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

Описание патента на изобретение RU2572405C1

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 (Тя) по четырем радиометрическим каналам К и Ка-диапазона электромагнитного спектра и вычислении значений влагозапаса атмосферы с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостной температуры (Тя) 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 Тя - 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:

Τ11-2.8;

T2=T2-3.0;

Т33-3.0;

Т44-1.8;

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;

ω0,1,2(W,B) - весовые коэффициенты (W) смещения (В) на входящем (0), скрытом (1) и выходящем (2) уровнях;

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

Τ1,2,3,4 - 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, ω0,1,2(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;

ω0W11=0.00585234 ω0W21=-0.02950359 ω0W31=0.01680031 ω0W41=0.00452675

ω0W12=-0.01615210 ω0W22=0.01551236 ω0W32=0.01974712 ω0W42=-0.02141725

ω0W13=-0.00269150 ω0W23=0.01072907 ω0W33=-0.00184769 ω0W43=-0.00202167

ω0W14=-0.00618935 ω0W24=-0.01041266 ω0W34=0.00949005 ω0W44=-0.00242353

ω0W15=-0.00775691 ω0W25=-0.00537835 ω0W34=-0.01876238 ω0W44=-0.00998448

ω0B1=-0.25583030 ω0B2=0.99981270 ω0B3=-1.00000000 ω0B4=-0.34716470 ω0B5=-0.00344541

ω1W1=0.20039140 ω1W2=0.58231070 ω1W3=1.00000000 ω1W4=0.10145760 ω1W5=0.49267980

ω1B=0.00908684

ω2W=3.73103000

ω2B=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.

Похожие патенты RU2572405C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ УЛУЧШЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ 2013
  • Заболотских Елизавета Валериановна
  • Митник Леонид Моисеевич
  • Шапрон Бертран Жорж Альбер
RU2532692C1
Способ оценки водозапаса облаков над океаном по данным измерений спутникового микроволнового радиометра AMSR2 2015
  • Заболотских Елизавета Валериановна
  • Шилов Дмитрий Владимирович
RU2626165C2
СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ 2014
  • Заболотских Елизавета Валериановна
  • Шапрон Бертран Жорж Альбер
RU2570836C1
СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ РАДИОМЕТРОВ 2010
  • Заболотских Елизавета Валериановна
  • Бобылёв Леонид Петрович
RU2474848C2
СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ДОЖДЯ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ СПУТНИКОВОГО МИКРОВОЛНОВОГО РАДИОМЕТРА AMSR2 2015
  • Заболотских Елизавета Валериановна
RU2627568C2
Способ дистанционного определения гидрометеорологических параметров состояния системы океан-атмосфера 2016
  • Чернявский Григорий Маркелович
  • Черный Игорь Владимирович
  • Барсуков Игорь Александрович
  • Болдырев Владимир Владимирович
  • Панцов Вячеслав Юрьевич
  • Полушковский Юрий Александрович
  • Скрипачев Владимир Олегович
RU2665716C2
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ОКЕАН - АТМОСФЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1993
  • Черный И.В.
  • Панцов В.Ю.
  • Наконечный В.П.
RU2047874C1
СПОСОБ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ЗАЯВОК ОТ ВНЕШНИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ПРОВЕДЕНИЕ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ, КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ И ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ВНЕШНИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 2011
  • Полушковский Юрий Александрович
  • Скрипачев Владимир Олегович
  • Суровцева Ирина Вячеславовна
  • Спиричев Дмитрий Леонидович
RU2465617C1
ДИСТАНЦИОННЫЙ РАДИОФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ 2006
  • Бобров Павел Петрович
  • Миронов Валерий Леонидович
  • Ященко Александр Сергеевич
RU2348924C2
Способ определения параметров взволнованной водной поверхности в инфракрасном диапазоне 2017
  • Бубукин Игорь Тимофеевич
RU2651625C1

Реферат патента 2016 года СПОСОБ РАСШИРЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ

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.

Формула изобретения RU 2 572 405 C1

Способ расширенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения интегральной влажности (Q) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостной температуры (Тя) 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).

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2572405C1

СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ РАДИОМЕТРОВ 2010
  • Заболотских Елизавета Валериановна
  • Бобылёв Леонид Петрович
RU2474848C2
E.V.Zabolotskikh and other
New approach for severe marine weather study using satellite passive microwave sensing / Geophysical Research Letters, 2013, vol.40, p.3347-3350
Е.В.Заболотских и др
Валидация полярных алгоритмов восстановления влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков над Арктическим океаном по данным

RU 2 572 405 C1

Авторы

Заболотских Елизавета Валериановна

Шапрон Бертран Жорж Альбер

Даты

2016-01-10Публикация

2014-08-21Подача