Методика определения тропосферного содержания озона из спектральных измерений уходящего теплового излучения спутниковым прибором ИКФС-2

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложена методика определения тропосферного содержания озона (ТСО) из спектров уходящего теплового инфракрасного (ИК) излучения, основанная на методе главных компонент и нейронно-сетевом подходе. Для обучения искусственных нейронных сетей используются данные о ТСО, рассчитанные на основе профилей вертикального содержания озона, полученных с помощью озонозондов. В качестве ТСО рассматривается содержание озона в слоях атмосферы от поверхности Земли до уровней с давлением в 400 и 300 гПа. Погрешность аппроксимации величин ТСО на учебных данных составляет 2.7 и 3.6 е.Д. для слоев ниже 400 и 300 гПа соответственно. Методика валидирована на основе сопоставления с данными наземных измерений ТСО на сети станций международной наблюдательной сети NDACC, использующих спектры солнечного ИК-излучения. Средние стандартные отклонения разностей между данными наземных ИК-измерений на 19 станциях и полученными величинами ТСО по данным ИКФС-2 составили около 3 е.Д. Средние разности зависят от высоты и географического расположения наземной станции, меняясь от +3 до –12 е.Д. Расхождения наземных измерений со спутниковыми данными соответствуют результатам зарубежных авторов, полученным для близкого по характеристикам спутникового прибора IASI. В работе приведены примеры глобального распределения среднемесячных величин ТСО для различных сезонов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Поляков

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.v.polyakov@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

Я. А. Виролайнен

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: a.v.polyakov@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

Г. М. Неробелов

Санкт-Петербургский государственный университет; Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН; Российский государственный гидрометеорологический университет

Email: a.v.polyakov@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034; ул. Корпусная, 18, Санкт-Петербург, 187110; Малоохтинский пр-т, 98, Санкт-Петербург, 195196

С. В. Акишина

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: a.v.polyakov@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

Список литературы

  1. Андреев В.В., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Демин В.И., Дудорова Н.В., Еланский Н. Ф., Жамсуева Г. С., Заяханов А. С., Иванов Р. В., Ивлев Г. А., Козлов А. В., Коновальцева Л.В., Коренский М.Ю., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Оболкин В.А., Постыляков О.В., Потемкин В.Л., Савкин Д.Е., Семутникова Е.Г., Сеник И.А., Степанов Е.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В., Ходжер Т.В., Челибанов И.В., Челибанов В.П., Широтов В.В., Шукуров К.А. Концентрация тропосферного озона на территории России в 2022 г. // Оптика атмосферы и океана. 2023. Т. 36. № 08. С. 642–655. doi: 10.15372/AOO20230804
  2. Виролайнен Я.А., Ионов Д.В., Поляков А.В. Анализ результатов многолетних измерений содержания озона в тропосфере на станции СПбГУ в Петергофе // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2023а. T. 59. № 3. С. 336–345. doi: 10.31857/S0002351523030094
  3. Виролайнен Я.А., Неробелов Г.М., Поляков А.В. Сопоставление спутниковых и наземных измерений содержания озона в слое тропосферы в окрестностях Санкт-Петербурга // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2023б. Т.59. №4. С. 474–484. doi: 10.31857/S0002351523040144
  4. Гаркуша, А.С., Поляков, А.В., Тимофеев, Ю.М., Виролайнен, Я.А. Определение общего содержания озона по данным измерений спутникового ИК Фурье-спектрометра // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 4. С. 493–501. doi: 10.7868/S0003351517040079
  5. Еланский Н.Ф., Голицын Г.С., Крутцен П.Й., Беликов И.Б., Бреннинкмайер К.А.М., Скороход А.И. Наблюдения состава атмосферы над Россией: Эксперименты TROICA // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 1. С. 79–98.
  6. Звягинцев А.М. Пространственно-временная изменчивость озона в тропосфере. Дис. на соиск. учен. степ. докт. физ.-мат. наук. М., 2013. 179 с.
  7. Кароль И.Л., Киселев А.А., Генихович Е.Л., Чичерин С.С. Короткоживущие радиационно-активные примеси в атмосфере и их роль в современных изменениях климата // Труды ГГО. 2012. № 567. С. 5–82.
  8. Матвиенко Г.Г., Бабушкин П.А., Бобровников С.М., Боровой А.Г., Бочковский Д.А., Галилейский В.П., Гришин А.И., Долгий С.И., Елизаров А.И., Кокарев Д.В., Коношонкин А.В., Крючков А.В., Кустова Н.В., Невзоров А.В., Маричев В.Н., Морозов А.М., Ошлаков В.К., Романовский О.А., Суханов А.Я., Трифонов Д.А., Яковлев С.В., Садовников С.А., Невзоров А.А., Харченко О.В. Лазерное и оптическое зондирование атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 9. С. 726–740.
  9. Поляков А.В. Использование метода искусственных нейронных сетей при восстановлении вертикальных профилей атмосферных параметров. // Оптика атмосферы и океана. 2014а. Т. 27. № 1. С. 34–39.
  10. Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., Виролайнен Я.А. Применение искусственных нейронных сетей в температурно-влажностном зондировании атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014б. T. 50, № 3. С. 373–380.
  11. Рублев А.Н., Успенский А.Б., Троценко А.Н., Удалова Т.А., Волкова Е.В. Детектирование и оценка балла облачности по данным атмосферных икзондировщиков высокого спектрального разрешения // Исследование Земли из космоса. 2004. № 3. С. 43–51.
  12. Amann, M., Derwent, D., Forsberg, B., Hänninen, O., Hurley, F.. Et al. ( 2008) . Health risks of ozone from long-range transboundary air pollution. World Health Organization. Regional Office for Europe. https://apps.who.int/iris/handle/10665/326496
  13. Antokhin P.N., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Zhidovkin E.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Panchenko M.V., Penner I.E., Pestunov D.A., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N., Fofonov A.V., Shamanaev V.S., Shmargunov V.P. Optik AN30 aircraft laboratory: 20 years of environmental research // J. Atmos. and Oceanic Technology. 2012. V. 29. № 1. P. 64–75.
  14. Asmus, V.V., Timofeyev, Y.M., Polyakov, A.V. et al. Atmospheric temperature sounding with the Fourier spectrometer. // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2017. V. 53. P. 428–432. https://doi.org/10.1134/S0001433817040028
  15. Asmus A.A., Zagrebaev V.A., Makridenko L.A., Milekhin O.E., Solovyev V.I., Uspenskii A.B., Frolov A.V., Khailov M.N. Meteorological satellites based on Meteor-M polar orbiting platform // Russ Meteorol Hydrol. 2014. V. 39. № 12. P. 787–794 .
  16. Belan B.D., Ancellet G., Andreeva I.S., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Y., Balin Y.S., Barsuk V.E., Belan S.B., Chernov D.G., Davydov D.K., Fofonov A.V., Ivlev G.A., Kotel’nikov S.N., Kozlov A.S., Kozlov A.V., Law K., Mikhal’chishin A.V., Moseikin I.A., Nasonov S.V., Nedelec P., Okhlopkova O.V., Ol’kin S.E., Panchenko M.V., Paris J.-D., Penner I.E., Ptashnik I.V., Rasskazchikova T.M., Reznikova I.K., Romanovskii O.A., Safatov A.S., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Yakovlev S.V., Zenkova P.N. Integrated airborne investigation of the air composition over the Russian sector of the Arctic // Atmos. Meas. Tech. 2022. V. 15. № 13. P. 3941–3967.
  17. Boynard A., Hurtmans D., Garane K., Goutai, F., Hadji-Lazaro J., Koukouli M.E., Wespes C., Vigouroux C., Keppens A., Pommereau J.-P., Pazmino A., Balis D., Loyola D., Valks P., Sussmann R., Smale D., Coheur P.-F., Clerbaux C. Validation of the IASI FORLI/EUMETSAT ozone products using satellite (GOME-2), ground-based (Brewer–Dobson, SAOZ, FTIR) and ozonesonde measurements // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11. № 9. P. 5125–5152.
  18. Cuesta J., Eremenko M., Liu X., Dufour G., Cai Z., Höpfner M., von Clarmann T., Sellitto P., Foret G., Gaubert B., Beekmann M., Orphal J., Chance K., Spurr R., Flaud J.-M. Satellite observation of lowermost tropospheric ozone by multispectral synergism of IASI thermal infrared and GOME-2 ultraviolet measurements over Europe // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13: № 19. P. 9675–9693.
  19. Dorokhov V., Yushkov V., Makshtas A., Ivlev G., Tereb N., Savinykh V., Shepelev D., Nakajima H., McElroy C.T., Tarasick D., Goutail F., Pommereau J.-P., Pazmino A. Brewer, SAOZ and Ozonesonde Observations in Siberia // Atmosphere-Ocean. 2013. V. 51. № 3, P. 14–18.
  20. Dufour G., Eremenko M., Griesfeller A., Barret B., LeFlochmoën E., Clerbaux C., Hadji-Lazaro J., Coheur P.-F., Hurtmans D. Validation of three different scientific ozone products retrieved from IASI spectra using ozonesondes // Atmos. Mes. Tech. 2012. V. 5. № 3. P. 611–630.
  21. Forster, P., T. Storelvmo, K. Armour, W. Collins, J.-L. Dufresne, D. Frame, D.J. Lunt, T. Mauritsen, M.D. Palmer, M. Watanabe, M. Wild, and H. Zhang, 2021: 7. The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_Chapter07.pdf
  22. Gaudel A., Cooper O.R, Ancellet G., Barret B., Boynard A., Burrows, J.P. Clerbaux C., Coheur P.-F., Cuesta J., Cuevas E., Doniki S., Dufour G., Ebojie F., Foret G., Garcia O., Granados-Muñoz M.J., Hannigan J.W., Hase F., Hassler B., Huang G., Hurtmans D., Jaffe D., Jones N., Kalabokas P., Kerridge B., Kulawik S., Latter B., Leblanc T., Le Flochmoën E., Lin W., Liu J., Liu X., Mahieu E., McClure-Begley A., Neu J.L., Osman M., Palm M., Petetin H., Petropavlovskikh I., Querel R., Rahpoe N., Rozanov A., Schultz M.G., Schwab J., Siddans R., Smale D., Steinbacher M., Tanimoto H,, Tarasick D.W., Thouret V., Thompson A.M., Trickl T., Weatherhead E., Wespes C., Worden H.M., Vigouroux C., Xu X., Zeng G., Ziemke J. Tropospheric Ozone Assessment Report: Present-day distribution and trends of tropospheric ozone relevant to climate and global atmospheric chemistry model evaluation // Elementa: Science of the Anthropocene. 2018. V. 39. № 6.
  23. Golovin Y.M., Zavelevich F.S., Nikulin A.G., Kozlov D.A., Monakhov D.O., Kozlov I.A., Arkhipov S.A., Tselikov V.A., Romanovskii A.S. Spaceborne infrared Fourier-tranform spectrometers for temperature and humidity sounding of the Earth’s atmosphere // Izv Atm Ocean Phys 2014. V50. № 9. P. 1004–1015.
  24. Hubert D., Heue K.-P., Lambert J.-C., Verhoelst T., Allaart M., Compernolle S., Cullis P.D., Dehn A., Félix C., Johnson B.J., Keppens A., Kollonige D.E., Lerot C., Loyola D., Maata M., Mitro S., Mohamad M., Piters A., Romahn F., Selkirk H.B., da Silva F.R., Stauffer R.M., Thompson A.M., Veefkind J.P., Vömel H., Witte J.C., Zehner C. TROPOMI tropospheric ozone column data: geophysical assessment and comparison to ozonesondes, GOME-2B and OMI // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. № 12. P. 7405–7433.
  25. Polyakov, A.; Virolainen, Y.; Nerobelov, G.; Kozlov, D.; Timofeyev, Y. Six Years of IKFS-2 Global Ozone Total Column Measurements. // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 2481. https://doi.org/10.3390/rs15092481
  26. Polyakov, A., Virolainen, Y., Nerobelov, G., Timofeyev, Y. & Solomatnikova, A. Total ozone measurements using IKFS-2 spectrometer aboard MeteorM N2 satellite in 2019–2020. // International Journal of Remote Sensing. 2021. V. 42. № 22. P. 8709–8733.
  27. Stanek L.W., Brown J.S., Stanek J., Gift J., Costa D.L. Air pollution toxicology — a brief review of the role of the science in shaping the current understanding of air pollution health risks // Toxicol Sci. 2011. V. 120. № 1. P. S8–S27. doi: 10.1093/toxsci/kfq367.
  28. IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. Stocker T.F., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S.K., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V., Midgley P.M. NY (USA): Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, 2013. 1535 pp.
  29. Tarasick D., Galbally I.E., Cooper O.R., Schultz M.G., Ancellet G., Leblanc T., Wallington T.J., Ziemke J., Liu X., Steinbacher M., Staehelin J., Vigouroux C., Hannigan J.W., García O., Foret G.,Zanis P, Weatherhead E., Petropavlovskikh I., Worden H., Osman M., Liu J., Chang K.-L., Gaudel A., Lin M., Granados-Muñoz M., Thompson A.M., Oltmans S.J., Cuesta J., Dufour G., Thouret V., Hassler B., Trickl T., Neu J.L. Tropospheric Ozone Assessment Report: Tropospheric ozone from 1877 to 2016, observed levels, trends and uncertainties // Elementa: Science of the Anthropocene. 2019. V. 39 № 7. doi: 10.1525/elementa.376/
  30. Tarasick D.W., Smit H.G.J., Thompson A.M., Morris G.A., Witte J.C., Davies J., et al. Improving ECC ozonesonde data quality: Assessment of current methods and outstanding issues // Earth and Space Science. 2021. 8, e2019EA000914. https://doi.org/10.1029/ 2019EA000914
  31. Timofeyev Y.M., A.B. Uspensky, F.S. Zavelevich, A.V. Polyakov, Y.A. Virolainen, A.N.Rublev, A.V. Kukharsky, J.V. Kiseleva, D.A. Kozlov, I.A. Kozlov, A.G. Nikulin, V.P.Pyatkin, E.V. Rusin Hyperspectral infrared atmospheric sounder IKFS-2 on “Meteor-M” No. 2 – Four years in orbit // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. V. 238, 2019. №106579. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.106579
  32. Vigouroux C., Blumenstock T., Coffey M., Errera Q., García O., Jones N.B., Hannigan J.W., Hase F., Liley B., Mahieu E., Mellqvist J., Notholt J., Palm M., Persson G., Schneider M., Servais C., Smale D., Thölix L., De Mazière M.: Trends of ozone total columns and vertical distribution from FTIR observations at eight NDACC stations around the globe // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. № 6. P. 2915–2933.
  33. Virolainen Y., Nerobelov G., Polyakov A., Akishina S. Comparison of satellite and ground-based measurements of tropospheric ozone // Proceedings of SPIE, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2023. V. 12780. P. 127804X. doi: 10.1117/12.2688764.short
  34. Wu S., Mickley L.J., Jacob D.J., Logan J.A., Yantosca R.M., Rind D. Why are there large differences between models in global budgets of tropospheric ozone? // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. № D05302.
  35. Young P.J., Archibald A.T., Bowman K.W., Lamarque J.-F., Naik V., Stevenson D.S., Tilmes S., Voulgarakis A., Wild O., Bergmann D., Cameron-Smith P., Cionni I., Collins W.J., Dalsøren S.B., Doherty R M., Eyring V., Faluvegi G., Horowitz L W., Josse B., Lee Y.H., MacKenzie I.A., Nagashima T., Plummer D.A., Righi M., Rumbold S.T., Skeie R.B., Shindell D.T., Strode S.A., Sudo K., Szopa S., Zeng G. Pre-industrial to end 21st century projections of tropospheric ozone from the Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project (ACCMIP) // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, № 4. P. 2063–2090.
  36. Ziemke J.R., Chandra S., Duncan B.N., Froidevaux L., Bhartia P.K., Levelt P.F. and Waters J.W. Tropospheric ozone determined from Aura OMI and MLS: Evaluation of measurements and comparison with the Global Modeling Initiative’s Chemical Transport Model // J. Geophys. Res., 2006. V. 111, № D19303. doi: 10.1029/2006JD007089.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Трехслойный перцептрон. Первым слоем считаются источники входных сигналов, затем следует т.н. скрытый слой, затем третий слой выходных сигналов.

Скачать (138KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пространственное распределение среднемесячных величин ТСО по данным дневных и ночных измерений ИКФС-2 (слева), IASI_LATMOS (посередине) и разность между ними (справа) — в мае и ноябре 2019 г.

Скачать (923KB)
Метаданные


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».