ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.501.86:551.508.953
НОВЫЙ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ АЛГОРИТМ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ЗАТМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИБОРОМ SAGE III
© 2008 г. А. В. Поляков1*, К. Рэндалл2, Л. Харвей2, K. Хоке3
1НИИФизики, Санкт-Петербургский государственный университет 2Университет Колорадо, Боулдер, США 3Институт прикладной физики, Бернский университет, Берн, Швейцария *Тел. (812)225-22-65; e-mail:polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 08.05.2007 г.
Приводится описание новой, усовершенствованной версии системы обработки данных SAGE III и анализ ее качества. В ней учитывается вид высотной аппаратной функции измерений, оценивается и включается в алгоритм паразитная засветка в УФ-каналах прибора, что позволяет существенно улучшить согласие физико-математической модели эксперимента и результатов натурных измерений. Профили озона, полученные по новому алгоритму, сравниваются с результатами оперативной методики NASA и независимыми данными наземных и спутниковых измерений. Следует отметить хорошее согласие полученных результатов с данными SAGE II, что делает целесообразным их совместное использование. В отличие от оперативной методики NASA, наш алгоритм позволяет получить единый профиль озона в диапазоне высот 10—90 км.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы чрезвычайно большое значение придается проблемам изучения изменения климата Земли и разрушения озонного слоя нашей планеты, обусловленных, в частности, изменениями газового состава атмосферы [1—4]. В связи с этим создана глобальная система мониторинга характеристик газового состава атмосферы, состоящая из наземной, самолетной и спутниковой частей. Важной составной частью глобальной системы наблюдений за составом атмосферы является космическая система наблюдений, бурное развитие которой наблюдается последние два—три десятилетия. Спутниковые методы измерений интенсивно используются для изучения характеристик газового состава атмосферы и, прежде всего, для исследований пространственно-временных вариаций и трендов в содержании озона [5, 6]. Одним из эффективных спутниковых методов является затменный метод, основанный на измерении поглощения атмосферой солнечного излучения на касательных трассах при восходе и заходе Солнца за горизонт планеты [5]. Этот метод характеризуется высокой потенциальной точностью, хорошим высотным разрешением, отсутствием необходимости абсолютной калибровки прибора для получения функций пропускания (ФП). С применением этого метода проводился и проводится целый ряд спутниковых экспериментов [5]. Первый многоспектральный спутниковый эксперимент был проведен с помощью аппаратуры "Озон—Мир" в 1996—1997 гг. [7]. С мая 2002 по июнь 2006 г. на борту российского
спутника "Метеор-3М № 1" оперативно функционировал прибор SAGE III [8], продолживший серию приборов SAM, SAM II, SAGE, SAGE II, последний из которых проработал на орбите более 20 лет.
Растущие современные требования к точности дистанционных измерений делают необходимым постоянное развитие и совершенствование физико-математических моделей спутниковых экспериментов и алгоритмов обращения измерений. В работах [9, 10] описана оригинальная методика интерпретации измерений, выполненных прибором SAGE III, которая была разработана в отделе физики атмосферы НИИФ СПбГУ (версия 2), а также приведены примеры ее использования. Настоящая статья посвящена описанию новой, усовершенствованной версии системы обработки данных SAGE III и анализу ее качества.
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ИЗМЕРЕНИЙ SAGE III (ВЕРСИЯ 3)
Оперативная методика [11] обработки измерений, выполненных прибором SAGE III, используемая в NASA для интерпретации измерений, основана на ряде приближений. В частности, вместо ФП атмосферы используются оптические толщины (решается линейная обратная задача); спектральное и высотное интегрирования выполняются приближенно; аэрозольное ослабление учитывается с использованием упрощающих предположений и т.д. В работах [9, 10] была опи-
Нормированные среднеквадратические отклонения между ФП, рассчитанными с различными аппаратными функциями, и измерениями SAGE III
Длина волны канала, нм Условия расчета невязки Кодовый номер измерения SAGE III
662020 664520 664620
284 Без засветки 27.5 30.7 27.3
С засветкой 2.4 3.6 3.5
290 Без засветки 27.0 27.7 24.7
С засветкой 2.9 6.8 3.4
296 Без засветки 26.5 25.9 25.5
С засветкой 3.4 4.0 2.6
сана методика интерпретации, свободная от ряда перечисленных приближений (версия 2). Однако в процессе ее эксплуатации выяснилось, что ряд параметров прибора был задан со значительными погрешностями. Поэтому на основе анализа полученных данных и привлечения дополнительных независимых измерений (данные измерений спутниковой аппаратуры POAM III) была проведена корректировка высотной и спектральной аппаратной функций прибора SAGE III.
Корректировка высотной аппаратной функции
Напомним, что в версии 2 алгоритма интерпретации [9, 10] мы использовали, опираясь на сведения из отчета [12], прямоугольные высотные аппаратные функции с шириной 0.5 км. Анализ методики получения измеренных функций пропускания (данных уровня 1b) в NASA показал, что:
— высотная (вертикальная) аппаратная функция данных уровня 1b представляет собой в первом приближении равнобедренный треугольник со сглаженной вершиной;
— величина полуширины функции заметно меняется с прицельной высотой измерений, как по чисто геометрическим причинам (2% в диапазоне прицельных высот 0—100 км), так и вследствие рефракции (влияние рефракции становится заметным ниже 30 км и достигает более 10% у поверхности Земли);
— асимметрия высотной аппаратной функции, вызванная рефракцией и ростом показателя преломления воздуха с уменьшением высоты, для рассмотренных гладких профилей плотности воздуха составляет менее 1%;
— в зависимости от используемой модели атмосферы величина полуширины аппаратной функции меняется более чем на 10%.
Все эти особенности поведения высотной аппаратной функции прибора SAGE III были учтены в усовершенствованной версии 3.
Корректировка спектральных аппаратных функций
Анализ сопоставления рассчитанных и измеренных SAGE III ФП на касательных трассах показал, что в трех УФ-каналах SAGE III измеренные ФП (данные уровня 1b версии 3.0) заведомо завышены на прицельных высотах ниже 50 км. Простое предположение о ненулевой чувствительности прибора к излучению вне указанных в документации [12] спектральных интервалов является одним из возможных объяснений такого завышения.
Для уточнения спектральных аппаратных функций прибора было проведено решение своеобразной обратной задачи относительно спектральных аппаратных функций на основе привлечения независимых спутниковых данных по вертикальным профилям содержания озона, двуокиси азота и коэффициентов аэрозольного ослабления (КАО), совпадающих в пространстве и во времени с измерениями SAGE III. Для этого использовались профили, восстановленные по данным прибора POAM III [13], ранее тщательно прова-лидированные по независимым измерениям. С помощью алгоритма минимизации невязки между рассчитанными и измеренными SAGE III ФП были скорректированы спектральные аппаратные функции. В таблице приведены нормированные (т.е. идеальное теоретическое значение — единица) величины невязок в УФ-каналах прибора, полученных с использованием предположения о засветке и без него. Как видно из таблицы, использование полученных уточненных спектральных аппаратных функций позволило в большинстве случаев уменьшить в трех УФ-каналах прибора среднеквадратичную нормированную разность между измеренными и рассчитанными ФП до 10 и более раз.
ФП теперь вычисляются как отношение рассчитанных атмосферного и внеатмосферного спектров с учетом спектра излучения Солнца высокого разрешения [14]. Кроме того, учитываются аппаратные функции прибора в области максимальной чувствительности каждого канала SAGE III, полученные в результате лабораторных измерений и любезно переданные нам Вильямом Чу (William Chu), руководителем проекта SAGE III (ранее использовалась прямоугольная аппаратная функция). Наконец, в новой версии программы при решении нелинейной обратной задачи в зависимости от широты и сезона измерений выполняется выбор среднеклиматических профилей озона в качестве начального приближения реше-
ния и среднестатистического априорной информации.
Следует также заметить, что восстановленные нами профили озона и двуокиси азота скорректированы с учетом их горизонтальной неоднородности и нестационарности их состояния в области терминатора по методике, описанной в работе [15] и приведены к терминатору.
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА ПО НОВОЙ ВЕРСИИ
Для анализа качества получаемых по новой версии алгоритма интерпретации профилей озона мы провели их сравнение: а) с результатами восстановления оперативной обработки NASA — данными уровня 2; б) с независимыми измерениями озонозондами. В случае б) мы использовали ранее отобранные для сравнений данные озоно-зондирования [9, 10].
На рис. 1 приведены сопоставления профилей озона: восстановленных по нашей методике и в результате оперативной обработки NASA (выборка — 200 измерений в период 01—08 апреля 2003 г.). Напомним, что в оперативном алгоритме NASA используются три метода восстановления профилей озона: восстанавливается профиль в мезосфере (восстановление озона по УФ-каналам, на рис. 1 сравнение с этим профилем обозначено NASA2) и два варианта профиля в стратосфере по измерениям в видимой (ВИД) области спектра, полученных с помощью множественной линейной регрессии (МЛР, NASA3) и методом наименьших квадратов (МНК, NASA4). Отметим, что наша система обработки имеет то преимущество, что она позволяет получить единый профиль от 10 до 85—95 км, в то время как оперативные методики NASA дают различные профили в стратосфере (10—50 км) и мезосфере (45—90 км), взаимно противоречивые в области высот 45—50 км.
Анализируя рис. 1, можно заключить, что в диапазоне высот 12—45 км наблюдается согласие между нашими и NASA результатами в пределах до 5—7% по среднему и до 10% по среднеквадратичному отклонению. В диапазоне в
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.