Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2026. Т. 23. № 2. С. 71-83
Методика определения вертикального распределения атмосферного озона на основе измерений прибора ИКФС-2
1 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 16.12.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2026-23-2-71-83
Различие роли озона в тропосфере и стратосфере требует контроля его содержания в разных атмосферных слоях. В работе впервые представлена методика определения элементов вертикального распределения озона из спектров уходящего теплового инфракрасного излучения, измеренных прибором ИКФС-2 (инфракрасный фурье-спектрометр). Решение обратной задачи восстановления вертикального профиля содержания озона осуществляется в несколько этапов на основе различных методов решения некорректных обратных задач. Для итогового уточнения вертикального распределения озона используется физико-математический подход, реализованный на основе метода статистической регуляризации. Прямая задача решается с применением радиационной модели переноса излучения RTTOV (англ. Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder). Для оценок погрешностей и оптимизации алгоритма проведены замкнутые численные эксперименты с использованием модельных спектров ИКФС-2. По результатам замкнутых экспериментов в среднем по всем широтным зонам погрешность определения общего содержания озона составляет 2,3 %, погрешность определения тропосферного содержания озона равна 5,2 е. Д. Наблюдается рост погрешностей восстановления элементов вертикального распределения озона в области высоких широт. На основе разработанной методики обработаны измеренные спектры ИКФС-2. По результатам сопоставления восстановленных профилей с измерениями озонозондов предложенный алгоритм обработки спектров ИКФС-2 недооценивает содержание озона в слое тропосферы и нижней стратосферы и переоценивает в области тропопаузы (слой 220–80 гПа), что наблюдается также по данным измерений инфракрасного зондировщика IASI (англ. Infrared Atmospheric Sounding Interferometer).
Ключевые слова: вертикальное распределение озона, уходящее тепловое излучение, ИКФС-2, RTTOV
Полный текстСписок литературы:
- Белан Б. Д. Проблема тропосферного озона и некоторые результаты его измерений // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 9. С. 1184–1207.
- Козлов Д. А., Тимофеев Ю. М., Поляков А. В. и др. Методика пересчета спектров теплового излучения атмосферы различного спектрального разрешения для взаимного сопоставления измерений бортовых инфракрасных фурье-спектрометров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 52–60. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-1-52-60.
- Козлов Д. А., Козлов И. А., Успенский А. Б. и др. Оценка ковариационной матрицы шума в измерениях бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2 // Исслед. Земли из космоса. 2022. № 1. С. 53–67. DOI: 10.31857/S0205961422010043.
- Поляков А. В. К вопросу об использовании априорной статистической информации при решении нелинейных обратных задач атмосферной оптики // Исслед. Земли из космоса. 1996. № 3. С. 11–17.
- Поляков А. В. Использование метода искусственных нейронных сетей при восстановлении вертикальных профилей атмосферных параметров // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 1. С. 34–39.
- Цырульников М. Д., Свиренко П. И., Гайфулин Д. Р., Горбунов М. Е., Успенский А. Б. Развитие системы оперативного усвоения данных метеорологических наблюдений в Гидрометцентре России // Гидрометеоролог. исслед. и прогнозы. 2019. № 4 (374). С. 112–126.
- Akishina S., Polyakov A., Virolainen Ya. Determination of the ozone vertical distribution elements in the atmosphere from satellite spectral measurements of outgoing thermal radiation // IOP Conf. Ser.: Earth and Environmental Science. 2025. V. 1522. Article 012007. DOI: 10.1088/1755-1315/1522/1/012007.
- Asmus A. A., Zagrebaev V. A., Makridenko L. A. et al. Meteorological satellites based on Meteor-M polar orbiting platform // Russian Meteorology and Hydrology. 2014. V. 39. No. 12. P. 787–794. DOI: 10.3103/ S1068373914120012.
- Bernath P. F., McElroy C. T., Abrams M. C. et al. Atmospheric Chemistry Experiment (ACE): Mission overview // Geophysical Research Letters. 2005. V. 32. No. 15. Article L15S01. DOI: 10.1029/2005GL022386.
- Borbas E. E., Seemann S. W., Huang H.-L., Li J., Menzel W. P. Global profile training database for satellite regression retrievals with estimates of skin temperature and emissivity // Proc. 14th Intern. ATOVS Study Conf. Madison, WI: University of Wisconsin-Madison, Space Science and Engineering Center, Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS), 2005. P. 763–770.
- Borbas E., Hulley G., Knuteson R., Feltz M. MEaSUREs Unified and Coherent Land Surface Temperature and Emissivity (LST&E) Earth System Data Record (ESDR): CAMEL users’ guide. National Aeronautics and Space Administration, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, 2017. 32 p.
- Borbas E. E., Hulley G., Feltz M. et al. The Combined ASTER MODIS Emissivity over Land (CAMEL) Part 1: Methodology and high spectral resolution application // Remote Sensing. 2018. V. 10. No. 4. Article 643. DOI: 10.3390/rs10040643.
- Boynard A., Hurtmans D., Koukouli M. E. et al. Seven years of IASI ozone retrievals from FORLI: Validation with independent total column and vertical profile measurements // Atmospheric Measurement Techniques. 2016. V. 9. P. 4327–4353. DOI: 10.5194/amt-9-4327-2016.
- Chapman S. On ozone and atomic oxygen in the upper atmosphere // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and J. Science. 1930. V. 10. P. 369–383. https://doi. org/10.1080/14786443009461588.
- Chipperfield M. P., Bekki S. Opinion: Stratospheric ozone — depletion, recovery and new challenges // Atmospheric Chemistry and Physics. 2024. V. 24. P. 2783–2802. DOI: 10.5194/acp-24-2783-2024.
- Mettig N., Weber M., Rozanov A. et al. Combined UV and IR ozone profile retrieval from TROPOMI and CrIS measurements // Atmospheric Measurement Techniques. 2022. V. 15. P. 2955–2978. DOI: 10.5194/ amt-15-2955-2022.
- Polyakov A., Virolainen Y., Nerobelov G. et al. Six years of IKFS-2 global ozone total column measurements // Remote Sensing. 2023. V. 15. No. 9. Article 2481. DOI: 10.3390/rs15092481.
- Polyakov A. V., Virolainen Ya. A., Nerobelov G. M., Akishina S. V. Technique for determining tropospheric ozone content from spectral measurements of outgoing thermal radiation by the IKFS-2 satellite instrument // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2024. V. 60. No. 5. P. 533–543. DOI: 10.1134/ S000143382470049X.
- Polyakov A., Virolainen Y., Nerobelov G. et al. Assessing total and tropospheric ozone via IKFS-2 infrared measurements on Meteor-M No. 2 // Atmosphere. 2025. V. 16. No. 7. Article 777. https://doi.org/10.3390/ atmos16070777.
- Prather M. J., Zhu X. Lifetimes and timescales of tropospheric ozone // Elementa: Science of the Anthropocene. 2024. V. 12. No. 1. Article 00112. https://doi.org/10.1525/elementa.2023.00112.
- Rodgers C. D. Inverse methods for atmospheric sounding. Theory and practice. Series on Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics. V. 2. Singapore: World Scientific, 2000. 256 p.
- Saunders R., Hocking J., Turner E. et al. An update on the RTTOV fast radiative transfer model (currently at version 12) // Geoscientific Model Development. 2018. V. 11. P. 2717–2737. DOI: 10.5194/ gmd-11-2717-2018.
- Scientific assessment of ozone depletion: 2018. Global ozone research and monitoring project — Report No. 58. Geneva, Switzerland: World Meteorological Organization, 2018. 588 p.
- Scientific assessment of ozone depletion: 2022. GAW Report No. 278. Geneva: World Meteorological Organization, 2022. 509 p.
- Smit H. G. J., Thompson A. M. Ozonesonde measurement principles and best operational practices: ASOPOS 2.0 (Assessment of Standard Operating Procedures for Ozonesondes). GAW Report No. 268. Geneva: World Meteorological Organization, 2021. 173 p.
- Witte J. C., Thompson A. M., Smit H. G. J. et al. First reprocessing of Southern Hemisphere ADditional OZonesondes profile records: 3. Uncertainty in ozone profile and total column // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2018. V. 123. No. 6. P. 3243–3268. DOI: 10.1002/2017JD027791.
- WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. Geneva: World Health Organization, 2021. 294 p.