научная статья по теме НАЗЕМНЫЕ ПОДСПУТНИКОВЫЕ СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОДНОРОДНОСТИ ВОДНОСТИ ЗИМНИХ ОБЛАКОВ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «НАЗЕМНЫЕ ПОДСПУТНИКОВЫЕ СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОДНОРОДНОСТИ ВОДНОСТИ ЗИМНИХ ОБЛАКОВ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 2, с. 11-18

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

УДК 528.813

НАЗЕМНЫЕ ПОДСПУТНИКОВЫЕ СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОДНОРОДНОСТИ ВОДНОСТИ

ЗИМНИХ ОБЛАКОВ © 2009 г. А. В. Колдаев1, А. В. Троицкий2, Г. Г. Щукин3

Центральная аэрологическая обсерватория, Росгидромет РФ, Долгопрудный Московской обл.

2Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород 3Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, РосгидрометРФ, Санкт-Петербург

E-mail: avk425@rambler.ru Поступила в редакцию 20.06.2008 г.

Обсуждается вопрос о применимости модели "плоско-слоистой" атмосферы к задачам интерпретации данных СВЧ-радиометрического зондирования Земли из космоса. Приводится описание наземной СВЧ-радиометрической аппаратуры, работающей на частотах 85 и 37 ГГц (два облачных канала AMSU) для проведения подспутниковых измерений водозапасов облаков. Детально описан оригинальный алгоритм решения обратной задачи определения водозапасов зимних облаков. Приведены результаты сезонных непрерывных измерений водозапасов облаков. Анализ их доказывает статистическую обоснованность применения "плоско-слоистой" модели облачной атмосферы при интерпретации СВЧ-радиометрических данных ИСЗ в течение зимних сезонов.

ВВЕДЕНИЕ

Горизонтальная однородность водности облаков является ключевым вопросом во всех моделях переноса лучистой энергии в атмосфере. Хорошо известно, что именно жидкокапельная вода облаков в наибольшей степени влияет как на модельные оценки радиационного баланса атмосферы, так и на интерпретацию данных микроволнового (СВЧ-радиометрического) зондирования атмосферы с борта ИСЗ. Связано это в первую очередь с тем, что капельная вода является сильно поглощающей средой для всего спектра электромагнитного излучения, в то время как поглощение в кристаллической воде меньше в среднем на два порядка [1]. В частности, как было показано на моделях и экспериментально подтверждено в работе [2], эффект горизонтальной неоднородности поглощения электромагнитных волн в зимних облаках может приводить к ошибкам оценки радиационных потоков в несколько десятков процентов. В задачах интерпретации микроволнового зондирования атмосферы с борта ИСЗ понятие "плоскослоистой" или горизонтально-однородной атмосферы является ключевым. Так большинство современных методов решения обратных задач микроволнового зондирования [3] базируется априори на предположении, что не только свободная, но и облачная атмосфера обладает свойством "плоскооднородной" среды, т.е. и в облаках справедливо соотношение

т(0) = х(0)cos0, (1)

где т(0) — поглощение излучения в зените; х(0) — поглощение под углом 0 (0 — угол, отсчитываемый от зенита, или "зенитный угол").

Однако такое предположение представляется очень сильным и уж действительно не применимо для летних облаков кучевых форм, так как вертикальная конвекция приводит к абсолютно неоднородной горизонтальной структуре водности облаков [4].

Что же касается зимних облаков, то на первый взгляд вызывает удивление, что на современном уровне развития технологий экспериментальные данные о горизонтальной однородности облаков оказались недоступны в мировых центрах метеоданных и это при повсеместном развитии радиолокационных наблюдений и глобальном спутниковом мониторинге облачного покрова Земли. Однако указанное обстоятельство легко объяснимо тем фактом, что зондирование с ИСЗ не обладает достаточным пространственным разрешением, а радиолокация имеет принципиальные физические ограничения по измерению мелких капель облаков, определяющих водозапас.

Существует только две возможности по исследованию жидкокапельной воды в облаках: контактные самолетные измерения и дистанционные СВЧ-радиометрические. Несмотря на то что самолетные измерения гораздо более точные, только дистанционные СВЧ-радиометрические измерения с Земли способны обеспечить длинные статистические ряды наблюдений с приемлемым пространственным разрешением. При этом дан-

Технические характеристики радиометров 85 и 37 ГГц

Спецификация на СВЧ-радиометры с рабочими частотами 37 и 85 ГГц

Рабочие частоты, ГГц 37 85

Частота модуляции, КГц 2 2

Диаграмма антенны, град 4.5 4.5

Чувствительность, К 0.1 0.1

Потребление, Вт 24 24

Вес, кг 1.5 1.5

Диапазон сигнала, К 5-310 5-310

ные наземных СВЧ-радиометрических измерений идентичны по физическому принципу данным спутниковых измерений, что позволяет применять полученные результаты без существенных ограничений.

Настоящая работа посвящена анализу результатов долговременных СВЧ-радиометрических наблюдений с поверхности Земли за водозапаса-ми зимних облаков в течение сезона 1999—2000 гг. При этом главной целью анализа является статистическая проверка применимости плоско-слоистой модели атмосферы при наличии облаков в течение всего зимнего периода. Статистическая значимость результатов подтверждена сравнением с данными о водозапасах, полученными в двух других зимних сезонах с помощью аналогичной аппаратуры.

РАБОЧАЯ ГИПОТЕЗА

Исследование горизонтальной однородности водности зимних облаков можно осуществить, используя простую геометрию зондирования. Действительно, если один СВЧ-радиометр будет измерять интегральный водозапас в зенитном направлении, а второй под некоторым углом к горизонту, то наличие зависимости типа (1) будет указывать на то, что вертикальный профиль водности в облаках над точкой зондирования и на удалении нескольких километров от нее примерно одинаков, т.е. облака являются горизонтально-однородными и применение плоско-слоистой модели оправдано и для облачной атмосферы.

В отсутствие жидких осадков яркостная температура Тя (0), принимаемая радиометром на длине волны X в зенитном угле 0 [5],

где

Тя Д0) = Т(1 - ),

х, = а О + ч + ь,( Т) ж.

(2)

(3)

В выражениях (2) и (3): Т — среднекинетическая температура тропосферы [6]; т, (0) — оптическая толщина на длине волны X в зенитном угле 0; ах — поглощение в парообразной влаге атмосферы на длине волны X; Ь, (Т) — поглощение в жидкокапельной влаге (каплях облаков) на длине волны X при температуре Т; т0 — оптическая

толщина атмосферного кислорода; О — влагоза-пас атмосферы, который в соответствии с [6] является интегралом абсолютной влажности атмосферы по лучу зондирования; Ж — водозапас атмосферы, который в соответствии с [6] является интегралом жидкокапельной влаги (влаги, сконденсированной в облачных каплях) вдоль луча зондирования.

Так как выполнение соотношения (1), с учетом выражения (3), относительно водяного пара и кислорода очевидно, то проверка этого соотношения тождественна проверке равенства

Ж( 0) = Ж(0) ео8 0,

(4)

где Ж(0) — водозапас атмосферы в зените, а Ж(0) — водозапас в направлении 0. Для безусловной проверки равенства (4) естественно потребовать обеспечения максимального значения зенитного угла для радиометра, принимающего излучение по наклонной трассе. Однако этот угол ограничен большим поглощением в свободной атмосфере [6]. Так, расчеты показывают, что угол 0 = 70° можно считать максимальным для частот около 90 ГГц, при этом обеспечивается достаточный динамический диапазон приема сигналов от облаков.

При структуре комплекса измерений, когда одна система принимает излучение из зенита, а вторая под углом 70° к зениту, обе эти системы образуют плоскость измерений, перпендикулярную Земле. Из геометрии зондирования легко видеть, что при высоте облаков 1 км, зондируемые облачные объекты будут горизонтально удалены на 3 км, а при высоте облаков в 4 км, горизонтальная база между этими объектами составит 12 км.

ОБОРУДОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В ИЗМЕРЕНИЯХ

Измерения проводились с помощью двух независимых СВЧ-радиометрических систем. Первая была организована в стандартном исполнении [7]. В термостабилизированном трейлере были установлены два СВЧ-радиометра, работающие на частотах 85 и 37 ГГц. Собственное тепловое излучение атмосферы и облаков принималось через радиопрозрачное окно. Калибровка приборов осуществлялась по стандартной методике с помощью эталонного "черного тела" и ясного неба. Вторая система включала те же самые СВЧ-ра-

диометры с рабочими частотами 85 и 37 ГГц, однако была специально спроектирована для проведения автоматических необслуживаемых измерений в тяжелых зимних погодных условиях, включая шквальные снегопады, переохлажденные дожди, обледенение и т.д. Общий вид обоих систем, как и их схематическое строение, представлено в [8].

СВЧ-радиометры, использованные в первой и второй системах, имели примерно одни и те же технические характеристики, которые представлены в таблице.

Хотя необслуживаемая система была подробно описана в работе [8], тем не менее, ввиду оригинальности ее конструкции, ниже описываются основные элементы системы, позволившие решить задачу автономности и надежной непрерывной работы в тяжелых зимних условиях.

Метеозащита

Оба радиометра установлены в одном водонепроницаемом кожухе. Кожух имеет форму ящика с двумя радиопрозрачными цилиндрами, выступающими с противоположных сторон. Каждый цилиндр имеет диаметр 30 см и длину 40 см. Внутри цилиндра установлены плоские зеркала для приема излучения в направлении зенита. Оба цилиндра вращаются вокруг горизонтальной оси. Внутри кожуха находятся два СВЧ-радиометра с рупорно-линзовыми антеннами, имеющие двухуровневую систему термостабилизации; четыре шаговых двигателя (два для непрерывного вращения радиопрозрачных цилиндров и два для поворота плоских зеркал, находящихся в этих цилиндрах); две микропроцессорных платы и набор датчиков.

Всепогодность

Форма кожуха обеспечивает отсутствие накопления воды и снега на его поверхности. Для защиты радиопрозрачных цилиндров, через которые ведется прием излучения, от капель воды и снега, эти цилиндры непрерывно вращаются со скоростью от 1 об/мин и выше, а автомобильные "дворники", установленные под ними, обеспечивают чистоту поверхности.

Автономность

Необслуживаемый режим работы обеспечивается двумя встроенными микропроцессорными платами, которые получают информацию с более, чем 10 встроенных датчиков, и корректируют работу прибора в зависимости от внешних усло

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.

Показать целиком