СВЧ гиперспектрометры - перспективные температурно-влажностные зондировщики атмосферы

Уточнение прогнозов развития гидрометеорологических процессов остается насущной научно-технической проблемой. Прежде всего, это связано с потребностью своевременного принятия мер по предотвращению последствий опасных природных процессов, развивающихся в атмосфере и на поверхности Земли. Этим обусловлена также и актуальность разработки методов и средств раннего выявления атмосферных аномалий, т.е. аномалий малой размерности (до 5 км по горизонтали), связанных с чрезвычайными ситуациями антропогенного и природного происхождения, на начальном этапе их развития. Важно, что потенциальные возможности обнаружения и прогнозирования развития указанных атмосферных аномалий существенным образом зависят от понимания процессов, определяемых изменчивостью во времени трехмерных полей водяного пара и термодинамической температуры атмосферы, отражаемые в так называемых температурно-влажностных профилях атмосферы.
В настоящее время одним из основных источников актуальной, в том числе оперативной, информации, позволяющей определять характеристики температурно-влажностных профилей, является спутниковая информация, обеспечиваемая наблюдениями в ИК и СВЧ диапазонах спектра с использованием пассивной аппаратуры, регистрирующей собственное тепловое излучение атмосферы и подстилающей поверхности. При этом применение ИК аппаратуры существенно ограничено тем обстоятельством, что она может быть использована только в безоблачных условиях, в том время как данные СВЧ радиометров могут быть применены и при наличии облачности (в отсутствии дождя). В условиях России повторяемость наблюдений при наличии облачного слоя превышает 80%, поэтому применение для восстановления температурно-влажностных профилей показаний спутниковых СВЧ радиометрических систем имеет для нас особое значение.
В соответствии с требованиями ВТО точности восстановления профилей температуры и относительной влажности в нижней тропосфере должны быть не хуже 7 К и 10 %, соответственно. А требования к пространственному разрешению допускают значения 0,5-1,0 км по вертикали и 10-20 км по горизонтали. Наряду с указанными требованиями также необходимо учесть то, что помимо задач прикладной метеорологии, существует ряд приложений, в которых при атмосферном зондировании должно быть обеспечено существенно более высокое пространственное разрешение. Прежде всего это касается горизонтального разрешения. Такими приложениями являются задачи, в которых необходимо обнаруживать атмосферные аномалии, вызываемые действием радиоактивных источников, в частности, связанных с выбросами радона вследствие тектонических подвижек. Эти выбросы сопровождаются температурно-влажностными аномалиями в нижней тропосфере c характерными размерами порядка 1-3 км.
Несмотря на более чем 30-летний период развития, СВЧ радиометрические средства космического наблюдения к настоящему времени еще не обеспечивают выполнения требований всемирной метеорологической организации как к точностям восстановления температурно-влажностных профилей атмосферы, так и к пространственному разрешению получаемых результатов. Спутниковые СВЧ радиометрические зондировщики атмосферы AMSU-A/B (NOAA, США) и ATMS SUOMI-NPP (NASA, NOAA, США) в настоящее время обеспечивают реальные точности восстановления и вертикальное разрешение примерно в 2-3 раза ниже требований ВМО, а горизонтальное разрешение – ниже примерно в 3-5 раз. Эти зондировщики в настоящее время являются основными поставщиками актуальной информации о температурно-влажностных профилях атмосферы, тем самым определяя уровень развития средств и методов наблюдения температурно-влажностных характеристик атмосферы.
Следует отметить то, что все указанные СВЧ радиометрические системы в значительной степени морально устарели, поскольку базируются на разработках начала 90-х годов прошлого века. Это является существенным препятствием для их дальнейшего развития, т.к. используемая технологическая база не позволяет существенно улучшить их метрические характеристики. Т.о. основная проблема заключается в создании спутниковой (или в более широком аспекте аэрокосмической) СВЧ радиометрической системы, построенной на новой технологической базе, позволяющей проводить зондирование атмосферы с указанными выше параметрами точности.
В качестве таких инновационных СВЧ радиометрических систем, как показывает анализ, целесообразно использовать гиперспектральные СВЧ радиометрические средства спутниковых наблюдений сантиметрового и миллиметрового диапазонов. По оценкам, приведенным в докладе на базе литературных источников и аналитических расчетов, это в конечном итоге даст возможность снизить ошибки восстановления температуры и влажности примерно на 35-40% и увеличить вертикальное разрешение примерно в 2 раза.
Требуемое улучшение пространственного разрешения по горизонтали может быть достигнуто средствами пассивного синтеза апертуры распределенной антенной системы, т.е. не только за счет увеличения сплошной апертуры уединенной антенны, но также и за счет размещения на борту нескольких антенн, т.е. создания распределенной антенной системы. При этом для пассивного синтеза с целью достижения высокого пространственного разрешения целесообразно использовать цифровые корреляторы.
В докладе наряду с обоснованием целесообразности использование СВЧ гиперспектрометров для зондирования атмосферы, представлены также предварительные результаты расчетов и натурных наблюдений атмосферы с использованием прототипа СВЧ спектрометра. Представлены предложения по реализации перспективного СВЧ гиперспектрометра на российских космических платформах.
Исследование выполнено при поддержке РФФИ в рамках научных проектов №16-07-00956.