Метод эмпирических ортогональных функций в задаче восстановления общего содержания CO2 из данных спутникового мониторинга

Всевозрастающая проблема потепления климата требует проведения регулярного мониторинга состояния окружающей среды для исследования природных процессов и анализа воздействий на природу естественных и антропогенных факторов. В докладе рассматривается разрабатываемый нами программный комплекс, позволяющий обрабатывать данные спутникового Фурье-спектрометра GOSAT с целью восстановления общего содержания углекислого газа и метана. Нами предлагается для целей обработки данных спутникового мониторинга общего содержания СО2 применять непараметрические подходы решения обратной задачи и в частности метод эмпирических ортогональных функций (ЭОФ).
Принцип метода ЭОФ широко представлен в литературе, в основном для анализа рядов наблюдений, сжатия информации, выявления закономерностей проявления физических процессов во времени и пространстве. Гораздо реже этот подход используется при решении обратных задач. Применение этого подхода разбито на две части: обучение и обработка. На стадии обучения рассчитываются функции ЭОФ для сигналов с некоторой территории, за определенный промежуток времени, когда известны значения общего содержания СО2. Затем строится регрессионное уравнение, связывающее ЭОФ и временной ряд общего содержания СО2. Далее, полученные коэффициенты регрессионного уравнения являются основой дальнейшей стадии – обработки. Понятно, что подход этот является статистическим по смыслу и необходимо выбирать соответствующий временной отрезок изменения исследуемой функции, на котором происходят основные изменения, характеризующие объект исследования. Для нашего случая, таким временным отрезком является год и измерение общего содержания СО2 с частотой не реже один раз в сутки.
Для тестирования предложенного алгоритма нами были выбраны станции сети TCCON, на которых идет измерение параметров атмосферы, в том числе и общего содержания Н2О, СО2, СН4 и др. Нами проводилось обучение алгоритма ЭОФ по данным станций TCCON 2010 года, а обработка и сравнение велась для данных полученных в 2011 г.
В докладе приведены результат обработки данных GOSAT для станции Lamont (USA) [обработано 1753 спутниковых сигналов], станции Wollongong (Australia) [обработано 657 спутниковых сигналов] и станции Bremen (Germany) [обработано 1211 спутниковых сигналов]. Результаты анализа обработанных значений показывают, что восстановление общего содержания СО2 из реальных спутниковых данных проходит с достаточно малой дисперсией (не более 0.7 ppm), метод работает быстро и устойчиво, нет выбросов в решении.
В настоящее время нами проводится разработка алгоритма на основе предлагаемого метода для обработки спутниковых данных вне зависимости от географического положения, с корректировкой данных в точках расположения станций TCCON.