Infrared transmission by water vapour

Summary Values of infrared transmission by water vapour are required in order to prepare radiation charts, to establish electronic computer programs for flux calculations, to permit deduction of stratospheric vapour concentrations from infrared observations and to facilitate the interpretation of infrared satellite data. In this paper, approaches involving the extensive use of spectroscopic (and theoretically derived) parameters are explored fully and their limitations indicated. The central problem in the use of the random model for the water vapour spectrum is the choice of a suitable unit of spectral interval. This choice involves the testing of line positions for a random distribution, the combination or separation of closely-adjacent lines and the assessment of the effects of a variable band envelope. Techniques suitable for these purposes are developed. In the spectral region between bands, one must consider the background or continuous absorption due to distant but strong lines. Appropriate methods of doing this are presented. In this case, in particular, the calculation of flux transmission for non-homogeneous atmospheric slabs presents special problems, which are considered here.

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Zusammenfassung Für die Konstruktion von Strahlungsdiagrammen, die Erstellung von Programmen für die Berechnung von Strahlungsstr?men mittels elektronischer Rechenmaschinen, für die Ermittlung von Wasserdampfkonzentrationen in der Stratosph?re durch Infrarotbeobachtungen und für die Auswertung von Strahlungsdaten, die von Satelliten gewonnen werden, sind genaue Angaben über die langwellige Transmission des Wasserdampfes erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird der Versuch unternommen, durch umfassenden Gebrauch von spektroskopischen (und auch theoretischen) Parametern diese Aufgabe zu l?sen, wobei, auch die Grenzen der Methode aufgezeigt werden. Das Kernproblem bei der Verwendung eines Zufallsmodells des Wasserdampfspektrums ist die Wahl einer geeigneten Einheit für die Spektralintervalle. Dies bedeutet eine überprüfung der Lage der Absorptionslinien im Hinblick auf eine Zufallsverteilung, die Vereinigung oder Trennung benachbarter Spektrallinien und die Beurteilung der Frage, inwieweit die Wahl verschiedener Einhüllender der Spektralbanden das Ergebnis beeinflu?t. Es wurden dafür geeignete Methoden entwickelt. In den Spektralbereichen zwischen den Banden mu? auch der Betrag der kontinuierlichen Absorption, hervorgerufen durch die auseinanderliegenden, aber starken Linien in Rechnung gestellt werden. In diesem Fall ergibt sich das besondere Problem, die Strahlungsstr?me für nicht homogene Atmosph?renschichten zu berechnen.

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Résumé Il est indispensable de posséder des données exactes de la transmission pour les longues ondes dans la vapeur d'eau pour l'étude des domaines suivants: construction de diagrammes du rayonnement, programmation pour le calcul des flux de rayonnements par des calculatrices électroniques, calcul du taux de vapeur d'eau dans la stratosphère par des observations dans l'infra-rouge, dépouillement des données du rayonnement fournies par les satellites artificiels. Le présent travail est un essai de solution de ce problème au moyen de paramètres spectroscopiques et théoriques; on y indique cependant aussi les limites utiles de la méthode. Lors de l'utilisation d'un modèle aléatoire du spectre de la vapeur d'eau, le problème crucial est le choix d'une unité adéquate pour la mesure des intervalles spectraux. Cela implique l'examen de la position des lignes d'absorption en rapport avec la répartition aléatoire, la réunion ou la séparation de lignes spectrales rapprochées et l'appréciation de la mesure dans laquelle le résultat est influencé par le choix des différentes enveloppantes des bandes spectrales. On a développé des méthodes appropriées à ce but. La valeur de l'absorption continue, provoquée par des lignes distinctes, mais fortement marquées doit également être prise en considération dans l'espace compris entre les bandes du spectre. Dans ce cas, il se pose un problème particulier: celui du calcul des flux de rayonnement pour des couches atmosphériques inhomogènes.

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With 4 Figures

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Published by permission of the Director, Meteorological Branch, Department of Transport, Canada, and dedicated toDr. W. M?rikofer on the occasion of his 70th birthday.     

Infrared transmission by water vapour

Summary The central problem in radiative flux calculation is the coordination and integration of laboratory data, spectroscopic data and theory and infrared transmission theory. In the case of water vapour, the general applicability of a random spectral model permits a simple “universal” plot of transmission data which is widely valid. By consideration of a similar plot for a regular spectral model, a technique is developed for a spectrum which is neither purely regular nor purely random, which permits a simple graphical presentation and analysis of laboratory transmission data. An extension of the Curtis-Godson approximation permits the application of such a universal curve to arbitrary atmospheres, both for intensity transmission and flux transmission. Special problems arise in the case of spectral window transmission, and suitable techniques are devised to treat this case, although it is necessary to lean more heavily in this spectral domain on theory in order to calculate flux transmission for an arbitrary atmosphere. A number of subsidiary problems are also considered in this paper, such as the effects of multiple absorbents and of experimental slit widths, and techniques designed specifically for the use of spectrally-integrated transmissions on a radiation chart.

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Zusammenfassung Das Hauptproblem bei der Berechnung von Strahlungsstr?men bildet die Koordinierung und Zusammenfassung von Laboratoriumsresultaten, von spektroskopischen Daten und von Ergebnissen der Theorie der Energieleitung durch infrarote Strahlen. Im Falle des Wasserdampfspektrums gestattet die Annahme eines „Zufallsmodells” der Spektrallinienverteilung eine graphische Darstellung der Transmissionsdaten, die den Tatsachen weitgehend gerecht wird. Durch Betrachtung einer ?hnlichen Darstellung im Falle eines regul?ren Spektralmodells wird eine Methode entwickelt, die auch auf ein Spektrum anwendbar ist, das als weder vollst?ndig regul?r noch als rein zuf?llig anzusehen ist. Diese Methode erlaubt eine einfache graphische Darstellung und Analyse der aus Laboratoriumsversuchen gewonnenen Transmissionsdaten. Eine Erweiterung der Curtis-Godson-N?herung erlaubt dann die Anwendung einer solchen generellen Kurve auf beliebige Atmosph?ren, sowohl für die Intensit?ts- als auch für die Strahlungsstromtransmission. Spezielle Probleme entstehen im Falle einer Transmission durch ein Fenster im Spektrum. Für die Behandlung dieses Falles werden geeignete Methoden entwickelt. Es ist dabei notwendig, sich st?rker an die Theorie zu halten, um die Strahlungstransmission für beliebige Atmosph?ren zu berechnen. In dieser Arbeit werden noch einige Nebenprobleme behandelt, so die Effekte der Mehrfachabsorption und die Effekte der Spaltweiten und Spektralintervalle. Es wird auch eine Methode zur Anwendung des Strahlungsdiagrammes auf die spektral integrierte Strahlungstransmission mehrerer Absorber angegeben.

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Résumé Dans le calcul des flux de rayonnement, le problème principal réside dans la coordination et la synthèse de données de laboratoire, de données spectroscopiques et des résultats de la théorie de la transmission de l'énergie par les rayons infra-rouges. Dans le cas du spectre de la vapeur d'eau, l'utilisation d'un „modèle alétoire” de la répartition des lignes spectrales permet la représentation graphique des valeurs de transmission, représentation qui répond en grande partie à la réalité. En considérant une représentation analogue dans le cas d'un spectre régulier, on développe une méthode utilisable également sur un spectre qui ne soit ni absolument régulier, ni complètement d? au hasard. Cette méthode permet une représentation et une analyse graphiques des données de propagation tirées d'essais de laboratoire. L'application étendue des approximations de Curtis-Godson permet alors d'appliquer de telles courbes générales à n'importe quelle atmosphère aussi bien pour la transmission de l'intensité que du flux de rayonnement. Des problèmes spéciaux se posent dans le cas de la transmission au-travers d'une fenêtre du spectre. On a établi des méthodes appropriées à ce cas particulier; il est alors nécessaire de s'en tenir plus étroitement à la théorie afin de calculer la propagation du rayonnement dans une atmosphère quelconque. Dans ce travail, on a encore traité de problèmes accessoires comme les effets de l'absorption multiple et des effets de la largeur de la fente et des intervalles entre les lignes du spectre. Enfin, on indique une méthode permettant d'utiliser les diagrammes de rayonnement en vue de l'intégration spectrale de la propagation du rayonnement dans le cas de plusieurs milieux absorbants successifs.

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With 12 Figures

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Published by permission of the Director, Meteorological Branch, Department of Transport, Canada, and dedicated to Dr.W. M?rikofer on the occasion of his 70th birthday.     

The solar cycle and Indian rainfall

Summary The objective of this study is to examine critically the relationship between solar cycles and Indian monsoon rainfall, for the period 1871–1984, and to search for significant periodicities, by utilizing the maximum entropy spectral technique (MEST). The results of this study using MEST show clearly a significant 11-year cycle in solar activity and rainfall. Also present is a significant 7.33-year cycle in rainfall. The double (Hale) sunspot cycle is not discernible here either in sunspot number or in rainfall. The cross-spectral analysis between the sunspot number and rainfall confirms the existence of a reasonable correlation over an 11-year cycle with a relative phase lag of 0.16 year (sun lead).

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Zusammenfassung Zweck dieser Studie ist die kritische Überprüfung des Zusammenhangs zwischen Sonnenzyklus und dem indischen Monsunregen im Zeitraum 1871–1984 und die Festlegung spezifischer Periodizitäten mittels der Maximal-Entropie-Analyse (MEST). Die Resultate zeigen einen signifikanten 7,33-jährigen Niederschlagszyklus. Der doppelte (Hale) Sonnenfleckenzyklus ist hierbei nicht ausnehmbar, weder bei der Anzahl der Sonnenflecken, noch beim Niederschlag. Die Kreuz-Spektralanalyse zwischen Sonnenfleckenzyklus und Niederschlag bestätigt die Existenz einer Korrelation über einen 11jährigen Zyklus mit einer relativen Phasenverzögerung von 0,16 Jahren.

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On leave from the Indian Institute of Tropical Meteorology, Pune, India.

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With 3 Figures     

The diffusion of particulate matter from an elevated source

Summary The problem of the diffusion of particulate matter from an elevated source is important to industry, to agriculture and to public health. On the experimental and theoretical side, simple ground measurements of this phenomenon offer very sensitive tests of diffusion theories.A theoretical solution to this problem, using theK-theory formulation byDeacon [1], but valid only for neutral stability, was given byRounds [2] in 1955 and has been extended by approximate methods to cover any stability by the present author. Calculations then show the dependence of down-wind distribution of deposited matter on stability, surface roughness, height of source, wind speed and particle size. The effects on the location and magnitude of maximum deposition produced by simultaneous variations in two or more of the above parameters are also portrayed.The formulation bySutton [3] of the statistical theory (theC-theory) has been applied to particulate diffusion by numerous authors, who give differing solutions largely as a result of inconsistent boundary assumptions. A formally correct solution is derived, but a fundamental reexamination of the turbulence mechanism described by theC-theory reveals that this theory is probably not applicable to diffusion from an elevated source near the ground (although it may give essentially the correct ground concentration for gaseous aerosols). In addition, theK-theory has a decided advantage for practical application in that all the parameters required are inherent in the vertical profile of wind speed.

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Zusammenfassung Das Problem der Diffusion suspendierter Partikel von einer Quelle in der Höhe besitzt Bedeutung für Industrie, Landwirtschaft und öffentliche Hygiene. Von experimenteller und theoretischer Seite biete schon einfache Bodenmessungen dieses Vorganges sehr empfindliche Prüfmöglichkeiten für Diffusionstheorien.Eine theoretische Lösung dieses Problems, die auf derK-Theorie-Formulierung vonDeacon [1] beruht, jedoch nur für neutrale Stabilität Gültigkeit besitzt, wurde vonRounds [2] 1955 angegeben und wurde vom Verfasser der vorliegenden Arbeit durch Näherungsmethoden auf beliebige Stabilitätsbedingungen ausgedehnt. Berechnungen haben ergeben, daß die Abhängigkeit der Verteilung der Abwärtsströmungen der abgelagerten Materie von der Stabilität, der Bodenrauheit, der Höhe des Ausgangspunktes, der Windgeschwindigkeit und der Partikelgröße abhängig ist. Die Wirkungen, die durch gleichzeitige Variation von zwei oder mehr der genannten Parameter auf die Lokalisierung und das Ausmaß der maximalen Ablagerung hervorgerufen werden, konnten ebenfalls dargestellt werden. Suttons [3] Formulierung der statistischen Theorie (C-Theorie) wurde von zahlreichen Forschern auf die Partikeldiffusion angewendet, die im wesentlichen infolge unvereinbarer Grenzvoraussetzungen zu verschiedenartigen Lösungen gekommen sind. Es wird eine formell korrekte Lösung aufgestellt; doch ergibt eine auf die Grundtatsachen zurückgehende Überprüfung des Turbulenzmechanismus, wie er von derC-Theorie formuliert wird, daß diese Theorie wahrscheinlich nicht auf den Vorgang der Diffusion von einem erhöhten Ausgangspunkt in der Nähe des Bodens anwendbar ist (wenn sie auch in den Grundzügen in der Lage ist, die korrekte Bodenkonzentration für gasförmiges Aerosol wiederzugeben). Zudem hat dieK-Theorie einen entschiedenen Vorzug für die praktische Anwendung durch den Umstand, daß alle erforderlichen Parameter im Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit enthalten sind.

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Résumé Le problème de la diffusion de particules en suspension issues d'une source en altitude revêt une certaine importance pour l'industrie, l'agriculture et l'hygiène publique. Du point de vue expérimental et théorique, même des mesures au sol de ce phénomène offrent de fines possibilités de vérification des théories de la diffusion.La solution de ce problème fondée sur la théorie deDeacon [1], mais qui ne vaut que pour une stabilité neutre, a été donnée parRounds [2] en 1955 et a été étendue par l'auteur à d'autres conditions quelconques de stabilité par des méthodes d'approximation. Le calcul montre que les courants descendants de particules dépendent de la stabilité, de la rugosité du sol, de l'altitude de la source, de la vitesse du vent et de la grosseur des particules. L'auteur a pu aussi apprécier l'effet des paramètres variables mentionnés sur la localisation et le dépôt maximum.De nombreux chercheurs ont appliqué la théorie deSutton à la diffusion des particules et ont abouti à diverses solutions, en raison probablement de conditions aux limites incompatibles. L'auteur établit une formule correcte; mais l'examen du mécanisme de turbulence tel qu'il est formulé dans la théorie deSutton [3] montre que cette dernière n'est probablement pas applicable au voisinage du sol dans le cas d'une diffusion ayant sa source en un point élevé, bien qu'elle puisse fournir la concentration correcte dans le cas d'un aérosol gazéiforme. En outre la théorie deDeacon présente un net avantage pour les applications, du fait que tous les paramètres nécessaires sont contenus dans le profil vertical de la vitesse du vent.

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Published by permission of the Director, Meteorological Branch, Department of Transport, Canada, and dedicated to Dr.Anders K. Ångström on the occasion of his 70th birthday.