ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 1, с. 3-8
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЛИНИЙ 22.2, 183 И 325 ГГц ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ВОДЯНОГО ПАРА В ТРОПИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЕ © 2013 г. А. Г. Сёмин А. В. Кузьмин2* , Ю. Б. Хапин 2, Е. А. Шарков 2
1 Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского, Пенза 2 Институт космических исследований Российской академии наук, Москва, * Е-шаП: kuzmin@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 29.05.2012 г.
В работе рассматривается возможность восстановления детальных профилей водяного пара в тропической атмосфере по данным спутниковых измерений радиотеплового микроволнового излучения. В прямой задаче анализируется возможность восстановления профиля водяного пара на 8—10 высотных уровнях до высоты 10 км с использованием резонансный линий поглощения 183 и 325 ГГц, а также использование линии 22.2 ГГц. В работе приводятся спектры интегрального поглощения в атмосфере, спектры радиояркостных температур атмосферы и системы атмосфера—океан в диапазоне 5—220 ГГц. Решение этой задачи, несомненно, будет принципиально важным шагом в изучении физических условий генезиса и эволюции тропических циклонов.
Ключевые слова: восстановление профиля водяного пара в атмосфере, микроволновая радиометрия, радиояркостная температура
Б01: 10.7868/80205961413010053
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных факторов, определяющих процессы, происходящие в системе атмосфера-океан, является атмосферный водяной пар. Получение оперативной информации о детальных трехмерных полях влажности методами дистанционного зондирования (ДЗ) Земли из космоса позволит решить ряд актуальных научных и практических задач. В частности, дает возможность изучения физических условий генезиса и эволюции тропических циклонов (ТЦ), предсказания возникновения катастрофических циклонов.
ТЦ представляет собой явление природы планетарного масштаба, и естественно считать, что его генезис также обусловлен гидродинамической крупномасштабной неустойчивостью. Однако обычная система уравнений гидродинамики для сухой атмосферы не описывает никакой крупномасштабной неустойчивости. В свою очередь конвективная неустойчивость не является крупномасштабной и не может отвечать за возникновение и развитие такой структуры, как ТЦ. Таким образом, поиск физического механизма, адекватно описывающего возникновение крупномасштабной неустойчивости типа ТЦ, является одной из важнейшей физических задач (8Иагкоу, 1998, 2000; Руткевич, Шарков, 2004; Шарков,
2010). Все существующие модели генезиса ТЦ сходятся на том, что его энергетическим источником является выделение скрытой теплоты конденсации и сублимации атмосферной влаги. Основные модели имеют варианты как "сухого", так и "влажного" вихрей, различающихся только своими энергетическими характеристиками, и роль фазовых превращений влаги в атмосфере для этих моделей не выходит за рамки вспомогательного элемента. В работах (ЯикеукИ, 2002; Руткевич, Шарков, 2004) предложена принципиально новая термогидродинамическая модель крупномасштабной неустойчивости в атмосфере с насыщенным водяным паром, которая может существенно изменить взгляды на формирование дистанционных микроволновых систем, предназначенных для исследования условий генезиса атмосферных катастроф. На основе модельных представлений, экспериментальных данных микроволновых комплексов и при учете насыщенности всего высотного столба атмосферы водяным паром показана принципиальная возможность существования немонотонного (в противоположность ситуации "сухой" атмосферы) распределения скорости звука по высоте (сжимаемая атмосфера) с явно выраженным минимумом величины скорости звука. Последнее и определяет необходимые условия генерации вихревых струк-
тур. Именно эти условия, которые сводятся к выявлению своего рода инверсии высотного профиля звука, ставят на повестку дня требования к принципиально новым методам ДЗ предкризисных и кризисных ситуаций в земной атмосфере. В первую очередь это относится к дистанционному определению пространственно-временных характеристик детального высотного профиля содержания водяного пара и температуры внутри облачных систем (конвективного и неконвективного характера) на значительных пространственных океанических акваториях. Существующие методики обработки ИК-данных — например, в режиме "расщепленные" окна (Грешку, 8сИегЫ-па, 1996), — не позволяют достичь необходимой точности восстановления профиля водяного пара. Подобные исследования возможно выполнить только при помощи пассивных микроволновых дистанционных космических систем нового поколения (Кузьмин и др., 2005).
В работе рассматривается возможность восстановления детальных профилей водяного пара в тропической атмосфере по данным спутниковых измерений радиотеплового микроволнового излучения. В прямой задаче анализируется возможность восстановления профиля водяного пара на восьми—десяти высотных уровнях до высоты 10 км с использованием резонансный линий поглощения 183 и 325 ГГц, а также с использованием линии 22.2 ГГц. В работе приводятся спектры интегрального поглощения в атмосфере, спектры радиояркостных температур атмосферы и системы атмосфера—океан в диапазоне 5—220 ГГц. Решение этой задачи, несомненно, будет принципиально важным шагом в изучении физических условий генезиса и эволюции ТЦ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕСОВЫХ ФУНКЦИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА
Для получения детальных вертикальных профилей влажности рассмотрим возможность использования резонансных линий молекулярного водяного пара 22.2, 183.3 и 325.1 ГГц.
Радиояркостная температура атмосферы при восходящем и нисходящем излучении на частоте V в мм-диапазоне длин волн под углом падения 9 определяется следующими выражениями:
T =
J T (h)Y v(h)exp
о
ж
Tad = J T (h)y v(h)exp
о
JY v h
sec Gdh'
-Jу v(h')sec Gdh'
sec Gdh,
sec Gdh,
где Т(к) — вертикальный профиль температуры; уу(к) — погонный коэффициент поглощения на высоте к.
Радиояркостная температура системы атмосфера—океан, регистрируемая антенной радиометра на орбите ИСЗ, определяется следующим выражением:
Tbv(Q) = [1 - RV(Q)]TS exp(-Tov sec0) + + Tau + Rv(0)Tad exp(-Tov sec 0), где Rv(0) — энергетический коэффициент отражения поверхности; TS — температура поверхности; t0v — зенитное интегральное поглощение радиоволн. При расчете радиояркостной температуры учитывались три составляющие. Первая составляющая — это излучение подстилающей поверхности, ослабленное атмосферой; вторая — яркостная температура восходящего излучения атмосферы; третья — нисходящее излучение атмосферы, отраженное поверхностью и ослабленное атмосферой. При проведении модельных расчетов реликтовое излучение не учитывалось.
Интегральное поглощение в атмосфере под углом 0 определяется выражением
V (0) = J Y V (h)
sec 0dh = t0v sec(
При расчетах учитывалось поглощение в молекулярном кислороде, молекулярном водяном паре и облачности. Поглощение радиоволн в см- и мм-диапазоне длин волн в атмосферном кислороде подробно рассмотрено в работах (Жевакин, Наумов, 1965; Жевакин, 1986), поглощение радиоволн в атмосферном водяном паре в этом диапазоне приводится в работах (Жевакин, Наумов, 1964; Зражевский, 1976). Модельные расчеты интегрального поглощения электромагнитного излучения в диапазоне 5—220 ГГц в молекулярном кислороде проводились по методике, приведенной в работе (Жевакин, 1986), расчеты поглощения в атмосферном водяном паре — по методикам (Зражевский, 1976).
Расчет весовых функций электромагнитного излучения атмосферы в окрестностях линий резонанса проводился методом численного интегрирования. Атмосфера до высоты 25 км разбивается на слои высотой Ah = 50 м, где рассчитывается погонное поглощение в середине каждого слоя. Радиояркостная температура /-го атмосферного слоя с учетом ослабления излучения вышележащими слоями может быть представлена в виде
n
Tai = T(hi) [1 - exp(-Y(h)Ah sec 0)] £ y(hk)Ah sec 0,
k=i+1
где T(h) — температура /-го слоя; y(h() — погонное атмосферное поглощение в середине слоя; n = 500 — число слоев. Яркостная температура каждого слоя нормируется к температуре слоя с максимальной радиояркостной температурой.
о
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЛИНИЙ
5
Н, км
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 К
Рис. 1. Весовые функции восходящего излучения атмосферы в линии резонанса водяного пара 183.31 ГГц. Тропическая атмосфера. Т = 300 К; Я = 19 г/м3; Ш = = 41.4 кг/м2. 1 — Частота 183.31 ± 12.0 ГГц, максимум 2.50 км; 2 — частота 183.31 ± 8.0 ГГц, максимум 2.90 км; 3 — частота 183.31 ± 5.95 ГГц, максимум 4.17 км; 4 — частота 183.31 ± 4.8 ГГц, максимум — 5.1 км; 5 — частота 183.31 ± 2.7 ГГц, максимум 6.0 км; 6 — частота 183.31 ± 2.1 ГГц, максимум 6.9 км; 7 — частота 183.31 ± 1.2 ГГц, максимум 7.8 км; 8 — частота 183.31 ± ± 0.3 ГГц, максимум 8.7 км.
Н, км
_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 К
Рис. 2. Весовые функции восходящего излучения атмосферы в линии резонанса водяного пара 325.1 ГГц. Тропическая атмосфера. Т = 300 К; Я = 19 г/м3; Ш = 41.4 кг/м2. 1 — Частота 325.1 ± 20.0 ГГц, максимум 2.50 км; 2 — частота 325.1 ± 8.0 ГГц, максимум 2.90 км; 3 — частота 325.1 ± 4.0 ГГц, максимум 4.17 км; 4 — частота 325.1 ± 3.1 ГГц, максимум 6.65 км; 5 — частота 325.1 ± 2.4 ГГц, максимум 7.35 км; 6 — частота 325.1 ± ± 1.0 ГГц, максимум 8.05 км.
При расчете весовых функций была выбрана стандартная тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 19.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 41.4 кг/м2. Угол 9 составляет 49.2° (высота орбиты 450 км, надирный угол — 45°). Предполагается двухполосный супергетеродинный режим приема радиометров, входные полосы симметричны относительно центров резонансных линий.
Результаты расчета весовых функций восходящего излучения атмосферы в линии 183.3 ГГц приведены на рис. 1. Центры полос приема выбирались таким образом, чтобы максимумы весовых функций достаточно равномерно располагались по высоте и охватывали максимальный диапазон высот. Здесь также учитывалась возможная ширина входной полосы приемного устройств
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.