АЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ СУШИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО СПЕКТРОРАДИОМЕТРА

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.

водяной пар, многоспектральные снимки Земли, спутниковая аппаратура Sentinel-3 OLCI, перенос излучения в атмосфере, спектральные коэффициенты яркости, уравнение множественной регрессии, оперативный алгоритм, water vapor, multi-spectral images of the Earth, satellite instrument Sentinel-3 OLCI, atmospheric radiative transfer, top of atmosphere reflectance, multiple regression equation, operational algorithm

1. R. Philipona, B. Dürr, A. Ohmura, C. Ruckstuhl. Geophys. Res. Lett., 32, N 19 (2005) L19809(1-4); doi:10.1029/2005GL023624

2. K. Kourtidis, S. Stathopoulos, A. K. Georgoulias, G. Alexandri, S. Rapsomanikis. Atmos. Chem. Phys., 15, N 19 (2015) 10955-10964

3. L. Honga, C. Yunchanga, W. Xiaominb, Xu Zhifangb, W. Haishena, Hu Henga. Geodesy and Geodynamics, 6, N 2 (2015) 135-142

4. D. 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) 117-132

5. D. 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) 3680-3690

6. D. Cimini, E. R. Westwater, Y. Han, S. J. Keihm. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 41, N 11 (2003) 2605-2615

7. M. Bevis, S. Businger, T. A. Herring, C. Rocken, R. A. Anthes, R. H. Ware. J. Geophys. Res., 97, N D14 (1992) 15787-15801

8. G. Gendt, G. Dick, C. Reigber, M. Tomassini, Y. Liu, M. Ramatschi. J. Meteorol. Soc. Jpn., 82, N 1B (2004) 361-370

9. S. de Haan, I. Holleman, A. A. M. Holtslag. J. Appl. Meteor. Climatol., 48, N 7 (2009) 1302-1316

10. B. Schmid, K. J. Thorne, P. Demoulin, R. Peter, C. Mätzler, J. Sekler. J. Geophys. Res., 101, N D5 (1999) 9345-9358

11. M. 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) 306-1-306-28

12. S. Steinke, S. Eikenberg, U. Löhnert, G. Dick, D. Klocke, P. Di Girolamo, S. Crewell. Atm. Chem. Phys., 15, N 4 (2015) 2675-2692

13. В. Е. Зуев, В. В. Зуев. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы, Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат (1992)

14. D. D. Turner, J. E. M. Goldsmith. J. Atm. Ocean. Tech., 16, N 8 (1999) 1062-1076

15. T. Leblanc, I. S. McDermid. Appl. Opt., 47, N 30 (2008) 5592-5603

16. P. Di Girolamo, D. Summa. J. Atm. Ocean. Tech., 26, N 9 (2009) 1742-1762

17. Goddard Space Flight Center, AERONET; http://aeronet.gsfc.nasa.gov

18. B.-C. Gao, Y. J. Kaufman. J. Geophys. Res., 108, N D13 (2003) 4389 (9 p.)

19. 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) 221-233

20. P. Schluessel, W. J. Emery. Int. J. Remote Sens., 11, N 5 (1990) 753-766

21. B. J. Sohn, E. A. Smith. J. Climate, 16, N 20 (2003) 3229-3255

22. T. T. Wilheit. IEEE Trans. Geosci. Electron., 17, N 4 (1979) 244-249

23. F. C. Zhou, X. Song, P. Leng, H. Wu, B. H. Tang. Adv. Meteorol., 2016 (2016) Article ID 4126393 (11 p.)

24. NASA, Moderate resolution imaging spectroradiometer; http://modis.gsfc.nasa.gov/data/

25. S. W. Seemann, J. Li, W. P. Menzel, L. E. Gumley. J. Appl. Meteor., 42, N 8 (2003) 1072-1091

26. Z. Li, J.-P. Muller, P. Cross. J. Geophys. Res., 108, N D20 (2003) 4651 (12 p.)

27. Sentinel-3 OLCI User Guide; https://sentinel.esa.int/web/sentinel/user-guides/sentinel-3-olci

28. Б. А. Дворкин. Геоматика, 3, № 20 (2011) 14-26

29. 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)

30. European Space Agency - MERIS Product Handbook, Issue 2.1 (2006)

31. N. Fomferra, C. Brockmann. Beam - the ENVISAT MERIS and AATSR Toolbox; http://www.brockmann-consult.de/cms/web/beam/

32. L. Guanter, M. Del Carmen González-Sanpedro, J. Moreno. Int. J. Geophys. Res., 28, N 3-4 (2007) 709-728

33. European Space Agency. Technical Note: Sentinel-3 OLCI-A pre-flight spectral response functions, N 1 (2016)

34. 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) 533-572

35. The MODTRAN 2/3 Report and LOWTRAN 7 MODEL (1996); http://web.gps.caltech.edu/~vijay/pdf/ modrept.pdf

36. K. N. Liou. An introduction to atmospheric radiation. Second edition, New York, London, Academic Press (2002)

37. A. M. Baldridge, S. J. Hook, C. I. Grove, G. Rivera. Remote Sens. Environ., 113, N 4 (2009) 711-715

38. 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)

39. B. Mayer. Eur. Phys. J. Conf., 1 (2009) 75-99

40. А. В. Васильев. Вестн. СПбГУ, Сер. 4. Физика. Химия, № 3 (2006) 3-14

41. 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]

42. С. А. Лысенко, М. М. Кугейко. Исслед. Земли из космоса, № 6 (2011) 21--33

43. 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]

44. С. А. Лысенко, М. М. Кугейко, В. В. Хомич. Опт. атм. и океана, 29, № 1 (2016) 70-79

45. L. Guanter , L. Gómez-Chova, J. Moreno. Remote Sens. Environ., 112, N 6 (2008) 2898-2913

46. I. L. Katsev, A. S. Prikhach, E. P. Zege, J. O. Grudo, A. A. Kokhanovsky. Atm. Measur. Tech., 3, N 5 (2010) 1403-1422

47. W. 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) 151-171

48. I. 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