СПОСОБ УЛУЧШЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ
METHOD OF IMPROVED ASSESSMENT OF INTEGRAL ATMOSPHERIC MOISTURE ABOVE OCEAN AS PER MEASUREMENTS OF SATELLITE MICROWAVE RADIO METERS

Изобретение относится к области метеорологии, в частности к мониторингу состояния атмосферы по данным спутникового дистанционного зондирования.
Интегральная влажность атмосферы (Q), 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 метод, описанный в Wentz, F. J., and Т. Meissner (2000), Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD), Version 2, AMSR Ocean Algorithm, RSS Tech. Proposal 121599A-1, Remote Sensing Systems, 74 стр.
Метод заключается в вычислении массивов радиояркостных температур на каналах радиометра AMSR-E для большого набора параметров системы океан-атомсфера, и поиска (путем перебора) того набора параметров, включая интегральную влажность атмосферы, который обеспечит минимальную разницу между измеренными и модельными значениями радиояркостных температур. Данный метод используется для получения интегральной влажности атмосферы в оперативном центре обработки данных США Remote Sensing Systems (RSS). В данном методе используется другая геофизическая модель при вычислениях радиояркостных температур радиометра AMSR-E, и другой способ решения обратной задачи, отличный от Нейронных Сетей.
Недостатком данного метода является более низкая точность, по сравнению с предлагаемым способом. Сравнение результатов применения предлагаемого способа оценки интегральной влажности атмосферы к измерениям AMSR-E с данными глобальных контактных измерений радиозондов показало, что точность аналога на 30% ниже.
В качестве прототипа взят способ оценки интегральной влажности локальных областей атмосферы по данным спутникового микроволнового радиометра Special Sensor Microwave /Imager (SSM/I (патент РФ на изобретение №2474848).
я
я
1
3
2
Способ оценки интегральной влажности Q локальных областей атмосферы с помощью радиометра SSM/I заключается в получении значений радиояркостных температур (Т) по трем радиометрическим каналам SSM/I и вычислении интегральной влажности с использованием радиояркостных температур (Т) и коэффициентов настроенной предварительно Нейронной Сети. Используемые радиометрические каналы имеют частоты υ=19.35 ГГц, υ=37.0 ГГц горизонтальной поляризации и υ=22.235 ГГц вертикальной поляризации.
Недостатком данного метода является более низкая точность, по сравнению с предлагаемым способом. Сравнение результатов применения предлагаемого способа оценки интегральной влажности атмосферы к измерениям AMSR-E с данными глобальных контактных измерений радиозондов показало, что точность аналога на 20% ниже.
Целью настоящего изобретения является разработка способа улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по данным спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth Observing System (AMSR-E), обладающего в 2 раза более высоким пространственным разрешением, чем SSM/I, а следовательно, позволяющего проводить более детальные исследования атмосферных и океанических процессов во всех географических регионах в расширенном диапазоне состояний океана и атмосферы.
я
я
1
2
5
3,4
2
Способ улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Т) по пяти радиометрическим каналам и вычисление значения интегральной влажности (Q) с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры (Т) и коэффициентов настроенной Нейронной Сети, отличающийся тем, что используемые радиометрические каналы имеют частоты υ=10.65 ГГц, υ=18.7 ГГц, υ=36.5 ГГц горизонтальной поляризации и υ=23.8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для оценки интегральной влажности, также 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 высокие 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.
В отличие от аналога и прототипа данный способ позволяет оценивать интегральную влажность с высокой точностью в более широком диапазоне природных условий, включая субтропические и тропические широты, поскольку при его создании была использована база данных совмещенных измерений геофизических параметров, существенно расширенная за счет измерений в тропических и субтропических регионах.
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 (36.5 ГГц, вертикальная поляризация) и Т (36.5 ГГц, горизонтальная поляризация) должна составлять более 15 градусов, на основе использования зависимости:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>b</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>tanh</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>5</mn></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>tanh</mi><mo stretchy="false">(</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>5</mn></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>b</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
где:
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;
1,2,3,4,5
Т - радиояркостные температуры в радиометрических каналах 1,2,3,4,5;
i - номера каналов радиометра, измерения в которых используются в расчетах.
1
2
3
4
5
0
0,1,2
0,1,2
Нижеприведенные частоты радиометрических каналов (υ, υ, 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 глобальных спутниковых и наземных измерений:
1
υ = 10.65 ГГц горизонтальной поляризации;
2
υ = 18.7 ГГц горизонтальной поляризации;
3
υ = 23.8 ГГц вертикальной поляризации;
4
υ = 23.8 ГГц горизонтальной поляризации;
5
υ = 36.5 ГГц горизонтальной поляризации;
0
2
Q = 70.9 кг/м;
0,1,2
0
1
21
b - b=1.142722, b=.41632970, b=1.00000000,
22
23
23
b=1.00000000, b=.37499830, b=1.00000000,
25
b=-.79068490;
0,1,2
0
11
12
ω - ω=1.86446900, ω=-.01214497, ω=.00619658,
13
14
15
ω=.00824166, ω=-.01249977, ω=.00205097,
211
221
231
ω=0.00058355, ω=0.00185068, ω=0.00171198,
241
251
ω=0.00367666, ω=-0.00093732;
212
222
232
ω=0.01405479 , ω=-0.01218236, ω=0.01174063,
242
252
ω=0.01363333, ω=-0.01951063
213
223
233
ω=-0.03915367, ω=0.02948036, ω=0.03629155,
243
253
ω=-0.03243665, ω=-0.00337641
214
224
234
ω=0.04892799, ω=-0.03351959, ω=-0.04159736,
244
254
ω=0.04176088, ω=0.00248552
215
225
235
ω=0.00269317, ω=-0.95362190, ω=0.12410260,
245
255
ω=-1.00000000, ω=-0.32449190.
Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля интегральной влажности в атмосфере над морской поверхностью, свободной ото льда, по всему Земному шару 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.