Методика определения элементов вертикального распределения озона в атмосфере по данным измерений ИКФС-2

Озон имеет ключевое значение для химического и теплового баланса атмосферы. В связи с разным временем жизни, механизмами образования и разрушения озона, а также различием трендов его изменчивости и роли озона в различных атмосферных слоях, важно получать информацию не только об общем содержании озона, но и о его пространственном (вертикальном и горизонтальном) и временном распределении. Для получения информации о вертикальном распределении озона может быть использован метод уходящего теплового излучения. В состав оборудования российских метеорологических спутников серии “Метеор-М” №2 входит гиперспектральный ИК-зондировщик ИКФС-2, который измеряет уходящее ИК тепловое излучения в диапазоне 660-2000 см^-1. Оценки информативности измерений ИКФС-2 показали, что среднее число степеней свободы сигнала (DOFS) относительно вертикального профиля озона зависит от широты/сезона и в среднем близко к 4. 

Представлен алгоритм решения обратной задачи с использованием физико-математического подхода, реализованного на основе метода статистической регуляризации. Для учета неопределенностей, вносимых погрешностями параметров прямой задачи (профиль температуры и водяного пара, температура поверхности и др.) и подбора оптимального алгоритма решения обратной задачи восстановления профилей озона проведены замкнутые численные эксперименты. В среднем по всем широтам оценка погрешности алгоритма в отношении общего содержания озона составляет 2.3 %. Измерения общего содержания озона в средних широтах имеют самую высокую точность (погрешность оценивается как 1.7 %). В будущем предстоит учесть неопределенность в отношении излучательной способности поверхности.

Численные эксперименты показали, что в тропосфере средняя погрешность определения содержания озона по данным измерений ИКФС-2 без учета погрешности сглаживания составляет 5-10 % в зависимости от широты (наименьшая погрешность наблюдается в высоких широтах). Погрешность определения содержания стратосферного озона составляет 5-15 % (наименьшая погрешность наблюдается в низких широтах). Максимальная погрешность относительно профиля озона наблюдается области верхней тропосферы/нижней стратосферы (UTLS-область) и составляет 20-30 %.

Проведена обработка реальных измерений ИКФС-2. Результаты провалидированы с вертикальными профилями озонозондирования атмосферы. Средние разности показывают, что в алгоритм ИКФС-2 переоценивает содержание озона на 10-25 % в UTLS-области, в то время как в стратосфере недооценивает содержание озона на ~ 5-10 % по сравнению с данными измерений озонозондов. 

Работа выполнена при поддержке СПбГУ, номер проекта 124032000025-1.