ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 6, с. 4-15
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СПУТНИКОВОГО ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОГО АТМОСФЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2013 г. А. Б. Успенский*, А. Н. Рублев
ФГБУ "НИЦ "Планета", Москва *Е-таИ: uspensky@planet.iitp.ru Поступила в редакцию 06.05.2013 г.
Дано краткое описание гиперспектральных атмосферных ИК-зондировщиков, устанавливаемых на оперативных полярно-орбитальных метеоспутниках ЕРЗ/МеШр, 8иош1-МРР, "Метеор-М". Рассмотрены результаты анализа качества и валидации данных ИК-зондировщика ГАБ1/Ме1ор. Представлен обзор методов и технологий тематической обработки измерений указанных зондировщиков, позволяющих получать различные информационные продукты по параметрам атмосферы и подстилающей поверхности. Сообщаются результаты усвоения данных 1А$1 в моделях численного прогноза погоды ведущих зарубежных прогностических центров. Обсуждается применимость указанных данных и результатов дистанционного зондирования в климатических исследованиях. Сформулированы задачи, связанные с повышением эффективности использования спутниковых данных, которые требуют дополнительных исследований.
Ключевые слова: гиперспектральный ИК-зондировщик, спектральное разрешение, температурно-влажностное зондирование атмосферы, калибровка, валидация, статистический и физический алгоритмы, малые газовые составляющие, численный прогноз погоды
Б01: 10.7868/80205961413060092
ВВЕДЕНИЕ
Разработка и применение гиперспектральной аппаратуры и технологий дистанционного зондирования атмосферы (ДЗА) — важнейшее направление развития космических наблюдательных систем гидрометеорологического назначения. Определяющим фактором при этом являются требования пользователей спутниковой гидрометеорологической информации, в соответствии с которыми метеорологические спутники должны оперативно поставлять данные о термодинамических параметрах и составе атмосферы с определенными пространственно-временной дискретностью, разрешением и уровнем погрешности.
Выходные продукты ДЗА уже в настоящее время существенно дополняют данные наземной наблюдательной сети (аэрологические, синоптические и др.), а в будущем должны стать основными в информационном обеспечении численного прогноза погоды (ЧПП), мониторинга климатических изменений и изучения процессов атмосферной химии. Наибольший приоритет из упомянутых спутниковых информационных продуктов при усвоении в моделях ЧПП имеют данные температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА), роль которых возрастает в условиях сокращения наземной сети аэрологического зондирования.
Многолетние обсуждения, проведенные под эгидой Всемирной метеорологической организации (ВМО) и подкрепленные результатами специальных вычислительных экспериментов, поз-
волили гармонизировать требования производителей и пользователей данных ТВЗА (Успенский и др., 2005): спутниковые оценки профилей температуры в тропосфере и нижней стратосфере должны иметь погрешность не более 1 К и вертикальное разрешение около 1 и 2 км соответственно; точность оценок профилей относительной влажности в тропосфере должна быть не хуже 10% при вертикальном разрешении 1—2 км. В цитируемом обзоре можно найти также требования к другим выходным информационным продуктам, получаемым по данным гиперспектральных зондировщиков.
Технологии получения данных ТВЗА по информации спутниковых зондировщиков инфракрасного (ИК) и микроволнового (МКВ) диапазонов спектра достаточно хорошо отработаны за рубежом и в нашей стране. С середины 1980-х годов указанные продукты оперативно производились по данным спутников серии МОАА, "Метеор", причем, по уровню погрешности и вертикальному разрешению данные ТВЗА заметно уступали данным аэрологического зондирования. Поэтому последние 20 лет теоретически прорабатывались и экспериментально апробировались пути улучшения этих характеристик. Применительно к ИК-зондировщикам они сводятся к переходу от спутниковой аппаратуры малого спектрального разрешения (к/Кк ~ 50, где к — длина волны, К к — абсолютное спектральное разрешение) с небольшим числом каналов (5—20) к приборам высокого спектрального разрешения типа Фу-
рье-спектрометра (двухлучевого интерферометра Майкельсона) или дифракционного спектрометра (k/Ak « 1000). Спектрометры позволяют регистрировать спектры с большим (несколько тысяч) количеством точек отсчета. В терминах волновых чисел v, (v = 104/k, где [v] = см-1, [k] = мкм) спектральное разрешение современных ИК-зондировщиков меняется в пределах 0.3-2.0 см-1. В отечественной и зарубежной литературе принято называть подобную аппаратуру гиперспектральной.
В статье, носящей обзорный характер, дано краткое описание гиперспектральных ИК-зонди-ровщиков, которые устанавливаются на оперативные полярно-орбитальные (п/о) метеоспутники нового поколения. Представлен обзор методов и алгоритмов получения продуктов ДЗА на основе тематической обработки или "обращения" измерений указанных зондировщиков. Приведены данные об эффективности использования результатов ТВЗА в ведущих зарубежных прогностических центрах. Обсуждается также применимость выходных продуктов ДЗА в климатических исследованиях. В заключении кратко обсуждаются перспективы работ по данной тематике, включая задачи, которые требуют дополнительных исследований.
Следует отметить, что настоящая статья продолжает и дополняет обзоры (Успенский и др., 2005; Smith et al., 2009; August et al., 2012; НШоп et al., 2012). При ее подготовке использованы материалы последней Международной конференции по данным IASI (Франция, 04-08 февраля 2013 г., http://www.iasi2013com/oral.html). Потребность в написании нового обзора связана с необходимостью ознакомить российских читателей со значительным прогрессом, достигнутым в создании гиперспектральной аппаратуры и технологий ДЗА за последнее десятилетие. В 2002 г. на борту спутника EOS/Aqua (США) был запущен гиперспектральный ИК-зондировщик AIRS, данные которого уже в 2004 г. стали оперативно поступать для усвоения в ведущие прогностические центры мира. К настоящему времени на европейских и американском п/о-метеоспутниках функционируют еще три гиперспектральных ИК-зондировщика (IASI/Metop-А, -В, CrIS/Suomi-NPP) и готовится к запуску первый отечественный гиперспектральный ИК-зондировщик ИКФС-2. За этот период накоплены большие по объему архивы фактических спутниковых измерений ИК-зондировщиков, созданы и успешно функционируют оперативные технологии обработки и усвоения данных и информационных продуктов ДЗА. Выполнен ряд оригинальных методических проработок, направленных на расширение номенклатуры и повышение достоверности результатов ДЗА. Вне рамок обзора, учитывая его направленность, остались довольно многочисленные эксперименты по различным задачам ДЗА, выполненные в последние годы с использованием гиперспектральной аппаратуры на зарубеж-
ных исследовательских спутниках (MIPAS/Envisat, TES/Aura, FTS/GOSAT).
СОВРЕМЕННЫЕ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫЕ ИК-ЗОНДИРОВЩИКИ
Программы развития оперативных метеоспутников Европы, США и России предусматривают разработку атмосферных гиперспектральных ИК-зондировщиков. Запуск спектрометра AIRS (Advanced IR Sounder - усовершенствованный ИК-зондировщик), см. (Aumann et al., 2003), позволил проверить экспериментально возможность получения данных ТВЗА с улучшенными точностными характеристиками и подтвердил высокий информационный потенциал данных измерений. Продолжение запусков аналогичной аппаратуры не планируется. Аппаратура IASI (IR Atmospheric Sounding Interferometer - ИК-интер-ферометр атмосферного зондирования) разрабатывалась Национальным центром космических исследований Франции CNES (Chalon et al., 2001) и установлена на европейских п/о метеоспутниках серии EPS/Metop. В качестве будущего штатного ИК-зондировщика Агентство США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) разработало и запустило в 2011 г. на борту спутника Suomi-NPP гиперспектральный ИК-зондировщик CrIS (Cross-track IR sounder -ИК-зондировщик поперечного сканирования). В нашей стране ведется подготовка к запуску отечественного гиперспектрального зондировщика ИКФС-2 (ИК-Фурье-спектрометр-2) на борту п/о метеоспутника "Метеор-М" № 2 (Завелевич и др., 2008; Головин и др., 2013).
Основные характеристики перечисленной аппаратуры вместе с указанием года запуска приведены в таблице. В дополнение к таблице отметим, что бортовая радиометрическая калибровка измерений IASI выполняется отдельно для спектральных областей 1 (645-1210 см-1/8.26-15.5 мкм), 2(1210-2000 см-1/5.00-8.26 мкм) и 3 (20002760 см-1/3.62-5.00 мкм), а затем формируется полный спектр (область покрытия 645-2760 см-1). В спектрах ИКФС-2 отсутствуют данные в области 3. Спектры AIRS, CrIS несплошного покрытия содержат данные в областях 650-1095 см-1, 1210-1750 см-1 и 2155-2550 см-1.
Наилучшие для целей ДЗА характеристики по спектральным разрешению и покрытию, а также по пространственному разрешению имеют, согласно таблице, ИК-зондировщики IASI (IASI-А, IASI-В). Другие ИК-зондировщики из таблицы, несмотря на более грубое спектральное разрешение и не сплошное покрытие, также, в соответствии с теоретическими и экспериментальными оценками, обеспечивают получение данных ТВЗА с требуемыми уровнем погрешности и вертикальным разрешением.
Характеристики гиперспектральных ИК-зондировщиков
Аппаратура IASI-А IASI -В AIRS CrIS ИКФС-2
Спутник Metop-А Metop-В EOS/Aqua NPP "Метеор-М" № 2
Год запуска 2006 2012 2002 2011 2013
Местное время пересечения экватора (нисходящая орбита), ч : мин Утреннее (09:30) Послеполуденное (13:30) Утреннее (09:00 - планируется)
Технология (техника измерений) Фурье-спектрометры Дифракционный спектрометр Фурье-спектрометр Фурье-спектрометр
Пространственное разрешение, км 12 14 35
Спектральный диапазон, см-1/ мкм 645-2760/3.62-15.5 667-2000/5.0-15.0
Количество каналов 8461 2378 1305 2700
Спектральное покрытие Сплошное Не сплошное Сплошное
Спектральное разрешение, см-1 0.5 0.4-2.1 0.625-2.5 0.7-1.4
Аппаратура IASI должна функционировать на спутниках серии Metop до 2018 г. В последующие годы планируется заменить эту аппаратуру на ИК-зонд
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.