ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 2, с. 41-52
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
О ВОЗМОЖНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ ТРОПИКОВ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ В ЛИНИИ 183 ГГц ИЗ КОСМОСА © 2012 г. А. Г. Семин1*, А. В. Кузьмин2, Ю. Б. Хапин2, Е. А. Шарков2
Пензенский государственный педагогический университет, Пенза 2Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН, Москва
*E-mail: semin@sura.ru Поступила в редакцию 29.03.2011 г.
Радиометрические спутниковые данные могут быть с успехом использованы не только опосредованно для восстановления значений метеорологических параметров, но и непосредственно, в качестве прямых характеристик теплового и динамического взаимодействия океана и атмосферы. В настоящей работе рассматривается возможность получения детальных данных по восстановлению профиля водяного пара в атмосфере. Решение этой задачи, несомненно, будет принципиально важным шагом в изучении физических условий генезиса и эволюции тропических циклонов. Анализируется возможность детального (8—10 градаций на высотах от 0 до 10 км) восстановления профиля водяного пара с использованием резонансной линии поглощения 183 ГГц. Наряду с этим, чтобы исключить влияние неопределенности в определении профиля температуры, рассматривается целесообразность введения в состав радиометра измерений в линии 118 ГГц.
Ключевые слова: восстановление профиля водяного пара в атмосфере, микроволновая радиометрия, радиояркостная температура
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время данные дистанционного радиотеплового зондирования Земли в микроволновом диапазоне из космоса широко используются для измерения температурных и влаж-ностных характеристик атмосферы, а также характеристик земной поверхности (8Иагкоу, 2003). Однако диапазоны электромагнитных длин волн и методы, традиционно используемые для зондирования, не позволяют детально исследовать температурные и влажностные поля земной атмосферы, находящейся в экстремальных состояниях, таких как условия генезиса тропических циклонов. Тропический циклон представляет собой явление природы крупного 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 (по сравнению с характерными размерами земной атмосферы) и сама по себе не может отвечать за возникновение и развитие такой крупномасштабной структуры, как тропический циклон. Таким образом, поиск физического механизма, адекватно
описывающего возникновение крупномасштабной неустойчивости типа тропического циклона (ТЦ), является важнейшей физической проблемой (БЬагкоу, 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. Однако хотя основные модели имеют варианты как "сухого", так и "влажного" вихрей, эти варианты отличаются только своими энергетическими характеристиками, и роль фазовых превращений влаги в атмосфере для этих моделей не выходит за рамки вспомогательного элемента. При этом упускается из рассмотрения возможность того, что процессы фазовых превращений атмосферной влаги могут приводить к принципиальным изменениям динамики атмосферы. 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,
т, Нп
1000 :
100 :
10 -
1 :
0.1 :
0.01
0 20 40 60
80 100 120 140 160 180 200 220 240
V, ГГц
Рис. 1. Интегральное поглощение электромагнитного излучения в атмосфере в диапазоне 5 — 250 ГГц, угол визирования 50.19° от надира. Метеоданные соответствуют: 1 — стандартная атмосфера средних широт, температура воздуха у поверхности — 294 К, влажность — 14.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 2.94 г/см2; 2 — стандартная тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 19.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 4.14 г/см; 3 — максимальная влажность, тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 26.4 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 6.93 г/см2.
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 структур. Именно эти условия (выявления своего рода инверсии высотного профиля звука) ставят на повестку дня требования к принципиально новым методам дистанционного зондирования 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, 8еИегЫпа, 1996)) не позволяют достичь необходимой точно-
сти восстановления профиля водяного пара. Подобные исследования принципиально возможно выполнить только при помощи пассивных микроволновых дистанционных космических систем нового поколения (Кузьмин и др., 2005).
Одним из возможных решений этой задачи является использование спектральных измерений в линии резонанса атмосферного водяного пара 183 ГГц.
В настоящей работе исследуется потенциальная возможность восстановления профиля водяного пара по спутниковым радиометрическим данным в атмосфере тропических широт. По имеющимся у авторов данным, в зонах крупномасштабных тропосферных возмущений содержание водяного пара в атмосфере может составлять до 70 кг/м2, характеристическая высота распределения пара превышает 2.7 км. Использование низкочастотной линии резонанса водяного пара 22.2 ГГц не позволяет определить детальные профили водяного пара до высот 8—10 км. Одним из возможных решений этой задачи является использование линии резонанса водяного пара 183 ГГц. Возможность восстановления профиля
Т, К 300 Г
280
260
240 -
220 -
200
180
160 -
140 -
120 -
100 -
80
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
V, ГГц
Рис. 2. Радиояркостная температура электромагнитного излучения системы атмосфера—океан в диапазоне 5—250 ГГц, горизонтально поляризованное излучение, угол падения 50.19°. Метеоданные соответствуют: 1 — стандартная атмосфера средних широт, температура воздуха у поверхности — 294 К, влажность — 14.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 2.94 г/см2, температура поверхности — 294 К; 2 — стандартная тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 19.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 4.14 г/см2, температура поверхности — 300 К; 3 — максимальная влажность, тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 26.4 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 6.93 г/см2, температура поверхности — 300 К.
водяного пара проверялась численными модельными расчетами для системы атмосфера—океан.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА
Радиояркостная температура системы атмосфера—поверхность на частоте v в миллиметровом диапазоне радиоволн под углом падения 9, регистрируемая антенной радиометра на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), определяется следующим выражением (Башаринов, 1974):
Tbv(Q) = [1 - ^(0)] Ts exp(-t0v sec 0) +
J T(h)y v(h)expi -Jyv(h')sec0dhh
Rv(0)exp(-tov sec 0) x
x JT(h)Y v(h)exp
-J y v(h)sec 0dh'
sec 0dh
sec 0dh,
где к, к' — высота над поверхностью океана; ^(0) — энергетический коэффициент отражения поверхности; Т5 — температура поверхности; т^ — интегральное поглощение радиоволн в зените; Т(к) — вертикальный профиль температуры; Yv(k) = Yvo(к) + Yvw(к) - погонный коэффициент поглощения радиоволн в атмосфере; Yv0(k) — погонный коэффициент поглощения радиоволн в кислороде; YVw(k) — погонный коэффициент поглощения радиоволн в водяном паре.
При расчете радиояркостной температуры учитывались три составляющие: первая — это излучение самой подстилающей поверхности, ослабленное атмосферой; вторая — это яркост-ная температура восходящего излучения атмосферы; третья — нисходящее излучение атмосферы, отраженное поверхностью и ослабленное атмосферой.
0
от
Т, К
V, ГГц
Рис. 3. Радиояркостная температура электромагнитного излучения системы атмосфера—океан в диапазоне 5—250 ГГц, вертикально-поляризованное излучение, угол падения 50.19°. Метеоданные соответствуют: 1 — стандартная атмосфера средних широт, температура воздуха у поверхности — 294 К, влажность — 14.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 2.94 г/см2, температура поверхности — 294 К; 2 — стандартная тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 19.0 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 4.14 г/см2, температура поверхности — 300 К; 3 — максимальная влажность, тропическая атмосфера, температура воздуха у поверхности — 300 К, влажность — 26.4 г/м3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 6.93 г/см2, температура поверхности — 300 К.
Интегральное поглощение в атмосфере под углом 9 определяется выражением
tv(9) = jy v(h)sec 9dh = т0v sec 9.
0
Методика расчета погонного поглощения радиоволн в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн в атмосферном кислороде приведена в работах (Жевакин, Наумов, 1965; Жева-кин, 1986). Погонное погло
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.