СОДЕРЖАНИЕ
0. Введение 4
1. Спсктрорадиометрический комплекс для измерения температурного профиля 14
1.1. Введение.............................................................14
1.2. Требования к точности измерения спектра яркостной температуры 16
1.2.1. Метод решения прямой задачи.....................................17
1.2.2. Результаты решения прямой задачи................................25
1.2.3. Оценка чувствительности спектра яркостной температуры к изменениям температуры атмосферы.......................................32
1.3. Антенная система и система калибровки................................38
1.3.1. Антенная система................................................38
1.3.2. Система калибровки..............................................42
1.3.2.1. Погрешность, обусловленная калибровкой по внешним эталонам............................................................43
1.3.2.2. Смещение оценки величины яркостной температуры, связанное с калибровкой но внешним эталонам.....................................46
1.3.2.3. Погрешность, обусловленная калибровкой с использованием модулятора-калибратора..............................................48
1.4. Приемник.............................................................51
1.4.1. Необходимые характеристики блока приемника и его реализация 51
1.4.2. Тестирование блока приемника....................................52
1.5. Анализатор спектра...................................................52
1.6. Выводы...............................................................56
2. Решение обратной задачи восстановления температурного профиля 58
2.1. Введение.............................................................58
2.2. Общее описание байесова подхода к решению обратной задачи............60
2.3. Модели аппроксимации температурного профиля..........................63
2.4. Модельная задача восстановления профиля температуры но данным наземных измерений спектра солнечного излучения........................65
2.5. Модельная задача восстановления профиля температуры но данным наземных измерений спектра собственного излучения атмосферы............72
2.5.1. Особенности получения статистических характеристик температурного профиля из апостериорной плотности вероятности в случае использования спектра собственного излучения атмосферы...........72
2.5.2. Приближенное решение задачи с использованием гауссовой аппроксимации апостериорной плотности вероятности................81
2.5.3. Решение задачи с использованием полной процедуры сэмплирования апостериорной плотности вероятности..............................83
2.5.4. Сравнение кусочно-однородной функции аппроксимации
2
температурного профиля с функцией аппроксимации в виде искусственной
нейронной сети........................................................85
2.5.5. Решение модельной задачи дл случая использования цифрового
анализатора спектра Acqiпs............................................86
2.6. Выводы..............................................................88
3. Исследование возможностей спектрорадиометрического комплекса на основе экспериментальных данных....................................................90
3.1. Пробные измерения; возможности восстановления с использованием 32-канального набора фильтров.............................................90
3.2. Измерения с анализатором спектра Acqiris............................93
3.2.1. Пробная серия измерений с анализатором спектра Acqiris.........93
3.2.2. Оценка влияния эффекта Зеемана на результат восстановления температурного профиля...........................................97
3.2.3. Влияние используемого диапазона частот измеренного спектра на результат восстановления температурного профиля.................100
3.2.4. Сравнение результатов измерений с другими источниками данных. 109
3.2.5. Качественная экспериментальная оценка влияния эффектов солнечного затмения на профиль температуры атмосферы............115
3.2.6. Обсуждение....................................................118
3.3. Выводы.............................................................119
4. Заключение 121
5. Приложение 123
6. Работы, содержащие материалы диссертации 126
7. Литература 130
і
і
3
0.13В ЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Исследование термической структуры средней атмосферы (15 - 90 км) традицинно считается одной из основных задач исследования атмосферы Земли, поскольку температура воздуха является одним из ключевых параметров, определяющих условия протекания большинства фотохимических и динамических процессов на этих высотах [1]. Кроме того, информация о вертикальном профиле температуры воздуха играет важную роль в процедуре восстановления профиля содержания малых газовых составляющих средней атмосферы (в том числе озона) по данным пассивного дистанционного зондирования [2].
Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температурного профиля атмосферы. К контактным методам относятся, во-первых, баллонные измерения [3] - такие измерения обеспечивают наиболее высокое временное и пространственное разрешение, но не позволяют вести непрерывный мониторинг и достаточно дороги. Вторым контактным методом являются ракетные измерения профиля температуры [4, 5]. Они позволяют непосредственно измерить
температуру каждой точки вертикального столба атмосферы с относительно небольшой задержкой по времени, но являются еще более дорогими и сложными, чем баллонные, и также не могут обеспечить постоянный мониторинг с необходимым пространственно-временным разрешением. Еще одним существенным недостатком ракетного зондирования является производимое в процессе измерений возмущение поля температуры, которое хотя и может быть учтено, но делает более сложной обработку результатов измерений и снижает точность.
Из-за наличия перечисленных недостатков контактных методов мониторинг профиля температуры средней атмосферы в настоящее время проводится почти исключительно дистанционными методами с помощью пассивных и активных
установок, работающих в различных диапазонах спектра электромагнитных волн. В оптическом диапазоне частот для таких измерений применяются лидары [6-9] -установки для измерения температурного профиля активным методом с помощью лазеров. Они обеспечивают достаточно высокую точность измерения, но имеют существенные недостатки. Один из них - это громоздкость установки, не позволяющая размещать ее на подвижных носителях или создавать наземную сеть, обеспечивающую необходимое пространственное разрешение. Вторым принципиальным недостатком является невозможность работы лидаров в светлое время суток, что не позволяет получать данные в этот период времени. В инфракрасном диапазоне для измерения температурного профиля атмосферы используются приемники, регистрирующие линии поглощения углекислого газа, форма и интенсивность которых зависят от температуры [10]. Основным недостатком такого метода является невозможность проводить измерения в светлое время суток, как и в случае лидаров.
Кроме наземных методов дистанционного термического зондирования, существуют также и методы измерения с борта самолета и со спутника [11-13]. Преимущественно это микроволновые методы пассивного зондирования, в линиях поглощения молекулярного кислорода. Они имеют свои недостатки. Измерения с борта самолета не могут дать необходимое пространственно-временное разрешение. Спутниковые измерения могут обеспечить постоянный мониторинг температурного профиля атмосферы над всей поверхностью земного шара и необходимое разрешение по вертикали, но являются очень дорогими и не обеспечивают необходимое для решения целого ряда задач пространственно-временное разрешение.
Тем не менее, наибольший объем информации о значениях температуры на различных высотах в средней атмосфере получают сегодня именно такими методами на основании радиометрических измерений собственного излучения атмосферы в линиях различных спин-вращательных переходов молекулярного
кислорода, расположенных в миллиметровом диапазоне длин волн (частоты 50 -60 ГГц, 118 ГГц) [14-23]. Для молекулярного кислорода - одного из основных составляющих атмосферу газов - характерны, во-первых, высокая стабильность концентрации вплоть до высоты 90 км, и, во-вторых, существенная зависимость характеристик теплового радиоизлучения от температуры, что позволяет восстановить профиль температуры в очень широком диапазоне высот: от приземного слоя до мезосферы.
В диапазоне частот 50 - 60 ГГц молекулярный кислород имеет 37 основных спин-вращательных линий с вращательными квантовыми числами от 1 до 37. Ширины этих спектральных линий у поверхности Земли составляют порядка 1 ГГц при среднем частотном разнесении порядка 0.5 ГГц, поэтому они сливаются в так называемую полосу поглощения, центрированную к длине волны 5 мм [24-39]. Высокоиптенсивныс линии с небольшими вращательными числами располагаются в центре полосы, обуславливая большую (десятки неперов) оптическую толщину атмосферы на соответствующих частотах. Они используются для термического зондирования стратосферы и мезосферы со спутников [14-23]1. Достоинствами спутниковых измерений, как. уже отмечалось, являются высокое разрешение по вертикали и глобальный охват земного шара. Однако информация о быстрых вариациях температуры (с характерными временами от нескольких десятков минут до нескольких часов) на сравнительно небольших горизонтальных масштабах (от нескольких десятков до нескольких сотен километров), которая необходима как для корректного восстановления профилей малых газовых составляющих [2], так и при исследовании быстропротекающих процессов (связанных, например, с распространением и трансформацией внутренних гравитационных волн [10]), не может быть получена из спутниковых данных.
Для решения перечисленных задач наиболее перспективным (в том числе
1 Л также для измерения температуры нижних слоев атмосферы с помощью наземного зондирования [22,23].
6
благодаря относительной дешевизне) представляется пассивное наземное зондирование в слабых линиях поглощения молекулярного кислорода, расположенных на склоне 5-миллиметровой полосы поглощения. Оптическая толщина здесь составляет от десятых долей до единиц неперов. В работе [40] было продемонстрировано, что пассивное зондирование с поверхности Земли позволяет наблюдать в этой области спектра отдельные линии, на центральной частоте которых яркостная температура собственного излучения атмосферы превосходит фоновый уровень на несколько градусов (амплитуда соответствующих спектральных линий составляет примерно 5% от фонового уровня). Тем не менее, высказанное в [40] предложение об использовании таких измерений для восстановления вертикального профиля температуры в стратосфере, несмотря на предпринятые в работе [41] попытки, до настоящего момента реализованы не были (см. также [42-51]).
Такое положение связано со следующими обстоятельствами.
Во-первых, как отмечено выше, содержащий информацию о термической структуре средней атмосферы спектральный сигнал представляет собой малое возмущение на фоне, формируемом нижними слоями атмосферы, что накладывает очень жесткие требования на чувствительность измерительной аппаратуры. Точность наземных измерений по регистрации разрешающихся линий низкочастотного склона 5-миллиметровой полосы поглощения кислорода, достигнутая в пионерской работе [40], не позволяла надеяться на получение необходимой точности при восстановлении температурного профиля.
Во-вторых, восстановление высотного профиля температуры средней атмосферы по данным пассивного наземного зондирования - это некорректная обратная задача, так как связь искомого профиля с экспериментально измеряемой величиной (спектром яркостной температуры) задается интегральным соотношением и неизбежно содержит шум измерений. Наиболее распространенные методы решения таких задач [52-72] применимы в случае
линейной зависимости подынтегрального выражения от восстанавливаемой величины. Обсуждаемая же задача существенно нелинейна (в отличие, например, от подробно обсуждавшейся ранее задачи восстановления вертикального распределения озона по спектру излучения атмосферы в линиях данной малой составляющей [73-75]). В связи с этим в [41] была сделана попытка модифицировать один из «линейных» методов (итерационный метод Шахина [76]) для такого случая. Предложенный алгоритм оказался, однако, неудачным для решения задачи восстановления по данным наземного зондирования. В результате в [41] был сделан вывод о возможности термического зондирования средней атмосферы по измеренным спектрам линий поглощения молекулярного кислорода, расположенных на склоне 5-миллиметровой полосы поглощения, но с борта самолета (с высоты 10 км), а не с поверхности Земли.
В-третьих, долгое время не существовало достаточно точной модели поглощения миллиметрового излучения в атмосфере. Адекватная реальности математическая модель, описывающая атмосферное поглощение электромагнитного излучения в рассматриваемом частотном диапазоне, была создана сравнительно недавно [37-39].
Целью данной работы является:
1. Разработка методики мониторинга вертикального профиля температуры стратосферы и нижней мезосферы по наземным измерениям спектра собственного излучения атмосферы в диапазоне частот, расположенном на низкочастотном склоне 5-миллиметровой полосы поглощения молекулярного кислорода.
2. Разработка и создание спектрорадиометрического комплекса для измерений температурного профиля агмосферы с помощью созданной методики.
3. Испытания созданного комплекса в натурном эксперименте, сравнение полученных результатов с другими источниками данных и выявление
8
границ применимости в различных условиях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.
Первая глава посвящена описанию и определению требований к созданной измерительной установке, работающей в диапазоне частот 52.45-54.50 ГГц, позволяющей регистрировать спектр собственного излучения, атмосферы с точностью, которая обеспечивает точность восстановления температурного профиля средней атмосферы лучше, чем в других существующих методах мониторинга [77]. Усгановка включает в себя параболическую антенну с рупорным облучателем, систему калибровки, супергетеродинный радиометр, анализатор спектра и цифровую систему сбора и обработки данных на базе персонального компьютера.
В разделе 1.1 описан общий подход к решению проблемы реализации установки. Раздел 1.2 посвящен исследованию зависимости точности измерения температурного профиля атмосферы от точности измерения спектра яркостной температуры и определению необходимой точности измерения спектра. В разделе 1.3 описана антенная система установки с системой калибровки и рассчитаны погрешности, вносимые этим блоком в результаты измерений. Раздел 1.4 описывает блок приемника и связанные с ним погрешности измерения. Раздел 1.5 посвящен описанию реализации блока анализатора спектра.
Результаты тестирования созданного комплекса, приведенные в главе 1, подтвердили соответствие его характеристик изначально сформулированным требованиям, необходимым для решения поставленной задачи: зондирования с требуемой точностью и пространственно-временным разрешением термической структуры стратосферы и нижней мезосферы.
Во второй главе предложен и реализован численно алгоритм восстановления высотного профиля температуры средней атмосферы по результатам наземного наблюдения спектра собственного излучения атмосферы в миллиметровых линиях
поглощения молекулярного кислорода [78]. Одновременно аналогичным образом была решена относительно более простая задача восстановления температурного профиля средней атмосферы по данным наземных измерений солнечного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн [79]. Примененный для решения обеих задач алгоритм основан на байесовом подходе к решению некорректных обратных задач, реализованном в [74, 75] для решения существенно более простой задачи: восстановления по данным наземного микроволнового пассивного зондирования вертикального распределения концентрации озона в средней атмосфере. Данный подход позволяет, опираясь на информацию о шуме, неизбежно присутствующем в данных измерений, и используя известные априори свойства восстанавливаемого профиля, сделать статистически корректные оценки искомой величины.
Раздел 2.2 посвящен общему описанию байесова подхода к решению некорректных обратных задач. В разделе 2.3 приведены и. описаны возможные варианты функций, аппроксимирующих температурный профиль атмосферы. Раздел 2.4 посвящен решению модельной задачи восстановления профиля температуры по данным наземных измерений спектра солнечного излучения. 13-разделе 2.5 описано решение модельной задачи восстановления профиля температуры по данным наземных измерений спектра собственного излучения атмосферы, проведено исследование корректности аппроксимации апостериорной плотности вероятности гауссовым распределением, исследовано решение задачи с использованием различных вариантов анализатора спектра.
Третья глава работы посвящена проведенной с помощью созданного комплекса серии измерений спектра собственного излучения атмосферы в диапазоне частот 52.5-53.1 ГГц. По результатам измерений с помощью разработанного алгоритма проведено восстановление температурного профиля атмосферы, получены статистические оценки - наиболее вероятные профили и доверительные интервалы, по которым оценена точность восстановления.
10
Полученные результаты проанализированы. Проведено их сравнение с результатами измерений, выполненных другими методами. Исследована зависимость положения нижней границы диапазона высот восстановления температурного профиля от ширины полосы спектрального анализа. Оценено влияние эффекта Зеемана на положение верхней границы области восстановления температурного профиля.
Раздел 3.1 описывает первые пробные измерения в узкой полосе частот, включающей только одно крыло спектральной линии, с использованием 32-каналыюго набора фильтров в качестве анализатора спектра. Раздел 3.2 посвящен измерениям с использованием анализатора спектра Aqciris. В этом разделе проведено сравнение полученных результатов с данными спутниковых измерений MLS Aura, COSMIC и европейского центра среднесрочных прогнозов погоды ECMWF. В разделе 3.2.3 исследовано положение нижней границы восстановления от используемого спектрального диапазона, а в разделе 3.2.2 - также положение верхней границы от влияния эффекта Зеемана. В разделе 3.2.5 приведено исследования результата измерений температурного профиля во время солнечного затмения.
Научная новизна работы заключается в следующем: впервые разработана методика мониторинга вертикального профиля температуры стратосферы и нижней мезосферы по наземным измерениям спектра собственного излучения атмосферы в диапазоне частот, расположенном на низкочастотном склоне 5-милли метровой полосы поглощения молекулярного кислорода и создан спектрорадиометрический комплекс для измерений температурного профиля атмосферы с помощью созданной методики, а также определены пределы применимости последней в различных условиях.
Практическая ценность. Для решения задачи мониторинга вертикальных профилей малых газовых составляющих атмосферы (например, озона) Земли радиометрическими методами, а также для исследования быстропротекающих
II
- Київ+380960830922