Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Потапова, Ирина Александровна

ВВЕДЕНИЕ 4 1.Обратная задача интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля

1.1. Задача определения оптических параметров атмосферы

1.2. Оценка аэрозольной микроструктуры по лидарным данным

Выводы

2. Методы интерпретации сигналов обратного рассеяния

2.1. Традиционный подход к интерпретации лидарной информации

2.2. Строгое решение лидарного уравнения

2.3. Интегральное решение лидарного уравнения

2.4. Моделирование оптических свойств аэрозольных частиц

Выводы 46 2. Эффективность интегрального метода лидарного кроссзондирования атмосферного аэрозоля

3.1. Анализ эффективности метода

3.2. Результаты анализа эффективности трехпозиционных схем зондирования

3.3. Результаты анализа эффективности схем зондирования различной позиционности

3.4. Эффективность схем кросс-зондирования неоднородной атмосферы 66 Выводы 71 3. Результаты применения интегрального метода обработки данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля

4.1. Интерпретация результатов лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения городских автомагистралей

4.2. Результаты применения интегрального метода для обработки данных Комплексного ленинградского эксперимента

4.3. Результаты обработки данных эксперимента АВТОЭКС

4.4. Интерпретация результатов самолётного лидарного зондирования атмосферы

4.5. Результаты интерпретации данных лидарного зондирования неоднородной атмосферы

4.6. Результаты определения характеристик микроструктуры аэрозоля атмосферы

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы"

Процесс хозяйственной деятельности человека вызывает рост загрязнения воздушного бассейна. В настоящее время в практике определения концентраций загрязняющих веществ используются, в основном, контактные методы измерений. Недостаток этих методов состоит в том, что они дают возможность определять локальные значения характеристик загрязнения атмосферы. В частности, оптическими счетчиками частиц и фильтровыми аспирационными устройствами измеряются параметры аэрозоля лишь в непосредственной близости от этих приборов, что не позволяет оперативно определять пространственное распределение загрязняющих компонентов.

Для определения пространственного распределения атмосферного аэрозоля, газовых компонентов атмосферы, для измерения метеорологической дальности видимости в нашей стране и за рубежом интенсивно разрабатываются методы дистанционного лазерного (лидарного) зондирования среды. Применение лидар-ных методов для мониторинга состояния атмосферы целесообразно в связи с тем, что они обеспечивают дистанционность, высокое пространственное разрешение и оперативность выполнения измерений, т.о. лидарная информация о природной среде важна для решения проблемы экологического мониторинга, в том числе, при возникновении чрезвычайных ситуаций, когда отсутствует доступ к объектам мониторинга и его выполнение использующимися методами контактных измерений невозможно.

Вместе с тем, разработка метода лидарного зондирования атмосферы предполагает решение обширной комплексной научной проблемы, предусматривающее учет ряда особенностей приемопередающей аппаратуры, физических особенностей аэрозольных частиц и распространения излучения в рассеивающей среде, а также решение проблемы интепретации лидарной информации. Успешное развитие лидарной техники привело к необходимости сконцентрировать усилия на решении методических задач.

Работа посвящена проблеме интерпретации результатов зондирования атмосферы лидарными системами и направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного воздуха.

Решение проблемы совершенствования методов дистанционного зондирования атмосферы, в настоящее время, приобретает особую актуальность. Принципиальная трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы, обусловлена неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов и математической некорректностью обратной задачи. Эти особенности негативно сказываются на достоверности определения искомых величин и существенно усложняют проблему. Несмотря на многочисленные попытки её решения, получаемая лидарная информация позволяет лишь качественно описать состояние среды.

Таким образом, на современном этапе создания технологии дистанционного лазерного мониторинга аэрозоля приоритетным является решение проблемы получения количественной информации методами лидарного зондирования атмосферы.

Состояние вопроса. Лидарное зондирование атмосферы относится к наиболее активно развиваемым направлениям геофизики. Важные для решения проблемы результаты получены многими исследователями. В настоящее время достигнуты значительные успехи в решении обширной комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения физических свойств аэрозольных частиц, концентраций газовых компонентов, загрязняющих атмосферу. Удалось решить ряд вопросов, связанных с геометрическими особенностями приемопередающей схемы лазерных устройств; особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, в том числе, связанными с обеспечением требуемой ширины полосы пропускания; особенностями, связанными с чувствительностью приемной аппаратуры, длительностью и формой зондирующего импульса, кратностью рассеяния лазерного излучения частицами аэрозоля; особенностями распределения аэрозольных частиц по размерам, их структуры, химического состава и др.

Решению проблемы лидарного зондирования атмосферы, учитывающему перечисленные и другие особенности, посвящены многочисленные статьи и монографии /1-6/. Развитие методов лидарного зондирования атмосферы невозможно без учета достижений в области исследования распространения лазерного излучения в среде, включая исследования влияния кратности рассеяния на перенос лазерного излучения, в области развития ли-дарной техники, в направлении исследования оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц и других направлениях /7-17/.

Вместе с тем, требуются дальнейшие усилия в области разработки методов интерпретации лидарной информации. Существенная трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы /18/, обусловлена неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов. Это уравнение связывает эхо-сигнал (си гнал обратного рассеяния), принимаемый лидаром, с оптическими параметрами атмосферы. Приходится решать задачу со многими неизвестными. Обращаемое уравнение содержит более чем одну величину, неизвестную во многих точках пространствах (два неизвестных коэффициента: коэффициент ослабления и коэффициент обратного рассеяния) и не может быть решено относительно неизвестных величин без введения дополнительных априорных предположений. В частности, вводятся предположения об оптической однородности среды вдоль трассы зондирования, о зависимости между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния и др. /19-23/. Однако достоверность определения искомых параметров часто оказывается недостаточной при применении этого традиционного подхода к интерпретации лидарных данных (подхода, основанного на решении неопределенной обратной задачи оптической локации). Это снижает точность определения искомых величин, а требование реалистичности предположений существенно усложняет проблему. Проблема, связанная с неоднопараметричностью лидарного уравнения, обращаемого в процессе интерпретации (с неполнотой информации), и с некорректностью обратной задачи, решается посредством привлечения априорных данных о состоянии атмосферы, которые невозможно проверить в рамках существующих методов. Это негативно сказывается на достоверности определения прозрачности метеообразований, концентраций частиц и других характеристик среды и является существенным недостатком известного подхода. Информативность лидарных измерений оказывается особенно низкой при зондировании неоднородной атмосферы.

В настоящее время развиваются два альтернативных направления решения данной проблемы: направление однопозици-онного зондирования, базирующееся на традиционных допущениях о состоянии среды, вводимых для решения неоднопара-метрического лидарного уравнения локации /24-36/, и новое нетрадиционное направление неоднопозиционного зондирования, включающее разработку методов, основанных на строгом решении обращаемого уравнения /37-52/. Оно отличается геометрической схемой зондирования исследуемого объема атмосферы: не по одной, а по различным пересекающим его трассам. Нетрадиционные методы дистанционного зондирования не предполагают введения априорных допущений в целях повышения достоверности результатов измерений. Однако она часто недостаточно высока, поскольку строгое решение является дифференциальным.

Сложность учета рассмотренных особенностей лидарного определения оптических характеристик атмосферы в проблеме интерпретации данных зондирования дополняется сложностью параметризации оптико-микроструктурных свойств аэрозольных частиц.

Задача нахождения этих связей особенно сложна в условиях загрязненной атмосферы крупных городов, а также вблизи от них. При ее решении следует учитывать существование различных источников аэрозоля, поставляющих в атмосферу частицы, различающиеся по размеру, химическому составу, оптическим свойствам. Соответственно источникам атмосферный аэрозоль можно разделить на фракции /53/. Источником фракций мелких частиц являются промышленные и транспортные выбросы. Концентрации этих частиц определяют оптические характеристики аэрозоля, что дает возможность использования оптических методов измерений их параметров. Вместе с тем, микрооптические характеристики аэрозоля техногенного происхождения, найденные на основании анализа обширного экспериментального материала, часто не удается удовлетворительно описать с использованием традиционных моделей частиц. Для объяснения результатов анализа и использования их при разработке методов зондирования важно предложить реалистическую оптическую модель частицы. Наряду с недостаточной исследованностью микрооптических свойств аэрозольных частиц сложность проблемы обусловлена значительной пространственно-временной изменчивостью характеристик атмосферного аэрозоля.

Источник крупных частиц - подстилающая поверхность. Оптические свойства аэрозоля зависят от содержания этой фракции в меньшей степени.

Зависимость результатов измерений от количества фракций и микрооптических свойств частиц негативно сказывается на достоверности этих результатов.

Отмеченные обстоятельства не позволяют эффективно обработать имеющиеся и получаемые экспериментальные данные. Остаются существенные трудности в решении проблемы инте-претации лидарной информации, (на достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности обратной задачи, решаемой в процессе интерпретации: ее неопределенность и некорректность), целесообразна разработка методов обработки сигналов лидарного зондирования, сочетающих достоинства традиционного и нетрадиционного подходов, учитывающего особенности атмосферного аэрозоля, актуален анализ накопленного экспериментального материала /54-58/ на основе этих методов.

Цель работы - повышение достоверности результатов интерпретации лидарной информации на основе применения интегральных алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на строгом решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, реалистическом описании физических свойств аэрозольных частиц. Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования неоднородной атмосферы, не требующего привлечения непроверяемой априорной информации и процедуры непосредственного дифференцирования сигналов обратного рассеяния. В отличие от традиционного подхода рассматривается статистическое интегральное решение обратной задачи многолучевого лидарного зондирования среды. Решение предназначено для практики лидарного определения атмосферных загрязнений и метеорологической дальности видимости.

Основные задачи исследования, которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:

- анализируются особенности методов, применяемых для определения параметров атмосферного аэрозоля, и разрабатываются схемы обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;

- оценивается эффективность методов лидарного зондирования атмосферы, и предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы;

- осуществляется моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн облучаемыми структурами, необходимое для уточнения микрооптических характеристик аэрозоля, с учетом экспериментальных данных;

- анализируется наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения экспериментов /55, 58/, позволяющий учесть при исследовании и разработке схем обработки лазерных сигналов особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы;

- выполняется сравнительный анализ данных лидарных, трансмиссометрических и других измерений, выполненных в Ленинградской области и в разнообразных других условиях (в крупном промышленном центре, пустынной, горной зонах) в целях расширения области применимости разрабатываемых схем.

Научная новизна работы. К основным научным результатам работы, в которой систематизируются и обобщаются итоги исследований, включая интерпретацию данных натурных экспериментов (Комплексного ленинградского эксперимента - КЛЭ, Советско-американского эксперимента АВТОЭКС и др.), авиалидар-ного зондирования, относятся:

- установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования;

- построены новые интегральные решения неоднопарамет-рического лидарного уравнения, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния;

- на основе найденных решений лидарного уравнения на уровне изобретений разработаны методы неоднопозиционного лидарного зондирования;

- показано, что эффективность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости; для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходимо сочетание строгого и интегрального решений лидарного уравнения и учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния;

- показано, что повышение достоверности результатов интерпретации данных лидарного зондирования нетрадиционными методами достигается посредством привлечения апостериорной информации.

Основные положения, выносимые на защиту:

- основы метода лидарного зондирования, осуществляемого в неоднородной атмосфере вдоль трасс, пересекающихся в точках, принадлежащих исследуемому объему;

- интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и предназначенные для обработки сигналов неоднопози-ционного лидарного зондирования атмосферы;

- схемы лидарного зондирования атмосферы с апосте-риорно проверяемой эффективностью, предназначенные для достижения приемлемых погрешностей интерпретации данных эксперимента.

Достоверность полученных результатов обеспечивается тем, что в работе используется подход, базирующийся на строгом решении лидарного уравнения, являющегося следствием фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных средах, причем данное решение не предполагает введения традиционных непроверяемых априорных допущений. Разработка методов лидарного зондирования производится на основе найденных решений и с учетом данных натурных экспериментов. Установлена сопоставимость результатов определения характеристик атмосферы лидарными методами и традиционными контактными методами измерений.

Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты использованы для интепретации данных натурных экспериментов и могут быть использованы для целей совершенствования лазерных технических средств, предназначенных для определения дальности видимости на аэродромах, для наземного и авиалидарного мониторинга загрязнения атмосферы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на конференции-выставке "Экология и современные технологии" (Санкт-Петербург, 1995), на Четвертой международной школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1995), на семинаре Российского аэрозольного общества (Санкт-Петербург, 1997), на Международном конгрессе PARTEC 98 (Нюрнберг, 1998), на семинаре "Аналитическое приборостроение для энергетики и точного машиностроения" (Сосновый Бор, Ленинградская область, 2001), на III Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2001).

Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в 15 научных трудах и изобретениях:

- Способ оптического определения концентрации газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1781656 // Бюл. изобр. - 1992. -№ 46;

- Способ определения концентрации газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1797358 II - 1992. ;

- Способ определения концентраций газовых компонентов атмосферы. А.с. № 1822946 // Бюл. изобр. - 1993. - № 23;

- Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля // В кн.: IV Школа-семинар-выставка "Лазеры и современное приборостроение" (Тезисы докладов.). СПб - 1996;

- Лазерное многолучевое определение метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.). Москва - 1999;

- Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) II В кн.: Ill Международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб - 2001; в соавторстве с Егоровым А.Д.:

- Вопросы повышения эффективности интерпретации ли-дарной информации // В кн "Альтернативные направления интерпретации лидарной информации". - СПб - 1993;

- Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб.- 1994;

- Способ определения концентрации газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 II Бюл. изобр. - 1994. - № 14;

- Способ определения профиля коэффициента ослабления на заданном участке атмосферы. Патент РФ № 2018104 // Бюл. изобр. - 1994. - № 15;

- Способ определения коэффициента ослабления в центре участка неоднородной атмосферы. Патент РФ № 2041475 // Бюл. изобр. - 1995. - № 22;

- Comparative analysis of multipositional remote sensing techniques // Image processing, and synthetic Aperture Radar for Remote sensing, proc. of SPIE. -1997. - v.3217; в соавторстве с Егоровым А.Д., Образцовым С.П.;

- Inuniform particle sizing by optical counter // PARTEC 98 7th European Symposium Particle Characterization, Nürnberg: Nürnberg Messe GmbH - 1998. - pp.863-866 // Abstracts, p.93; в соавторстве с Егоровым А.Д., Щукиным Г.Г.:

- Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. - 2001. - том 68. - №11; в соавторстве с Егоровым А.Д., Синькевичем A.A.:

- Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник трудов "Системы и устройства передачи, получения и обработки информации". - 2001. - в печати.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы - 115 наименований, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 138 страниц текста, включая 16 таблиц, 15 рисунков.

1. Обратная задача интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Потапова, Ирина Александровна

Выводы

Установлено, что для лидаров на основе рубинового лазера, применявшихся в экспериментах, данные которых анализировались в работе, случайная погрешность как дифференциального так и интегрального метода определения коэффициента ослабления не превышает 0,2/D, где D - пространственная протяженность участка зондирования.

На основе интегрального решения лидарного уравнения была выполнена интерпретация данных неоднопозиционного лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения двух автомагистралей: пр.Непокоренных и Пискаревского пр. Коэффициент ослабления составил (январь-февраль) 0,7-3,0 км"1, что в 2-3 раза превышает его значение вдали от автомагистралей, найденное в КЛЭ. Концентрации частиц, размеры которых больше 0,4 мкм, изменялись в пределах 70-300 см"3.

Анализ результатов зондирования в эксперименте АВТОЭКС показал, что коэффициент обратного рассеяния в районе центральной части Киевского шоссе был в 2-3 раза выше его значения вдали от автомагистралей. Этот факт в сочетании с соответствующим соотношением коэффициентов ослабления позволяет осуществлять интерпретацию лидарных данных с учетом существования приблизительно линейной связи этих коэффициентов в рассматриваемых условиях.

Для более полного описания результатов зондирования неоднородной атмосферы был применен новый метод, основанный на строгом решении лидарного уравнения, интегральном решении Клетта и включающий в себя процедуру определения начальных условий и связи между коэффициентом ослабления и обратного рассеяния. Факт существования степенной связи показал выполненный в работе анализ данных лидарного зондирования вблизи п.Сиверский (Ленинградская область). Оказалось, что степень варьирует в широких пределах (1-3). Это важно учитывать для достижения достоверности результатов лидарного определения искомых оптических параметров атмосферы.

Для условий рассмотренных экспериментов осуществлено моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн, основанное на решении уравнений Максвелла. Моделирование оказалось эффективным для решения проблемы дифракции в случае сферических частиц, составленных из однородного ядра и неоднородной оболочки. Результаты моделирования позволили сделать вывод о большей стабильности микрооптических параметров частиц субмикронной фракции по сравнению с крупными частицами. Это объясняет результаты измерений, которые дали возможность установить корреляцию коэффициента ослабления с концентрацией частиц (в п.Воейково, С.-Петербурге, Репетеке, Абастумани), что важно для практики лидарного мониторинга атмосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе усовершенствованы методы решения обратной задачи дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля, основанные на строгом решении лидарного уравнения и учитывающие, что алгоритм, включающий процедуру дифференцирования (дифференцирования со сглаживанием) отличается значительной случайной погрешностью. Установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования. Эффективность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости. Должны выполняться критерии, основанные на этом решении. В частности, для однородной атмосферы различие производных сигналов, принятых с различных направлений не должно быть значимым.

Для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходим учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния.

Найдены новые решения лидарного уравнения, на основе которых на уровне изобретений разработаны методы неоднопо-зиционного лидарного зондирования. Предложены методики наземного и самолетного зондирования атмосферного аэрозоля, включающие интегрирование лидарных сигналов, принятых в направлениях, дополнительных к традиционным направлениям зондирования. В предложенных методиках обработки лидарных сигналов интегральные решения выступают в качестве соотношений, связывающих между собой определяемые коэффициенты ослабления и обратного рассеяния. В отличие от известных алгоритмов обработки сигналов неоднопозиционного лидарного зондирования, основанных на дифференциальных решениях, область применимости интегральных решений распространяется как на однородную, так и на неоднородную атмосферу.

Выполнено исследование эффективности нетрадиционного подхода, включая численный анализ информативности разработанных методов, их чувствительности к ошибкам в исходных данных, моделирование случайных и систематических погрешностей определения искомых величин, проанализирована погрешность решения системы интегральных уравнений неоднопозиционного зондирования. В это решение введены параметры, которые выбираются из условия минимума погрешности определяемых величин. Для типичных атмосферных условий выполнено сравнение различных схем зондирования (треугольная схема, схема четырехпозиционного зондирования) и эффективности измерений в различных вершинах этих схем. Исследование выполнено как для типичных параметров атмосферы, так и для реалистических характеристик лидара.

Проанализирован значительный наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения натурных экспериментов с

1968 г. по 1991 г. Оценена случайная погрешность метода определения коэффициента ослабления для лидаров на основе рубинового лазера, применявшихся в экспериментах, данные которых анализировались в работе. Это позволило учесть особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы при исследовании и разработке схем обработки эхо-сигналов.

На основе интегрального решения лидарного уравнения была выполнена интерпретация данных неоднопозиционного лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения двух автомагистралей (пр.Непокоренных и Пискаревского пр.), результатов измерений в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ, данных зондирования неоднородной атмосферы вблизи п.Сиверский (Ленинградская область)

Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1. Анализ данных, полученных в натурных экспериментах, показал, что строгое решение может быть реализовано лишь в условиях достаточно однородной атмосферы, когда выполняются критерии однородности, основанные на этом решении.

2. Найдены новые решения неоднопараметрического лидарного уравнения, включая решение системы интегральных уравнений неоднопозиционного зондирования. Система связывает неизвестные коэффициенты ослабления и обратного рассеяния атмосферы в точках замкнутых многоугольников, сформированных пересечением трасс зондирования. Предложенный подход позволяет находить функции, связывающие искомые оптические коэффициенты.

3. Показано, что случайная погрешность неоднопозицион-ных лидарных измерений, обеспечивающих исключение систематической погрешности, многократно превышает случайную погрешность однопозиционных измерений. В решение удалось ввести весовые коэффициенты, регулирующие случайную и систематическую погрешности измерений. При этом случайная погрешность метода неоднопозиционного зондирования снизилась до уровня случайной погрешности однопозиционных измерений, а систематическая погрешность измерений оказалась в несколько раз меньше, чем ее величина, характерная для распространенных в настоящее время методов.

4. Анализ данных неоднопозиционного лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения двух автомагистралей (пр.Непокоренных и Пискаревского пр.) и результатов зондирования в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ показал возможность приближенного решения обратной задачи в рассматриваемых условиях с введением линейной связи между оптическими коэффициентами.

5. Анализ данных лидарного зондирования вблизи п.Сиверского (Ленинградская область) выявил существование степенной связи между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния. Оказалось, что степень варьирует в широких пределах (1-3). Это важно учитывать для достижения достоверности результатов лидарного определения искомых оптических параметров неоднородной атмосферы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Потапова, Ирина Александровна, Санкт-Петербург

1. Зуев В.Е. Лазер-метеоролог // Л.: Гидрометеоиздат. -1974. - с.179.

2. Иванов А.П. Методы лазерного зондирования атмосферы // Квантовая электроника и лазерная спектроскопия. 1974. - № 12. - с.381-406.

3. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии // Л.: Гидрометеоиздат. 1973. - 343 с.

4. Захаров В.М., Костко O.K. Метеорологическая лазерная локация // Л.: Гидрометеоиздат. 1977. - с.222.

5. Хинкли Э.Д. Лазерный контроль атмосферы // М.: Мир. 1979. - с.416.

6. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование // М.: Мир. 1987. - с.550.

7. Самохвалов И.В. Уравнение лазерного зондирования неоднородной атмосферы с учетом двукратного рассеяния II Изв.АН СССР.ФАО, 1979 - т.15, - с.1271-1279.

8. Самохвалов И.В. Теория двухкратного рассеяния и её приложения к задачам лазерного зондирования аэрозоля II Дистанционные методы исследования атмосферы. Новосибирск: Наука. 1980. - с.90-134.

9. Jinhuan Q., Quenzel Н., Wiegner М. Parameterized multiple- scatter lidar equation and its application // 15th ILRC ( Abstract, P.I. ). Tomsk. 1990,- pp.345-348.

10. Польский Ю.Е. Лидарные комплексы: современное состояние и перспективы // Оптика атмосферы. 1988. - т.1. -№ 8. - с.3-12.

11. Waggoner А.P. Weiss R.E. Comparison of Fine Particle Mass Concentration and Light Scattering Extinction in Ambient Aerosol // Atmos. Enviroment. 1980. - v.14. pp.623-626.

12. Collis R.T.H. and Russel P.B. Lidar Measurements of Particles and Gases by Elastic Backscattering and Differential Absorption, in Laser Monitoring of the Atmosphere // Berlin.: Sprinder-Verlag. 1976. - pp.71-151.

13. Malm W.C., Molenar J.V., Eldred R.A. and Sisler J.F. Examinig the relationship among atmospheric aerosols and light scattering and extinction in the Grand Canyon area // J. Geophys, Res. 1996. - v. 101 - pp. 19251-19265.

14. Charlson R.J. Atmospheric Visibility Related to Aerosol Mass Concentration: a Review // Environmental Science and Technology. 1969. - v.3, No 10. - p.913-918.

15. Ensor D.S., Pilat M.J. The Relationship between the Visibility and Aerosol properties of Smoke-stack Plumes // J.Air Poll.Control Assoc. 1971. - v.21. - p.496-501.

16. Брюханова В.В., Самохвалов И.В., Тихомиров А.А. Определение характеристик атмосферного аэрозоля с помощью лидара многократного рассеяния // Сборник докладов Всероссийской научной конференции

17. Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами". Муром. -2001. - с.420-425.

18. Russell Р.В., Swissler T.J. and McCormick M.P. Methodology for error analysis and simulation of lidar aerosol measurements //Appl. Opt.- 1979. v.18. - pp.3783-3797.

19. Kohl R.H. "Discussion of interpretation problem encountered in single-wavelength lidar transmissometers" // J.Appl.Meteorol. 1978. - v.17. - pp. 1034-1038.

20. Barret E.W., Ben-Dov O. Application of the lidar to air pollution measurement // J.Appl.Meteor. 1967. - v.6. - No.3. -pp.500-509.

21. Kano J.M. On the determination of backscattered and extinction coefficient of the atmosphere by using a laser radar // Papers Meteorology and Geophysics 1968. - v.19. - No.1. -p.121-129.

22. Viezee W., Uthe E. and Collis R.T.H. Lidar observations of airfield approach conditions: an explanatory study // J.Appl.Meteor. 1969. - v.8 - pp.274-283.

23. Frederick G., Fernald F.G. Benjamin M.H. and John A.R. Determination of Aerosol Height Distributions by Lidar // Appl. Meteor. 1972. - v.11,№5. - pp.482-489.

24. Захаров B.M., Портасов B.C., Жигулева И.С. Методические вопросы лазерной локации аэрозольнойатмосферы // Радиофизические исследования атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. - с.61-62.

25. Brown, R.T.Jr., A new lidar for meteorological application // J.Applied Meteorology. 1973. - v.12. - p.698-708.

26. Бурд A.M., Вильнер В.Г., Майоров Э.П., Мотенко Б.М. Способ определения коэффициента рассеяния атмосферы Авт. свид. №553562 (СССР). // Бюлл. изобретений. 1977. -№13.

27. Балин Ю.С., Самохвалов И.В. Статистические характеристики вертикальной структуры обратного рассеяния в нижней тропосфере // Изв. АН.СССР. ФАО. -1983. т.19. - №9. - с.937-943.

28. Bissonnette L.R. Sensitivity analysis of lidar inversion algorithms // Appl. Opt. v.25. 1986. - pp.2122-2125.

29. Kaestner M. Lidar inversion with variable backscatter / extinction rations: comment // Appl. Opt. 1986. - v.25. -pp.833-835.

30. Balin Yu.S. Kavkyanov S.I., Krekov G.M. and Rasencov I.A. Noise -proof inversion of lidar equation // Opt. Lett. -1987. v.12. - pp.13-15.

31. Jinhuan Q. Sensitivity of lidar equation solution to boundary values and determination of the values // Adv. Atmos. Sci. 1988,- v.5 - pp.229-241.

32. Balin Yu.S. Kavkyanov S.I., Rasencov I.A. Lidar Studies of Aerosol Fields over Industrial Areas // 15 International Laser Radar Conference (P. II.), Tomsk, - 1990, - pp.92-94.

33. Belan B.D., Panchenko M.V., Protasov N.I., Terpugova S.A., and Tolmachev G.N. Vertical Structure of Optical and Microphysical Characteristics of Dust Aerosol // 15 International Laser Radar Conference (P. II.), Tomsk, - 1990, -pp.95-96.

34. Carswell A.I. Lidar remote sensing of atmospheric aerosols //Proc. SPIE. -.1990. v.1312. - pp.206-220.

35. Guasta M.D., Balestri S., Castagnoli F. Stefanutti L. Barbaro A. Integration of backscattering-LIDAR and ground-based meteorological and pollution data in Florence (Italy) // SPIE. 1997. - v.3104. - pp.73-75.

36. Devara P.C.S., Maheskumar R.S., Pandithurai G. and Dani K.K. Pre-sunrise and Post-sunrise Differences in Tropical Urban Aerosol Distributions as Observed with Lidar and Solar Radiometers // PARTEC. 1998. - pp.829-833.

37. Бурлов Г.М. Способ определения показателя обратного рассеяния атмосферы. A.c. №363061 (СССР) // Бюлл. Изобр., 1973. - №3.

38. Балин Ю.С., Матвиенко Г.Г,. Самохвалов И.В. Способ определения оптических характеристик атмосферы. Авт. свид. №538313 (СССР). // Бюлл. изобретений. 1976. -№45.

39. Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Двухлидарный метод определения оптических характеристик атмосферы // VI Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Тезисы докладов. - Томск. - ч.1. - 1980. - с.126-129.

40. Егоров А.Д. Зондирование атмосферы оптическими системами // Труды ГГО. 1982. - Вып.462. - с.68-70.

41. Кугейко М.М., Сергеев Н.М., Ашкинадзе Д.А. О возможностях измерения оптических характеристик рассеивающих сред с помощью подвижных лидаров // Изв. АН.СССР. ФАО. 1982. - т.18. - №12. - с.1296-1302.

42. Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред. A.c. №966639 (СССР) II Бюлл .изобр., 1982. - №38.

43. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Особенности оптического зондирования атмосферного аэрозоля и облаков // Труды IX Всесоюзного симпозиума по лазерномуи акустическому зондированию атмосферы. Томск. - 1987. -с.324-326.

44. Веретенников В.В. Метод томографического зондирования в лидарных исследованиях атмосферы // Оптика атмосферы. 1989. - Т.2,№8. - с. 851-856.

45. Веретенников В.В. О решении уравнений лидарного томографического зондирования атмосферы // Оптика атмосферы. 1991. - Т.4,№6. - с. 638-644.

46. Веретенников В.В. К теории томографического зондирования атмосферы с использованием двух лидаров // Оптика атмосферы. 1991. - Т.4, №7. - с. 675-680.

47. Егоров А.Д. Альтернативные направления интерпретации лидарной информации // Спб. ГГО. - 1993. -с.81.

48. Егоров А.Д., Ковалев В.А., Степаненко В.Д., Щукин Г.Г. Лидарное зондирование аэрозоля и газовых компонентов атмосферы нетрадиционными методами // Труды XI симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. -Томск. 1993. - с.137-140.

49. Yegorov, A.D., Kopp, I.Z. & Perelman, A.Y. Air aerosol pollution and lidar measurements // Proc. SPIE "Lidar and Atmospheric Sensing", 2505. 1995. - pp.38-43.

50. Кугейко M.M., Оношко Д.М. К теории томографического зондиривания II Оптика атмосферы и океана. 1998,- Т11, №2. С.1-5.

51. Willeke К., Whitby К.Т. Atmospheric aerosols: size distribution interpretation II J.Air Poll.Control Assoc. 1975.-v.25, N 5,- p.529-534.

52. Егоров А.Д., Ионин В.А. Сравнительный анализ оптико-микроструктурных характеристик аэрозольных частиц // В кн.: XI Всесоюзное совещание по актинометрии (Тезисы докладов, 4.V). Таллин. 1980. - с.66-69.

53. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Некоторые особенности лидарного зондирования аэрозолей // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Т.III. М.: Гидрометеоиздат. -1981. - с.42-48.

54. Егоров А.Д., Ионин В.А., Матросов С.Ю. Сравнительный анализ аэрозольной микроструктуры // В кн.:

55. Комплексный советско-американский эксперимент по исследованию фонового аэрозоля. Л.: Гидрометеоиздат. 1986. - с.50-53.

56. Yegorov A.D., Boitzov P.P., Stepanenko V.D. and Shumakov L.I. Lidar sensing of the lower atmospheric layer around a highway // Proceedings of the Soviet-American Simposium on mobile-source air pollution (AUTOEX,v.20). -1992.-pp.102-124.

57. Klett J.D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns // Appl.Opt. 1981. - vol.20. - № 2. -pp.211-220.

58. Ferguson J.A. and Stephens D.H. Algorithm for inverting lidar returns //Appl. Opt. 1983.- v.22. - pp.36733675.

59. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: some comments // Appl. Opt. v.23. - 1984. -pp.652-653.

60. Sasano Y. and Nakano H. Significance of the extinction / backscatter ratio and the boundary value term in the solution for the two-component lidar equation // Appl. Opt. 1984. - v.23. - pp.11-13.

61. Klett J.D. Lidar inversion with variable backscatter / extinction rations //Appl. Opt. 1986,- v.24. - pp.1638-1643.

62. Sasano Y. and Browell E.V. Light scattering characteristics of various aerosol types derived from multiple wavelength lidar observation //Appl. Opt.- 1989. v.28 -pp.1670-1679.

63. Pal A.G., Cunningham A.G. and Carswell A.I. Lidar studies of the tropospheric extinction coefficient // 15 International Laser Radar Conference (P. I.), Tomsk, - 1990, -pp.152-153.

64. Kovalev V.A. Lidar measurements of the vertical aerosol extinction profiles with range-dependent backscatter-to-extinction ratios //Appl. Opt.- 1993. v.32. - pp.6053-6056.

65. Самохвалов И.В., Насекин Г.С. Результаты оптико-локационных исследований атмосферных аэрозолей Кемеровского промышленного региона // В кн.: Труды XI симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. - 1993. - с.27-29.

66. Kunz G.J. and Leeuw G. Inversion of lidar signals with the slope method //Appl. Opt. 1993. - v.32. - pp.32493256.

67. Kovalev V.A. and Moosmuller H. Distortion of particulate extinction profiles measured with lidar in two-component atmosphere // Appl. Opt. 1994 - v.33. - № 27 -pp.6499-6507.

68. Kovalev V.A. Sensitivity of the lidar equation solution to errors in the aerosol backscatter-to-extinction ratio: influence of a monotonic change in the aerosol extinction coefficient //Appl. Opt. 1995. - v.34 - pp.3457-3462.

69. Stein K., Weiss-Wrana K., Kohne A. IR-imaging of a point target through inhomogeneous media along a slant path of 2.3 km//SPIE. - 1995. - v.2580. - pp.86-105.

70. MQnkel C. Measuring slant visual range on airports using an eye-safe lidar // SPIE. 1997. - v.3104. - pp. 18-26.

71. Strawbridge К.В. Optical Properties of Aerosols Obtained from Airborne Lidar and Several In-Site Instruments During RACE // SPIE. 1997. - v.3104. - pp.204-211.

72. Komarov V.S., Grishin A.I., Kreminskii A.V., Matvienko G.G., Popov Yu.B. Statistical analysis and prediction of the aerosol vertical stratification in the atmospheric boundary layer from the lidar sounding data //SPIE. 1998. - v.3583. -pp.214-218.

73. Rocadenbosch F. Comeron A. and Pineda D. Assessment of lidar inversion errors for homogeneous atmospheres //Appl. Opt. 1998,- v.37. - pp.2199-2206.

74. Rocadenbosch F., Soriano C., Comeron A., and Baldasano J.M. lidar inversion of atmospheric backscatter and extinction-to-backscatter ratios by use of a Kalman filter // Appl. Opt. 1999 - v.38. - № 15 - pp.3175-3189.

75. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Ершов А.Д. Восстановление оптических характеристик аэрозольных полей по данным зондирования Raman лидаром // Тезисы III международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли".- Санкт-Петербург. 2001. - с.54-55.

76. Kasparian J., Rambaldi P., Frejafon E., Pantani M., Ya J., Vezin В., Ritter P., Viscadi P., Weidauer D. and Wolf J.P. Monitoring of urban aerosols using a combined lidar / SEM method // SPIE. 1997. - v.3104. - pp.278-284

77. Yegorov A.D. Airborne lidar studies of air aerosol pollution // Proc.of the Second International Airborne Remote Sensing Conference. 1996. - v.1. - pp.377- 381

78. Yegorov, A.D., Perelman, A.Y. & Kaziakhmedov, T.B.Estimate of Aerosol Microstructure Based on Integral Method of Multiposition Sounding of the Atmosphere // Optika Atmosfery i Okeana. 1997. - v.10. - pp.1164-1169.

79. Yegorov A.D., Sinkevich A.A., Stepanenko V.D. Atmosphere aerosols monitoring by new lidar techniques // Nuremberg: PARTEC 98. 7th European Symposium Particle Characterization. 1998. - pp.799-802.

80. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E. Remote determination of the atmospheric aerosol optical parameters with a Raman-lidar // 12th ILRC. Aix en Provence. - Franse. - Conf.Abstracts. - 1984. - pp.63-67.

81. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E. Nadeev A.I., Shelevoy K.D. Combined Raman Lidar for Low Tropospheric Studies // 13th ILRC. Tronto. - Canada. -Conf.Abstracts. - 1986. - pp.189-191.

82. Ansmann A., Riebeseil M., Wandinger U., Weitkamp C., Michaelis W. Raman lidar measurement of atmospheric aerosol extinction profiles //15 International Laser Radar Conference (P. I.), Tomsk, - 1990, - pp.177-179.

83. Ansmann A., Riebeseil M., Wandinger U., Weitkamp С., Voss E., Lahmann and Michaelis W. Combined Raman Elastic-Backscatter Lidar for Vertical Profiling of Moisture, Aerosol Extinction, Backscatter, and Lidar Ratio //Appl. Phys. 1992.- v.54. pp.1 -11.

84. Ansmann A., Arshinov Y., Bobrovnikov S., Mattis I., Wandinger U. Double grating monochromator for a pure rotational Raman-lidar //SPIE. 1998. - v.3583. - pp.491-497.

85. Mattis I., Wandinger U., Mueller D., Ansmann A., Althausen D. Routine Dual-Wavelenght Raman Lidar Observations at Leipzig as Part of an Aerosol Lidar Network in Germany 19th ILRC//Annapolis MD. USA. - Conf.Abstracts.- 1998. pp.29-32.

86. Ивлев A.C. Моделирование оптических свойств атмосферных аэрозолей // Сборник трудов II международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". -Санкт-Петербург. 1999. - с.103-110.

87. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем // Санкт-Петербург. 2000г. - 259с.

88. Козлов B.C., Панченко М.В., Полькин В.В., Яушева Е.П. Сезонная и суточная изменчивость содержанияаэрозоля и сажи в приземном слое // Тезисы международной конференции "Естественные иантропогенные аэрозоли". Санкт-Петербург. - с.71-73.

89. Зуев В.Е., Ивлев Л.С., Кондратьев К.Я. Новые результаты исследования атмосферного аэрозоля // Изв. АН.СССР. ФАО. 1973. - т.9. - №4. - с.371-385.

90. Massoli P., Lazzaro М. Characterization of radially inhomogeneous spheres by light scattering metods // Nuremberg: PARTEC 98. 7th European Symposium Particle Characterization. -1998. pp.527-536.

91. Borovoi A., Grishin I., Dyomin V., Oppel U. Optical Measurements of a Nonsphericity Parameter for Large Particles // Nürnberg: PARTEC 2001. International Congress for Particle Technology 2001. - 14/02 № 068 - pp.1-6.

92. Фарафонов В.Г., Всемирнова Е.А. Численное моделирование оптических характеристик атмосферных аэрозолей с учетом несферичности // Тезисы III международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли".-Санкт-Петербург. 2001. - с.42-44.

93. Kerker M. The Scattering of light and other electromagnetic radiation // New York: Academic Press. 1969.

94. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles // N.Y.: Wiley. 1983. - p.530.

95. Шифрин К.С. Рассеяние света на двухслойных частицах // Изв. АН СССР, серия геофизическая. 1952. -№2. - с.15-28.

96. Резнова Л.В. Вычисление факторов эффективности для двухслойных частиц по теории Ми // Пыль в атмосфере и околоземном космическом пространстве // М.: "Наука". 1973. - с. 186-192.

97. Пришивалко А.П., Астафьева Л.Г. Поглощение, рассеяние и ослабление света обводнёнными частицами атмосферного аэрозоля // Препринт ИФ АН БССР. Минск. - 1975. - с.45.

98. Перельман А.Я. Дифракция на сферически симметричных неоднородных структурах. // Оптика и спектроскопия,- 1995. т.78. - № 5. - с.822-831.

99. Кондратьев К.Я., Аднашкин В.Н., Балакирев В.В. и др. Глобальный аэрозольно-радиационный эксперимент 1977 // Труды ГГО. - 1980. - Вып.434. - с.15-28.

100. Егоров А.Д., Ионин В.А. Вопросы параметризации оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц II Труды ГГО. -1981. Вып.448. -с.70-75.

101. Иоффе М.М., Приходько М.Г. Справочник авиационного метеоролога // М.: Воениздат. 1977. - 304 с.

102. Худсон Д. Статистика для физиков // М.: Мир. 1970. - 276 с.

103. Потапова И.А. Лазерное многолучевое определение метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.). Москва 1999. - с.51-52.

104. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. 2001. - том 68. - №11. - с.10-14.

105. Егоров А.Д., Синькевич А.А. Потапова И.А. Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник трудов "Системы и устройства передачи, получения и обработки информации". -2001. в печати.

106. Бегалишвили Н.А., Пономарев Ю.Ф., Синькевич

107. А.А., Степаненко В.Д. Самолет-лаборатория ЯК-40 // Метеорология и гидрология. 1993. - №4. - с.102-108.

108. Горышин В.И. Серийный образец автоматического фотометра для измерения и регистрации прозрачности атмосферы (РДВ) //Труды ГГО. 1968. - вып.213. - с.48-58.

109. Kovalev V.A., Rybakov Е.Е. and Ignatenko V.M. Determination of Slant Visual Range / Visual Contact Height with Lidar: Basic Principles, Field Test Results. // 15 th ILRC ( Abstract, P.I. ). Tomsk. 1990,- pp.250-253.рлпгтттлтг Л *Тp^Clfrr' С*4 ï