2.2 Физическое обоснование метода двумерного термического зондирования атмосферы. 30.
2.3 Описание численного эксперимента. 36.
2.4 Погрешности определения температуры 40.
2.5 Анализ пространственного разрешения дистанционных измерений поля температуры. 44.
2.6 Основные результаты и выводы. 47 Глава 3. Учет нестационарности атмосферы при зондировании ее состава затменным методом. 49.
3.1 Введение. 49.
3.2 Постановка задачи, метод коррекции профилей и исходные данные. 52.
3.3 Анализ величин неопределенностей в коррекции профилей содержания фотохимически-активных газов, обусловленных использованием различных численных моделей. 57.
3.4 Учет горизонтальной неоднородности атмосферы при интерпретации данных спутникового эксперимента SAGE III (профили NO2 в стратосфере). 65.
3.5 Основные результаты и выводы. 77 Заключение. 80 Список используемых сокращений. 84 Список литературы. 85.
Актуальность работы:
Важнейшей задачей физики атмосферы является регулярный контроль и прогноз состояния атмосферы на различные сроки. В решении этой задачи главную роль играет формирующаяся глобальная система наблюдений за состоянием атмосферы, океанов и I суши. Одной из компонент этой системы является спутниковый мониторинг. Всемирной Метеорологической организацией (ВМО) разработан комплекс оптимальных и предельных требований к измерениям параметров атмосферы (погрешность, оперативность, периодичность, горизонтальное и вертикальное разрешение) [22]. Актуальной задачей является совершенствование спутниковых методов с целью соответствия этим требованиям.
При интерпретации данных спутникового зондирования атмосферы на касательных трассах (затменные эксперименты, измерения собственного излучения горизонта планеты), в большинстве случаев используется приближение сферически однородной атмосферы (СОА) [3,5]. В этом приближении параметры состояния атмосферы предполагаются зависящими только от одной пространственной координаты — высоты. Наряду с термином «сферически однородная атмосфера» часто-используется и термин «горизонтально однородная атмосфера» .
Использование приближения СОА позволяет существенно упростить решаемые обратные задачи, что немаловажно, в частности, при создании быстродействующих алгоритмов оперативной обработки измерений. Тем не менее, для каждого конкретного спутникового эксперимента необходимо проводить оценки правомерности использования приближения СОА. В настоящее время, в связи с совершенствованием спутниковой аппаратуры в плане повышения точности данный этап исследований становится все более актуальным. В качестве примеров пространственных областей, где наблюдается наибольшая горизонтальная неоднородность параметров атмосферы, укажем в первую очередь район терминатора, а также границы полярного вихря и внутритропической зоны конвергенции.
Важность исследований влияния сферической неоднородности атмосферы на точность решения задач дистанционного зондирования стратосферы и мезосферы методом прозрачности отмечалась неоднократно. В работах [24,34] для случая сферически неоднородной атмосферы (СНА) рассматривались задачи определения NO, СЮ и NO2. В работе [49] показано, что при определении содержания N0 по измерениям прозрачности на высотах менее 20 км погрешность может достигать 100%, если используется приближение СОА. В работе [41] получены оценки погрешности определения профилей.
NO2, обусловленные приближением СОА, в эксперименте ATMOS. Показано, что погрешности могут достигать 10−20%, что заметно больше значений, указанных в работе [34]. Тем не менее, не все исследователи приходят к выводу о необходимости учета сферической неоднородности атмосферы. К примеру, при рассмотрении проблемы учета сферической неоднородности в эксперименте SAGE I [28], было указано, что при восстановлении профилей NO2 можно пренебречь несимметричным относительно прицельной точки распределением содержания NO2 вдоль оптической трассы.
Проблема учета горизонтальных градиентов параметров атмосферы важна как в экспериментах по измерениям прозрачности, так и в экспериментах по измерениям собственного излучения. В работе [54] оценки погрешностей определения содержания NO2, обусловленных приближением СОА, выполнены для эксперимента LIMS, и показано, что эти погрешности наиболее существенны ниже высоты, соответствующей давлению 10 мбар. Эффект влияния горизонтальных градиентов параметров атмосферы в терминах соответствующих вариации излучения, регистрируемого в эксперименте со спутниковым прибором MIPAS, исследован в работе [33]. Показано, что эти вариации могут достигать 10%, и заметно понижать точность восстановления параметров «традиционным» методом. Приближение СОА, как один из источников погрешностей интерпретации измерений' излучения на касательных трассах прибором MIPAS, рассматривается в работе [55]. Показано, что пренебрежение горизонтальными градиентами температуры и газовых составляющих может привести к дополнительным погрешностям определения Оз, HNO3 и CIONO2.
В настоящее время активно ведутся исследования, направленные на разработку методов учета горизонтальных градиентов в обратных задачах дистанционного зондирования. Обобщенный метод оптимального оценивания (optimal estimation — в русскоязычной литературе «метод статистической регуляризации») предложен в работе [37]. В этом методе вектор неизвестных параметров состояний атмосферы описывает двумерное распределение параметров. Приведены примеры использования предложенного метода для обработки измерений прибора MLS. Показано, что данный метод приводит к более точному определению содержания озона в эксперименте MLS по сравнению со стандартным подходом. В работе [33] рассматривается возможность использования априорной информации о горизонтальных градиентах в алгоритме обработки данных. В работе [26] предложена методика одновременного анализа всей совокупности измерений на орбите спутника, что позволяет восстанавливать двумерное распределение параметров.
Относительно недавно были проведены международные спутниковые эксперименты (CRISTA, SAGE III, МЕР AS) по дистанционному зондированию атмосферы в подготовке и интерпретации результатов которых участвовали российские научные коллективы, в частности из Санкт-Петербургского государственного университета (кафедра физики атмосферы физического факультета). При этом для экспериментов CRISTA и SAGE III в СПбГУ были созданы уникальные алгоритмы обработки результатов спектральных измерений. Однако как зарубежными, так и отечественными учеными не рассматривалась проблема учета СНА в экспериментах CRISTA и SAGE III, а для эксперимента MIPAS соответствующие работы появились лишь недавно и не многочисленны. Поэтому задача оценки влияния СНА на результаты интерпретации указанных спутниковых экспериментов является актуальной.
Необходимо также отметить важность разработки новых методов зондирования позволяющих получать многомерные пространственные распределения атмосферных параметров с погрешностью и пространственным (в том числе горизонтальным) разрешением, удовлетворяющим сформулированным требованиям ВМО.
Цель работы:
В работе рассматриваются два типа спутниковых экспериментов, использующих касательную геометрию наблюдений:
1) эксперименты по измерениям собственного ИК излучения атмосферы.
CRISTA, MIPAS);
2) затменные эксперименты по измерению прозрачности атмосферы (SAGE III).
Основная цель работы: исследование применимости приближения СОА при интерпретации данных экспериментов CRISTA и MIPAS, разработка метода двумерного термического зондирования атмосферы по измерениям ИК излучения лимба Земли в полосе СО2 15 мкм, корректировка профилей NO2, полученных в эксперименте SAGE III, с учетом влияния горизонтальной неоднородности атмосферы, их валидация и анализ.
Для экспериментов по измерениям собственного ИК излучения поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:
— построение физико-математической модели переноса ИК излучения в сферически неоднородной атмосфере и его регистрации современной спутниковой аппаратурой;
— компьютерная реализация алгоритма расчета значений излучения (прямая задача) и оценка его точности;
— исследование спектрально-высотной структуры уходящего ИК излучения лимба Земли в сферически неоднородной атмосфере в полосах поглощения углекислого газа и озона;
— формулировка обратной задачи двумерного термического зондирования атмосферы по спутниковым спектрально-высотным измерениям ИК излучения лимба Земли с высоким спектральным разрешением;
— разработка метода решения сформулированной обратной задачи;
— компьютерная реализация алгоритма решения обратной задачи;
— выбор и анализ априорной информации, необходимой для решения обратной задачи;
— оценка погрешностей определения температуры в сферически неоднородной атмосфере и пространственного разрешения.
Для экспериментов по измерениям прозрачности поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:
— анализ погрешностей, обусловленных неопределенностью априорных данных, используемых в алгоритме учета сферической неоднородности атмосферы;
— анализ скорректированных с учетом сферической неоднородности атмосферы профилей содержания NO2, полученных в спутниковом затменном эксперименте SAGE III;
— валидация скорректированных профилей содержания NO2 в эксперименте SAGE III.
Научная новизна:
1. Выполнена комплексная оценка влияния сферической неоднородности атмосферы на точность расчета спектров ИК излучения лимба Земли для современных спутниковых приборов высокого и среднего спектрального разрешения.
2. Разработан и реализован в численном эксперименте метод двумерного термического зондирования горизонтально неоднородной атмосферы, основанный на особенностях формирования спектров уходящего теплового излучения лимба Земли в 15 мкм полосе СО2. Получены оценки погрешностей и пространственного разрешения при определении температуры.
3. Оценена неопределенность коррекции профилей содержания фотохимически-активных атмосферных газов, получаемых в затменных экспериментах, обусловленная неопределенностью модельных расчетов.
4. Исследована возможность использования данных глобальных численных моделей атмосферы в процедуре учета горизонтальной неоднородности атмосферы при интерпретации результатов спутниковых затменных экспериментов.
5. Проведен анализ скорректированных с учетом сферической неоднородности атмосферы вертикальных профилей содержания NO2, полученных в эксперименте SAGE III.
6. Выполнена валидация скорректированных профилей содержания NO2 в эксперименте SAGE III.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Приближение СОА является правомерным при интерпретации данных эксперимента CRISTA в 15 мкм полосе СОг и эксперимента MIPAS. b центре 9.6 мкм полосы О3.
2. Разработанный метод двумерного термического зондирования стратосферы по спутниковым измерениям ИК излучения высокого спектрального разрешения на касательных трассах в спектральных интервалах с различной оптической плотностью в полосе СО2 15 мкм позволяет получать информацию о двумерном поле температуры в стратосфере с погрешностью 1.8−5.6 К и горизонтальным разрешением 100−200 км.
3. При коррекции профилей содержания фотохимически-активных атмосферных газов (учет сферической неоднородности атмосферы), получаемых по спутниковым затменным экспериментам, для адекватных оценок точности результатов необходимо учитывать неопределенность модельных расчетов факторов коррекции.
4. Использование данных трехмерных глобальных химико-климатических моделей (ХКМ) в процедуре коррекции профилей фотохимически-активных газов получаемых в затменных экспериментах приводит к существенным погрешностям результатов коррекции.
5. Согласие средних значений общего содержания NO2 в стратосфере, рассчитанного по скорректированным профилям эксперимента SAGE III, с результатами, полученными независимо (данные эксперимента SCIAMACHY и наземных станций наблюдений) свидетельствует о высоком качестве использованной методики и о необходимости проведения процедуры коррекции в данном и подобных ему экспериментах.
Практическая ценность работы:
Реализованный в компьютерном коде алгоритм решения обратной задачи двумерного термического зондирования может быть использован для определения двумерных полей температуры по данным спутниковых экспериментов с касательной геометрией наблюдений по измерениям с высоким спектральным разрешением уходящего излучения атмосферы в 15 мкм полосе СОг.
Уточненные данные о содержании NO2 в стратосфере (профили скорректированные с учетом сферической неоднородности атмосферы) могут быть использованы для изучения пространственно-временных вариаций NO2, исследования динамических и химически процессов в атмосфере, моделирования газового состава.
Достоверность полученных результатов обеспечена:
— использованием современных численных методов теории переноса излучения в атмосфере Земли, регуляризационных алгоритмов при решении обратных задач атмосферной оптики и международных банков данных, содержащих параметры молекулярного поглощения;
— сравнением точности используемого алгоритма расчета интенсивности ИК излучения на касательных трассах с точностью независимых расчетов зарубежных аналогов;
— проведенным анализом вариационных производных интенсивности излучения по температуре в различных спектральных каналах, результаты которого наглядно демонстрируют физическую обоснованность метода двумерного термического зондирования стратосферы;
— использованием характеристик функционирующего в настоящее время спутникового прибора MIPAS при моделировании эксперимента по определению двумерного поля температуры в стратосфере;
— сопоставлением средних значений общего содержания NO2 в стратосфере (скорректированных с учетом сферической неоднородности атмосферы) с соответствующими результатами спутникового эксперимента SCIAMACHY и наземных станций наблюдений.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), Института метеорологии Лейпцигского университета (Лейпциг, Германия), а также на следующих российских и международных конференциях:
— Международный симпозиум по атмосферной радиации (МСАР-2004, С.-Петербург);
— 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE-2005, С.-Петербург);
— Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, ИКИ РАН, 10−14 ноября 2008 г.).
— 5th International Conference «Atmospheric Physics, Climate, and Environment» (С.-Петербург, 2010 г.).
Публикации:
Основные результаты диссертационной работы изложены в трех статьях, опубликованных в рецензируемых журналах:
1. Ракитин А. В., Косцов В. С. Границы применимости приближения сферически однородной атмосферы в задаче спутникового дистанционного ИК зондирования мезосферы на касательных трассах // Исследование Земли из космоса. 2005. № 5. С.10−17.
2. Ракитин А. В. Косцов, B.C., Поляков А. В. Учет нестационарности атмосферы при зондировании ее состава затменным методом // Исследование Земли из космоса. 2008. № 2. С.3−13.
3. Косцов B.C., Поляков А. В., Ракитин А. В., Ионов Д. В. Результаты определения содержания NO2 в стратосфере по данным эксперимента SAGE-III // Исследование Земли из космоса. 2008. № 5. С. 16−28.
Личный вклад автора:
Все результаты, представленные в диссертационной работе, были получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Все алгоритмы, используемые в диссертационной работе, реализованы в виде компьютерных программ лично автором. Анализ влияния сферической неоднородности атмосферы на точность расчета спектров ИК излучения лимба Земли проведен в сотрудничестве с B.C. Косцовым. Анализ метода двумерного термического зондирования горизонтально неоднородной атмосферы проведен в сотрудничестве с B.C. Косцовым и Ю. М. Тимофеевым. Анализ неопределенностей коррекции профилей содержания фотохимически-активных атмосферных газов, получаемых в затменных экспериментах, обусловленных неопределенностью модельных расчетов, проведен в сотрудничестве с B.C. Косцовым и А. В. Поляковым. Коррекция вертикальных профилей содержания NO2, полученных в эксперименте SAGE III, и их анализ проведены в сотрудничестве с B.C. Косцовым, А. В. Поляковым и Д. В. Ионовым.
Общая структура работы:
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых сокращений и списка цитируемой литературы (63 наименования). Общий объем работы составляет 90 страниц, она содержит 32 рисунка и 6 таблиц.
Основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Для сценариев, соответствующих двум успешным спутниковым экспериментам по измерению уходящего ИК излучения лимба Земли CRISTA и MIPAS, проведены расчеты спектров (среднее и высокое разрешение) интенсивности излучения в центрах полос поглощения углекислого газа 15 мкм и озона 9.6 мкм на касательных трассах (диапазон прицельных высот 40−90 км) как с учетом горизонтальных градиентов параметров атмосферы, так и с использованием приближения сферически однородной атмосферы. Проведено сравнение абсолютных погрешностей расчета излучения, обусловленных использованием приближения СОА, с погрешностями спектральных измерений спутниковых приборов' CRISTA и MIPAS. В1 спектральном интервале 660−675 см" 1 полосы СОг 15 мкм погрешности расчета излучения, обусловленные приближением СОА, меньше погрешности спектральных измерений прибора CRISTA.
В центре полосы озона 9.6 мкм оценка погрешностей за счет приближения СОА сравнима по величине со значениями погрешности спектральных измерений прибора CRISTA, однако не превышает ее. Для прибора MIPAS в центре полосы 9.6 мкм погрешности спектральных измерений на порядок больше, чем погрешности, обусловленные использованием приближения СОА.
Таким образом, приближение СОА является правомерным при интерпретации данных экспериментов CRISTA в 15 мкм полосе СО2 и MIPAS в центре полосы Оз 9.6 мкм. В центре полосы 9.6 мкм погрешности, обусловленные приближением СОА, сравнимы с величиной погрешностей спектральных измерений в эксперименте CRISTA, что свидетельствует о необходимости учета дополнительной компоненты погрешности.
2. Разработан и проанализирован в численном эксперименте метод двумерного термического зондирования стратосферы по спектрам уходящего ИК излучения лимба Земли в 15 мкм полосе СО2. Показано, что специфика формирования уходящего излучения в спектральных интервалах 15 мкм полосы СОг с различной оптической плотностью может являться физической основой для получения информации о двумерном поле температуры на высотах 18−39 км. Соответствующие этому диапазону высот области зондирования температуры вдоль касательных трасс составляют по протяженности 280 550 км от прицельной точки по направлению к прибору и зависят от прицельной высоты трассы, уменьшаясь с ее увеличением. Величины производных по «мешающим» параметрам (давление, счетные концентрации СОг и Оз) значительно меньше по сравнению с производными по температуре на прицельных высотах нижней и средней стратосферы. Для прицельных высот, соответствующих верхней стратосфере, влияние мешающих параметров может оказаться значимым. С ростом прицельной высоты погрешности определения температуры в областях зондирования увеличиваются от 1.8 до 5.6 К. Точности определения температуры в прицельных точках трасс составляют 4−5.5 К. Уменьшение спектрального шума спутникового прибора в 4 раза по сравнению со стандартным шумом для прибора MIPAS приводит к уменьшению погрешностей определения двумерного поля температуры на 1−2 К. Пространственное разрешение косвенных «измерений» температуры на высотах стратосферы составляет 100−200 км, что в несколько раз лучше, чем при традиционном подходе к решению обратной задачи (при использовании модели горизонтально однородной атмосферы).
Таким образом, предложенная методика позволяет в основномудовлетворить международным требованиям ВМО к определению температуры стратосферы как по погрешностям измерений, так и по пространственному разрешению.
3. Рассмотрена задача коррекции профилей концентрации фотохимически активных атмосферных газов, определяемых по данным спутниковых затменных экспериментов (измерения прозрачности), с целью учета нестационарности атмосферы. Проведен анализ факторов коррекции, описывающих изменения концентрации при изменении освещенности на заходах и восходах солнца. Для анализа использовались факторы коррекции, полученные по данным различных численных моделей (с высоким и низким разрешением по времени). Оценены неопределенности в коррекции профилей концентрации NO2, обусловленные неопределенностями в значениях факторов коррекции, полученных по данным моделей с высоким временным разрешением. Показано, что эти погрешности наиболее существенны для условий восхода Солнца.
Получены оценки погрешности коррекции профилей концентрации NO2, в случае использования глобальной ХКМ SOCOL для расчета факторов коррекции. Значительные величины этих погрешностей свидетельствуют о нецелесообразности использования данных трехмерных глобальных ХКМ в процедуре коррекции. Этот вывод подтвержден и проведенными аналогичными расчетами для коррекции профилей NO и озона.
Сопоставление погрешностей коррекции с погрешностями спутникового метода определения концентрации NO2 (эксперимент SAGE-III) показало, что при оценке полной погрешности профилей концентрации (интерпретация спутниковых измерений прозрачности плюс коррекция профилей) учет погрешности коррекции важен (в частности, согласно проведенным исследованиям, в средних широтах зимой).
Измерения прозрачности атмосферы в спутниковом эксперименте SAGE III проводились на восходах и заходах Солнца, в период существенной нестационарности содержания NO2, что потребовало учета несимметричности распределения концентрации NO2 вдоль оптических трасс. Была проведена процедура коррекции полученных в Санкт-Петербургском государственном университете с помощью независимой методики вертикальных профилей концентрации NO2, основанная на модельных расчетах зависимости концентрации от зенитного угла Солнца. Оценки разности, А между значениями общего содержания NO2 в стратосфере с коррекцией и без коррекции (в процентах по отношению к значениям с коррекцией) показали, что величины, А являются существенными:
— наибольшие по абсолютной величине значения, А (22−32%) отмечаются для измерений на восходе Солнца на широтах 65°-76° Северного полушария зимой и осенью;
— для измерений при заходах Солнца абсолютная величина разности составляет 6−16%.
Продемонстрировано хорошее согласие средних значений общего содержания NO2 в стратосфере, рассчитанного по скорректированным профилям, с результатами, полученными независимо (данные эксперимента SCIAMACHY и наземных станций наблюдений), что свидетельствует о важности проведения процедуры коррекции.
Анализ изменчивости скорректированных профилей NO2 вследствие неопределенности факторов коррекции используемой базы данных показал, что изменчивость факторов коррекции не оказывает существенного влияния на результаты корректировки за исключением измерений проведенных зимой в северных широтах на восходе Солнца, где соответствующая изменчивость может давать до половины вклада в систематический сдвиг в результате коррекции.
Благодарности:
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Владимиру Станиславовичу Косцову за научное руководство в течение нескольких лет и переданный им опыт научной работы.
Автор благодарит также сотрудников кафедры физики атмосферы физического факультета СПбГУ:
— А. В. Полякова за сотрудничество при разработке метода коррекции данных эксперимента SAGE III и анализе полученных результатов;
— Ю. М. Тимофеева за обсуждение работы на всех этапах ее выполнения и ценные замечания;
— Д. В. Ионова за сотрудничество при валидации скорректированных профилей содержания NO2 в эксперименте SAGE III;
— P.O. Мануйлову за полезные дискуссии по проблеме учета горизонтальной неоднородности атмосферы в спутниковых экспериментах по измерению ИК излучения лимба Земли и измерению прозрачности;
— В. А. Янковского за полезные дискуссии по проблеме учета горизонтальной неоднородности атмосферы, обусловленной суточными вариациями атмосферных параметров, в затменных экспериментах;
— других сотрудников за благожелательное внимание к работе.
Автор выражает благодарность зарубежным коллегам Е. В. Розанову и Т. А. Егоровой (Observatory and World Radiation Center PMOD/WRC, Switzerland) за предоставление и сопровождение модели SOCOL, а также за интересные дискуссии.
Исследования по теме диссертации были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (2006;2008 гг., проект 06−05−64 987) и министерством образования и науки России (гранты РНП.2.1.1.4166, РНП.2.2.1.1.3836, 2006;2008 гг.).
Список используемых сокращений: в алфавитном порядке) на русском языке:
BMO Всемирная Метеорологическая Организация.
ИК инфракрасный.
JITP локальное термодинамическое равновесие.
MKB микроволновый.
ПЗС прибор с зарядовой связью.
СНА сферически неоднородная атмосфера.
СОА сферически однородная атмосфера.
УФ ультрафиолетовый хкм химико-климатическая модель на иностранных языках:
ATMOS Atmospheric Trace Molecule Spectroscopy.
CRISTA Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the.
Atmosphere.
ENVISAT Environmental Satellite.
ESA European Space Agency.
HALOE Halogen Occultation Experiment.
HAMMONIA Hamburg Model of Neutral and Ionized Atmosphere.
HITRAN High Resolution Transmission.
LIMS Limb Infrared Monitor of the Stratosphere.
MIPAS Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding.
MLS Microwave Limb Sounder.
NASA National Aeronautics and Space Administration.
NDACC Network for the Detection of Atmospheric Composition Change.
NESR Noise Equivalent Spectral Radiation.
RSMA Remote Sensing of the Middle Atmosphere.
SAGE Stratospheric Aerosol and Gas Experiment.
SAM Stratospheric Aerosol Measurement.
SAOZ Systeme d’Analyse par Observation Zenithale.
SCIAMACHY Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric.
Chartography.
SOCOL Solar-Climate-Ozone Links.
Заключение
.
В диссертационной работе решен ряд задач, связанных как с учетом горизонтальной неоднородности атмосферы при ее дистанционном зондировании со спутников, так и непосредственно с двумерным зондированием атмосферы. Рассмотрены два типа спутниковых экспериментов, использующих касательную геометрию наблюдений: эксперименты по измерениям собственного ИК излучения атмосферы (CRISTA, MIPAS) и затменные эксперименты по измерению прозрачности атмосферы (SAGE III).
