Способ дистанционного определения среднемесячной температуры приводного слоя атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01S13/95 G01W1/00 

Изобретение относится к дистанционным способам контроля состояния системы океан - атмосфера и может применяться для анализа годового цикла потока явного тепла в Мировом океане с борта летательных аппаратов (самолетов и искусственных спутников Земли) в интересах климатологии, океанологии, служб предсказания погоды.

Известен способ, основанный на измерениях интенсивности собственного теплового инфракрасного (И К) излучения системы океан - атмосфера в диапазоне длин волн 8-12 мкм.

Принципиальная возможность определения температуры приводного слоя атмосферы (ТПСА) данным способом обусловлена наличием взаимосвязи ИК-радиационных характеристик в диапазоне 8-12 мкм с основными компонентами теплового потока

системы океан - атмосфера -температурой поверхностного слоя океана и величиной ТПСА. Существенный недостаток способа заключается в сильной зависимости его эффективности от метеоусловий и, прежде всего, от балльности облаков. Например, для района Куросио средний балл облачности в феврале - мае и в октябре - декабре составляет 6-7 (по 10-балльной шкале), а в январе и в июне - августе он повышается до 7-8. Повторяемость ясного неба (балльность облаков 3), которая определяет возможность применения ИК-радиометрического способа для оценки ТПСА, лежит в пределах 10-20%. Столь сильная зависимость эффективности ИК-радиометрического способа от метеоусловий приводит к длительным вынужденным перерывам в годовом цикле измерений, что существенно ограничивает

vl СО

сл

VI 00

VI

точность определения среднемесячных значений ТПСА.

Известен способ, основанный на контактных измерениях ТПСА, реализуемый с помощью температурных датчиков (зондов), которые устанавливаются на научно-исследовательских судах, судах погоды, буйковых станциях, платформах и т.п. Согласно этому способу среднемесячная величина ТПСА определяется путем пространственного (в пределах данного участка) и временного (в пределах каждого месяца наблюдений) усреднения измеренных значений ТПСА.

Недостатком данного способа является большая трудоемкость измерений, связан- ная с необходимостью отбора точечных про.б на обширных акваториях (до 1 млн.кв.км) в течение продолжительного времени (до 1 года и более). Его практическое применение ограничено рамками отдель- ных экспериментальных исследований в выборочных районах Мирового океана таких, например, как программа Разрезы. Данный способ не позволяет решать весь комплекс задач по регулярному и оперативному контролю (мониторингу) акваторий Мирового океана.

Необходимые для мониторинга океана качества - оперативность измерений и слабая зависимость их результатов от метеоусло- вий обеспечивают СВЧ-радиометрические методы и средства дистанционного зондирования в сантиметровом диапазоне волн.

Известен СВЧ-радиометрический метод определения ТПСА, основанный на из- мерении интенсивности собственного излучения атмосферы в миллиметровом диапазоне волн. По данным измерений одновременно в нескольких спектральных интервалах удается восстанавливать высот- ные профили температуры и другие параметры тропосферы. Недостаток способа заключается в том, что дистанционные датчики в этом случае устанавливаются на земной (водной) поверхности, т.е. смотрят на атмосферу снизу. При наблюдении сверху (с борта летательных аппаратов) способ не позволяет определять ТПСА вследствие сильного влияния подстилающей поверхности. Кроме того, указанный способ не позво- ляет достичь высокой точности определения ТПСА, поскольку не достигается максимальная чувствительность яркостной температуры к вариациям Q.

Целью изобретения является повыше- ние точности определения температуры приводного слоя атмосферы за счет увеличения влияния колебаний содержания водяного пара в атмосфере на яркостную

температуру при одновременном увеличении оперативности измерений.

При осуществлении предлагаемого способа с борта летательного аппарата антенной, ориентированной вниз, измеряют в заданной области океана периодически яр- костную температуру излучения системы океан - атмосфера в спектральном интервале 1,27-1,43 см, рассчитывают интегральное содержание водяного пара в атмосфере Q, находят среднемесячные значения содержания водяного пара Q путем усреднения текущих значений Q в пределах каждого месяца наблюдений, определяют коэффициенты а и b линейной регрессии между многолетними значениями Тлмл и Омл (Т/,мл а + ЬОМЛ) в этой области океана, используя для этого значения Тдмл и Омл из морских атласов, определяют искомые среднемесячные значения ТПСА (Т) из соотношения Тд a + bQ.

Принципиальная сложность определения ТПСА дистанционными (СВЧ- и ИК-ра- диометрическими) методами при наблюдении с летательных аппаратов заключается в том, что измеряемые дистанционными датчиками сигналы несут информацию об усредненных по всей толще тропосферы характеристиках. В основе изобретения лежит устойчивая взаимосвязь между среднемесячными значениями интегрального (усредненного в пределах всего атмосферного столба) содержания водяного пара и температуры сравнительно тонкого (10-20 м) приводного слоя атмосферы. Знание ТПСА очень важно само по себе, а в сочетании с такой характеристикой, как температура поверхности океана, представляет исключительный интерес для анализа теплообмен- ных процессов в системе океан - атмосфера. Периодичность (регулярность) измерений среднемесячных значений ТПСА определяется интервалом синоптической изменчивости параметров Т и Q, который составляет 3-6 сут. Для определения интегрального содержания водяного пара в атмосфере могут быть использованы известные методики на основе измерений яркостной температуры в резонансной линии поглощения (излучения) водяного пара 1,35 см. В целях ослабления побочного влияния облачности и состояния достилающей поверхности на дистанционные оценки параметра Q целесообразно использовать нерезонансные области в спектральном интервале 1,27-1,43 см.

К дистанционным датчикам не следует предъявлять высокие требования к пространственной разрешающей способности (детальности) обзора, поскольку величина

климатически значимого элемента на поверхности океана составляет 500-1000 км. На меньших по размерам участках взаимосвязь океанологических и климатологических характеристик не является статистически значимой. Современные спутниковые средства без труда обеспечивают данную детальность наблюдений. Корреляционное соотношение между величиной ТПСА и влагосодержанием ат- мосферы получено для усредненных по 5- градусным квадратам (550x550 км) значениям параметров Тч и Q.

Повышение оперативности (производительности) и снижение трудоемкости изме- рений среднемесячной величины ТПСА по сравнению с известным способом обусловлено возможностью размещения СВЧ-ради- ометров на борту ИСЗ (зондирования атмосферы сверху вниз), простотой алго- ритма определения ТПСА, меньшим количеством используемых радиометров (1-2) по сравнению с известным способом (3-4 и более).

Точность определения ТПСА предлага- емым способом определяется точностью оценки интегрального содержания водяного пара по данным СВЧ-радиометрических измерений (5-10%) и неоднозначностью зависимости Тд(0) (5-10%), что не уступает точности известного способа (10-20%).

Пример. Проведены измерения ярко- стной температуры на длине волны 1,35 см радиометром Р-135 с 3-дневной периодичностью для Ньюфаундлендской энергоак- тивной зоны Атлантики, с помощью известной методики восстановлены соответствующие значения интегрального содержания водяного пара.

По данным таблицы рассчитывается среднее за 30 дней значение интегрального

содержания водяного пара Q тгГ 2 Qi

1ui i 2,2 г/см3. С помощью корреляционной зави-

симости между многолетними (атласными) значениями Тдмл и Омл определяются коэффициенты а и b: a -7, b 10, характерные для Ньюфаундлендской энергоактивной зоны, с помощью соотношения ТА а + bQ находят среднемесячное значение ТПСА Тд -7 + 10х2,2 15°С.

Таким образом, предлагаемый способ обладает такими преимуществами, как оперативность и масштабность (глобальность) пространственного обзора акваторий Мирового океана, при повышении точности определения ТПСА.

Формула изобретения Способ дистанционного определения среднемесячной температуры приводного слоя атмосферы, заключающийся в измерении интенсивности собственного излучения атмосферы и определении температуры по результатам измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения температуры приводного слоя атмосферы за счет увеличения влияния колебаний содержания водяного пара в атмосфере на яркостную температуру при одновременном увеличении оперативности измерений, измеряют яркостную температуру приводного слоя атмосферы в спектральном интервале 1,27-1,43 см с борта летательного аппарата, рассчитывают интегральное содержание водяного пара Q в атмосфере, определяют среднемесячное значение Q, определяют коэффициенты а и b в выражении

Т мл .

л

;a + bQ

мл

мл и Омл(

-значения многолетних измепо априорным значениям Тл гдеТАмлиСГ рений температуры атмосферы и содержания водяного пара соответственно, и определяют среднемесячное значение температуры приводного слоя атмосферы Т,

исходя из соотношения Тд а + bQ.

А1

Изобретение относится к дистанционным способам контроля, состояния системы океан - атмосфера. Целью изобретения является повышение точности определения температуры приводного слоя атмосферы за счет увеличения влияния колебаний содержания водяного пара в атмосфере на яркостную температуру при одновременном увеличении оперативности измерений. Измеряют яркостную температуру приводного слоя атмосферы в спектральном интервале 1,27 - 1,43 см с борта летательного аппарата, рассчитывают интегральное содержание водяного пара Q в атмосфере, ojj- ределяют среднемесячное значение Q, определяют коэффициенты а и Ь в выражении ТАМЛ а + ЬОмЛ, по априорным значениям ТАМЛ и Омл, где Тдмл и ОАМЛ - значения многолетних измерений температуры атмосферы и содержания водяного пара соответственно, и определяют среднемесячное значение температуры приводного слоя ат- мсэсферы Тл, исходя из соотношения Тл а + об. 1 табл. СО