Оценка погрешностей спектрального метода измерений концентрации паров воды и влагозапаса в приземном слое атмосферы

Рассмотрены особенности измерения и мониторинга влагозапаса в атмосфере радиолокационными методами с привлечением данных стандартных метеорологических и спутниковых наблюдений, методами сверхвысокочастотного зондирования и оптическими спектральными методами. Отмечено, что из перечисленных выше методов наиболее экономически эффективными являются оптические методы (лидарные активные и пассивные спектральные наземные), которые позволяют оперативно с достаточной точностью определять влагозапас в атмосфере в известных линиях поглощения парниковых газов, заменять и дополнять радарные данные. К аппаратуре, реализующей оптические методы, относятся недорогие и доступные на рынке малогабаритные приёмо-передающие объективы, компактные и лёгкие волоконные источники и приёмники излучения, которые удобно использовать при спутниковых измерениях. Предложен и апробирован спектральный метод измерений концентрации паров воды в атмосфере при солнечном излучении. Место выполнения измерений – северо-восток Московской области. При обработке результатов измерений на одиночной линии поглощения воды выявлено совпадение экспериментальных данных и данных прямых метеоизмерений с погрешностью порядка 7,5 %. Установлено, что на линии поглощения воды (примерно 1653 нм) мешающим фактором является расположенная рядом линия поглощения метана, которая вносит систематическую погрешность в результаты измерений. Приведена вероятная причина отклонения результатов от данных метеоизмерений: сечение поглощения молекул метана примерно на четыре порядка больше, чем сечение поглощения молекул водяного пара, и световое излучение поглощается в большей степени метаном, уменьшая долю поглощения паров воды на длине волны, ближайшей к линии поглощения метана. Введены компенсационные поправки, позволяющие определить концентрацию паров воды и влагозапас в столбе воздуха с погрешностью, составляющей единицы процентов на этой длине волны. Предложенный спектральный метод позволяет и проводить долговременный мониторинг концентрации паров воды и влагозапаса в атмосфере, и получать оперативную информацию в реальном масштабе времени. Экспериментальные данные в среднем согласуются с результатами измерений радиометрами, работающими в диапазоне сверхвысоких частот. Полученные результаты полезны при оперативной оценке влагозапаса и концентрации паров воды во всём приземном слое атмосферы на обширных площадях, при калибровке радиометров и радаров, а также позволят повысить точность измерений указанных параметров и прогнозирования таких опасных явлений природы, как ураганы, наводнения, оползни.

1. Егоров Д. П., Кутуза Б. Г, Аквилонова А. Б. О методических ошибках восстановления полной массы водяного пара по нисходящему радиоизлучению облачной атмосферы. Всероссийские открытые армандовские чтения. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. Муром, 28–30 июня 2022, c. 561–570 (2022). https://doi.org/10.24412/2304-0297-2022-1-561-570

2. Гранков А. Г., Мильшин А. А., Новичихин Е. П., Шелобанова Н. К. О групповом отклике метеорологических и радиояркостных полей атмосферы в Мексиканском заливе на зарождение тропических ураганов. Всероссийские открытые армандовские чтения. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. Муром, 28–30 июня 2022, c. 341–348 (2022). https://doi.org/10.24412/2304-0297-2022-1-341-348

3. Митник Л. М., Баранюк А. В., Кулешов В. П., Митник М. Л. Взрывные циклоны над северной частью Тихого океана: структура и параметры атмосферы по пассивным и активным микроволновым измерениям из космоса. Метеорология и гидрология, (1), 18–30 (2023). https://doi.org/10.52002/0130-2906-2023-1-18-30

4. Захаров А. И., Захарова Л. Н. Возможности фазовых измерений в радиолокационной интерферометрии при наблюдении чрезвычайных ситуаций на примере Бурейского оползня. RENSIT, 1(11), 31–38. (2019). https://doi.org/10.17725/rensit.2019.11.031

5. Котович Н. Г., Крохин В. В., Лисина И. А. Штормовой циклогенез над Японским морем 16–18 января 2016 г.: анализ энергии и взаимодействия вихрей. Метеорология и гидрология, (1), 31–42 (2023). https://doi.org/10.52002/0130-2906-2023-1-31-42

6. Садовников С.А., Яковлев С.В., Кравцова Н.С. Моделирование атмосферных измерений парниковых газов двухканальной лидарной системой инфракрасного диапазона. Оптический Журнал, 90(8), 64–76 (2023). https://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-64-76

7. Григорьевский В. И., Тезадов Я. А. Компенсация систематической погрешности спектральных измерений фоновой концентрации метана в атмосфере Земли. Измерительная Техника, (4), 44–49 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-4-44-49

8. Егоров Д. П., Кутуза Б. Г. Флуктуации яркостной температуры атмосферы в резонансной области водяного пара 18–27,2 ГГц. Материалы XIII Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 25–27 ноября 2019. Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова, Москва (2019).

9. Хабутдинов Ю. Г., Шанталинский К. М., Николаев А. А. Учение об атмосфере. Казанский государственный университет, Казань (2010).

10. Капитанов В. А., Осипов К. Ю., Пташник И. В. Оптико-акустические измерения континуального поглощения водяного пара в окне прозрачности атмосферы 1,6 мкм. Оптика атмосферы и океана, 31(12), 995–1000 (2018). https://doi.org/10.15372/AOO20181209

11. Пташник И. В. Континуальное поглощение водяного пара: краткая предыстория и современное состояние проблемы. Оптика атмосферы и океана, 28(5), 443–459 (2015). https://doi.org/10.15372/AOO20150508