ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 6, с. 16-24
БЫСТРАЯ РАДИАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ АНАЛИЗА ДАННЫХ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОГО ИК-ЗОНДИРОВЩИКА СПУТНИКОВ СЕРИИ "МЕТЕОР-М"
© 2013 г. А. Б. Успенский1, А. Н. Рублев1, Е. В. Русин2, В. П. Пяткин2
1ФГБУ "НИЦ "Планета", Москва 2Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск
E-mail: alex.rublev@mail.ru Поступила в редакцию 06.05.2013 г.
Рассмотрены методические и вычислительные аспекты создания быстрых радиационных моделей (БРМ), предназначенных для анализа и валидации данных измерений спутниковой гиперспектральной аппаратуры — ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения. Приведено описание БРМ для анализа и моделирования измерений ИК-Фурье-спектрометра ИКФС-2 полярно-орбитальных метеоспутников серии "Метеор-М", созданной на основе известной БРМ RTTOV. Оценивается вычислительная производительность и приводятся результаты верификации созданной БРМ, полученные путем сравнения модельных расчетов с точными полинейными расчетами для ИК-зондировщика ИКФС-2. Обсуждается повышение вычислительной производительности и точности БРМ за счет использования алгоритмов метода главных компонент. Рассмотрено построение радиационных моделей, использующих алгоритм метода Монте-Карло и пригодных для анализа и моделирования данных ИК-зондировщиков при наличии облачности в поле зрения прибора.
Ключевые слова: быстрая радиационная модель, ИК-зондировщик ИКФС-2, моделирование спутниковых измерений, ЯТТОУ, оптическая толщина, якобиан, алгоритм Монте-Карло
DOI: 10.7868/S0205961413060109
ВВЕДЕНИЕ
Для обработки и анализа данных измерений гиперспектрального ИК-зондировщика ИКФС-2 (инфракрасный Фурье-спектрометр-2), устанавливаемого на российских метеоспутниках серии "Метеор-М", требуется создание быстрых и высокоточных процедур радиационных расчетов. Указанные процедуры и соответствующие программные комплексы (быстрые радиационные модели (БРМ)) предназначены для:
— валидации измеряемых спектров уходящего инфракрасного (ИК) излучения и мониторинга качества абсолютной калибровки;
— тематической обработки или "обращения" спутниковых данных, т.е. восстановления различных параметров состояния системы "атмосфера-подстилающая поверхность" (Rodgers, 2000; Успенский и др., 2005);
— усвоения спутниковых данных в схемах численного анализа и прогноза погоды (Saunders et al., 1999).
Создаваемые БРМ должны обеспечить высокое быстродействие моделирования измеряемых спектров при погрешности расчетов на уровне
инструментального шума. Кроме того, с помощью БРМ необходимо выполнять расчеты ряда характеристик переноса ИК-излучения в атмосфере (оптические толщины, функции пропускания), а также вычислять вариационные производные (якобианы) смоделированных измерений по различным параметрам состояния системы атмосфера—подстилающая поверхность.
В настоящее время существует несколько программных комплексов, предназначенных для моделирования и анализа данных ИК-зондировщи-ков IASI, AIRS, CrIS, устанавливаемых на полярно-орбитальных метеоспутниках EPS/Metop, EOS/Aqua, Suomi-NPP соответственно (Успенский и др., настоящий выпуск). Большинство указанных комплексов (RTTOV, RTIASI, SARTA), которые за рубежом принято называть FRTM (Fast Radiative Transfer Model — быстрая модель радиационного переноса), базируется на параметризации результатов точного спектрального полиней-ного (line-by-line — LBL) и пространственного интегрирования уравнения переноса ИК-излучения для плоскопараллельной безоблачной атмосферы. Источником информации о параметрах спектральных линий для LBL-моделей типа LBLRTM
являются спектроскопические базы данных HITRAN (версии 2004, 2008 гг).
В статье рассмотрено построение БРМ для анализа данных ИКФС-2 (БРМ/ИКФС) на основе известного комплекса RTTOV (Saunders et al., 1999), см. http://nwpsaf.org. Дано краткое описание методики построения БРМ/ИКФС, ее программной реализации, приводятся результаты ва-лидации радиационных расчетов. Показаны возможности применения алгоритмов метода главных компонент для повышения точности и быстродействия БРМ. Отдельный раздел посвящен описанию комплекса радиационных расчетов достаточно высокой производительности, основанного на алгоритме метода Монте-Карло. С помощью этого комплекса можно производить радиационные расчеты и анализировать данные ИК-зондировщиков при наличии облачности в поле зрения прибора.
МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ БЫСТРЫХ РАДИАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ
Гиперспектральный ИК-зондировщик ИКФС-2/ "Метеор-М" измеряет спектры уходящего ИК-из-лучения (2701 каналов в области 667—2000 см-1 или 5.0-15.0 мкм), причем общее время измерения одного спектра составляет 0.7 с (Завелевич и др., 2008). Это предъявляет высокие требования к быстродействию БРМ — время моделирования сигнала (интенсивности ИК-излучения, регистрируемой в одном канале) не должно превосходить нескольких миллисекунд. Такая скорость вычислений может быть достигнута путем использования простых аналитических выражений или интерполяционных схем без привлечения алгоритмов численного интегрирования уравнения переноса (спектрального и пространственного).
Рассмотрим кратко принципы построения подобных БРМ на примере FRTM RTTOV, SARTA (Sounders et al., 1999; Успенский и др., 2005; Strow etal., 2003). Основное назначение программных комплексов RTTOV (последние версии — RTT0V-10, RTT0V-11) — быстрый и достаточно точный расчет измеряемых на верхней границе атмосферы (ВГА) спектров уходящего излучения R по заданному вектору состояния x: R = H(x), где Н — оператор уравнения переноса или оператор прямой задачи. Компонентами вектора х являются профили температуры Т(р), отношения смеси водяного пара q(p) и озона Q(p), заданные на фиксированной сетке давлений {p}, а также T, s (температура и излуча-тельная способность поверхности) и Ta, qa (температура и влажность воздуха в приповерхностном слое). В последних версиях RTTOV предусмотрено расширение х за счет включения данных о параметрах облачности. Комплекс RTTOV позволяет также вычислить матрицу якобианов G (вариационных или функциональных производных R по x), с по-
мощью которой рассчитываются вариации излучения SR, соответствующие вариациям компонентов вектора состояния 8х относительно исходного состояния х0: SR = G(x0)Sx.
Комплексы RTTOV обеспечивают моделирование измерений различных спутниковых радиометров, включая уже упомянутые ИК-зондировщи-ки AIRS, IASI, CrIS. Специально разработанный для моделирования данных IASI программный комплекс RT IASI по принципам построения и использованным атмосферным моделям полностью соответствует RTTOV Для моделирования и анализа измерений зондировщика AIRS разработан комплекс быстрых радиационных расчетов SARTA — Stand alone AIRS Radiative Transfer Algorithm. Методология быстрых расчетов характеристик переноса подобна используемой в RTTOV (Strow et al., 2003).
За основу при разработке БРМ применительно к ИК-зондировщику ИКФС-2 была принята методология создания RTTOV, основанная на "быстром" вычислении эффективных оптических толщин атмосферных слоев. Под эффективной оптической толщиной j-го слоя атмосферы на частоте, соответствующей центру выбранного канала, понимается величина Aq>j, для набора которых {Дфу-, j = 1, ..., N} выполняется соотношение
е 1 = Г.
Здесь N — число слоев атмосферы между земной поверхностью и ВГА, Г — функция пропускания излучения атмосферы в данном канале (точнее, результат интегрирования функции пропускания со спектральной аппаратной функцией канала). Высокая скорость вычислений эффективных толщин Дфу- достигается применением множественной линейной регрессии, в которой используются заранее выбранные предикторы — параметры состояния атмосферы или их функционалы для заданного зенитного угла наблюдений. Конкретный вид и параметры регрессии определяются на основе результатов точных радиационных расчетов со строгим полинейным учетом спектров поглощения атмосферных газов.
Вычисление эффективной оптической толщины в RTTOV выполняется суммированием определяемых в заданной последовательности вкладов поглощения отдельных газов. В версии RTTOV 9.1 (принятой в качестве базовой при разработке БРМ) индивидуально учитывается поглощение ИК-излучения шестью газовыми компонентами: водяным паром Н20, диоксидом углерода С02, озоном 03, оксидом азота М20, оксидом углерода СО и метаном СН4. Концентрации остальных оптически активных газов считаются постоянными, а их совокупный вклад в значение эффективной опти-
Таблица 1. Общее время (с) моделирования данных ИКФС-2 с помощью БРМ/ ИКФС и ЬВЬЯТМ
Количество моделируемых каналов
2701 2500 2000 1500 1000 500 300 100 50 10 1
БРМ/ИКФС 1.3 1.2 0.96 0.72 0.48 0.24 0.14 0.049 0.026 0.007 0.003
LBLRTM 45.0 40.0 32.7 23.5 18.5 11.3 7.7 4.0 2.8 1.6 1.3
ческой толщины вычисляется отдельной суммарной функцией.
В качестве "точных" значений эффективных оптических толщин ("предиктантов" в уравнении регрессии) были использованы результаты расчетов с помощью точной полинейной модели LBLRTM (версия 11.7, январь 2010 г.). Модель LBLRTM разработана в американской корпорации AER (Atmospheric and Environmental Research, Inc) и находится в открытом доступе на сайте http://www. rtweb. aer. com/lblrtm_frame .html. Основным достоинством LBLRTM является то, что в ней учитываются последние достижения в области атмосферной спектроскопии, и она проходит тщательную экспериментальную проверку в рамках американской программы ARM и других натурных экспериментов. Модель LBLRTM использовалась для расчетов монохроматических оптических толщин атмосферных слоев с высоким (0.0005 см-1) спектральным разрешением, на основании которых затем выполнялся расчет аподизированных функций пропускания.
Для нахождения регрессионных коэффициентов используется обучение БРМ на представительном глобальном наборе из 83 моделей атмосферы (Matricardi, 2008). Указанный набор был ранее отобран при построении БРМ, предназначенной, в частности, для моделирования и анализа данных IASI, AIRS. В обучающем наборе вертикальные профили температуры и концентрации всех учитываемых газов-поглотителей заданы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.