Методы учета горизонтальной неоднородности атмосферы в спутниковых экспериментах с касательной геометрией наблюдений

Ракитин, Антон Вячеславович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Методы учета горизонтальной неоднородности атмосферы в спутниковых экспериментах с касательной геометрией наблюдений
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Методы учета горизонтальной неоднородности атмосферы в спутниковых экспериментах с касательной геометрией наблюдений"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РАКИТИН АНТОН ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

МЕТОДЫ УЧЕТА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ АТМОСФЕРЫ В СПУТНИКОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ С КАСАТЕЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ НАБЛЮДЕНИЙ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 7 оятт

Санкт-Петербург - 2010

004609868

Работа выполнена на физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Косцов Владимир Станиславович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Погорельцев Александр Иванович (РГГМУ, Санкт-Петербург)

кандидат физико-математических наук, Заболотских Елизавета Валериаповпа (Нансен-Центр, Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Главная геофизическая обсерватория

им. А.И. Воейкова (ГГО), г. Санкт-Петербург

Защита

состоится

часов на заседании совета Д 212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан

- - еиЯмп* 2ою г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.

А.Л. Котиков

Общая характеристика работы

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 суши. Одной го 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). 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 (COA). 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 COA 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 COA. 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 внугритропической зоны конвергенции.

Начиная с 70-80-х годов XX века, рассматривались задачи определения малых газовых составляющих (МГС) для случая сферически неоднородной атмосферы (СНА) с целью оценки погрешностей использования приближения COA. В частности, исследования показали, что при определении содержания N0 и NO2 по измерениям прозрачности указанные погрешности могут достигать 10-100%.

Проблема учета горизонтальных градиентов параметров атмосферы также важна и в экспериментах по измерениям собствешюго излучения. В работах посвященных спутниковым экспериментам LIMS и MIPAS было показано, что пренебрежение горизонтальными градиентами температуры и газовых составляющих может привести к дополнительным погрешностям определения МГС (N02j О3, HNO3, CIONO2), обусловленным приближением COA.

В настоящее время активно ведутся исследования, направленные на разработку методов учета горизонтальных градиентов в обратных задачах дистанционного зондирования. В частности, для спутниковых экспериментов MLS и MIPAS были предложены методы, позволяющие определять двумерное поле содержания озона.

Относительно недавно были проведены международные спутниковые эксперименты (CRISTA, SAGE III, MIPAS) 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 COA при интерпретации данных экспериментов CRISTA и MIPAS, разработка метода двумерного термического зондирования атмосферы по измерениям ИК излучения лимба Земли в полосе С02 15 мкм, корректировка профилей N02, полученных в эксперименте SAGE III, с учетом влияния горизонтальной неоднородности атмосферы, их валвдация 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 СО А является правомерным при интерпретации данных эксперимента CRISTA в 15 мкм полосе С02 и эксперимента MIPAS в центре 9.6 мкм полосы Оз.

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 С02 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 N02 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 С02.

Уточненные данные о содержании N02 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 излучешш в атмосфере Земли, регуляризационпых 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.).

Личный вклад автора

Все результаты, представлешше 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 A.B. Поляковым. Коррекция вертикальных профилей содержания NO2, полученных в эксперименте SAGE III, и их анализ проведены в сотрудничестве с B.C. Косцовым, A.B. Поляковым и Д.В. Ионовым.

Структура и объем диссертации

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.

Краткое содержание работы

Во введении указаны актуальность и цель работы, перечислены основные поставленные задачи, отмечены научная новизна, практическая ценность и достоверность полученных в работе результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены основные публикации по теме диссертации, а также личный вклад автора, описана общая структура работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена оценкам влияния сферической неоднородности атмосферы на значения ИК излучения, регистрируемого в спутниковых экспериментах с касательной геометрией измерений (CRISTA и MIPAS). Представлен алгоритм расчета ИК спектров в случае касательной геометрии измерений и сферической неоднородности атмосферы. Для проверки качества разработанного алгоритма расчета спектров были использованы данные международных сравнений алгоритмов KOPRA (Германия), RFM (Великобритания), GENLN (США) и SPIRT (Россия). Проведено сравнение результатов расчета интенсивности излучения, полученных с использованием разработанного в диссертации алгоритма, с соответствующими результатами "эталонных" алгоритмов для тестовых сценариев. Продемонстрировано хорошее согласие результатов алгоритма данной работы и его компьютерной реализации с результатами "эталонных" алгоритмов - расхождения составляли в среднем не более 1%.

Разработанный алгоритм был применен для расчетов спектров уходящего излучения в центре полосы поглощения С02 15 мкм (660-675 см'1) и центре полосы поглощения 03 9.6 мкм (1050-1060 см"1). Для расчетов использовались две модели касательных трасс, соответствующие сферически неоднородной атмосфере и сферически однородной атмосфере, построенные по трехмерным полям давления, температуры, содержания углекислого газа и озона, полученным с помощью модели HAMMONIA.

Показано:

-в спектральном интервале 660-675 см"1 полосы С02 15 мкм погрешности расчета излучения, обусловленные приближением COA, меньше погрешности спектральных измерений прибора CRISTA, -в центре полосы озона 9.6 мкм оценка погрешностей за счет приближения COA 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 COA.

Таким образом, приближение COA является правомерным при интерпретации данных экспериментов CRISTA в центре 15 мкм полосы СО2 и MIPAS в центре полосы 03 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.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрена задача двумерного термического зондирования атмосферы по измерениям ИК излучения лимба Земли в 15 мкм полосе поглощения углекислого газа. Описан разработанный метод решения данной задачи и результаты численных экспериментов. Извлечение информации о распределении температуры вдоль касательной трассы основано на особенностях формирования уходящего излучения в спектральных каналах с различной оптической плотностью расположенных в спектральном диапазоне 680 до 720 см'1 (15 мкм полоса СОг), что продемонстрировано расчетами вариационных производных интенсивности уходящего излучения по различным параметрам атмосферы для нескольких прицельных высот (18-48 км). Для наиболее достоверной оценки все расчеты проводились с использованием характеристик функционирующего в настоящее время спутникового прибора MIPAS.

Для оценки потенциальной точности определения двумерного поля температуры был осуществлен численный эксперимент, в котором по данным смоделированных спутниковых измерений интенсивности излучения определялось распределение температуры вдоль касательной трассы с заданной прицельной высотой. В качестве мешающих параметров рассматривались давление и счетные концентрации С02 и Оз, их распределения определялись одновременно с распределениями температуры. Для решения обратной задачи использовался метод статистической регуляризации с учетом дополнительных условий в итерационном процессе:

где к - номер итерации, Хк - вектор определяемых параметров на ^-итерации, хм - вектор средних значений параметров атмосферы, у„ - вектор значений интенсивности излучения, рассчитанных для средних значений параметров, 2 -ковариационная матрица случайных ошибок измерений, О - априорная

ковариационная матрица параметров атмосферы. Параметры г, Е и С относятся к дополнительным условиям (общее число условий - количество элементов суммирования Л). Дополнительные условия записываются в линеаризованной форме:

Если представить г как "псевдогомерения", то для каждого условия можно ввести матрицу ошибок Е, соответствующую г. Эта матрица будет определять точность выполнения условия, другими словами "силу" вводимого ограничения. В проведенных численных экспериментах учитывалось два дополнительных условия: (1) информация о значении отношения смеси С02 в стратосфере; (2) ограничение на сдвиг решения на отдельном шаге итерационного процесса для обеспечения быстрой сходимости.

Описанный численный эксперимент проводился для набора касательных трасс с различными прицельными высотами (18-48 км). Представлены результаты численного эксперимента в виде двумерного поля погрешностей определения температуры (рис.1).

Рис. 1. Потенциальная точность определения двумерной структуры поля температуры (К). Слева - номинальный уровень шумов М1РАБ. справа -уровень шумов в 4 раза меньше, чем у МТРАБ.

Горизонтальное пространственное разрешение оценивалось с помощью формализма "усредняющих" ядер. В диапазоне прицельных высот 18-39 км оно составляет 100-200 км, что в несколько раз лучше, чем при традиционном

8г=С5х

0 200 400 600 800 Расстояние, км

подходе к решению обратной задачи (при использовании модели горизонтально однородной атмосферы).

Третья глава диссертационной работы посвящена задаче учета СНА в спутниковых затменных экспериментах. Рассмотрены основные фотохимические процессы, ответственные за суточные вариации N02, NO, Оз. Предложен упрощенный метод коррекции профилей содержания газов, получаемых в спутниковых затменных экспериментах, с учетом сферической неоднородности атмосферы. Метод основан на приближении малой зависимости сечения молекулярного поглощения от давления и температуры в ультрафиолетовом (УФ) и видимом диапазонах спектра и использовании так называемых факторов коррекции, которые представляют собой отношение концентрации газа при заданном зенитном угле Солнца к концентрации при зенитном угле 90°.

Описан численный эксперимент, целью которого являлись оценки неопределенности коррекции профилей, получаемых в затменных экспериментах. Эта неопределенность обусловлена разбросом значений факторов коррекции, рассчитанных по различным моделям атмосферы. Рассмотрены факторы коррекции для NO2, N0 и Оз, построенные по фотохимическим моделям с высоким разрешением по времени (база данных Натараджана и модель SLIMCAT) и по 3-мерной химико-климатической модели SOCOL, и проведено их сравнение для различных сценариев (разные высоты, сезоны, условия восхода и захода Солнца). Проведено сопоставление погрешностей определения профилей концентрации NO2 по спутниковым измерениям прозрачности в эксперименте SAGE III с неопределенностями коррекции, полученными в численном эксперименте.

Проведен анализ профилей содержания NO2, полученных по измерениям прозрачности атмосферы в эксперимете SAGE III с помощью разработанного в Санкт-Петербургском государственном университете метода, и скорректированных с учетом несимметричности распределения концентрации N02 вдоль оптических трасс. В ходе анализа рассмотрены средние профили содержания NO2 без коррекции и с коррекцией для различных сезонов, полушарий и нестационарных условий, в которых проводились измерения (пример сравнения показан на рис.2).

а) б)

в) г)

Рис. 2. Средние профили концентрации NO2 в июне в северных (а) и южных (б) широтах по данным эксперимента SAGE III: без коррекции (сплошные линии), с коррекцией (пунктир). Относительная разность между средним профилем без коррекции и средним профилем с коррекцией в июне в северных (в) и южных (г) широтах. Измерения на заходе Солнца.

Проведено сравнение скорректированных и нескорректированных значений общего содержания NO2 для различных условий, а также их валидация по независимым измерениям в спутниковом эксперименте SCIAMACHY и на сети наземных станций с аппаратурой SAOZ (таблица 1). Из таблицы видно 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.

Таблица 1. Средние значения общего содержания N02 в стратосфере (Q, 1015 мол/см2) по данным экспериментов SAGE III, SCIAMACHY и наземных наблюдений в зимний период.

2003 2004 2005

SCIAMACHY (66.7 ° с.ш.) 1.25 1.12 1.05

SAGE-11I (66.75° с.ш.) без коррекции 1.33 1.46 1.37

SAGE-III (66.75° с.ш.) с коррекцией 1.01 1.13 1.06

Zhigansk, 66.7° с.ш. 0.80 0.79 -

SCIAMACHY (66.7 0 с.ш.) 1.23 1.18 1.05

SAGE-III (66.75° с.ш.) без коррекции 1.33 1.46 1.35

SAGE-III (66.75° с.ш.) с коррекцией 1.01 1.13 1.06

Salekhard, 66.7° с.ш. - 1.38 1.01

SCIAMACHY (67.37 ° с.ш.) 0.43 0.95 0.77

SAGE-III (67.25 ° с.ш.) без коррекции 1.33 1.42 1.29

SAGE-III (67.25 ° с.ш.) с коррекцией 0.99 1.09 0.96

Sodankyla, 67.37° с.ш. 0.76 1.22 1.01

SCIAMACHY (67.84 ° с.ш.) 0.34 0.97 0.86

SAGE-III (67.75° с.ш.) без коррекции 1.25 1.44 1.27

SAGE-III (67.75° с.ш.) с коррекцией 0.79 0.95 0.83

Kiruna, 67.84° с.ш. 0.57 I 1.44 -

SCIAMACHY (70.48° с.ш.) 1.08 0.74 0.90

SAGE-III (70.25 ° с.ш.) без коррекции 1.52 1.48 1.06

SAGE-III (70.25° с.ш.) с коррекцией 1.02 1.09 0.78

Scoresbysund, 70.48° с.ш. 1.22 - 1.12

Проведен анализ высотно-широтных распределений содержания N02 и анализ влияния неопределенности факторов коррекции базы данных Натараджана на полученные результаты.

В заключении сформулированы основные полученные результаты и выводы, данный раздел также содержит подраздел "благодарности".

В конце работы приведены список используемых сокращений и список цитируемой литературы.

Список используемых сокращений:

(в алфавитном порядке)

на русском языке:

ВМО Всемирная Метеорологическая Организация

ИК инфракрасный

СНА сферически неоднородная атмосфера

СОА сферически однородная атмосфера

УФ ультрафиолетовый

ХКМ химико-климатическая модель

на иностранных языках:

CRISTA Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the

Atmosphere

HAMMONIA Hamburg Model of Neutral and Ionized Atmosphere LIMS Limb Infrared Monitor of the Stratosphere

MIPAS Michelson Interferometer for Passive Atmospheric

Sounding

MLS Microwave Limb Sounder

SAGE Stratospheric Aerosol and Gas Experiment

SAOZ Système d'Analyse par Observation Zénithale

SCIAMACHY Scanning Imaging Absorption Spectrometer for

Atmospheric Chartography SOCOL Solar-Climate-Ozone Links

Список публикаций по теме диссертации

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 A.B. Косцов, B.C., Поляков A.B. Учет нестационарности атмосферы при зондировании ее состава затменным методом // Исследование Земли го космоса. 2008. № 2. С.3-13.

3. Косцов B.C., Поляков A.B., Ракитин A.B., Ионов Д.В. Результаты определения содержания N02 в стратосфере по данным эксперимента SAGE-III // Исследование Земли из космоса. 2008. № 5. С. 16-28.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 02.09.10 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз., Заказ №1078/с. 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929-43-00.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ракитин, Антон Вячеславович

Введение.

Глава 1. Границы применимости приближения сферически однородной атмосферы в задаче спутникового дистанционного зондирования страто-мезосферы по измерениям ИК излучения лимба Земли.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Детали расчетов.

1.3 Анализ модельных распределений параметров в сферически неоднородной атмосфере.

1.4 Оценка границ применимости приближения сферически однородной атмосферы для экспериментов CRISTA и MIPAS.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методы учета горизонтальной неоднородности атмосферы в спутниковых экспериментах с касательной геометрией наблюдений"

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

Введение.

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.

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:

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.

- компьютерная реализация алгоритма расчета значений излучения (прямая задача) и оценка его точности;

- разработка метода решения сформулированной обратной задачи;

- компьютерная реализация алгоритма решения обратной задачи;

- выбор и анализ априорной информации, необходимой для решения обратной задачи;

- валидация скорректированных профилей содержания NO2 в эксперименте SAGE III.

Научная новизна:

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.

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:

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:

- 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:

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:

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Ракитин, Антон Вячеславович

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 280550 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 основном- удовлетворить 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 06-05-64987) 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).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Ракитин, Антон Вячеславович, Санкт-Петербург

1. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы// Гидрометеоиздат. JI. 1987. 413 с.

2. Елохов А.С., Груздев А.Н. Измерения общего содержания и вертикального распределения NOj на Звенигородской- научной станции // Физика атмосферы и -океана. 2000. Т. 36. № 6. С. 831-846.

3. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере // Гидрометеоиздат. JI. 1983. 192 с.

4. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М., Термическое зондирование атмосферы со спутников // Гидрометеоиздат. JT. 1970. с.410.

5. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса атмосфере // Гидрометеоиздат. JL 1978. 280 с.

6. Косцов B.C., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М., Грассл X., Кутепов А.А. Спектральная структура неравновесного уходящего излучения горизонта в полосе поглощения СОг 15 мкм // Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28. № 3. С. 283-293.

7. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Интерпретация спутниковых измерений уходящего неравновесного ИК излучения в 15 мкм полосе СО2: 1. Описание метода и анализ точности // Физика атмосферы и океана 2001. Т. 37. № 6. С. 789-800.

8. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Содержание углекислого газа в мезосфере по результатам интерпретации данных эксперимента CRISTA-1 // Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 39. № 3. С. 359-370.

9. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Озон в мезосфере по данным спутникового эксперимента CRISTA-1: 1. Метод определения вертикальных профилей и анализ его точности // Физика атмосферы и океана. Т. 41. № 2. 2005. С. 58-71.

10. Косцов B.C., Ракитин А.В. Погрешности приближения сферически однородной атмосферы в задаче расчета уходящего неравновесного излучения в полосе озона 9,6 мкм на касательных трассах в мезосфере // Исследование Земли из космоса. 2006. № 5. С.38-48.

11. Поляков А.В. К вопросу об использовании априорной статистической информации при решении нелинейных обратных задач атмосферной оптики // Исследование Земли из космоса. 1996. №3. С. 11-17.

12. Поляков А. В., Тимофеев Ю. М. Предельные точности восстановления вертикальных профилей атмосферных параметров (спутниковый метод прозрачности). 1. Озон и двуокись азота // Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 39. № 2. С. 254-261.

13. Поляков А. В., Тимофеев Ю. М. Влияние алгоритма решения обратной задачи на результаты зондирования атмосферы затменным методом (аппаратура SAGE III) // Исследование Земли из космоса. 2004. № 5. С. 15-20.

14. Поляков А. В., Тимофеев Ю. М., Ионов Д. В., Стал X., Ньючерч М. Новая интерпретация измерений прозрачности спутниковым спектрометром SAGE III // Физика атмосферы и океана. 2005. Т. 41. № 3. С. 410-422.

15. Поляков А.В., Рэндалл К., Харвей Л., Хоке К. Новый усовершенствованный алгоритм интерпретации затменных измерений прибором SAGE III // Исследования Земли из Космоса. 2008. №1. С. 31-36.

16. Тимофеев Ю.М. и др. Термическое зондирование надоблачной атмосферы // Проблемы физики атмосферы. 1978. Вып. 15. JT. Изд-во ЛГУ. С. 129-139.

17. Тимофеев Ю.М., Поляков А.В. Математические аспекты решения обратных задач атмосферной оптики // Изд-во СПбГУ. СПб. 2001. 188 с.

18. Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и поверхности // физ. ф-т СПбГУ. 2010. 130 с.на английском языке:

19. Bovensmann Н., Burrows J.P., Buchwitz М., Frerick J., Noel S., Rozanov V.V., Chance K.V., Goede A.P.H. SCIAMACHY: Mission objectives and measurement modes // J. Atmos. Sci. 1999. V.56. P.127-150.

20. Boughner R., Larsen J.C. and Natarajan M. The influence on NO and CIO variations at twilight on the interpretation of solar occultation measurements // Geophys. Res. Lett., 1980. V. 7. P. 231.

21. Bracher A., Sinnhuber M., Rozanov A., Burrows J.P. Using a photochemical model for the validation of NO2 satellite measurements at different solar zenith angles // Atmos. Chem. Phys. 2005. Y. 5. P. 393-408.

22. Carlotti M., Dinelli B.M., Raspollini P., and Ridolfi M. Geo-fit approach to the analysis of limb-scanning satellite measurements // Applied Optics. 2001. V. 40. No. 12. P. 18721885.

23. Chipperfield M.P. Multiannual simulations with a threedimensional chemical transport model// J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 1781-1805.

24. Chu W. P., McCormick M.P. SAGE Observations of Stratospheric Nitrogen Dioxide // J. Geophys. Res. 1986. V. 91. No. D5. P. 5465-5476.

25. Chu W. P., Trepte C. R., Veiga R. E., Cisewski M. S., Taha G. SAGE III measurements // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 2002. V. 481. P. 457-464.

26. Cram L.E. Inversion problem in radiative transfer theory: The Backus-Gilbert formalism // J. Quant. Spectr. & Rad. Trans. 1978. V. 20. P. 305-315.

27. Egorova Т., Rozanov E., Zubov V., Manzini E., Schmutz W., Peter T. Chemistry-climate model SOCOL: a validation of the present-day climatology // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5. P. 1557-1576.

28. Kemnitzer H., Hilgers S., Schwarz G., Steck Т., von Clarmann Т., Hopfner M., and Ressel K. Trace gas retrieval including horizontal gradients // Adv. Space Res. 2002. V. 29. No. ll.P.1631-1636.

29. Kerr J.B., Evans W.F.J., McConnell J.C. The effects of NO2 changes at twilight on tangent ray N02 measurements // Geophys. Res. Lett. 1977. V. 4. No. 12. P. 577-579.

30. Kostsov V.S., Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M. Study for the Intercomparison between the Global Fit and the Optimal Estimation Methods in Case of the MIPAS Space Experiment // Forschungszentrum Karlsruhe Contract Report. 1997. 105 p.

31. Kyrola E., Tamminen J., et al. Retrieval of atmospheric parameters from GOMOS data // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2010. No. 10, P. 10145-10217.

32. Livesey N.J. and Read W.G. Direct Retrieval of Line-of-Sight Atmospheric Structure from Limb Sounding Observations // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. No. 6. P. 891-894.

33. MIPAS Product Handbook. ESA. 2002.

34. Natarajan M., Remsberg E.E., Gordley L.L. Ozone budget in the upper stratosphere: Model studies using the reprocessed LIMS and the HALOE datasets // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. No. 7. doi: 10.1029/2001GL014262.

35. Natarajan M., Deaver L.E., Thompson E., Magill B. Impact of twilight gradients on the retrieval of mesospheric ozone from HALOE // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. No. D13305. doi: 10.1029/2004JD005719.

36. Pommereau J-P., F. Goutail. Ground-based measurements by visible spectrometry during Arctic winter and spring 1988 // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 15. P. 891-894.

37. Richter A. et al. A scientific N02 product from SCIAMACHY: first results and validation // Proc. of 2nd Workshop on the Atmospheric Chemistry Validation of Envisat (ACVE-2), ESA/ESRIN, Italy, 3-7 May, ESA SP-562, 2004.

38. Ridolfi M., Magnani L., Carlotti M., and Dinell B.M. MIPAS-ENVISAT limb-sounding measurements: trade-off study for improvement of horizontal resolution // Applied Optics. 2004. V. 43. No. 31. P. 5814-5824.

39. Rodgers C. D. Inverse methods for atmospheric sounding. Theory and practice // Series on Atmospheric, Oceanic and Planetery Physics V. 2. Singapore New Jersey - London -Hong-Kong: World Scientific 2000. 238 p.

40. Roscoe H.K. and Pyle J.A. Measurements of Solar Occultation: the Error in a Naive Retrieval if the Constituent's Concentration Changes // Journal of Atmospheric Chemistry. 1987. No. 5. P. 323-341.

41. SAGE III ATBD Team, SAGE III Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD), Solar and Lunar Algorithm LaRC 4750-00-109 version 2.1 26: March 2002. 83 p.

42. Schmidt H. Private communication. 2004.

43. Solomon S., Russell J.M. Ill, Gordley L.L. Observations of the Diurnal Variation of Nitrogen Dioxide in the Stratosphere // J. Geophys. Res. 1986. V. 91. No. D5. P. 5455-5464.

44. Thomason L. W., Taha G. SAGE III aerosol extinction measurements: Initial results // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30(12). P. 1631. doi:10.1029/2003GL017317.

Информация о работе

Ракитин, Антон Вячеславович
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург, 2010
ВАК 25.00.29

Диссертация

Методы учета горизонтальной неоднородности атмосферы в спутниковых экспериментах с касательной геометрией наблюдений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы