Методы решения некорректных обратных задач дистанционного зондирования атмосферы для восстановления изотопических трассеров водного и углеродного циклов

Проект: Проект-ГрантФундаментальные исследования

Описание

"Глобальный мониторинг водного и углеродного циклов в атмосфере – актуальная задача для современной климатологии. Репрезентативными трассерами водного и углеродного циклов является относительное содержание некоторых изотопологов воды и углеродсодержащих парниковых газов. Количественные данные по относительному содержанию таких изотопов как 13С и 12С в углекислом газе (CO2) и метане (CH4) в атмосфере позволяют разделить вклад от естественных и антропогенных источников эмиссии этих парниковых газов в атмосферу. Мониторинг относительного содержания изопологов водяного пара HDO и Н218О по отношению к основному изотопологу H216O в атмосфере является источником репрезентативных данных для выявления скрытых трендов в гидрологическом атмосферном цикле. Одной из важных задач, для которой используются эти данные, является верификация/валидация современных изотопических версий моделей общей циркуляции атмосферы, таких как ECHAM-wiso, LMDz-iso, NASA GISS GCM ModelE и других. Причем, для климатических приложений важно осуществлять анализ с оценками ошибок данных в δ-величинах, определяемых как δ=[R/Rстанд-1]×1000‰, где R и Rстанд это определяемое и стандартное, соответственно, отношения концентраций искомых изотопологов. Для глобального мониторинга атмосферы необходимо обеспечить максимальное покрытие искомыми данными по всему земному шару, что возможно только при спутниковом зондировании.
Цель данного поискового исследования – разработка методов и их алгоритмическая реализация для решения обратных задач спутникового и наземного дистанционного зондирования атмосферы с целью мониторинга относительного содержания изотопологов углеродсодержащих парниковых газов (13СО2/12СО2, 13СН4/12СН4) и водяного пара (HDO/H216O, Н218О/H216O, Н217О/Н216О) в атмосфере.
Предлагаемый проект представляет собой дальнейшее развитие и воплощение исследований, поддержанных грантами INTAS 03-51-6294, РФФИ № 09-01-00474-а и РФФИ № 12-01-00801. Планируемый прорывной результат данного проекта - пионерские методы и алгоритмы для решения обратных задач дистанционного зондирования атмосферы, позволяющие одновременное использование двух различных спектральных диапазонов (теплового и ближнего инфракрасного диапазонов). Проблема заключается в том, что перенос излучения теплового и ближнего инфракрасного диапазонов в атмосфере описывается существенно различающимися нелинейными уравнениями переноса. Одновременное использование обеих диапазонов с одной стороны позволяет сделать обратную задачу зондирования более определенной, но с другой стороны, предполагает сложный комбинированный алгоритм решения обратной задачи. Такая комплексная задача ставится впервые в данном проекте.
Проект базируется на разрабатываемых известной научной школой Института математики и механики УрО РАН регулярных методах решения некорректных обратных задач с априорной информацией и оригинальном программном обеспечении FIRE-ARMS (Fine InfraRed Explorer for Atmospheric Radiations MeasurementS), разрабатываемом в лаборатории физики климата и окружающей среды Уральского федерального университета для решения прямых и обратных задач переноса инфракрасного излучения в безоблачной атмосфере. ПО FIRE-ARMS планируется дополнить модулями и процедурами известного ПО VLIDORT для учета многократного рассеяния света в ближнем ИК диапазоне в прямой задаче, а также оригинальными модулями для вычисления производных спектров по требуемым атмосферным параметрам (температура, концентрация оптически активных газов), что позволит реализовывать методы и алгоритмы обратных задач.
Для достижения поставленной цели планируется решать следующие задачи:
- моделирование переноса инфракрасного излучения теплового и ближнего инфракрасного диапазона в безоблачной атмосфере для различных широт, сезонов и типов подстилающей поверхности с использованием современных версий спектроскопических баз данных для атмосферных молекул, таких как HITRAN и GEISA.
- поиск и выбор достаточно изолированных и сильных сигналов искомых изотопологов в модельных спектрах высокого разрешения и их идентификация в наблюдаемых спектрах атмосферы при спутниковом и наземном зондировании в различных широтах и различных сезонах и типах подстилающей поверхности;
- разработка и апробация оригинальных высокоточных методов решения обратных задач по определению относительного содержания (в δ-величинах) искомых изотопологов в атмосфере из инфракрасных спектров атмосферы высокого разрешения спутникового и наземного зондирования с использованием априорной информации;
- анализ ошибок обращения спектров и ядер усреднения различных методов, в том числе обусловленных неточностями в современных спектроскопических базах данных для атмосферных молекул, а также спектрального разрешения и отношения сигнал/шум в измеряемых атмосферных спектрах.
В качестве исходных данных для решения обратных задач зондирования искомых изотопологов планируется использовать натурные спектры атмосферы в тепловом ИК диапазоне, регистрируемые сенсором IASI со спутников METOP-A и METOP-B Европейского космического агентства, а также спектры в тепловом и ближнем ИК диапазонах, одновременно регистрируемые сенсорами TANSO-FTS со спутника GOSAT Японского аэрокосмического агентства. Оригинальные данные дистанционного зондирования атмосферы ИК-Фурье спектрометром высокого разрешения BRUKER IFS125M наземного базирования на Уральской атмосферной станции УрФУ в Коуровке будут использованы для верификации разрабатываемых методов спутникового зондирования.
Новизна предлагаемого проекта заключается в том, что задача спутникового зондирования относительного содержания изотопологов углеродсодержащих парниковых газов (δ13C в CO2 и CH4) с использованием ИК-Фурье спектрометров высокого разрешения ставиться впервые, как и разработка высокоточных методов восстановления искомых величин с учетом некорректности обратных задач. При этом впервые планируется разработать методологию совместного использования спектров как теплового, так и ближнего ИК диапазонов для решения обратных задач по определению концентрации искомых изотопологов с необходимой для климатических приложений точностью. Также пионерской является постановка обратной задачи дистанционного зондирования δ17O в Н2О в атмосфере ИК-Фурье спектрометрами высокого разрешения наземного базирования. В прикладном аспекте будет разработано оригинальное программное обеспечение, позволяющее учитывать эффекты многократного рассеяния при решении прямых и обратных задач переноса излучения ближнего ИК диапазона в безоблачной атмосфере. Все итерационные схемы методов обращения с расчетом якобианов, оценки апостериорных ковариационных матриц и ядер усреднения предполагается реализовывать непосредственно в терминах δ-величин, что в случае определения δ13C и δ17O является безусловно новым."
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания01/01/201831/12/2020

Keywords

  • 27.35.63 Математические модели геофизики и метеорологии
  • РНФ
  • НИЧ Куйбышева