ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 5, с. 37-42
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
СПУТНИКОВОЕ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ
В ОБЛАЧНЫХ УСЛОВИЯХ
© 2012 г. А. В. Поляков*, Ю. М. Тимофеев, В. С. Косцов
Санкт-Петербургский государственный университет, Физический факультет *Е-таП: polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 21.10.2011 г.
На основе численных экспериментов по замкнутой схеме анализируются погрешности определения вертикальных профилей температуры в условиях облачной атмосферы с помощью российских приборов спутника "Метеор": ИКФС-2, МТВЗА-ГЯ и МСУ-МР. Показано, что погрешности спутникового зондирования в инфракрасном (ИК) диапазоне с помощью отдельно используемого прибора ИКФС-2 в условиях облачной атмосферы значительно возрастают в тропосфере и их среднеквадратичные величины могут достигать ~5 К и более. Погрешности при использовании прибора МТВЗА-ГЯ в тропосфере могут составлять 2.0—3.5 К независимо от наличия облачности. Совместное использование микроволновых (МКВ) измерений и 40 стратосферных каналов в ИК-области позволяет существенно повысить точности температурного зондирования только в стратосфере. Использование МКВ-измерений и квазиоптимального набора ИК-измерений (273 канала прибора ИКФС-2) позволяет определять вертикальный профиль температуры в большей части тропосферы с погрешностями 1—2 К при наличии облачности.
Ключевые слова: спутниковое комплексное ИК- и МКВ-зондирование атмосферы, ИКФС-2, МТВЗА-ГЯ, МСУ-МР, численное моделирование, погрешности температурного зондирования, облачные условия
ВВЕДЕНИЕ
При решении классической задачи спутниковой метеорологии — определении вертикальных профилей температуры — используются одновременные измерения уходящего теплового излучения в полосах СО2 и О2 в инфракрасной (ИК) и микроволновой (МКВ) областях спектра (Кондратьев, Тимофеев, 1978). Подобная спутниковая система температурного зондирования создается в настоящее время в России на базе приборов ИКФС-2 и МТВЗА-ГЯ (Дядюченко и др., 2010) с привлечением данных о параметрах облачности оптического сканера малого разрешения МСУ-МР. Спутниковое температурное зондирование осуществляется в различных условиях облачного состояния атмосферы: в безоблачной, частично облачной и сплошной облачной ситуациях. В условиях сплошной облачности основная роль в решении задачи температурного зондирования тропосферы отводится, как правило, измерениям уходящего излучения в МКВ-области спектра. Эту роль в планируемой российской системе спутникового температурного зондирования атмосферы будет играть прибор МТВЗА-ГЯ. В условиях частичной облачности разработаны различные следующие подходы к использованию ИК-измерений уходящего излучения для температурного зондирования:
1) методики определения излучения безоблачной атмосферы на основе анализа последовательности кадров измерений (Chahine, 1974, 1977; Smith, 1968; Susskind et al., 2003, 2006). С учетом особенностей пространственного сканирования прибора ИКФС-2 этот подход неприменим, так как прибор не обеспечивает обязательного для этого сплошного покрытия области измерений;
2) определение различных параметров облаков из самих многоспектральных ИК-измерений или ИК- + МКВ-измерений (Menzel et al., 1983; Eyre, 1989; Li et al., 2005; Zhou et al., 2005; Zhou et al., 2007). При этом часто привлекаются данные одновременных измерений сканеров более высокого пространственного разрешения. Для спутника "Метеор" таким прибором будет сканер МСУ-МР, который может давать информацию о балльности и высоте облаков.
При втором подходе рассматриваются также возможности определения более детальных характеристик облаков, например, оптической толщины облаков и эффективных размеров облачных частиц из многоспектральных ИК-измере-ний (Liu et al., 2009).
В данной работе анализируются погрешности температурного зондирования в условиях облачной атмосферы при использовании различных наборов измерений на спутнике "Метеор". Отме-
тим, что для измерений прибора ИКФС-2 в безоблачной атмосфере погрешности определения температуры и других параметров атмосферы и поверхности рассматривались в работах (Поляков и др., 2009, 2010а, 2010б).
ДЕТАЛИ РАСЧЕТОВ
Для численного анализа погрешностей температурного зондирования в облачных условиях необходимо располагать представительным ансамблем возможных значений физических параметров состояния облачной атмосферы и поверхности. При создании этого ансамбля нами использовался ансамбль данных вертикальных профилей температуры, влажности, отношения смеси озона (широко используемый за рубежом ансамбль TIGR), также использованный ранее в работах (Поляков идр., 2009, 2010а, 2010б) ансамбль для безоблачной атмосферы. За основу модели облачности была взята база данных, созданная на основе судовых аэрологических и гидрометеорологических измерений, а также измерений на островных станциях и использовавшаяся в исследованиях (Заболотских и др., 2000, 2007). Сформированная база данных облачной атмосферы для данного исследования содержит 2311 реализаций и включает:
— вертикальные профили температуры, К;
— профили отношения смеси водяного пара, г/г;
— профили отношения смеси озона, метана, закиси азота;
— температуру поверхности суши, град;
— профили водности облаков, г/м3;
— балльность облаков;
— скорость приводного ветра и соленость поверхностного слоя воды;
— излучательную способность поверхности суши (ИСПС) в ИК- и МКВ-диапазонах спектра.
Конкретные реализации ИСПС вычислялись по методике (Тимофеев, Мартынов, 1996) для ИК-диа-пазона и брались из банка данных AMSR-E Emissiv-ity Database (http://www.aer.com/scienceResearch/ mwrs/emis.html) для МКВ-диапазона.
Для излучательной способности водной поверхности (ИСВП) в ИК-области использовалась неизменная спектральная зависимость (Nalli, 2001). В МКВ-области ИСВП вычислялась из значений скорости ветра и солености воды. Балльность облаков разыгрывалась с применением программного генератора (датчика) случайных чисел как случайная величина, равномерно распределенная в интервале [0, 10].
Исследование погрешностей температурного зондирования осуществлялось на основе замкнутых численных экспериментов для большого числа реализация состояния атмосферы и поверхно-
сти для различных широтных зон (по классификации ансамбля ТЮЯ).
Расчет яркостной температуры уходящего МКВ-излучения осуществлялся с помощью известной интегральной формы уравнения переноса с учетом поглощения кислородом, водяным паром и жидкокапельной влагой облаков.
В ИК-области спектра использовалась простейшая модель облачной атмосферы, определяемая балльностью облаков и их высотой. Облака предполагались абсолютно черными излучателями. Верхние границы облаков находились в диапазоне высот 1—10 км, но большая часть их относилась к облакам нижнего яруса (верхние границы облаков 1—3 км), для которых приближение абсолютно черных излучателей выполняется с высокой точностью.
Излучение при наличии облаков в обеих областях спектра вычислялось по формуле
/Т = ((10 - N/БО + N10)/10,
где /БО и / О — уходящие излучения в безоблачной и облачной атмосфере, N — балльность облачности.
В численных экспериментах по замкнутой схеме решалась комплексная обратная задача по определению профилей температуры, влажности и малых газовых составляющих (МГС), водности облаков, температуры поверхности, ИСПС в ИК-и МКВ-областях спектра, а также (в случае водной поверхности) — скорости приводного ветра. Относительно солености задача оказалась малоинформативна, поэтому соленость не определялась.
Решение обратной задачи по определению указанных параметров осуществлялось с помощью метода множественной линейной регрессии. Использование этого метода для оценки погрешностей правомерно, так как применение дополнительных итераций на основе физико-математического подхода мало меняет результаты при определении профиля температуры (Успенский, 2003). Расчеты проводились для различных широтных зон и поверхностей, и при моделировании случайных погрешностей измерений уходящего излучения соответствующими приборам ИКФС-2 и МТВЗА-ГЯ. Далее анализировались среднеквадратические погрешности определения температуры в основном тропосферы, где наблюдается существенное влияние облаков, полученные на основе проведения численных экспериментов для большого числа (от нескольких сотен до тысячи) реализаций состояния атмосферы и поверхности для различных широтных зон. Проиллюстрируем полученные результаты для условий средних широт и наблюдений над водной поверхностью.
СПУТНИКОВОЕ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ
39
ПОГРЕШНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
При проведении численных экспериментов по температурному зондированию облачной атмосферы с помощью различных приборов и их комбинаций предполагалось, что сканер МСУ-МР позволяет получать оценки балльности облаков и их высот верхней границ с погрешностями 2 балла и 1 км соответственно.
Проанализируем погрешности температурного зондирования в облачной атмосфере с помощью приборов ИКФС-2 и МТВЗА-ГЯ.
Напомним, что прибор ИКФС-2 позволяет определять вертикальный профиль температуры с погрешностями, близкими к 1 К в широком диапазоне высот (за исключением нижней части тропосферы 0—2 км) при отсутствии облаков (Поляков и др., 2009). Уменьшение точности температурного зондирования в нижнем слое обусловлено влиянием на излучение не только температуры атмосферы в этом слое, но и температуры поверхности океанов и суши, а также излучатель-ной способности. На рис. 1 кривые 1 и 2 демонстрируют погрешности определения температуры по измерения ИКФС-2 при различной балльности облачности. Из сравнения кривых следует, что влияние облаков на ИК-температурное зондирование в слое 0—5 км значительно. Погрешности при большой балльности облачности (более 8) могут достигать в нижней тропосфере более 5 К. При малой балльности (менее 2) они близки к 3 К.
Расчеты уходящего МКВ-излучения показали, что влияние облаков на уходящее излучение, измеряемое прибором МТВЗА-ГЯ, существенно только в прозрачных каналах прибора. В окнах прозрачности и слабой линии водяног
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.