научная статья по теме ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ РЕГИОНАЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ ПО ДАННЫМ ИСЗ “NOAA-16” Геофизика

Текст научной статьи на тему «ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ РЕГИОНАЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ ПО ДАННЫМ ИСЗ “NOAA-16”»

УДК [551.524+551.571]:55||826

Темлературно-влажностное зондирование атмосферы регионального покрытия поданным ИСЗ 4^ОАА-16"

В. И. Соловьев», А. Б. Успенский*, А. В. Кухарский*

Приведено описание системы обработки измерений аппаратуры АТОУ&> ИСЗ "ЫОАЛ-16 " для получения данных температурно-тажностного зондирования атмосферы регионального покрытия. Рассмотрены основные процедуры "обращения " спутниковых измерений и результаты испытаний созданной системы на фактической информации АТОУ8 ИСЗ "ЫОЛА-16" за март —май 2001 г. Выполнен анализ точностных характеристик результатов спутникового температурного зондирования,

1. Введение

Одним из основных информационных продуктов космической наблюдательной системы гидрометеорологического назначения являются данные температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА) глобального и регионального покрытия или спутниковые оценки вертикального распределения температуры Т(р) и влажности ()(р) в тропосфере и нижней стратосфере (р — давление, 10 гПа < р< 1000 гПа). При общей тенденции сокращения наземной аэрологической сети наблюдений роль этих данных постоянно возрастает, особенно в связи с растущими потребностями гидрометеорологического обеспечения гидродинамических моделей прогноза. Глобальные данные ТВЗА в оперативном режиме производятся в Национальной информационной службе по данным со спутников по исследованию окружающей среды США (МОАА/МЕЗОШ) на основе обработки измерений аппаратуры атмосферного зондирования ТОУБ, устанавливаемой на полярно-орбитальных спутниках серии "Ж)АА" (после 1998 г. вместо ТОУБ устанавливается усовершенствованная аппаратура АТОУБ), и распространяются по каналам глобальной системы телесвязи ВМО в кодовой форме БАТЕМ (с "огрубленным" пространственным разрешением порядка 500 км [9]). В состав аппаратуры АТОУБ входят 20-канальный ИК зонди-ровщик НШБ/З с номинальным разрешением в надире около 19 км и усовершенствованный СВЧ зондировщик АМБи, включающий в качестве отдельных модулей 15-канальный СВЧ-радиометр АМ8и-А с разрешением 48 км и 5-канальный радиометр АМБи-В с разрешением 16 км в надире [5, 8, 9].

Наряду с упомянутой глобальной системой в центрах спутниковой информации и метеослужбах ряда стран созданы и эксплуатируются системы

* Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета ".

получения данных ТВЗА регионального покрытия на основе обработки данных TOVS (ATOVS), принимаемых в режиме непосредственной передачи HRPT (см., например, [3, 4, 6]). Разработка и эксплуатация подобных систем, включая вопросы усвоения результатов ТВЗА, регулярно обсуждаются и координируются специально созданным в начале 1980-х годов органом — Международной группой по данным TOVS (МГДТ), действующей под эгидой ВМО. В частности, при координации МГДТ в 1998 г. специалистами Университета штата Висконсин (США) создан и испытан программный комплекс IAPP (International ATOVS Processing Package), предназначенный для тематической обработки измерений ATOVS и получения глобальных данных ТВЗА [7, 8], причем возможно международное некоммерческое использование этого комплекса.

Первоначальная версия комплекса IAPP, переданная в 1999 г. в НИЦ "Планета", была подвергнута доработке и адаптации применительно к имеющимся вычислительным средствам и информационным ресурсам. Кроме того, в 1999—2000 гг. был адаптирован к имеющимся вычислительным средствам комплекс ААРР (AVHRR and ATOVS Processing Package), разработанный по инициативе Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT) и предназначенный для предварительной обработки данных ATOVS [5]. Интерфейс между обоими комплексами обеспечивается использованием общего формата для выходных (ААРР) и входных (IAPP) данных. Объединение доработанных и адаптированных комплексов ААРР и IAPP позволило подготовить и испытать сквозную систему предварительной и тематической обработки измерений ATOVS регионального покрытия, принимаемых в режиме HRPT в НИЦ "Планета".

В настоящей статье представлено описание основных процедур созданной системы тематической обработки данных измерений ATOVS и получения данных ТВЗА регионального покрытия. Рассмотрены также результаты испытаний системы обработки на реальной информации ATOVS ИСЗ "NOAA-16" за март — май 2001 г.

2. Описание системы обработки данных ATOVS

За основу при создании системы оперативной обработки данных ATOVS были приняты программные комплексы ААРР и IAPP. В результате адаптации и частичной модификации указанных комплексов подготовлена и испытана в режиме опытной эксплуатации первая версия Интегрированной системы обработки данных ATOVS (ИСОДА-I). Блок-схема системы обработки представлена на рис. 1. Система обработки интегрирована с базой данных ЭВМ CRAY (Гидрометцентр России): необходимая гидрометинформация извлекается из базы данных, а выходные продукты обработки данных ATOVS поступают в нее. Ниже следует краткое описание методов анализа данных, используемых в комплексе ИСОДА-1.

Большинство существующих систем обработки данных TOVS, ATOVS [2—4, 6—9] включают в качестве обязательных следующие этапы (процедуры):

1) коррекция модели спутниковых измерений;

2) детектирование облачности и зон осадков;

3) восстановление первого приближения;

ПЭВМ приема данных ИСЗ ""NQAA" "NOAA-lß" ATOVS I A/M RR

ATOVS

Рис. 1. Блок-схема комплекса обработки данных измерений аппаратуры атмосферного зондирования ATOVS ИСЗ "NOAA".

4) восстановление геофизических параметров;

5) контроль качества и редактирование данных ТВЗА.

Этап 1. Коррекция имеет целью "приспособление" используемой радиационной модели к реальным измерениям, т, е. максимальное уменьшение рассогласования (смещений) между измеренными и модельными (расчетными) данными об излучении (радиационные температуры Тг) в каналах HIRS и AMSU-A, Коррекция, которая может производиться применительно к радиационной модели или к результатам измерений, имеет целью уменьшение систематических смещений. При этом, как правило, применяются статистические алгоритмы. В [7, 8] для коррекции смещений использована линейная регрессионная оценка вида Tr (cor) = а Тг + Ь, где Г, (cor) и Тг есть соответственно скорректированная и измеренная радиационные температуры в каналах H1RS и AMSU-A. Определение коэффициентов регрессии а и b требует формирования представительных обучающих выборок |г/(сог), Т/причем для расчета j'-й реализации Г/(cor) нужно использовать данные радиозондирования, ближайшие к спутниковому зонди-54

рованию по времени и месту. Альтернативой к описанному является подход [2], не требующий формирования выборок "спектр —- зонд"; корректирующие параметры (смещение Ь) определяются, исходя из минимизации среднего квадрата невязки, получаемой при численном решении обратной задачи ТВЗА. Операция усреднения применяется для ансамбля зондирований в пределах фиксированных широтной зоны и временного периода 5—7 дней. В настоящее время ведется отработка данного подхода, а в эксплуатируемой версии программного комплекса используются данные о корректирующих параметрах а и b из [8]. При этом коррекции не подвергаются измерения в "озоновом" канале 9 радиометра HIRS, а также в "прозрачных" каналах 1—3 и 15 СВЧ-радиометра AMSU-A из-за отсутствия регулярных данных о вертикальном распределении концентрации озона и данных об излучательной способности е для разных типов подстилающей поверхности.

Этап 2, Детектирование облачности, а также приведение измеренных в каналах ИК радиометра HIRS/3 данных об излучении к условиям безоблачной атмосферы и построение оценки измеренного спектра осуществляются в соответствии с методикой [7] для блоков из 3 х 3 пикселов (измерения радиометром HIRS/3). Решающее правило для построения маски "ясно — облачно" и выделения безоблачных пикселов состоит в последовательном применении пороговых критериев для совокупности спектральных признаков: Тг (8); Тг(8) -Tr (18); Гг(8)-Гг(19); ГД18) - ГД19), где число в скобках есть номер канала; разности между измеренными Тг и модельными Г/ радиационными температурами в каналах 4—7 и 13—15 радиометра HIRS/3. Регрессионные оценки Г/ строятся с использованием измерений AMSU-A в каналах 4—14. Важно отметить, что вследствие ограниченной точности реализованной в [7, 8] процедуры приведения излучений в "тропосферных" каналах и каналах окон прозрачности радиометра HIRS/3 к условиям безоблачной атмосферы (которая к тому же существенно ухудшается при наличии многослойной облачности) результаты приведения в последующей обработке данных ATOVS не используются. При восстановлении профилей Т(р) и Q(p) для условий облачности наряду с данными AMSU-A применяются измерения HIRS/3 только в "стратосферных" каналах 1—3, наименее подверженных влиянию облачности. Кроме того, в созданной версии ИСОДА-1 детектирование облачности и построение оценки измеренного с помощью ATOVS спектра выполняются не для прилегающих, а для "скользящих" блоков из 3x3 пикселов, т. е. соседние пикселы строки сканирования HIRS/3 являются центральными для блоков.

Этап 3. Построение начального приближения |f°(/?), Q°{p)} имеет

принципиальное значение при "обращении" данных спутниковых измерений и последующем усвоении результатов ТВЗА. С учетом ограниченной информативности спутниковых измерений по отношению к Т(р) и Q(p), особенно для условий облачной атмосферы, а также некорректности и нелинейности исходной задачи обращения спутниковых данных, требуется привлечение максимально точных и адекватных пар |г°(/?), Q°(p)^ в каж*

дом пункте спутникового зондирования [3]. Именно поэтому в существующих системах обработки данных ATOVS предусмотрены специальные

процедуры построения первого приближения, отличающиеся главным образом составом привлекаемой априорной информации.

В системе "31" Лаборатории динамической метеорологии (Франция) выбор {т°(р% ô°(p)| и соответствующих референсных спектров |Гг0j, а

также матриц вторых моментов D0 TT, Do eQ,D производится из специального "статического" архива TIOR2 синхронных спутниковых и радио-зондовых измерений в соответствии с классификацией по типу воздушной массы [4]. В сис

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