Методика определения элементов вертикального распределения озона из спектров уходящего теплого излучения

Озон является одним из климатически важных атмосферных газов, что стало причиной использования различных методов дистанционного зондирования для мониторинга его содержания в атмосфере Земли. Одним из методов получения информации о вертикальном распределении озона служит метод уходящего теплового излучения. На борту российского метеорологического спутника «Метеор-М» №2 расположен прибор ИКФС-2, измеряющий спектры теплового излучения в диапазоне 660-2000 см-1. Наши оценки информативности спектров ИКФС-2 показали, что среднее число степеней свободы относительно вертикального распределения озона равно 4.

Решение обратной задачи получения вертикального профиля содержания озона может осуществляться с использованием двух основных алгоритмов: регрессионный, основанный на статистическом подходе, и физико-математический, основанный на итерационном решении обратной задачи. Мы представляем методику физико-математического подхода определения профиля озона, которая реализована на обобщении метода статистической регуляризации на нелинейные задачи и содержит элементы, улучшающие сходимость решения. Данный подход также используется на предварительном этапе для восстановления профилей температуры и влажности, необходимых для определения профилей озона. Для увеличения быстродействия обработки измерений мы уменьшаем размерности используемых матриц, применяя метод главных компонент как по отношению к измеренным спектрам, так и по отношению к восстанавливаемым профилям.

Для оценок погрешностей и анализа работы представляемой методики интерпретации спектров ИКФС-2 проведены замкнутые численные эксперименты с использованием смоделированных спектров уходящего теплового излучения по известным профилям содержания озона (данные озонозондирования, NCEP GFS). Расчёт спектров прямой задачи реализован с помощью модели переноса излучения RTTOV. Рассмотрено влияние различных факторов решения обратной задачи: использование разной информации о профилях температуры и влажности, вариации температуры поверхности и спектральных каналов в полосе поглощения озона. Выявлено, что разности исходных и восстановленных профилей озона увеличиваются при рассмотрении состояний атмосферы высоких широт.

Исследование профинансировано грантом Российского научного фонда №23-27-00166, https://rscf.ru/project/23-27-00166/.