Программное обеспечение чтения данных MODIS (продукт MOD04) и CALIPSO

Аннотация. Аэрозольная оптическая толща является важным климатическим параметром, который определяет состояние атмосферы. Изучение изменений этого параметра, в зависимости от разнообразных условий, является важной научной задачей. В данной работе приводится сравнение пространственно-временной динамики аэрозольной оптичес­кой толщи атмосферы, полученной по данным спутниковых приборов CALIPSO (лидарные сигналы) и MODIS (многоспектральные изображения).

Ключевые слова: аэрозольная оптическая толща; атмосфера; лидарное зондирование; спутниковые многоспектральные изображения.

Для изучения аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы применяется много наземных и спутниковых приборов. Интересным и важным является сравнение значений АОТ, полученной из спутниковых изображений и лидарных данных. Это позволяет, для отдельных точек изображения, увидеть пространственную структуру распределения АОТ.

Лидарные данные можно получить из продуктов спутникового прибора CALIPSO, которые включают в себя: облачные свойства, интегрированное ослабленное обратное рассеяние, коэффициент деполяризации лидарного сигнала, оптическую толщину аэрозоля, коэффициенты обратного рассеяния, температуру и высоту облачного слоя среднюю и др. Высотный диапазон данных 0-25 км.

Спектрорадиометр MODIS расположен на борту спутников Terra и Aqua, которые являются частью комплексной программы NASA EOS (Earth Observing System), направленной на исследование исследования суши, воды и атмосферы. MODIS, установленный на спутниках Terra и Aqua спектрорадиометр имеет 36 спектральных каналов с 12-битным радиометрическим разрешением в видимом, ближнем, среднем и дальнем инфракрасном диапазонах, и позволяет производить регулярную съемку одной территории с пространственным разрешением до 250, 500 и 1000 м.

Оба спутниковых прибора решают общие задачи: получение изобра­жений облаков и распределения атмосферной аэрозольной оптической толщи. Исследование того, как формируются и развиваются облака, как они влияют на погоду, климат, качество воздуха и количество осадков является актуальным. Также, для верификации с одной стороны и получения новой информации, с другой стороны, важно проводить сравнительный анализ результатов измерений различных приборных систем.

Спутниковый прибор MODIS позволяет получать информацию о пространственно-временном распределении аэрозольной оптической толщи (интегрированное по высоте атмосферы). Данные прибора CALIPSO дополняют результаты MODIS результатами измерений о вертикальном распределении АОТ. В данной работе произведем сравнение данных, полученных с этих приборов.

Пространственные характеристики траектории и время этих спутниковых приборов являются отличными друг от друга. Данные со спутникового прибора CALIPSO поступают из одной и той же географической точки каждый 16 дней, а от прибора MODIS каждый день. Помимо этого, помехой для последнего прибора является облачность, когда методики не позволяют получать данные об АОТ.

В качестве сравниваемых данных возьмем данные для региона Западной Сибирь за 2017 год. Для визуализации данных CALISPO и MODIS была разработана программа, которая на основе данных со спутниковых приборов способна строить графики и карты высот для их дальнейшего сравнения. Визуализация данных со спутникового прибора CALIPSO, об аэрозольной толщи в тропосфере с длинной волны 1064 нм (Column_Optical_Depth_Tropospheric_Aerosols_1064), получается в виде кривой, где по оси X будут значения АОТ, а по оси Y – высота (см. рис. 1).

Рисунок 1. Визуализация данных CALIPSO

Для каждой точки траектории можно, путем интегрирования, полу­чить значение АОТ в слое атмосферы 0-25 км. Учитывая, что 70% всей аэрозольной массы расположено в 10-ти километровом нижнем слое атмосферы, то полученное значение будет весьма близко к АОТ, полученной с борта спутника. Понятно, что спутниковые лидарные данные должны быть меньше по значению, чем данные АОТ MODIS. На рисунке 2 показано изменение АОТ в слое 0-25 км по трассе пролета спутникового прибора. Хорошо видно, что по трассе полета, значения АОТ меняются.

Рисунок 2. Траектория пролета CALIPSO c по территории Западной Сибири (координаты 54° - 60° с. ш. 60° - 88° в. д.)

Визуализация данных со спутникового прибора MODIS об распределения облаков аэрозолей (Optical_Depth_Aerosols_Land) над поверхностью Земли выполняется по данным продукта MOD04. На рис. 3 показано распределение АОТ по поверхности, как среднее арифметическое нескольких дней (когда присутствует облачность, для данного пикселя АОТ равно нулю).

Рисунок 3. Изображение АОТ на траектории пролета MODIS по территории Западной Сибири (координаты 54° - 60° с. ш. 60° - 88° в. д.)

Для сравнения данных со спутниковых приборов MODIS и CALIPSO необходимо выполнить значительный объем работ, так как АОТ для первого спутника дана на пространственной сетке с шагом 3 км, а для лидара – 333 м. Поэтому приходится выполнять сопряжение двух пространственных сеток, учитывая, что лидарная сетка увеличивается в 9 раз (0.333м*9~3 км). Координатные сетки на рисунке 2 и на рисунке 3, в итоге – одинаковы.

Результаты сравнения показывают, что в целом, по величине, АОТ двух приборов приблизительно совпадает, однако, учитывая вертикальное распределение АОТ лидара, появляется возможность определять стратификацию аэрозольных слоев.

Данная работа выполняется в рамках проекта РФФИ №16-05-00901 «Механизмы, закономерности и особенности формирования стратосфер­ного и мезосферного аэрозоля над территорией Сибири и Дальнего Востока»