УДК 551.524.3:551.507.362.1.001.36
Валидация результатов спутникового мониторинга температуры поверхности суши
А. Б. Успенский*, А. В. Кухарский*, С. А. Успенский*
Рассмотрены методы анализа достоверности (валидации) оценок температуры поверхности суши Ts, получаемых по данным полярно-орбитальных и геостационарных метеорологических спутников. Дано краткое описание спутниковой целевой аппаратуры (сканирующих радиометров) и алгоритмов дистанционного определения Ts по спутниковым данным.Для анализа достоверности спутниковых оценок Ts предложено применять процедуру кросс-валидации, т. е. сопоставление с независимыми спутниковыми оценками Ts, для которых известен уровень погрешности. Приведены результаты кросс-валидации двух независимых спутниковых оценок Ts, получаемых по данным аппаратуры SEVIRI/"Meteosat-10" и MODIS/"Terra", "Aqua". Подобную процедуру можно применять для валидации оценок Ts, которые планируется получать по данным отечественных метеорологических спутников серий "Метеор-М" и "Электро-Л". Показана ограниченная пригодность стандартных наблюдений температуры почвы in situ на сети метеорологических станций для валидации спутниковых оценок Ts.
Ключевые слова: температура поверхности суши, излучательная способность поверхности суши, спутниковая оценка, расщепленное окно прозрачности, сканирующий радиометр, валидация, кросс-валидация.
1. Введение
Температура поверхности суши (ТПС, или Ts) — один из ключевых параметров в гидрометеорологии и климатологии. При описании процессов на поверхности земли ТПС характеризует взаимодействие между атмосферой и поверхностью. Данные о ТПС необходимы при решении многих прикладных задач, включая оценки энергетического и водного балансов на границе атмосфера — подстилающая поверхность, расчеты эвапотранспи-рации, оценку влажности почвы, обнаружение и прогноз заморозков. Температура поверхности суши является также одним из индикаторов парникового эффекта.
Спутни ко вое дис тан ци он ное зон ди ро ва ние — еди нствен ный ме тод получения долговременных однородных рядов данных о ТПС регионального и глобального покрытия. Для дистанционного определения ТПС в послед-
* Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета"; e-mail: uspensky@planet. iitp.ru.
ние 30 лет используют данные измерений уходящего теплового (ИК) излучения в диапазоне окна прозрачности 10,5—12,5 мкм с помощью сканирующих радиометров, установленных на полярно-орбитальных и геостационарных метеорологических спутниках, а также на полярно-орбитальных спутниках наблюдения Земли. Необходимость получения регулярных спутниковых данных о температуре земной поверхности диктуется тем, что сеть наземных (in situ) наблюдений ТПС достаточно редкая.
Спутниковые оценки Ts используются в разных приложениях, перечисленных выше. Однако до настоящего времени их применение в схемах численного прогноза погоды (ЧПП) весьма ограниченно из-за недостаточной информации о точностных характеристиках (погрешностях) спутниковых оценок ТПС. Отметим, что усвоение в схемах ЧПП спутниковых оценок Ts и данных в "прозрачных" ИК-каналах, чувствительных к вариациям ТПС, затруднено также по ряду других причин: температура поверхности суши имеет достаточно большую изменчивость во времени (низкую тепловую инерцию); она чувствительна к локальным условиям измерений (орография, особенности местности и состояния растительного покрова); точность физической параметризации процессов энергообмена на границе Земля — атмосфера недостаточна. Помимо схем ЧПП, ряд гидрологических моделей, включающих расчет энергетического и водного балансов, настроены на усвоение спутниковых оценок ТПС. Условием эффективного усвоения этих данных также является задание точностных характеристик спутниковых оценок Ts [5].
Для количественной оценки погрешностей спутниковых данных о Ts необходимо сопоставить их с "истинными", или референсными, значениями Ts. За рубежом имеется определенный опыт проведения таких работ в рам ках ва ли да ци он ных кам па ний при ме ни тель но к оцен кам Ts, полу ча е-мым по данным целевой аппаратуры полярно-орбитальных (AVHRR/ "NOAA", "Ме1:ор", MODIS/"EOS-Terra", "Aqua", VIIRS/"SNPP") и геостационарных (SEVIRI/"MSG", Imager/"GOES") метеорологических спутников. Для нашей страны подобные работы приобретают актуальность в связи с запуском в июле 2014 г. полярно-орбитального космического аппарата "Метеор-М" № 2 и предстоящим запуском в первой половине 2015 г. геостационарного космического аппарата "Электро-Л" № 2. На борту спутника "Метеор-М" № 2 установлена аппаратура МСУ-МР — многоканальное сканирующее устройство малого разрешения, которая в информационном плане подобна аппаратуре AVHRR/"NOAA", а на борту спутника "Электро-Л" № 2 планируется установка аппаратуры МСУ-ГС (геостационарного), близкого по информативности к аппаратуре SEVIRI/"MSG".
Известны следующие подходы к валидации результатов спутникового мониторинга ТПС [14]:
а) T-метод, в основе которого лежит сопоставление синхронных про-стра нствен но-со вме щен ных спутни ко вых оце нок Ts и ре фе рен сных данных — результатов наземных измерений Ts, выполненных в пределах термически однородных участков суши (полигонов), соизмеримых по размеру с пикселами спутниковой целевой аппаратуры;
б) R-метод, позволяющий сравнивать спутниковые оценки Ts с референсными значениями Ts, получаемыми по тем же спутниковым данным с ис-
пользованием модели радиационного переноса. При использовании R-ме-тода не требуются высокоточные наземные измерения Ts, но необходимо задание адекватной модели атмосферы и излучательной способности суши в пункте зондирования. R-метод может применяться для валидации спутниковых оценок Ts "грубого" пространственного разрешения, получаемых, например, по данным ИК-зондировщиков AIRS/"Aqua", IASI/"Metop", CrIS/"SNPP" с пространственным разрешением порядка 12—15 км;
в) кросс-валидация двух разных спутниковых оценок Ts, при которой спутни ко вые оцен ки од но го вида со пос тав ля ют ся с ре фе рен сны ми дан ны-ми — независимыми синхронными и пространственно-совмещенными оцен ка ми Ts вто ро го вида (получен ны ми с помощью дру го го ал го рит ма или по данным другого спутника). Если при этом уровень погрешности независимых спутниковых оценок известен, то кросс-валидация позволяет получить количественные характеристики достоверности оценок Ts, под-вер га е мых вали да ции.
В настоящей статье рассмотрены методы валидации спутниковых оценок ТПС с учетом перспективы их применения к информационным продуктам спутников "Метеор-М" № 2 и "Электро-Л" № 2.
2. Методы и алгоритмы дистанционного определения ТПС
Как уже отмечалось, необходимые для дистанционного определения ТПС радиометрические измерения уходящего ИК-излучения в диапазоне окна прозрачности 10,5—12,5 мкм проводятся с помощью целевой аппаратуры, устанавливаемой на оперативных полярно-орбитальных и геостационарных метеорологических спутниках, а также на отдельных спутниках наблюдения Земли. Важной особенностью целевой аппаратуры является наличие двух каналов расщепленного окна прозрачности (РОП) (split-window channels в англоязычной литературе), предназначенных для регистрации уходящего ИК-излучения в двух прилегающих спектральных диапазонах окна прозрачности 10,5—12,5 мкм.
2.1. Геостационарные метеоспутники
На спутниках "Meteosat-8", "Meteosat-9", "Meteosat-10" серии MSG (Meteosat Second Generation — спутники "Meteosat" второго поколения), разработанных по заказу Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT), установлена аппаратура SEVIRI (Spinning Enhanced VIS and IR Imager) — 12-канальный радиометр-имад-жер [20]. С помощью SEVIRI регистрируется уходящее излучение на верхней границе атмосферы в четырех каналах видимого и восьми каналах ИК-диапазона спектра. В состав ИК-каналов SEVIRI входят два канала РОП: № 9 (IR 10.8) — 9,8—11,8 мкм и № 10 (IR 12.0) — 11,0—13,0 мкм.
На борту отечественного геостационарного метеоспутника "Электро-Л" № 1, запущенного в январе 2011 г., установлен радиометр-имаджер МСУ-ГС [1]. В информационном плане аппаратура МСУ-ГС подобна аппаратуре SEVIRI, но в ее составе отсутствуют каналы № 3 (IR 1.6) и № 11 (IR 13.4). По пространственному разрешению ИК-каналы МСУ-ГС близки
к ИК-каналам SEVIRI. В состав измерительных каналов МСУ-ГС входят два канала РОП: № 9 (10,2—11,2 мкм) и № 10 (11,2—12,5 мкм). Аппаратура МСУ-ГС на борту спутника "Электро-Л" № 1 работала с ограничениями (в частности, отмечался повышенный уровень шума в каналах РОП). Запуск очередного спутника "Электро-Л" № 2 с доработанной аппаратурой МСУ-ГС запланирован на 2015 г.
2.2. Полярно-орбитальные спутники
Аппаратура, подобная по информационным характеристикам радиомет-рам-имаджерам геостационарных метеоспутников, установлена на следующих полярно-орбитальных спутниках: "Метеор-М" № 1, "Метеор-М" № 2 (Россия), "NOAA-17", "NOAA-18" , "NOAA-19", "Suomi NPP", "EOS/ Terra", "Aqua" (США), "Metop" (Евросоюз), "FY-1D" (Китай).
На космических аппаратах серии "NOAA" и серии "Metop" (2006 г.) устанавливаются сканирующие радиометры AVHRR, которые имеют шесть каналов в видимом и ИК-диапазонах спектра и обеспечивают съемку с пространственным разрешением 1 км [16]. В состав измерительных каналов аппаратуры AVHRR входят два канала РОП: № 5 (10,3—11,3 мкм) и № 6 (11,5—12,5 мкм).
На российских полярно-орбитальных спутниках серии "Метеор-М" (начиная c "Метеор-М" № 1; запущен в сентябре 2009 г.) устанавливается сканирующий радиометр МСУ-МР [3]. Аппаратура МСУ-МР по своему назначению и характеристикам во многом подобна современным модификациям аппаратуры AVHRR. Она предназначена для широкозахватной съемки вдоль трассы полета (полоса захвата около 3000 км) и получения изображений в трех каналах видимого и трех каналах ИК-диапазона спектра, в том числе в двух каналах РОП (10,5—11,5; 11,5—12,5 мкм).
На спутниках "EOS/Terra" и "Aqua" одним из ключевых приборов является спектрорадиометр МODIS, который имеет 36 каналов с 12-битным квантованием сигнала в видимом и ИК-диапазонах и позволяет производить р
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.