Расчёт коэффициента поглощения воздуха на различных высотах с использованием баз данных HITRAN и ACE-FTS

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Григорьев И.С. Расчёт коэффициента поглощения воздуха на различных высотах с использованием баз данных HITRAN и ACE-FTS // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 26–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-26-36

Grigorev I.S. Calculation of the absorption coefficient of air at different heights using the HITRAN and ACE-FTS databases [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 10. P. 26–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-26-36

Ссылка на англоязычную версию:

I. S. Grigor’ev, "Calculation of the absorption coefficient of air at different heights using the HITRAN and ACE-FTS databases," Journal of Optical Technology. 89(10), 578-585 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000578

Аннотация:

Предмет исследования. Возрастающие требования к точности моделирования яркостных характеристик атмосферы на различных высотах обуславливают необходимость разработки более полных методик расчёта коэффициента поглощения воздуха. Метод. В рамках данной задачи возможно использование современных баз данных спутникового зондирования атмосферы, содержащих информацию об объёмных долях компонентов воздуха на различных высотах совместно с базой данных параметров спектральных линий газов для расчёта спектрального коэффициента поглощения. Дополнительным преимуществом использования баз данных спутникового зондирования является возможность (путём задания широты и долготы) конкретизировать географическое положение высотных профилей компонентов воздуха, что позволяет учитывать отличия
состава воздуха над различными регионами земного шара. Как правило, такие базы предоставляют информацию, начиная с некоторой высоты, что приводит к необходимости комбинации баз данных спутникового зондирования с данными, полученными либо с наземных метеостанций, либо с использованием модельных распределений. В рамках данной работы использовалась база данных ACE-FTS, и на нижних высотах производилась комбинация со стандартными моделями атмосферы Modtran. Фильтр для базы данных ACE-FTS был написан на языке С++. Для расчёта коэффициентов поглощения использовалась база данных HITRAN. ACE-FTS предоставляет данные по 43 компонентам воздуха, из которых в HITRAN по 27 компонентам есть информация для полилинейчатого (Line-by-Line) расчёта, а для остальных 16 компонентов присутствует информация о спектральном сечении поглощения. Основные результаты. На языке C++ разработана программа расчёта коэффициента поглощения многокомпонентной газовой смеси. При этом при проведении Line-by-Line расчётов использовался контур линии Фойгта, учитывались влияние давления и температуры на величину сдвига линии, а также уширение линии за счёт следующих процессов: собственного уширения, уширения за счёт взаимодействия с молекулами воды и углекислого газа, уширения за счёт взаимодействия с остальными компонентами воздуха. В программе явным образом учитывается изотопный состав молекул, что позволяет рассчитывать не только воздушную смесь, но и произвольную смесь с заданным изотопным составом, информация по которым присутствует в базе данных HITRAN. Кроме этого, учтены данные высокотемпературной версии HITEMP. Практическая значимость. Результатом объединения баз данных ACE-FTS и HITRAN является возможность расчёта детализированного профиля спектрального коэффициента поглощения воздуха при задании месяца, температуры на поверхности Земли, а также географической широты и долготы, что повышает информативность входных данных для расчёта яркости и пропускания атмосферы на различных высотах. Приведено сравнение скоростей считывания данных (парсинга) и расчёта по полученной программе и по программе HAPI, реализованной на языке Python.

Ключевые слова:

ACE-FTS, HITRAN, коэффициент поглощения воздуха, полилинейчатый расчёт Line-by-Line, absorption cross section (сечение поглощения), язык программирования C++

Коды OCIS: 010.1030, 010.1290, 010.5620

Список источников:

1. Макаров А.С., Филиппов В.Л. Ослабление ИК излучения в атмосфере при наличии осадков // Оптический журнал. 1996. Т. 63. № 11. С. 33–36.
2. Филиппов В.Л., Танташев М.В., Вендеревская И.Г. Оптическая модель атмосферы для задач расчета облученности входных зрачков оптико-электронных систем // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 4. С. 3–10.
3. Осипов В.М., Борисова Н.Ф. Поглощение и излучение инфракрасной радиации атмосферой на протяженных наклонных трассах // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 9. С. 35–45.
4. Atmospheric Correction Parameter Calculator MODTRAN Standard Atmosphere [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/standard_atmospheres.html, свободный. Яз. англ. (дата обращения 23.03.2022)
5. ACE-FTS [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ace.uwaterloo.ca/index.php, свободный. Яз. англ. (дата обращения 23.03.2022).
6. Rothman L.S., Jacquemart D., Barbe A., Hargreaves R.J. et al. The HITRAN2004 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2005. V. 96. № 2. P. 139–204. http://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.10.008
7. Gordon I.E., Rothman L.S., Hill C. et al. The HITRAN2004 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2017. V. 203. P. 3–69. http://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.06.038
8. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J. et al. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2022. V. 277. № 107949. http://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107949
9. Bernath P., Boone C., Steffen J., Crouse J. Atmospheric chemistry experiment SciSat level 2 processed data. v3.5 / v3.6 // Federated Research Data Repository. 2021. https://doi.org/10.20383/102.0495
10. Bernath P., Steffen J., Crouse J., Boone C. Atmospheric chemistry experiment SciSat level 2 processed data. v4.0 // Federated Research Data Repository. 2020. https://doi.org/10.20383/101.0291.
11. Kochanov R.V., Gordon I.E., Rothman L.S., Wcislo P., Hill C., Wilzewski J.S. HITRAN Application Programming Interface (HAPI): A comprehensive approach to working with spectroscopic data // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2016. V. 177. P. 15–30. http://doi.org/ 10.1016/j.jqsrt.2016.03.005
12. Ngo N.H., Lisak D., Tran H., Hartmann J.-M. An isolated line-shape model to go beyond the Voigt profile in spectroscopic databases and radiative transfer codes // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2013. V. 129. P. 89–100. http://doi.org/ 10.1016/j.jqsrt.2013.05.034

13. Tran H., Ngo N.H., Hartmann J.-M., Efficient computation of some speed-dependent isolated line profiles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 129. P. 199–203. http://doi.org/ 10.1016/j.jqsrt.2013.06.015
14. Rothman L.S., Gordon I.E., Barber R.J., Dothe H., Gamache R.R., Goldman A., Perevalov V., Tashkun S.A., Tennyson J. HITEMP, the high-temperature molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2010. V. 111. P. 2139–2150. http://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.05.001
15. Abrarov Sanjar M., Quine Brendan M. A rational approximation for efficient computation of the Voigt function in quantitative spectroscopy // Journal of mathematics research. 2015. V. 7. № 2. P. 163–174. http://doi.org/ 10.5539/jmr.v7n2p163
16. Franz S. Notes: An assessment of some closed-form expressions for the Voigt function III: Combinations of the Lorentz and Gauss functions // Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2019. V. 226. P. 87–91. http://doi.org/ 10.1016/j.jqsrt.2019.01.017
17. Hitran Online [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// https://hitran.org/, свободный. Яз. англ. (дата обращения 23.03.2022).