Методы и средства спутникового мониторинга циркуляции океана и атмосферы (на примере дальневосточного региона) Алексанин, Анатолий Иванович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Спутниковые изображения регистрируемого излучения океана и атмосферы в инфракрасном, видимом и микроволновом спектральных диапазонах являются квази-мгновенными отпечатками различных термодинамических процессов и явлений как самого океана, так и взаимодействия океана и атмосферы. Спутниковая информация обеспечивает расчет полей температуры поверхности океана, профилей температуры и влажности в атмосфере, полей осадков, ветра, льда, концентрации аэрозоля, скоростей поверхностных течений, уровенной поверхности моря, концентрации хлорофилла-а и т.д. В то же время отсутствуют измерения, которые с необходимой точностью и регулярностью обеспечивали бы ежедневный расчет скоростей поверхностных течений синоптического масштаба на заданной акватории. Наибольшее количество данных о полях поверхностных течений океана дают методы обработки альтиметрических измерений и методы расчета скоростей по последовательности спутниковых изображений океана в видимом и инфракрасном (ИК) спектральных диапазонах. Но эти источники дают наборы редких и асинхронных данных. Для корректной интерпретации таких измерений до сих пор используется визуально-ручное дешифрирование изображений с выделением основных объектов циркуляции - вихрей и струй синоптического масштаба. Необходима автоматизация этой процедуры и построение специальных методов, позволяющих уверенно решать задачу восстановления поверхностных течений отдельных объектов циркуляции по редким данным. Аналогичные проблемы стоят и при аппроксимации полей ветра по редким аэрологическим измерениям, а также при использовании для этой цели вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, рассчитываемых по данным радиометров ATOVS.

Расчет по спутниковой информации физических полей океана и атмосферы требует применения аппарата статистической обработки данных, цифрового анализа изображений, моделей расчета излучения Земли в различных диапазонах спектра, а также численных моделей динамики атмосферы и океана. Характеристики регистрируемого спутником излучения определяются взаимодействием излучения со средой, в которой оно распространяется. Это позволяет ставить обратные задачи геофизики с целью определения свойств среды на основе моделей решения прямой задачи - прохождения излучения через среду. Параметризация таких моделей и оценка этих параметров путем решения обратных задач - наиболее распространенный подход к зондированию океана и атмосферы. Как правило, оптимальная подгонка искомых параметров сводятся к минимизации функционалов, рассчитывающих рассогласование модельного и регистрируемого сигналов, прошедших через среду. Минимизация ведется методами нелинейного программирования и не является строго формализованной процедурой. Функционалы часто овражного типа, невыпуклые, многоэкстремальные, что требует в некоторых случаях применения специализированного математического аппарата интерактивного поиска оптимального решения и процедур оценки получаемых результатов.

Сложность и разнообразие стоящих задач спутникового дистанционного зондирования требует широкой межведомственной и международной кооперации по развитию и обмену как технологиями, так и результатами обработки спутниковой информации. Проблемы первичной обработки, верификации, автоматизации расчетов и обмена огромными потоками данных могут быть решены только совместно всеми заинтересованными сторонами путем интеграции ресурсов и создания соответствующих специализированных сервисов и архивов данных. Массовая обработка данных и поставка потребителям детальных карт физических полей океана и атмосферы обеспечивают качественно новый уровень мониторинга процессов и явлений.

Цель работы. Основная цель работы заключалась в разработке новых подходов и создании технологий расчета ключевых параметров океана и атмосферы для диагностики и мониторинга процессов и явлений синоптического масштаба по данным спутникового дистанционного зондирования. Во-первых, это мониторинг основных объектов, составляющих структуру циркуляции океана, а именно, приповерхностных вихрей и фронтальных течений. Это подразумевает разработку автоматических процедур выделения объектов и создание методов восстановления полей течений по редким разнородным и асинхронным данным. Во-вторых, это диагностика и мониторинг тропических циклонов (ТЦ). Решались следующие взаимоувязанные задачи:

1. Разработка подхода к количественному анализу структуры циркуляции на поверхности океана по спутниковым ИК-изображениям. Разработка методов автоматического выделения и мониторинга вихрей океана с оценкой их геометрических и динамических характеристик.

2. Создание методов автоматического выделения и мониторинга тропических циклонов с расчетом их геометрических и динамических характеристик.

3. Развитие методик первичной обработки спутниковой информации в соответствии с постоянно растущими требованиями к точности расчета физических полей океана и атмосферы.

4. Развитие оптимизационного подхода к решению задач интерпретации спутниковых и in situ измерений на основе методов нелинейного программирования.

5. Формирование информационной системы Центра коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН и реализация в нем создаваемых технологий.

Научная новизна.

5. 1. Использование ориентированных текстур в форме доминантных ориентаций термических контрастов (ДОТК) яркости, рассчитывающихся по одиночным спутниковым ИК-изображениям, как оценок направлений течений океана. Создана новая количественная форма представления структуры циркуляции поверхности океана для автоматизации процедуры дешифрирования изображений в ИК- и видимом диапазонах спектра.

   2. Впервые ориентации контрастов яркости используются для оценки параметров океана: расчета линий тока на поверхности, выделения зон максимальных скоростей течений, восстановления средней многолетней динамической топографии для альтиметрических измерений, оценки плотностных характеристик воды.

   3. Созданы новые методы автоматического выделения синоптических вихрей океана по картам ДОТК с расчетом положения центра, формы, размера, знака вихря (циклон/антициклон).

   4. Использование доминантных ориентаций в качестве направлений облачного ветра и создание методов автоматического выделения ТЦ с оценкой их геометрических параметров.

   5. Китайский спутник FY-1D был запущен без калибровок ИК-датчиков и нестабильными калибровками видимых каналов. Построены технологии первичной и тематической обработки данных спутника, позволившие создать метод расчета карт температуры поверхности океана, соответствующей современным требованиями точности.

   6. Применение кодов контроля передаваемой информации для поиска и исправления ошибок передачи данных геостационарных спутников FY-2B и GMS-5. Организация на этой основе приема спутниковых данных на антенну с небольшим диаметром отражателя при обеспечении стандарта качества приема.

   Положения, выносимые на защиту:

   5. 6. 1. Применение метода построения ориентированных текстур в форме доминантных ориентаций контрастов яркости изображений океана для проведения количественного анализа характеристик циркуляции. Доминантные ориентации термических контрастов можно использовать как оценки направлений поверхностных течений океана. Композиционные карты ДОТК демонстрируют устойчивость ориентаций в течение нескольких суток, если они приходятся на вихри и течения синоптического масштаба.

         2. Созданы методы анализа композиционных карт структуры течений океана в форме ДОТК. Они позволяют автоматически выделять вихри, рассчитывать их положение, форму и геометрические размеры, определять знак вихря (циклон/антициклон). Мониторинг формы с привязкой к ней измерений динамических характеристик объекта позволяет решать проблему пространственно-временного рассогласования измерений, проводить восполнение поля течения по редкой и разнородной информации.

         3. Использование ДОТК в качестве направлений облачного ветра тропического циклона позволило создать методы автоматического прослеживания ТЦ с определением его геометрических параметров.

         4. Неоднозначность решения задачи оптимальной подгонки параметров калибровки спутниковых инфракрасных датчиков по технологии NOAA/NESDIS может приводить к значительным погрешностям расчета температуры поверхности океана по технологиям NLSST и MCSST. Интерактивный подход к решению оптимизационных задач позволяет решать подобные плохо обусловленные задачи. Его использование позволило провести кросс-калибровку ИК-каналов спутников MT SAT-1R и FY-1D и создать методы построения температуры поверхности моря, удовлетворяющие требуемой точности.

         5. Коды циклического контроля передаваемой информации с геостационарных метеорологических спутников можно использовать не только для обнаружения, но и для поиска и исправления ошибок передачи данных (импульсных шумов). Их применение позволило существенно повысить качество приема информации со спутника FY-2B, мощность передатчика которого упала в результате неполадок, а также организовать прием данных со спутника GMS-5 на антенну с небольшим диаметром отражателя при обеспечении стандарта качества приема (не более одного ошибочного бита на миллион).

         Практическая значимость работы.

         Разработанные в рамках диссертационной работы технологии частично воплощены в действующем программном обеспечении Центра коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН, частично находится в стадии доработки до технологий. Результаты обработки данных на основе внедренных технологий ежедневно поставляются различным потребителям. Технология обработки данных спутника FY-1D передана в NOAA/NESDIS (США) по их запросу. Созданные технологии использовались для информационного обеспечения научно-исследовательских экспедиций (в основном ТОИ ДВО РАН) и рыбопромысловых экспедиций (в основном ТИНРО-Центра) с 1993 года по 2010 с передачей на суда информации о динамических, структурных и биооптических характеристиках моря. Они позволили автору принимать участие в поиске потерявшихся в штормовых условиях судов в Охотском море (два были найдены, одно благодаря расчетам автора).

         Сформирована информационная структура Центра коллективного пользования регионального спутникового мониторинга ДВО РАН, основной задачей которого является проведение ежедневного регионального мониторинга океана и атмосферы. Центр, созданный в 1999 году как межведомственный, с 2002 года проводил закупки нового оборудования. К имевшейся станции приема спутников NOAA добавились 3 новых, и Центр стал способным принимать данные с геостационарных и полярно- орбитальных метеорологических спутников как на частотах 1.7Ггц, так и на 8Ггц. Центр развивается в основном на средства выигранных им грантов, и только пятая антенна приобретена в 2007 году на средства Президиума ДВО РАН. Центр закончил формирование технической базы и идет лишь адаптация приемных трактов и программного обеспечения под новые спутники.

         Достоверность результатов.

         Достоверность подтверждается результатами моделирования, прямыми измерениями восстанавливаемых по спутниковым данным физических параметров океана и атмосферы, существующими закономерностями, а также сопоставлением с результатами общепризнанных методов. Обоснованность результатов и выводов основывается на применении известных положений и методов обработки данных.

         Личный вклад автора.

         Автору принадлежит постановка задачи и разработка основ подхода к количественному анализу структуры циркуляции океана и облачности тайфуна по одиночным спутниковым изображениям. Им разработаны методы построения композиционных карт структуры циркуляции, методы мониторинга приповерхностных вихрей, предложены методики усвоения разнородных данных в аналитических моделях аппроксимации течений вихрей и фронтальных зон океана, а также создано действующее программное обеспечение, реализующее эти методы. Разработаны методики мониторинга тропических циклонов по спутниковым изображениям облачности и редким аэрологическим данным. Созданы средства и реализованы методы решения нелинейных оптимизационных задач, что оформлено в виде пакета прикладных программ. Решены задачи, изложенные в пунктах 4 и 5 положений, выносимых на защиту. Автор, являясь ответственным исполнителем Межведомственного центра спутникового мониторинга окружающей среды с конца 2001 года, отвечал за формирование информационной системы Центра, получившего в 2003 году статус центра коллективного пользования РАН. Работы из списка ВАК с номерами 7,12,13,14,18,21,23 и 27 выполнены автором совместно с его аспирантами.

         Апробация работы.

         Результаты работы докладывались на конференциях различного уровня: First International Conference on Computers and Applications (Beijing, China, 1984); OCEANS-'94 OSATES, 1994, Brest, France и OCEANS'98, 1998, Nice, France; PICES Workshop on the Okhotsk Sea and Adjacent Areas, 1995 и 2004гг.; CREAMS'2000 Int. Symp., Vladivostok, Russia; Ежегодная открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов» 2003-2010 годы, Москва; 7th International Conference on pattern recognition and image analysis: new information technologies, St. Petersburg, 2004; The Third International Workshop on Marine Remote Sensing in Northwest Pacific Region, Beijing, China, 2004; The 4th International Workshop on Remote Sensing of Marine Environment in the Northwest Pacific Region & 1st International Symposium on the Bio-invasion of Non-indigenous Species, 2006, Busan, South Korea; 31^st International Symposium on Remote Sensing of Environment (31^st ISRSE), Saint Petersburg, RF, 2005; The international scientific conference: "Advances of Satellite Oceanography: Understanding and Monitoring of Asian Marginal Seas", Vladivostok, Russia; Всероссийская конференция "Современные информационные технологии для научных исследований", Магадан, 2008; Третий и четвертый международные экологические форумы "Природа без границ", 2008-2009, Владивосток, Россия; Успехи механики сплошных сред, Всероссийская конференция, приуроченная к 70-летию академика В.А. Левина, 2009, Владивосток, Россия; «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», четвертая международная конференция,

         Москва, 2009; X Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды (EM-2009)», 2009, Кемерово; The 2nd Russia-Taiwan Symposium on Methods and Tools of Parallel Programming Multicomputers (MTPP 2010), Vladivostok, Russia, 2010; The First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications (RPC 2010), 2010, Vladivostok (Russia); XIII Российская конференция с участием иностранных ученых "Распределенные информационные и вычислительные ресурсы" (DICR'2010) Новосибирск, 2010.

         Результаты проделанной работы вошли в отчеты по ФЦП «Мировой океан» (1999-2007), и «Интеграция» (1997-2001), г/к Минобрнауки №02.518.11.7152, гранта INTAS 00-089, грантов РФФИ № 96-01-00184, 9901-00639, 02-01-01133, 05-01-01110, 00-07-90139, 06-01-96915, грантов РАН и ДВО РАН. Они обсуждались на ежегодных встречах рабочих групп национальных экспертов в рамках международной программы ООН по охране окружающей среды CEARAC/NOWPAP/UNEP - Special Monitoring Coastal Environmental Assessment Regional Activity Centre/ Northwest Pacific Action Plan/ United Nation Environmental Programme (2003-2008) и проекта NGSST "Новая генерация температурных полей океана" UNESCO/IOC/WES TPAC.

         Структура и объем диссертации.

         Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 359 страниц текста, включая 106 рисунков, 20 таблиц и список литературы, содержащий 304 наименования.

         Похожие диссертации на Методы и средства спутникового мониторинга циркуляции океана и атмосферы (на примере дальневосточного региона)

         

         Методы и средства регистрации широкополосных сейсмических сигналов и возможных предвестников сильных землетрясений на морском днеЛевченко Дмитрий Герасимович

         Разработка контактных люминесцентных методов и средств изучения полей хлорофилла в водной средеШавыкин, Анатолий Александрович

         

         Разработка методов и программных средств акустического зондирования водной толщи и дна океана в зонах разгрузки метанаЧерных Денис Вячеславович

         Мировое загрязнение гидросферы. Ист.. ступления, формы нахождения, методы и ..ские средства предотвращенияГурвич, Лев Моисеевич

         

         Разработка технических средств исследования взаимодействия геосфер на основе лазерно-интерференционных методовКовалев Сергей Николаевич

         

         Разработка методов повышения качества и выявления скрытой информации изображений, формируемых на основе данных гидролокационных средствСажнева Александра Эдуардовна

         Исследование воздействия нестационарных атмосферных возмущений на крупномасштабную циркуляцию океанаКондратьева, Ольга Владимировна

         Воспроизведение сезонной эволюции крупномасштабной циркуляции Индийского океана в рамках трехмерной квазигеострофической модели с интерактивным ВКСГорчаков, Виктор Анатольевич

         

         Математическое моделирование синоптической циркуляции в открытом океане Неелов Иван Александрович

         

         Оценка дрейфовой циркуляции в Атлантическом океанеБеседин Дмитрий Евгеньевич