Метод определения общего содержания озона и водяного пара в столбе атмосферы по данным геостационарного космического аппарата Электро-Л №3

Одними из основных газов, оказывающих сильное влияние на парниковый эффект планеты, являются водяной пар и озон. Поэтому изучение их пространственно-временного распределения и изменения – важная задача, которая также связана с их вовлеченностью в формирование климата в атмосфере и у поверхности Земли. В настоящее время региональный и глобальный мониторинг газовых составляющих проводится по данным in situ и данным дистанционных измерений, в том числе с космических аппаратов (КА). Оценка общего содержания озона (ОСО) и общего содержания водяного пара (ОСВП) в столбе атмосферы может осуществляться как с полярно-орбитальных, так и геостационарных КА, которые могут представлять больший интерес, так как они позволяют получать информацию с большим пространственным покрытием исследуемой территории и с высокой частотой обновления поступающей информации.
В данной работе рассматривается применение метода оценки ОСО и ОСВП с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) по данным спутникового прибора МСУ-ГС геостационарного космического аппарата (КА) Электро-Л №3. Данная методика предназначена для оценки газовых составляющих в безоблачной атмосфере в дневное время суток. Архитектуры ИНС строились на основе полносвязных нейронных сетей, куда дополнительно включались слои активации и слои нормализации активации. Обучение проводилось по алгоритму обратного распространения ошибки, где в качестве оптимизатора выл выбран алгоритм Adam, а в качестве функции потерь использовалось среднеквадратичное отклонение. Для обучения ИНС была сформирована выборка, в которую включались: измерения в каналах 5 - 10 спутникового прибора МСУ-ГС, оценки ОСО по данным прибора OMPS КА Suomi NPP, оценки ОСВП по данным прибора MODIS КА Terra и Aqua. Ввиду наличия корреляции общего содержания озона и водяного пара с тепловым режимом атмосферы, в выборку включались данные вертикального профиля температуры и приземное давление, полученные из прогностической модели GFS (Global Forecast System). Дополнительно в выборку была включена информация, необходимая для учета пространственно-временных изменений распределения газовых полей: месяц в году, зенитные углы спутника и Солнца.
Разработанный метод оценки значений ОСО и ОСВП в столбе атмосферы по данным МСУ-ГС показал высокую согласованность получаемых результатов со спутниковыми оценками этих параметров по данным приборов OMPS и MODIS. Коэффициент корреляции общего содержания озона при сравнении с данными OMPS составил 99%, а общего содержания водяного пара с данным MODIS – 98%. Среднеквадратическое отклонение для оценки ОСО составило 5.2 DU, а для ОСВП – 0.3 см. Полученные результаты валидации показали, что разработанная методика оценки значений общего содержания озона и водяного пара обеспечивает точность восстановления согласно требованиям ВМО.