Особенности радиотеплового излучения дождя и их использование в задачах дистанционного зондирования со спутников

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .....................................................
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВЧ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ С ОСАДКАМИ........................
1.1. Особенности дождя как объекта СВЧ радиометрического зондирования .................................
1.2. Перенос излучения в атмосфере с жидкими осадками ...............................................
1.3. Ослабление и рассеяние радиоволн сфери-чвсісими каплями •••••• • • « « ••••••
1.4. Поляризационные особенности ослабленім радиоволн деформированными капля?.®.......................
1.5. Обратные задачи СВЧ радиометрического зон-дарования «••••••••*«•• •
Выводы ..... ...........................................
2. МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА РАДИОТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНО 0.ЩІ0Р0ДН0И АТМОСФЕРЫ С ДОЖДЕМ . . .
2.1. Постановка задачи .................................
2.2. Применение метода Монте-Карло для расчета радиотеплового излучения осадков .......................
2.3. Результаты расчетов интенсивности и степени поляризации излучения слоя дождя .......................
2.4. Приближенное описание излучения плоского рассеивающего слоя .....................................
Выводы .................................................
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДОЖДЯ и ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСАДКОВ ПО НИЛ................................................
3.1. Методика наземных измерений характеристик излучения дождя ........................................
3.2. Спектральные и пространственно-временные характеристики излучения дождя .........................
3.3. Результаты измерении поляризационных характеристик излучения дождя на волне 2,25 см . . .
3.4. Возможности наземных СВЧ радиометрических измерений параметров дождя .............................
Выводы ...............................................
4. РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ОБЛАКОВ И ДОЩЩ С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ В ПРЕДЕЛАХ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ РАДИОМЕТРОВ ..................................
4.1. Постановка задачи .................................
4.2. Влияние вариаций водозапаса облаков в пре-
з
делах поля зрения радиометра на измеряемые радиояркостные температуры .......................... 99
4.3. Применение метода Монте-Карло для расчета излучения с учетом пространственной неоднородности ................................................ 107
4.4. Результаты расчетов излучения горизонтально неоднородного слоя довдя......................... НО
4.5. Модель излучения системы "атмосфера -поверхность океана" с учетом пространственной неоднородности облачности и осадков . . П6
Выводы..................................................... 119
5. ВОЗМОЖНОСТИ И НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДОЖДЯ ПО СВЧ РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ СО СПУТНИКОВ................................................ 121
5.1. Особенности спутниковых экспериментов по
СВЧ радиометрическому зондированию дождя . . . 121
5.2. Методика экспериментов и характеристики аппаратуры на спутниках "Интеркосмос-20,21"
и "Космос-1151".................................... 123
5.3. Методика и результаты выделения зон осадков по поляризационным измерениям со спутников "Интеркосмос-20,21" ................................. 125
5.4. Методика и результаты оценки параметров довдя по измерениям со спутника "Космос-
1151" . . . ........................................ 132
5.5. Точность и перспективы определения характеристик дождя по СВЧ радиометрическим измерениям со спутников........................................ 142
Выводы.................................................... 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................... 149
ЛИТЕРАТУРА...................................................... 151
4
Дистанционные радиофизические методы исследования Земли приобретают в последнее время все более важное значение для изучения окружающей среды. Получаемые при помощи этих методов данные существенно расширяют наши знания о процессах, происходящих в атмосфере и океане, а также возможности предсказания опасных явлении (ураганов, тайфунов). Одним из важных объектов дистанционного зондирования является дождь. Благодаря значительным запасам энергии, выделяющейся во время выпадения, он вносит большой вклад во взаимодействие океана и атмосферы, особенно в энергоактивных зонах /I/. Знание его статистических характеристик необходимо также для проектирования линий связи на трассах Земля - спутник в миллиметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн.
Принципы дистанционного радиофизического зондирования атмосферы основаны на спектральных и поляризационных особенностях взаимодействия электромагнитных волн с атмосферными газами и гид-рометеообразованиями. Радиофизические методы принято подразделять на активные (радиолокационные) и пассивные (СВЧ радиометрические). Как показала практика, они не дублируют, а дополняют друг друга. Сочетание их наряду с использованием различных участков спектра от оптического и инфракрсного до дециметрового диапазона является эффективным средством получения информации об атмосфере и океане.
В настоящее время для определения характеристик дождя в наземных условиях успешно используются радиолокационные методы.
Они позволяют оперативно определять геометрическую структуру осадков и их интенсивность на расстояниях от радиолокатора до 100 + 150 км /2-5/.
Особенно эффективно применение радиофизических методов при
наблюдении со спутников /6-12/. Это открывает широкие возможности получения глобальной информации о характеристиках атмосферы и океана. Имеющаяся сеть метеостанций сосредоточена, главным образом, на суше. В акваториях океанов, покрывающих около 70 % поверхности Земли, находится только 7 % метеорологических станций, включая корабли погоды /13/.
Спутниковые СВЧ радиометрические системы обладают существенным преимуществом перед активными благодаря малому потреблению энергии, габаритам и весу аппаратуры. Радиолокационная аппаратура для определения метеопараметров атмосферы со спутников только проектируется, тогда как радиометрическая работает и позволяет решать указанную задачу.
При СВЧ радиометрических измерениях со спутников в сантиметровом диапазоне радиоволн принимается собственное излучение атмосферы, излучение подстилающей поверхности, ослабленное атмосферой, а также нисходящее излучение атмосферы, отраженное от подстилающей поверхности и ослабленное атмосферой. Эта особенность, обусловленная полупрозрачностью атмосферы, позволяет изучать характеристики единой системы "атмосфера -подстилающая поверхность", тогда как в оптическом и инфракрасном диапазонах даже тонкие кристаллические облака являются непрозрачными.
Наиболее ценная информация получается при измерениях над акваториями морей и океанов. Водная поверхность характеризуется тем, что ее излучение обладает невысокой пространственной изменчивостью, а коэффициент отражения от нее равен 0,5 -0,7, так что величина излучения подстилающей поверхности сравнима с излучением атмосферы. В то же время собственное излучение суши и его вариации велики по сравнению с излучением атмосферы, поэтому определять характеристики атмосферы над континентами практически не удается.
6
В настоящее время в условиях отсутствия осадков успешно решаются задачи определения таких геофизических параметров системы "атмосфера - поверхность океана", как полное влагосодержание атмосферы, водозапас облаков, температура поверхности океана и скорость приводного ветра /6,11,14-22/. Большое внимание уделяется исследованию возможностей определения характеристик дождя по радиометрическим измерениям со спутников /13,14,23-37/. Для качественного анализа этих возможностей необходимо привлечение модельных уравнений, описывающих основные особенности излучения дождя.
Основой для построения моделей и оценки возможностей определения параметров дождя со спутников являются наземные измерения характеристик его излучения. Они позволяют наиболее полно проанализировать влияние синхронно измеряемых контактным способом параметров дождя на формирование излучения. В работах Горелика А.Г., Кутузы Ь.Г., Калашникова В.В. и др. экспериментально исследована общая зависимость интенсивности излучения от интенсивности дождя и его микроструктуры /38-41/.
Важной особенностью дождя является поляризация его собственного излучения, обусловленная деформацией крупных капель, сплющивающихся при падении в воздухе. Впервые величина коэффициента поляризации излучения осадков при наблюдении под углами, близкими к скользящим, экспериментально получена А.Е.Башариновым и Б.Г.Ку-тузой /42/.
Теоретическое описание излучения осадков основывается на решении уравнения переноса. При этом существенной особенностью дождя по сравнению с другими гидрометеообразованиями является необходимость учета рассеяния излучения сантиметрового диапазона на крупных каплях. Решение уравнения переноса с учетом рассеяния и поляризации связано со значительными трудностями. Подробное ис-
7
следование вопросов рассеяния и переноса излучения в атмосферах звезд и планет выполнено в работах Ми, Ван-де-Хшста /43/, Чандрасекара /44/, Соболева В.В. /45/ и др./46-51/. Первые работы, посвященные решению уравнения переноса применительно к осадкам в сантиметровом диапазоне радиоволн выполнены Шифриным К.С. и др. /52-55/. Первые работы по расчету излучения дондя были выполнены для простейшей модели плоского изотермического однородного слоя.
Современный уровень развития теории переноса и возросшие возможности ЭВМ позволили более полно проанализировать роль различных факторов в формировании излучения дождя. В последнее время появился ряд работ, в которых учитывается неизотермичность слоя осадков /28,56/, деполяризация излучения подстилающей поверхности /56/ и др. /57,58/.
Повышение точности СВЧ радиометрических многоканальных и поляризационных измерений, а также необходимость автоматизации обработки информации делает особенно актуальной задачу совершенствования приближенных методов описания радиотеплового излучения дождя. Существующие методы не учитывают ряд таких важных особенностей, как пространственная неоднородность облаков и осадков в пределах поля зрения радиометров, частичная поляризация излучения крупных капель, деформирующихся при падении в воздухе, отражение излучения подстилающей поверхности и облаков от слоя осадков за счет рассеяния и др. Учет указанных факторов в радиационной модели системы океан-атмосфера, используемой при решении обратных задач дистанционного зондирования, позволит более полно проанализировать возможности и оценить точность определения параметров дождя по СВЧ радиометрическим измерениям со спутников.
8
Основные цели работы
1. Изучение особенностей формирования радиотеплового излучения рассеивающего слоя осадков над подстилающей поверхностью с учетом поляризации. Построение радиационной модели слоя дождя.
2. Исследование влияния пространственной неоднородности облаков и осадков в пределах поля зрения спутниковых СВЧ радиометров на измеряемые радиояркостные температуры и учёт ее в радиационной модели системы атмосфера- океан.
3. Экспериментальная проверка теоретической модели радиоизлучения дождя применительно к условиям наземных наблюдений.
4. Анализ точности совместного определения характеристик дождя и других геофизических параметров атмосферы и океана по результатам СВЧ радиометрических измерений со спутников.
Научная новизна диссертации
1. Впервые в отечественной практике для расчетов радиотепло-вого излучения рассеивающего слоя дождя применен метод Монте-Карло, позволяющий'исследовать влияние микро- и макроструктуры осадков на измеряемые радиояркостные температуры в миллиметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн.
2. Развит приближенный метод описания излучения дождя в сантиметровом диапазоне радиоволн, учитывающий в отличие от имеющихся отражение излучения подстилающей поверхности и облаков от слоя осадков за счет рассеяния, частичную поляризацию его собственного излучения и пригодный для решения обратных задач дистанционного зондирования.
3. Впервые теоретически и экспериментально исследована угловая зависимость интенсивности и степени поляризации нисходящего
9
излучения дождя из облаков слоистых форм при измерениях в наземных условиях.
4. Предложен и обоснован метод учета влияния пространственной неоднородности облаков и осадков в пределах поля зрения спутниковых СВЧ радиометров на измеряемые радиояркостные температуры системы атмосфера- океан.
5. Получены новые данные об интенсивности и водозапасе дождя над океанами по измерениям со спутников "Космос-1151", "Интеркосмос-20,21" и оценена точность их определения.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод приближенного описания радиотеплового излучения однородного рассеивающего слоя дождя над подстилающей поверхностью, основанный на использовании коэффициентов пропускания и отражения, позволяет рассчитывать интенсивность излучения дождя с точностью не хуже Зт4 К ( ^1,5$), а степени поляризации -20 % в диапазоне длин волн 0,5-е-5 см.
2. Неучет пространственной неоднородности облаков и осадков в пределах поля зрения спутниковых радиометров может приводить к ошибкам определения таких гидрометеопараметров, как интегральное влагосодержание атмосферы, водозапас облаков, интенсивность дождя, более чем на 50-5-70 %.
3. Использование эффективных коэффициентов заполнения поля зрения радиометров, учитывающих пространственную структуру облаков и осадков, повышает точность определения параметров атмосферы и океана по многоканальным СВЧ радиометрическим измерениям
со спутников.
4. Разность радиояркостных температур дождя на горизонтальной и вертикальной поляризациях в области длин волн 2 см при на-
10
блюдении с зешш под углами меньше 50° относительно вертикали не превышает 5 К, а при углах больше 60-5-70° возрастает и достигает 20 * 25 К.
Научная и практическая ценность работы
Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИРЭ АН СССР. Ее результаты вошли в 7 отчетов по плановым темам. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты могут найти ванное применение в области физики атмосферы, спутниковой метеорологии и радиосвязи. Использование теоретически обоснованной и экспериментально проверенной радиационной модели системы атмосфера океан расширяет возможности получения статистических характеристик водозапаса облаков и дождя, необходимых для повышения точности численного прогноза погоды и климата, а также прогнозирования ослабления радиоволн на трассах связи.
Результаты диссертационной работы использовались при разработке методики и обработке измерений со спутников "Интеркосмос-20,21" и "Космос-1151".
Результаты работы могут найти применение в таких организациях, как ГосНИЦИПР, НИРФИ, ЦАО, ИКИ АН СССР, ИПФ АН СССР, МГИ АН УССР, ЕГО им. А.И.Воейкова и др.
Апробация результатов и публикации
Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1978 по 1984 г. Они докладывались на 8-оВ конференции молодых исследователей ИРЭ АН СССР (Москва, 1979), на 6-ом Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Таллин, 1982), на школе "Со-
II
временные методы исследования атмосферы" (Москва, 1983), на 2-ом межведомственном совещании "Статистические методы обработки данных и системы дистанционного зондирования" (Минск, 1983), на 9-й Международной конференции по физике облаков (Таллин, 1984), а также неоднократно докладывались на семинарах ИРЭ АН СССР.
Результаты работы опубликованы в 5 печатных работах /29-31, 59,60/.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. В ней содержится 118 страниц текста, 42 рисунка,
4 таблицы. Библиография включает 136 наименований.
Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу современного состояния проблемы излучения дождя с учетом рассеяния и поляризации. В ней изложена постановка задачи расчета радиотеплового излучения рассеивающей среда на основе решения уравнения переноса для вектор-параметра Стокса. Анализируются тлеющиеся литературные данные по ослаблению радиоволн различной поляризации в дожде, вероятности рассеяния, индикатрисе и матрице рассеяния излучения. Проанализирована возможность описания этих характеристик при помощи приближенных формул.
Во второй главе описано применение метода Монте-Карло для расчета радиотеплового излучения дождя. Приводятся результаты расчетов излучения для плоскослоистой модели атмосферы с дождем над различными подстилающими поверхностями. Оценены точности различных приближенных методов описания излучения плоскослоистой рассеивающей среды. Обосновывается модель излучения дождя, основанная на применении коэффициентов пропускания и отражения рассеивающего слоя, полученных Амбарцумяном В.А. в приближении одно-
12
мерного рассеяния.
В третьей главе содержатся результаты измерений спектральных, поляризационных и пространственно-временных особенностей излучения дождя, полученные в наземных условиях. В ней приводятся характеристики аппаратуры и методика проведения экспериментов. Результаты экспериментов по измерению спектральных особенностей излучения дождя сравниваются с расчетными данными по модели предыдущей главы. По результатам измерений углового распределения интенсивности и степени поляризации излучения дождя на волне 2,25 см показано, что поляризация становится существенной при углах наблюдения не менее 50-60° относительно зенитного направления.
Четвертая глава посвящена теоретическому анализу влияния пространственной неоднородности облачности и осадков в пределах поля зрения радиометра на измеряемые радиояркостные температуры системы "атмосфера- поверхность океана". В ней проанализировано влияние как разрывности облачности, так и роль дисперсии водоза-паса облаков в пределах оптически заполненной области на величину среднего по полю зрения излучения. Показано, что при больших значениях среднего водозапаса облаков важную роль играют оба названных параметра. Приводятся результаты расчетов излучения горизонтально однородных ячеек дождя, полученные методом Монте-Карло. На основе оценок роли рассеяния через боковые границы ячеек дождя сделан вывод о необходимости учета этого эффекта при больших оптических толщинах ячейки по вертикали, Проводится анализ влияния окружающей рассеивающую ячейку среды на величину граничного эффекта.
В пятой главе проводится оценка точности определения параметров дождя совместно с другими геофизическими параметрами системы "атмосферы- поверхность океана" по измерениям со спутников.
13
Описаны условия проведения экспериментов и технические характеристики аппаратуры, установленной на спутниках "Интеркосмос-20,21" и "Космос-1151". Приводятся некоторые результаты обработки экспериментальных данных. Измерения со спутников "Интеркосмос-20,21" позволили выделять зоны выпадения осадков, а со спутника "Космос-1151" оценивать интенсивность дождя. Оценены точности определения параметров дождя по спутниковым измерениям на основе принятой радиационной модели. Обсуждаются перспективы определения характеристик дождя со спутников.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Вклад автора в проведенные исследования
Автором развит метод расчета радиотеплового излучения дождя методом Монте-Карло. На основе полного решения уравнения переноса методом Монте-Карло обоснована радиационная модель дождя, учитывающая рассеяние, поляризацию и пространственную неоднородность. Все численные расчеты излучения дождя выполнены по алгоритмам и программам, написанным лично автором.
Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментов на спутниках "Интеркосмос-20,21" и "Космос-1151". Им разработана методика обработки экспериментальных данных с целью определения параметров дождя. Он принимал и принимает в настоящее время участие в обработке спутниковых измерений.
Под руководством и при непосредственном участии автора были проведены наземные измерения спектральных и поляризационных особенностей излучения дождя.
В заключение автор выражает глубокую признательность к.т.п.
14
Аблязову B.C., д.т.н. Бородину Л.Ф., Годунову В.А. и Досовскому Б.Я. (ФИАН) за содействие в проведении экспериментов, сотрудникам ИРЭ Мармузову В.А., Шевченко Л.С., Ермакову В.Б., ОКБ ИРЭ -Лебедеву И.А., Тимофееву В.А. за помощь в проведении наземных измерений. В ходе работы автором были использованы программы статистической обработки измерений, написанные Саворским В.П., программа первичной обработки измерений со спутников "Интеркосмос-20,21" - Вилковой Л.П., алгоритмы обработки многоканальных радиометрических измерений - Петренко Б.З. При обработке спутниковой информации большую помощь автору оказывали Аквилонова А.Б. и Крылова М.С.. Всем игл автор приносит свою искреннюю благодарность.
Особую благодарность автор выражает д.ф.-м.н. Кутузе Б.Г. за постановку задачи и постоянное руководство работой.