Исследование источников погрешности и оптимизация балансовой методики восстановления вертикальных потоков малых газовых составляющих атмосферы по спутниковым данным

В молодёжной лаборатории ИКИ РАН развивается подход расчёта баланса парниковых газов в атмосфере по данным ДЗЗ. Подход основывается на вычислительной схеме, замкнутой относительно данных спутниковых измерений концентраций парниковых газов.
Основой методики служит вычисление векторов адвекции парниковых газов с помощью алгоритмов анализа оптического потока между последовательными полями концентраций парниковых газов, измеренных со спутника. Зная векторы адвекции газа, можно рассчитать поток через заданную границу произвольной области и далее – конвергенцию потока. Согласно уравнению баланса – суммарная конвергенция за интересующий период времени плюс изменение полной массы газа в области между начальным и конечным моментом времени и будет характеристикой вертикального обмена газовой компонентой между атмосферой и подстилающей поверхностью.
В настоящий момент в методике используются данные измерений интегрального содержания СО ИК спектрометром TROPOMI. Ранее была проведена оценка погрешности методики для оценки выброса CO во время крупных лесных пожаров, которая составила около 30%. Сравнение с данными GFED (англ. Global Fire Emissions Database) показало совпадение с коэффициентом корреляции равным 0,88.
Текущая работа направлена на поиск причин погрешности балансовой методики (БМ) и способы её минимизации. Общая погрешность БМ определяется качеством глобальных полей интегрального содержания исследуемого газа и векторов его горизонтального переноса. Поля интегральной концентрации газа имеют частые пропуски из-за облачности и проблем с передачей данных. Для закрытия этих пропусков был применён новый способ заполнения. Используемый на данный момент алгоритм оценки оптического потока требует на входе минимум пару 8 битных изображений, что приводит к погрешностям дискретизации и пересчёта данных в ограниченный диапазон. Эти погрешности были снижены путём попарного масштабирования полей интегрального содержания с последующей компрессией их общего диапазона значений. Уменьшение погрешности полей интегрального содержания газа автоматически уменьшает погрешность оценки скорости горизонтального переноса. Однако остаются периодические сильные выбросы и дрожания векторов. Для уменьшения этих погрешностей были применены методы фильтрации выбросов и оконное сглаживание. Также, при оценке выбросов от пожаров была проведена фильтрация по значениям FRE (Fire Radiative Energy), считая, что развитый пожар начинается при значении FRE = 800 МВт.
В результате проделанной работы удалось уменьшить погрешность оценки выбросов при крупных лесных пожарах и увеличить коэффициент корреляции между БМ и GFED для суммарного выброса CO до 0,91. Также существенно улучшилось совпадение временного хода баланса для отдельных пожаров.
Работа выполнена при поддержке темы «Эмиссия» (гос. регистрация № 1024032600245-7-1.5.9)