Введение к работе
Актуальность работы. В последние годи существенно расширились исследования метеопараметров с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эти исследования в значительной степени Сїиму-лировались необходимостью решения ряда научных и практических задач в области физики атмосферы и океана, метеорологии, климатологии, изучения природных ресурсов. Это в свою очередь требует создания эффективной наблюдательной системы па естествг шымк и антропогенными изменениями физических параметров атмосферы и поверхне -ти. Согласно требованиям к спутниковой информации в чеследов^'иях краткосрочных изменений климата и прогноза погоды, такой наибол^з вадный параметр, как температура поверхности океана (ТПО) должна^, определяться с точностью не хуле 0,5 К при временном масштабе осреднения в один месяц и пространственном масш-абе 100x100 км. Гэс-тияенне такой точности возможно при разработке принципиально новой спутниковой системы, которая должна обеспечивать высокую точность измерений и строиться с учетом воэмодности реализации совое-менных методов определения ТПО со спутников. Технические требования к такой системе были разработаны в рамках рабочей групп.* "ТПО-0,5", в работе которой автор принимал непосредственно^ участие. В настоящее время система реализуется на спутнике "Алмаз".
Известно, что информация о подстилающей поверхности и атмосфере, получаемая дистанционными методами, содержится в характери -тиках собственного и отраженного электромагнитного излученк.. в микроволновом (СВЧ), инфракрасн . (ПК) и видимом диапазонах спектра. Такой характеристикой в ПК-области спектра является интенсивность Ід/9) собственного излучения системы "подстилающая поверхность-атмосфера", регистрируемой на спутнике под углом 6 к надиру на длине волны X :
Ix(e)»&0-BX(TJPX(1,0> - J64[T(tfl а^(І,Є> Л
о о t.
t "
^[L-^Ojj^i.GlUjTCt^-^-l^ilc/t, (I)
о н
гдо Од(Э) - иэлучательная способность поверхности, ВХ(Т) -функция Планка при температуре Т ; *? (t в) " ФУ,,КЦИЯ пропус-
кания ИК-иэучения слоя атмосферы (О, С ), измеряемого в относительных единицах давления воздуха; Q.(t) = Fi(t(t$~ интегрально-показательная функция, Т"(/ - оптическая толщина слоя (Г ,1). Из соотношения (I) видно, что интенсивность ІдСб1,) зависит, в частности, от функции пропускания атмосферы и иэлучательной способности эверхности. Очевидьо, что от того насколько правильно учитываются эти функции в задачах дистанционного зондирования, зависит точность восстановления искомых параметров. Поэтому методы дистанционных исследований со спутников должны строиться с учетом реальных физических механизмов формирования и ' переноса изучения в естественных средах.
К началу 70-х годов усилия исследователей, работающих в этой области, были направлены в основном на совершенствование технических средств в направлении повышения точности измерений. Большое внимание уделялось также разр^отке методов решения обратных задач, применяемых в данно. области физики.
Однако повышение только точности измерений и методов решения задач не могли обеспечить требуемую точность определения метеопараметров. Это убедительно демонстрируется на гримере решения задачи термического зондирования поверхности океана космическими средствами. Как выяснилось в последние годы,, причины больших ошибок определения параметров океана и атмосферы связаны с недостаточно корректным учетом механизмов переноса излучения в атмосфере и иэлучательной способности поверхности.
К настоящему времени проведены уже обширные теоретические и экспериментальные исследования как в области физики генерации и переноса электромагнитного излучения в системе "подстилающая по-веохность-атмосФеоа". так и собственно методов зондирования подстилающей поверхности к атмосферы. Однако до сих пор существуют противоречия между натурными и лабораторными исследованиями функции пропускания атмосферыі Предложенные методы определения ТПО недостаточно корректно учитывают влияние функции пропускания атмосферы и, как правило, не учитывают вариации иэлучательной способности поверхности.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется потребностью в новых, обоснованных с физической точки зрения, методах дистанционного определения температуры поверхности океана в связи с совершенствованием средств сбора информации для улучшения
- з -прогноза погоди, изучения климатических изменений и мониторинга
океана.
Целью работы является определение термодинамической температуры поверхности океана со спутников с высокой точностью. В отличие от предшествующих методов ставится задача достатично точно учесть влияние функции пропускания атмосферы, вертикального профиля температуры атмосферы и излучательной способности поверхности.
Для решения поставленной задачи необходимо исследовать Физические закономерности вариаций функции пропу кания атмосферы в ИК-диапаэоне спектра и на основе этого исследования разработать методы определения ТПО, которые корректно учитывали бы вличие как ."тмос-феры, так и излучательной способности поверхности океана.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается: о
применением научно обоснованных физических и статистических методов исследования на материалах ассовых і Злюдений комплексного оптического эксперимента в различных метеорологических условиях;
установлением степени адекватности полученные результатов путем сопоставления с теоретическими и лабораторными исследованиям::;
опытом успешного применения предложенных мето;оз на материалах численного моделирования и реальных данных наблюдении.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе результатов, полученных автором по изучению функции пропускания атмосферы в ИК-области спектра, а также применения новых методов измерений и интерпретации эксперимента, включая понятия надежности модели из. з-рений и информативности измерительных каналов, достигнута высокая точность определения ТПО со спутников в ИК-области спектра.
Перечислим основные новые результаты и подходы, содержащиеся в диссертации.
Впервые на основе комплексного натурного «жсперимента удалось разделить вклад в ослабление ИК-излучения в "окнах прозрачности" за счет континиуума водяного пара и аэрозоля. Изучена зависимость коэффициентов континуального поглощения водяного пара в области 2-21 мкм от парциального давления и температуры.
Показано, что мелкодисперсная фракция аэрозоля играет существенную роль в ослаблении как видимого, так и инфракрасного излучения, причем механизмы ослабления излучения в видимом и ИК-диа-і
- 4 -пазонах спектра различны: в видимом диапазоне определяющую
роль играет рассеяние, а в ИК-диапазоне - поглощение.
Установлена большая изменчивость мелкодисперсной фракции аэрозоля как по количественному составу, так и по оптическим свойствам в зависимости от относительной влажности воздуха.
На основе анализа спектрального метода определения ТПО показано, что основные погрешности этого метода связаны с вариациями спектрального хода оптической толщины аэрозоля. Для устранения указанного недостатка автором предложен спектрально-угловой метод, позволяющий учитывать в каждой конкретной ситуации реальный спектральный ход аэрозольного ослабления.
Автором предложен метод определения ТПО, основанный на угловых измерениях интенсивности уходящего излучения в ИК-области спектра. Метод апробирован на экспериментальных данных, полученных с помощью самолётного ИК-радиометра. При погрешностях измерений -^0,1-0,2 К метод обеспечивает среднеквадратичную точност:
восстановления ТПО~0,7 К.
Впервые предложена малопараметрическая модель для описания угловой структуры интенсивности уходящего собственного излучения системы "океан-атмосфера" с использованием разложения по эмпирическим ортогональным составляющим. На основе, этой модели предложен метод определения ТПО с учетом влияния атмосферы и излучтальной способности океана.
Показано, что сочетание углового метода измерений интенсивности излучения с современными методами интерпретации экспериментов - методами редукции позволяет достичь требуемую точность восстановления термодинамической ТПО < 0,4 К при точностях измерений <.0,2 К.
с - Впервые для решения задачи определения ТПО со спутников предложено использовать понятие надежности модели с целью контроля за качеством используемой модели измерений.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования по изучению функции пропускания атмосферы в инфракрасной области спектра в последнее время приобретают особый интерес в связи с тем, что многие ладачи метеоре огии, геофизики и астрофизики требуют глубокого понимания природы функции пропускания атмосферы
- 5 -и знания достаточно точных количественных характеристик ее параметров. Важность указанной проблемы определяется также задачами прикладного характера, связанными с оценкой работы различных оптико-электронных приборов. Полученные результаты указывают на существенную зависимость функции пропускания атмосферы в "окнал" ИК-ооласти спектра от аэрозольной компоненты. Это вызывает определенные трудности учета ослабляющих свойств этой субстанции в задаче термического зондирования подстилающей поверхности.
Предложенные в работе методы определения термодинамической ТПО с учетом влияния атмосферы и излучательной способности океана, основанные на новых методах интерпретации эксперимента с учетам информативности измерительных каналов, согласованной с погрешностью измерений, а также надежности модели измерений могут найти применение при разработке перспективной ИК-аппаратуры, предназначенной для определения ТПО со спутников.
Результаты численного моделирования и реальные эксперименты с помощью самолетов-лабораторий и спутников показали что предложенные методы обеспечивают требуемую точность определения ТПО.
Результаты, полученные в диссертации, используются в настоящее время на советских спутниковых системах, а также могут найп. применение в организациях Росгидромета (Гидрометеоцентг России, ЦАО, ГГО им.Воейкова) и РАН ( ИО им.П.П.Ширшова, ИКИ, ИФА, ИРЭ).
Публикации результатов диссертации. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, в том числе одна монография и одно авторское свидетельство об изобретении. Основные результаты опубликованы в центральных отечественных журналах: "Доклады АН СССР", "Известия АН СССР. Физика атмосферы и окена", "Исследование Земли из космоса".
Личний вклад автора состоит в постановке задач исследования и разработке принципов их решения, создании научной аппаратуры и проведении натурных наблюдений, интерпретации результатов исследования ТПО со спутников.
Основная часть научных результатов, представленных в диссертации, получена автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное, равное с другими авторами, участие в разработке и создании комплекса аппаратуры для научных исследований, а также в получении < экспериментального материала. Практически самостоятельно проведены
расчеты по статистическому анализу данных наблюдений. Принимал участие в обсуждении и интерпретации полученных результатов, а такие в формулировке научных выводов. Автору принадлежат идеи новых методов определения ТПО. Принимал участие в экспериментах по численному моделированию, а также теоретических расчетах.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (Томск, 1976г.), Международной научной конференции ВМО по итогам АТЭП (Ташкент, 1977г.), Всесоюзном совещании по актинометрии (Таллинн, 1980г.), vn Научных чтениях по космонавтике (Москва, 1983г.), Всесоюзном семинаре по дистанционным методам исследования со спутников (Ленинград, 1986г.), III Всесоюзной конференции по проекту "Разрезы" (Одесса, 1988г.), V Всесоюзном совещании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1988г.), Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследованиях океана и атмосферы" (Звенигород,Моек, обл., 1989г.), Школ»,-семинаре МГУ "Использование методов редукции в обратных задачах математической физики" (Красновидово, Моск. обл., 1990г.), УП Всесоюзном совещании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1990г.), Научно-техническом семинаре по проблемам дистанционного зондирования Земли из космоса (Реутово, Моск. обл., 1990г.), научных семинарах ИФА АН СССР, ИО АН СССР, ИКИ АН СССР, МГИ АН УССР, ОВМ АН СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения и списка литературы из 228 наименований. Общи объем работы составляет 286 страниц машинописного текста. Диссертация содержит'36 рисунков и 38 таблиц.