CC BY
28
ШМ
Уо! 11 N0 3-2019, И&БЗ КЕЗБАРС-!МРОРМАТ!СБ, СОМР11ТЕР ЕМС!МЕЕтМС АШ СОМТЮ1_
:.....
doi: 10.24411/2409-5419-2018-10271
новый метод измерения общего количества
водяных паров в атмосфере с помощью солнечных фотометров
АСАДОВ
Хикмет Гамид оглы1
МАМЕДОВА Улькер Физули гызы2
Сведения об авторах:
1д.т.н., профессор, Научно-исследовательский институт Аэрокосмической информатики, г. Баку, Азербайджан, [email protected]
2аспирант Азербайджанского государственного университета нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджан, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Общеизвестно, что одним из основных факторов, вызывающих климатические изменения на земле являются водяные пары, двуокись углерода и метан. Из-за наличия наличии у водяных паров сильных полос поглощения в близком инфракрасном и инфракрасном диапазонах, информативность спутниковой информации дистанционного зондирования земли сильно ограничивается. Вышеуказанное обусловливает насущную актуальность точной оценки общего количества водяных паров в атмосфере. Солнечный фотометр является одним из основных измерительных инструментов, используемых в настоящее время для измерения общего количества водяных паров в атмосфере. Работа посвящена предлагаемому новому методу измерения общего количества водяных паров в атмосфере с помощью солнечных фотометров. Измерение осуществляется на длине волны 940 нм. Погрешность аналогичных измерений в настоящее время достигает 5^10 процентов, при этом одним из основных причин относительно небольшой точности таких измерений является влияние атмосферного аэрозоля. Для устранения указанного влияния широко применяется метод измерения оптической толщины аэрозоля на такой длине волны, где водяные пары не имеют полосы поглощения. Далее осуществляется экстраполяция полученного результата на длину волну волны 940 нм. Как результат, удается несколько повысить точность проводимых измерений. Однако гидрофизические свойства аэрозоля не позволяют полностью устранить указанную проблему. Различие временных масштабов увлажнения указанных компонентов аэрозоля не позволяет устранить влияние аэрозоля известными методами. На основе известного трехволнового метода солнечно-фотометрических измерений с корректирующими коэффициентами предложен новый трехволновый метод измерения водяных паров с практически полной компенсацией воздействия аэрозоля. Составлена методика проведения трехволновых скорректированных измерений общего количества водяных паров в атмосфере.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: солнечный фотометр; водяные пары; измерения; атмосфера; длина волны.
Для цитирования: Асадов Х.Г., Мамедова У.Ф. Новый метод измерения общего количества водяных паров в атмосфере с помощью солнечных фотометров// Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 3. С. 81-88. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10271
am
^iml
УКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т
№ 3-2019
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
Введение
Хорошо известно, что общий радиационный баланс Земли определяет ее климат и земная атмосфера выступает в качестве связывающего звена во взаимодействии космос — Земля в радиационном плане. Энергия Солнца значительно поглощается различными составляющими земной атмосферы [1-3]. Однако роль атмосферы в радиационном балансе этим не ограничивается. Атмосфера также противодействует прохождению собственного инфракрасного излучения Земли в космос. Двойственная роль атмосферы — основная причина шаткости того кажущегося равновесия в радиационном балансе Земли, которая легко может быть нарушена, или, скорее всего, уже нарушена бесконтрольным антропогенным фактором. Нарушение радиационного баланса Земли скорее всего выражается в климатических изменениях, происходящих на планете. Основными парниковыми газами, способствующими климатическим изменениям на Земле являются водяные пары, двуокись углерода и метан [4-6]. Точная оценка содержания указанных компонентов атмосферы по этой причине имеет важное значение. Будучи парниковым газом, водяные пары участвуют в формировании аэрозоля, что также подчеркивает важность и значимость исследования этого фактора. Вместе с тем, водяные пары активно влияют на рефрактивность тропосферы и тем самым, вызывая неоднородное свойство рефрактивности тропосферы, приводит к появлению специфической погрешности учета времени прохождения электромагнитных волн в геодезических измерительных приборах и сетях [7-9]. Водяные пары в атмосфере часто характеризуются таким параметров как «суммарная толщина осаждаемой воды», которая определяется толщиной эквивалентной водяной массы получаемой из суммарного количества водяных паров, имеющихся в атмосферном столбе с поперечным сечением 1 м2 [10].
Наиболее широко используемыми методами измерения суммарного количества водяных паров являются:
1. Измерение с помощью микроволновых радиометров в гигагерцевом диапазоне (31,4 ГГц; 23,8 ГГц).
2. Измерение с помощью солнечных фотометров (на длинах волн 0,82 мкм и 0,94 мкм).
3. Измерения с помощью GPS систем.
При использовании солнечных фотометров для измерения общего количества водяных паров в атмосфере пользуются математическим выражением, частично включающим в себя закон Бугера-Бера [10]
Ex ~ Ex
0 e-(Ci+C2+C)
(1)
где Е° - и Ех -спектральная радиация на заданной длине волны X, вне атмосферы и после прохождения через атмосферу с оптической массой т;
С1 — оптическая толщина релеевского рассеяния; С2 — оптическая толщина атмосферного аэрозоля;
С3 — оптическая толщина атмосферного озона.
Оптическая воздушная масса т определяется как секанс зенитного угла г Солнца ^ < 62°); Тх - коэффициент пропускания атмосферы, учитывающий наличие молекулярных полос водяных паров. Согласно [10], Тх может быть представлен в следующих трех модельных формах:
_ (Wmf
T _ e
T = e
x?
Tx3 =1 - C6 m
1/2
(2)
(3)
(4)
где т — оптическая масса водяного пара; W — количество осаждаемой воды в мм; С4, С5 и С6 — эмпирически определяемые постоянные.
Коэффициент Тх применяется для сильных полос поглощения водяных паров. Коэффициент Тл применяется для слабых молекулярных полос поглощения, а также для случаев малых оптических толщин. Коэффициент Тк применяется на тех длинах волн, в которых поглощение водяных паров несущественно, однако имеет место некоторое поглощение солнечной радиации такими газами, как
^ О и
Обнаруженный в 2000-м году факт наличия ошибок в широко используемой модели HITRAN96 по части интенсивностей линий поглощения Н20 стимулировали дальнейшие исследования в области модельных представлений влияния водяных паров на пропускание атмосферы. Вместе с тем, модель (2) будучи всеобще признанной моделью, привела к появлению множества расчетных методик, номограмм, таблиц и графиков, которые облегчают расчеты по этой модели. Кроме того, измерительные приборы, и в частности солнечные фотометры, измеряющие суммарное количество водяных паров откали-брованы с учетом именно модели (2). Производственная и хозяйственная деятельность человека в масштабе всей планеты является одним из основных причин роста общего количества водных паров в атмосфере, что диктует необходимость организации постоянного контроля над этим важнейшим факторам радиационного баланса Земли. Очевидно, что для правильного прогнозирования радиационного баланса Земли должны быть разработаны более точные методы измерения паров воды. Общее количество водяных паров в глобальном масштабе измеряются с помощью спутниковых приборов (MODIS, TOVS и др.), точность измерения которых составляет 10-15%. В этом контексте существенно важно наличие точных наземных фотометрических средств в целях валидации и калибровки спутниковых измерительных приборов.
t, /// i'íi i¡i
3-2019, H&ES RESEARC INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROL
Vol
Nc
Следует отметить, что в научной литературе наиболее часто используется следующая модель оптической толщины водяных паров в атмосфере:
=с (mdwd)'
(5)
где с и ё являются коэффициентами, зависящими от длины волны и показателей оптического тракта солнечного фотометра, вертикального распределения водяных паров, температуры и давления в атмосфере.
В месте с тем, имеется другая, немаловажная причина для организации широкомасштабных наземных измерений водяных паров в атмосфере, заключающаяся в наличии у водяных паров сильных полос поглощения в близком инфракрасном и инфракрасном диапазонах, существенно ограничивающих информативность спутниковой информации дистанционного зондирования Земли.
Одним из основных измерительных инструментов, используемых в настоящее время для измерения общего количества водяных паров является солнечный фотометр. Солнечно-фотометрическим измерениям водяных паров в атмосфере посвящено большое количество работ [1015]. На рис. 1. показаны графики пропускания атмосферы на спектральном диапазоне 700^1000 нм [10].
Как видно из графиков, представленных на рис. 1, водяные пары имеют полосы поглощения на длинах волн и 720нм; 815 нм и 940 нм. При этом полоса поглощения на длине волны 940 нм является наиболее сильной и широкой.
Как указывается в работе [11], пропускание атмосферы на длине волны 940 нм определяется как
T =
atm
О + Ta ) ,
(6)
где т0 —относительная оптическая масса воздуха; та — оптическая толщина аэрозоля; тд — оптическая толщина Релеевского рассеяния; Т — пропускание водяных паров, определяемое как
T = e
atm
= e-a (mwf
(7)
где т — оптическая воздушная масса водяных паров; Ж — общее содержание водяных паров; а, Ь — постоянные коэффициенты для выбранной длины.
При этом оптическая толщина аэрозоля измеряется используя формулу Ангстрема
та (А.) = р-Г
(8)
где а — показатель Ангстрема; в — показатель мутности атмосферы.
Как было отмечено выше, для проведения измерений оптической толщины атмосферы широко применяются солнечные фотометры. В качестве примера на рис. 2. приведена графическая схема конструкции солнечного фотометра типа EKO MS-115 японской фирмы Eko Instruments Co., Tokyo [12].
0 jl-1-1-1-'-1-1—
750 800 850 900 950
Л1ИНЫ ВОЛНЫ (нм)
Рис. 2. Графики пропускания атмосферы в диапазоне 700^1000 нм:
1 — Пропускание атмосферы при общем количестве водяных паров (ОВП) равном 1 см и при оптической толщине аэрозоля (OTA) равной 0,1;
2 — при ОВП = 2 см; OTA = 0,2 (Значения OTA приведены для длины волны 700 нм)
)) НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019 ЮРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
Рис. 2. Схематическое изображение солнечного фотометра MS-115: 1 — узел наведения; 2 — апертура; 3 — цилиндрический нагреватель; 4 — контейнер с силикагелем; 5 — интерференционный фильтр; 6 — двигатель; 7 — фильтры установленные на крутящемся колесе; 8 — фотодиод; 9 — сенсор положения фильтра; 10 — узлы электроники
Измерение ОВП с помощью солнечных фотометров в основном осуществляется на длине волны 940 нм. Особенности проведения измерений ОВП на длине волны 940 нм наиболее подробно изложены в работе [13].
Анализ, проведенный в работе [13], показывает, что в настоящее время погрешность измерения ОВП с помощью солнечных фотометров на длине волны 940 нм составляет 5^10 процентов. Основной причиной относительно небольшой точности таких измерений на наш взгляд является влияние атмосферного аэрозоля. Для учета влияния аэрозоля на практике широко применяется метод измерения оптической толщины на такой длине волны, где полоса поглощения водяных паров отсутствует. Далее осуществляется экстраполяция полученного результата на длину волну волны 940 нм используя формулу Ангстрема (3). Такой метод дает возможность повысить точность проводимых измерений, однако физико-оптические свойства аэрозоля не позволяют полностью устранить указанную проблему. Дело в том, что по временному масштабу увлажнения аэрозоли делятся на гидрофобные и гидрофильные. Гидрофобным аэрозолям относят твердые минеральные частицы, увлажнение которых может длится сутками (Black carbon и др.). Гидрофильные аэрозольные частицы способны увлажнятся в течение нескольких минут, при этом процесс увлажнения оказывается нелинейным физическим процессом. Согласно результатам экспериментальных исследований, проведенных в [14], в начальные моменты резкого изменения ОВП в атмосфере наблюдается отрицательная корреляция между ОВП
и ОТА (рис. 3 [14]). Такой эффект может быть объяснен почти мгновенным увлажнением гидрофильного аэрозоля, приводящего к некоторому снижению ОВП. Однако, после увлажнения гидрофильных составляющих аэрозоля наблюдается положительная корреляция между ОВП и ОТА. Указанные процессы в конечном счете ограничивают точность оценки ОВП при проведении одноволновых измерений на длине волны 940 нм из — за неопределенности в установлении знака вышеуказанной корреляции. В качестве выхода из создавшегося положения нами предлагается использовать новую модификацию трехволнового метода измерения с корректирующими коэффициентами, впервые изложенного в работе [15].
Рис. 3. Временная взаимосвязь изменения ОВП и ОТА:
1 — временное изменение ОТА;
2 — временное изменение ОВП
Дадим краткое изложение трехволнового метода солнечно — фотометрических измерений с корректирующими коэффициентами, изложенного в [15]. В этом методе, в частности, при проведении измерений малых газовых составляющих ставится задача устранения влияния аэрозоля на результат измерений. Допустим, что проводятся измерения на длинах волн Х1, Х3, где X2 являясь центральной длиной волны совпадает с длиной волны поглощения исследуемого газа. Результаты измерений обозначим следующим образом:
Т(X,) = ехр[ - ( (X,) + ш2(X,))] (9)
"(Я2) = exp^-(т^ (Я2) + m2xq (Я,2
(10)
^(Я,3) = exp[- (Я,3) + m2Tq (Х3 )) (П)
где Т ), г = 1,3 — пропускание атмосферы на длине волны X., т1, т2 — оптическая масса аэрозоля и газа;
т (X.) — оптическая толщина исследуемого газа на длине волны X;
та (X.) — оптическая толщина аэрозоля на той же длине волны.
Далее вводится на рассмотрение относительный показатель у, определяемый как
У =
T(X. ) ■ т(X.) Т (X2 )
(12)
С учетом (9) — (11), и (12) имеем
exP\-((та (А.!) + kim2Iq (А.!) + к2m%a (Х3) + к2m2%q (х3))
eXP [-(( (А2 )+ m2^q (А2 ))]
(13)
Условие устранения влияния аэрозоля на величину у имеет вид
к1т1ха ) + к1т2(^1) = т1та (Х2) (14)
Далее оптическая толщина аэрозоля представляется в виде суммы оптических толщин крупнодисперсного тс (X) и мелкодисперсного т(. (X) аэрозоля, т.е.
При
) = ) + Tf (я.,)
^ ) = Р, V
t , /// hi I [if/
Vol 11 No 3-2019, H&ES RESEARC INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROL
Tf (Xt) = Pf Xi
(17)
где Рс, Р^ — мутность атмосферы соответственного для крупнодисперсного аэрозоля и мелкодисперсного аэрозоля;
ас, су— показатели Ангстрема для крупнодисперсного аэрозоля и мелкодисперсного аэрозоля.
С учетом (15)-(17) нетрудно получить следующую систему уравнений
k1X1~aA + k2X3-aA =Х2-
k]Xl f + k2X3 f = X2 f
(18)
(19)
Решение системы уравнений (18), (19) относительно к и к2 и учет полученных значений у в (13) при условии т (Я1) = т (Я3) = 0 позволяет вычислить искомую величину
Рассмотрим предлагаемое усовершенствование вышеизложенного трехволнового метода, изложенного в [7].
В предлагаемом варианте трехволнового метода измерений с корректирующими коэффициентами центральная длина волны выбирается равной 940 нм.
В этом случае, аналогично (12) напишем
Yi =
Ti(X• Ti(X6t
TM
(20)
где Tj(X4) — пропускание атмосферы на длине волны
Х5 - ДХ;
T1(X6) — пропускание атмосферы на длине волны
х5 + дх.
При этом Я4 = - ДЯ; = + ДЯ.
Величина Д^ выбирается таким образом, чтобы полоса поглощения водяных паров на центральной длине волны 940 нм не охватывала длины волн 14 и 16.
Пропускания атмосферы на длинах волн 14, 15, определяются следующим образом:
Т (Я4 ) = ехр [-( (Я4 ))] (21)
Т (Х6 ) = ехр [-( {Х6))] (22)
Т (Х5) = ехр [- ( {X5 ) + К (Х5 ))] (23)
(15) где т, (15) — оптическая толщина водяных паров на длине волны 15.
Вставив выражения (21)^(23) в формулу (20) получим следующее условие устранения влияния аэрозоля
(16)
на вычисленную величину у
am
тШ
УКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т
№ 3-2019
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
kХа (4 ) + К) = Ха (Л
(24)
Допустим, что во временные моменты t и t известны значения т (Х„ ) и т (Х„ tn), где т (Х„ tn) > т (Х„ ). С учетом (3), а также (\5)^(\9) условие компенсации влияния аэрозоля на вычисленную величину у, в момент имеет вид
к3Х^> + к4Х -а{к] =Х5-а{к] (26)
Запишем аналогичное условие для момента
k3X4~a('2> + k4X-a('2 )=Х5-а{'2 >
(27)
При известных значениях а((\) и а((2), и выбранных длин волн значения корректирующих коэффициентов к3 и к4 могут быть вычислены путем рещения системы уравнений (26), (27).
Вставляя вычисленные значения к3 и к4 в выражение (20) для временных моментов и (2 получим:
Yi (ti ) = ■
exp [-( (^ ))]
Yl ((2 ) =
exP [-( (2 ))]
(28)
(29)
где У\((\), У\((2) — значения параметра У\ в моменты и соответственно.
Далее с учетом модели оптической толщины водяных паров в атмосфере в виде
Tw = a (m -Ж) из выражений (28) и (30) получим
W = I • JlnYl }
(30)
(31)
m V а
Соответственно (31) для временного момента t2 получим
= I . JЧ ('2 )
(32)
от V а
Таким образом, в результате проведения в моменты и трехволновых измерений, а также при наличии информации о значениях а((\) и а((2) появляется возможность определить общее содержание водяных паров в атмосфере Ж\ и путем предварительного вычисления вводимых корректирующих коэффициентов.
С учетом вышеизложенного можно предложить следующую методику определения ОВП:
1. Проводятся солнечно — фотометрические измерения на трех длинах волн Х3 где Х2 = 940 нм; ^ и Х2 выбираются такими, чтобы полоса поглощения водяных паров на центральной длине волны 940 нм не охватывала эти длины волн. Указанные измерения проводятся во временные моменты tl и t2; t = t +At. При этом в промежуте At показатель ОВП должен значительно изменится.
2. Составляется система уравнений, подобно выражениям (26), (27). Вычисляются корректирующие коэффициенты путем решения составленной системы уравнений.
3. Общее количества водяных паров в атмосфере в моменты t и t вычисляются по формулам (31) и (32).
Заключение
В заключение сформулируем основные выводы проведенного исследования:
1. Показан основной недостаток существующих методов солнечно-фотометрических методов измерения общего содержания водяных паров в атмосфере.
2. На основе известного трехволнового метода солнечно-фотометрических измерений водяных паров в атмосфере с корректирующими коэффициентами предложен новый усовершенствованный трехволновый метод измерения водяных паров.
3. Составлена методика реализации предложенного усовершенствованного трехволнового метода скорректированных измерений общего количества водяных паров в атмосфере.
Литература
1. AdlerR. F., Huffman G. J., ChangA., FerraroR., XieP., Janowiak J., Rudolf B., Schneider U., Curtis S., Bolvin D., Gruber A., Susskind J., Arkin P., Nelkin E.J. The Version 2.1 Global Precipitation Climatology Project (GPCP) Monthly Precipitation Analysis (1979-Present) // J. Hydrometeor. 2003. No. 4(6). Pp. 1147-1167.
2. Bentamy A., Katsaros K.B., Mestas-Nunez A. M., Drennan W. M., Forde E. B., Roquet H. Satellite estimates of wind speed and latent heat flux over the global oceans // J. Climate. 2003. No.16. Pp. 637-656.
3. Bony S., Sud Y., Lau K.M., Susskind J., Saha S. Comparison and satellite assessment of NASA/ DOA and NCEP-NCAR reanalyses over tropical ocean: Atmospheric hydrology and radiation // J. Climate. 1997. No.10. Pp. 1441-1462.
4. Kustermann B., Kainz M., Hulsbergen K. Modeling carbon cycles and estimation of greenhouse gas emissions from organic and conventional farming systems // Renewable Agriculture and Food Systems. 2007. No. 23(1). Pp. 38-52.
5. Sweetapple C., Fu G., Butler D. Identifying key sources of uncertainty in the modelling of greenhouse gas emis-
1
1
S/ZK m iff,
¡•.¡I ////
Vol 11 No 3-2019, H&ES RESEARC INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CON",
V\\\ v \\\\ ■
sions from wastewater treatment // Water Res. 2013. No. 47. Pp. 4652-4665.
6. Goraj W., Kuzniar A., Urban D., Pietrzykowska K., Stgpniewska Z. Influence of plant composition on methane emission from Moszne peatland // J Ecol Eng. 2013. No. 14. Pp. 53-57.
7. Kursinski E. R., Hajj G.A., Leroy S. S., Herman B. The GPS radio occultation technique // Terr. Atmos. Oceanic Sci. 2000. No. 11. Pp. 53-114.
8. Lee L. C., Rocken C., Kursinski R. (Eds.). Applications of Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere & Climate. Hong Kong; Berlin Heidelberg: SpringerVerlag, 2001. 384 p.
9. MacDonald A.E., Xie Y.-F., Ware R. H. Diagnosis of three-dimensional water vapor using slant observations from a GPS network // Monthly Weather Review. 2002. No. 130. Pp. 386-397.
10. Raptis P. I., Kazadzis S., Grobner S. K., Kouremeti N., Doppler L., Becker R. Helmis C. Water vapour retrieval using the Precision Solar Spectroradiometer // Atmospheric Measurement Techniques. 2018. Vol. 11. No. 1. Pp. 1143-1157. Doi:10.5194/amt-11-1143-2018.
11. Campanelli M., Mascitelli A., Sano P., Diemoz H., Estelles V., Federico S., lannarelli A.-M., Fratarcangeli F., MazzoniA., Realini E., CrespiM., Bock O., Martinez-Lozano
A., Dietrich S. Precipitable watter vapour content from ESR/ SKYNET sun-sky radiometers: validation against GNSS/ GPS and AERONET over three different sites in Europe // Atmospheric Measurement Techniques. 2018. Vol. 11. No. 1. Pp. 81-94. Doi:10.5194/amt-11-81-2018.
12. Shiobara M., Spinhirne J. D., Uchiyama A., Asano S. Optical Depth measurements of aerosol, cloud, and water vapor using sun photometers during FIRE cirrus IFO II // Journal of Applied Meteorology. 1996. Vol. 35. No. 2. Pp. 36-46. Doi:10.1175/1520-0450(1996)035<0036: odmoac>2.0.co
13. Halthore R.N., Eck T. F., Holben B.N., Markham L. Sun photometric measurements of atmospheric water vapor column abundance in the 940 nm band // Journal of Geopphysical research. 1997. Vol. 102. No. D4. Pp. 4343-4352.
14. China P., Devara S., Maheskumar R. S., Raj P.E., Dani K. K., Sonbawne S. M. Some features of columnar aerosol optical depth, ozone and precipitable water content observed over land during the INDOEX-IFP99 // Meteorologische Zeitschrift. 2001. Vol. 10. No. 2. Pp.123-130. Doi:10.1127/0941-2948/2001/0010-0123
15. Asadov H. H., Mirzabalayev I.M., Aliyev D. Z., Agayev J. A., Azimova S. R., Nabiyev N. A., Abdullayeva S. N. Synthesis of corrected multi-wavelength spectrometers for atmospheric trace gases // Chinese Optics Letters. 2009. No. 7 (5). Pp. 361-363. doi:10.3788/col20090705.0361
NEW METHOD FOR MEASURING OF TOTAL AMOUNT OF WATER VAPORS IN ATMOSPHERE USING SUN PHOTOMETERS
ASADOV HIKMAT HAMID OGLU
Baku, Azerbaijan Republic, [email protected]
KEYWORDS: sun photometer; water vapors; measurements; atmosphere; wavelength.
MAMEDOVA ULKER FIZULI GIZI
Baku, Azerbaijan Republic, [email protected]
ABSTRACT
It is well-known that one of major factors, causing the climatic changes in the planet is water vapor, carbon dioxide and methane. Due to presence of strong absorption lines of water vapors in near infrared and infrared bands the informativity of satellites remote sensing data is significantly limited. Aforesaid conditions the urgent actuality of accurate estimation of amount of water vapors in atmosphere. Sun photometer is one of major measuring instruments used at present time for measuring of total amount if water vapors in atmosphere. The paper is devoted to suggested new method for measuring of
total amount of water vapors in atmosphere using sun photometers. Measurements are carried out at wavelength 940 nm. The error of similar measurements at present time reaches 5-10 percents. One of major reasons for relatively low accuracy of such measurements is effect of atmospheric aerosol. To remove effect of aerosol the method where measuring of optical depth of aerosol is carried out at such wavelength where water vapors have not absorption lines is widely used. Then obtained result is extrapolated to wavelength 940 nm. As a result the accuracy of held measurements can be improved
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019 ОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
in some degree. But hydro physical humidification of aerosol don't allow to remove this problem at all. Difference in temporal scales of humidification of various aerosol components don't allows to remove effect of aerosol using known methods. On the basis of known three wavelength method of sun photometric measurements using correction coefficients the new three wavelength method for measuring of water vapors with practically full compensation of aerosol effect is suggested. The relevant methodic for carrying out of three wavelength corrected measurements of total amount of water vapors is composed.
REFERENCES
1. Adler R. F., Huffman G. J., Chang A., Ferraro R., Xie P., Janowiak J., Rudolf B., Schneider U., Curtis S., Bolvin D., Gruber A., Susskind J., Arkin P., Nelkin E. J. The Version 2.1 Global Precipitation Climatology Project (GPCP) Monthly Precipitation Analysis (1979-Present). J. Hy-drometeor. 2003. No. 4(6). Pp. 1147-1167.
2. Bentamy A., Katsaros K. B., Mestas-Nunez A. M., Drennan W. M., Forde E. B., Roquet H. Satellite estimates of wind speed and latent heat flux over the global oceans. J. Climate. 2003. No.16. Pp. 637-656.
3. Bony S., Sud Y., Lau K. M., Susskind J., Saha S. Comparison and satellite assessment of NASA/ DOA and NCEP-NCAR reanalyses over tropical ocean: Atmospheric hydrology and radiation. J. Climate. 1997. No.10. Pp. 1441-1462.
4. Kustermann B., Kainz M., Hulsbergen K. Modeling carbon cycles and estimation of greenhouse gas emissions from organic and conventional farming systems. Renewable Agriculture and Food Systems. 2007. No. 23(1). Pp. 38-52.
5. Sweetapple C., Fu G., Butler D. Identifying key sources of uncertainty in the modelling of greenhouse gas emissions from wastewater treatment. Water Res. 2013. No. 47. Pp. 4652-4665.
6. Goraj W., Kuzniar A., Urban D., Pietrzykowska K., St^pniewska Z. Influence of plant composition on methane emission from Moszne peatland. J. Ecol Eng. 2013. No. 14. Pp. 53-57.
7. Kursinski E. R., Hajj G. A., Leroy S. S., Herman B. The GPS radio occultation technique. Terr. Atmos. OceanicSci. 2000. No. 11. Pp. 53-114.
8. Lee L. C., Rocken C., Kursinski R. (Eds.). Applications of Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere & Climate. Hong Kong; Berlin Heidelberg: SpringerVerlag, 2001. 384 p.
9. MacDonald A.E., Xie Y.-F., Ware R. H. Diagnosis of three-dimensional water vapor using slant observations from a GPS network. Monthly Weather Review. 2002. No. 130. Pp. 386-397.
10. Raptis P. I., Kazadzis S., Grobner S. K., Kouremeti N., Doppler L., Becker R. Helmis C. Water vapour retrieval using the Precision Solar Spectroradiometer. Atmospheric Measurement Techniques. 2018. Vol. 11. No. 1. Pp. 1143-1157. Doi:10.5194/amt-11-1143-2018.
11. Campanelli M., Mascitelli A., Sano P., Diemoz H., Estelles V., Federico S., lannarelli A.-M., Fratarcangeli F., MazzoniA., Realini E., CrespiM., Bock O., Martinez-Lozano A., Dietrich S. Precipitable watter vapour content from ESR/SKYNET sun-sky radiometers: validation against GNSS/GPS and AERONET over three different sites in Europe. Atmospheric Measurement Techniques. 2018. Vol. 11. No. 1. Pp. 81-94. Doi:10.5194/amt-11-81-2018.
12. Shiobara M., Spinhirne J. D., Uchiyama A., Asano S. Optical Depth measurements of aerosol, cloud, and water vapor using sun photometers during FIRE cirrus IFO II. Journal of Applied Meteorology. 1996. Vol. 35. No. 2. Pp. 36-46. Doi:10.1175/1520-0450(1996)035<0036: odmoac>2.0.co
13. Halthore R. N., Eck T. F., Holben B. N., Markham L. Sun photometric measurements of atmospheric water vapor column abundance in the 940 nm band. Journal of Geopphysical research. 1997. Vol. 102. No. D4. Pp. 4343-4352.
14. China P., Devara S., Maheskumar R. S., Raj P. E., Dani K. K., Son-bawne S. M. Some features of columnar aerosol optical depth, ozone and precipitable water content observed over land during the INDOEX-IFP99. Meteorologische Zeitschrift. 2001. Vol. 10. No. 2. Pp.123-130. Doi:10.1127/0941-2948/2001/0010-0123
15. Asadov H. H., Mirzabalayev I. M., Aliyev D. Z., Agayev J. A., Azi-mova S. R., Nabiyev N. A., Abdullayeva S. N. Synthesis of corrected multi-wavelength spectrometers for atmospheric trace gases. Chinese Optics Letters. 2009. No. 7 (5). Pp. 361-363. Doi:10.3788/ col20090705.0361
INFORMATION ABOUT AUTHOR:
Asadov H.H., PhD, Professor, Research Institute of Aerospace Informatics;
Mamedova U.F., PhD student, Azerbaijan State Oil and Industry University.
For citation: Asadov H.H., Mamedova U.F. New method for measuring of total amount of water vapors in atmosphere using sun photometers. H&ES Research. 2019. Vol. 11. No. 3. Pp. 81-88. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10271 (In Russian)
