Результаты восстановления содержания парниковых газов методом эмпирических ортогональных функций

Каждый сигнал GOSAT представляет собой набор спектральных точек, получаемых Фурье-спектрометром в четырех каналах (около 20 тысяч точек), записанных в формате HDF. Нами выбирались данные второго канала, в спектральной области 1.6 мкм, (около 8000 точек), из которых для обработки отбирались данные, в которых расположены полосы поглощения углекислого газа и метана. Далее все оставшиеся спектральные точки сигналов, за весь временной промежуток времени, проходили оценку на вариабельность. Для дальнейшей работы были оставлены наиболее изменчивые по величине спектральные точки сигнала.
Для целей проверки возможности применения метода эмпирических ортогональных функций при обработке реальных сигналов, нами были использованы данные измерений международной сети станций TCCON (Total Carbon Column Observing Network). На этих станциях проводится измерение общего содержания парниковых газов и других атмосферных параметров.
Нами было реализовано два алгоритма метода ЭОФ: стандартный и модифицированный. Отличие модифицированного подхода от стандартного заключается в учете априорной информации (зенитный угол Солнца, общее содержание водяного пара, оптическая толща аэрозоля, характеристики рельефа) при расчете ковариационной матрицы. В методе ЭОФ ковариационная матрица является основой построения алгоритма.
После обучения и решения обратной задачи для тестовой выборки, результаты восстановленного общего содержания углекислого газа и метана сравнивались со значениями для различных станций TCCON (Lamont, Bremen, Wollongong). Модифицированный метод эмпирических ортогональных функций показал более высокую точность по сравнению со стандартным. Среднее отличие содержания углекислого газа от данных станций TCCON при восстановлении модифицированным методом не превышает 1 ppm. Среднее отличие содержания метана - 0.01 ppb.
Далее для подготовки выборки данных, нами была выбраны три станции на территории США: Lamont (36.604 с.ш., 97.486 з.д.), Four Corners (36.797 с.ш, 108.48 з.д.) и Park Falls (45.945 с.ш., 90.273 з.д.). Данные измерений станций, в течение практически каждого дня (исключение составляют облачные дни, когда измерения не выполняются), были получены для 2013 года. Спутниковые измерения были собраны за этот же промежуток времени из области размером 5х5 градусов, с центром в точке стояния станций. Далее нами было выполнено согласование данных измерений GOSAT с данными измерений на станциях по времени. После этого на смешанных данных было проведено обучение системы. Смешивание данных различных наземных станций практически не повлияло на точность восстановления общего содержания парниковых газов, однако, привели к некоторому смещению. Это смещение связано с тем, что две другие станции TCCON расположены в местах с различным рельефом и типами поверхности (от станции Lamont), что сказывается на формировании спутникового сигнала.
Таким образом, можно сделать вывод, что рассмотренный метод эмпирических ортогональных функций обработки данных измерений может быть применен к получению достоверной информации о пространственно-временном поведении углекислого газа и метана на больших территориях.