научная статья по теме ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ РАДИОМЕТРА RPG-HATPRO Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ РАДИОМЕТРА RPG-HATPRO»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 179-190

УДК 551.501.795,551.510.52

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ РАДИОМЕТРА RPG-HATPRO

© 2015 г. В. С. Косцов

Санкт-Петербургский государственный университет, физический факультет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1

E-mail: vlad@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 19.05.2014 г., после доработки 29.07.2014 г.

Представлен алгоритм одновременного определения профилей температуры и влажности тропосферы, а также водозапаса облаков по наземным измерениям микроволнового излучения, особенностью которого является комплексное использование различных типов измерений и различных видов априорной информации об искомых параметрах. Обсуждаются особенности применения комплексного алгоритма при обработке данных микроволнового радиометра RPG-HATPRO в ходе экспериментов по дистанционному зондированию атмосферы, выполненных на физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета. Проанализированы результаты сопоставления профилей температуры и влажности, полученных наземным микроволновым дистанционным методом, с данными радиозондов. Показано, что комплексный алгоритм сравним по точности с классическим методом статистической регуляризации при определении профиля температуры, но при определении профиля влажности демонстрирует меньшие погрешности по сравнению с методом статистической регуляризации.

Ключевые слова: атмосфера, микроволновое зондирование, тропосфера, температура, влажность, атмосферная оптика.

DOI: 10.7868/S000235151502008X

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в области технологий привел в настоящее время к коммерческому производству компактной высокоточной наземной микроволновой аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы в автоматическом режиме. В качестве примера зарубежных фирм-изготовителей можно привести Radiometer Physics GmbH [1] и Radiometrics [2]. В Российской Федерации разработан и сертифицирован автоматизированный температурный профилемер МТП-5 для зондирования пограничного слоя [3] и создан многоканальный микроволновый радиометрический комплекс "Микрорадком" (патентованное название), обеспечивающий измерение профилей температуры в тропосфере, а также интегрального содержания водяного пара и интегрального содержания жидкой воды в облаках в непрерывном автоматическом режиме [4]. Создана международная сеть, объединяющая исследователей, работающих с наземной микроволновой аппаратурой для дистанционного зондирования атмосферы [5]. Одной из актуальных задач является создание

оптимальной стандартной процедуры обработки наземных микроволновых измерений с целью ее использования для получения однородных рядов данных на создаваемой наблюдательной сети микроволновых радиометров [6].

В 2012 г. на физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) началась эксплуатация микроволнового радиометра RPG-HATPRO (Radiometer Physics GmbH — Humidity And Temperature PROfiler) производства немецкой компании Radiometer Physics GmbH [1]. Радиометр имеет 7 каналов в области полосы поглощения кислорода 0.5 см и 7 каналов в области линии поглощения водяного пара 1.35 см и предназначен для определения профилей температуры и влажности в тропосфере, а также водозапаса облаков в автоматическом непрерывном режиме. Определение профилей температуры, влажности и значений водозапаса облаков в СПбГУ осуществляется с момента ввода прибора в эксплуатацию с помощью программного обеспечения, предоставляемого изготовителем аппаратуры HATPRO и основанного

179

4*

на методе квадратичной регрессии. Сопоставление результатов определения профилей температуры в тропосфере при помощи этого программного обеспечения с данными радиозондирования на станции Воейково (50 км от точки проведения эксперимента) показало неудовлетворительную точность определения профилей температуры по данным радиометра [7]. В связи с этим в настоящее время разрабатываются два метода обработки — регрессионный и так называемый "физический", основанный на линеаризации уравнения переноса микроволнового излучения и построении обратного оператора. (Подчеркнем, что в создаваемом регрессионном методе, в отличие от регрессионного метода разработчика аппаратуры, решающий оператор строится непосредственно по результатам измерений, соответствующих данным радиозондов, а не по результатам модельных расчетов.)

В настоящей работе:

— дана физико-математическая формулировка задачи одновременного определения параметров облачной атмосферы, основанная на обращении линеаризованного уравнения переноса излучения (принципиальной особенностью является привлечение дополнительных измерений и априорной информации различных типов);

— описана процедура настройки алгоритма комплексной обработки данных аппаратурного комплекса на базе наземного микроволнового профи-лемера ИЛТРЯО;

— представлены оценки точности и вертикального разрешения при определении профилей температуры и влажности по данным аппаратуры ИЛТРЯО;

— показаны результаты сравнения профилей температуры и влажности, полученных наземным МКВ методом, с данными радиозондирования;

— анализируются точности комплексного алгоритма и классического метода статистической регуляризации.

В настоящей работе рассматриваются данные, полученные при измерениях нисходящего микроволнового излучения только в зенитном направлении, без углового сканирования. При таком подходе не требуется использовать приближение горизонтальной однородности атмосферы, которое во многих реальных атмосферных ситуациях может не выполняться.

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ

Значения яркостной температуры Тя, регистрируемые в спектральных каналах радиометра ИЛТРЯО, определяются уравнением переноса микроволнового излучения, которое может быть записано в виде следующего нелинейного функционала Р:

Тя(у) = Д [Т (г), д(г), т],

(1)

где V — центральная частота канала, г — высота, Т(г), р(г), #(г), ^(г) — вертикальные профили температуры, давления, абсолютной влажности и водности облаков соответственно (эти параметры являются искомыми).

В конечномерном векторно-матричном представлении совокупный вектор вариаций искомых параметров относительно их средних значений, записывается следующим образом:

5х+ =

= (5Т(г1), 5 Т(12).....8 Т{1Ь ),8р (ц),

8р(г2),..., 8р(гь), (2)

8#(¿1), 84(12), ..., 84(1ь), 8Ы(г),

8w(¿2),..., 8м>(гь)),

где г — высотные уровни, пронумерованные от 1 до Ь, 8 обозначает вариацию, "+" обозначает транспонирование. Если в алгоритм решения обратной задачи необходимо включить, помимо микроволновых (МКВ) измерений, информацию различного типа о параметрах состояния атмосферы (априорную статистическую, результаты независимых измерений, физические связи между параметрами, физические ограничения на получаемые значения), то эту информацию удобно формально представить в виде набора независимых "виртуальных" измерений. В этом случае рассматриваемая задача формулируется в виде следующей системы векторно-матричных уравнений:

5г1 = С15х

5г2 = С 25х

(3)

5% = С м5х.

Здесь первое уравнение представляет собой векторно-матричный аналог линеаризованного уравнения переноса МКВ-излучения, а последующие N-1 векторно-матричных уравнений описывают в линеаризованной форме дополнительные измерения атмосферных параметров или дополнительные условия, накладываемые на них, в виде виртуальных измерений. Вектор 5г1 — это вектор вариаций яркостной температуры по отноше-

нию к средним значениям, рассчитанным на основе средних профилей атмосферных параметров, C — линеаризованный интегральный оператор "прямой" задачи переноса МКВ-излучения, образованный из значений весовых функций с соответствующими квадратурными коэффициентами. Векторы 5г2, 5г3 и т.д. — это векторы вариаций результатов "виртуальных" измерений по отношению к их средним значениям, С2, С3 и т.д. — линеаризованные операторы, описывающие виртуальные измерения. Такой подход к решению обратной задачи (комплексный, с привлечением дополнительных условий различного рода в виде виртуальных измерений) успешно использовался при интерпретации спутниковых измерений уходящего излучения в экспериментах с аппаратурой CRISTA [8] и наземных измерений микроволновым озонометром в области линии поглощения озона 110 ГГц [9, 10]. Формально можно объединить результаты всех измерений (в том числе виртуальных) в единый вектор и соответственно использовать одну объединенную матрицу линеаризованных операторов измерений, однако для удобства анализа вкладов измерений и априорной информации различного типа мы не используем такого рода объединение.

Решение системы уравнений (3), получаемое методом наименьших квадратов в итерационном процессе, записывается в виде:

( N

4-1

1к+1

— X m +

X C+kE i C ik

V i=i

N

X C +kE-1 (ri - rik + Cik(xк - X J)

i=1

(4)

f N

F =

\-i

X C+E-1C i

V i=l

(5)

К настоящему времени широкое распространение получила методика оценок информационного содержания измерений при решении обрат-

ных задач дистанционного зондирования, основанная на анализе так называемых усредняющих ядер [11]. В рассматриваемой постановке задачи выражение для матрицы усредняющих ядер (усредняющего оператора) выглядит следующим образом:

(01,02,...)

( N \-1 ( Л

X C+E i X C (+E -1C i

V i =1 J Vi=(01,02,...)

(6)

где к — номер итерации, ■ — идентификатор типа измерений (в том числе виртуальных), "т" обозначает среднее значение параметра, E¡■ — матрицы ошибок измерений (в том числе виртуальных), гкк обозначают результаты применения не-линеаризованных операторов измерений к значениям решения, полученным на к-м шаге итерационного процесса, Cík — линеаризованные операторы, рассчитанные с использованием значений решения, полученных на к-м шаге. Оценки погрешностей определения искомых параметров на различных высотах дают диагональные элементы матрицы:

где набор индексов (а1, a2,...), по которым идет суммирование во второй скобке, соответствует типам измерений (в том числе виртуальных), для совокупности которых рассчитывается матрица усредняющих ядер. При определении высотных профилей физически

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»