zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-53Research ArticleСтатьиАЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ СУШИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО СПЕКТРОРАДИОМЕТРАALGORITHM FOR RETRIEVAL OF INTEGRATED WATER VAPOR IN ATMOSPHERE OVER LAND FROM SATELLITE-BASED SPECTRORADIOMETER DATAЛысенкоС. А.LisenkoS. A.lisenko@bsu.byБелорусский государственный университетBelarussian State University201710032020842278288Copyright © Лысенко С.А., 20202020Лысенко С.А.Lisenko S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/53

Предложен алгоритм восстановления карт распределения водяного пара в атмосфере по многоспектральным снимкам Земли аппаратурой OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) с борта европейского исследовательского спутника Sentinel-3. Алгоритм основан на множественной регрессии между спектральными коэффициентами яркости на верхней границе атмосферы, геометрическими параметрами спутниковой сцены (углы наблюдения и Солнца) и общим содержанием водяного пара в атмосфере. Для получения уравнения регрессии использованы экспериментальные данные по вариативности оптических характеристик атмосферы и поверхности, а также метод Монте-Карло для расчета характеристик переноса излучения. В уравнение входят коэффициенты яркости в ближних ИК каналах OLCI из полос поглощения водяного пара и кислорода, а также из окон прозрачности атмосферы, что в совокупности позволяет исключить влияние спектра отражения подстилающей поверхности и давления воздуха на точность измерений. Апробация алгоритма проведена на данных прототипа OLCI - спектрометра MERIS (medium resolution imaging spectrometer). Приведен пример построения карты распределения водяного пара в атмосфере над Восточной Европой без использования подспутниковых данных и цифровых моделей рельефа. Показано соответствие содержаний водяного пара в атмосфере, определяемых по снимкам MERIS, данным наземных измерений всети AERONET (aerosol robotic network)со среднеквадратическим отклонением 1.24кг/м2.

The fast algorithm is proposed for retrieving the atmospheric water vapor maps from multi-spectral images of the Earth captured by Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) onboard European research satellite Sentinel-3. The algorithm is based on the multiple regressions between top of atmosphere spectral reflectance, geometrical parameters of satellite scene (solar and view angles) and total water vapor content in atmosphere. The regression equation is derived from the Monte-Carlo radiative transfer model taking into account experimental data on the variability of optical characteristics of the atmosphere and underlying surface. The equations includes top of atmosphere reflectance in near-IR water and oxygen absorption channels together with atmospheric transparent window channels of OLCI to exclude the impact of the surface spectral reflectance and the ground air pressure on the accuracy of atmospheric water vapor remote sensing. The algorithm has been tested on the data of OLCI prototype - Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS). An ability of the developed algorithm to retrieve of the water vapor spatial distribution without the need for subsatellite data and digital elevation models is shown with an example of MERIS images for the territory of East Europe. A good correspondence is achieved between the MERIS and AERONET (Aerosol Robotic Network) data (standard deviation of integrated water vapor 1.24 kg/m2).

водяной пармногоспектральные снимки Землиспутниковая аппаратура Sentinel-3 OLCIперенос излучения в атмосфереспектральные коэффициенты яркостиуравнение множественной регрессииоперативный алгоритмwater vapormulti-spectral images of the Earthsatellite instrument Sentinel-3 OLCIatmospheric radiative transfertop of atmosphere reflectancemultiple regression equationoperational algorithmReferencesR. Philipona, B. Dürr, A. Ohmura, C. Ruckstuhl. Geophys. Res. Lett., 32, N 19 (2005) L19809(1-4); doi:10.1029/2005GL023624R. Philipona, B. Dürr, A. Ohmura, C. Ruckstuhl. Geophys. Res. Lett., 32, N 19 (2005) L19809(1-4); doi:10.1029/2005GL023624K. Kourtidis, S. Stathopoulos, A. K. Georgoulias, G. Alexandri, S. Rapsomanikis. Atmos. Chem. Phys., 15, N 19 (2015) 10955-10964K. Kourtidis, S. Stathopoulos, A. K. Georgoulias, G. Alexandri, S. Rapsomanikis. Atmos. Chem. Phys., 15, N 19 (2015) 10955-10964L. Honga, C. Yunchanga, W. Xiaominb, Xu Zhifangb, W. Haishena, Hu Henga. Geodesy and Geodynamics, 6, N 2 (2015) 135-142L. Honga, C. Yunchanga, W. Xiaominb, Xu Zhifangb, W. Haishena, Hu Henga. Geodesy and Geodynamics, 6, N 2 (2015) 135-142D. D. Turner, B. M. Lesht, S. A. Clough, J. C. Liljegren, H. E. Revercomb, D. C. Tobin. J. Atm. Ocean. Tech., 20, N 1 (2003) 117-132D. D. Turner, B. M. Lesht, S. A. Clough, J. C. Liljegren, H. E. Revercomb, D. C. Tobin. J. Atm. Ocean. Tech., 20, N 1 (2003) 117-132D. D. Turner, S. A. Clough, J. C. Liljegren, E. E. Clothiaux, K. E. Cady-Pereira, K. L. Gaustad. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 45, N 11 (2007) 3680-3690D. D. Turner, S. A. Clough, J. C. Liljegren, E. E. Clothiaux, K. E. Cady-Pereira, K. L. Gaustad. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 45, N 11 (2007) 3680-3690D. Cimini, E. R. Westwater, Y. Han, S. J. Keihm. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 41, N 11 (2003) 2605-2615D. Cimini, E. R. Westwater, Y. Han, S. J. Keihm. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 41, N 11 (2003) 2605-2615M. Bevis, S. Businger, T. A. Herring, C. Rocken, R. A. Anthes, R. H. Ware. J. Geophys. Res., 97, N D14 (1992) 15787-15801M. Bevis, S. Businger, T. A. Herring, C. Rocken, R. A. Anthes, R. H. Ware. J. Geophys. Res., 97, N D14 (1992) 15787-15801G. Gendt, G. Dick, C. Reigber, M. Tomassini, Y. Liu, M. Ramatschi. J. Meteorol. Soc. Jpn., 82, N 1B (2004) 361-370G. Gendt, G. Dick, C. Reigber, M. Tomassini, Y. Liu, M. Ramatschi. J. Meteorol. Soc. Jpn., 82, N 1B (2004) 361-370S. de Haan, I. Holleman, A. A. M. Holtslag. J. Appl. Meteor. Climatol., 48, N 7 (2009) 1302-1316S. de Haan, I. Holleman, A. A. M. Holtslag. J. Appl. Meteor. Climatol., 48, N 7 (2009) 1302-1316B. Schmid, K. J. Thorne, P. Demoulin, R. Peter, C. Mätzler, J. Sekler. J. Geophys. Res., 101, N D5 (1999) 9345-9358B. Schmid, K. J. Thorne, P. Demoulin, R. Peter, C. Mätzler, J. Sekler. J. Geophys. Res., 101, N D5 (1999) 9345-9358M. D. Alexandrov, B. Schmid, D. D. Turner, B. Cairns, V. Oinas, A. A. Lacis, S. I. Gutman, E. R. Westwater, A. Smirnov, J. Eilers. J. Geophys. Res., 114, N D2 (2009) 306-1-306-28M. D. Alexandrov, B. Schmid, D. D. Turner, B. Cairns, V. Oinas, A. A. Lacis, S. I. Gutman, E. R. Westwater, A. Smirnov, J. Eilers. J. Geophys. Res., 114, N D2 (2009) 306-1-306-28S. Steinke, S. Eikenberg, U. Löhnert, G. Dick, D. Klocke, P. Di Girolamo, S. Crewell. Atm. Chem. Phys., 15, N 4 (2015) 2675-2692S. Steinke, S. Eikenberg, U. Löhnert, G. Dick, D. Klocke, P. Di Girolamo, S. Crewell. Atm. Chem. Phys., 15, N 4 (2015) 2675-2692В. Е. Зуев, В. В. Зуев. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы, Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат (1992)В. Е. Зуев, В. В. Зуев. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы, Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат (1992)D. D. Turner, J. E. M. Goldsmith. J. Atm. Ocean. Tech., 16, N 8 (1999) 1062-1076D. D. Turner, J. E. M. Goldsmith. J. Atm. Ocean. Tech., 16, N 8 (1999) 1062-1076T. Leblanc, I. S. McDermid. Appl. Opt., 47, N 30 (2008) 5592-5603T. Leblanc, I. S. McDermid. Appl. Opt., 47, N 30 (2008) 5592-5603P. Di Girolamo, D. Summa. J. Atm. Ocean. Tech., 26, N 9 (2009) 1742-1762P. Di Girolamo, D. Summa. J. Atm. Ocean. Tech., 26, N 9 (2009) 1742-1762Goddard Space Flight Center, AERONET; http://aeronet.gsfc.nasa.govGoddard Space Flight Center, AERONET; http://aeronet.gsfc.nasa.govB.-C. Gao, Y. J. Kaufman. J. Geophys. Res., 108, N D13 (2003) 4389 (9 p.)B.-C. Gao, Y. J. Kaufman. J. Geophys. Res., 108, N D13 (2003) 4389 (9 p.)R. Lindstrot, M. Stengel, M. Schröder, J. Fischer, R. Preusker, N. Schneider, T. Steenbergen, B. R. Bojkov. Earth. Syst. Sci. Data, 6, N 1 (2014) 221-233R. Lindstrot, M. Stengel, M. Schröder, J. Fischer, R. Preusker, N. Schneider, T. Steenbergen, B. R. Bojkov. Earth. Syst. Sci. Data, 6, N 1 (2014) 221-233P. Schluessel, W. J. Emery. Int. J. Remote Sens., 11, N 5 (1990) 753-766P. Schluessel, W. J. Emery. Int. J. Remote Sens., 11, N 5 (1990) 753-766B. J. Sohn, E. A. Smith. J. Climate, 16, N 20 (2003) 3229-3255B. J. Sohn, E. A. Smith. J. Climate, 16, N 20 (2003) 3229-3255T. T. Wilheit. IEEE Trans. Geosci. Electron., 17, N 4 (1979) 244-249T. T. Wilheit. IEEE Trans. Geosci. Electron., 17, N 4 (1979) 244-249F. C. Zhou, X. Song, P. Leng, H. Wu, B. H. Tang. Adv. Meteorol., 2016 (2016) Article ID 4126393 (11 p.)F. C. Zhou, X. Song, P. Leng, H. Wu, B. H. Tang. Adv. Meteorol., 2016 (2016) Article ID 4126393 (11 p.)NASA, Moderate resolution imaging spectroradiometer; http://modis.gsfc.nasa.gov/data/NASA, Moderate resolution imaging spectroradiometer; http://modis.gsfc.nasa.gov/data/S. W. Seemann, J. Li, W. P. Menzel, L. E. Gumley. J. Appl. Meteor., 42, N 8 (2003) 1072-1091S. W. Seemann, J. Li, W. P. Menzel, L. E. Gumley. J. Appl. Meteor., 42, N 8 (2003) 1072-1091Z. Li, J.-P. Muller, P. Cross. J. Geophys. Res., 108, N D20 (2003) 4651 (12 p.)Z. Li, J.-P. Muller, P. Cross. J. Geophys. Res., 108, N D20 (2003) 4651 (12 p.)Sentinel-3 OLCI User Guide; https://sentinel.esa.int/web/sentinel/user-guides/sentinel-3-olciSentinel-3 OLCI User Guide; https://sentinel.esa.int/web/sentinel/user-guides/sentinel-3-olciБ. А. Дворкин. Геоматика, 3, № 20 (2011) 14-26Б. А. Дворкин. Геоматика, 3, № 20 (2011) 14-26J. Fischer, R. Leinweber, R. Preusker. Sentinel-3 L2 Products and Algorithm Definition, Document Number: S3-L2-SD-03-C02-FUB-ATBD_WaterVapour, N 3.0 (2010)J. Fischer, R. Leinweber, R. Preusker. Sentinel-3 L2 Products and Algorithm Definition, Document Number: S3-L2-SD-03-C02-FUB-ATBD_WaterVapour, N 3.0 (2010)European Space Agency - MERIS Product Handbook, Issue 2.1 (2006)European Space Agency - MERIS Product Handbook, Issue 2.1 (2006)N. Fomferra, C. Brockmann. Beam - the ENVISAT MERIS and AATSR Toolbox; http://www.brockmann-consult.de/cms/web/beam/N. Fomferra, C. Brockmann. Beam - the ENVISAT MERIS and AATSR Toolbox; http://www.brockmann-consult.de/cms/web/beam/L. Guanter, M. Del Carmen González-Sanpedro, J. Moreno. Int. J. Geophys. Res., 28, N 3-4 (2007) 709-728L. Guanter, M. Del Carmen González-Sanpedro, J. Moreno. Int. J. Geophys. Res., 28, N 3-4 (2007) 709-728European Space Agency. Technical Note: Sentinel-3 OLCI-A pre-flight spectral response functions, N 1 (2016)European Space Agency. Technical Note: Sentinel-3 OLCI-A pre-flight spectral response functions, N 1 (2016)L. S. Rothman, I. E. Gordon, A. Barbe, D. C. Benner, P. F. Bernath, M. Birk, V. Boudon, L. R. Brown, A. Campargue, J.-P. Champion, K. Chance, L. H. Couderti, V. Dana, V. M. Devi, S. Fally, J.-M. Flaud, R. R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, W. J. Lafferty, J.-Y. Mandin, S. T. Massie, S. N. Mikhailenko, C. E. Miller, N. Moazzen-Ahmadi, O. V. Naumenko, A. V. Nikitin, J. Orphal, V. I. Perevalov, A. Perrin, A. Predoi-Cross, C. P. Rinsland, M. Rotger, M. Šimečková, M. A. H. Smith, K. Sung, S. A. Tashkun, J. Tennyson, R. A. Toth, A. C. Vandaele, J. V. Auwera. J. Quant. Spectr. Radiat. Transf., 110, N 9-10 (2009) 533-572L. S. Rothman, I. E. Gordon, A. Barbe, D. C. Benner, P. F. Bernath, M. Birk, V. Boudon, L. R. Brown, A. Campargue, J.-P. Champion, K. Chance, L. H. Couderti, V. Dana, V. M. Devi, S. Fally, J.-M. Flaud, R. R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, W. J. Lafferty, J.-Y. Mandin, S. T. Massie, S. N. Mikhailenko, C. E. Miller, N. Moazzen-Ahmadi, O. V. Naumenko, A. V. Nikitin, J. Orphal, V. I. Perevalov, A. Perrin, A. Predoi-Cross, C. P. Rinsland, M. Rotger, M. Šimečková, M. A. H. Smith, K. Sung, S. A. Tashkun, J. Tennyson, R. A. Toth, A. C. Vandaele, J. V. Auwera. J. Quant. Spectr. Radiat. Transf., 110, N 9-10 (2009) 533-572The MODTRAN 2/3 Report and LOWTRAN 7 MODEL (1996); http://web.gps.caltech.edu/~vijay/pdf/ modrept.pdfThe MODTRAN 2/3 Report and LOWTRAN 7 MODEL (1996); http://web.gps.caltech.edu/~vijay/pdf/ modrept.pdfK. N. Liou. An introduction to atmospheric radiation. Second edition, New York, London, Academic Press (2002)K. N. Liou. An introduction to atmospheric radiation. Second edition, New York, London, Academic Press (2002)A. M. Baldridge, S. J. Hook, C. I. Grove, G. Rivera. Remote Sens. Environ., 113, N 4 (2009) 711-715A. M. Baldridge, S. J. Hook, C. I. Grove, G. Rivera. Remote Sens. Environ., 113, N 4 (2009) 711-715D. E. Bowker, R. E. Davis, D. L. Myriek, K. Stacy, W. T. Jones. Spectral Reflectances of Natural Targets for Use in Remote Sensing Studies. NASA RP-1139, Hampton, NASA Langley Research Center (1985)D. E. Bowker, R. E. Davis, D. L. Myriek, K. Stacy, W. T. Jones. Spectral Reflectances of Natural Targets for Use in Remote Sensing Studies. NASA RP-1139, Hampton, NASA Langley Research Center (1985)B. Mayer. Eur. Phys. J. Conf., 1 (2009) 75-99B. Mayer. Eur. Phys. J. Conf., 1 (2009) 75-99А. В. Васильев. Вестн. СПбГУ, Сер. 4. Физика. Химия, № 3 (2006) 3-14А. В. Васильев. Вестн. СПбГУ, Сер. 4. Физика. Химия, № 3 (2006) 3-14С. А. Лысенко, М. М. Кугейко. Журн. прикл. спектр., 78, № 5 (2011) 793-800 [S. A. Lisenko, M. M. Kugeiko, J. Appl. Speсtr., 78 (2011) 738-745]С. А. Лысенко, М. М. Кугейко. Журн. прикл. спектр., 78, № 5 (2011) 793-800 [S. A. Lisenko, M. M. Kugeiko, J. Appl. Speсtr., 78 (2011) 738-745]С. А. Лысенко, М. М. Кугейко. Исслед. Земли из космоса, № 6 (2011) 21--33С. А. Лысенко, М. М. Кугейко. Исслед. Земли из космоса, № 6 (2011) 21--33С. А. Лысенко, В. В. Хомич. Журн. прикл. спектр., 82, № 1 (2015) 115-123 [S. A. Lisenko, M. M. Kugeiko, V. V. Khomich. J. Appl. Spectr., 82 (2015) 111-119]С. А. Лысенко, В. В. Хомич. Журн. прикл. спектр., 82, № 1 (2015) 115-123 [S. A. Lisenko, M. M. Kugeiko, V. V. Khomich. J. Appl. Spectr., 82 (2015) 111-119]С. А. Лысенко, М. М. Кугейко, В. В. Хомич. Опт. атм. и океана, 29, № 1 (2016) 70-79С. А. Лысенко, М. М. Кугейко, В. В. Хомич. Опт. атм. и океана, 29, № 1 (2016) 70-79L. Guanter , L. Gómez-Chova, J. Moreno. Remote Sens. Environ., 112, N 6 (2008) 2898-2913L. Guanter , L. Gómez-Chova, J. Moreno. Remote Sens. Environ., 112, N 6 (2008) 2898-2913I. L. Katsev, A. S. Prikhach, E. P. Zege, J. O. Grudo, A. A. Kokhanovsky. Atm. Measur. Tech., 3, N 5 (2010) 1403-1422I. L. Katsev, A. S. Prikhach, E. P. Zege, J. O. Grudo, A. A. Kokhanovsky. Atm. Measur. Tech., 3, N 5 (2010) 1403-1422W. von Hoyningen-Huene, J. Yoon, M. Vountas, L. G. Istomina, G. Rohen, T. Dinter, A. A. Kokhanovsky, J. P. Burrows. Atm. Measur. Tech., 4, N 2 (2011) 151-171W. von Hoyningen-Huene, J. Yoon, M. Vountas, L. G. Istomina, G. Rohen, T. Dinter, A. A. Kokhanovsky, J. P. Burrows. Atm. Measur. Tech., 4, N 2 (2011) 151-171I. L. Katsev, A. S. Prikhach, E. P. Zege, A. P. Ivanov, A. A. Kokhanovsky. In “Satellite Aerosol Remote Sensing over Land”, Eds. A. A. Kokhanovsky, G. de Leeuw, Berlin, Springer-Praxis (2009) 101-134I. L. Katsev, A. S. Prikhach, E. P. Zege, A. P. Ivanov, A. A. Kokhanovsky. In “Satellite Aerosol Remote Sensing over Land”, Eds. A. A. Kokhanovsky, G. de Leeuw, Berlin, Springer-Praxis (2009) 101-134

The authors declare that there are no conflicts of interest present.