.S., Rakhimov R.F., Shmargunov V.P., Tarasenkov M.V. Experimental study of the influence of optical characteristics of a medium on the image quality in opto­electronic systems with backscattered noise signal selection // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 5. P. 429–434.
7. Белов В.В., Гриднев Ю.В., Кудрявцев А.Н., Тарасенков М.В., Федосов А.В. Оптико-электронная связь в УФ-диапазоне длин волн на рассеянном лазерном излучении // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 7. С. 559–562; Belov V.V., Gridnev Yu.V., Kudryav­tsev A.N., Tarasenkov M.V., Fedosov A.V. Optoelectro­nic UV communication on scattered laser radiation // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 698–701.
8. Белов В.В., Гриднев Ю.В., Капустин В.В., Козлов В.С., Кудрявцев А.Н., Курячий М.И., Мовчан А.К., Рахимов Р.Ф., Панченко М.В., Шмаргунов В.П. Экспериментальная оценка частотно-контрастных характеристик активно-импульсных телевизионных систем видения в условиях повышенной мутности аэрозольных сред // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 9. С. 771–775; Belov V.V., Gridnev Yu.V., Kapustin V.V., Kozlov V.S., Kudryavtsev A.N., Kuryachii M.I., Movchan A.K., Rakhimov R.F., Panchenko M.V., Shmargunov V.P. Expe­rimental estimation of frequency-contrast characteristics of active pulsed television systems under conditions of enhanced turbidity of aerosol media // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 1. P. 103–108.
9. WHO (2003). Health aspects of air pollution with particulate matter, ozone and nitrogen dioxide. World Health Organization, 2003. URL: http://www.euro.who.int/ document/e79097.pdf (last access: 11.05.2019)
10. WHO. Regional Office for Europe. (2006). Air quality guidelines global update 2005: particulate matter, ozone, nitrogen, dioxide and sulfur dioxide. Copenhagen: WHO Regional Office for Europe URL: https://apps.who.int/ iris/handle/10665/107823 (last access: 11.05.2019)
11. WHO (2013). Health effects of particulate matter. Policy implications for countries in Eastern Europe, Caucasus and central Asia. World Health Organization, 2013. URL: http://www.euro.who.int/en/health-topics/environment-and-health/air-uality/publications/ (last access: 11.05.2019)
12. GAW Report, 153. WMO/GAW aerosol measurement procedures: guidelines and recommendations. 2003. (WMO TD No. 1178). 67 p.
13. Розенберг Г.В. Определение микрофизических параметров золя по данным комплексных оптических измерений // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1976. Т. 12, № 11. С. 1159–1167.
14. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974. 224 с.
15. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1986. 256 с.
16. Горчаков Г.И., Емиленко А.С., Лыкосов Е.А., Толстобров В.Г. Об определении коэффициента преломления частиц по поляризации рассеянного туманной дымкой света // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1976. Т. 12, № 2. С. 144–150.
17. 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.
18. Zhao F., Gong Z., Hu H., Tanaka M., Hayasaka T. Simultaneous determination of the aerosol complex index of refraction and size distribution from scattering measurements of polarized light // Appl. Opt. 1997. V. 36. P. 7992–8001.
19. Zhao F. Determination of the complex index of refraction and size distribution of aerosols from polar nephelometer measurements // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 2331–2336.
20. 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.
21. Veretennikov V.V., Kozlov V.S., Naats I.N., Fade­ev V.Ya. Optical studies of smoke aerosols: an inversion method and its applications // Opt. Lett. 1979. V. 4. P. 411–413.
22. Tanaka M., Nakajima T., Takamura T. Simultaneous determination of complex refractive index and size distribution of airborne and water-suspended particles from light scattering measurements // J. Meteorol. Soc. Jpn. 1982. V. 60, N 6. P. 1259–1271.
23. Verhaege C., Shcherbakov V., Personne P. Limitations on retrieval of complex refractive index of spherical particles from scattering measurements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2008. V. 109, N 14. P. 2338–2348.
24. Verhaege C., Shcherbakov V., Personne P. Retrieval of complex refractive index and size distribution of spherical particles from Dual-Polarization Polar Nephelometer data // JQSRT. 2009. V. 110, N 14–16. P. 2338–2348.
25. Рахимов Р.Ф., Козлов В.С., Шмаргунов В.П. О временной динамике комплексного показателя преломления и микроструктуры частиц по данным спектронефелометрических измерений в смешанных дымах // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 10. С. 887–897; Rakhimov R.F., Kozlov V.S., Shmargunov V.P. On time dynamics of the complex refractive index and particle microstructure according to data of spectronephelometer measurements in mixed-composition smokes // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 1. P. 51–61.
26. Рахимов Р.Ф., Козлов В.С., Тумаков А.Г., Шмаргунов В.П. Оптические и микрофизические свойства смешанного дыма по данным поляризационных спектронефелометрических измерений // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 1. С. 59–68.
27. Козлов В.С., Рахимов Р.Ф., Шмаргунов В.П. Изменчивость конденсационных свойств смешанного дыма горения биомассы на различных стадиях его эволюции // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 10. С. 846–855; Kozlov V.S., Rakhimov R.F., Shmargunov V.P. Variations in condensation properties of mixed smoke from biomass burning at different smoke evolution stages // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 1. P. 9–18.
28. Nakajima T., Tanaka M., Yamauchi T. Retrieval of the optical properties of aerosols from aureole and extinction data // Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 2951–2959.
29. Romanov P., O’Neill N.T., Royer A., McArthur B.L.J. Simultaneous retrieval of aerosol refractive index and particle size distribution from ground-based measurements of direct and scattered solar radiation // Appl. Opt. 1999.V. 38. P. 7305–7320.
30. 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, N D16. P. 20673–20696.
31. Dubovik O., Smirnov A., Holben B.N., King M.D., Kaufman Y.J., Eck T.F., Slutsker I. Accuracy assessments of aerosol optical properties retrieved from Aerosol Robotic Network (AERONET) Sun and sky radiance measurements // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N D8. P. 9791–9806.
32. Li Z., Goloub P., Devaux C., Gu X., Deuzé J.-L., Qiao Y., Zhao F. Retrieval of aerosol optical and physical properties from ground-based spectral, multi-angular, and polarized sun-photometer measurements // Remote Sens. Environ. 2006. V. 101, N 4. P. 519–533.
33. Горчаков Г.И., Емиленко А.С., Свириденков М.А. Одно­параметрическая модель приземного аэрозоля // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1981. Т. 17, № 1. С. 39–49.
34. Веретенников В.В., Кабанов М.В., Панченко М.В. Микрофизическая интерпретация однопараметрической модели поляризационных индикатрис (дымка прибрежного района) // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1986. Т. 22, № 10. С. 1042–1049.
35. Свириденков М.А. Корреляционные связи между оптическими характеристиками и микроструктурой приземного аэрозоля // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 5–6. С. 418–421.
36. 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.
37. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Методика определения микрофизических параметров стратосферного аэрозоля по результатам спутникового и наземного многочастотного зондирования // Исслед. Земли из космоса. 2011. № 6. С. 21–33.
38. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Спектронефелометрические методы определения микрофизических характеристик пыли в аспирационном воздухе и отходящих газах цементных производств // Журн. прикл. спектроскопии. 2012. Т. 79, № 1. С. 66–76.
39. 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; Lisenko S.A., Kugeiko M.M. Nephelometric method for measuring mass concentrations of urban aerosols and their respirable frac­tions // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 6. P. 587–595.
40. Веретенников В.В., Меньщикова С.С. Годовой цикл в изменчивости микроструктурных параметров аэрозоля по данным солнечной фотометрии // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 12. С. 1035–1041; Veretenni­kov V.V., Men’shchikova S.S. Annual cycle in the variability of aerosol microstructure parameters according to solar photometry data // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 2. P. 126–132.
41. 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; Veretennikov V.V. Retri­eval of microstructure parameters of coarse-mode aerosol using their regression relationships with spectral extinction of light in the IR // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 6. P. 555–563.
42. Веретенников В.В., Меньщикова С.С. Особенности восстановления микроструктурных параметров аэрозоля из измерений аэрозольной оптической толщины. Часть I. Методика решения обратной задачи // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 4. С. 306–312; Veretennikov V.V., Men’shchikova S.S. Features of retrieval of microstructural parameters of aerosol from measurements of aerosol optical depth. Part I. Technique for solving the inverse problem // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 6. P. 473–479.
43. URL: https://aeronet.gsfc.nasa.gov/ (last access: 11.04.2019)
44. Веретенников В.В. Межгодовая изменчивость микроструктурных параметров аэрозоля по данным солнечной фотометрии в Томске // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 8. С. 705–715; Veretennikov V.V. Interannual variations in aerosol microstructure para­meters according to data of sun photometer measurements in Tomsk // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 6. P. 564–573.
45. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: ИЛ, 1961. 536 с.
46. 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.
47. Veretennikov V.V. Reconstruction of microstructure parameters of the coarsely dispersed aerosol from spectral measurements of the aerosol optical thickness during a one-year observation period from their regression relations using a finite sample // Proc. SPIE. 23 Intern. Sympos. Atmos. Ocean Opt.: Atmos. Phys. 2017. V. 10466. P. 10466-170. 10466 3L.
48. URL: http://lop.iao.ru/RU/tor/MeteoandGas/ (last access: 11.04.2019)