CC BY
8Дистанционное зондирование сред
УДК 551.551
Микроволновый радиометр для валидации спутниковых данных температурно-влажностного зондирования атмосферы
Щукин Г.Г., Чичкова Е.Ф., Караваев Д.М. Аннотация: Рассмотрен микроволновый радиометр для использования в составе наземных измерительных комплексов валидации спутниковых данных. Представлены результаты сравнения данных радиометрического и аэрологического зондирования атмосферы с данными спутникового температурно-влажностного зондирования атмосферы ATOVS.
Ключевые слова: микроволновый радиометр, компенсационный радиометр, флуктуационная чувствительность, радиояркостная температура, влагозапас атмосферы, валидация.
Microwave radiometer for validation of satellite data of the temperature-humidity sounding of the atmosphere
Shchukin G.G., Chichkova E.F., Karavaev D.M. Abstract: Considered a microwave radiometer for use in ground-based measuring complexes validation of satellite data. Presents the results of the comparison of satellite data of the temperature-humidity sounding of the atmosphere ATOVS, data of upper-air and ground-based microwaves radiometric sounding of the atmosphere.
Key words: microwave radiometer, total power radiometer, fluctuation sensitivity, brightness temperature, integrated water vapor, validation
Введение
Современные средства дистанционного зондирования атмосферы позволяют по измерениям в микроволновом и инфракрасном диапазонах спектра частот восстанавливать вертикальные профили температуры, влажности атмосферы и оценивать влагозапас атмосферы. В данной работе использовались спутниковые данные аппаратуры ATOVS: ИК радиометра HIRS (3,7 -14,9 мкм); микроволновых радиометров AMSU-A (23,8 ГГц, 31,4 ГГц, 50-57 ГГц, 89 ГГц), AMSU-B, MHS (89 -183 ГГц). Из состава целевой аппаратуры запущенного в 2009 г. отечественного спутника "Метеор-М" №1 в интересах оперативной гидрометеорологии актуальной для использования представляется информация радиометра МТВЗА (10,6 - 183 ГГц).
Для оценки качества данных дистанционного зондирования атмосферы необходимо выполнять сравнения данных температурно-
влажностного зондирования атмосферы, полученных от спутниковых средств зондирования, с данными сетевого аэрологического зондирования атмосферы и данными наземных микроволновых радиометров. Преимущества применения микроволновых радиометров в составе наземных комплексов наблюдения за атмосферой для валидации спутниковых данных связаны с возможностью производства непрерывных измерений метеопараметров атмосферы при практически любых погодных условиях независимо от условий освещенности.
Микроволновый радиометр
Метод наземной микроволновой радиометрии является одним из наиболее точных методов дистанционного определения влагоза-паса атмосферы [1]. Этот метод основан на использовании связи метеопараметров атмосферы с характеристиками собственного ра-
Радиопрозрачное окно
\1/ \1/ \1/
Антенна
Блок калибровки
А
Радиометрический приемник
Усилитель НЧ
Блок управления
А
Вычислительное устройство
А _У
АЦ преобразователь
А
Фильтр НЧ
Термостат
Блок питания
Канал передачи данных
Рис. 1. Схема радиометрического канала
диотеплового излучения атмосферы в микроволновом диапазоне. При зондировании атмосферы используются участки спектра частот вблизи линий поглощения водяного пара (22,235 ГГц и 183,31 ГГц) и кислорода (60 ГГц), а также измерения в «окнах прозрачности» атмосферы 30-38 ГГц, 75-95 ГГц. Распространение получила схема двухча-стотного радиометрического зондирования атмосферы на частотах 21 ГГц (или 23,8 ГГц) и 36 ГГц, при этом для определения влагоза-паса атмосферы (0 и водозапаса облаков (Ж) используются соотношения [2] д = ао + ахт{у 1) + а2т(у 2), Ж = Ьо + Ъ1т(у1) + Ь2т(у2), где а^, - коэффициенты регрессии; т(— -оптическая толщина атмосферы на частоте V-.
Структурная схема частотного канала радиометра для определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков показана на рис.1. В состав радиометра входят следующие основные устройства: антенна, блок калибровок, радиометрический приемник, усилитель НЧ, фильтр НЧ, АЦ (аналогово-
цифровой) преобразователь, блок управления, вычислительное устройство и канал передачи данных в компьютер.
Важными характеристиками радиометра являются следующие: флуктуационная чувствительность; погрешность измерения ра-диояркостной температуры; уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны (ДНА) и др. Для компенсационной схемы радиометра флуктуционная чувствительность 5Т определяется выражением
ST = аТс,
— , (Д£)2 Д? Vg7
0,5
где а = V2; ДG- флуктуации коэффициента
усиления радиометра
G; Тг,
г- шумовая
температура системы; Д/ - полоса усиления; ДF- полоса фильтра НЧ. Минимальный уровень 5Т обеспечивается при выполнении условия
Д£ « [("Т
G [VaTCI
ST Y
—
д?
0,5
Основные тактико-технические характеристики радиометра для определения влаго-запаса атмосферы и водозапаса облаков следующие: центральные частоты 23,8 ГГц,
36 ГГц; полоса усиления 250 мГц (при 23,8 ГГц) и 1000 мГц (при 36 ГГц), ширина луча ДНА по уровню 3дБ 7°, уровень боковых лепестков менее -30дБ, флуктуационная чувствительность менее 0,1 Кс-0,5, погрешность измерения радиояркостных температур 0,5 К, темп сбора данных 1сек.
Обработка спутниковых данных
Определение профилей температуры и влажности по данным ATOVS в оперативном режиме проводилось с помощью программных комплексов AAPP (ATOVS and AVHRR Processing Package, EUMETSAT) и IAPP (International ATOVS Processing Package, University of Wisconsin). Разработанная технология получения вертикальных профилей атмосферы на основе этих программных комплексов и данных ATOVS спутников NOAA внедрена в опытную эксплуатацию в ГУ «Санкт-Петербургский ЦГМС-Р».
Для оценки качества информационных продуктов ATOVS выполнены сравнения спутниковых данных с данными аэрологического зондирования атмосферы (всего использованы данные 11 станций в СевероЗападном регионе РФ). Сравнения проводились для значений температуры и удельной влажности на изобарических поверхностях 1000, 850, 700, 500, 400, 300, 200, 150, 100, 50 и 30 гПа.
При формировании исходных данных выполнялись следующие условия: разница между временем спутниковых и аэрологических наблюдений составила не более 2 часов; пространственное отклонение составляло не более одного градуса долготы и широты; в анализе не использовались данные, полученные в период активных адвективных процессов. Таким образом, отобранные исходные данные включали 187 спутниковых изображений и 1055 профилей аэрологического зондирования (для зимнего периода) и 168 спутниковых изображений и 1600 профилей аэрологического зондирования (для летнего периода). В результате статистической обра-
ботки данных получены коэффициенты корреляции, среднеквадратические отклонения, среднеарифметические отклонения разностей значений независимых измерений.
Результаты экспериментов
На основе анализа результатов сравнения спутниковых данных ЛТОУ8 с данными аэрологического зондирования сделаны следующие выводы:
- погрешность определения температуры воздуха в зимний период составляет 2 К на уровнях 150 - 1000 гПа и возрастает до 3,8 К выше уровня 100 гПа;
- погрешность определения температуры воздуха в летний период составляет не более 2,3 К на уровнях 850 -300 гПа, увеличивается до 3,1 К на уровнях 850 - 1000 гПа, может составлять до 4,6 К на уровне 1000 гПа;
- погрешность определения удельной влажности в зимний период изменяется от 0,9 г/кг на уровне 1000 гПа и изменяется до 0,27 г/кг на уровне 500 гПа, отмечается незначительное завышение спутниковых значений удельной влажности в приземном слое атмосферы;
- погрешность определения удельной влажности в летний период изменяется от 2,9 г/кг на уровне 1000 гПа и изменяется до 0,6 г/кг на уровне 500 гПа, относительная погрешность определения удельной влажности составляет 15-30%.
Отмеченные выводы согласуются с результатами валидации спутниковых данных ЛТОУ8, полученными в работе [3].
Сравнение значений влагозапаса атмосферы, полученных по данным ЛТОУ8, с данными наземного двухканального микроволнового радиометра (21 ГГц, 36 ГГц) производилось для условий Ленинградской области. Использовались данные синхронных наблюдений, выполненных в мае 2008 г. (всего выборка включала 112 пар значений влагозапаса атмосферы). Установлено, что среднеквадратическая разница влагозапаса атмосферы (ЛТОУ8-наземный радиометр)
составляет 2,9 кг/м2. Проведенные эксперименты показали преимущества использования наземных микроволновых радиометров для валидации спутниковых данных зондирования атмосферы, связанные с возможностью проведения непрерывных измерений при различных метеоусловиях.
Литература
1. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат. 1987. 283 с.
2. Караваев Д.М., Щукин Г.Г. Применение методов СВЧ-радиометрии для диагноза содержания жидкокапельной влаги в облаках / При-
Поступила 27 декабря 2012 г.
Информация об авторах
Щукин Георгий Георгиевич - доктор физико-математических наук, профессор Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского.
E-mail: ggshchukin@mail.ru.
Адрес: 197082, С-Петербург, Ждановская, 13.
Чичкова Елена Федоровна - кандидат географических наук, заведующий отделом Государственного научного учреждения «Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики».
E-mail: chichkova@rtc.ru.
Адрес: 194064, C-Петербург, Тихорецкий, 21.
Караваев Дмитрий Михайлович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского.
E-mail: dm.karavaev@mail.ru.
Адрес: 197082, С-Петербург, Ждановская, 13.
Shchukin Georgy Georgievich - the Doctor of Physics, the professor of the Mozhaiskogo Military Space academia.
Address: 197082, S-Petersburg, Jdanovskaia, 13.
Chichkova Elena Fedorovna - the kandidat of geography, chif of the Russian state scientific center for robotics and technical kibernetic.
Address: 194064, S-Peterburg, Tikhoretsky, 21.
Karavaev Dmitriy Mihailovich - the kandidat of Engineering, the science of the Mozhaiskogo Military Space academia.
Address: 197082, S-Petersburg, Jdanovskaia, 13.
кладная Метеорология, вып.5(533), 2004. С.99-120.
3. Li J.., Wolf W, Menzel P. 2000: Global Soundings of the Atmosphere from ATOVS Measurements: The Algorithm and Validation // Journal of Applied Meteorology. Vol. 39, Is. S. P.1248-1268.
References
1. Stepanenko V.D., Shchukin G.G., Bobilev L.P., Matrosov S.Y. Radioteplolokatsia v meteorologii. L.: Gidrometeoizdat, 1987. 283 p.
2. Karavaev D.M., Shchukin G.G. Prikladnaia meteorologia, v.5(533), 2004. -P.99-120.
3. Li J., Wolf W., Menzel P. Journal of Applied Meteorology, Vol. 39, Is. S. P.1248-1268.
