[论文解读] 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 11

一句话总结

本文研究了智利阿马宗内斯（Armazones）站点TMT与E-ELT选址测试活动中可降水汽（PWV）估算值之间的差异，将1.1 mm的差异（3.2 mm vs. 2.1 mm）归因于水汽层高不确定度、水汽时空湿度变异性以及探空仪相对湿度传感器已知的干 bias。研究显示，层高不确定度可导致中位数PWV高估2.1%（0.01 mm），而温度逆增和非指数型水汽分布进一步增加了建模复杂性，强调需使用基于站点的归一化剖面改进辐射传输模型。

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.

研究动机与目标

• 解决智利阿马宗内斯站点TMT（3.2 mm）与E-ELT（2.1 mm）选址测试活动中可降水汽（PWV）中位数估算值之间1.1 mm的差异。
• 评估水汽层高不确定度对基于地表温度和相对湿度数据估算地表PWV的影响。
• 评估大气湿度水平与时间变异性对PWV测量的影响。
• 量化探空仪相对湿度传感器已知干 bias 对长期PWV统计的影响。
• 通过用基于探空仪探空数据导出的归一化、站点特异性剖面替代指数型水汽剖面，改进辐射传输建模。

提出的方法

• 利用固定水汽层高假设的指数衰减模型，从地表水汽密度估算柱状积分水汽（PWV）。
• 使用蒙特卡洛模拟，基于层高分布（均值与标准差）评估中位数PWV估算的不确定性。
• 分析探空仪探空数据，推导反映实际大气结构（包括温度逆增）的归一化温度与水汽密度剖面。
• 将基于地表的PWV估算（TMT方法）与探空仪导出的PWV（E-ELT方法）进行对比，以隔离差异来源。
• 利用档案数据与测试活动数据，评估探空仪相对湿度传感器干 bias 对长期PWV统计的影响。
• 提出一种改进的辐射传输建模方法，通过将归一化的、站点特异性的水汽剖面缩放以匹配观测亮度温度或天文通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 水汽层高不确定度对阿马宗内斯站点TMT与E-ELT之间中位数PWV估算差异的贡献有多大？
• RQ2 温度逆增和非指数型水汽剖面如何影响指数衰减模型在PWV估算中的准确性？
• RQ3 探空仪相对湿度传感器已知的干 bias 对长期PWV统计的影响程度如何？
• RQ4 大气湿度的空间与时间变异性如何导致不同方法间PWV测量的差异？
• RQ5 与理想化的指数模型相比，使用归一化、站点特异性水汽剖面能否显著提升辐射传输模型与PWV估算的准确性？

主要发现

• 所假设的水汽层高导致中位数PWV高估2.1%（0.01 mm），表明层高不确定度是不可忽视的误差来源。
• 将水汽困在层内的温度逆增可导致与指数衰减模型的显著偏离，从而在PWV估算中引入系统性误差。
• 探空仪相对湿度传感器的干 bias 会导致实际水汽含量被低估，可能解释了TMT与E-ELT估算值之间1.1 mm差异的部分原因。
• 阿马宗内斯夜间中位数PWV为2.9 mm，与GOES卫星数据一致，低于TMT地表估算所用的总体3.2 mm值。
• 蒙特卡洛模拟显示，尽管湿/干 bias 的总体平均效应随时间减弱，但层高偏差的非对称性导致无法完全抵消，从而持续存在不确定性。
• 在辐射传输模型中使用归一化、站点特异性的水汽与温度剖面，可通过考虑实际大气结构（如逆增与分层）显著提升PWV估算的准确性。