Том 30, номер 09, статья № 5

Аннотация:

Предложен алгоритм восстановления полных содержаний в атмосфере мелкодисперсных частиц (диаметром менее 1,0 и 2,5 мкм) по многоспектральным снимкам из космоса в видимой области спектра электромагнитного излучения. Алгоритм основан на регрессионных соотношениях между спектральными коэффициентами яркости на верхней границе атмосферы, микрофизическими параметрами аэрозоля и геометрическими параметрами спутниковой сцены. Уравнения регрессий строятся на основе расчетов коэффициентов яркости в спектральных каналах спутниковой аппаратуры для ансамбля случайно сгенерированных параметров модели переноса излучения в атмосфере и геометрических параметров спутниковых сцен. В дальнейшем это позволяет в оперативном режиме получать карты загрязнений атмосферы мелкодисперсными фракциями аэрозоля напрямую из спутниковых снимков, без решения некорректных обратных задач по переносу солнечного излучения в атмосфере и аэрозольному светорассеянию. Предложенный алгоритм реализован и апробирован для спутниковой аппаратуры MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer). Сравнение результатов обработки снимков MERIS с данными наземной радиометрической сети AERONET (Aerosol Robotic Network) по полным содержаниям в атмосфере мелкодисперсных аэрозольных фракций демонстрирует среднеквадратическое отклонение ~ 0,5 мкг/см². Показана возможность использования разработанного алгоритма для оперативного слежения за региональным и трансграничным переносами аэрозольных загрязнений атмосферы во время природных пожаров.

Ключевые слова:

мелкодисперсные частицы, оптическое дистанционное зондирование, коэффициенты яркости, регрессионные соотношения, многоспектральные снимки из космоса, оперативная обработка, карты аэрозольных загрязнений атмосферы

Список литературы:

1. Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С., Крапивин В.Ф. Свойства, процессы образования и последствия воздействий атмосферного аэрозоля: от нано- до глобальных масштабов. СПб.: ВВМ, 2007. 807 c.
2. Гинзбург А.С., Губанова Д.П., Минашкин В.М. Влияние естественных и антропогенных аэрозолей на глобальный и региональный климат // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2008. T. LII, № 5. С. 112–119.
3. Silva R.A., West J.J., Zhang Y., Anenberg S.C., Lamarque J.F., Shindell T.D., Collins W.J., Dalsoren S., Faluvegi G., Folberth G., Horowitz L.W., Nagashima T., Naik V., Rumbold S., Skeie R., Sudo K., Takemura T., Bergmann D., Cameron-Smith P., Cionni I., Doherty R.M., Eyring V., Josse B., MacKenzie I.A., Plummer D., Righi M., Stevenson D.S., Strode S., Szopa S., Zeng G. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution and the contribution of past climate change // Environ. Res. Lett. 2013. V. 8, N 3. P. 034005 (11 p.).
4. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
5. Dubovik O., King M.D. A flexible inversion algorithm for retrieval of aerosol optical properties from Sun and sky radiance measurements // J. Geophys. Res. D. 2000. V. 105, N 16. P. 20,673–20,696.
6. Kokhanovsky A.A., de Leeuw G. (eds.). Satellite aerosol remote sensing over land. UK, Chichester: Springer, Praxis, 2009. 398 p.
7. Lopatin A., Dubovik O., Chaikovsky A., Goloub P., Lapyonok T., Tanré D., Litvinov P. Enhancement of aerosol characterization using synergy of lidar and sun-photometer coincident observations: The GARRLiC algorithm // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6, N 8. P. 2065–2088.
8 Лысенко С.А., Кугейко М.М. Нефелометрический метод измерений массовых концентраций городских аэрозолей и их респирабельных фракций // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 5. С. 435–442; Lisenkо S.А., Kugeiko М.М. Nephelometric method for measuring mass concentrations of urban aerodol and their respirable fractions // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 6. P. 587–595.
9. Лысенко С.А., Кугейко М.М., Хомич В.В. Многочастотное лидарное зондирование загрязненности атмосферы твердыми частицами с разделением на респирабельные фракции // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 70–79; Lisenkо S.А., Kugeiko М.М., Khоmich V.V. Multifrequency lidar sounding of air pollution by particulate matter with separation into respirable fractions // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 3. P. 288–297.
10. Лысенко С.А., Кугейко М.М., Хомич В.В. Многочастотное лидарное зондирование атмосферного аэрозоля в условиях информационной неопределенности // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 5. С. 404–413; Lisenkо S.А., Kugeiko М.М., Khоmich V.V. Multifrequency lidar sensing of atmospheric aerosol under conditions of information uncertainty // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 6. P. 516–525.
11. Von Hoyningen-Huene W., Yoon J., Vountas M., Istomina L.G., Rohen G., Dinter T., Kokhanovsky A.A., Burrows J.P. Retrieval of spectral aerosol optical thickness over land using ocean color sensors MERIS and SeaWiFS // Atmos. Meas. Tech. 2011. V. 4, N 2. P. 151–171.
12. Guanter L., Gómez-Chova L., Moreno J. Coupled retrieval of aerosol optical thickness, columnar water vapor and surface reflectance maps from ENVISAT/MERIS data over land // Rem. Sens. Environ. 2008. V. 112, N 6. P. 2898–2913.
13. Katsev I.L., Prikhach A.S., Zege E.P., Kokhanovsky A.A. Speeding up the aerosol optical thickness retrieval using analytical solutions of radiative transfer theory // Atmos. Meas. Tech. 2010. V. 3, N 5. P. 1403–1422.
14. Béal D., Baret F., Bacour C., Pavageau K., Gu X.F. A method for aerosol retrieval from the spectral variation in the visible and near infrared. Application to the MERIS sensor // Int. J. Rem. Sens. 2007. V. 28, N 3–4. P. 761–779.
15. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.
16. Свириденков М.А. Определение характеристик атмосферного аэрозоля по спектральным измерениям прозрачности и малоуглового рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2001. Т. 14, № 12. С. 1115–1118.
17. Веретенников В.В. Совместное определение микроструктуры и показателя преломления аэрозоля по данным солнечной фотометрии // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 3. С. 214–221.
18. Веретенников В.В., Меньщикова С.С. Об ограничении интегральных аэрозольных распределений в обратных задачах солнечной фотометрии // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 9. С. 759–764; Vеrеtеnnikоv V.V., Меn’shchikovа S.S. On restriction of integral aerosol distributions in inverse problems of solar photometry // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 1. P. 44–50.
19. Веретенников В.В., Меньщикова С.С. Микрофизическая экстраполяция в задаче обращения спектральных измерений аэрозольной оптической толщины // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 10. С. 880–886; Vеrеtеnnikоv V.V., Меn’shchikovа S.S. Microphysical extrapolation in the problem of inversion of spectral measurements of aerosol optical depth // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 2. P. 135–141.
20. Веретенников В.В., Меньщикова С.С. Особенности восстановления микроструктурных параметров аэрозоля из измерений аэрозольной оптической толщины. Часть I. Методика решения обратной задачи // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 4. С. 306–312; Vеrеtеnnikоv V.V., Меn’shchikovа S.S. Features of retrieval of microstructural parameters of aerosol from measurements of aerosol optical depth. Part I. Technique for solving the inverse problem // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 6. P. 473–479.
21. Vidot J., Santer R., Ramon D. Atmospheric particulate matter (PM) estimation from SeaWiFS imagery // Rem. Sens. Environ. 2007. V. 111, N 1. P. 1–10.
22. Chu D.A., Zibordi G., Chern J.D., Mao J., Li C., Holben B.N. Global monitoring of air pollution over land from the Earth Observing System-Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) // J. Geophys. Res. D. 2003. V. 108, N 21. P. 4661 (18 p.).
23. Wang J., Christopher S.A. Intercomparison between satellite-derived aerosol optical thickness and PM_2.5 mass: Implications for air quality studies // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30, N 21. P. 2095 (4 p.).
24. Engel-Cox J.A., Holloman C.H., Coutant B.W., Hoff R.M. Qualitative and quantitative evaluation of MODIS satellite sensor data for regional and urban scale air quality // Atmos. Environ. 2004. V. 38, N 16. P. 2495–2509.
25. Kokhanovsky A.A., Prikhach A.S., Katsev I.L., Zege E.P. Determination of particulate matter vertical columns using satellite observations // Atmos. Meas. Tech. 2009. V. 2, N 2. P. 327–335.
26. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Определение концентрации аэрозольных частиц в вертикальном столбе атмосферы по спутниковым измерениям спектральной оптической толщины // Ж. прикл. спектроскопии. 2011. Т. 78, № 5. С. 793–800.
27. Dubovik O., Herman M., Holdak A., Lapyonok T., Tanré D., Deuzé J.L., Ducos F., Sinyuk A., Lopatin A. Statistically optimized inversional gorithm for enhanced retrieval of aerosol roperties from spectral multi-angle polarimetric satellite observations // Atmos. Meas. Tech. 2011. V. 4, N 5. P. 975–1018.
28. Jeong U., Kim J., Ahn C., Torres O., Liu X., Bhartia P.K., Spurr R.J.D., Haffner D., Chance K., Holben B.N. An optimal-estimation-based aerosol retrieval algorithm using OMI near-UV observations // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 1. P. 177–193.
29. Иванов А.П., Кацев И.Л., Прикхач А.С., Зеге Э.П. Восстановление оптических характеристик аэрозольной атмосферы и поверхности Земли путем совместной обработки различной спутниковой информации // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2014. Т. 50, № 2. С. 215–223.
30. Обухов А.М. О статистически ортогональных разложениях эмпирических функций // Изв. АН СССР. Сер. Геофиз. 1960. Т. 1, № 3. С. 432–439.
31. Liou K.N. An introduction to atmospheric radiation. Second edition. New York; London: Academic Press, 2002. 583 p.
32. Stamnes K., Tsay S.-C., Laszlo I. DISORT, a General-Purpose Fortran Program for Discrete-Ordinate-Method Radiative Transfer in Scattering and Emitting Layered Media: Documentation of Methodology (version 1.1, Mar 2000). [Electronic resource]. URL: http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/~emde/lib/exe/fetch.php?media=teaching:radiative_transfer:disortreport1.1.pdf (last access: 5.07.16).
33. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент земной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 264 c.
34. Serdyuchenko A., Gorshelev V., Weber M., Burrows J.P. New broadband high-resolution ozone absorption cross-sections. [Electronic resource]. URL: http://www.spectroscopyeurope.com / articles / 55-articles / 3082-new-broadband-high-resolution-ozone-absorption-cross-sections (last access: 6.07.16).
35. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Champion J.-P., Chance K., Couderti L.H., Dana V., Devi V.M., Fally S., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Jacquemart D., Kleiner I., Lacome N., Lafferty W.J., Mandin J.-Y., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Miller C.E., Moazzen-Ahmadi N., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V.I., Perrin A., Predoi-Cross A., Rinsland C.P., Rotger M., Šimečková M., Smith M.A.H., Sung K., Tashkun S.A., Tennyson J., Toth R.A., Vandaele A.C., Auwera J.V. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110, N 9–10. P. 533–572.
36. Goddard Space Flight Center, AERONET. [Electronic resources]. URL: http://aeronet.gsfc.nasa.gov (last access: 6.07.16).
37. Bohren G.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: John Wiley & Sons, 1983. 544 p.
38. Baldridge A.M., Hook S.J., Grove C.I., Rivera G. The ASTER spectral library version 2.0 // Rem. Sens. Environ. 2009. V. 113, N 4. P. 711–715.
39. United States Department of Agriculture. Global soil regions map. [Electronic resource]. URL: http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/soils/use/?cid=nrcs142p2_054013 (last access: 6.07.16).
40. Torres B., Dubovik O., Toledano C., Berjon A., Cachorro V.E., Lapyonok T., Litvinov P., Goloub P. Sensitivity of aerosol retrieval to geometrical configuration of ground-based sun/sky radiometer observations // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 2. P. 847–875.
41. European Space Agency – MERIS Product Handbook. Issue 3.0, 1 August 2011. [Electronic resources]. URL: http://envisat.esa.int/handbooks/meris/CNTR.html (last access: 6.07.16).
42. SENTINEL-3 OLCI User Guide. [Electronic resources]. URL: https://sentinel.esa.int/web/sentinel/user-guides/ sentinel-3-olci (last access: 08.07.16).
43. Mishchenko M.I., Cairns B., Hansen J.E., Travis L.D., Burg R., Kaufman Y.J., Martins J.V., Shettle E.P. Monitoring of aerosol forcing of climate from space: Analysis of measurement requirements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 88, N 1–3. P. 149–161.
44. Отчет о научно исследовательской работе. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси. 2006. [Электронный ресурс]. URL: http://scat.bas-net.by/~lidarteam /Transboundary%20transport-ru/Report-2006.pdf (last access: 10.07.16).