научная статья по теме О ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРЫ SEVIRI НА ГЕОСТАЦИОНАРНОМ СПУТНИКЕ METEOSAT-8 Космические исследования

Текст научной статьи на тему «О ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРЫ SEVIRI НА ГЕОСТАЦИОНАРНОМ СПУТНИКЕ METEOSAT-8»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 2, с. 3-9

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

УДК 551.510.534

О ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРЫ SEVIRI НА ГЕОСТАЦИОНАРНОМ

СПУТНИКЕ Meteosat-8

© 2007 г. А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев

Научно-исследовательский институт им. В.А. Фока ФГОУВПО "СПбГУ", Санкт-Петербург Тел.: (812) 225-22-65; e-mail: alexandr@AP13786.spb.edu

Поступила в редакцию 28.04.2006 г.

Анализируются потенциальные возможности определения общего содержания озона (ОСО) с помощью измерений уходящего теплового излучения аппаратурой SEVIRI (спутник Meteosat-8). Выполнено численное моделирование измерений на основе известных ансамбля состояний атмосферы TIGR и программы RTTOV. Решение обратной задачи основано на методе множественной линейной регрессии. Моделирование экспериментов показало, что при использовании только глобальной статистики при определении ОСО из многоканальных ИК-измерений прибором SEVIRI погрешности восстановления составляют 14-15% в зависимости от погрешности радиационных измерений (0.1-0.5 К). Привлечение дополнительной информации о температурном профиле позволяет уменьшить погрешность определения ОСО до 9-10% в зависимости от погрешности радиационных измерений. Сужение выборки (локализация воздушной массы) позволяет уменьшить погрешность определения ОСО до 2.3-7%.

ВВЕДЕНИЕ

Изучение пространственно-временны х вариаций содержания озона в атмосфере Земли представляет собой актуальную задачу в связи с его существенным влиянием на климат планеты и УФ-освещенность поверхности, токсичностью и высокой окислительной способностью в тропосфере [1-4]. Различные спутниковые методы измерений содержания озона играют значительную роль в получении глобальной периодической информации об этой важной в климатическом и экологическом смысле характеристике атмосферы. Так, с помощью спутниковых измерений было обнаружено наличие резкого падения содержания озона в антарктическом районе в весенние месяцы, обнаружены "мини-дыры" в Северном полушарии, определены долговременные тренды в содержании озона в различных широтных поясах, исследованы различные динамические характеристики стратосферы, протестированы численные модели озоносферы и т.д. [2, 3].

Существует целый ряд спутниковых пассивных методов измерений вертикальных профилей и общего содержания озона (ОСО) - методы прозрачности ("затменные" методы), собственного излучения атмосферы, отраженного и рассеянного солнечного излучения [1, 4, 5]. Эти методы отличаются по природе измеряемого излучения, геометрии измерений, периодичности, по пространственному охвату и точности измерений. Различные

спутниковые методы имеют присущие им преимущества и недостатки [4-8]. Указанные выше методы и соответствующие приборы были использованы на различных спутниках с полярными орбитами. Частота и глобальность таких измерений различна для разных методов, зависит от характеристик орбиты, типа пространственного сканирования и т.д. В последние годы начато использование геостационарных спутников для мониторинга состояния озоносферы, что позволило выполнять в течение суток 50 и более измерений и использовать результаты этих измерений для изучения динамики атмосферы, уточнения прогнозов погоды и организации оперативного мониторинга экологической ситуации на больших территориях земного шара (например, мониторинг УФ-освещенности земной поверхности).

Так, действующий на спутнике Meteosat-8 прибор SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) позволяет осуществлять измерения ОСО с помощью надирного метода собственного (теплового) излучения системы атмосфера - поверхность. Прибор SEVIRI имеет в ИК-области спектра восемь измерительных каналов, центрированных при 3.9, 6.3, 7.4, 8.7, 9.7, 10.8, 11.9 и 13.3 мкм. Отметим, что они расположены в полосах поглощения водяного пара и углекислого газа, окнах прозрачности, а также в полосе поглощения озона вблизи 9.6 мкм, измерения в которой и должны давать основную информацию о содержании озона. Нам не известны публикации, в которых про-

водились исследования потенциальных точностей определения ОСО с помощью измерений SEVIRI. В литературе [9-11] приведены примеры попыток использования реальных данных измерений SEVIRI для восстановления полей ОСО, а также примеры валидации полученных результатов на основе привлечения данных независимых измерений. В настоящей работе мы проводим методическое исследование, анализируя возможные погрешности определения ОСО с помощью прибора SEVIRI при использование различного объема и детальности априорной информации.

МЕТОДИКА АНАЛИЗА

Теория и практические аспекты реализации рассматриваемого спутникового метода подробно изучены в ряде монографий и многочисленных публикациях (см., например, [4, 12-15]). Интенсивность измеряемого в надир (или близких направлениях) излучения /Ду в пренебрежении эффектами рассеяния в спектральном интервале Ду можно описать выражением (1) [12]

/1

IДу = \В(V, Т(г))dp\v, г) +

Av

V

P0

+ e(v)Pf(v, 0)B(v, Ts) + (1 - e(v))Pf(v, 0) x (1)

xjB(v, T(z))dPl(v, z)

dv,

где ф(v) - спектральная аппаратная функция прибора; Рт^, 0) - пропускание всей атмосферы; В^, Т - функция Планка; Р^, г) и г) - функции пропускания атмосферы от верхней и соответственно от нижней границы до высоты г на волновом числе V; Т(г) и Т. вертикальный профиль температуры и температура поверхности соответственно; е^) - излучательная способность подстилающей поверхности. Отметим, что интенсивность уходящего теплового излучения зависит от ряда параметров атмосферы и поверхности - вертикальных профилей температуры, влажности, содержания других оптически активных газов, микрофизических и оптических характеристик облаков (и, в ряде случаев, аэрозолей), температуры и излуча-тельной способности поверхности. Измерения уходящего излучения в каналах SEVIRI несут в себе определенную информацию об указанных параметрах атмосферы и поверхности, однако решение комплексной обратной задачи восстановления всех этих профилей и параметров не представляется возможным в силу ограниченного спектрального состава измерений радиометра SEVIRI и соответственно информационного содержания измерений. Для примера укажем, что современный атмо-

сферный ИК-зондировщик AIRS для решения этой комплексной задачи использует измерения в нескольких сотнях каналов с достаточно высоким спектральным разрешением в широкой спектральной области [16].

Для численного моделирования измерений SEVIRI мы использовали известный ансамбль состояний атмосферы TIGR. Он представляет собой набор из 2311 состояний атмосферы, соответствующих пяти воздушным массам: тропики, средние широты 1 и 2, полярные 1 и 2. Для каждого состояния атмосферы на 40 уровнях постоянной сетки давления приводятся профили температуры и содержания водяного пара и озона. Кроме того, приводятся температура поверхности и приземное давление (в данной версии TlGR - равные температуре последнего уровня в атмосфере и 1013 Мб) и соответствующие географические координаты и время. Для моделирования измерений

т

интенсивности IAV прибором SEVIRI мы использовали известную программу RTTOV [16], позволяющую с высокой скоростью выполнять расчеты излучений, измеряемых различными спутниковыми приборами.

При рассмотрении задачи определения ОСО по измерениям интенсивности в ИК-каналах прибора SEVIRI, мы воспользовались методом множественной линейной регрессии, который позволяет использовать всю имеющуюся информацию как о связи измеряемых и искомых величин, так и о статистике состояния атмосферы. Для каждого состояния атмосферы модели TIGR рассчитывались интенсивность и яркостные температуры излучения в каналах SEVIRI и общее содержание озона U. Полученная выборка послужила основой описанных ниже статистических исследований.

Для решения обратной задачи (определения ОСО) метод множественной линейной регрессии реализуется с помощью выражений (2) и (3):

5 U = R5I,

(2)

где Я - решающий оператор задачи; 5/ - вектор вариации (отклонения от среднего) измеренных излучений (в нашем случае - измерения в восьми ИК-каналах - вектор из восьми компонент); ЫГ -вариация общего содержания озона. Для вычисления решающего оператора, который в данном случае представляет собой также вектор из восьми компонент, нами было использовано широко известное выражение (3)

R = K\Kr и,

(3)

где К/,/ - ковариационная матрица уходящего излучения; и - кроссковариационная матрица уходящего излучения и ОСО.

Формула (3) предполагает при построении матриц К/, / и К/, и использование эксперименталь-

P

0

ных данных, которые в реальных измерениях неизбежно содержат шум. Для моделирования измерений были использованы результаты расчетов, поэтому к расчетной ковариационной матрице

КI, I добавлялась матрица погрешности измерений

излучения X: К1, 1 = Кд 1 + X. В нашем исследовании предполагается, что погрешности измерений в различных каналах некоррелированы, поэтому матрица X диагональна.

Схема численных исследований погрешностей восстановления ОСО состояла в следующем:

1) на основе описанной в начале настоящего раздела выборки, содержащей состояния атмосферы и соответствующие им рассчитанные величины интенсивности излучения, рассчитывались выборочные ковариационные матрицы К, I и К, и и, с учетом моделируемой погрешности измерений, решающий оператор Я;

Т

2) на все рассчитанные величины 1А у для каждого состояния атмосферы, входящего в выборку, набрасывался случайный шум, дисперсия которого соответствовала матрице ошибок X. Для каждого "зашумленного" излучения с помощью решающего оператора Я определялось ОСО;

3) полученные в численном моделировании эксперимента величины ОСО сравнивались с их точными значениями и рассчитывались погрешности определения ОСО.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Поскольку нас будет интересовать связь между непосредственно измеряемыми аппаратурой SEVIRI интенсивностями излучения и ОСО, проанализируем корреляционную зависимость между этими величинами. В табл. 1 приведены коэффициенты корреляции между значениями ОСО и яркостными температурами излучения в различны

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.

Показать целиком