Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 6. С. 33-47
Оценка дрейфа качества орбитальных наблюдений и применение методов коррекции к долговременным рядам на примере измерений общего содержания метана с помощью спутникового прибора AIRS
В.С. Ракитин
1 , Е.И. Фёдорова
1 , Н.С. Кириллова
1 , Н.В. Панкратова
1 , Н.Ф. Еланский
1 1 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 07.10.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-6-33-47
Работа посвящена валидации спутникового продукта AIRS v6 (англ. Atmospheric InfraRed Sounder version 6) по 12 наземным станциям мониторинговой сети NDACC (англ. Network for the Detection of Atmospheric Composition Change), период с 2003 по 2022 г. Используются данные об общем содержании (ОС) метана, полученные непосредственно прибором AIRS (вид данных IR AIRS Only). Цель работы заключалась в разработке методики коррекции орбитальных данных, имеющей универсальную применимость, улучшающей характеристики соответствия орбитальных данных наземным и увеличивающей точность оценок трендов состава и параметров атмосферы. Определено, что для всех исследованных станций линейный тренд разности спутниковых и наземных измерений (тренд невязки) ОС метана имеет отрицательное значение. Установленный эффект свидетельствует о наличии дрейфа параметров спутникового спектрометра. С использованием синхронизированных измерительных рядов измерений AIRS v6 и всех статистически обеспеченных данных станций рассчитана средняя величина дрейфа невязки ОС метана, равная 1,72·1014 молекул/см2 в день. Затем была реализована динамическая коррекция спутниковых данных с применением этого полученного среднего коэффициента. Проведено постанционное сравнение параметров корреляции среднедневных значений ОС метана и оценок трендов для орбитального прибора AIRS и наземных спектрометров NDACC до и после коррекции. Применение динамической коррекции к спутниковым данным привело к значительному улучшению соответствия обоих параметров. Так, оценки трендов ОС метана, рассчитанные на основе исходного орбитального ряда, оказались систематически ниже (в среднем в ~1,5 раза) по сравнению с оценками, полученными с использованием наземных данных. После применения динамической коррекции значения «спутниковых» и «наземных» трендов в большинстве пунктов измерений значительно сблизились. Средний по 12 пунктам тренд ОС метана для периода 2003–2022 гг. после коррекции по данным спутниковых измерений составил 0,45±0,03 % в год, что хорошо соотносится с наземными оценками (0,43±0,02 % в год). Разработанная методика сопоставления и коррекции орбитальных данных применима к любым спутниковым долговременным наблюдениям.
Ключевые слова: состав атмосферы, дистанционное зондирование атмосферы, валидация, общее содержание, метан, наземные измерения, дрейф
Полный текстСписок литературы:
- Груздев А. Н., Елохов А. С. Сопоставление результатов многолетних измерений содержания NO2 в стратосфере и тропосфере с помощью спутникового прибора OMI с результатами наземных измерений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2023. Т. 59. № 1. C. 88–111. DOI: 10.31857/S0002351523010054.
- Тимофеев Ю. М., Поляков А. В., Виролайнен Я. А. и др. Оценки трендов содержания климатически важных атмосферных газов вблизи Санкт-Петербурга // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. T. 56. № 1. С. 97–103. DOI: 10.31857/S0002351520010113.
- Хргиан А. Х. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеорол. изд-во, 1969. 644 с.
- AIRS/AMSU/HSB. Version 6 Data Release User Guide / ed. Olsen E. T. Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, 2017. https://docserver.gesdisc.eosdis.nasa.gov/repository/Mission/AIRS/3.3_ScienceDataProductDocumentation/3.3.4_ProductGenerationAlgorithms/V6_Data_Release_User_Guide.pdf.
- Aumann H. H., Chahine M. T., Gautier C. et al. AIRS/AMSU/HSB on the Aqua mission: Design, science objectives, data products and processing systems // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2003. V. 41. No. 2. P. 253–264. DOI: 10.1109/TGRS.2002.808356.
- De Mazière M., Thompson A. M., Kurylo M. J. et al. The Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC): History, status and perspectives // Atmospheric Chemistry and Physics. 2018. V. 18. P. 4935–4964. DOI: 10.5194/acp-18-4935-2018.
- Eldering A., O’Dell C. W., Wennberg P. O. et al. The Orbiting Carbon Observatory-2: First 18 months of science data products // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10. No. 2. P. 549–563. DOI: 10.5194/amt-10-549-2017.
- Flores E., Viallon J., Moussay P., Wielgosz R. I. Accurate Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy measurements of nitrogen dioxide (NO2) and nitric acid (HNO3) calibrated with synthetic spectra // Applied Spectroscopy. 2013. V. 67. No. 10. P. 1171–1178. DOI: 10.1366/13-07030.
- Hase F. Improved instrumental line shape monitoring for the ground-based, high-resolution FTIR spectrometers of the network for the detection of atmospheric composition change // Atmospheric Measurement Techniques. 2012. No. 5. P. 603–610. DOI: 10.5194/amt-5-603-2012.
- Jiang Z., Worden J. R., Worden H. et al. A fifteen year record of CO emissions constrained by MOPITT CO observations // Atmospheric Chemistry and Physics. 2017. V. 17. P. 4565–4583. DOI: 10.5194/acp-17-4565-2017.
- Krol M., Peters W., Hooghiemstra P. et al. How much CO was emitted by the 2010 fires around Moscow? // Atmospheric Chemistry and Physics. 2013. V. 13. P. 4737–4747. DOI: 10.5194/acp-13-4737-2013.
- Orbiting Carbon Observatory 3. National Aeronautics and Space Administration, 2019. https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/documents/oco-3-fact-sheet-4-pages.pdf.
- Rakitin V. S., Shtabkin Yu. A., Elansky N. F. et al. Comparison results of satellite and ground-based spectroscopic measurements of CO, CH4, and CO2 total contents // Atmospheric and Oceanic Optics. 2015. V. 28. No. 6. P. 533–542. DOI: 10.1134/S1024856015060135.
- Rakitin V. S., Skorokhod A. I., Pankratova N. V. et al. Recent changes of atmospheric composition in background and urban Eurasian regions in XXI-th century // IOP Conf. Ser. Earth and Environmental Science. 2020. Iss. 606. Article 012048. DOI: 10.1088/1755-1315/606/1/012048.
- Rakitin V. S., Kazakov A. V., Elansky N. F. Multifunctional software of the OIAP RAS for processing and analysis of orbital data on the atmospheric composition: Tasks, possibilities, application results, and ways of development // Proc. SPIE. 29th Intern. Symp. Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2023. V. 12780. Article 127805T. DOI: 10.1117/12.2690561.
- Reddy P. J., Taylor C. Downward trend in methane detected in a northern Colorado oil and gas production region using AIRS satellite data // Earth and Space Science. 2022. V. 9. Iss. 12. Article e2022EA002609. DOI: 10.1029/2022EA002609.
- Rodionova N. V. Correlation of ground-based and satellite measurements of methane concentration in the surface layer of the atmosphere in the Tiksi Region // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2022. V. 58. No. 12. P. 1610–1618. DOI: 10.1134/S0001433822120209.
- Wang P., Elansky N. F., Timofeev Yu. M. et al. Long-term trends of carbon monoxide total columnar amount in urban areas and background regions: Ground- and satellite-based spectroscopic measurements // Advances in Atmospheric Sciences. 2018. V. 35. No. 7. P. 785–795. DOI: 10.1007/s00376-017-6327-8.
- Yurganov L., Rakitin V. Two decades of satellite observations of carbon monoxide confirm the increase in northern hemispheric wildfires // Atmosphere. 2022. V. 13. Article 1479. DOI: 10.3390/atmos13091479.
- Yurganov L. N., McMillan W. W., Dzhola A. V. et al. Global AIRS and MOPITT CO measurements: Validation, comparison, and links to biomass burning variations and carbon cycle // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. Article D09301. DOI: 10.1029/2007JD009229.
- Yurganov L. N., Rakitin V., Dzhola A. et al. Satellite- and ground-based CO total column observations over 2010 Russian fires: accuracy of top-down estimates based on thermal IR satellite data // Atmospheric Chemistry and Physics. 2011. V. 11. P. 7925–7942. DOI: 10.5194/acp-11-7925-2011.