Использование орбитальных данных о составе и параметрах атмосферы для оценки текущих изменений с применением программного комплекса ИФА РАН

Появление современных орбитальных спектрометров высокого разрешения, таких как Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) и Orbiting Carbon Observatory (OCO), с одной стороны, открыло новые возможности для космического мониторинга состава и параметров атмосферы, с другой - привело к необходимости решения проблемы сбора, хранения и обработки данных объемом порядка десятков терабайт в год.
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. Наблюдения орбитальных комплексов предыдущих поколений (MODIS, AIRS, OMI и других), имеющие относительно невысокое пространственное разрешение, представляют интерес в плане исследования долговременных тенденций как состава, так и метеорологических параметров атмосферы.
Для обработки и интерпретации большого объема орбитальных данных (т.н. big data) в ИФА РАН была разработана многофункциональная программа [1], способная решать разные научные и прикладные задачи.
Программа в настоящее время выполняет следующие основные функции:
– автоматический сбор данных первичных уровней новейшего орбитального спектрометров высокого разрешения TROPOMI и OCO-3 уровня 2 ( Level 2, далее L2) и преобразование их в данные уровня 3 (Level 3, далее L3) с сохранением данных в исходном для L2 пространственном разрешении. Данные сохраняются либо на один из серверов ИФА РАН, либо на персональный компьютер.
– обработка данных L3 орбитальных спектрометров MODIS/Terra/Aqua, AIRS, OMI, TROPOMI, OCO-3 с возможностью фильтрации по качеству и любым сопутствующим геопривязанным параметрам;
– 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, «распределение поля примеси TROPOMI минус распределение AIRS» или «распределение отношения содержаний CO/O3»;
– построение распределений трендов состава атмосферы с расчетом статистических характеристик на основе данных всех вышеперечисленных орбитальных систем;
– валидационные расчеты (извлечение любых геопривязанных параметров спутниковых систем по заданным координатам с заданным пространственным разрешением).
В докладе в кратком виде представлена структурная схема программы, описание интерфейса и основных рабочих инструментов. Представлены отдельные результаты применения программы в виде пространственных распределений трендов состава и параметров атмосферы, результаты валидационных работ и примеры визуализации дальнего (трансокеанского) переноса загрязнений во время природных пожаров, а также оценки отклика трендов окиси углерода на климатические изменения.
Установлено, что наибольшая скорость роста общего содержания (ОС) метана CH4 в Евразии, в последние годы фиксируется в субтропических и тропических широтах, а также в Северной Европе (до 0.5%/год). При этом в большинстве высокоширотных районов Евразии скорость роста концентраций метана после 2008 г. практически не изменилась и составляет 0.2-0.3%/год.
Установлено, что после примерно 2008 г. спад ОС окиси углерода CO повсеместно на территории Евразии и всего Северного Полушария замедлился с –(2-3%/год) до 2008 г. до –(0.5-1%/год) в период 2008-2022 гг. (оценки приведены для годовых трендов) Более того, в отдельных регионах ОС CO перешло к стагнации или даже слабому росту; например, в осенние месяцы 2008-2022 гг. практически во всей Евразии зафиксирован рост со скоростью до 1%/год и более.
Поскольку время жизни атмосферного CO невелико (от 2 недель до 3 месяцев), а антропогенные эмиссии и выбросы CO от природных пожаров на территории Западной Евразии и Европы снижаются, то такой характер трендов CO невозможно объяснить одними эмиссиями. Высказывается предположение о возможности образования дополнительного CO из атмосферного метана, рост концентраций которого начался примерно в 2007 г.
Результаты, полученные в ходе апробации программы, опубликованы в нескольких Российских журналах [2 – 4].
Программа разработана при поддержке Российского Научного фонда, проект № 21-17-00210. Распределения трендов состава и параметров атмосферы, а также поля примесей при трансокеанском переносе загрязнений рассчитаны в рамках проекта № 20-17-00200.