СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ РАДИОМЕТРОВ
METHOD OF ESTIMATING CUMULATIVE HUMIDITY OF LOCAL ATMOSPHERIC REGIONS USING SATELLITE-BORNE RADIOMETERS

Изобретение относится к области метеорологии, в частности к мониторингу состояния атмосферы по данным спутникового дистанционного зондирования.
Интегральная влажность атмосферы, характеризующая содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы, наряду с аэрозолями, контролирует альбедо Земли, и, таким образом, является одним из важнейших компонентов, определяющих региональный климат.
Известен способ оценки интегральной влажности атмосферы по данным спутниковых микроволновых радиометров, реализуемый с помощью физического алгоритма Венца (F.J.Wentz, «A well-calibrated ocean algorithm for Special Sensor Microwave / Imager», J.Geophys. Res., vol.102 (C4), pp.8703-8718, 1997).
я
я
я
2
2
Для апробирования способа были использованы данные, полученные в результате калибровки радиометра Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) и аналитическая модель радиояркостной температуры Т. Настройка последней осуществлялась на основании совмещенных в пространстве и во времени данных контактных и SSM/I-измерений. В определении функции T использовалась квазилинейная зависимость Т от семи геофизических параметров системы Океан-Атмосфера, а восстанавливались одновременно три параметра - интегральное влагосодержание, влагозапас и скорость приводного ветра. Огромное число настроечных параметров (более 100) для данной модели было получено путем обработки 37650 пар совмещенных SSM/I-буйковых и 35108 пар SSM/I-радиозондовых измерений. Опубликованные точности восстановления Q были исключительно высокими - среднеквадратичная ошибка составила 1.2 кг/м, систематическое смещение - 0.6 кг/м, однако последующая проверка работы алгоритма на других статистических ансамблях данных, не показала таких высоких точностей.
2
Недостатком данного способа является ограниченность области его применения, а именно: способ предназначен для использования только в областях, где отсутствуют осадки, облачность характеризуются значениями водозапаса, не превышающими 0.5 кг/м, а скорости ветра должны быть не больше 20 м/с.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ восстановления интегральной влажности атмосферы и водозапаса облаков (W), представленный в статье Ф.Фрэйта и Г.Шиавона «Нейронные сети для восстановления водяного пара и жидкокапельной влаги из радиометрических данных» (Fabio del Frate, Schiavon G.Neural Networks for the retrieval of water vapor and liquid water from radiometric data // Radio Science. - 1998. - Vol.33. - No.5. - pp.1373-1386). Способ основан на применении Нейронных Сетей (НС) к модельным массивам совмещенных метеорологических и гидрологических измерений. Для генерации массивов радиояркостных температур и сопутствующих измерений Q и W были использованы среднеширотные и фактические радиозондовые профили атмосферы. Среднеширотные профили использовались для настройки алгоритма, фактические - для его проверки. Оценка точности способа восстановления интегральной влажности атмосферы и водозапаса облаков (W) показала, что во всех случаях получены лучшие результаты по сравнению с линейной регрессией. Кроме того, авторы во всех случаях получали лучшие результаты при раздельном восстановлении Q и W отдельными НС, объясняя данный факт тем, что разные зависимости лучше представляются разными функциями. Кроме того, была проведена процедура упрощения сети путем выбрасывания связей с малыми весовыми коэффициентами и последующей новой настройкой. Было показано, что такая упрощенная НС обеспечивает более высокую точность оценок.
2
Наиболее существенным недостатком прототипа является то, что при использовании способа восстановления интегральной влажности атмосферы и водозапаса облаков (W) часто не достигаются требуемые точности оценок, так как, согласно требования Всемирной метеорологической организации (ВМО), допустимые уровни погрешностей определения интегральной влажности атмосферы (Q) должны составлять не более 5-15% и могут быть достигнуты лишь при отсутствии осадков и облачности с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м, а при увеличении водозапаса облаков оптическая толщина атмосферы растет, и ошибки оценки параметров с использованием способа значительно возрастают.
Целью изобретения является разработка способа оценки интегральной влажности локальных областей атмосферы по данным спутниковых микроволновых радиометров, применимого для широкого диапазона погодных условий.
я
я
1
3
2
2
Способ оценки интегральной влажности (Q) локальных областей атмосферы с помощью спутниковых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Т) по трем радиометрическим каналам и вычисление значения интегральной влажности (Q) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостной температуры (Т) и коэффициентов настроенной Нейронной Сети, и отличается тем, что используемые радиометрические каналы имеют частоты υ=19.35 ГГц, υ=37.0 ГГц горизонтальной поляризации и υ=22.235 ГГц вертикальной поляризации, а численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для оценки интегральной влажности, получены путем математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени спутниковых и наземных измерениях, что позволяет получать более высокие (до 40%) точности восстановления интегральной влажности воздуха Q в том диапазоне условий, в котором работают существующие способы (отсутствие осадков, облачность с водозапасом, не превышающим 0.5 кг/м) и расширить диапазон условий применения способа по сравнению с существующими, оставаясь при этом в рамках точности, требуемой экспертами ВМО.
я
я
я
Поставленная цель оценки интегральной влажности атмосферы (Q) может быть достигнута над морской поверхностью, свободной ото льда, и областями атмосферы, характеризующимися отсутствием осадков, которые отсекаются критерием с использованием радиояркостной температуры (Т), т.е. разница между Т (37 ГТц, вертикальная поляризация) и Т (37 ГГц, горизонтальная поляризация) должна составлять более 15 градусов, на основе использования зависимости:
где:
2
Q - интегральная влажность атмосферы в кг/м;
0
2
Q - нормировочный показатель настроенной Нейронной Сети в кг/м;
0,1,2
b - коэффициенты смещения;
0,1,2
ω - весовые коэффициенты;
1,2…5
n - число нейронов;
1,2,3
T - радиояркостные температуры в радиометрических каналах 1, 2, 3;
i - номера каналов радиометра, измерения в которых используются в расчетах.
1
2
3
0
0,1,2
0,1,2
Нижеприведенные частоты радиометрических каналов (υ, υ, υ) и коэффициенты настроенной Нейронной Сети (Q, b, ω) определены с помощью математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени спутниковых и наземных измерениях:
1
υ= 19.35 ГГц горизонтальной поляризации;
2
υ= 22.235 ГГц вертикальной поляризации;
3
υ= 37.0 ГГц горизонтальной поляризации;
0
2
Q= 33.4 кг/м;
0,1,2
0
1
21
b- b=1.32841200, b=-0.81667480, b=-1.00000000,
22
23
23
b=-0.13119980, b=-1.00000000, b=-0.64899800,
25
b=-0.75263910;
0,1,2
0
11
12
ω- ω=2.22588700, ω=1.00000000, ω=0.34163250,
13
14
15
ω=1.00000000, ω=-0.87176520, ω=0.95497390,
211
221
231
ω=0.00662052, ω=-0.00166526, ω=0.00002644,
212
222
232
ω=0.02186070, ω=0.01254202, ω=-0.02385076,
213
223
233
ω=-0.00135056, ω=0.00454473, ω=-0.00001853,
214
224
234
ω=-0.02219448, ω=0.03923048, ω=-0.01534682,
215
225
235
ω=-0.00321878, ω=0.00558177, ω=-0.00045868.
Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля интегральной влажности в атмосфере над морской поверхностью, свободной ото льда, в широком диапазоне изменений параметров атмосферы, в том числе в условиях, характеризующихся мощной облачностью и сильными ветрами. Точная информация о влагозапасе атмосферы и его пространственно-временной изменчивости исключительно важна и широко используется в нашей стране и за рубежом как в анализе и прогнозе погоды, так и в климатических исследованиях, в частности при изучении потоков энергии и круговорота воды. Постоянно происходящие в природе процессы перехода водяного пара в жидкое и твердое состояние и обратно имеют огромное значение для формирования погоды и климата Земли. Важнейшим следствием этих процессов является формирование облаков в различных слоях атмосферы и выпадение из них осадков и образование тумана в приземном слое воздуха. Испарение, перенос водяного пара, а затем его конденсация и сублимация являются одними из важнейших процессов переноса энергии в атмосфере. Поэтому максимально точная оценка интегральной влажности, которую можно произвести в широком диапазоне условий, может быть широко использована также в различных прикладных исследованиях.