Валидация профилометра RPG-HATPRO по данным радиозондирования

В данной работе проводится всестороннее исследование качества измерений атмосферных характеристик посредством профилометра RPG-HATPRO-G3 (Radiometer Physics GMBH), базирующегося в ИПФ РАН, Нижний Новгород (56 с.ш., 44 в.д.). Данный прибор непрерывно измеряет спектры нисходящего собственного излучения атмосферы в диапазонах частот 22-32 ГГц и 51-58 ГГц. По каждому спектру оперативно (посредством квадратичной регрессионной модели, предоставленной производителем) восстанавливаются вертикальные распределения температуры и паров воды в диапазоне высот 0-10 км с высоким пространственным (от нескольких десятков метров) и временным (1-2 мин) разрешением. Тропосферные профили, полученные прибором за период с 2013 по 2018 годы, сравнивались с данными радиозондирования на аэрологической станции «Нижний Новгород», находящейся в 7-ми км от RPG-HATPRO и производящей пуски зондов 2 раза в сутки (00 и 12 UTC). Обнаружено, что в среднем по всему ансамблю данных наблюдается занижение температуры тропосферы, измеряемой микроволновым прибором, с максимумом среднего (систематического) отклонения от зондовых данных -0.5 К на 7 км. При этом среднеквадратичное отклонение возрастает с ростом высоты и варьируется от 1.4-1.6К на 0-3 км до 4.8К на 10 км. Результаты сравнения имеют явную сезонную зависимость и зависят от процедуры фильтрации исходных данных. Это особенно сильно проявляется в измерениях профиля водяного пара, для которых систематическое отклонение от зондовых данных по всему ансамблю варьируется в диапазоне (-20,+30)%, а среднеквадратичное отклонение – в диапазоне (20-70)%.
В работе обсуждаются различные источники обнаруженного рассогласования микроволновых и радиозондовых данных. В частности, особое внимание было уделено ошибке, связанной с возможной неточностью модели микроволнового поглощения кислорода. С этой целью были отдельно рассмотрены результаты измерений, соответствующие ясному небу. Спектры нисходящего излучения атмосферы, измеренные HATPRO в диапазоне частот 51-58 ГГц, сравнивались с симулированными спектрами, полученными посредством модели переноса микроволнового излучения в атмосфере, в которой радиозондовые профили температуры и паров воды тропосферы служили входными данными. Было обнаружено, что систематическая разность между измеренными и модельными спектрами также имеет сезонную зависимость. Тем не менее, были установлены определенные спектральные особенности вблизи частоты 52.3ГГц, не зависящие от сезона и сохраняющиеся при смене калибровок прибора. Точная природа этих особенностей на данный момент не ясна, однако, среди прочего, они могут быть вызваны неточностью модели микроволнового поглощения кислорода.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 18-72-10113.