КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-11-00024

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

РуководительЗахаров Вячеслав Иосифович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2018 - 2020  , продлен на 2021 - 2022. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-219 - Математическое моделирование в науках о Земле и проблемах окружающей среды

Ключевые словаатмосфера, перенос инфракрасного излучения, дистанционное зондирование, некорректные обратные задачи, изотопологи углеродсодержащих парниковых газов, изотопологи водяного пара;

Код ГРНТИ37.21.19


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
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.

Ожидаемые результаты
Предложенные микроокона в инфракрасных спектрах атмосферы высокого разрешения в тепловом и ближнем ИК диапазонах, пригодные для спутникового и наземного дистанционного зондирования изотопологов углеродсодержащих парниковых газов13CO2, 13CH4 и изотопологов водяного пара HDO, H2(18O), H2(17O) в атмосфере; Методы и алгоритмы для решения обратных задач по определению относительного содержания искомых изотопологов в атмосфере (13СО2/12СО2, 13СН4/12СН4) и (HDO/H2(16O), Н2(18О)/H2(16O), Н2(17О)/Н2(16О)) из предложенных микроокон инфракрасных (ИК)спектров атмосферы высокого разрешения в тепловом и ближнем ИК диапазонах для спутникового и наземного зондирования с использованием априорной информации. Пионерским здесь является то, что предложенные методы и алгоритмы предоставят возможность совместного использования (комбинирования) двух различных спектральных диапазонов (теплового и ближнего ИК диапазонов), что в итоге позволить повысить точность решения обратной задачи зондирования атмосферы; Оригинальное программное обеспечение, позволяющее использовать (комбинировать) два различных спектральных диапазона (тепловой и ближний ИК), а также учитывать эффекты многократного рассеяния при решении прямых и обратных задач переноса излучения ближнего ИК диапазона в безоблачной атмосфере; Рекомендации для будущих спутниковых ИК Фурье-спектрометров в ближнем и тепловом ИК диапазонах по спектральному разрешению, отношению сигнал/шум и плотностью покрытия пикселями зондирования атмосферы по всему земному шару, необходимыми для решения обратной задачи дистанционного зондирования искомых изотопологов с требуемой точностью для задач климатологии. Запланированные результаты проекта соответствуют мировому уровню исследований в области решения обратных задач дистанционного зондирования атмосферы и найдут применение в области спутникового мониторинга атмосферы для решения современных задач климатологии. Это будет способствовать более глубокому пониманию физических процессов и происходящих качественных и количественных изменений в углеродном и водном циклах, что в свою очередь позволит улучшить количественный прогноз будущих изменений климата.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Глобальный мониторинг относительного содержания изотопологов углеродсодержащих парниковых газов и изотопологов водяного пара в атмосфере является важным инструментом при решении современных задач экологии, исследований климата и мониторинга окружающей среды. Количественные данные по относительному содержанию таких изотопологов как 13СО2/12СО2, 13СН4/12СН4 в атмосфере используются в качестве трассеров углеродного цикла, так как характеризуют природу источников эмиссии углекислого газа и метана. Относительное содержание изотопологов молекул воды H2(18O) и HD16O по отношению к основному изотопологу H2(16O) в атмосферном водяном паре используются в качестве трассеров водного цикла и являются инновационным аналитическим инструментом для определения различных «скрытых», но ключевых аспектов атмосферного водного цикла c использованием современных изотопических версий моделей общей циркуляции атмосферы. В связи с этим, актуальной является задача разработки прецизионных методов для решения обратных задач дистанционного зондирования атмосферы, применимых для мониторинга относительного содержания изотопологов углеродсодержащих парниковых газов и водяного пара современными и перспективными средствами как наземного, так и спутникового зондирования атмосферы. Для обратных задач пассивного зондирования атмосферы, где необходимо определять высотные профили концентрации и/или полное содержание парниковых газов и их изотопологов в атмосфере из инфракрасных (ИК) спектров уходящего теплового излучения Земли, измеряемых спутниковыми ИК Фурье спектрометрами высокого спектрального разрешения, оператор прямой задачи не является монотонным, следовательно, не представляется возможным использовать хорошо разработанные методы для данного класса нелинейных уравнений: регуляризованный метод Ньютона и нелинейные аналоги альфа-процессы. Поэтому требуется разработка более общих методов решения нелинейных некорректных операторных уравнений. В рамках решения этой задачи было проведено исследование регуляризованных методов градиентного типа для решения нелинейных операторных уравнений, являющихся некорректными задачами. Такие уравнения, в частности, описывают и зависимость спектров уходящего теплового излучения, регистрируемых спутниковыми ИК Фурье спектрометрами от вертикальных профилей концентраций парниковых газов и их изотопологов в атмосфере. На начальном этапе работы было проведено теоретическое исследование двух регуляризованных методов: наискорейшего спуска и минимальной ошибки. Для метода наискорейшего спуска, сходимость которого была установлена ранее в работах исполнителя проекта В.В.Васина с соавторами, были получены оценки скорости сходимости метода. Для метода минимальной ошибки регуляризованный вариант был впервые сформулирован и предложен на данном этапе проекта. Для него с помощью аналогичной техники удалось доказать сходимость к точному решению, а также обосновать теоретические оценки скорости сходимости на классах корректности. Исследовалась возможность решения обратных задач дистанционного зондирования атмосферы при условии малой репрезентативности априорной информации. Предложен оригинальный метод и алгоритм для решения обратных задач зондирования атмосферы, являющийся модификацией метода Левенберга-Марквардта для случаев отсутствия априорной информации, необходимой для построения репрезентативных ковариационных матриц априорных профилей искомых газов. Предложенный метод апробирован на примере решения обратной задачи по определению средней концентрации метана в атмосферном столбе из спектральных данных уходящего теплового излучения Земли, регистрируемого спутниковым сенсором IASI/METOP над регионом Урала и Западной Сибири. Результаты сравнения данных, полученных предложенным методом по метану, со стандартными продуктами L2 IASI-CH4, полученными методом оптимальной статистической оценки с использованием априорных ковариационных матриц демонстрируют относительно хорошее согласие, что свидетельствует о работоспособности предлагаемого модифицированного метода Левенберга-Марквардта. При формировании необходимой априорной информации, требуемой в качестве начального приближения при решении обратных задач зондирования атмосферы, для определения вертикальных профилей концентрации и/или полного содержания искомых изотопологов в атмосфере, использовались следующие подходы. Вертикальные профили температуры, водяного пара, основных изотопологов 12СО2 и 12СН4 брались из данных ретроспективного климатического анализа, а профили начального приближения для изотопологов 13СО2 и 13СН4 конструировались путем соответствующего масштабирования профилей основных изотопологов, в предположении соответствия профиля менее распространенного изотополога естественной распространенности его на планете. Поскольку из уже проведенных исследований известно, что реальные вертикальные профили таких изотопологов несколько меньше естественной распространенности, то профили начального приближения представляют собой оценку сверху, что однозначно определяет направление оптимизации при решении обратной задачи в сторону понижения концентрации. Так как в имеющихся архивах реанализа информации по изотопологам водяного пара HDO и H2(18O) нет, были проведены вычислительные эксперименты с использованием современной изотопической версии модели общей циркуляции атмосферы ЕСНАМ на суперкомпьютере УРАН Института математики и механики УрО РАН. В результате, получены архивы модельных данных для начальных приближений вертикальных профилей температуры, концентрации водяного пара и изотопологов H2(18O) и HDO. Профили концентрации изотополога Н2(17О), расчет фракционирования которого не включен в изотопическую версию модели ECHAM, для начального приближения затем конструировались путем масштабирования профилей изотополога H2(16O) в пропорции естественной распространенности Н2(17О). Полученные нами данные по априорной информации для профилей начального приближения размещены на странице проекта в сети Интернет http://remotesensing.ru/rsf_r.html Для моделирования спектров пропускания атмосферой солнечного излучения, измеряемых ИК Фурье спектрометрами высокого разрешения наземного базирования, использовался стандартный программный пакет GFIT для решения прямых и обратных задач атмосферной оптики, использующийся в сообществе TCCON http://www.tccon.caltech.edu/. При решении обратной задачи применялся метод масштабирования начального приближения для вертикального профиля концентрации искомого газа. В результате сравнения модельных спектров с натурными спектрами пропускания атмосферы идентифицированы десятки спектральных микроокон, содержащие относительно изолированные сигналы изотопологов водяного пара H2(18O). Впервые обнаружены микроокна с относительно изолированными сигналами изотополога H2(17O) в спектрах пропускания атмосферой солнечного излучения в диапазоне 4000-8000 см-1 с разрешением 0.02 см-1, регистрируемых наземными ИК Фурье спектрометрами высокого разрешения наземного базирования. На данном этапе работ по проекту также разрабатывались оригинальные алгоритмы, предоставляющие новые возможности для решения прямых и обратных задач переноса инфракрасного излучения в безоблачной атмосфере. В оригинальное программное обеспечение FIRE-ARMS, разработанное раннее исполнителем проекта К.Г.Грибановым http://remotesensing.ru/linux.html, были встроены процедуры и функции ПО VLIDORT http://web.gps.caltech.edu/~vijay/userguides/vlidort_2p6_f90userguide_v12_08feb2013_NC.pdf, любезно предоставленные автором (Spurr R.J.) в виде исходных кодов на языке FORTRAN. Новая, объединенная версия программного обеспечения ПО FIRE-ARMS/VLIDORT для ОС Linux позволяет моделировать как уходящее в космос тепловое излучение Земли, так и отраженное от поверхности солнечное излучение в ближнем ИК диапазоне с учетом как однократного, так и многократного рассеяния. Для ускорения расчетов используется технология предвычисленных таблиц сечений поглощения (look-up tables). Кроме того, в новом ПО FIRE-ARMS/VLIDORT реализован итеративный процесс вычисления апостериорной ковариационной матрицы и ядра усреднения метода, на основе подхода предложенного в работе Ceccherini S., Ridolfi M, 2010. В результате проведенных вычислительных экспериментов с использованием ПО FIRE-АRMS/VLIDORT для моделирования синтетических спектров, регистрируемых спектрометрами высокого разрешения спутникового базирования, как в тепловой области спектра, так и в ближнем инфракрасном диапазоне были получены следующие результаты: Впервые в спектрах уходящего в Космос теплового излучения поверхности и атмосферы Земли в диапазоне 600-3000 см-1 с характерным для спутниковых спектрометров разрешением в интервале 0.1-0.25 см-1 (таких как TES/AURA, IASI/METOP, ИКФС-2/МЕТЕОР-М и др.) выявлены микроокна в районе 2055-2280 см-1, демонстрирующие относительно изолированные спектральные линии изотопологов 13СО2. Микроокон, с относительно изолированными сигналами изотополога 13СН4 в спектрах уходящего теплового излучения в диапазоне 600-3000 см-1 с разрешением 0,2 см-1 не обнаружено. Однако, идентифицированы микроокна с относительно хорошими сигналами 13СН4 в спектрах пропускания атмосферы солнечного излучения в диапазоне 2000-3000 см-1, регистрируемых Фурье спектрометрами наземного базирования с разрешением 0.02 см-1. В результате проведенных вычислительных экспериментов с использованием ПО FIRE-ARMS/VLIDORT по моделированию спектров отраженного от поверхности Земли солнечного излучения, измеряемых спутниковыми спектрометрами ближнего ИК диапазона типа TANSO-FTS/GOSAT, с разрешением 0.2 см-1, показано, что достаточно изолированные сигналы 13СО2 отчетливо регистрируются в условиях отражения солнечного излучения от различных типов поверхностей: океан, снег, лес, поле. Впервые выявлены в модельных спектрах и идентифицированы в натурных спутниковых спектрах атмосферы микроокна, с относительно изолированными сигналами изотополога Н2(18О) в ближнем ИК диапазоне. Результаты апробации найденных микроокон с отчетливыми сигналами изотопологов 13СО2, 13СН4, и Н2(18О) на примерах решения обратных задач зондирования атмосферы для определения относительного содержания 13СО2/12CO2, 13CH4/12CН4 и Н2(18О)/H2(16O) в атмосфере из ее спектров пропускания измеряемых ИК Фурье спектрометрами высокого разрешения наземного базирования представляются перспективными для восстановления относительного содержания искомых изотопологов в атмосфере с требуемой точностью для задач экологии, исследований климата и мониторинга окружающей среды, при условии измерения спектров атмосферы с высоким отношением сигнал/шум и усреднении получаемых данных по достаточно большой выборке. В итоге, все запланированные на 2018 год исследования выполнены. Создана страница проекта в сети Интернет http://remotesensing.ru/rsf_r.html Предложенные на данном этапе и описанные выше оригинальные методы, разработанные алгоритмы, ПО и полученные новые результаты представляют необходимый задел для проведения запланированных исследований на следующем этапе.

 

Публикации

1. Задворных И.В., Грибанов К.Г., Захаров В.И., Имасу Р. Methane vertical profiles retrieval from IASI/METOP and TANSO-FTS/GOSAT data Proceedings of SPIE, v. 10833 (год публикации - 2018).

2. Н.В.Рокотян, Р.Имасу, И.Морино, К.Г.Грибанов, В.И.Захаров Retrieving the 13CO2/12CO2 isotopic ratio from high resolution ground-based FTIR measurement in Tsukuba PROCEEDINGS OF SPIE, v. 10833 (год публикации - 2018).

3. Чистяков П.А. STUDY OF REGULARIZED METHODS OF GRADIENT TYPE FOR IRREGULAR OPERATOR EQUATIONS EURASIAN JOURNAL OF MATHEMATICAL AND COMPUTER APPLICATIONS, Volume 6, Issue 2, 34 – 42 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследования, выполненные в 2019 г., как и на предыдущем этапе, базировались на решении прямых и обратных задач переноса инфракрасного (ИК) излучения в безоблачной атмосфере, описывающихся нелинейными уравнениями переноса излучения в двух спектральных диапазонах (в тепловом и ближнем ИК диапазоне) для геометрии зондирования атмосферы по вертикальным и наклонным трассам. Разрабатывались оригинальные методы и алгоритмы решения обратных задач зондирования атмосферы с использованием ИК спектрометров высокого разрешения спутникового и наземного базирования, включая пионерский подход с одновременным использованием обоих спектральных диапазонов – теплового и ближнего ИК. Предлагаемые методы и алгоритмы тестировались на ансамблях специально сгенерированных синтетических (квазиреальных) спектрах действующих спутниковых и наземных спектрометров. В рамках настоящего этапа исследований предложен и теоретически обоснован новый метод решения системы нелинейных уравнений, который был успешно применен к задаче восстановления относительного содержания тяжелой воды в атмосфере по реально измеренным спектрам пропускания солнечного света через атмосферу в ближнем ИК диапазоне. В отчетном году выполнено теоретическое и алгоритмическое исследование предложенного метода, т.е. сформулированы и доказаны утверждения, касающиеся сходимости регуляризованного семейства приближенных решений и сходимости двух- параметрического итерационного процесса ньютоновского типа. При выбранных параметрах регуляризации и проксимального метода очередное приближение в построенном методе сводится к обращению положительно определенной матрицы, что гарантирует устойчивость численной процедуры. Идея квадратичной аппроксимации целевой функции при построении итерационных схем широко используется в корректно поставленной задаче минимизации равномерно выпуклой функции. В нашем случае целевая функция не является даже выпуклой. Новизна нашего подхода заключается в том, что, дополнив квадратичную аппроксимацию тихоновской регуляризацией и prox-методом, удается получить сходящийся итерационный процесс для более широкого класса систем нелинейных уравнений, рассматриваемых в форме минимизации квадрата нормы невязки. Разработанный алгоритм реализован в виде компьютерной программы и успешно апробирован на задаче восстановления относительного содержания тяжелой воды в атмосфере на спектрах пропускания солнечного света через атмосферу, измеренных ИК-Фурье спектрометром на Уральской атмосферной станции на территории Коуровской астрономической обсерватории УрФУ. С использованием натурных спектров пропускания атмосферы, наблюдаемых при наземном зондировании и проведением вычислительных экспериментов с помощью стандартного ПО GFIТ, в натурных спектрах пропускания атмосферы были идентифицированы спектральные интервалы, включающие ранее обнаруженные в модельных спектрах так называемые гомологичные пары линий изотопологов 13СО2 и 12СО2 с близкой температурной зависимостью. Приведены результаты апробации предложенных гомологичных пар линий изотопологов 13СО2 и 12СО2 для решения обратной задачи наземного зондирования атмосферы с целью минимизации неопределенностей, связанных с неточным знанием вертикального профиля температуры в атмосфере и повышения точности определения отношения средних концентраций 13СО2/12СО2 во всем атмосферном столбе. Сравнительный анализ экспериментальных спектров и результатов моделирования с использованием спектроскопической базы HITRAN-2016 показывает, что в последней версии этой базы по-прежнему имеются значительные неточности в параметрах спектральных линий для H218O. Ошибки по положениям достигают 0,2 см-1. Нужно отметить, что ошибки в положениях линий в исследуемом диапазоне (8000 – 9400 см-1) значительно меньше, чем ошибки в диапазоне 6450 – 8000 см-1. Однако, ошибки по интенсивностям в ряде случаев составляют десятки процентов. Имеются также неточности в значениях параметров уширения линий. Полученные в работе данные позволили устранить обнаруженные в базе HITRAN неточности в спектроскопической информации для изотополога H2(18O). Для решения задач наземного зондирования атмосферы для определения средней относительной концентрации искомых изотопологов в атмосферном столбе с использованием предложенных спектральных окон и микроокон в ПО FIRE-ARMS реализован устойчивый метод и алгоритм масштабирования профиля нулевого приближения (умножение профиля начального приближения на число), минимизирующий квадратичную невязку между измеренным и модельным спектром. Вертикальный профиль начального приближения для концентрации искомого изотополога в атмосфере при этом берется из международных баз данных реанализа для выбранного региона и сезона. Для решения задач спутникового зондирования атмосферы в предложенной полосе поглощения 13CO2 апробирован метод сопряженных градиентов. Произведена оценка возможности определения относительного содержания молекулы 13CO2 в атмосфере из ИК спектров высокого разрешения теплового диапазона, измеряемых спектрометром IASI с борта спутника METOP. Выполненные предварительные модельные эксперименты, демонстрируют такую возможность. Впервые предложены метод и алгоритм решения обратной задачи спутникового зондирования атмосферы для определения вертикальных профилей концентрации оптически активных газов с одновременным использованием атмосферных спектров теплового и ближнего ИК диапазонов высокого разрешения. Для демонстрации возможностей метода выполнен вычислительный эксперимент по восстановлению вертикального профиля концентрации основного изотополога метана с использованием модельных (синтетических) спектров высокого разрешения, аналогичных регистрируемым спутниковыми ИК-Фурье-спектрометрами типа TANSO-FTS/GOSAT-2 в тепловом и ближнем ИК-диапазонах. Результаты модельных экспериментов демонстрируют существенно более высокую точность восстановления вертикального профиля основного изотополога метана и его полного содержания в атмосферном столбе при совместном использовании спектров обоих диапазонов по сравнению с восстановлением из каждого диапазона по отдельности. Продемонстрировано существенное уменьшение ошибки при восстановлении вертикального профиля концентрации искомого газа в атмосфере и улучшение пространственного разрешения. Метод нацелен на обработку спектров такого спутникового спектрорадиометра, как TANSO-FTS/GOSAT-2. Предложенный метод и алгоритм одновременного использования двух спектральных диапазонов был апробирован также на примере решения обратной задачи по определению вертикального профиля отношения концентрации HDO/H2O в атмосфере с использованием синтетических спектров. Получены обнадеживающие предварительные результаты. Модернизировано ПО FIRE-ARMS/VLIDORT, которое было дополнено методом и алгоритмом решения обратной задачи спутникового зондирования атмосферы для определения вертикального профиля концентрации искомого изотополога парникового газа одновременно из двух существенно различающихся диапазонов спектра (теплового и ближнего ИК) с точки зрения прямой модели переноса излучения в атмосфере. Все запланированные на 2019 год исследования выполнены. Поддерживается страница проекта «RSF project no.18-11-00024 (Russian)» в сети Интернет на сайте: http://remotesensing.ru/ Предложенные на данном этапе и описанные выше оригинальные методы, разработанные алгоритмы, ПО и полученные новые результаты представляют необходимый задел для проведения запланированных исследований на следующем этапе. Результаты, полученные при выполнении проекта в 2019 г., были опубликованы в 5 индексируемых журналах, 2 из которых входят в первый квартиль и сделано 7 докладов на 5-ти конференциях, 4-х международных и одной всероссийской, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

 

Публикации

1. Денисова Нина Юрьевна Nudging for ECHAM6 with reanalysis ERA5 -, 2019617808 (год публикации - ).

2. Задворных И.В., Грибанов К.Г., Захаров В.И., Имасу Р. Methane Vertical Profile Retrieval from the Thermal and Near-Infrared Atmospheric Spectra Atmospheric and Oceanic Optics, 32(2), 152-157 (год публикации - 2019).

3. Задворных Илья Викторович, Грибанов Константин Геннадьевич FIRE-ARMS-VL (Fine Infrared Explorer for Atmospheric Radiation MeasurementS -VLIDORT) -, 2019662199 (год публикации - ).

4. Ивасаки Ч., Имасу Р., Бриль А., Ощепков С., Ёшида Ю., Захаров В.И., Грибанов К.Г., Рокотян Н.В. Optimization of the Photon Path Length Probability Density Function-Simultaneous (PPDF-S) Method and Evaluation of CO₂ Retrieval Performance Under Dense Aerosol Conditions Sensors, 19, 1262 (год публикации - 2019).

5. Михайленко С.Н., Карловец Е.В., Василенко С., Монделаин Д., Касси С., Кампарг А. New transitions and energy levels of water vapor by high sensitivity CRDS near 1.73 and 1.54 μm Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, - (год публикации - 2019).

6. Регалиа Л., Томас К., Реннессон Т., Михайленко С.Н. Line parameters of water vapor enriched by 18 O from 6525 to 8011 cm −1 Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 235, 257-271 (год публикации - 2019).

7. Скорик Г.Г., Васин В.В. REGULARIZED NEWTON TYPE METHOD FOR RETRIEVAL OF HEAVY WATER IN ATMOSPHERE BY IR–SPECTRA OF THE SOLAR LIGHT TRANSMISSION EURASIAN JOURNAL OF MATHEMATICAL AND COMPUTER APPLICATIONS, Volume 7, Issue 2, 79 – 88 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках заключительного этапа разрабатывались детали алгоритмов обращения атмосферных спектров высокого разрешения, регистрируемых спутниковыми ИК Фурье-спектрометрами типа IASI/METOP-A,B,C, TANSO-FTS/GOSAT-2 и др., в том числе и для нового метода, предложенного на предыдущем этапе, с использованием при решении обратной задачи совместно спектров теплового и ближнего инфракрасных диапазонов. Все методы и алгоритмы строились в предположении нормального (или логнормального для водяного пара) многомерного распределения вертикального профиля (на заданной высотной сетке) искомого изотополога, для которого необходимо моделировать средний вектор и ковариационную матрицу. Для решения переопределенной системы нелинейных уравнений предложен и исследован модифицированный вариант базового метода ньютоновского типа. В отличие от базового метода, матрица Гессе вычисляется один раз в стартовой точке в течение всего процесса итераций. Были выполнены численные эксперименты, чтобы оценить сравнительную эффективность двух методов при восстановлении концентрации тяжелой воды в атмосфере. Эти результаты были представлены на Международной онлайн конференции, посвященной 95-летию академика Г.И.Марчука (Новосибирск, 19-23 октября, 2020, http: // conf.nsc.ru/msr2020/). Проведено сравнительное исследование различных итерационных методов решения обратных задач по восстановлению параметров атмосферы: модифицированных итерационных алгоритмов Левенберга-Марквардта, и Ньютона/Гаусса-Ньютона. С целью сокращения времени работы вычислительных алгоритмов были использованы модифицированные методы Левенберга-Марквардта с вычислением Якобиана прямой задачи в фиксированной точке. В программное обеспечение FIRE-ARMS были добавлены соответствующие процедуры, реализующие определение вектора состояния атмосферы по вычислительным алгоритмам, реализующим модифицированные методы Левенберга-Марквардта. Тестирование методов и программных процедур осуществлялось на примере определения вертикального профиля метана из модельных спектров, вычисленных с параметрами спутникового сенсора IASI/MetOp в спектральных интервалах теплового ИК 1210-1215 и 1300-1310 см-1. Для оценки точности восстановления вертикального профиля по данным ретроспективного климатического анализа CAMS GHG Flux Inversions был создан модельный набор вертикальных профилей метана в количестве ~250. Данные взяты для одного месяца и территории 50-60° с.ш. 50-70° в.д. Эти же данные послужили в качестве априорного статистического ансамбля. Полученные оценки ошибок восстановления показали, что модифицированные методы Левенберга-Марквардта не уступают методу Гаусса-Ньютона. В качестве источника модельной статистики для изотопологов воды (HD16O,H218O) были использованы результаты моделирования изотопических версий моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА) ECHAM5-wiso и ECHAM6-wiso. Данные моделей позволяют формулировать обратную задачу как в терминах относительной концентрации основного и искомого изотопологов воды, так и в терминах дельта-величин (δD, δ18O). На примере молекулы HDO, спектральных и шумовых характеристик Фурье-спектрометра TANSO-FTS/GOSAT-2 и ограничений, полученных из изотопических версий МОЦА, продемонстрировано, что в тропосфере средняя погрешность восстановления не превышает 20 промилле при интервале значений от -700 до -100 промилле в профиле и совместном использовании теплового и ближнего инфракрасного диапазонов. Средняя ошибка восстановления профиля в средней тропосфере снижается до 10 промилле. Полученные ранее на предыдущих этапа проекта из анализа экспериментальных спектров центры и интенсивности линий поглощения молекулы H218O дополнены параметрами уширения воздухом и параметрами уширения собственным давлением водяного пара для тех линий, для которых этот параметр было невозможно определить из имеющихся спектров. Полученный в результате список эмпирических параметров спектральных линий H218O является на сегодняшний день наиболее полным в диапазоне 6526 – 9305 см-1. В случае построения модельных ограничений при определении изотополога 13CO2 предложен другой подход. Поскольку имеется большое количество прямых измерений основного изотополога углекислого газа 12CO2 и имеются данные ретроспективного климатического анализа (CAMS GHG Flux Inversions), то построение модельной ковариационной матрицы и среднего вектора вертикального профиля не вызывает трудностей. В связи с этим ковариационную матрицу для совместного определения вертикальных профилей 12CO2 и 13CO2 предложено моделировать как блочно-диагональную, в которой блок, отвечающий за 13CO2, является масштабированной версией блока для 12CO2. Масштабный множитель определен на основе литературных данных о всевозможных прямых измерениях величины δ13С в углекислом газе. Предложенная методика апробирована на синтетических спектрах планируемого спутникового Фурье-спектрометра IASI-NG. Вычислительные эксперименты продемонстрировали удовлетворительное определение вертикального профиля величины δ13С в интервале высот 2-11 км. Протестирована новая версия оригинального программного обеспечения FIRE-ARMS-VL со встроенными процедурами моделирования переноса излучения в атмосфере VLIDORT, учитывающими многократное рассеивание. При помощи данного ПО в спектрах излучения теплового и ближнего ИК диапазонов, измеряемых спутниковыми спектрометрами типа TANSO-FTS/GOSAT(-2) и IASI/MetOp, выявлены спектральные микроокна с относительно изолированными линиями изотополога углекислого газа 13CO2 в диапазоне 2055-2280 и 4890-4920 см-1, изотополога водяного пара HDO – в диапазонах 1205-1207, 5015-5060, 6375-6400 см-1. Проведены вычислительные эксперименты по определению вертикальных профилей относительного содержания изотопологов с использованием синтетических спектров в отобранных микроокнах. Эксперименты показали удовлетворительный результаты определения относительного содержания 13CO2 из спектров теплового ИК, а также хороший результат определения относительного содержания HDO методом совместного использования спектров теплового и ближнего ИК диапазонов. Также проведено успешное тестирование ПО на предмет определения полного содержания в столбе сухого воздуха основного изотополога метана (XCH4) из реальных атмосферных спектров высокого разрешения теплового диапазона TANSO-FTS/GOSAT-2 в регионе Канто, Япония (34.75-36.75 с.ш.; 139-141 в.д.) за период февраль-апрель 2019 г. Проведенное сравнение полученных результатов с данными измерений наземной Фурье-станции TCOON расположенной в г. Цукуба, демонстрирует хорошее согласие. Анализировались различные версии международных баз спектроскопических данных HITRAN, GEISA, ATM, и лайн-лист GOSAT2014, которые могут использоваться в качестве входных данных для прямого моделирования и для решения обратных задач при определении содержания искомых газов в атмосфере, в частности метана (СН4) из ее спектров пропускания в ближнем ИК диапазоне. Установлено, что вариабельность значений общего количества метана в атмосферном столбе, восстанавливаемых из натурных спектров пропускания атмосферы с использованием параметров линий поглощения из различных спектроскопических баз данных, может достигать значений около 2%. Апробировано восстановление относительной концентрации изотопологов 13СО2/12CO2 и 13СН4/12СН4 в атмосфере методом масштабирования вертикальных профилей начального приближения из специально отобранных натурных спектров пропускания атмосферы с отношением сигнал/шум около 1000, измеренных наземными ИК Фурье-спектрометрами высокого разрешения в тепловом и ближнем ИК диапазонах в Университете Бремен. Для решения такой обратной задачи использовались обнаруженные нами спектральные микроокна в обоих спектральных диапазонах. Проведенный анализ влияния уровня шума на точность восстановления относительной концентрации изотопологов 13СО2/12CO2 и 13СН4/12СН4 в атмосфере показывает, что для прецизионного восстановления отношения данных изотопологов с требуемой точностью для климатических приложений, необходимо иметь исходные спектры с отношением сигнал/шум в интервале 1500-2000. Все запланированные на 2020 год исследования выполнены. Поддерживается страница проекта «RSF project no.18-11-00024 (Russian)» в сети Интернет на сайте: http://remotesensing.ru/. Предложенные на данном этапе и описанные выше оригинальные методы, разработанные алгоритмы, ПО и полученные новые результаты представляют необходимый задел для перспективных исследований в этом направлении. Результаты, полученные при выполнении проекта в 2020 г., были опубликованы в 6 индексируемых в базах WoS и/или Scopus изданиях, 2 из которых входят в первый квартиль и сделано 6 докладов на 6-ти международных конференциях, а также нашли отражение в монографии, опубликованной при финансовой поддержке Российского научного фонда, посвященной методам решения линейных и нелинейных некорректно поставленных задач (Васин В.В. Основы теории некорректных задач. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2020, 313с.).

 

Публикации

1. Васин В.В. Основы теории некорректных задач Издательство СО РАН, Новосибирск, - (год публикации - 2020).

2. Васин В.В., Скорик Г.Г. Two-Stage Method for Solving Systems of Nonlinear Equations and Its Applications to the Inverse Atmospheric Sounding Problem Doklady Mathematics, Vol. 102, No. 2, pp. 367–370. (год публикации - 2020).

3. Денисова Н.Ю., Грибанов К.Г., Вернер М. Verification of the isotopic atmospheric general circulation model for a monitoring station in Labytnangi Proc. SPIE 11560, 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, 115607F, - (год публикации - 2020).

4. Денисова Н.Ю., Грибанов К.Г., Вернер М. Validation of ECHAM AGCMs Using Laser Spectrometer Data from Two Arctic Stations Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 33, No. 6, pp. 642–647 (год публикации - 2020).

5. Задворных И.В., Грибанов К.Г., Захаров В.И., Имасу Р. Atmospheric methane retrieval from TANSO-FTS/GOSAT-2 thermal IR spectra using FIRE-ARMS software Proc. SPIE 11560, 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, 115604Y, - (год публикации - 2020).

6. Михайленко С.Н., Касси С., Моделайн Д., Кампарг А. Water vapor absorption between 5690 and 8340 cm −1 : Accurate empirical line centers and validation tests of calculated line intensities Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, Volume 245,106840 (год публикации - 2020).

7. Чеснокова Т.Ю., Макарова М.В., Ченцов А.В., Косцов В.С., Поберовский А.В., Захаров В.И., Рокотян Н.В. Estimation of the impact of differences in the CH4 absorption line parameters on the accuracy of methane atmospheric total column retrievals from ground-based FTIR spectra Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, Volume 254, 107187 (год публикации - 2020).


Возможность практического использования результатов
Разработанные в проекте методы, алгоритмы и ПО FIRE-ARMS-VL могут служить научно-технологическим заделом для развития отечественного наземного сегмента (центра) обработки данных спутникового гиперспектрального зондирования атмосферы с целью генерации новых продуктов второго уровня (концентрации изотопологов водяного пара и углеродсодержащих газов в атмосфере) для задач климатологии, метеорологии и охраны окружающей среды. Что непосредственно относится к пункту 6. «Рациональное природопользование» раздела Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и пункту 19. «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» перечня Критических технологий Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 07.07.2011 г. № 899: «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации»). В частности, целесообразно практическое использование результатов проекта при обработке данных, разрабатываемого НПО «Геофизика-космос» отечественного ИК-Фурье спектрометра высокого разрешения, планируемого для установки на российском сегменте МКС в рамках космического эксперимента «Климат»: «отработка технологии глобального мониторинга климатообразующих факторов Земли».