Многофункциональный программный комплекс ИФА РАН для сбора, обработки и анализа орбитальных данных о составе атмосферы: задачи, возможности, результаты применения, пути развития

Спутниковые данные высокого разрешения представляют наибольший интерес при изучении пространственных неоднородностей полей загрязняющих примесей и парниковых газов, а также при оценке атмосферных эмиссий, в том числе в урбанизированных районах и в зонах природных пожаров.
Появление современных орбитальных спектрометров, таких как Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI), открыло новые возможности для космического мониторинга состава атмосферы.
TROPOMI производит измерения усредненного атмосферного содержания нескольких газов и аэрозолей на большей части земного шара 1 раз в сутки с высоким пространственным разрешением (до 5.5 × 3.5 км), что приводит к необходимости сбора, хранения и обработки данных объемом порядка десятков терабайт в год.
Для обработки и интерпретации большого объема орбитальных данных (т.н. big data) в ИФА РАН была разработана многофункциональная программа, способная решать разные научные и прикладные задачи.
Программа в настоящее время выполняет следующие основные функции:
– автоматический сбор данных первичных уровней новейшего орбитального спектрометра высокого разрешения TROPOMI Level 2 (L2, или уровень 2, повиточные данные, то есть 15 файлов формата NetCdf для одного измерительного дня по примесям – CO, CH4, NO2, HCHO, SO2). Данные сохраняются либо на один из серверов ИФА РАН, либо на персональный компьютер.
– изготовление (генерация) суточных файлов формата matlab (.mat) уровня 3 (L3) TROPOMI с сохранением данных в исходном для Level 2 пространственном разрешении.
– обработка данных L3 орбитальных спектрометров MODIS/Terra/Aqua (АОТ), AIRS (содержание CO и CH4), OMI (содержание NO2, O3), TROPOMI (содержание CO, CH4, NO2, SO2, HCHO) с фильтрацией данных по качеству, а также с возможностью фильтрации по любым сопутствующим параметрам;
– извлечение любых геопривязанных параметров спутниковых систем по координатам и с заданным пространственным разрешением в целях валидации;
– построение усредненных распределений при произвольной выборке любых измерительных дней и периодов;
– наложение траекторий NOAA HYSPLIT на орбитальные распределения;
– сравнение распределений (построение распределений разности или отношения), например, «орбитальное распределение минус модельное распределение» или «распределение отношения содержаний CO/O3»;
– построение распределений трендов состава атмосферы на основе данных всех вышеперечисленных орбитальных систем.
В докладе представлена структурная схема программы, а также описание интерфейса, краткое описание основных алгоритмов и рабочих инструментов. Дополнительно представлены отдельные результаты применения программы при проведении валидации орбитальных данных разных спутниковых систем, и примеры пространственных распределений трендов состава атмосферы.
Результаты, полученные в ходе апробации программы, опубликованы в нескольких Российских журналах [1 – 3].
Программа разработана при поддержке Российского Научного фонда, проект № 21-17-00210. Валидационные расчеты и расчеты распределений трендов состава атмосферы выполнены в рамках проекта Российского Научного фонда, проект № 20-17-00200.