Оценка качества измерений концентраций малых примесей атмосферы: априорные статистические ограничения, основанные на фотохимическом моделировании

В работе рассмотрены особенности ранее опубликованного метода байесовой статистической оценки качества одновременных спутниковых измерений концентраций малых примесей OH, HO2 и O3 на высотах мезосферы. Эти особенности связаны с введением априорных ограничений на истинные (скрытые шумом измерений) значения концентраций, определяемых условием фотохимического равновесия этих примесей. В основе метода лежит вероятностное рассмотрение данных спутниковых измерений, когда истинные значения концентраций OH, HO2и O3 полагаются случайными величинами. Он заключается в построении апостериорной плотности вероятности этих величин и сопоставлении её статистических характеристик с такими же характеристиками исходных данных измерений. В работе показано, что в построении апостериорной плотности вероятности концентраций OH, HO2 и O3 есть неоднозначность, связанная с разными способами предельного перехода от трёхмерного вероятностного распределения к поверхностному, которая существенно влияет на статистические средние и приводит к неизбежной систематической ошибке. Представлены основные варианты выбора данной плотности вероятности в зависимости от типа предельного перехода. Для оценки систематической ошибки метода проведено тестирование на искусственно зашумлённых модельных данных по концентраций OH, HO2 и O3, имитирующих идеальные (несмещённые) измерения. Показано, что выбор предельного перехода типа «одеяло» приводит к наименьшим систематическим ошибкам метода. Применение метода к данным MLS/Aura за июль 2005 года подтвердило сделанное ранее заключение, что спутниковые измерения концентрации HO2содержат существенное систематическое смещение, значительно превышающее систематическую погрешность метода. Вследствие этого, в частности, возникает существенная ошибка в определении локализации максимума концентрации этой компоненты на высотах мезосферы.

На английском языке
Evaluation of the Atmospheric Minor Species Measurements: A Priori Statistical Constraints Based on Photochemical Modeling
Belikovich M.V.
Kulikov M.Yu.
Nechaev A.A.
Feigin A.M.

The paper discusses the features of the previously published method of the Bayesian statistical evaluation of simultaneous satellite measurements of the minor species OH, HO2, and O3 at the mesospheric altitudes. These features are due to the introduction of a priori constraints on true concentration values (masked by measurement noise), which are determined by the condition of photochemical equilibrium of the species. The method is based on the probabilistic view of the satellite measurement process where the true concentrations of OH, HO2, and O3 are considered as random variables. In such a technique, we construct an a posteriori probability density of these variables and compare its statistical characteristics with the initial measurement data. It is shown that there is ambiguity in the construction of the a posteriori probability density of OH, HO2, and O3, which is due to the different ways of limiting transition from the three-dimensional probability distribution to the surface one. The ambiguity significantly affects the statistical means and leads to an inevitable systematic error. We present the main options for choosing the probability density, depending on the type of the transition. To estimate the systematic error, we tested the method by using artificial noisy model data on OH, HO2, and O3 that simulate perfect (unbiased) measurements. It is shown that choosing a patch transition leads to the least systematic error. Applying the method to MLS/Aura data of July 2005 confirmed the conclusion made earlier that the satellite measurements of the HO2concentration have a significant bias greatly exceeding the systematic error of the method. This leads, in particular, to a significant error in the localization of the concentration maximum of this component at the mesospheric altitudes.