[論文レビュー] Accuracy of the Water Vapour Content Measurements in the Atmosphere Using Optical Methods

В. Д. Галкин, U. Leiterer+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2010

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、星の光度観測、機器キャリブレーション、大気消光に関する誤差を分析することにより、光学的手法、特に星光度測定を用いた大気水分量測定の精度を評価する。結果として、高精度な光学的手法が、GPS や LIDAR、マイクロ波放射計測などの新規手法の補正および校正に信頼できるものであると結論づける。

ABSTRACT

This paper describes the accuracy and the errors of water vapour content measurements in the atmosphere using optical methods, especially starphotometer. After the general explanations of the used expressions for the star-magnitude observations of the water vapour absorption in section 3 the absorption model for the water vapour band will be discussed. Sections 4 and 5 give an overview on the technique to determine the model parameters both from spectroscopic laboratory and radiosonde observation data. Finally, the sections 6 and 7 are dealing with the details of the errors; that means errors of observable magnitude, of instrumental extraterrestrial magnitude, of atmospheric extinction determination and of water vapour content determination by radiosonde humidity measurements. The main conclusion is: Because of the high precision of the results the optical methods for water vapour observation are suited to validate and calibrate alternative methods (GPS, LIDAR, MICROWAVE) which are making constant progress world-wide in these days.

研究の動機と目的

• 星光度測定を用いた大気水分量の光学的測定における精度と誤差要因を評価すること。
• 分光およびラジオゾンデデータに基づく水分量吸収モデルの構築と検証すること。
• 光度観測、機器の宇宙外光度、大気消光に関する誤差を定量化すること。
• ラジオゾンデの湿度測定が光学手法のキャリブレーションの基準として信頼できるかを評価すること。
• GPS や LIDAR、マイクロ波放射計測などの新規遠隔測定技術の検証のための基準として、光学的手法を確立すること。

提案手法

• 星の光度を大気を通過させて観測することで、水分量による吸収を測定する星光度測定を用いる。
• 特定のスペクトル帯における水分量吸収を記述するため、放射移動モデルを適用する。
• 実験室分光データと現地観測のラジオゾンデ湿度測定を用いて、モデルのパラメータをキャリブレーションする。
• 光度観測、機器キャリブレーション、大気消光補正の誤差伝搬を分析する。
• 光学法の結果とラジオゾンデデータを比較することで、精度の検証と系統的バイアスの特定を行う。
• 統計的および誤差解析手法を用いて、水分量推定における不確実性を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星光度測定を用いた大気水分量の光学的測定における主な誤差要因は何か？
• RQ2 提案された吸収モデルを用いて、星の光度観測からどれほど正確に水分量を推定できるか？
• RQ3 実験室分光データとラジオゾンデ測定は、光学手法のキャリブレーションにおいてどの程度一致するか？
• RQ4 機器および大気消光の誤差は、最終的な水分量決定にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 光学的手法は、GPS や LIDAR、マイクロ波遠隔測定技術のキャリブレーションおよび検証に信頼できる基準として機能できるか？

主な発見

• 星光度測定を用いた光学的手法は、高い精度で大気水分量を測定でき、キャリブレーション用途に適している。
• 分光データとラジオゾンデ観測に基づく吸収モデルは、検証試験において強く整合性があり、偏差が小さい。
• 光度観測誤差および機器の宇宙外光度誤差は、合計不確実性に顕著に寄与するが、定量的かつ管理可能である。
• 大気消光誤差は、注意深いキャリブレーションと補正手順により最小限に抑えられ、全体の測定信頼性が向上する。
• ラジオゾンデ測定は、光学法結果の検証に頼れる基準を提供し、晴天時において良好な一致が得られた。
• 本研究は、GPS や LIDAR、マイクロ波放射計測器などの新規遠隔測定技術の検証に、光学的手法が実用的かつ正確な基準であることを確認した。