Введение к работе
Актуальность темы
В рамках осуществляемых в настоящее время программ глобальных исследований системы океан-атмосфера, например, в океанологических частях Международной геосферно-биосферной программы (IGBP), Эксперимента по изучению глобального водного цикла (GEWEX), комплексного проекта "Природа", решающая роль отводится различного рода средствам дистанционного зондирования. При этом для более детального изучения процессов переноса тепла и влаги в атмосфере предполагается значительно увеличить (по сравнению с уже реализованными проектами) информационные возможности спутниковых СВЧ радиометрических систем за счет повышения числа каналов зондирования, повышения точностей приборов, широкого применения ска-нерных и панорамных систем. При значительном увеличении информационных возможностей измерительных систем особую актуальность приобретает необходимость развития эффективных систем усвоения экспериментальных данных и, прежде всего, разработки статистических методов анализа экспериментальной информации, обеспечивающих повышение точности и достоверности оценок геофизических параметров системы океан-атмосфера по сравнению с существующими методами анализа.
Один из возможных путей повышения эффективности методов обработки дистанционной СВЧ радиометрической информации заключается в использовании параметров, описывающих структурные особенности наблюдаемого из космоса пространственного распределения интенсивностеи радиотеплового поля вдоль поверхности Земли, при интерпретации экспериментальных данных. Целесообразность использования характеристик пространственной структуры радиотеплового поля в процедурах восстановления значений геофизических параметров, характеризующих состояние системы океан-атмосфера, определяется, прежде всего, тем, что такая дополнительная информация позволяет увеличить достоверность и точность статистических оценок как самих интенсивностеи регистрируемого СВЧ излучения, так и получаемых с использованием СВЧ радиометрических данных оценок геофизических параметров. Повышение достоверности оценок обусловлено тем, что информация о формировании пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера включает и данные о характерных пространственно-временных масштабах горизонтальных неоднородностей этой структуры, а это позволяет организовать корректную процедуру получения статистических
оценок путем введения согласованных интервалов осреднения по пространству и времени.
Информация о параметрах горизонтальных неоднородностей радиотеплового поля системы океан-атмосфера требуется также для обоснованного выбора пространственного разрешения используемой для спутниковых измерений СВЧ радиометрической аппаратуры и для составления оптимальных планов экспериментальных работ. Поскольку в настоящее время, как указано выше, планируется целый ряд крупномасштабных экспериментов с использованием спутниковых СВЧ радиометрических систем, получение информации о горизонтальной структуре радиотеплового поля системы океанатмосфера приобретает чрезвычайно актуальное значение.
Для получения оценок параметров пространственной структуры радиотеплового поля необходимы, ках показано в работе, достаточно продолжительные (не менее одного месяца) ряды экспериментальных измерений. Отсутствие таких продолжительных измерений в первых спутниковых экспериментах, например, с ИСЗ "Космос-243", не позволяли использовать параметры пространственной структуры радиотеплового поля в качестве дополнительной информации, повышающей достоверность статистических оценок. Кроме того, отсутствие достаточного объема экспериментальных данных сдерживало разработку статистических методов исследования пространственной структуры поля. Проведенные в последние годы эксперименты на океанографических спутниках серии "Космос-1151, 1500, 1602, 1766, 1869", помимо прочего, включали и ряды месячных измерений. Тем самым была создана экспериментальная основа для получения достоверных статистических оценок параметров, описывающих пространственную структуру радиотеплового полг.
Основные цели диссертации:
-
Развитие статистических моделей, описывающих формирование пространственных распределений интенсивностей СВЧ излучения системы океан-атмосфера вдоль зондируемой поверхности.
-
Разработка методик, обеспечивающих получения достоверных (в статистическом смысле) оценок параметров, описывающих особенности пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера.
-
Анализ особенностей пространственной структуры радиотеплового поля выделенных зон Мирового океана, в частности, северной части Атлантического океана, по результатам экспериментальных спутниковых измерений и интерпретация полученных результатов.
-
Разработка методов эффективного использования показателей, характеризующих пространственные распределения интенсивностей радиотеплового
поля здоль зондируемой поверхности, з практике дистанционного зондирования.
Научная новизна диссертации
-
Впервые разработана статистическая модель, описызающая особенностп формирования пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера. Выделены основные составляющие пространственной структуры, уточнены объекты исследования СВЧ радиометрпческимп средствамя.
-
Предложены методы статистического анализа, обеспечивающие получение достоверных оценох параметров пространственной структуры радяо-теплового поля:
метод калибровки СВЧ радиометрических данных с учетом физических ограничений на диапазоны изменчивости радиояркостных температур;
методика реставрации профилей радиояркостных температур методом локальной регуляризации, обеспечивающая корректность оценок пространственных спектров в полосе пропускания антенной системы;
методика выделения составляющих пространственной структуры радл-отеплового поля системы океан-атмосфера;
методика оптимальных оценок параметров проекции диаграммы направленности на зондируемой поверхности;
методика оценок интенснвностей фоновых процессов.
-
Впервые получены оценки статистических параметров составляющих пространственной структуры СВЧ радиотеплового поля северной части Атлантического океана по экспериментальным данпым .
-
Впервые разработаны и предложены методики эффективного использования параметров пространственной структуры рздиотеплозого поля з практике дистанционных СВЧ радиометрических исследований:
оптимальные (согласованные со свойствами исследуемых объектов) методы статистического анализа пространстзенной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера;
методика статистического моделирования пространстранственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера;
методика восстановления значений геофизических параметров системы океан-атмосфера с использованием в качестве априорной информации статистических характеристик пространственной структуры радиотеплового поля.
Положения, выносимые на защиту
-
Глобальные, синоптические, мезо- и микромасштабные физические процессы системы океан-атмосфера приводят к возникновению в пространственной структуре радиотеплового поля диапазона 0,8-8,5 см неоднородностеи соответствующих масштабов вдоль наблюдаемой поверхности.
-
Пространственные спектры возмущений СВЧ радиотеплового поля системы океан-атмосфера относительно его среднеклиматических значений в условиях наблюдения с ИСЗ в диапазоне волн 0,8-8,5 см имеют две компоненты, что подтверждает наличие в горизонтальной составляющей структуры поля неоднородностеи синоптического и мезомасштабов.
-
В условиях наблюдения с ИСЗ системы океан-атмосфера функции распределения радиояркостных температур синоптических возмущений СВЧ радиотеплового поля диапазона 0,8-8,5 см унимодальны, имеют положительную асимметрию и близки к ^-распределениям, а мезомасштабных возмущений - унимодальны и близки к симметричным распределениям.
-
Комплекс методик анализа спутниковых данных, включающий процедуры выделения разномасштабных компонент горизонтальной составляющей пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера и получения корректных статистических оценок параметров каждой из выделенных компонент.
-
Оперативный метод восстановления распределений геофизических параметров системы океан-атмосфера вдоль зондируемой поверхности, позволяющий сократить затраты машинного времени на обработку спутниковой информации в 3-5 раз.
Научная и практическая ценность работы
Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИРЭ РАН. Ее результаты вошли в 5 отчетов по плановым темам. Развитый в диссертации подход к анализу пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера может быть применен для различных задач дистанционного СВЧ радиометрического зондирования Земли из космоса. Предложенный метод анализа пространственной структуры радиотеплового поля может служить методической основой оптимального планирования будущих спутниковых экспериментов. Высокая эффективность развитых в диссертации методов подтверждена результатами автоматизированной обработки информации, полученной с советских океанографичеких спутников "Космос-1151", "Космос -1500", "Космос-1602", "К0СМ0СІ766", "Космос-1869".
Полученные результаты и разработанный в рамках работы комплекс программного обеспечения, адаптиротаппый к работе на ЭВМ типа IBM PC AT 286(386), могут быть широко использованы в практике дистанционных исследований таких организаций, как НПО "Планета", МГИ АН Украины, НИРФИ, ИКИ РАН, ЦАО, ГГО им.Воейкоза.
Апробация результатов
Результаты, вошедшие з диссертацию, получены автором в период с 1985 по 1991 год. Они докладызались на Всесоюзной конференции "Мик-ропроцессоры-85", г.Зеленоград (1985г.), 7-м Всгсоюзном совещании по радиометеорологии, г.Суздаль (1986г.), Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондировзния окружающей среды, г.Рига (1986г.), XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Алма-ата (1987г.), 5-й Национальной конференции "Состояние и перспективы развития дистанционных исследований", г.КарлМаркс-Штадт, ГДР (1988г.), Межведомственном научно-техническом созещашш "Статистичесхие методы и спстемы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды", г.Минск (1989г.), Всесоюзной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов к исследованиях природной среды", г.Ереван, (1990г.), Всесоюзном семинаре "Спутниковая океанология", г.Севастополь (1991г.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. В ней содержится 125 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 21 таблица. Библиография включает 130 наименований.
