Содержание
Иллюстрации - 4
Таблицы и схемы - 4
Повышение точности двухпотоковой модели переноса излучения для расчёта оптических спектров поглощения в присутствии аэрозолей «СВЕТОТЕХНИКА», 2021, №2

Журнал «Светотехника» №2

Дата публикации 20/04/2021
Страница 44-49

Купить PDF - ₽400

Повышение точности двухпотоковой модели переноса излучения для расчёта оптических спектров поглощения в присутствии аэрозолей «СВЕТОТЕХНИКА», 2021, №2
Авторы статьи:
Ана дель Агила (Ana del Águila), Ефременко Дмитрий Сергеевич

Ана дель Агила (Ana del Águila). Окончила Гранадский университет, Испания (2015 г.). Аспирант (PhD) Германского аэрокосмического центра. Область научных интересов: атмосферные аэрозоли, лидары, дистанционное зондирование, перенос излучения, анализ больших данных

Ефременко Дмитрий Сергеевич, доктор техн. наук (2017 г., НИУ «МЭИ»). Окончил в 2009 г. МЭИ. Научный сотрудник Института дистанционного зондирования (IMF) Немецкого центра авиации и космонавтики (DLR) (с 2011 г.), приватдоцент Мюнхенского технического университета (с 2020 г.). В 2017 г. получил премию «Elsevier/JQSRT Goody Award». Имеет свыше 70 научных работ. Область научных интересов: перенос излучения, численные методы и машинное обучение

Аннотация
Двухпотоковая модель является одной из самых быстрых реализаций модели переноса излучения, основанной на методе дискретных ординат. Несмотря на то, что точность двухпотоковой модели, как правило, недостаточно высока для использования в приложениях, зачастую к ней прибегают в тех случаях, где важна высокая скорость счета, например, для расчёта спектров рассеянного излучения атмосферой Земли при анализе данных спутникового зонирования. Для быстрого расчёта оптических спектров поглощения в атмосфере был разработан метод CLSR (cluster lowstreams regression), в котором спектр, вычисленный с помощью двухпотоковой модели, уточняется на основе статистических зависимостей между двухпотоковой и более точными, но медленными, моделями переноса излучения. В данной работе мы рассматриваем эффективность данного подхода для вычисления спектров в полосах поглощения Хартли-Хаггинса, O2A-, водяного пара и CO2 в присутствии аэрозолей. Численные результаты показывают, что ошибка метода CLSR несмещённая и не превышает 0,05 %. При этом скорость счета увеличена на два порядка.
Список использованной литературы
1. Dubovik, O., Li, Z., Mishchenko, M.I., Tanré, D., Karol, Y., Bojkov, B., Cairns, B., Diner, D.J., Espinosa, W.R., Goloub, P., Gu, X., Hasekamp, O., Hong, J., Hou, W., Knobelspiesse, K.D., Landgraf, J., Li, L., Litvinov, P., Liu, Y., Lopatin, A., Marbach, T., Maring, H., Martins, V., Meijer, Y., Milinevsky, G., Mukai, S., Parol, F., Qiao, Y., Remer, L., Rietjens, J., Sano, I., Stammes, P., Stamnes, S., Sun, X., Tabary, P., Travis, L.D., Waquet, F., Xu, F., Yan, C., Yin, D.: Polarimetric remote sensing of atmospheric aerosols: Instruments, methodologies, results, and perspectives // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2019. V224, pp. 474–511.
2. Chan, K.L., Valks, P., Slijkhuis, S., Köhler, C., Loyola, D.: Total column water vapor retrieval for global ozone monitoring experience‑2 (GOME‑2) visible blue observations // Atmospheric Measurement Techniques, 2020. V13, #8, pp. 4169–4193.
3. Zeng, Z.C., Chen, S., Natraj, V., Le, T., Xu, F., Merrelli, A., Crisp, D., Sander, S.P., Yung, Y.L.: Constraining the vertical distribution of coastal dust aerosol using OCO‑2 o2 a-band measurements // Remote Sensing of Environment, 2020. V236, pp. 111494. A. Schuster, A.: Radiation through a foggy atmosphere // The Astrophysical Journal, 1905. V21, #1.
4. Spurr, R., Natraj, V.: A linearized twostream radiative transfer code for fast approximation of multiple-scatter fields // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2011. V112, #16, pp. 2630–2637.
5. Barker, H.W., Cole, J.N.S., Li, J., Yi, B., Yang, P.: Estimation of errors in two-stream approximations of the solar radiative transfer equation for cloudy-sky conditions // Journal of the Atmospheric Sciences, 2015. V72, #1, pp. 4053–4074.
6. Afanas’ev, V., Basov, A.Y., Budak, V., Efremenko, D., Kokhanovsky, A.: Analysis of the discrete theory of radiative transfer in the coupled «ocean–atmosphere» system: Current status, problems and development prospects // Journal of Marine Science and Engineering, 2020. V8, #3, pp. 202.
7. Budak, V.P., Zheltov, V.S., Lubenchenko, A.V., Freidlin, K.S., Shagalov, O.V.: A fast and accurate synthetic iteration-based algorithm for numerical simulation of radiative transfer in a turbid medium // Atmospheric and Oceanic Optics, 2017. V30, #1, pp. 70–78.
8. Clough, S.A., Rinsland, C.P., Brown, P.D.: Retrieval of tropospheric ozone from simulations of nadir spectral radiances as observed from space // Journal of Geophysical Research, 1995. V100, #D8, pp. 16579.
9. Fomin, B.A.: A k-distribution technique for radiative transfer simulation in inhomogeneous atmosphere: 2. FKDM, fast k-distribution model for the shortwave // Journal of Geophysical Research, 2005. V110, #D2.
10. Fu, Q., Liou, K.: On the correlated k-distribution method for radiative transfer in nonhomogeneous atmospheres // Journal of the Atmospheric Sciences, 1992. V49, #22, pp. 2139–2156.
11. Ambartzumyan, V.: The effect of the absorption lines on the radiative equilibrium of the outer layers of the stars // Publ. Obs. Astron. Univ. Leningrad, 1936. V6, pp. 7–18.
12. Boesche, E., Stammes, P., Preusker, R., Bennartz, R., Knap, W., Fischer, J.: Polarization of skylight in the o_2a band: effects of aerosol properties // Applied Optics, 2008. V47, #19, pp. 3467.
13. Natraj, V., Jiang, X., Shia, R., Huang, X.,
Margolis, J., Yung, Y.: Application of the principal component analysis to high spectral resolution radiative transfer: A case study of the O2 A-band // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2005. V95, #4, pp. 539–556.
14. del Águila, A., Efremenko, D.S., Molina García, V., Xu, J.: Analysis of two dimensionality reduction techniques for fast simulation of the spectral radiances in the hartley-huggins band // Atmosphere, 2019. V10, #3, pp. 142.
15. Efremenko, D.S., Loyola, D.G., Doicu, A., Spurr, R.J.D.: Multi-core-CPU and GPU-accelerated radiative transfer models based on the discrete ordinate method // Computer Physics Communications, 2014. V185, #12, pp. 3079–3089.
16. Efremenko, D., Doicu, A., Loyola, D., Trautmann, T.: Optical property dimensionality reduction techniques for accelerated radiative transfer performance: Application to remote sensing total ozone retrievals // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2014. V133, pp. 128–135.
17. Kopparla, P., Natraj, V., Limpasuvan, D., Spurr, R., Crisp, D., Shia, R.L., Somkuti, P., Yung, Y.L.: Pca-based radiative transfer: Improvements to aerosol scheme, vertical layering and spectral binning // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2017. V198, pp. 104–111.
18. Natraj, V.: A review of fast radiative transfer techniques. In: Light Scattering Reviews 8, pp. 475–504. Springer Berlin Heidelberg, 2013.
19. del Águila, A., Efremenko, D.S., Trautmann, T.: A review of dimensionality reduction techniques for processing hyper-spectral optical signal // Light & Engineering, 2019.pp. 85–98.
20. del Águila, A., Efremenko, D.S., Molina García, V., Kataev, M.Y.: Cluster low-streams regression method for hyperspectral radiative transfer computations: Cases of O2 A- and CO2 bands // Remote Sensing, 2020. V12, #8, pp. 1250.
21. Doicu, A., Trautmann, T.: Discrete-ordinate method with matrix exponential for a pseudo-spherical atmosphere: Scalar case // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009. V110, #(1–2), pp. 146–158.
22. Efremenko, D.S., Molina García, V., Gimeno García, S., Doicu, A.: A review of the matrix-exponential formalism in radiative transfer // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2017. V196, pp. 17–45.
23. Molina García, V., Sasi, S., Efremenko, D., Doicu, A., Loyola, D.: Radiative transfer models for retrieval of cloud parameters from EPIC/DSCOVR measurements // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2018. V213, pp. 228–240.
24. Schreier, F., Gimeno García, S., Hochstaffl, P., Städt, S.: Py4cats – PYthon for computational ATmospheric spectroscopy // Atmosphere, 2019. V10, #5, pp. 262.
25. Gordon, I., Rothman, L., Hill, C., Kochanov, R., Tan, Y., Bernath, P., Birk, M., Boudon, V., Campargue, A., Chance, K., Drouin, B., Flaud, J.M., Gamache, R., Hodges, J., Jacquemart, D., Perevalov, V., Perrin, A., Shine, K., Smith, M.A., Tennyson, J., Toon, G., Tran, H., Tyuterev, V., Barbe, A., Császár, A., Devi, V., Furtenbacher, T., Harrison, J., Hartmann, J.M., Jolly, A., Johnson, T., Karman, T., Kleiner, I., Kyuberis, A., Loos, J., Lyulin, O., Massie, S., Mikhailenko, S., Moazzen-Ahmadi, N., Müller, H., Naumenko, O., Nikitin, A., Polyansky, O., Rey, M., Rotger, M., Sharpe, S., Sung, K., Starikova, E., Tashkun, S., Auwera, J.V., Wagner, G., Wilzewski, J., Wcisło, P., Yu, S., Zak, E.: The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2017. V203, pp. 3–69.
26. Bodhaine, B., Wood, N., Dutton, E., Slusser, J.: On Rayleigh optical depth calculations // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1999. V16, #11, pp. 1854–1861.
27. Hess, M., Koepke, P., Schult, I.: Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bulletin of the American Meteorological Society, 1998. V79, #5, pp. 831–844.
28. Nanda, S., de Graaf, M., Veefkind, J.P., Sneep, M., ter Linden, M., Sun, J., Levelt, P.F.: A first comparison of TROPOMI aerosol layer height (ALH) to CALIOP data // Atmospheric Measurement Techniques, 2020. V13, #6, pp. 3043–3059.
29. Liu, C., Yao, B., Natraj, V., Kopparla, P., Weng, F., Le, T., Shia, R.L., Yung, Y.L.: A spectral data compression (SDCOMP) radiative transfer model for high-spectral-resolution radiation simulations // Journal of the Atmospheric Sciences, 2020. V77, #6, pp. 2055–2066.
30. O’Dell, C.W.: Acceleration of multiple-scattering, hyperspectral radiative transfer calculations via low-streams interpolation // Journal of Geophysical Research, 2010. V115, #D10.
31. Sasi, S., Natraj, V., García, V.M., Efremenko, D.S., Loyola, D., Doicu, A.: Model selection in atmospheric remote sensing with application to aerosol retrieval from DSCOVR/ EPIC // part 2: Numerical analysis. Remote Sensing, 2020. V12, #21, pp. 3656.
32. Kokhanovsky, A.: Cloud Optics. Springer Netherlands, 2006.
33. Budak, V.P., Zheltov, V.S., Lubenchenko, A.V., Freidlin, K.S., Shagalov, O.V.: A fast and accurate synthetic iteration-based algorithm for numerical simulation of radiative transfer in a turbid medium // Atmospheric and Oceanic Optics, 2017. V30, #1, pp. 70–78.
Ключевые слова
Выберите вариант доступа к этой статье

Купить

Рекомендуемые статьи