Алгоритм определения интенсивности осадков по спутниковым измерениям в микроволновом диапазоне

Измерение осадков является важным как для науки, так и для общества. Осадки (дождь/снег) – главная составляющая глобальной циркуляции воды и энергии, помогающая регулировать климат. Кроме того, доступность пресной воды крайне важна для жизни на Земле. Измерение осадков необходимо для исследования климатологических процессов, процесса переноса тепла, изменения структуры и состава верхнего слоя океана, наблюдения ураганов и циклонов, и многих других. Прикладных задач для которых необходимо знание количества осадков и их распределение в пространстве достаточно много, например: управление водными ресурсами, прогнозирование урожая, прогнозирование наводнений и стихийных бедствий и другие.
Спутниковые оценки количества осадков могут быть получены на основе измерений различных приборов. Методы поиска в основном разделены на три главные категории, основанных на типе наблюдений, а именно, видимые/инфракрасные методы, микроволновые методы и смешанные(комбинированные) методы.
Для определения интенсивности осадков разработано большое количество алгоритмов и методов. В проекте «Конвергенция» будут использованы радиометрические приборы с частотами аналогичными прибору SSM/I и SSMIS. Таким образом, для определения параметров системы подстилающая поверхность – атмосфера могут быть использованы те же подходы, что и при интерпретации данных SSM/I. При обработке спутниковых радиометрических данных в настоящее время используются достаточно сложные алгоритмы, например: алгоритмы преобразования исходных данных в псевдоканалы и из анализ, использование нейронных сетей, физические алгоритмы с усвоением данных натурных измерений и др.
Для начала исследований в данной области был выбран относительно простой физический алгоритм, который позволяет определять интенсивность осадков, как над поверхностью океана, так и над сушей. Данный алгоритм носит название ALG'85 и предложен в работе (Ferraro, 1997). В нем анализируется рассеяние на 85 ГГц при анализе осадков над поверхностью суши и анализируется излучения на каналах 19 и 37 ГГц – над океаном. Прибрежные регионы, где в единичном снимке может содержаться и вода и суша, не анализируются.
В настоящей работе проведено сравнение интенсивности осадков, восстановленных с помощью алгоритма ALG'85 с данными предоставляемыми компанией Remote Sensing Systems (www.remss.com). Сравнение показало, что ALG'85 адекватно определяет область осадков, но оценки интенсивности осадков различны, что связано с использованием разных алгоритмов. Таким образом, ALG'85 может быть успешно применен к экспериментальным данным аналогичным SSM/I, но его необходимо адаптировать к конкретному набору входных данных.
Также в работе проведена оценка ошибок определения осадков. По общим значениям ошибки определения интенсивности осадков следует отметить, что желательно использовать оценку по индексу рассеяния, т.к. при небольших значениях (~3мм/ч) осадков его погрешность составляет ±9,26%, а при больших значениях интенсивности осадков (~25мм/ч) – ±3,43%. Интенсивность осадков по оценке капельной влаги на частоте 19 ГГц во всем интервале дает ошибку порядка ±21%, а по капельной влаги на частоте 37 ГГц – порядка 17%.
Представленные результаты свидетельствуют о возможности определения интенсивности осадков с заданной в техническом задании точностью (±10%). Однако, следует критически относится к результатам определения интенсивности осадков по оценке капельной влаги. Кроме того, точности восстановления могут быть увеличены если предварительно восстановить (определить) паросодержание в атмосфере, температуру воды и скорость приводного ветра.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №15-05-08401_а