СПОСОБ РАСШИРЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ
METHOD FOR EXTENDED ESTIMATION OF CUMULATIVE ATMOSPHERIC HUMIDITY OVER OCEAN FROM SATELLITE MICROWAVE RADIOMETER MEASUREMENTS

2
Настоящее изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для получения полей интегральной влажности (влагозапаса) атмосферы в оперативном режиме над открытыми районами океанов. Полученные поля влагозапаса могут быть использованы при мониторинге состояния атмосферы, детектировании и прогнозе эволюции опасных атмосферных погодных явлений. Особенностью предложенного способа расширенной оценки влагозапаса атмосферы по данным спутниковых микроволновых радиометров является возможность получения оценок в условиях облачности и в существенно более широком диапазоне погодных условий (облачность с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м, экстремальные ветра со скоростями, превышающими 20 м/с), чем это было возможно ранее при сохранении точности.
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 - Атмосфера, 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 являются а) более низкая точность, по сравнению с предлагаемым способом, и б) ограниченный диапазон погодных условий, в которых применим способ.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному техническому решению (прототипом) является способ улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров (заявка на патент №2013120820 от 30.04.2013).
2
Способ заключается в вычислении значения интегральной влажности атмосферы (Q) по данным измерений японского радиометра Advanced Microwave Sounding Radiometer - Earth Observing Systems (AMSR-E) на спутнике Aqua с использованием Нейронно-Сетевой функции, настроенной на основании 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. Данный способ позволяет получать высокие точности восстановления интегральной влажности воздуха Q в диапазоне условий, характеризующихся отсутствием осадков, облачности с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м, и скоростей ветра, превышающих 20 м/с.
Недостатками прототипа являются: а) использование устаревшей модели излучения океана при моделировании радиояркостных температур, не применимой в условиях сильных ветров, б) устаревший метод фильтрации осадков, основанный на использовании поляризационной разницы в измерениях на 37 ГГц в качестве критерия для маскирования. В результате, область применения прототипа существенно заужена по сравнению с предлагаемым методом, эффективно работающим в условиях экстремальных ветров. Кроме того, прототип работает с данными измерений уже не функционирующего микроволнового радиометра AMSR-E (прекратил работу в октябре 2011 года), поэтому не применим в оперативной практике.
Целью настоящего изобретения является создание нового способа оценки интегральной влажности (влагозапаса) атмосферы (Q) по данным недавно запущенного японского спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) на борту спутника GCOM-W1 (на орбите с 18 мая 2012 года), работающего в расширенном диапазоне погодных условий (расширенная оценка интегральной влажности). Данные измерений AMSR2 свободно распространяются в оперативном режиме, поэтому наличие эффективных способов преобразования этих данных в геофизические параметры открывает новые возможности для центров прогноза погоды, научно-исследовательских институтов, гидрометеорологических служб.
я
я
1
2
3
4
я
Способ расширенной оценки интегральной влажности атмосферы Q по измерениям спутниковых микроволновых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Т) по четырем радиометрическим каналам К и Ка-диапазона электромагнитного спектра и вычислении значений влагозапаса атмосферы с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостной температуры (Т) и коэффициентов предварительно настроенной Нейронной Сети (в прототипе используется дополнительный канал измерений в Х-диапазоне, ухудшающий пространственное разрешение результирующих полей влагозапаса). Используемые радиометрические каналы имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ=18.7 ГГц горизонтальной поляризации, υ=23.8 ГГц горизонтальной поляризации, υ=23.8 ГГц вертикальной поляризации и υ=36.5 ГГц горизонтальной поляризации. Способ основан на использовании численного эксперимента, заключающегося в последовательном решении прямой и обратной задач переноса микроволнового излучения. При решении прямой задачи - математическом моделировании радиояркостной температуры уходящего излучения системы Океан - Атмосфера Т - использовались современные, уточненные (по сравнению с прототипом) модели поглощения микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках [2; 3] и новая модель зависимости излучения океана от скорости приводного ветра [1], эффективная в условиях экстремально высоких ветров. При решении обратной задачи в качестве оператора решения использовались Нейронные Сети. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для способа оценки интегральной влажности атмосферы корректировались с использованием совмещенных в пространстве и во времени спутниковых радиометрических данных и наземных измерениях влажности атмосферы. Одновременно, на основе данного численного эксперимента, настраивалась Нейронная Сеть для оценки интегрального поглощения в атмосфере, пороговое значение которого служит в данном способе критерием для фильтрации мощной облачности и осадков.
2
2
Главными отличительными признаками нового способа расширенной оценки интегральной влажности атмосферы являются использование при решении прямой задачи новой модели зависимости излучения океана от скорости приводного ветра, основанной на интегрировании огромного количества контактных измерений скорости ветра и спутниковых радиометрических измерений, и новый подход к фильтрации мощной облачности и осадков. Данный способ позволяет получать высокие точности восстановления влагозапаса атмосферы над открытыми районами океанов в широком диапазоне атмосферных и океанических условий (облачность с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м, экстремальные ветра со скоростями, превышающими 20 м/с), исключая осадки и мощную облачность с водозапасом, превышающим 1 кг/м. По сравнению с прототипом, который восстанавливает значения Q в условиях, характеризующихся отсутствием высоких значений скорости приводного ветра, диапазон условий применения заявленного способа существенно шире. При фильтрации пикселей оптически плотных атмосфер в данном способе применяется независимо оцениваемое интегральное атмосферное поглощение. Данный метод фильтрации позволяет не отбрасывать при применении способа области, характеризующиеся сильными (выше 20 м/с) ветрами. Для данных областей характерны низкие значения поляризационной разницы в измерениях на 37 ГГц, использовавшейся в качестве критерия идентификации осадков в прототипе. Поэтому применение прототипа приводило к маскированию данных областей и недополучению информации в районах экстремальных ветров.
Таким образом, в отличие от аналога и прототипа, данный способ позволяет оценивать интегральную влажность атмосферы с высокой точностью в более широком диапазоне природных условий, включая сильные (выше 20 м/с) ветра.
Поставленная цель оценки интегральной влажности атмосферы может быть достигнута следующим образом:
1) Данные AMSR2 распаковываются из научного формата hdf, извлекаются радиояркостные температуры на каналах 18.7 и 36.5 ГГц горизонтальной поляризации, и 23.8 ГГц горизонтальной (Г) и вертикальной (В) поляризации
2) К извлеченным радиояркостным температурам добавляются калибровочные поправки:
1
1
Τ=Τ-2.8;
2
2
T=T-3.0;
3
3
Т=Т-3.0;
4
4
Т=Т-1.8;
3) интегральная влажность атмосферы (влагозапас) Q вычисляется по следующей формуле:
где:
2
Q - Интегральная влажность атмосферы в кг/м;
0
2
Q - нормировочный показатель настроенной Нейронной Сети в кг/м;
0,1,2(W,B)
ω - весовые коэффициенты (W) смещения (В) на входящем (0), скрытом (1) и выходящем (2) уровнях;
n - номер обрабатывающего нейрона n=1,…5;
1,2,3,4
Τ - радиояркостные температуры в радиометрических каналах 1,2,3,4;
i - номера каналов радиометра, измерения в которых используются в расчетах.
4) С использованием измерений в радиометрических каналах AMSR2 на 10.65,18.7 и 23.4 ГГц для каждого пикселя оценивается величина интегрального поглощения в атмосфере τ [4]. Способ оценки интегрального поглощения, описанный в данной публикации, планируется к патентованию. Используется пороговое значение τ=0.06, все пиксели с τ>0.06, маскируются (т.н. «погодный фильтр»).
1
2
3
4
0
0,1,2(W,B)
Нижеприведенные комбинации частот и режимов поляризации радиометрических каналов (υ, υ, υ, υ) и коэффициенты настроенной Нейронной Сети (Q, 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=18.7 ГГц горизонтальной поляризации;
2
υ=23.8 ГГц горизонтальной поляризации;
3
υ=23.8 ГГц вертикальной поляризации;
4
υ=36.5 ГГц горизонтальной поляризации;
0
2
Q=33.4 кг/м;
0W11
0W21
0W31
0W41
ω=0.00585234 ω=-0.02950359 ω=0.01680031 ω=0.00452675
0W12
0W22
0W32
0W42
ω=-0.01615210 ω=0.01551236 ω=0.01974712 ω=-0.02141725
0W13
0W23
0W33
0W43
ω=-0.00269150 ω=0.01072907 ω=-0.00184769 ω=-0.00202167
0W14
0W24
0W34
0W44
ω=-0.00618935 ω=-0.01041266 ω=0.00949005 ω=-0.00242353
0W15
0W25
0W34
0W44
ω=-0.00775691 ω=-0.00537835 ω=-0.01876238 ω=-0.00998448
0B1
0B2
0B3
0B4
0B5
ω=-0.25583030 ω=0.99981270 ω=-1.00000000 ω=-0.34716470 ω=-0.00344541
1W1
1W2
1W3
1W4
1W5
ω=0.20039140 ω=0.58231070 ω=1.00000000 ω=0.10145760 ω=0.49267980
1B
ω=0.00908684
2W
ω=3.73103000
2B
ω=1.60871000
Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля интегральной влажности атмосферы над открытыми районами океана по всему Земному шару в широком диапазоне изменений параметров атмосферы и океана, в том числе в условиях, характеризующихся облачностью и экстремальными ветрами. Использование предложенного способа позволяет расширить диапазон атмосферных и океанических условий по сравнению с имеющимися способами, оставаясь в рамках точности, предъявляемой к измерениям данного параметра океана Всемирной Метеорологической Организацией.
Источники информации
1. Meissner Т., Wentz F.J. The emissivity of the ocean surface between 6 and 90 GHz over a large range of wind speeds and earth incidence angles // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2012. T. 50. №8. C. 3004-3026.
2. Tretyakov M.Y. и др. 60-GHz oxygen band: precise broadening and central frequencies of fine-structure lines, absolute absorption profile at atmospheric pressure, and revision of mixing coefficients // J. Mol. Spectrosc. 2005. T. 231. №1. C. 1-14.
3. Turner D.D. и др. Modifications to the water vapor continuum in the microwave suggested by ground-based 150-GHz observations // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. Lett. 2009. T. 47. №10. C. 3326-3337.
4. Zabolotskikh E.V., Mitnik L.M., Chapron B. New approach for severe marine weather study using satellite passive microwave sensing // Geophys. Res. Lett. 2013. T. 40. №13. C. 3347-3350.