ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 2, с. 12-18
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
МОНИТОРИНГ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ РОССИЙСКОГО ГЕОСТАЦИОНАРНОГО МЕТЕОСПУТНИКА "ЭЛЕКТРО-Л" © 2013 г. Е. К. Крамчанинова, А. Б. Успенский*
Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета", Москва
*E-mail: uspensky@planet.iitp.ru Поступила в редакцию 10.09.2012 г.
Исследована возможность дистанционного мониторинга общего содержания озона (ОСО) в атмосфере по данным многоканального сканирующего устройства — геостационарного (МСУ-ГС), с отечественного метеоспутника "Электро-Л" № 1. Наряду с измерениями МСУ-ГС в трех каналах (8.2—9.2, 9.2—10.2, 10.2—11.2 мкм) для оценивания ОСО в качестве дополнительных предикторов используются данные о вертикальных распределениях температуры в озоновом слое, температуре и давлении на уровне подстилающей поверхности (результаты спутникового зондирования или прогностические данные). Построение оценок ОСО выполняется с помощью регуляризованного регрессионного алгоритма (гребневая регрессия), причем для формирования обучающих и контрольных выборок используются независимые оценки ОСО по данным аппаратуры OMI, установленные на спутнике EOS Aura. Численные эксперименты по обработке реальных данных МСУ-ГС за отдельные сроки периода с ноября 2011 г. по август 2012 г. показали возможность организации регулярного мониторинга полей ОСО с высокими пространственным и временным разрешениями и приемлемым уровнем погрешности: модуль относительных средних отклонений и относительные среднеквадратичные отклонения между оценками по данным МСУ-ГС и OMI лежат в диапазоне 1— 2% и 5—7% соответственно, в зависимости от типа подстилающей поверхности.
Ключевые слова: геостационарный метеоспутник, общее содержание озона, регрессионный алгоритм
Б01: 10.7868/8020596141302005Х
ВВЕДЕНИЕ
На борту отечественного геостационарного метеоспутника второго поколения серии "Элек-тро-Л", запущенного 20 января 2011 г. (точка стояния 76° в.д.), в качестве основной полезной нагрузки установлен сканер-имаджер МСУ-ГС (многоканальное сканирующее устройство — геостационарное). Описание космического аппарата (КА) "Электро-Л" № 1 и его полезной нагрузки, наземного сегмента и получаемых информационных продуктов, а также результатов летных испытаний и опытной эксплуатации приведено в (Асмус и др., 2012).
С помощью МСУ-ГС выполняется многоспектральная съемка всего диска Земли в видимом (три канала, разрешение в подспутниковой точке 1 км) и инфракрасном (семь ИК-каналов, разрешение 4 км) диапазонах спектра. Абсолютная ("внутренняя") калибровка регистрируемых в 10 каналах сигналов обеспечивается референсными источниками (лампы, имитаторы абсолютно черного тела). Штатная периодичность съемки — 30 мин.
Аппаратура МСУ-ГС по своему назначению и информационным характеристикам во многом подобна сканеру-имаджеру 8БУ1Я1 европейских геостационарных метеоспутников второго поколения Ме1ео8а1-8, -9, см. напр., (8сИше12 й а1., 2002). Семь ИК-каналов сканера МСУ-ГС выбраны таким образом, чтобы обеспечить получение количественной информации о параметрах атмосферы, облачности и подстилающей поверхности. В частности, в канале 8 (9.2—10.2 мкм) регистрируется уходящее ИК-излучение в спектральном диапазоне полосы поглощения озона (О3) с центром вблизи 9.6 мкм, что позволяет определять ОСО в пределах видимого диска Земли. Указанный информационный продукт имеет многочисленные приложения в метеорологии, атмосферных исследованиях, включая прогноз погоды, оценку высоты тропопаузы, описание динамических и химических процессов в стратосфере.
В настоящей работе предлагается оригинальный метод дистанционной оценки ОСО по данным МСУ-ГС КА "Электро-Л" № 1. Приводятся результаты испытания метода на представитель-
ной выборке фактических данных КА "Электро-Л" № 1, подтверждающие возможность регулярного мониторинга ОСО с приемлемым уровнем погрешности.
МЕТОД АНАЛИЗА СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ
Наличие в составе измерений сканера МСУ-ГС "озонового" канала 9.2—10.2 мкм позволяет получать информацию о концентрации Оз в так называемом озоновом слое (между 12 и 36 км) (Поляков, Тимофеев, 2008; Jin et al., 2008; Zimmermann, 2010). Измеряемые в озоновом канале радиационные температуры Тг чувствительны к
вариациям концентрации озона XO (p), где р — давление, и вертикального распределения температуры Т(р), а также к вариациям температуры Ts и излучательной способности е подстилающей поверхности. Этот вывод следует из анализа поведения якобианов — вариационных производных Тг по XO , Т(р), Т и е (Schmetz, 2002; Hoffman, Schmild, 2010; Zimmermann, 2010). Поэтому получение достоверных оценок X0з (p) или ОСО по спутниковым измерениям в озоновом канале требует привлечения дополнительной информации о Т(р), Ts и е в пунктах зондирования.
Следует отметить, что измерения уходящего ИК-излучения в полосе 9.6 мкм выполняются целевой аппаратурой, установленной не только на геостационарных ("Электро-Л" № 1, Meteosat-8, -9, GOES), но и на полярно-орбитальных (NOAA, Suomi NPP, MetOp) спутниках. При этом на борту полярно-орбитальных метеоспутников нового поколения (MetOp, Suomi NPP) функционируют ИК-зондировщики высокого спектрального разрешения с большим количеством "температурных" каналов и каналов в полосе 9.6 мкм. Это позволяет получать оценки профилей Т(р) и ОСО (или даже профилей XO}(p)) без привлечения дополнительной информации, упомянутой выше (Успенский и др., 2003). В составе измерений существующей аппаратуры геостационарных метеоспутников (сканеры-имаджеры МСУ-ГС, SEVIRI) нет температурных каналов, а единственный озонный канал — грубого спектрального разрешения. Из сказанного следует возможность оценки величины ОСО по данным МСУ-ГС, но с обязательным привлечением дополнительной информации.
К настоящему времени известны статистический и физико-статистический подходы к построению оценок ОСО по данным сканеров-има-джеров геостационарных метеоспутников. При статистическом подходе (Поляков, Тимофеев, 2008, 2010; Jin et al., 2008) для "обращения" спутниковых данных используются регрессионные алгоритмы или близкие к ним алгоритмы искус-
ственных нейронных сетей (ИНС). В рамках физико-статистического подхода (Engelen, Tjemkes, 2001) численно решается нелинейная обратная задача относительно XO (p), для чего требуется многократно выполнять радиационные расчеты и привлекать априорную информацию об XO (p)-
В результате летных испытаний КА "Электро-Л" № 1 установлено, что измерения в отдельных ИК-каналах МСУ-ГС имеют структурные искажения и повышенный уровень шума. С учетом того, что регрессионные алгоритмы обладают относительно слабой чувствительностью к измерительным погрешностям разной природы (по сравнению с физическим подходом), для "обращения" данных МСУ-ГС и построения оценок ОСО был выбран в качестве исходного регрессионный алгоритм (Jin et al., 2008; Hoffman, Schmidt, 2010)
n n
ln(OCO) = Co + XCjTr (j) + XCn+j (Tr (j))2 +
j=i j=i
m
+ XC2n+JT (pj ) + C2n+m+1 ps + C2n+m+2Lp + C2n+m+3 X (1) j=1
X C0S (M-^ + C2n+m+4 C0S (ф)-
Здесь C0, ..., C2n + m + 4 — регрессионные коэффициенты; Tr(1), ..., Tr(n) — радиационные температуры, измеренные в n-каналах; Т(р{), Т(р2), ..., Т(рт) — значения температуры на m изобарических уровнях; ps — давление на уровне подстилающей поверхности; Lp — доля суши в р-м пикселе, 0 < Lp < 1; М — номер месяца года, ф — широта.
Указанный алгоритм предложен и испытан на имитационных данных для восстановления ОСО на основе измерений 16-канального сканера-имаджера ABI будущего геостационарного спутника GOES-R/NOAA (США). Шесть ИК-кана-лов аппаратуры ABI и SEVIRI имеют близкие спектральные характеристики, поэтому в алгоритме (1) предложено использовать данные в восьми каналах ABI или в шести каналах SEVIRI. Из физических соображений в состав предикторов включены данные в одном озонном канале (центр канала — вблизи 9.6 мкм) и в семи "прозрачных" каналах (с минимальным поглощением водяным паром). Ввиду отсутствия в составе измерений ABI температурных каналов и зависимости сигналов в озонном и других ИК-каналах от Т(р) и Т, в состав предикторов в (1) включены значения температуры Т(р) на 101 уровне и ps — результаты численного прогноза погоды, поступающие из прогностического центра NCEP (США). Номер месяца (М) и широта (ф) включены в состав предикторов для учета пространственно-временной изменчивости поля ОСО. Кроме того, ввиду зависимости регрессионных
коэффициентов от локального зенитного угла наблюдений 9, регрессии (1) строятся для набора зенитных углов 9 в диапазоне 0°—80° с шагом 0.5°.
Следует также отметить, что вследствие большого количества предикторов (>120) и отсутствия реальных измерений ABI авторы алгоритма использовали так называемую "расчетную" регрессию, т.е. обучающие и контрольные выборки формировались с использованием модельных Тг, которые вычислялись для представительных наборов векторов состояния атмосферы, Ts и е при условии отсутствия облачности в поле зрения прибора.
Применительно к анализу данных МСУ-ГС алгоритм (1) был модифицирован. Вместо расчетной регрессии было решено использовать "эмпирическую" регрессию, т.е. формировать обучающую выборку из синхронных пространственно-совмещенных фактических измерений МСУ-ГС и предикторных переменных (Т(р) i = 1, ..., m; Т). Для уменьшения количества предикторов использовались значения Т(р) в слое 500 — 10 гПа, Т и ps. Обучающие выборки формировались отдельно для поверхностей суши и океана, поэтому предиктор Lp (признак типа поверхности) был исключен. Кроме того, согласно численным экспериментам, предикторы (Tr(j))2, j = 1, ..., n можно исключить без заметного ухудшения погрешности оценивания ОСО.
Анализ фактической информации МСУ-ГС показал пригодность для тематической обработки данных в каналах 7 (8.2—9.2 мкм), 8 (9.2—10.2 мкм) и 9 (10.2—11.2 мкм), см. (Асмус и др., 2012). Данные в этих каналах имеют умеренный уровень шума. За отдельные сроки данные в канале 9 имеют структурные искажения. По результатам визуального анализа данные со структурными искаже
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.