СПОСОБ УЛУЧШЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ Российский патент 2014 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области метеорологии, в частности к мониторингу состояния атмосферы по данным спутникового дистанционного зондирования.

Интегральная влажность атмосферы (Q), характеризующая содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы, наряду с аэрозолями, контролирует альбедо Земли и, таким образом, является одним из важнейших компонентов, определяющих региональный климат.

Известен метод, описанный в Wentz, F. J., and Т. Meissner (2000), Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD), Version 2, AMSR Ocean Algorithm, RSS Tech. Proposal 121599A-1, Remote Sensing Systems, 74 стр.

Метод заключается в вычислении массивов радиояркостных температур на каналах радиометра AMSR-E для большого набора параметров системы океан-атомсфера, и поиска (путем перебора) того набора параметров, включая интегральную влажность атмосферы, который обеспечит минимальную разницу между измеренными и модельными значениями радиояркостных температур. Данный метод используется для получения интегральной влажности атмосферы в оперативном центре обработки данных США Remote Sensing Systems (RSS). В данном методе используется другая геофизическая модель при вычислениях радиояркостных температур радиометра AMSR-E, и другой способ решения обратной задачи, отличный от Нейронных Сетей.

Недостатком данного метода является более низкая точность, по сравнению с предлагаемым способом. Сравнение результатов применения предлагаемого способа оценки интегральной влажности атмосферы к измерениям AMSR-E с данными глобальных контактных измерений радиозондов показало, что точность аналога на 30% ниже.

В качестве прототипа взят способ оценки интегральной влажности локальных областей атмосферы по данным спутникового микроволнового радиометра Special Sensor Microwave /Imager (SSM/I (патент РФ на изобретение №2474848).

Способ оценки интегральной влажности Q локальных областей атмосферы с помощью радиометра SSM/I заключается в получении значений радиояркостных температур (Т_я) по трем радиометрическим каналам SSM/I и вычислении интегральной влажности с использованием радиояркостных температур (Т_я) и коэффициентов настроенной предварительно Нейронной Сети. Используемые радиометрические каналы имеют частоты υ₁=19.35 ГГц, υ₃=37.0 ГГц горизонтальной поляризации и υ₂=22.235 ГГц вертикальной поляризации.

Недостатком данного метода является более низкая точность, по сравнению с предлагаемым способом. Сравнение результатов применения предлагаемого способа оценки интегральной влажности атмосферы к измерениям AMSR-E с данными глобальных контактных измерений радиозондов показало, что точность аналога на 20% ниже.

Целью настоящего изобретения является разработка способа улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по данным спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth Observing System (AMSR-E), обладающего в 2 раза более высоким пространственным разрешением, чем SSM/I, а следовательно, позволяющего проводить более детальные исследования атмосферных и океанических процессов во всех географических регионах в расширенном диапазоне состояний океана и атмосферы.

Способ улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Т_я) по пяти радиометрическим каналам и вычисление значения интегральной влажности (Q) с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры (Т_я) и коэффициентов настроенной Нейронной Сети, отличающийся тем, что используемые радиометрические каналы имеют частоты υ₁=10.65 ГГц, υ₂=18.7 ГГц, υ₅=36.5 ГГц горизонтальной поляризации и υ_3,4=23.8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для оценки интегральной влажности, также получены путем математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени спутниковых и наземных измерениях, что позволяет получать высокие точности восстановления интегральной влажности воздуха Q в том диапазоне условий, в котором работают существующие способы (отсутствие осадков, облачность с водозапасом, не превышающим 0.5 кг/м²), и расширить диапазон условий применения способа по сравнению с существующими, оставаясь при этом в рамках точности, требуемой экспертами ВМО.

В отличие от аналога и прототипа данный способ позволяет оценивать интегральную влажность с высокой точностью в более широком диапазоне природных условий, включая субтропические и тропические широты, поскольку при его создании была использована база данных совмещенных измерений геофизических параметров, существенно расширенная за счет измерений в тропических и субтропических регионах.

Поставленная цель оценки интегральной влажности атмосферы (Q) может быть достигнута над морской поверхностью, свободной ото льда, и областями атмосферы, характеризующимися отсутствием осадков, которые отсекаются критерием с использованием радиояркостной температуры (Т_я), т.е. разница между Т_я (36.5 ГГц, вертикальная поляризация) и Т_я (36.5 ГГц, горизонтальная поляризация) должна составлять более 15 градусов, на основе использования зависимости:

$$Q=Q_0\cdot (b_0+{\omega }_0\cdot \tanh (b_1+{\displaystyle \sum _{n=1}^5({\omega }_{1n}\cdot \tanh ({\displaystyle \sum _{i=1}^5(b_{2n}+{\omega }_{2in}\cdot T_i)))}})),$$

где:

Q - интегральная влажность атмосферы в кг/м ;

Q₀ - нормировочный показатель настроенной Нейронной Сети в кг/м²;

b_0,1,2 - коэффициенты смещения;

ω_0,1,2 - весовые коэффициенты;

n_1,2…5 - число нейронов;

Т_1,2,3,4,5 - радиояркостные температуры в радиометрических каналах 1,2,3,4,5;

i - номера каналов радиометра, измерения в которых используются в расчетах.

Нижеприведенные частоты радиометрических каналов (υ₁, υ₂, υ₃, υ₄, υ₅)) и коэффициенты настроенной Нейронной Сети (Q₀, b_0,1,2, ω_0,1,2) определены с помощью математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени глобальных спутниковых и наземных измерений:

υ₁ = 10.65 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₂ = 18.7 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₃ = 23.8 ГГц вертикальной поляризации;

υ₄ = 23.8 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₅ = 36.5 ГГц горизонтальной поляризации;

Q₀ = 70.9 кг/м²;

b_0,1,2 - b₀=1.142722, b₁=.41632970, b₂₁=1.00000000,

b₂₂=1.00000000, b₂₃=.37499830, b₂₃=1.00000000,

b₂₅=-.79068490;

ω_0,1,2 - ω₀=1.86446900, ω₁₁=-.01214497, ω₁₂=.00619658,

ω₁₃=.00824166, ω₁₄=-.01249977, ω₁₅=.00205097,

ω₂₁₁=0.00058355, ω₂₂₁=0.00185068, ω₂₃₁=0.00171198,

ω₂₄₁=0.00367666, ω₂₅₁=-0.00093732;

ω₂₁₂=0.01405479 , ω₂₂₂=-0.01218236, ω₂₃₂=0.01174063,

ω₂₄₂=0.01363333, ω₂₅₂=-0.01951063

ω₂₁₃=-0.03915367, ω₂₂₃=0.02948036, ω₂₃₃=0.03629155,

ω₂₄₃=-0.03243665, ω₂₅₃=-0.00337641

ω₂₁₄=0.04892799, ω₂₂₄=-0.03351959, ω₂₃₄=-0.04159736,

ω₂₄₄=0.04176088, ω₂₅₄=0.00248552

ω₂₁₅=0.00269317, ω₂₂₅=-0.95362190, ω₂₃₅=0.12410260,

ω₂₄₅=-1.00000000, ω₂₅₅=-0.32449190.

Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля интегральной влажности в атмосфере над морской поверхностью, свободной ото льда, по всему Земному шару в широком диапазоне изменений параметров атмосферы, в том числе в условиях, характеризующихся мощной облачностью и сильными ветрами. Точная информация о влагозапасе атмосферы и его пространственно-временной изменчивости исключительно важна и широко используется в нашей стране и за рубежом как в анализе и прогнозе погоды, так и в климатических исследованиях, в частности при изучении потоков энергии и круговорота воды. Постоянно происходящие в природе процессы перехода водяного пара в жидкое и твердое состояние и обратно имеют огромное значение для формирования погоды и климата Земли. Важнейшим следствием этих процессов является формирование облаков в различных слоях атмосферы и выпадение из них осадков и образование тумана в приземном слое воздуха. Испарение, перенос водяного пара, а затем его конденсация и сублимация являются одними из важнейших процессов переноса энергии в атмосфере. Поэтому максимально точная оценка интегральной влажности, которую можно произвести в широком диапазоне условий, может быть широко использована также в различных прикладных исследованиях.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по пяти радиометрическим каналам, имеющим частоты 10,65 ГГц, 18,7 ГГц, 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций. Вычисляют значения интегральной влажности с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры и коэффициентов настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов настроенной Нейронной Сети получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени глобальных спутниковых и наземных измерениях. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.

Способ улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Т_я) по радиометрическим каналам и вычисления значения интегральной влажности (Q) с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры (Т_я) и коэффициентов настроенной Нейронной Сети, численные значения которых получены путем математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени спутниковых и наземных измерениях, отличающийся тем, что используются пять радиометрических каналов, которые имеют частоты υ1=10.65 ГГц, υ2=18.7 ГГц, υ5=36.5 ГГц горизонтальной поляризации и υ3,4=23.8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций, а настройка способа производится на глобальных спутниковых и наземных измерениях, что позволяет получать более высокие по сравнению с существующими точности восстановления интегральной влажности воздуха Q над океанами во всех географических регионах в расширенном диапазоне состояний океана и атмосферы.