Введение к работе
Актуальность проблемы
Анализ программ по дистанционному зондированию окружающей среды электромагнитными средствами, осуществляемых в последние 10-20 лет в различных странах, выявляет ярко выраженную тенденцию, заключающуюся в заметном абсолютном и относительном увеличении количества приборов, работающих н СВЧ-участке спектра. Указанная тенденция обусловлена не только возможностью получения информации о природной среде независимо от времени суток и при наличии облачности, но и высокой чувствительностью собственного радиотеплового и рассеянного радиолокационного излучений к большому числу геофизических параметров, описывающих состояние атмосферы и подстилающей поверхности.
Особую важность имеет зондирование океана, морских льдов и атмосферы над океаном, где спутниковые измерения в различных диапазонах длин волн часто являются единственным источником информации о природных процессах. Спутниковые методы наиболее адекватны пространственно-временным масштабам явлений, наблюдаемых в системе океан-атмосфера, так как обеспечивают широкий охват и повторяемость получения данных. Эти данные используются как в оперативной работе, связанной с прогнозом погоды, подготовкой карт ледовой обстановки и обеспечением разнообразной хозяйственной деятельности (транспортные и рыбопромысловые операции на море и пр.), так и при проведении научных исследований.
Существенным ограничением спутниковых методов - как пассивных, так и активных - является то, что по своей природе они являются косвенными и позволяют исследовать главным образом границу раздела океан-атмосфера и атмосферу. Поэтому дистанционные методы применяются для изучения тех явлений, протекание которых сопровождается изменением свойств, прежде всего, поверхности воды, причем таких, которые вызывают вариации характеристик собственного или отраженного электромагнитного излучения.
Несмотря на более чем 25-летний срок СВЧ-радиометрического зондирования Земли из космоса, начало которому положили трассовые надирные измерения на четырех длинах волн со спутника "Космос-243" (Башаринов, Гурвич, Егоров; 1974), потенциальные возможности метода далеко не исчерпаны.
Наиболее важные результаты были получены при зондировании морских льдов. Резкое различие диэлектрических свойств воды и льда и изменение характеристик льда с возрастом, проявляющиеся в их СВЧ-спектрах, позволили развить алгоритмы обработки многочастотных данных, оценивать сплоченность и возраст морских льдов, фиксировать положение ледовой кромки, выявлять структуру поверхностных течений по распределению битого льда и т.д. Анализ внутригодо-вой и межгодовой изменчивости площади ледяного покрова служит
основой для изучения связи океанических и атмосферных процессов її короткопериодных вариаций климата.
Существенный прогресс достигнут при изучении изменчивости характеристик ветра над Мировым океаном. Детальное исследование факторов, влияющих наряду с ветром на коэффициент излучения морской поверхности (стратификация приводного слоя атмосферы, "возраст" волнения и т.д.), позволяет усовершенствовать алгоритмы и снизить погрешности оценки скорости ветра.
Применительно к атмосфере резко возрос объем сведений об изменчивости содержания парообразной и капельной влаги над океаном и в отдельных погодных системах, получеши^ш^ю^ащшьім-СВЧ-— зондирования^Интег^алыяые-параметрьт"атТлосферыцспользуются в 4ісследогеиЧїШГ1їз1шмодействия океана и атмосферы, для коррекции показаний альтиметра над океаном, в прогностических схемах. Важным приложением измерений уходящего излучения атмосферы в 5-мм полосе поглощения кислорода является оценка распределения температуры в ядре тропического циклона (ТЦ), что позволяет определить минимальное давление в центре и стадию развития ТЦ.
Эффективным средством изучения явлений и процессов в океане стали активные системы зондирования: радиолокаторы бокового обзора с реальной и синтезированной апертурой, скаттерометры и альтиметры. В работах автора анализировались данные, полученные радиолокационной станцией бокового обзора (РЛС БО) с реальной апертурой, работающей в 3-см диапазоне длин волн. Эксперименты по радиолокационному (РЛ) зондированию морской поверхности проводились на. спутниках серии "Океан" с сентября 1983 г., когда был запущен ИСЗ "Космос-1500" (Калмыков и др., 1984).
Данные РЛС БО обладают заметно более высоким пространственным разрешением по сравнению с СВЧ-радиометрическими и скаттерометрическими, что позволило обнаружить неизвестные ранее мезомасштабные особенности поля приводного ветра и ледяного покрова, обусловленные атмосферными и океаническими процессами. Для объяснения выявленных структур в поле удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) потребовалась разработка моделей.
Плодотворным приложением методов СВЧ-радиометрии и радиолокации является регистрация вихревых образований, течений, внутренних волн, загрязненных участков поверхности моря. Оценка относительного вклада динамических (течения), физических (температура), биологических и антропогенных (пленки поверхностно-активных веществ - ПАВ) факторов в вариации высокочастотной части спектра волнения, в величину и знак наблюдаемых контрастов -предмет дальнейших исследований.
Улучшение технических характеристик спутниковой аппаратуры, освоение новых участков спектра и разработка более эффективных алгоритмов обработки данных обеспечивают более высокое пространственное разрешение, повышение точности оценок геофизических па-
рамстров и расширяют сферу приложения данных зондирования. На стадии формулирования требований к аппаратуре и при разработке алгоритмов необходимым этапом является проведение имитационных экспериментов с моделями переноса излучения, рассеяния взволнованной морской поверхностью и др. В этой сложной проблеме следует выделить моделирование синхронных СВЧ-радкометрических и РЛ-измерений. Высокая эффективность активно-пассивного зондирования системы океан-атмосфера была продемонстрирована в экспериментах с ИСЗ серии "Океан".
Вопросы радиофизического (РФ) зондирования природных сред разрабатывались в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН, Институте космических исследований (ИКИ) РАН, Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова, Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ), Институте физики атмосферы (ИФА) РАН, Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО), Институте прикладной физики (ИПФ) РАН, Институте общей физики (ИОФ) РАН, Институте океанологии (ИО) РАН, ' Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ), Гидрометцентре, Морском гидрофизическом институте (МГИ), Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) АН Украины и в других организациях. Работы автора по изучению параметров и явлений в океане и атмосфере РФ-методами, обобщенные в данном докладе, были начаты в ИРЭ РАН. Теоретическая часть базируется на анализе связей спектров СВЧ-излучения атмосферы и системы океан-атмосфера с геофизическими параметрами, на проведении имитационных экспериментов с моделью переноса излучения и с гидрометеорологическими моделями. Экспериментальная часть основана на анализе спутниковьрс и судовых РФ-измерений. При анализе и интерпретации данных РФ-экспериментов использовались спутниковые изображения в ИК- и видимом участках спектра, аэрологические данные, карты погоды и самолетной ледовой разведки, другая сопутствующая информация.
Цель работы состоит в исследовании РФ-свойств системы океан-атмосфера при помощи дистанционных аэрокосмических средств и использовании этих свойств при оценке параметров и изучении явлений в этой системе.
Задачи исследований связаны с развитием методов интерпретации данных РФ-дистанционного зондирования параметров и явлений в океане и атмосфере. Для этого было необходимо исследовать связь спектров уходящего СВЧ-излучения Земли и отдельных его компонентов и интенсивности рассеянных РЛ-сигналов с гидрометеорологическими параметрами, с их пространственно-временными вариациями. Анализ результатов спутниковых СВЧ-радиометрических и РЛ-экспериментов над океаном потребовал развития методов решения обратных задач дистанционного зондирования, разработки методик и проведения судовых измерений с существенно более высоким по
сравнению с наблюдением из космоса пространственным разрешением и возможностью сбора in situ данных, разработки гидрометеорологических моделей.
Конкретные задачи исследования заключались:
в развитии теории переноса СВЧ-излучения в системе океан-атмосфера, методик восстановления параметров этой системы по данным РФ-дистанционного зондирования и в анализе судовых и спутниковых измерений;
в исследовании макро- и мезомасштабной изменчивости приводного ветра и разработке моделей мезомасштабных организованных вариаций удельной эффективной площади рассеяния_и_гюдводных^— акустическііхіцумов_океана4
=~в исследовании динамических процессов в океане по их прояв
лениям в поле шероховатости поверхности, регистрируемых радиофи
зическими методами;
- в исследовании РЛ-характеристик, структуры и изменчивости
льдов дальневосточных (ДВ) морей.
Научная новизна работы
-
Детальное исследование спектров излучения системы океан-атмосфера в диапазоне частот 1-200 ГГц с учетом температурных вариаций спектра поглощения в облаках. Развитие СВЧ-радиометри-ческого метода определения над океаном паросодержания атмосферы, водозапаса и эффективной температуры облаков. СВЧ-радиометри-ческий метод оценки параметров вертикального профиля температуры в поверхностном микрослое воды. Метод коррекции показаний альтиметра над океаном по СВЧ-радиометрическим оценкам влажной и облачной составляющих электрической толщи атмосферы. Оптимизация наземных измерений содержания примесных газов в верхней атмосфере Земли и метод оценки интегрального содержания озона в атмосфере.
-
Исследование изменчивости приводного ветра в различных погодных системах по данным спутниковой РЛС БО. Зоны с резкими пространственными градиентами ветра, с мезомасштабнымк организованными структурами и др. Корреляция полей приводного ветра и облачности в процессах синоптического, субсиноптического и мезо-масштабов (холодные вторжения, атмосферные фронты, полярные, конвективные и орографические вихри, ячейки, гряды и т.д.). Разработка моделей мезомасштабных структур в поле УЭПР морской поверхности в районах с ячейковой и ірядовой конвекцией в пограничном слое атмосферы. Разработка модели пространственных вариаций акустических шумов океана в диапазоне 1-Ю кГц.
-
Разработка методики судовых наблюдений океанических явлений с использованием СВЧ-радиометров и навигационной РЛС. Спутниковые и судовые РФ-измерения динамических структур в океане (внутренние волны, фронты, вихри), природных и антропогенных сликов по их проявлениям в поле шероховатости поверхности.
Совместным анализ РЛ- и ИК-изображешні субарктическом фронтальной зоны Куросио.
-
Исследование льдов ДВ морем России с использованием спутниковой РЛС БО: РЛ-контрасты различных вилов морского льда, структури прикромочноп ледовой зоны, изменчивость ледовой кромки мод влиянием ветра и течении; вихревые, грибовидные и другие организованные образования в поле битого льда.
-
Разработка метода судовых СВЧ-радиометрнческмх измерении облачности. Вариации водозапаса облаков в различных погодных системах. Моделирование многочастотных СВЧ-измерений из космоса с учетом антенного сглаживания на основе судовых измерений излучения атмосферы на Я=2,3 см.
-
Исследование характеристик облачности и водяного пара над тропической зоной океана по СВЧ-измерсниям из космоса. Развитие методики оценки стадии развития тропического циклона и давления в его центре. Методика совместного СВЧ-радиомегрического и РЛ-зон-лироваиия ТЦ, анализ и интерпретация спутниковых измерений.
Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Методы, развитые на основе анализа спектров СВЧ-излучения системы океан-атмосфера, позволяют: оценивать эффективную температуру и водозапас облаков и паросодержание атмосферы, снизить погрешности определения параметров океана и атмосферы; проводить коррекцию альтиметрических измерений над океаном; оптимизировать условия наблюдения примесных газов в верхней атмосфере Земли; оценивать интегральное содержание озона в атмосфере по измерениям его излучения в миллиметровом диапазоне широкополосным (300-500 МГц) радиометром.
-
Сведения о мезомасштабных регулярных вариациях и зонах с резкими градиентами приводного ветра, могут быть использованы при разработке модернизированных алгоритмов оценки параметров ветра спутниковыми скаттерометрами и РЛС БО; расчете поля акустических шумов океана на килогерцевых частотах; анализе спутниковых изображений облачности; выработке рекомендаций по проведению метеорологических наблюдений в море; прогнозе погоды.
-
Регистрация течений, вихревых образований, сликов независимо от облачности (при скорости ветра меньше 8-Ю м/с) открывает дополнительные возможности для слежения за динамическими образованиями в океане. Методика судовых РФ-наблюдений поверхностных проявлений внутренних волн, океанических фронтов и др. использовалась в рейсах на судах ДВО РАН и Национального тайваньского океанологического университета (НТОУ).
-
Методика дешифрирования РЛ-изображений ледяного покрова использовалась при подготовке карт ледовой обстановки в Дальневосточном региональном центре приема и обработки спутниковых данных (ДВ РЦПОД) и Камчатском территориальном управлении по
гидрометеорологии. Карты транслировались к эфир 2-3 раза и педелю в 1987-1991 гг.
-
Методика оценки водозапаеа облако» использовалась в 10 рейсах на научно-исследовательских судах (НИС) ДВО РАН и Дальневосточного научно-исследователі>ского института (ДВНИИ) и в НТОУ при изучении облачности зимнего муссона и ТЦ. Методика моделирования СВЧ-иаблюлснпй из космоса, базирующаяся на судовых измерениях облачности, позволяет рассчитать пространственные вариации яркостных температур системы океан-атмосфера для заданных характеристик каналов и оценить влияние на результаты измерений антенного сглаживания.
-
Различные модификации методики оорабоіхи^_тішшза__и_іііь
терпретации бьиш_щ)щшішіл-4с^анньімНМ*::иЗм7^
«гхпутников серий "Космос", "Метеор", "Океан" и DMSP. Методика
оценки давления в центре ТЦ и стадии его развития может быть использована при анализе планируемых в будущем измерений в 2,5-мм линии поглощения кислорода. Результаты анализа совместных СВЧ-радиометрических (ИСЗ "Космос-1766", "Океан", DMSP) и радиолокационных (ИСЗ "Космос-1766", "Океан") измерений позволяют моделировать наблюдения со спутника TRMM.
Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Исследование спектров СВЧ-излучения системы океан-облачная атмосфера. Методы восстановления водозапаса и эффективной температуры облаков и паросодержания атмосферы, влажной и облачной составляющих электрической толщи атмосферы. Оценка параметров холодной пленки океана по СВЧ-радиометрическим измерениям. Методы оптимизации наземных- измерений содержания примесных газов в верхней атмосфере Земли и оценки интегрального содержания озона в атмосфере.
-
РЛ-исследование синоптической и мезомасштабной изменчивости приводного ветра в различных погодных системах. Корреляция приводного ветра и облачности в процессах различных масштабов. Организованные^структуры в поле ветра в зонах с грядовой и ячейковой конвекцией, их отображение в полях УЭПР морской поверхности и акустического шума океана.
-
Исследование динамических структур в океане (течения, вихревые образования, внутренние волны), природных и антропогенных сликов спутниковыми и судовыми РФ-методами, методика судовых РФ-измерений. Корреляция полей УЭПР и температуры поверхности океана (ТПО) в субарктической фронтальной зоне Куросио.
-
Спутниковые РЛ-исследования структуры и динамики ледяного покрова ДВ морей России. Изменчивость РЛ-контрастов различных видов однолетнего морского льда. Воздействие ветра и течений на структуру прикромочной ледовой зоны. Вихревые, грибовидные и пр. организованные образования в поле битого льда.
-
Спутниковые и судовые исследования вариаций водозапаса облаков и паросодержания атмосферы. Имитационное моделирование многочастотных спутниковых СВЧ-наблюдений над океаном с использованием судовых СВ-измерений атмосферы, моделей водности облаков и характеристик антенн.
-
Развитие метода восстановления давления в центре и стадии развития ТЦ по СВЧ-радиометрическим измерениям излучения атмосферы в линиях поглощения кислорода. Моделирование самолетных СВЧ-измерений в области тропических и полярных циклонов. Разработка метода совместного СВЧ-радиометрического и РЛ-зондирова-ния циклонических образований из космоса, интерпретация экспериментальных данных.
Апробация
Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международных и Всесоюзных конференциях, важнейшими из которых являются:
15-я Генеральная Ассамблея Международного геофизического и геодезического союза - IUGG (Москва, 1971); 24-й (Баку, 1973), 26-й (Лиссабон, 1975), 27-й (Анагейм, США, 1976), 34-й (Будапешт, 1983) и 35-й (Лозанна, 1984) Конгрессы Международной Астронавтической Федерации - IAF; XIV Тихоокеанский научный конгресс (Хаба-ровск, 1979); Международный симпозігум "Вариации глобального водного бюджета" (Оксфорд, 1981); 1-й (Нальчик, 1981) и 3-й (Ялта, 1985) Международные симпозиумы по тропической метеорологии; V (Кэнунг, Ю. Корея, 1989) и VI (Фукуока, 1991) Международные совещания по изучению Японского и Восточно-Китайского морей -JECSS; VI и VII Международные симпозиумы по Охотскому морю и льдам (Момбетсу, Япония, 1991, 1992); I (Окинава, Япония, 1992) и II (Мельбурн, Австралия, 1994) Международные конференции по дистанционному зондированию Тихого океана - PORSEC; Международное совещание .по изучению полярных циклонов (Париж, 1994); Вторая Международная конференция по взаимодействию океана и атмосферы, морской метеорологии и прибрежной океанографии (Лиссабон, Португалия, 1994) - ІСАІМРО; VII (Горький, 1972) Всесоюзная конференция по радиоастрономии; Всесоюзная конференция по радиометеорологии (Фрунзе, 1972); X (Иркутск, 1972), XI (Казань, 1975), XII (Томск, 1978) и XV (Алма-Ата, 1987) Всесоюзные конференции по распространению радиоволн; 4-е Всесоюзное совещание по радиометеорологии (Москва, 1975); Всесоюзная конференция по распространению миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн * (Москва, 1976); 1-я Всесоюзная конференция по проблеме исследования и освоения Мирового океана (Владивосток, 1976); Всесоюзная конференция "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1976); 1-й (Москва, 1977), 2-й (Ялта, 1982) и 3-й (Ленинград, 1987) Всесоюзные съезды советских океанологов; 7-я Всесоюзная конференция по информационной акустике (Москва,
1981); 8-е научные чтения по космонавтике (Москва, 1982); I Всесоюзная конференция "Биосфера и климат по данным космических исследований" (Баку, 1982); семинар ГКНТ "Атмосфера-океан-космос" (Москва, 1983); Всесоюзная конференция по программе "Разрезы" (Одесса, 1984); Всесоюзные семинары-совещания по спутниковой океанологии (Севастополь, 1985, 1987, 1988, 1989, 1990); Второй Всесоюзный акустический семинар "Модели, алгоритмы, принятие решений" (Москва, 1988); Всесоюзная научно-технич. конференция "Методы и средства дистанционного зондирования Земли" (Рязань, 1989); Всесоюзная конференция "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы" (Звенигород, 1989); Междуведомственный семинар^ПроЬіемьь_сщпгниковой--оканоТра^г
фииі_использование-информации ИК-диапазона" (Ленинфад, 1989);
Всесоюзная школа "Дистанционные РФ-методы исследования природной среды" (Барнаул, 1991); Советско-американский симпозиум по зондированию океана из космоса (Москва, ИОАН, 1991).
Материалы диссертации докладывались на Ученом совете Тихоокеанского океанологического института (ТОЙ) ДВО РАН, на семинарах в ТОЙ, ИРЭ РАН, ИКИ РАН, Ленинградского гидрометеорологического института, Дальневосточного государственного университета, в институтах и университетах Канады, Японии, Тайваня.
Публикации
Основные публикации по теме диссертации включают 69 научных работ
Личный вклад автора в совместных публикациях
Из перечисленных работ 24 выполнены без соавторов. Все результаты по анализу СВЧ-спектров диэлектрических характеристик и коэффициента излучения воды, глубины проникновения электромагнитных волн в воду и коэффициента поглощения в облаках, а также по развитию методик использования особенностей этих спектров для восстановления профиля температуры в тонком поверхностном слое воды и по определению интегральных параметров атмосферы, включая эффективную температуру облачных капель, получены автором.
Ему также принадлежат разработки:
моделей поля УЭПР морской поверхности при организованной конвекции в атмосфере;
оптимальных условий наблюдения примесных газов в верхней атмосфере Земли и общего содержания озона в атмосфере по наземным СВЧ-измерениям;
методик наблюдения и алгоритмов оценки:
а) характеристик внутренних волн по судовым РФ-наблюдениям;
б) влажной и облачной составляющих электрической толщи ат
мосферы; вариаций паросодержания атмосферы над океаном по дан
ным СВЧ-зондирования с ИСЗ;
В исследованиях приводного ветра по данным РЛС БО были заняты Г.И. Десятова, В.В. Ковбасюк и Г.В. Вольпян. Они участвовали
в сборе сопутствующей информации, интерпретации комплексных измерений и написании статей. Г.В. Вольпяну принадлежат РЛ-оценки скорости ветра. Параллельно с автором изучением приводного ветра (включая его мезомасштабные организованные вариации) занимались сотрудники Харьковского ИРЭ АН Украины (А.И. Калмыков, А.П. Пичугин, В.Н. Цымбал и В.П. Шестопалоп) и Государственного научно-исследовательского центра по изучению природной среды (М. Назиров, П.А. Никитин, Ю.Г. Спиридонов и М.В.Бухаров).
Работы по' зондированию динамических процессов в океане с ИСЗ были проведены в сотрудничестве с В.И. Ильичевым, В.Б. Лобановым и Н.В. Булатовым. В.Б. Лобанов и Н.В. Булатов анализировали спутниковые ИК-изображения океана, участвовали в комплексной интерпретации данных и написании статей.
Ю.Б. Хапин и А.Г. Семин участвовали в экспериментальных исследованиях нефтяных загрязнений с самолета и в обработке данных измерений.
Работы по акустическим приложениям данных дистанционного зондирования выполнены совместно с В.И. Ильичевым, В.Б. Лобановым, В.П. Дзюбой и МЛ. Митник.. Идея акустических приложений возникла при обсуждении проблем дистанционного зондирования океана с В.И. Ильичевым. В.Б. Лобанов анализировал ИК-изображения океана над районами судовых измерений; В.П. Дзюба рассчитывал характеристики динамических шумов океана; МЛ. Митник выполнила оценки вариаций шума по спутниковым определениям скорости ветра.*
Работы по РЛ-зондированию морских льдов выполнены совместно с Г.И. Десятовой, В.В. Ковбасюком и А.И. Калмыковым. В.В. Ковбасюком и Г.И. Десятовой собрана сопутствующая информация для интерпретации РЛ-изображений. Они также участвовали в комплексном анализе данных и в написании статей.
Работы по СВЧ-радиометрическому зондированию океана и атмосферы выполнены совместно с МЛ. Митник, И.А. Алексеевой, Е.П. Домбковской, А.Б. Аквилоновой, В.В. Калашниковым, Б.Г. Ку-тузой, Н.Ф. Кухарской, В.В. Озеркиной и М.Ю. Шум. МЛ. Митник были написаны программы и выполнены расчеты спектров яркостной температуры системы океан-атмосфера. Она также проводила СВЧ-измерения атмосферы в четырех судовых экспедициях. Е.П. Домбков-ская, И.А. Алексеева и В.В. Озеркина анализировали синоптическую обстановку и снимки облачности и участвовали в интерпретации спутниковых СВЧ-наблюдений, А.Б. Аквилонова, В.В. Калашников и Б.Г. Кутуза участвовали в экспериментах по измерениям излучения атмосферы в полосе кислорода и в интерпретации данных, Н.Ф. Ку-харская обрабатывала аэрологические данные и вела расчеты по вариациям фазового запаздывания радиоволн, М.Ю. Шум принадлежат результаты по моделированию антенного сглаживания.
Автор выражает искреннюю благодарность всем своим соавторам.