Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические основы и средства микроволнового температурно-влажностного зондирования атмосферы со спутников .
1.1. Физические основы микроволнового температурно-влажностного зондирования атмосферы 9
1.2. Спутниковая аппаратура атмосферного МКВ зондирования 18
Глава 2. Разработка метода тематической обработки измерений атмосферного МКВ-зондировщика в целях ТВЗА
2.1. Формулировка обратной задачи ТВЗА 26
2.2. Радиационные расчеты и моделирование измерений МКВ - радиометров 29
2.3. Анализ информационного содержания данных МТВЗА 34
2.4. Разработка метода тематической обработки измерений МКВ -радиометров для получения данных ТВЗА 49
2.5. Учет вариации излучательнои способности подстилающей поверхности при тематической обработке модельных измерений спутниковых МКВ -радиометров 69
Глава 3. Анализ качества и применимости фактической информации микроволнового радиометра МТВЗА для целей ТВЗА
3.1. Описание и предварительный анализ данных фактических измерений МТВЗА 72
3.2. Регрессионная процедура корректировки сигналов 84
3.3. Разработка процедуры абсолютной калибровки спутниковых измерений 88
Глава 4. Адаптация и испытание метода тематической обработки измерений МКВ радиометров КА "Метеор-ЗМ" №1 и ИСЗ NOAA
4.1. Адаптация метода тематической обработки, численные эксперименты по обращению данных МТВЗА 98
4.2. Учет влияния мешающих факторов 108
4.3. Анализ результатов температурного зондирования атмосферы по данным зондировщика AMSU-A ИСЗ NOАА-16 129
Заключение 136
Список литературы 139
- Спутниковая аппаратура атмосферного МКВ зондирования
- Радиационные расчеты и моделирование измерений МКВ - радиометров
- Регрессионная процедура корректировки сигналов
- Учет влияния мешающих факторов
Введение к работе
Актуальность работы.
Бурное развитие методов дистанционного зондирования (ДЗ) в последние десятилетия связано с новыми возможностями наблюдений из космоса с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Измерения со спутников характеристик уходящего электромагнитного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" позволяют получать разнообразную информацию о параметрах состояния атмосферы и подстилающей поверхности, необходимую при решении таких задач, как исследование общей циркуляции атмосферы, численный прогноз погоды, слежение за опасными метеорологическими явлениями, изучение климатических изменений и определяющих их факторов.
В настоящее время спутниковые измерения уходящего излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" производятся в широком диапазоне - от ультрафиолетовой (УФ) до инфракрасной (ИК) и микроволновой (МКВ) областей спектра. В силу разнообразия процессов переноса излучения в системе "атмосфера - подстилающая поверхность" это обеспечивает возможность определения обширной совокупности параметров физического состояния атмосферы и подстилающей поверхности.
Одной из основных задач дистанционного метеорологического зондирования является получение количественных данных о вертикальном распределении температуры Т(р) и влажности Q(p) в атмосфере (р-давление). Информация о Т(р) и Q(p) или данные температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА) используется в схемах анализа и численного прогноза погоды (ЧПП). Последние исследования по усвоению данных спутникого атмосферного зондирования в прогностических моделях NCEP (США), Метеослужб Великобритании и Канады, ЕЦСПП (Европейский Центр Среднесрочного Прогноза Погоды) говорят о том, что указанные данные могут дополнить и, в значительной степени, заменить наблюдения наземной сети метеорологических станций [49,53]. В связи с этим в последние годы большое внимание уделяется совершенствованию методов ТВЗА, повышению достоверности и точности данных ТВЗА.
Методы ТВЗА базируются на интерпретации данных "косвенных" измерений -измерений интенсивности уходящего теплового излучения системы "атмосфера -подстилающая поверхность" с помощью ИК и МКВ радиометров [2,3,14,15]. Для получения всепогодных данных ТВЗА, т.е. зондирований в условиях наличия а отсутствия облачности с удовлетворительными точностными характеристиками требуется совместный анализ спутниковых измерений ИК и МКВ зондировщиков. Зондирование в условиях безоблачной или малооблачной атмосферы базируется на интерпретации спектрометрических измерений уходящего ИК излучения в полосах поглощения СОг (15 и 4,3 мкм), водяного пара (6,7 мкм) и окнах прозрачности атмосферы (3.7, 10 - 12 мкм) с помощью существующей аппаратуры (ИК-радиометр HIRS/2 на борту ИСЗ серии NOAA). Для зондирования в условиях облачности на зарубежных оперативных метеорологических спутниках серии NOAA, DMSP с конца 70-х годов устанавливаются МКВ радиометры, измерения которых позволяют восстанавливать профили температуры Т(р) и влажности Q(p) в облачной атмосфере.
Первым этапом развития отечественной оперативной системы ТВЗА явился запуск сканирующих ИК радиометров на борту спутников серии "Метеор-2" в 80-х годах. Следующий важный этап - запуск в 2001г. на борту КА "Метеор-ЗМ" №1 первого отечественного МКВ - зондировщика МТВЗА (Модуль Температурно-Влажностного Зондирования Атмосферы). Аппаратура МТВЗА представляет собой многоканальный сканирующий МКВ радиометр, разработанный в Центре Космических Наблюдений (ЦКН) Росавиакосмоса [34,35,40,41]. Аппаратура МТВЗА в составе измерительного комплекса К А "Метеор-ЗМ" №1 была экспериментальной и ее запуск позволил проверить и отработать ряд технических решений. Планируется установка доработанных по результатам испытаний образцов МКВ зондировщиков типа МТВЗА на последующие метеоспутники серии "Метеор-ЗМ", а также на океанографические спутники.
В этой связи создание методов анализа и обработки измерений отечественных спутниковых МКВ зондировщиков для оперативного получения и использования данных ТВЗА глобального и регионального покрытия является весьма актуальной задачей и на ее решение направлены выполненные в4 диссертации исследования.
Цель работы.
Целью данного исследования является разработка методов и алгоритмов обработки спутниковых МКВ-измерений для получения данных ТВЗА регионального и глобального покрытия.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Проанализировать имеющийся положительный опыт использования измерений МКВ-радиометров спутников серии NOAA для получения данных ТВЗА регионального и глобального покрытия.
2. Исследовать информативность измерений МКВ-радиометра типа МТВЗА и оценить потенциальную точность результатов ТВЗА в зависимости от привлекаемой дополнительной информации.
3. Разработать и испытать на моделированных данных методы и алгоритмы тематической обработки измерений МКВ-радиометра МТВЗА и восстановления атмосферных профилей Т(р) и Q(p).
4. Подготовить программные средства тематической обработки данных измерений МКВ - радиометров, позволяющие оперативно восстанавливать искомые профили Т(р) и Q(p) в пунктах спутникового зондирования.
5. Выполнить анализ достоверности фактических измерений аппаратуры МТВЗА К А "Метеор-ЗМ" №1 и оценить их пригодность для решения задачи ТВЗА.
6. Адаптировать алгоритмы и программное обеспечение к фактической информации МКВ - радиометра МТВЗА КА "Метеор-ЗМ" №1, выполнить серию экспериментов по получению данных ТВЗА на основе тематической обработки фактических измерений МТВЗА, оценить точностные характеристики результатов атмосферного зондирования.
7. Проверить работоспособность созданной схемы тематической обработки спутниковых измерений (включая процедуры учета мешающих факторов) на ограниченной выборке фактических данных МКВ - радиометра AMSU ИСЗ NOAA-16.
Использованные материалы.
1. Глобальные данные измерений МКВ-радиометра МТВЗА с КА "Метеор-ЗМ" №1 (каналы 1-11) в терминах выходного электрического сигнала (мВ-мшшивольты) в узлах регулярной сетки 0,5°х0,5° за периоды 29.04.2002-02.05.2002 и 06.05.2002-07.05.2002.
2. Архив данных объективного анализа метеоэлементов Т(р) и Q(p) из банка гидрометеорологических данных "Прогноз-1060" ГМЦ России.
3. Данные измерений МКВ-радиометра AMSU/ATOVS ИСЗ NOAA (зона Московского приема, каналы №№1-20) в терминах яркостных температур за разные периоды 2002 г. Размер элемента разрешения AMSU меняется от 48x48 км (в надире) до 75 120 км на краях полосы обзора, при совмещений данных AMSU с информацией других приборов пространственное разрешение данных AMSU искуственно повышают до 24 км в надире и до примерно 60 км на краях полосы обзора [69]. 4. Климатический архив значений излучательных способностей подстилающей поверхности по данным МКВ радиометра SSM/I (извлечен из архива ISCCP [61]).
Научная новизна.
1. Разработаны методы и алгоритмы восстановления профилей температуры и влажности в атмосфере на основе тематической обработки данных измерений МКВ - зондировщиков типа МТВЗА, входящих в состав полезной нагрузки отечественных метеоспутников серии "Метеор-ЗМ".
2. Впервые выполнен анализ достоверности и целевой пригодности данных фактических измерений аппаратуры МТВЗА, полученных за период ее функционирования на борту КА "Метеор-ЗМ" №1, разработаны регрессионные процедуры калибровки и коррекции спутниковых измерений уходящего МКВ излучения в "прозрачных" и "температурных" каналах.
3. Созданы и испытаны на моделированной и реальной информации програмные средства калибровки и тематической обработки данных измерений МТВЗА, обеспечивающие восстановление профилей температуры в пунктах спутникового зондирования.
4. Впервые выполнены численные эксперименты по получению данных температурного зондирования атмосферы регионального и глобального покрытия на основе "обращения" фактических измерений аппаратуры МТВЗА КА "Метеор-ЗМ" №1, получены оценки точности результатов спутникового зондирования.
5. Испытан метод тематической обработки измерений МКВ зондировщика на реальных данных радиометра AMSU ИСЗ NOAA-16, включающий процедуру учета мешающих факторов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты анализа информационного содержания данных измерений МКВ-зондировщика МТВЗА.
2. Результаты анализа достоверности и целевой пригодности данных фактических измерений аппаратуры МТВЗА на борту КА "Метеор-ЗМ" №1. Результаты коррекции и калибровки спутниковых микроволновых измерений.
3. Метод тематической обработки данных измерений МКВ - радиометра типа МТВЗА для дистанционного определения профилей температуры в атмосфере.
4. Метод учета влияния мешающих факторов (неточное знание излучательной способности подстилающей поверхности, искажающее влияние облачности и осадков) при тематической обработке МКВ-измерений радиометра AMSU ИСЗ NOAA-16.
5. Результаты численных экспериментов по восстановлению профилей температуры, оценки точностных характеристик спутникового зондирования на основе тематической обработки данных фактических измерений МКВ зондировщиков спутников "Метеор-ЗМ" №1 HNOAA-16.
Практическая ценность.
Практическая ценность работы состоит в создании методов анализа и тематической обработки данных измерений спутниковых МКВ зондировщиков типа МТВЗА. Разработанные процедуры калибровки и коррекции спутниковых данных, алгоритмы "обращения" измерений уходящего МКВ излучения позволяют проводить анализ физической достоверности и целевой пригодности спутниковой информации, создавать на основе разработанных прототипов технологии оперативного получения данных всепогодного температурно-влажностного зондирования атмосферы путем тематической обработки измерений с будущих спутников серии "Метеор-ЗМ". Подготовленные программные комплексы будут использоваться для анализа и интерпретации информации аппаратуры типа МТВЗА в рамках летных испытаний следующих КА серии "Метеор-ЗМ".
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ученом Совете и на научных семинарах НИЦ "Планета", на Всероссийской научной конференции "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (Муром, 20-22 июня 2001г.), на Международных Симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-02, 18-21 июня 2002; МСАР-2004, 22-25 июня 2004, Санкт-Петербург).
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1) Пегасов В.М, Успенский А.Б. Температурно-влажностное зондирование атмосферы по данным измерений спутникового СВЧ-радиометра МТВЗА - методы и алгоритмы тематической обработки. Сб.докл. Всерос.науч.конф. «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами.» Г.Муром, 2001, с. 388-393.
2) Успенский А.Б., Пегасов В.М, Черный И.В. Анализ информационного содержания данных измерений СВЧ-радиометра МТВЗА в задаче температурно-влажностного зондирования атмосферы. Сб.докл. Всерос.науч.конф. «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами.» Г.Муром. 2001. с. 406-410.
3) Пегасов В. М., Успенский А.Б. Методические вопросы обработки данных измерений микроволнового зондировщика МТВЗА КА "Метеор -ЗМ" № 1 в целях температурно-влажностного зондирования атмосферы. Труды НИЦ космической гидрометеорологии Планета "Вопросы обработки и интерпретации данных дистанционного зондирования Земли" вып 1 (46) под ред. д.ф.-м.н В.В.Асмуса, СПб, Гидрометеоиздат, 2004.
4) Пегасов В. М., Успенский А.Б. Численное моделирование дистанционного температурно-влажностного зондирования атмосферы регионального покрытия по данньм измерений спутникового микроволнового зондировщика МТВЗА. Сборник тезисов международного симпозиума по атмосферной радиации МСАР-2, 18-21 июня 2002г., г. Санкт-Петербург, с. 110.
5) Черный И.В., Чернявский Г.М., Успенский А.Б., Пегасов В.М. СВЧ-радиометр МТВЗА спутника "Метеор-ЗМ" №1: предварительные результаты летных испытаний. Иссл. Земли из космоса. 2003, №6, с 35-47.
6) Пегасов В.М., Бухаров М.В., Успенский А.Б. Численные эксперименты по восстановлению профилей температуры на основе обработки измерений аппаратуры МТВЗА КА "Метеор-ЗМ" № 1. Сб-к тезисов Международного симпозиума стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2004), 22-25 июня 2004г., г. Санкт-Петербург, Россия. СПб, 2004, с.21-22.
Диссертационная работа имеет следующую структуру:
Первая глава носит обзорный характер. Кратко рассмотрены физические основы микроволнового дистанционного зондирования атмосферы, постановка обратной задачи ТВЗА, дано описание спутниковых МКВ зондировщиков. Отмечены преимущества и недостатки использования спутниковых измерений уходящего МКВ излучения в целях ТВЗА, по сравнению с использованием измерений ИК зондировщиков. Основное преимущество - возможность получения достоверных данных ТВЗА независимо от наличия или отсутствия облачности в поле зрения прибора. Недостатки - необходимость учета "нечерноты" подстилающей поверхности (изменчивость излучательной способности подстилающей поверхности), а также ухудшенное, по сравнению с результатами зондирования на основе данных ИК зондировщиков, пространственное разрешение.
Представлено описание первого отечественного МКВ зондировщика МТВЗА, созданного в ЦКН Росавиакосмоса и установленного на борту КА "Метеор-ЗМ" №1. Прибор МТВЗА относится к классу спутниковых МКВ радиометров нового поколения, совмещающих в себе функции сканера и зондировщика. Измерения уходящего теплового излучения с помощью аппаратуры МТВЗА позволяют восстанавливать вертикальные профили температуры и влажности в атмосфере при наличии и отсутствии облачных образований в поле зрения прибора [35,69].
Глава 2 диссертации посвящена обзору методов восстановления профилей T(p),Q(p) по спутниковой информации и разработке метода тематической обработки данных измерений МКВ зондировщиков типа МТВЗА в целях ТВЗА, который представляет собой комбинацию регрессионного метода и метода численного решения обратной задачи. В ней приводятся результаты анализа информационного содержания данных измерений МКВ-радиометра МТВЗА, расчеты количественных показателей информативности, а также оценки потенциальной точности результатов зондирования, разработан и испытан метод тематической обработки данных МКВ-измерений, оценена точность данных ТВЗА, полученных с помощью предложенного метода.
Для восстановления профилей Т(р) и Q(p) по данных измерений аппаратуры МТВЗА были рассмотрены 3 схемы: использование линейной регрессионной оценки; численное решение обратной задачи; комбинированное использование регрессии и решения обратной задачи. При этом, поскольку реальные измерения аппаратуры МТВЗА на данном этапе исследований не использовались (были недоступны большую часть времени работы над диссертацией), численные эксперименты по восстановлению Т(р) и Q(p) проводились по замкнутой схеме (спутниковые измерения моделировались по данным объективного анализа).
В третьей главе оценивается применимость данных фактических измерений МКВ-радиометра МТВЗА для целей температурного зондирования атмосферы (ТЗА), произведены корректировка измерений в каналах МТВЗА с большим уровнем инструментального шума и абсолютная расчетная калибровка данных МТВЗА.
Для качественной оценки достоверности фактических измерений МКВ-радиометра МТВЗА был проведен визуальный анализ глобальных полей данных МТВЗА. Дополнительно для оценки достоверности был осуществлен сравнительный анализ моделированных и фактических измерений МТВЗА. На основе проведенного анализа выявлена необходимость коррекции малодостоверной информации. Для этих целей была разработана и апробирована методика восстановления информации в отдельных каналах радиометра по более достоверной информации в другом канале. Для последующей обработки данные измерений МТВЗА были откалиброваны в шкалу яркостных температур. При этом использовался алгоритм статистической линейной регрессии.
В четвертой главе рассмотрены вопросы адаптации и испытаний алгоритма тематической обработки реальных МКВ-измерений, оценена информативность измерений в пригодных для целей ТЗА каналах МТВЗА, получены результаты глобального и регионального восстановления профилей Т(р) по фактической информации МКВ-радиометра МТВЗА (каналы №№7-11). Создана и испытана методика учета влияния мешающих факторов применительно к данным МКВ - радиометра AMSU ИСЗ NOAA-16. Осуществлена проверка работоспособности двухэташ-юго метода тематической обработки МКВ измерений на материале информации МКВ - радиометра AMSU ИСЗ NOAA-16.
В заключении дан перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.
Спутниковая аппаратура атмосферного МКВ зондирования
Разработка методов и средств (аппаратуры) микроволнового спутникового атмосферного зондирования была, в значительной степени, вызвана необходимостью обеспечения "всепогодности" термического зондирования, т.е. получения достоверных оценок профилей Т(р), Q(p) независимо от наличия или отсутствия облачности в поле зрения прибора. Как известно [2,3,8,44,55,74,89], в области спектра с частотами меньше 100 ГГц (длинами волн больше 0,3см) облачные образования разных типов слабо влияют на излучение (в отличие от ИК диапазона спектра), что в принципе позволяет обеспечить "всепогодность" ДЗ.
Теоретическая возможность использования измерений в полосе поглощения кислорода 0,5 см для целей дистанционного определения Т(р) была, повидимому, впервые отмечена в [73], где были рассчитаны весовые функции для отдельных МКВ каналов. Спутниковые эксперименты по микроволновому термическому зондированию начались в США с запуска в 1972г. первого МКВ зондировщика NEMS (Nimbus-E Microwave Sounder) на спутнике "Nimbus-5" [36,38]. Аппаратура NEMS представляла собой трассовый МКВ радиометр, регистрирующий излучение в 5 каналах 22,235; 31.4; 53,65; 54,9; 58,8 ГГц с пространственным разрешением 190 км. Наряду с 3-мя "температурными" каналами диапазона 0,5 см в состав измерений были включены 2 вспомогательных канала: на частоте 22 ГГц для оценки общего влагосодержания атмосферы и 31 ГГц ("прозрачный" канал) для оценки температуры ПП. В 1975г. на спутнике "Nimbus-б" был запущен первый сканирующий МКВ радиометр температурного зондирования, названный SCAMS (Scanning Microwave Spectrometer). Строка сканирования прибора SCAMS шириной 2400 км включала 13 пикселов с пространственным разрешением в надире около 145 км, а центральные частоты 5 каналов были близки к каналам прибора NEMS [15,36,38].
Эксперименты с аппаратурой NEMS и SCAMS позволили разработать первый оперативный МКВ зондировщик MSU (Microwave Sounding Unit) и включить его в качестве отдельного модуля в состав комплекса аппаратуры атмосферного зондирования TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder), предназначенного для установки на борту оперативных метеоспутников США серии NOAA. Первый успешный запуск аппаратуры TOVS состоялся в 1978г. [87] и с тех пор более 20 лет указанная аппаратура оставалась основной штатной аппаратурой термического зондирования атмосферы.
Модуль MSU представляет собой сканирующий МКВ радиометр (поперечного сканирования), регистрирующий уходящее излучение в 4-х "температурных" каналах с центральными частотами 50.3 ; 53,74; 54,96; 57,95 ГГц. По сравнению с аппаратурой NEMS, SCAMS, частоты каналов несколько видоизменены: в частности, введен "прозрачный" канал 50,3 ГГц, с тем чтобы компенсировать отстутствие "прозрачного" канала 31 ГГц; канал 22 ГГц в области поглощения водяного пара исключен. Сканирующий механизм MSU обеспечивает покрытие полосы шириной 2250 км, совпадающей с полосой обзора ИК-зондировщика HIRS. Каждая строка сканирования состоит из 11 прилегающих пикселов с линейным размером пиксела 109 км (в надире).
Совмещение полос обзора HIRS и MSU позволило проводить совместную тематическую обработку измерений ИК и МКВ зондировщиков и, тем самым, обеспечить "всепогодность" зондирования, т.е. существенно повысить эффективность спутниковой системы ТВЗА. Следует отметить также, что, благодаря наличию на спутниках серии NOAA режима прямой передачи HRPT (High-Resolution Picture Transmission), пользователи во всем мире (в том числе, в бывшем СССР и России) получили возможность оперативного приема и обработки информации TOVS (покрывающей зоны радиовидимости приемных станций), что способствовало интенсивному развитию методов получения и использования данных ТВЗА.
Значительный прогресс в области атмосферного МКВ зондирования был достигнут в конце 90-х годов путем замены модуля MSU на усовершенствованный МКВ - зондировщик AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), включающий 2 модуля: AMSU-A (температурного зондирования) и AMSU- В (влажностного зондирования) [38,59,83].
В таблице 1.1 приведены характеристики каналов МКВ радиометров AMSU-A и AMSU-B, установленных на ИСЗ NOAA-№15 (запущен в мае 1998г). Центральные частоты каналов 3, 5, 7, 9 прибора AMSU-A совпадают с частотами каналов 1-4 модуля MSU. Дополнительные, по сравнению с имевшимися в MSU, каналы 4, 6, 8, 10-14 обеспечивают повышение вертикального разрешения спутниковых оценок Т(р), а также восстановление термического режима нижней стратосферы (до высот 40-45 км) .
Радиационные расчеты и моделирование измерений МКВ - радиометров
Для моделирования и «обращения» измерений аппаратуры МТВЗА в целях получения данных атмосферного зондирования, а также анализа информативности необходимо создание методов (алгоритмов) и соответствующего программного обеспечения расчетовоблачного покрова - оптическая толщина, высота и температура верхней границы облачности, излучательная способность и т.д.) и модели излучения подстилающей поверхности. Указанный комплекс алгоритмов и программ принято называть радиационной моделью, причем эффективность её использования при «обращении» спутниковых измерений в целях ТВЗА зависит от выполнения двух условий:- модель должна быть достаточно точной, т.е. погрешность расчета яркостных температур Тв не должна превышать эффективную измерительную погрешность (инструментальный шум, ошибки калибровки, т.е. перехода от исходного сигнала к яркостной температуре);- модель должна быть достаточно «быстрой» с тем, чтобы тематическая обработка измерений МТВЗА могла выполнятся в опреативном режиме.
Обоим этим условиям при некоторых ограничениях и упрощающих допущениях удовлетворяет модель радиационных расчетов и программный комплекс, подготовленные в СПбГУ [9,26]. Программные комплексы (первоначальная версия MCWRD4 и версия MCWRD5) разработаны при следующих предположениях [9,26]: 1. выполняются условия локального термодинамического равновесия; 2. справедливо приближение Релея-Джинса (hv/kT « 1); 3. плоскослоистая атмосфера, отсутствие рефракции; 4. поглощение и излучение полностью определяется молекулярным кислородом, водяным паром и мелкокапельной влагой облаков Kv = Kv кисло,, + Kv водпар + Ку.0бЛ, причем принято Ку.обл = 0, т.е. поглощение в облачности пренебрежимо мало; 5. рассеяние МКВ излучения на облачных каплях и осадках (крупнокапельная жидкая фракция воды) не учитывается; 6. модель излучения (отражения) радиации подстилающей поверхности полностью определяется sv. Тестирование программы MCWRD5, выполненное разработчиками, показало достаточно высокую точность моделирования Тв. Максимальное расхождение между Тв, рассчитанными с помощью MCWRD5 и других программных комплексов (разработанных за рубежом), не превышает 1.5 К. Для дополнительной оценки точностных характеристик радиационной модели и ее пригодности для тематической обработки данных МТВЗА проведены массовые сопоставления синхронных модельных (рассчитанных по данным объективного анализа на 12 ч.) и измеренных МКВ-радиометром AMSU-A (дневная съемка) яркостных температур Тв в каналах, предназначенных для температурного зондирования. Разница во времени между сроком на которое составлялся объективный анализ и временем съемки AMSU равнялась примерно 2 часам. Результаты этих сравнений для одной серии экспериментов (каналы №№ 3-14, 500 реализаций, весна 2002г., умеренные широты/суша) приведены в табл2.2. В 3-ем столбце табл.2.2 помещены величины средне квадратичных отклонений (СКО) модельных от фактических измерений. Выборки синхронных и пространственно-совмешенных фактических и модельных измерений были сформированы за 5 дней октября 2000г. для данных AMSU ИСЗ NOAA-16, полученных в зоне московского приема, и Т(р) и Q(p) _ результатов объективного анализа (объем выборок составил порядка 1500 реализаций). Из результатов сопоставления видно, что наименьшие расхождения наблюдаются в каналах AMSU №№4-9, в среднем порядка 1.0 К. Большая разность в "прозрачных" каналах №№3,15 (2,1К) обусловлена, по всей видимости: неточным знанием излучательной способности sv, температуры Ts, а также влиянием облачности на значения измерений. Возрастание значения СКО для каналов №10-12 вызвано, по-видимому, тем, что профили Т(р) - результаты объективного анализа, заданы только до уровня 10 гПа. Следует отметить, что комплекс MCWRD5, переданный в НИЦ "Планета" в 2001 г., был модифицирован с тем, чтобы облегчить его использование в создаваемой системе тематической обработки данных МТВЗА. Опытное использование радиационной модели MCWRD5 выявило ее основной недостаток - ограниченное быстродействие. В этой связи определенный интерес представляют так называемые "Быстрые модели радиационных расчетов" (FRTM или Fast Radiative Transfer Model в англоязычной литературе). Сравнительный анализ по литературным данным существующих и разрабатываемых за рубежом моделей FRTM показал пригодность для целей моделирования данных перспективной аппаратуры КА «Метеор-ЗМ» моделей типа RTTOV [50,84-86]. Указанные модели (последняя версия RTTOV-7, выпуск 2003 г.) создавались как оперативные по заказу ЕЦСПП с начала 90-х годов [50]. Исходное назначение первых версий RTTOV- моделирование данных измерений сканирующих радиометров AVHRR, атмосферных зондировщиков HIRS, MSU, AMSU-A, В. Валидация моделей путем сравнения с точными полинейными расчетами и данными фактических измерений на статистически репрезентативных выборках показала достаточную точность моделирования характеристик уходящего излучения с помощью RTTOV-6,-7, при высоком быстродействии. На рабочей станции типа HP моделирование измерений ATOVS в 40 каналах требует около 1 мсек (10"J сек) при заданном векторе состояния, включающем атмосферные профили температуры Т(р), концентраций переменных газов (отношения смеси водяного пара Q(p), озона q(p)), а также параметры подстилающей поверхности и облачного покрова. Концентрации других радиационно-активных атмосферных газовых составляющих, в том числе, кислорода предполагаются заданными и постоянными. Модель RTTOV-7 настроена на использование атмосферных компонент вектора состояния, заданных на 43 уровнях давления от 0.1 до 1030 гПа, хотя исходные данные могут задаваться на другой сетке давлений. Исходные профили Т(р), q(p),
Регрессионная процедура корректировки сигналов
Для использования в задачах ТВЗА исходная спутниковая информация (т.е. сигналы Ui, регистрируемые в п измерительных каналах МКВ - радиометра) должна быть представлена в терминах яркостных температур Yj. Применение для этих целей стандартной процедуры абсолютной калибровки, базирующейся на формуле типа (3.3), не позволяет восстанавливать с удовлетворительной точностью значения Yj, по крайней мере в каналах №№1-6 с повышенным уровнем инструментального шума. Поэтому была разработана регрессионная процедура коррекции сигналов.
Суть методики, базирующейся на подходе [4], состоит в следующем. Для восстановления "истинного" сигнала 1 в і-ом канале (с повышенным уровнем шума) используются измерения Uj в j-ом канале (с умеренным уровнем шума), а также соотношение подобия
Положим Wi = Wj = 0, тогда из (3.4 ) следуетв котором Y;, Yj - теоретические яркостные температуры в і-ом и j-ом каналах соответственно, ky = hi/hj = const - коэффициент подобия. Выполнимость соотношения (3.4 ) для пары каналов должна быть установлена априори с помощью сравнительного анализа эмпирических зависимостей отношений U/Uj, Yj/Yj, построенных на материале репрезентативной выборки синхронных сигналов (Uj, U,-) и соответствующих расчетных яркостных температур (Yi, Yj). Результаты подобного анализа в п. 3.1 для пары каналов №4 и №9, подтверждают выполнимость с удовлетворительной точностью соотношения типа (3.4 ). Стоит отметить, что для пары "подобных" каналов соотношение (3.4) имеет определенное физическое обоснование. Отметим здеь же, что коэффициент ky в (3.4 ) является фактически нормировочным и его можно принять равным 1.
Соотношение (3.4 ) позволяет определить значения скорректированного сигнала в i-ом канале:
Для расчета отношения Yf/Yj требуется задать совокупность геофизических параметров атмосферы и ПП в пункте зондирования (априори неизвестных). Для преодоления этих трудностей предлагается использовать линейную регрессионную оценку вида:в которой сі, С2 - коэффициенты регрессии.
Возможность построения достаточно точных оценок (3.6) следует из результатов анализа п.3.1 (рис. 3.5 и ниже). Подставляя (3.6) в (3.5), получаем окончательное выражение для скорректированного сигнала в і-ом канале:
Работоспособность описанной методики может быть обеспечена, если: формула (3.7) применяется к данным в двух "подобных" каналах; имеется репрезентативная выборка измерений и соответствующих расчетных яркостных температур. Отметим также, что для оценки точности восстановления сигнала необходимо выполнить массовые сопоставления Ui,KOp с независимыми "достоверными" измерениями Ui. В качестве иллюстрации использования предложенной методики приведем результаты корректировки сигнала в канале №4 по данным в канале №9 для ограниченной территории, покрывающей восточную часть США и прилегающую акваторию Атлантики. На рис. 3.6 помещен визуализованный фрагмент поля сигналов 1 в канале №9 (с умеренным уровнем шума). На рис.3.7 представлен фрагмент поля сигналов 1 в канале №4 с повышенным уровнем шума (вследствие чего смазан контраст на границе "суша/море"). Результаты коррекции сигнала 1 с помощью (3,7) представлены на рис. 3.8.
Сравнение рис. 3.8 и 3.7 показывает, что в результате коррекции удается повысить достоверность исходных сигналов, по крайней мере, на качественном уровне: появляется контраст при переходе через границу "суша/море", значения Щкор над сушей соответствуют более высоким температурам ПП. Количественные оценки точности восстановления сигнала U4, с помощью предложенной методики получить не удалось, т.к. для данной территории отстутствуют достоверные измерения в канале №4 (которые можно было бы использовать в качестве референсных). С учетом сказанного вопрос о практическом применении откорректированных измерений (в "прозрачных" каналах №№1-6) в задачах ДЗ остается открытым. Такая информация (достоверная на качественном уровне) может быть использована в задачах идентификации типов ПП [56,66].
Учет влияния мешающих факторов
Как отмечено выше, использование измерений уходящего МКВ излучения в целях ТВЗА требует учета ряда мешающих факторов, к которым относятся априори неизвестные вариации излучательной способности подстилающей поверхности Еу, а также облачные образования и осадки в поле зрения спутникового зондировщика. Спутниковые оценки перечисленных геофизических параметров имеют важное самостоятельное значение (особенно, индикация зон осадков), см. [48], но в данной работе они трактуются как мешающие факторы, поскольку основная решаемая задача - восстановление атмосферных профилей Т(р), Q(p). Алгоритмы тематической обработки или обращение данных измерений спутникового МКВ зондировщика в п.2.4 сформулированы при условиях, что величины Єу в пунктах зондирования заданы, а искажающий эффект облачности и осадков на результаты спутниковых измерений пренебрежимо мал. Цель данного раздела - рассмотреть, в основном, по литературным данным существующие подходы к учету основного мешающего фактора - "нечерноты" ПП и адаптировать их для использования при тематической обработке данных МКВ зондировщика МТВЗА.
К настоящему времени выполнен довольно большой объем экспериментальных и теоретических исследований по подготовке моделей 8у(9) для различных типов ПП и диапазона частот 19-200 ГГц, накоплены многолетние архивы спутниковых оценок Єу по данным радиометра SSMT. Определенное представление о диапазоне изменчивости и частотной зависимости Єу для четырех типов ПП дает рис.4.7 из [44].
Здесь представлены графики єу для взволнованной поверхности океана, сухого снега (и пустыни), однолетнего льда (без снега) и леса. Как видно из рис.4.7, для частотной области 50-60 ГГц, включающий "температурные" каналы, диапазон изменчивости Єу в зависимости от типа ПП - достаточно велик (0.55-0.99), хотя для каждого типа ПП вариации ev не превышают 0.03. Аналогичным образом, изменчивость єу в области частот 183,3 ГГц ("влажностные" каналы) составляет 0.6-0.99, причем вариации Єу для каждого типа ПП малы (не больше 0.01-0.02), Отметим, что кривые на рис.4.7 получены с использованием измерений самолетного МКВ радиометра (каналы 23.8, 50.1, 89, 157 ГГц) и аппроксимационной модели КГроди [55,56,66].
Данные рис.4.7 подтверждают необходимость привлечения априорной информации об єу в пунктах спутникового зондирования для восстановления профилей Т(р), Q(p) по измерениям МКВ зондировщика. Требования к составу и качеству указанной априорной информации, включая частотные диапазоны (каналы) и точность априорного задания Єу, можно установить в результате анализа информационного содержания измерений МКВ зондировщика и оценки чувствительности потенциальной точности результатов ТВЗА по отношению к вариациям Єу. Применительно к измерениям МКВ зондировщиков AMSU-A,B такой анализ выполнен в [44] с использованием модели єу для 4-х типов ПП (см. рис.4.7) и двух вариантов априорного задания &;. с погрешностями 1% и 10%. Первый вариант (1%-ная точность) моделирует ситуацию практически точного знания Єу (что вряд ли достижимо при анализе спутниковых данных над различными типами ПП); второй вариант соответствует ситуации, когда известна грубая априорная оценка &v, например, 6v=0.6 для ПП-моря и sv=0.95 для ПП-суши. С учетом того, что в уравнение переноса (1.2) входит произведение evTs, анализ информативности измерении AMSU-A.-B и их чувствительности к вариациям єу был выполнен при одновременном варьировании точностей задания sv, Ts. Как и для ev, были рассмотрены два варианта точности задания Ts: IK и 5К. В результате выполненного в [44] анализа установлено, что информативность данных AMSU-A по отношению к Т(р) слабо зависит от уровня погрешности задания sv - точность восстановления Т(р) в нижнем тропосферном слое (0-3 км) практически не зависит от точности задания Єу при условии высокоточного (1К) априорного задания Ts, ср.[39]. Показана также слабая зависимость информативности спутниковых данных от абсолютных значений 8V, Ts и широтного хода профилей Т(р), хотя, разумеется, информативность данных и точность восстановления Т(р) понижаются при уменьшении Єу (переход от суши к морю). Отмечена сильная зависимость погрешности результатов зондирования от точности априорного задания Ts. В отличие от температурного зондирования точность восстановления Q(p) сильно зависит от величины єу и погрешности бєу задания ev, а также от атмосферных условий. При этом зависимость от ошибок задания Єу заметно слабее при малых значениях Єу; для "арктических" профилей Т(р) усиливается зависимость от величины 8V, а для "тропических" профилей Т(р) - усиливается зависимость от бєу, 5Ts. Описанные ОТ результаты получены путем анализа чувствительности вариационных производных ——, —-2— к вариациям Єу, бєу, Ts, 6Ts при условиях отсутствия облачности (или наличия d\nQ облачности, в которой количество жидкокапельной воды (CLW) не превышает 100г/м2). Присутствие облаков увеличивает чувствительность результатов температурного зондирования к величинам Єу, бєу. Общие выводы из анализа [44], важные для практических приложений, сводятся к следующему: - для восстановления профилей Т(р) по данным AMSU-A не требуется высокоточная модель Sv (при отсутствии облачности или при CLW 100г/м2); - для восстановления профилей Q(p) по данным AMSU-B требуется достаточно точная модель Sv независимо от отсутствия или наличия облачности в поле зрения прибора; - необходимость в достаточно точной модели 8у возникает при решении задачи температурного зондирования в условиях облачной атмосферы (CLW = 100-500г/м2). Следует отметить, что подобный анализ информативности и чувствительности по отношению к Єу, бЄу измерений МТВЗА и погрешности результатов атмосферного зондирования был выполнен выше в п.2.2. Исследования бьши проведены для двух "генерализованных" типов ПП (суша, Єу - 0.95; море, Єу = 0.6), погрешностей задания 8єу = 10% и при условии отсутствия облачности. Несмотря на определенные отличия в составе измерений МКВ - зондировщиков МГВЗА и AMSU-A,-B (большее количество прозрачных каналов в составе МТВЗА) результаты анализа информативности данных МТВЗА и точности восстановления Т(р), Q(p) качественно подобны приведенным выше для AMSU-A,-В. Выводы относительно потребностей в точной модели Бу при тематической обработке данных МТВЗА также подобны выводам, сформулированным применительно к обращению данных AMSU-A,B. Рассмотрим теперь методы оценки и учета вариаций излучательной способности Єу при анализе и усвоении данных измерений МКВ - радиометров типа AMSU-A,B, SSMZI. Прежде всего, заметим, что наиболее чувствительны к величинам и вариациям sv измерения МКВ излучения в "прозрачных" каналах. Уравнение переноса (1.2) при условии справедливости приближения Релея-Джинса, можно представить в виде: Здесь TBU,V, TBD,V - яркостные температуры восходящего и нисходящего излучения атмосферы в V-OM канале. Если ввести понятие оптической толщины y(0,ps), исходя из определения Tv(0,ps) = exp{-(Dv(0,ps)}, то соотношение (4.2) можно переписать следующим образом:
