Способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Т_я) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (T_s) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети. Используются четыре радиометрических канала, которые имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ₁=6.9 ГГц горизонтальной поляризации, υ₂=6.9 ГГц вертикальной поляризации, υ₃=10.65 ГГц горизонтальной поляризации и υ₄=10.65 ГГц вертикальной поляризации. Моделируется ослабление излучения слоем осадков до 30 мм/ч, что позволяет получать оценки температуры поверхности океана в широком диапазоне состояний океана и атмосферы для всего диапазона температур океана в условиях, включающих наличие мощной облачности и осадков до 30 мм/ч. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых данных.

 

Настоящее изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Полученные поля температуры океана могут быть использованы в гидрометеорологических прогнозах. Особенностью способа оценки температуры поверхности океана (ТПО) по данным спутниковых микроволновых радиометров является возможность получения оценок в условиях облачности.

Известен способ определения ТПО с высоким пространственным разрешением на основе данных инфракрасного (ИК) радиационного зондирования в каналах разделенного окна пропускания атмосферы. Данный способ, описанный в (С.Е. Дьяков. «Некоторые аспекты новой генерации полей температуры поверхности океана» // Сборник трудов «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов» Том I. - М.: ООО «Азбука - 2000», 2007. С. 289-294), использует, кроме измерений в ИК диапазоне, данные микроволнового радиометра Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) для повышения точности восстановленных значений ТПО за счет корректного учета параметров атмосферы.

Недостатком этого способа, в отличие от заявленного, является невозможность получения значений ТПО в условиях облачности. Данные спектрарадиометров ИК диапазона традиционно используются для определения температуры океана в каналах прозрачности атмосферы. Однако в условиях облачности радиационный сигнал от поверхности поглощается слоем облаков и определение ТПО становится невозможным. Способ оценки ТПО по данным спутниковых микроволновых радиометров свободен от данных ограничений и позволяет восстанавливать данный параметр независимо от наличия облачного покрова.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному техническому решению (прототипом) является метод, описанный в (Wentz, F.J., and T. 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 для каналов радиометра AMSR-E для большого набора параметров системы океан-атомсфера, и поиска (т.н. «table look-up», т.е. путем перебора) того набора параметров, включая температуру поверхности океана, который обеспечивает минимальную среднеквадратичную разницу между измеренными и модельными значениями радиояркостных температур для всего набора измерений и параметров. Модельные значения радиояркостных температур рассчитываются путем решения уравнения переноса микроволнового излучения в системе океан-атмосфера без рассеяния. Для решения уравнения переноса авторы задаются геофизической модельной функцией, определяющейся моделями поглощения электромагнитного излучения в облачной атмосфере и излучения океана в условиях воздействия на поверхность приводного ветра. Для определения ТПО используются измерения на всех каналах радиометра AMSR-E, кроме высокочастотных измерений на частоте 89 ГГц. Данный метод используется для получения температуры поверхности океана в оперативном центре обработки данных спутниковых пассивных микроволновых радиометров США Remote Sensing Systems (RSS).

Недостатком данного прототипа являются: а) использование устаревшей модели излучения океана при моделировании радиояркостных температур, б) использование измерений на каналах, превышающих С- и Х-диапазоны, обладающих низкой чувствительностью к температуре поверхности океана и высокими значениями шумов и в) неприменимость метода в условиях осадков. В результате погрешность прототипа на 30% выше, чем у предлагаемого метода. Оценка погрешности прототипа и предлагаемого способа проведена путем сопоставления результатов применения способа к данным спутниковых измерений и измерений ТПО океаническими буями Мирового океана.

Целью настоящего изобретения является разработка способа оценки температуры поверхности океана (ТПО) 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). 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 оценки ТПО по измерениям спутниковых микроволновых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Т_я) по четырем радиометрическим каналам С- и Х-диапазона электромагнитного спектра и вычислении значений ТПО с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостной температуры (Т_я) и коэффициентов предварительно настроенной Нейронной Сети. Используемые радиометрические каналы имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ₁=6.9 ГГц горизонтальной поляризации, υ₂=6.9 ГГц вертикальной поляризации, υ₃=10.65 ГГц горизонтальной поляризации и υ₄=10.65 ГГц вертикальной поляризации.

Способ основан на использовании численного эксперимента, заключающегося в последовательном решении прямой и обратной задач атмосферной оптики применительно к микроволновому диапазону. При решении прямой задачи - моделировании радиояркостной температуры уходящего излучения системы океан-атмосфера Т_я - использовались современные, уточненные модели ослабления микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках и новая параметризация излучения океана [Chapron В. и др. Ocean remote sensing data integration-examples and outlook // OceanObs′ 09: Sustained Ocean Observations and Information for Society (Vol.1), Venice, Italy, 21-25 September 2009., 2010], эффективная для всего диапазона температур океана. В модель расчета излучения включен блок расчета ослабления слоем дождя [Liebe H.J., Layton D.H. Millimeter-wave properties of the atmosphere: Laboratory studies and propagation modeling.: Nat. Tech. Inf. Service Boulder, CO, 1987], применимый для осадков интенсивности до 30 мм/ч. При решении обратной задачи в качестве оператора решения использовались Нейронные Сети. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для способа оценки ТПО, корректировались с использованием совмещенных в пространстве и во времени спутниковых радиометрических данных и данных измерений буев Мирового океана.

Главным отличительным признаком нового способа оценки ТПО является учет при моделировании уходящего излучения системы океан-атмосфера слоя дождя и новой параметризации излучения океана, что обеспечивает возможность получения оценок в условиях дождя до 30 мм/ч и во всем диапазоне температур океана.

Данный способ позволяет получать высокие точности восстановления ТПО во всем диапазоне атмосферных и океанических условий, исключая интенсивные (более 30 мм/ч) осадки. По сравнению с прототипом, который восстанавливает значения ТПО только в условиях, характеризующихся отсутствием осадков и облачности с водозапасом, превышающим 0.5 кг/м², диапазон условий применения заявленного способа существенно шире. При этом точность способа остается в рамках точности, требуемой экспертами ВМО от микроволновых методов оценки температуры поверхности океана (менее одного градуса).

Таким образом, в отличие от аналога и прототипа, данный способ позволяет оценивать температуру поверхности океана с высокой точностью в более широком диапазоне природных условий, включая весь диапазон температур океана, облачность любого водозапаса и осадки, не превышающие 30 мм/ч.

Реализация способа может быть достигнута следующим образом:

1) Данные AMSR2 распаковываются из научного формата hdf, извлекаются радиояркостные температуры на каналах 6.9 ГГц, 10.65 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризации для каждой частоты ( $$T_1=T_{я}^{6.9Г},$$ $$T_2=T_{я}^{6.9В},$$ $$T_3=T_{я}^{10.65Г},$$ $$T_4=T_{я}^{10.65В}$$ );

2) К извлеченным радиояркостным температурам добавляются калибровочные поправки:

T₁=T₁-1.8;

Т₂=Т₂-1.8;

Т₃=Т₃-1.8;

Т₄=Т₄-1.8;

3) Температура поверхности океана Τ_S вычисляется по следующей формуле:

где:

T_S - Температура поверхности океана в градусах кельвина (К);

T_S0 - нормировочный показатель настроенной Нейронной Сети в К;

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,…7;

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

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

Нижеприведенные комбинации частот и режимов поляризации радиометрических каналов (υ₁, υ₂, υ₃, υ₄) и коэффициенты настроенной Нейронной Сети (T_S0, 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=6.9 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₂=6.9 ГГц вертикальной поляризации;

υ₃=10.65 ГГц горизонтальной поляризации;

υ₄=10.65 ГГц вертикальной поляризации;

T_S0=305 К;

ω_0W11=0.00195112 ω_0W21=-0.00306650 ω_0W31=-0.00386781 ω_0W41=0.00117650

ω_0W12=0.00686891 ω_0W22=0.00214147 ω_0W32=0.00318684 ω_0W42=0.00084904

ω_0W13=-0.03731041 ω_0W23=0.03047029 ω_0W33=0.00789236 ω_0W43=-0.00379655

ω_0W14=0.00292835 ω_0W24=-0.00341231 ω_0W34=-0.00308668 ω_0W44=0.00049353

ω_0W15=0.00278733 ω_0W25=-0.00340104 ω_0W35=-0.00266878 ω_0W45=0.00035715

ω_0W16=0.03499598 ω_0W26=-0.01069533 ω_0W36=-0.00583675 ω_0W46=0.00635331

ω_0W17=0.00171760 ω_0W27=-0.00260852 ω_0W37=-0.00213889 ω_0w47=-0.00007520

ω_0Β1=-0.11345280 ω_0Β2=-0.29711710 ω_0B3=-0.85054640 ω_0B4=-0.14728630

ω_0B5=-0.13370770 ω_0B6=-0.48197080 ω_0Β7=-0.03785817

ω_1W1=0.27679250 ω_1W2=0.31524840 ω_1W3=0.94803580 ω_1W4=0.32187090

ω_1W5=0.30285060 ω_1W6=0.69187610 ω_1W7=0.17708850

ω_1B=-0.59085120

ω_2W=1.47776400

ω_2B=0.36164730

Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля температуры поверхности океана по всему Земному шару в широком диапазоне изменений параметров атмосферы и океана, включая весь диапазон изменений ТПО, в том числе в условиях, характеризующихся мощной облачностью и осадками. 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.

Способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Т_я) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (T_s) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети, численные значения которых получены путем математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера в условиях осадков 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 четыре радиометрических канала, которые имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ₁=6.9 ГГц горизонтальной поляризации, υ₂=6.9 ГГц вертикальной поляризации, υ₃=10.65 ГГц горизонтальной поляризации и υ₄=10.65 ГГц вертикальной поляризации, при моделировании излучения применяется новая параметризация излучения океана, позволяющая адекватно воспроизводить измеряемые радиояркостные температуры во всем диапазоне температур океана, моделируется ослабление излучения слоем осадков до 30 мм/ч, что позволяет получать оценки температуры поверхности океана в широком диапазоне состояний океана и атмосферы для всего диапазона температур океана в условиях, включающих наличие мощной облачности и осадков до 30 мм/ч.