ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 6, с. 804-811
УДК 551.510.534
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА С ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ
© 2008 г. А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев
Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1
E-mail: polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 21.02.2008 г., после доработки 02.06.2008 г.
Предложена методика определения общего содержания озона (ОСО) с высоким пространственным (3 х 3 км2) и временные м (15 мин) разрешением измерениям уходящего теплового излучения Земли с геостационарных спутников METEOSAT. Методика основана на измерениях с помощью прибора SEVIRI (8 ИК каналов) и с привлечением дополнительной информации о трехмерном поле температуры атмосферы и температуре поверхности, получаемой с полярных спутников (прибор AIRS). Обратная задача по определению ОСО решается методом нейронных сетей. При обучении нейронной сети используются также данные измерений ОСО с помощью прибора AIRS. Наземные измерения ОСО на международной озонометрической сети используются для контроля качества данных прибора AIRS, а также для оценки погрешностей предложенной методики определения ОСО по данным SEVIRI. Показано, что средняя и среднеквадратичная разности значений ОСО, полученных с помощью предложенной методики и значений ОСО по результатам измерений на международной озонометрической сети, составляют 1.5% и 6.5% соответственно. Приведены примеры распределений ОСО, восстановленных с высоким пространственным и временны м разрешением, показывающие перспективность разработанной методики для решения различных научных и прикладных задач и, в частности, для исследования динамики стратосферы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение пространственно-временны х вариаций содержания озона в атмосфере Земли представляет собой актуальную задачу в связи с существенным влиянием озона на климат планеты и УФ освещенность земной поверхности, токсичностью и высокими окислительными способностями озона в тропосфере [1, 2]. Исследования озона длительное время осуществляются наземными и спутниковыми методами. В последние десятилетия огромное количество информации о содержании озона было получено с помощью различных спутниковых методов [1-4]. Спутниковое зондирование озоносферы осуществляется на основе измерений спектров пропускания атмосферы на касательных трассах по излучению Солнца, Луны и звезд в широкой области спектра, измерений собственного излучения атмосферы, а также отраженного и рассеянного солнечного излучения при различной геометрии спутниковых измерений. Эти методы наблюдений используются в основном на полярных спутниках, но в последнее время были сделаны попытки определения общего содержания озона (ОСО) с геостационарных спутников (ГС) [5-8]. На ГС "Ме1ео8а11" функционирует аппаратура 8ЕУ1Ы, измеряющая уходящее излучение Земли в ряде каналов в видимой и ИК-областях спектра (в том числе в полосе поглощения озона в окрестности 9.6 мкм). Это позволяет, в принципе, получать уникальную инфор-
мацию о квазиглобальном распределении ОСО с высокой частотой (каждые 15 мин) и высоким пространственным разрешением (до 3 х 3 км2). Подобная информация представляет значительный интерес при изучении мезомасштабных пространственно-временных вариаций ОСО, региональных оценок УФ освещенности поверхности Земли в оперативном режиме, а также многолетних трендов ОСО. Высокая частота наблюдений пространственных полей ОСО может также помочь в изучении динамических характеристик стратосферы.
Как показали проведенные ранее исследования, информативность измерений с помощью прибора 8ЕУ1К1 в отношении ОСО недостаточно высока для того, чтобы получать данные о содержании озона с погрешностью лучше 10% [5]. В связи с этим в данной работе предлагается, исследуется и иллюстрируется подход к определению ОСО с геостационарных спутников, основанный на совместном использовании измерений с полярных и ГС спутников.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ОСО
С ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ
В предлагаемой методике используются измерения уходящего излучения в ИК каналах прибора (табл.1).
Исследования показали, что данные одних только ИК измерений с помощью прибора 8ЕУ1Ы не со-
Таблица 1. Инфракрасные измерительные каналы аппаратуры SEVIRI
Номер канала Центр канала, Влияющие и определяемые параметры атмосферы
см 1 мкм
4 2555.73 3.9 Температура поверхности, низкая облачность, туманы,
5 1588.79 6.3 Водяной пар, ветер, высота полупрозрачной облачности
6 1359.93 7.4 Полупрозрачная облачность
7 1148.28 8.7 - // -
8 1034.05 9.7 Озон
9 927.76 10.8 Температура поверхности, общее содержание водяного пара
10 837.82 11.9 Температура поверхности, общее содержание водяного пара
11 749.7 13.3 Температуры нижней стратосферы, облака
Таблица 2. Информация, используемая в методике восстановления ОСО
Система измерений Приборы Данные Цель
Полярный спутник Aura Геостационарный спутник "METEOSAT-8" Наземная озонометриче-ская сеть Спектрометр AIRS SEVIRI Спектрометры Добсона и Брюера, фотометр М-124 1 этап. Поле ОСО 1 и 2 этапы. 3-х мерное поле температуры атмосферы и температуры поверхности Излучение в 8-ми ИК спектральных каналах ОСО 1 этап - построение решающего оператора обратной задачи; 2 этап - определение ОСО по SEVIRI 1 этап - построение решающего оператора; 2 этап - определение ОСО на независимой выборке Проверка качества измерений ОСО приборами AIRS и SEVIRI
держат достаточное количество информации для определения ОСО с приемлемой точностью для всех широтных зон, в которых осуществляются измерения SEVIRI [5]. Важнейшими дополнительными параметрами (кроме вертикального профиля содержания озона и ОСО), влияющими на уходящее тепловое излучение, являются профиль температуры T(z) и температура поверхности Ts. Прибор SEVIRI не позволяет определять профиль температуры атмосферы, и поэтому естественно в качестве дополнительной информации привлечь данные о T(z) и Ts в районе наблюдений с помощью прибора SEVIRI. Такую информацию можно получить с других, в частности, полярных спутников, оснащенных более информативной спектральной аппаратурой, а можно использовать данные об этих параметрах из результатов анализа и прогноза погоды. В описываемой реализации методики используются результаты зондирования атмосферы на 24 высотных уровнях и земной поверхности с помощью прибора AIRS (спутник Aura) [9, 10]. При этом данные AIRS используются как для построения решающего оператора обратной задачи (1-й этап методики), так и для определения ОСО по измерениям SEVIRI по независимому ансамблю измерений (2-й этап методики). В первом случае, кроме полей температур ат-
мосферы и поверхности, привлекаются данные измерений ОСО тем же прибором. Во втором случае используются только данные о T(z) и Ts (табл. 2). Данные зондирования с помощью аппаратуры AIRS [9, 10] свободно доступны в Интернете по адресу http://disc.gsfc.nasa.gov/AIRS/data_products.shtml.
Кроме этого, мы использовали данные наземных измерений ОСО на международной озономет-рической сети (http://www.woudc.org) [11] как для контроля точности измерений ОСО с помощью прибора AIRS, так и для анализа качества предложенного нами метода. При этом использовались данные измерений с помощью спектрофотометров Добсона и Брюера и фильтрового озономет-ра М-124. В табл. 2 дана краткая сводка основной использованной информации на различных этапах реализации предлагаемой методики.
Геостационарное положение прибора SEVIRI (спутник "METEOSAT-8") позволяет вести наблюдения в круге с центром в начале географических координат (именно над этой точкой располагается спутник) (рис. 1). Размер этого круга определяется условием видимости спутника из наблюдаемой точки земной поверхности под зенитным углом менее 75°. По этой причине мы использовали только данные наземных станций, расположенных в указан-
Широта
Долгота
Рис. 1. Область наблюдения аппаратуры SEVIRI и положение станций озонометрической сети, данные которых использованы в работе.
ном круге (41 станция). На рис. 1 показано положение этих станций и область наблюдений с ГС "ME-TEOSAT-8".
Хотя наземные наблюдения ОСО, безусловно, наиболее точны и надежны и используются для ва-лидации данных спутниковых измерений ОСО, ограниченное их количество делает их малопригодными для непосредственного использования в задачах построения решающего оператора при регрессионном подходе к восстановлению ОСО по спутниковым измерениям с помощью прибора SEVIRI. По этой причине мы использовали для построения решающего оператора обратной задачи данные измерений ОСО с помощью прибора AIRS [9, 10], что позволило осуществить достаточно полное покрытие измерениями ОСО области наблюдений с ГС. Мы использовали данные AIRS уровня 3, т.е. данные за каждый исследуемый день наблюдений, собранные воедино и осредненные по широтно-дол-
готной сетке с шагом один градус. Заметим, что были отобраны измерения на восходящих ветвях траекторий спутника Aura, соответствующие дневным условиям наблюдений, что позволяет считать их удовлетворительно согласованными по времени (с точностью несколько часов) с наземными наблюдениями ОСО, выполняемыми по шлнечному излучению.
Поскольку мы стремимся привязать наши алгоритмы восстановления ОСО по измерениям с помощью прибора SEVIRI к данным наземных измерений, необходимо исследовать качество используемых нами результатов измерений ОСО с помощью аппаратуры AIRS. Для этого мы подобрали пары измерений ОСО с помощью прибора AIRS к измерениям на наземных станциях в 100-километровой окрестности станций и выполнявшихся в тот же день, что и измерения на станциях. Мы использовали измерения за 26 различных дней, приблизитель-
Таблица 3. Статистические характеристики сравнения данных наземных и спутниковых измерений ОСО
Номер строк Тип измерений Среднее ОСО, е.Д. СКО, е.Д. (%) Средняя разность, е.Д. ( % ) Среднекв. разность, е.Д. ( % ) Коэффициент корреляции, %
1 2 Наземные измерения Прибор AIRS 311.3 321.0 43.8 (14.0) 50.6 (16.3) 9.7 (3.1) 23.4 (7.5) 90.8
Таблица 4. Статистические характеристики сравнения значений ОСО, полученных
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.