СПОСОБ РАСШИРЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ Российский патент 2016 года по МПК G01W1/00 

Настоящее изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для получения полей интегральной влажности (влагозапаса) атмосферы в оперативном режиме над открытыми районами океанов. Полученные поля влагозапаса могут быть использованы при мониторинге состояния атмосферы, детектировании и прогнозе эволюции опасных атмосферных погодных явлений. Особенностью предложенного способа расширенной оценки влагозапаса атмосферы по данным спутниковых микроволновых радиометров является возможность получения оценок в условиях облачности и в существенно более широком диапазоне погодных условий (облачность с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м², экстремальные ветра со скоростями, превышающими 20 м/с), чем это было возможно ранее при сохранении точности.

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 - Атмосфера, 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 являются а) более низкая точность, по сравнению с предлагаемым способом, и б) ограниченный диапазон погодных условий, в которых применим способ.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному техническому решению (прототипом) является способ улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров (заявка на патент №2013120820 от 30.04.2013).

Способ заключается в вычислении значения интегральной влажности атмосферы (Q) по данным измерений японского радиометра Advanced Microwave Sounding Radiometer - Earth Observing Systems (AMSR-E) на спутнике Aqua с использованием Нейронно-Сетевой функции, настроенной на основании 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. Данный способ позволяет получать высокие точности восстановления интегральной влажности воздуха Q в диапазоне условий, характеризующихся отсутствием осадков, облачности с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м², и скоростей ветра, превышающих 20 м/с.

Недостатками прототипа являются: а) использование устаревшей модели излучения океана при моделировании радиояркостных температур, не применимой в условиях сильных ветров, б) устаревший метод фильтрации осадков, основанный на использовании поляризационной разницы в измерениях на 37 ГГц в качестве критерия для маскирования. В результате, область применения прототипа существенно заужена по сравнению с предлагаемым методом, эффективно работающим в условиях экстремальных ветров. Кроме того, прототип работает с данными измерений уже не функционирующего микроволнового радиометра AMSR-E (прекратил работу в октябре 2011 года), поэтому не применим в оперативной практике.

Целью настоящего изобретения является создание нового способа оценки интегральной влажности (влагозапаса) атмосферы (Q) по данным недавно запущенного японского спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) на борту спутника GCOM-W1 (на орбите с 18 мая 2012 года), работающего в расширенном диапазоне погодных условий (расширенная оценка интегральной влажности). Данные измерений AMSR2 свободно распространяются в оперативном режиме, поэтому наличие эффективных способов преобразования этих данных в геофизические параметры открывает новые возможности для центров прогноза погоды, научно-исследовательских институтов, гидрометеорологических служб.

Способ расширенной оценки интегральной влажности атмосферы Q по измерениям спутниковых микроволновых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Т_я) по четырем радиометрическим каналам К и Ка-диапазона электромагнитного спектра и вычислении значений влагозапаса атмосферы с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостной температуры (Т_я) и коэффициентов предварительно настроенной Нейронной Сети (в прототипе используется дополнительный канал измерений в Х-диапазоне, ухудшающий пространственное разрешение результирующих полей влагозапаса). Используемые радиометрические каналы имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ₁=18.7 ГГц горизонтальной поляризации, υ₂=23.8 ГГц горизонтальной поляризации, υ₃=23.8 ГГц вертикальной поляризации и υ₄=36.5 ГГц горизонтальной поляризации. Способ основан на использовании численного эксперимента, заключающегося в последовательном решении прямой и обратной задач переноса микроволнового излучения. При решении прямой задачи - математическом моделировании радиояркостной температуры уходящего излучения системы Океан - Атмосфера Т_я - использовались современные, уточненные (по сравнению с прототипом) модели поглощения микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках [2; 3] и новая модель зависимости излучения океана от скорости приводного ветра [1], эффективная в условиях экстремально высоких ветров. При решении обратной задачи в качестве оператора решения использовались Нейронные Сети. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для способа оценки интегральной влажности атмосферы корректировались с использованием совмещенных в пространстве и во времени спутниковых радиометрических данных и наземных измерениях влажности атмосферы. Одновременно, на основе данного численного эксперимента, настраивалась Нейронная Сеть для оценки интегрального поглощения в атмосфере, пороговое значение которого служит в данном способе критерием для фильтрации мощной облачности и осадков.

Главными отличительными признаками нового способа расширенной оценки интегральной влажности атмосферы являются использование при решении прямой задачи новой модели зависимости излучения океана от скорости приводного ветра, основанной на интегрировании огромного количества контактных измерений скорости ветра и спутниковых радиометрических измерений, и новый подход к фильтрации мощной облачности и осадков. Данный способ позволяет получать высокие точности восстановления влагозапаса атмосферы над открытыми районами океанов в широком диапазоне атмосферных и океанических условий (облачность с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м², экстремальные ветра со скоростями, превышающими 20 м/с), исключая осадки и мощную облачность с водозапасом, превышающим 1 кг/м². По сравнению с прототипом, который восстанавливает значения Q в условиях, характеризующихся отсутствием высоких значений скорости приводного ветра, диапазон условий применения заявленного способа существенно шире. При фильтрации пикселей оптически плотных атмосфер в данном способе применяется независимо оцениваемое интегральное атмосферное поглощение. Данный метод фильтрации позволяет не отбрасывать при применении способа области, характеризующиеся сильными (выше 20 м/с) ветрами. Для данных областей характерны низкие значения поляризационной разницы в измерениях на 37 ГГц, использовавшейся в качестве критерия идентификации осадков в прототипе. Поэтому применение прототипа приводило к маскированию данных областей и недополучению информации в районах экстремальных ветров.

Таким образом, в отличие от аналога и прототипа, данный способ позволяет оценивать интегральную влажность атмосферы с высокой точностью в более широком диапазоне природных условий, включая сильные (выше 20 м/с) ветра.

Поставленная цель оценки интегральной влажности атмосферы может быть достигнута следующим образом:

1) Данные AMSR2 распаковываются из научного формата hdf, извлекаются радиояркостные температуры на каналах 18.7 и 36.5 ГГц горизонтальной поляризации, и 23.8 ГГц горизонтальной (Г) и вертикальной (В) поляризации

2) К извлеченным радиояркостным температурам добавляются калибровочные поправки:

Τ₁=Τ₁-2.8;

T₂=T₂-3.0;

Т₃=Т₃-3.0;

Т₄=Т₄-1.8;

3) интегральная влажность атмосферы (влагозапас) Q вычисляется по следующей формуле:

где:

Q - Интегральная влажность атмосферы в кг/м²;

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

ω_0,1,2(W,B) - весовые коэффициенты (W) смещения (В) на входящем (0), скрытом (1) и выходящем (2) уровнях;

n - номер обрабатывающего нейрона n=1,…5;

Τ_1,2,3,4 - радиояркостные температуры в радиометрических каналах 1,2,3,4;

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

4) С использованием измерений в радиометрических каналах AMSR2 на 10.65,18.7 и 23.4 ГГц для каждого пикселя оценивается величина интегрального поглощения в атмосфере τ [4]. Способ оценки интегрального поглощения, описанный в данной публикации, планируется к патентованию. Используется пороговое значение τ=0.06, все пиксели с τ>0.06, маскируются (т.н. «погодный фильтр»).

Нижеприведенные комбинации частот и режимов поляризации радиометрических каналов (υ₁, υ₂, υ₃, υ₄) и коэффициенты настроенной Нейронной Сети (Q₀, ω_0,1,2(W,B)) 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=18.7 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₂=23.8 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₃=23.8 ГГц вертикальной поляризации;

υ₄=36.5 ГГц горизонтальной поляризации;

Q₀=33.4 кг/м²;

ω_0W11=0.00585234 ω_0W21=-0.02950359 ω_0W31=0.01680031 ω_0W41=0.00452675

ω_0W12=-0.01615210 ω_0W22=0.01551236 ω_0W32=0.01974712 ω_0W42=-0.02141725

ω_0W13=-0.00269150 ω_0W23=0.01072907 ω_0W33=-0.00184769 ω_0W43=-0.00202167

ω_0W14=-0.00618935 ω_0W24=-0.01041266 ω_0W34=0.00949005 ω_0W44=-0.00242353

ω_0W15=-0.00775691 ω_0W25=-0.00537835 ω_0W34=-0.01876238 ω_0W44=-0.00998448

ω_0B1=-0.25583030 ω_0B2=0.99981270 ω_0B3=-1.00000000 ω_0B4=-0.34716470 ω_0B5=-0.00344541

ω_1W1=0.20039140 ω_1W2=0.58231070 ω_1W3=1.00000000 ω_1W4=0.10145760 ω_1W5=0.49267980

ω_1B=0.00908684

ω_2W=3.73103000

ω_2B=1.60871000

Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля интегральной влажности атмосферы над открытыми районами океана по всему Земному шару в широком диапазоне изменений параметров атмосферы и океана, в том числе в условиях, характеризующихся облачностью и экстремальными ветрами. Использование предложенного способа позволяет расширить диапазон атмосферных и океанических условий по сравнению с имеющимися способами, оставаясь в рамках точности, предъявляемой к измерениям данного параметра океана Всемирной Метеорологической Организацией.

Источники информации

1. Meissner Т., Wentz F.J. The emissivity of the ocean surface between 6 and 90 GHz over a large range of wind speeds and earth incidence angles // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2012. T. 50. №8. C. 3004-3026.

2. Tretyakov M.Y. и др. 60-GHz oxygen band: precise broadening and central frequencies of fine-structure lines, absolute absorption profile at atmospheric pressure, and revision of mixing coefficients // J. Mol. Spectrosc. 2005. T. 231. №1. C. 1-14.

3. Turner D.D. и др. Modifications to the water vapor continuum in the microwave suggested by ground-based 150-GHz observations // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. Lett. 2009. T. 47. №10. C. 3326-3337.

4. Zabolotskikh E.V., Mitnik L.M., Chapron B. New approach for severe marine weather study using satellite passive microwave sensing // Geophys. Res. Lett. 2013. T. 40. №13. C. 3347-3350.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц и 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 расширенной 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 значение 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 используют четыре радиометрических канала, которые имеют частоты υ₁=18.7 ГГц горизонтальной поляризации, υ₂=23.8 ГГц горизонтальной поляризации, υ₃=23.8 ГГц вертикальной поляризации и υ₄=36.5 ГГц горизонтальной поляризации, при моделировании излучения применяют новую модель зависимости излучения океана от скорости ветра, эффективную при ураганных ветрах, позволяющую адекватно воспроизводить измеряемые радиояркостные температуры в штормовых погодных условиях, используют новый подход к фильтрации оптически плотных атмосфер, заключающийся в оценке на основании радиометрических измерений интегрального атмосферного поглощения τ на частоте 10.65 ГГц и маскировании пикселей с пороговым значением τ>0.06, что позволяет получать более высокие, по сравнению с существующими, точности восстановления интегральной влажности воздуха Q над открытыми районами океана в расширенном диапазоне состояний океана и атмосферы, включая экстремальные явления погоды (полярные и внетропические циклоны, тропические ураганы).