[論文レビュー] Precipitable Water Vapor: Considerations on the water vapor scale height, dry bias of the radiosonde humidity sensors, and spatial and temporal variability of the humidity field

Ángel Otarola, Richard Querel+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2011

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本稿はチリのアラマゾネスにおけるTMTおよびE-ELTのサイト試験キャンペーンにおける水蒸気量（PWV）推定値の差異を調査し、1.1 mmの差異（3.2 mm 対 2.1 mm）を水蒸気のスケール高さの不確実性、空間的・時間的湿度変動、およびラジオゾンデの相対湿度センサーに知られている乾燥バイアスに起因するとする。スケール高さの不確実性が中央値PWVを2.1% overestimate（0.01 mm）する可能性があることを示しており、温度逆転や非指数的水蒸気プロファイルがモデル化をさらに複雑にする。これにより、ラジオゾンデの測定に即した正規化されたプロファイルを用いた放射線伝達モデルの改善が強く要請される。

ABSTRACT

The Thirty Meter Telescope (TMT) and the European Extremely Large Telescope (E-ELT) site testing teams have recently finalized their site testing studies. Since atmospheric water vapor is the dominant source of absorption and increased thermal background in the infrared, both projects included precipitable water vapor (PWV) measurements in their corresponding site testing campaigns. TMT planned to monitor PWV at the sites of interest by means of using infrared radiometers. Technical failures and calibration issues prevented them from having a sufficiently long PWV time-series to characterize the sites using this method. Therefore, for the sites in Chile TMT used surface water vapor density measurements, which taken together with an assumed water vapor scale height, allowed for the estimation of PWV. On the other hand, the E-ELT team conducted dedicated PWV measurement campaigns at two of their observatory sites using radiosonde soundings to validate historical time-series of PWV reconstructed by way of a spectroscopic analysis of astronomical standard sources observed at the La Silla and the Paranal sites. The E-ELT also estimated the median PWV for the Armazones site from extrapolation of their Paranal statistics accounting for the difference in elevation between the two places; and also from archival analysis of radiosonde data available from the city of Antofagasta by integration of the humidity profile starting from 3000 m altitude. In the case of the Armazones site, the published median of PWV by both groups differ by about 1 mm with the E-ELT values being drier than those estimated by the TMT group. This work looks at some of the reasons that could explain this difference, among them the water vapor scale height, the horizontal variability of the water vapor field, and an unaccounted correction due to a dry bias known to affect the radiosondes relative humidity sensors.

研究の動機と目的

• チリのアラマゾネスにおけるTMT（3.2 mm）とE-ELT（2.1 mm）のサイト試験キャンペーン間で観測された中央値の降水可能水蒸気量（PWV）推定値に生じる1.1 mmの差異を解明すること。
• 温度および相対湿度データを用いた地表面ベースのPWV推定値に、水蒸気スケール高さの不確実性が与える影響を評価すること。
• 大気湿度の空間的および時間的変動がPWV測定に与える影響を評価すること。
• ラジオゾンデの相対湿度センサーに知られている乾燥バイアスが、長期的なPWV統計に与える影響を定量化すること。
• ラジオゾンデの上昇観測データから導出された、サイトに特化した正規化されたプロファイルに置き換えることで、放射線伝達モデルの精度を向上させること。

提案手法

• 固定された水蒸気スケール高さを仮定した指数減衰モデルを用いて、地表面の水蒸気密度から柱状積算水蒸気（PWV）を推定する。
• スケール高さの分布（平均および標準偏差）を用いたモンテカルロシミュレーションにより、中央値PWV推定値の不確実性を評価する。
• ラジオゾンデの上昇観測データを分析し、実際の大気構造（温度逆転を含む）を反映した正規化された温度および水蒸気密度プロファイルを導出する。
• 地表面ベースのPWV推定値（TMT手法）とラジオゾンデから導出されたPWV（E-ELT手法）を比較し、差異の原因を特定する。
• アーカイブデータおよびキャンペーンデータを用いて、ラジオゾンデの相対湿度センサーの乾燥バイアスが長期的PWV統計に与える影響を評価する。
• 観測された輝度温度または天体の放射度に一致するように、サイトに特化した正規化された水蒸気プロファイルをスケーリングする、洗練された放射線伝達モデルの手法を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水蒸気スケール高さの不確実性は、アラマゾネスにおけるTMTとE-ELTの中央値PWV推定値の差異にどの程度寄与しているか？
• RQ2 温度逆転や非指数的水蒸気プロファイルは、PWV推定における指数減衰モデルの精度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ラジオゾンデの相対湿度センサーに知られている乾燥バイアスは、長期的PWV統計にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 大気湿度の空間的および時間的変動は、異なる手法間のPWV測定値の差異にどのように寄与しているか？
• RQ5 正規化された、サイトに特化した水蒸気プロファイルを用いることで、理想化された指数モデルと比較して、放射線伝達モデルおよびPWV推定の精度が著しく向上するか？

主な発見

• 仮定された水蒸気スケール高さは、アラマゾネスにおいて中央値PWVを2.1% overestimate（0.01 mm）する要因となり、スケール高さの不確実性が無視できない誤差要因であることを示している。
• 水蒸気がその層の下に閉じ込められる温度逆転は、指数減衰モデルからの著しい逸脱を引き起こし、PWV推定値に系licateな誤差をもたらす可能性がある。
• ラジオゾンデの相対湿度センサーに見られる乾燥バイアスは、実際の水蒸気量の低減を引き起こし、TMTとE-ELTの推定値の差異の一部を説明できる可能性がある。
• アラマゾネスにおける中央値夜間PWVは2.9 mmであり、GOES衛星データと整合しており、TMTが使用した全体の3.2 mmの値よりも低い。
• モンテカルロシミュレーションの結果、湿潤／乾燥バイアスの全体的平均効果は時間経過とともに薄れるが、スケール高さの偏差における非対称性により完全なキャンセルは起こらず、持続的な不確実性が残存する。
• 放射線伝達モデルに、サイトに特化した正規化された水蒸気および温度プロファイルを組み込むことで、逆転や層構造といった実際の大気構造を考慮でき、PWV推定の精度が著しく向上する。