УДК 551.522.2:551.507.362.2
Определение температуры земной поверхности по данным измерений уходящего теплового излучения с геостационарных метеорологических ИСЗ
В. И. Соловьев*, А. Б. Успенский*, С. А. Успенский*
Рассматривается новый метод дистанционного определения температуры поверхности суши (ТПС) Ts по данным разновременных измерений аппаратуры SEVIRI/"Meteosat-9" в каналах окна прозрачности 10,5—12,5 мкм при отсутствии облачности в поле зрения прибора. Метод представляет комбинацию двух известных алгоритмов тематической обработки спутниковых данных и позволяет определять Ts без привлечения данных о значениях излучательной способности суши в пунктах зондирования. Эксперименты по обработке фактических данных SEVIRI за отдельные дни осени 2008 г., а также сравнение результатов с независимыми спутниковыми оценками Ts подтверждают работоспособность и эффективность предложенного метода. Выполнен анализ возможности детального описания суточного хода ТПС по данным SEVIRI с использованием предложенного метода оценки Ts.
1. Введение
Дистанционное определение по спутниковым данным температуры земной поверхности (Т5) позволяет существенно улучшить информационное обеспечение задач численного анализа и прогноза погоды, гидрологии и агрометеорологии, исследований климата и глобальных изменений. Обычно для определения Т5 в любое время суток используют спутниковые радиометрические измерения уходящего ИК излучения в спектральном диапазоне 10,5—12,5 мкм — окне прозрачности атмосферы. В зависимости от типа земной поверхности выделяются две задачи разной сложности: картирование полей температуры поверхности океана (ТПО) и поверхности суши (ТПС). В обоих случаях под Т понимается радиационная температура поверхности (характеризует излучение поверхностного слоя толщиной ~30 мкм), усредненная по индивидуальному полю зрения прибора (пикселу) и спектральному диапазону Ду радиометрических измерений (у — волновое число) [6]. Уходящее излучение на уровне земной поверхности зависит от Т5 и величины излучательной способности е — отношения фактического излучения к теоретическому, испускаемому абсолютно черным телом при заданной температуре. Значения е = е(у, 9), разные для разных
* Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета"; e-mail: uspenskys@planet.iitp.ru.
поверхностей, зависят от v, а также от угла визирования G [14, 1?]. В дальнейшем изложении зависимостью e от G пренебрегаем.
Водная поверхность для излучения в ИК диапазоне спектра близка к абсолютно черному телу (e(v) = 1), что облегчает задачу картирования TПO. Методы картирования TПO, первоначально предложенные для двух-канальной измерительной схемы (каналы 10,5—11,5, 11,5—12,5 мкм), получили название методов "расщепленного окна прозрачности" (POП или SWM — Split-window Method) [1, 5, ?]. Их основное преимущество — достижение хорошей точности определения Ts (лучше 1 К) без привлечения высокоточной априорной информации о вертикальных распределениях температуры T(p) и влажности q(p) в пунктах зондирования (p — давление). На основе методов POП созданы и оперативно эксплуатируются эффективные технологии построения полей Ts по данным измерений с полярно-орбитальных ИCЗ в условиях безоблачной атмосферы [1, 5].
Дистанционные методы определения TПC по спутниковым данным развиты в меньшей степени вследствие необходимости учета эффекта нечерноты поверхности. Большинство исследований последних лет посвящены разработке методов дистанционного определения Ts по данным измерений уходящего ИК излучения с полярно-орбитальных ИCЗ включая многоканальные измерения радиометров AVHRR (спутники серий "NOAA", "MetOp"), MODIS (спутники EOS "Aqua", "Terra"), а также многоканальные и многоугловые измерения радиометров ATSR, AATSR (ИCЗ "ERS", "Envisat"). Oдновременное определение Ts и e(v) по спутниковым измерениям указанного состава невозможно без привлечения априорной информации об e(v) вследствие недоопределенности исходной обратной задачи. При анализе спутниковых измерений в n каналах необходимо определить n + 1 параметров (e1, ..., en, Ts), т. е. число неизвестных превосходит число уравнений n, даже если считать заданными профили T(p), q(p). Априорное знание e(v) в пунктах зондирования позволяет использовать для оценки TПC локальные алгоритмы метода PO^ регрессионные коэффициенты в которых зависят от e(v) в пунктах зондирования [?, 10, 13, 19]. При этом, согласно результатам теоретического анализа информативности данных AVHRR по отношению к TПC [2, ?], для восстановления значений TПC с погрешностью не хуже 1 К требуется задание e(v) в пунктах зондирования с точностью 0,01.
Помимо указанного, TПC имеет значительную пространственную (в частности, в пределах одного пиксела зондирующей аппаратуры) и временную изменчивость (суточный цикл, эффекты перегрева), что затрудняет валидацию результатов спутникового зондирования. Для валидации приходится сопоставлять результаты точечных in situ наблюдений термодинамической температуры Ts с пространственно осредненными спутниковыми оценками радиационной температуры. Наблюдения Ta — температуры приповерхностного воздуха (на уровне ~ 2 м) — также мало пригодны для валидации спутниковых оценок Ts, поскольку разность |Ts - Ta| над сушей может быть значительной.
Oтметим в дополнение к сказанному, что использование данных с одного полярно-орбитального ИCЗ обеспечивает покрытие одной и той же территории только дважды в сутки, в связи с чем невозможен детальный мониторинг суточного хода Ts.
Большинство предложенных способов учета эффектов нечерноты земной поверхности основывается на привлечении дополнительной информации об e(v) или в форме упрощающих гипотез и количественных ограничений, или априорного задания (относительных, абсолютных) значений e(v) для используемых спектральных каналов. Типичной гипотезой является постоянство e(v) в нескольких соседних спектральных каналах и (или) для двух или нескольких сроков наблюдений [8, 21]. Определенный практический интерес представляют работы, подобные [18], в которых предлагается использовать эмпирические соотношения между e(v) и вегетационными индексами типа NDVI.
Известны подходы, связанные с получением количественных ограничений для e(v) или их оценкой непосредственно из многоспектральных измерений. В работах [6, 12] предложено ввести специальные нелинейные комбинации измерений в каналах 3, 4, 5 радиометра AVHRR и использовать их для независимой оценки e(v) в этих каналах, а затем применить локальный алгоритм РОП для оценки Ts. В работе [4] предлагается строить подобные индексы и определять e(v) на основе совмещенных измерений сканера AVHRR (каналы 4, 5) и ИК-зондировщика HIRS/2 (канал 8) с последующей оценкой Ts. К сожалению, сложность и недостаточная устойчивость этих алгоритмов затрудняют их оперативное применение.
Возможности почти непрерывного во времени дистанционного мониторинга ТПС с удовлетворительной точностью в умеренных и низких широтах возникли в последние годы после запусков европейских геостационарных метеоспутников второго поколения MSG ("Meteosat-8, -9"). Измерительная аппаратура этих спутников, а именно, сканер-имаджер SEVIRI имеет 12 каналов, в том числе два ИК канала в спектральном диапазоне 10,5—12,5 мкм (линейный размер пиксела в подспутниковой точке ~3— 4 км), причем измерения выполняются каждые 15 мин [16].
На отечественном геостационарном спутнике серии "Электро-Л", который планируется к запуску в 2010 г., устанавливается измерительная аппаратура МСУ-ГС, подобная (по информативности) аппаратуре SEVIRI. Это позволяет использовать данные SEVIRI для отработки методов восстановления ТПО и ТПС по информации МСУ-ГС.
Цель настоящей работы — рассмотрение нового метода дистанционного определения ТПС по данным измерений аппаратуры SEVIRI/"Meteosat-8, -9" в условиях безоблачной атмосферы (раздел 2). Метод испытан на выборках фактических разновременных измерений SEVIRI/"Meteosat-9" для двух областей Европейского региона за отдельные дни осени 2008 г. (раздел 3). Сравнение результатов определения Ts с независимыми синхронными оценками ТПС, получаемыми по информации SEVIRI, а также по данным MODIS/EOS "Aqua", "Terra", подтверждает работоспособность предложенного метода. В разделе 4 обсуждается возможность применения созданного метода тематической обработки данных SEVIRI для детального мониторинга суточного хода ТПС.
2. Метод анализа данных SEVIRI
Предложенный в данной работе подход представляет собой комбинацию алгоритмов метода РОП и метода двух температур (МДТ) из работы
[8] и использует разновременные измерения аппаратуры SEVIRI/"Meteo-за1:-9" в каналах РОП 9 (10,8 мкм) и 10 (12,0 мкм). Приведем краткое описание этих алгоритмов, а также комбинированного метода оценки Т5 и е1,
В локальном методе РОП оценка Т5 вычисляется по формуле, предложенной в работах [6, 7, 13, 19]:
Т = а,1+ (а,2 + азЕ1(е) + «4^2(е))(Т1 + Г2) +
+ (а5 + аб^1(е) + а7^2(е))(Т1 - Т2). (1)
Здесь Т1, Т2 — радиационная температура, измеренная в каналах 9 и 10; #1(е) = (1 - е)/е; ^(е) = Де/е2; е = 0,5(е1 + е2); Де = е1 - е2; е1, е2 — излуча-тельная способность для каналов 9 и 10; а1, а2, ... , а7 — набор регрессионных коэффициентов, зависящих от угла визирования 9: а1 = аг(9). Коэффициенты аг(9) определяются с помощью метода наименьших квадратов (м. н. к.) в диапазоне углов 9 между 0 и 55° с шагом 5° по обучающей выборке:
{Ту (к; 9), Т2Р (к; 9), Т5(к), е1(к), е2(к)}, к — номер реализации, к = 1, ..., N.
Здесь Т^ (к; 9), Т2Р (к; 9) — моделированные измерения в каналах 9, 10, полученные для заданного угла 9 с помощью программного комплекса быстрых и точных радиационных расчетов RTTOV-7 [15]. Формула (1) применима для оценки Т5 при заданных е1, е2.
Идея МДТ предложена в работе [21], основывается на использовании разновременных измерений (как минимум за два срока t1 и 12) при дополнительной гипотезе о постоянстве е(у-; t1) = е(у/; t2), ] = 1, 2. При измерениях в п каналах необходимое число сроков М определяется неравенством М > п/(п - 1), т. е. М > 2 для метода РОП с п = 2. Оценки Т5(^), ..., Т^М),
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.