Автоматизация мониторинга аэрозольного индекса и содержания озона в атмосфере на основе спутниковых данных с космического аппарата Suomi NPP

Сапрыкин Евгений Игоревич; Шагаев Михаил Павлович; Кулик Екатерина Николаевна

УДК 528.852

АВТОМАТИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА АЭРОЗОЛЬНОГО ИНДЕКСА И СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ С КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА SUOMI NPP

Евгений Игоревич Сапрыкин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, кафедра физической геодезии и дистанционного зондирования; Сибирский центр ФГБУ «НИЦ «Планета», 630099, Россия, Новосибирск, ул. Советская, 30, младший научный сотрудник, тел. (913)204-33-39, e-mail: saprykin.ei@rcpod.ru

Михаил Павлович Шагаев

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, кафедра физической геодезии и дистанционного зондирования; Сибирский центр ФГБУ «НИЦ «Планета», 630099, Россия, Новосибирск, ул. Советская, 30, ведущий электроник отдела НИР, тел. (913)935-26-99, e-mail: shagaev@rcpod.ru

Екатерина Николаевна Кулик

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-08-66, e-mail: e.n.kulik@ssga.ru

В статье рассмотрен пример автоматизации построения карт аэрозольного индекса и концентрации озона по спутниковым данным. Приведены примеры графического отображения данных.

Ключевые слова: автоматизация, мониторинг атмосферы.

AUTOMATED AEROSOL INDEX AND OZONE AMOUNT MONITORING BASED ON SUOMI NPP DATA

Eugene I. Saprykin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Master student, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing; Siberian Center FGBU «SRC «Planeta», 630099, Russia, Novosibirsk, 30 Sovetskaya St., Junior Researcher, tel. (913)204-33-39, e-mail: saprykin.ei@rcpod.ru

Mikhail P. Shagaev

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Master student, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing; Siberian Center FGBU «SRC «Planeta», 630099, Russia, Novosibirsk, 30 Sovetskaya St., Leading Electronic Engineer of R&D Department, tel. (913)935-26-99, e-mail: shagaev@rcpod.ru

Ekaterina N. Kulik

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor of Physical Geodesy and Remote Sensing Department, tel. (383)361-08-66, e-mail: e.n.kulik@ssga.ru

The article describes a method of automated aerosol index and ozone amount maps formation based on satellite data. The examples of graphical data display are presented.

Key words: automatization, atmosphere monitoring.

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки — атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из основных источников жизни на Земле.

Одним из компонентов атмосферы, оказывающих влияние на качество воздуха и климатическую систему Земли, являются аэрозоли.

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Источниками аэрозолей могут быть лесные пожары, пустынные бури, извержения вулканов и пр. В связи с тем, что проводить наблюдения наземными способами по всему Земному шару затруднительно, а влияние пустынных бурь и лесных пожаров распространяется на большие расстояния, проводить полномасштабный мониторинг этих атмосферных составляющих возможно только путём спутниковых измерений. Ниже приведены примеры аэрозолей, наглядно представленных на спутниковых изображениях.

Рис. 1. Извержение вулкана Рис. 2. Дымы от лесных пожаров

Гримсвотн в Якутии

Озон является одним из важнейших компонентов в атмосфере Земли, так как озоновый слой в стратосфере поглощает вредную ультрафиолетовую радиацию и ограждает от неё земную поверхность. В тропосфере озон, главным образом, есть результат антропогенного загрязнения, и поэтому более высокие его концентрации характерны для городских областей. Озон в стратосфере уничтожается реакциями с хлором, полученным из хлорфторуглеродов (СБСв),

что приводит к истощению озонового слоя и, как следствие, к увеличению количества солнечной ультрафиолетовой радиации, достигающей поверхности Земли. Измерение содержания и концентрации озона - важная задача для экологов всего мира. Отдельные наблюдения за озоном проводились еще в 1920-х годах, но систематические измерения начались лишь 50 лет назад.

SUOMI NPP — американский метеорологический спутник, управляемый NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, США), запущенный в 2011 году, на данный момент является одним из самых лучших метеорологических спутников. Благодаря высокому пространственному разрешению (12x12 км) в надире, система OMPS (Ozone Mapping Profiler Suite) обеспечивает более точную оценку концентрации веществ, загрязняющих атмосферу, а также позволяет проследить за их перемещением в атмосфере. Целями мониторинга атмосферы прибором OMPS являются наблюдение дымов от природных пожаров, аэрозолей, выбросы SO2 при вулканических извержениях, прочие атмосферные загрязнения, а также уровень ультрафиолетового излучения у подстилающей поверхности, которое, в частности, представляет угрозу здоровью людей. Концентрация аэрозолей в атмосфере определяется по количеству рассеянного излучения ближайшего ультрафиолетового (УФ) диапазона. На основе этих данных рассчитывается аэрозольный индекс атмосферы (АИ), который представляет собой качественный показатель присутствия поглощающих ультрафиолет аэрозолей, таких как дым и минеральная пыль, а также восстанавливается профиль озона. Несмотря на то, что АИ только качественный показатель присутствия поглощающих излучение аэрозолей, многие ученые успешно используют его в различных областях. Например, АИ был использован для определения основных источников загрязнения воздуха по всему земному шару, а также отслеживания распространения загрязнений через океаны и континенты.

Приём данных с космического аппарата SUOMI NPP осуществляется при помощи приёмного комплекса MEOS, разработки норвежской компании Kongsberg Spacetec (рис. 3). Эта станция может принимать данные со спутников RADARSAT, ERS, NOAA, Meteosat, SPOT.

Рис. 3. Антенна приёмного комплекса MEOS под радо-прозрачным куполом

Первичная обработка заключается в выделении нужной информации из сырого потока данных с различных приборов, установленных на космическом аппарате, и научной обработке этих данных. Эта задача выполняется программным комплексом IPOPP (International Polar Orbiter Processing Package). Программный комплекс IPOPP разработан NASA Direct Readout Laboratory и предназначен для обработки спутниковых данных и генерации конечных продуктов съемки.

Оформление карт содержания озона и аэрозольного индекса в атмосфере.

Одними из информационных продуктов, получаемых при обработке потоковых данных с аппарата SUOMI NPP являются «Содержание озона в столбе» (Column Amount O3) и «Аэрозольный индекс» (UV Aerosol Index). Эта информация хранится в файлах формата HDF5.

HDF (Hierarchical Data Format - иерархический формат данных) - предназначен для хранения большого количества цифровой информации (рис. 4).

Рис. 4. Внутренняя структура фалов формата HDF5

Несмотря на удобство формата файлов ИОЕ5 для нужд хранения и обработки, эти данные нуждаются в специализированной обработке для их наглядного визуального представления. С целью решения этой задачи было разработано несколько программных модулей. Процесс оформления карт содержания озона и АИ в атмосфере разбит на три этапа.

На первом этапе программный модуль, реализованный на языке IDL, извлекает из ИОЕ файлов записи растров, содержащих значения АИ и содержания озона, а так же таблицы, содержащие данные геопривязки - широту и долготу каждой точки этих растров. Полученные данные сохраняются в два текстовых файла, по одному на каждый вид продукта.

На втором этапе полученные текстовые файлы преобразуются в геопривя-занные растры. Обработка производится программой Golden Software Surfer. Результатом этого являются растровые файлы формата GeoTIFF (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Аэрозольный индекс

Рис. 6. Содержание озона

На заключительном этапе, при помощи программного модуля, реализованного на языке Python, полученные растры совмещаются с шаблонами, содержащими картографическую основу, подписи и другие элементы карты. Ниже приведены результирующие примеры монтажа картосхем (рис. 7 и 8). Параллельно, для нужд мониторинга, из полученных карт формируется архив.

Рис. 7 Содержание озона по данным SUOMI NPP/OMPS,

13 февраля 2015 года

Рис. 8. Распределение аэрозольного индекса во время лесных пожаров в июле 2014 года на территории Красноярского края

В результате проведённых работ был создан комплекс программных средств, позволяющий автоматически генерировать карты содержания озона и аэрозольного индекса в атмосфере. Также стоит заметить, что подобным образом можно автоматизировать визуализацию и других продуктов зондирования, получаемых с борта космических аппаратов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лунин, В. В. Физическая химия озона [Текст] / В. В. Лунин, М. П. Попович, С. Н. Ткаченко. - Изд-во МГУ, 1998. - 480 с.

2. Pawan K. Bhartia. OMI Algorithm Theoretical Basis Document [Text] / Pawan K. Bhartia // Volume II. OMI Ozone Products. - NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt, Maryland, USA, 2002.

3. Suraiya P. Ahmad. Aerosol Index from TOMS and OMI measurements [Text] / Suraiya P. Ahmad, Omar Torres, Pawan K Bhartia, Gregory Leptoukh, Steve Kempler - NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD Greenbelt, MD 20771, USA.

4. Ортенберг, Ф. С. Озон: взгляд из космоса. [Текст] / Ф. С. Ортенберг, Ю. М. Трифонов. - М.: Знание, 1990 - 64 с.